武汉大学仪器分析讲义教案23

具有速度的带电粒子进入质谱分析器的电磁场中， 就存在沿着原来射出方向直线运动的离心力(m2/R)和 磁场偏转的向心力(Bze)作用，两合力使离子呈弧形运 动，二者达到平衡：
23.2. 质谱法的基本原理和方程
整理后得：
离子在磁场作用下运动轨道半径为：
144 m R U B z
B2 m/ z K U
23.3.4.质量分析器
质量分析器(Mass analyzer) 的作用是将离子源产生的离子按 质荷比（m/z）顺序分离。
23.3.4.1.磁分析器
1.扇形磁场和扇形电场的离子光学性质
扇形磁场的基本性质是：质量色散能力、能量色散能力、方 向聚焦能力。
2.双聚焦型磁分析器
磁分析器可分为单聚焦分析器（Single-focusing analyzer）和 双聚焦分析器（double-focusing analyzer），前者为单一扇形磁场; 后者由电场、磁场串联而成。
23.3.3.5.快原子轰击源
快原子轰击源（Fast Atomic bombardment Sources, FAB）主 要用于极性强、高分子量的样品分析。
23.3.3.6. 激光解吸电离源
激光解吸电离源（Laser Desorption Ionization Sources，LD） 是一种结构简单、灵敏度高的新电离源。它利用一定波长的脉冲 式激光照射样品使样品电离，被分析的样品置于涂有基质的样品 靶上,脉冲激光束经平面镜和透镜系统后照射到样品靶上,基质和 样品分子吸收激光能量而气化，激光先将基质分子电离，然后在 气相中基质将质子转移到样品分子上使样品分子电离。激光电离 源需要有合适的基质才能得到较好的离子产率。因此，这种电离 源通常称为基质辅助激光解吸电离(Matrix-Assisted Laser Description /Ionization, 简称MALDI)。
23.3.5.检测器、放大器和记录仪
分子质谱仪器采用的检测器等与原子质谱类似，早期质谱离 子直接打在插入磁场的感光板上，称质谱仪(Mass Spectrograph); 后来接收离子进行电学放大，主要包括Faraday杯、电子倍增器， 光电倍增管等，用笔记录器记录，称质谱计(Mass Spectrometer)。 现代质谱仪器均采用紫外线示波感光记录器记录质谱峰，计算机 采集、处理质谱数据给出归一化捧图和表。
23.6.3. 分子质谱定量分析
23.6.3.1. 质谱直接定量分析
质谱直接定量分析有几个基本假设或条件:
1.组分特征峰及强度不受样品中其他组分或本底干扰。 2.样品中任何组分的离子流强度与其在进样装置中的分压呈 正比。 3.样品中存在具有相同特征谱峰的组分，发生质谱峰叠加时， 叠加峰的强度是各被叠加峰强度的线性累加。 单一组分定量： 可在质谱上确定合适的m/z值，其峰高与组分浓度呈正比， 这个技术称为选择离子检测。 混合的样品多组分定量： 各组分特征峰无叠加，可以代表各个组分具有特定m/z值的 质谱特征峰强度作为定量依据。若组分特征峰发生叠加，则需通 过叠加特征峰强度的线性累加方程计算各组分含量。
23.4.5.亚稳离子
若质量为m1的离子在离开离子源受电场加速后，在进入质量 分析器之前，由于碰撞等原因很容易进一步分裂失去中性碎片而 形成质量m2的离子。
23.5. 分子质谱基本操作技术
23.5.1.磁扫描技术 由于应用目的不同，扫描方式可分为指数扫描、线性扫描、 单次和循环扫描。 23.5.2.加速电压选择 离子m/z与加速电压U呈反比，U越高，测定离子质量范围越 小，而降低U可扩大质量范围。但实际操作中，并不以无限制降 低加速电压，以期获得更高质量范围，而是以尽可能选择高U， 以求获得尽可能高的分辨率和灵敏度。只有在分子量较大时，才 适当降低U，以稍扩大质量范围。
23.4.1.分子离子
样品分子失去1-2个电子(多数为1个电子)而得到的离子称为 分子离子 (Molecular Ion)。
23.4.2. 同位素离子
许多元素都是由具有一定自然丰度的一或多个同位素组成， 这些元素形成化合物后,其同位素就以一定的丰度出现在化合物 中。因此，当化合物被电离时，由于同位素质量不同，在质谱图 中离子峰会成组出现，每组峰会显示出一个强的主峰; 亦发现有 一些峰的m/z大于样品的分子量。
23.3.2. 进样系统
23.3.2.3.色谱进样
质谱仪通常会与气相色谱、液相色谱等仪器联用， 用于分离和检测复杂化合物的各种组分。将色谱分离后 的流出组分通过适当的接口引入质谱系统，称之为色谱 进样。 23.3.2.4. 标准进样 有机质谱一般以全氟煤油(Perfluorokerosene，PFK) 为仪器质量标准样品。PFK从69至1200分子相对质量以 上，几乎每隔12个质量有一个特征峰，主要特征峰的精 确质量均已测定。由于PFK的记亿效应较强，如用加热 进样或直接进样系统进样，容易造成污染。因此，不少 仪器装有专用PFK标准样进样系统。
23.3.3. 离子源
按照样品的离子化过程，离子源（Ion Sources）主 要可分为气相离子源和解析离子源。
按照离子源能量的强弱，离子源可分为硬离子源和 软离子源。 分子质谱仪器的离子源种类繁多，现将主要的离子 源逐一介绍。
23.3.3.1.电子轰击源
电子轰击源(Electron-Impact Soures ，EI)应用最为广泛，主 要用于挥发性样品的电离。 电子轰击源电离效率高，能量分散小，结构简单，操作方便， 工作稳定可靠，产生高的离子流，因此灵敏度高。
23.3.3.2.化学电离源
化学电离源(Chemical Ionization Sources, CI )和电子轰击电离 源主要差别在于CI源工作过程中要引进一种反应气体。
23.3.3.3.场电离源
场电离源(Field ionization Sources, FI)是应用强电场诱导样品 电离的一种离子化方式。
23.3.4.1.磁分析器
23.3.4.2.飞行时间质量分析器
飞行时间质量分析器(Time of flight mass analyzer，TOF)的主 要部分是一个长1m左右的无场离子漂移管。
23.3.4.3.离子阱质量分析器
离子阱质量分析器（Ion Trap Analyzer）是一种通过电场或 磁场将气相离子控制并储存一段时间的装置。
23.5.4.进样技术
比较纯的样品或熔点相差较大多组分混合物，采用程序升温 直接进样，不同熔点化合物会先后气化。不同时间扫描可获得不 同组分质谱。复杂混合物根椐沸点、热稳定性需气相或液相色谱 进样。 不论采用何种进样，在获得预期分析目标前提下，尽量降低 进样量。过量样品会导至灵敏度降低、有损电子倍增器寿命、甚 至超出计算机数据系统峰强范围而无法归一化。
23.4.3.碎片离子
分子离子产生后可能具有较高的能量，将会通过进一步裂解 或重排而释放能量，裂解后产生的离子称为碎片离子(Fragment Ion)。
23.4.4. 重排离子
在两个或两个以上键的断裂过程中，某些原子或基团从一个 位置转移到另一个位置所生成的离子即重排离子(Rearrangement Ion)。
质谱不是光谱，是物质的质量谱。质谱中没有波长 和透光率，而是离子流或离子束的运动，有类似于光学 中的聚焦和色散等离子光学概念。 分子电离后形成的离子经电场加速从离子源引出， 加速电场中获得的电离势能z e U转化成动能[Kinetic Energy，KE，SI单位为焦尔(J)]1/2 m2，两者相等，即
23.3.6. 真空系统 23.3.7. 计算机系统
1.数据采集和简化 2.质量数转换和峰强度归一化 3. 谱图累加、平 均 4.用总离子流对峰强度进行修正 5. 输出质量色谱 6.给出高分 辩率质谱的元素组成。7.谱图检索
23.4. 分子质谱离子类型
分子质谱分析过程中在离子源或无场区等发生下列4类离子 化及其反应：1.分子离子化反应;2.裂解反应;3.重排、裂解反应;4. 离子-分子反应。
第二十三章 分 子 质 谱 法
（Molecular Mass Spectrometry）
质谱法是通过将样品转化为运动的气态离子并按质 荷比(M／Z)大小进行分离并记录其信息的分析方法。所 得结果以图谱表达，即所谓的质谱图（亦称质谱，Mass Spectrum）。根据质谱图提供的信息可以进行多种有机 物及无机物的定性和定量分析、复杂化合物的结构分析、 样品中各种同位素比的测定及固体表面的结构和组成分 析等。 从20世纪60年代开始，质谱法更加普遍地应用到有 机化学和生物化学领域。化学家们认识到由于质谱法的 独特的电离过程及分离方式，从中获得的信息是具有化 学本性，直接与其结构相关的，可以用它来阐明各种物 质的分子结构。正是由于这些因素，质谱仪成为多数研 究室及分析实验室的标准仪器之一。
23.3.质谱仪器
分子质谱仪器仪器由进样系统、离子源、质量分析 器、检测器、真空系统及电子、计算机控制和数据处理 系统等组成。
23.3.2. 进样系统
进样系统的目的是在不破坏真空环境、具有可靠重 复性的条件下，将样品引入离子源。
23.3.2.1. 加热进样
23.3.2. 进样系统
23.3.2.2. 直接进样
23.6. 分子质谱法的应用
23.6.1.化合物的定性分析
23.6.1.1.标准谱图检索定性
将在一定质谱分析条件下获得的质谱图与相同条件下标准谱 图对照是对已知纯化合最简便定性方法。
23.6.1.2.相对分子质量测定
分子离子峰的m/z可提供准确分子相对质量，是分子鉴定的 重要依据。获得分子离子、准确地确认分子离子峰是质谱定性分 析的主要方法之一。 在质谱图中，可根据如下特点确认分子离子峰: 1. 原则上除 同位素峰外，分子离子或准分子离子是谱图中最高质量峰，两者 均可推导出分子量。 2. 它要符合氮律。 3.判断最高质量峰与失 去中性碎片形成碎片离子峰是否合理。 4.当化合物含有氯和溴元 素，有时可帮助识别分子离子峰。
基质必须满足下列要求：能强烈的吸收激光的辐照，能较好 的溶解样品并形成溶液。 MALDI特别适合于飞行时间质量分析器 (TOF),组成MALDITOF质谱仪。MALDI属于软电离技术，它比较适用于分析生物大 分子，如肽、蛋白质、核酸等,对一些相对分子质量处于几千到 几十万之间的极性的生物聚合物，可以得到精确的分子量信息。
23.6.2.新化合物的结构鉴定
23.6.2.1. 分子式确定
1.由同位素相对丰度法推导分子式
2. 用高分辨质谱仪器确定分子式 高分辨质谱仪器测定分子离子或碎片离子质荷比的误差可小 于10-5，可求出分子离子峰的精密质量。因此，用高分辨质谱仪 器测定精确相对分子质量与Beynon表的数据对照，配合其他信息 即可确定合理的分子式。
23.3.3.4.场解吸电离源
场电离源分子需气化后电离， 不适用于难挥发、热不稳定的有机 化合物。因而发展出场解吸电离源 (Field desorption Ionization Sources, FD)，使用了和场电离源相似的多 针尖发射场。 样品无需气化再电离，特别适 于非挥发性、热不稳定的生物样品 或相对分子质量高达100,000的高 分子物质。样品的电离行为较为简 单，所获得的质谱信号也大大简化， 常常只看到分子离子峰或是质子化 的准分子离子峰。
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23.5. 分子质谱基本操作技术
23.5.3.影响分辨率和灵敏度操作条件 1.分析器入口主缝(S1)和分析器出口接收缝(S2)的大小；2.离 子源推斥、引出、聚焦等电极电位及与静电场电压匹配性；3.噪 声信号；4.分析系统真空度；5.要尽量防止离子源、分析器污染； 6.扫描速度适当；7.分辨率选择。
23.1.2.分子质谱与原子质谱比较
分子质谱和原子质谱的原理和仪器总体结构基本相同， 但因研究对象不同，其仪器各部分结构、技术和应用与 原子质谱有很大差别。
1. 获得的信息量大 2. 进样方式多样化 3. 多种离子化技术 4. 质量范围不同 5. 发展历程差异
23.1.3.分子质谱表示法
23.2. 质谱法的基本原理和方程