质谱分析论文

对质谱分析技术的理解

袁媛

（天津师范大学物理与电子信息学院物理一班 09506042）

摘要：着重从以下几个方面阐明质谱分析技术：（1）质谱分析技术的定义；（2）质谱分析技术的特点；（3）质谱分析技术的基本过程；（4）质谱仪的发展；（5）质谱仪的分类；（6）质谱仪的系统组成；（7）质谱仪工作过程及基本原理；（8）质谱分析技术的应用。

关键词：质谱质谱仪离子质量分子

作者简介：天津师范大学物理与电子信息学院天津300387

引言：

在《原子与亚原子物理》中，简单学习了质谱分析方法，它是是通过对被测样品离子的质荷比的测定来进行分析的一种分析方法。这里将从多层面，多角度对质谱分析技术进行理解。

正文：

一、质谱分析技术的定义

质谱分析法（Mass Spectrometry, MS）是在高真空系统中测定样品的分子离子及碎片离子质量，以确定样品相对分子质量及分子结构的方法。化合物分子受到电子流冲击后，形成的带正电荷分子离子及碎片离子，按照其质量m和电荷z的比值m/z（质荷比）大小依次排列而被记录下来的图谱，称为质谱。在质谱分析过程中，被分析的样品首先要离子化，然后利用不同离子在电场或磁场的运动行为的不同，把离子按质荷比（m/z）分开而得到质谱，通过样品的质谱和相关信息，可以得到样品的定性定量结果。

二、质谱分析法的特点

1.应用范围广。测定样品可以是无机物，也可以是有机物。应用上可做化合物的结构分析、测定原子量与相对分子量、同位素分析、生产过程监测、环境监测、热力学与反应动力学、空间探测等。被分析的样品可以是气体和液体，也可以是固体。

2.灵敏度高，样品用量少。目前有机质谱仪的绝对灵敏度可达50pg（pg为10−1 2 g），无机质谱仪绝对灵敏度可达10−14 。用微克级样品即可得到满意的分析结果。

3.分析速度快，并可实现多组分同时测定。

4.与其它仪器相比，仪器结构复杂，价格昂贵，使用及维修比较困难。对样品有破坏性。

三、质谱分析的基本过程

质谱仪是一种测量带电粒子质荷比的装置。它利用带点粒子在电场和磁场中的运动行为（偏转、漂移、振荡）进行分离和测量。在离子源中样品粒子被电离和解离，电离后成为带电单位电荷的分子离子。其解离后则生成一系列的碎片，这些碎片可能形成带正电荷的碎片离子，或带负电荷或呈中性。

将分子离子和碎片离子引入到一个强的正电场中，使之加速，加速电位通常为6~8kV，此时，所有带单位正电荷的离子都将获得动能。由于动能达数千电子伏，可以认为此时各种带单位正电荷的离子都有近似相同的动能。但是不同质荷比的离子则具有不同的速度，利用离子不同的质荷比及其速度差异、质量分析可将其分离，然后由检测器测量其强度记录后获得一张以质荷比为横坐标、以相对强度为纵坐标的质谱图。(质荷比：m/z ，其中m为离子的质量数，z为离子携带电荷数。)

质谱分析的基本过程可以概括为以下四个环节：

1、通过合适的进样装置将样品引入并进行汽化；

2、汽化后的样品引入到离子源进行电离，即离子化过程；

3、电离后的离子经过适当的加速后进入质量分析器，按不同的质荷比进行分离；

4、经检测、记录，获得一张质谱图。

根据质谱图提供的信息，可以进行无机物和有机物定性和定量分析、复杂化合物的结构分析、样品中同位素比的测定以及固定表面的结构和组成的分析等。

四、质谱仪的发展

从J.J. Thomson制成第一台质谱仪，到现在已有近90年了，早期的质谱仪主要是用来进行同位素测定和无机元素分析，二十世纪四十年代以后开始用于有机物分析，六十年代出现了气相色谱-质谱联用仪，使质谱仪的应用领域大大扩展，开始成为有机物分析的重要仪器。计算机的应用又使质谱分析法发生了飞跃变化，使其技术更加成熟，使用更加方便。八十年代以后又出现了一些新的质谱技术，如快原子轰击电离子源，基质辅助激光解吸电离源，电喷雾电离源，大

气压化学电离源，以及随之而来的比较成熟的液相色谱-质谱联用仪，感应耦合等离子体质谱仪，富立叶变换质谱仪等。这些新的电离技术和新的质谱仪使质谱分析又取得了长足进展。目前质谱分析法已广泛地应用于化学、化工、材料、环境、地质、能源、药物、刑侦、生命科学、运动医学等各个领域。

五、质谱仪的分类

质谱仪种类非常多，工作原理和应用范围也有很大的不同。从应用角度，质谱仪可以分为下面几类：

1.有机质谱仪：由于应用特点不同又分为：

①气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）。在这类仪器中，由于质谱仪工作原理不同，又有气相色谱-四极质谱仪，气相色谱-飞行时间质谱仪，气相色谱-离子阱质谱仪等。

②液相色谱-质谱联用仪（LC-MS）。同样，有液相色谱-四器极质谱仪，液相色谱-离子阱质谱仪，液相色谱-飞行时间质谱仪，以及各种各样的液相色谱-质谱-质谱联用仪。

③其他有机质谱仪，主要有：

基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪（MALDI-TOFMS）

富立叶变换质谱仪（FT-MS）

2.无机质谱仪，包括：

①火花源双聚焦质谱仪。

②感应耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）。

③二次离子质谱仪（SIMS）同位素质谱仪。

3.气体分析质谱仪，主要有：呼气质谱仪，氦质谱检漏仪等。

除上述分类外，还可以从质谱仪所用的质量分析器的不同，把质谱仪分为双聚焦质谱仪，四极杆质谱仪，飞行时间质谱仪，离子阱质谱仪，傅立叶变换质谱仪等。

六、质谱仪的系统组成

质谱仪主要由以下部分组成：

1.真空系统

质谱仪的离子源、质量分析器和检测器必须在高真空状态下工作，以减少本底的干扰，避免发生不必要的离子-分子反应。质谱仪的高真空系统通常由机械泵和油扩散泵或涡轮分子泵串联而成。机械泵作为前级泵将真空系统抽到0. 1-0.01Pa，然后再由油扩散泵或涡轮分子泵保证它们的高真空度。

2.进样系统

进行质谱分析时，先要将样品送入离子源。进样系统将样品引入离子源时，既要重复性非常好，还要不引起离子源真空度降低。对进样系统的要求是：

(1)在质谱分析的全过程中，能向离子源提供稳定的样品，并保证样品质谱峰达到应有的强度和稳定度；

(2)进样过程中，尽量减少样品分解、分馏、吸附和冷凝等不良现象；

(3)进样系统的时间常数小；

(4)易于安装，便于操作。

3.离子源

离子源的作用是使被分析的物质电离成带电的正离子或负离子，并使这些离子在离子光学系统的作用下，会聚成有一定几何形状和一定能量的离子束，然后进入质量分析器被分离。离子源的结构和性能与质谱仪的灵敏度和分辨率有密切的关系。样品分子电离的难易则与其分子组成和结构有关。

对离子源的主要要求是：

（1）离子流强度能满足测量精度的要求；

（2）离子束散角小；

（3）离子流稳定性好；

（4）电子利用率高；

（5）工作压力范围宽。

4.质量分析器

质量分析器作用是将离子源产生的离子按其质荷比的不同、在空间的位置、时间的先后或轨道的稳定与否进行分离，以便得到按质荷比大小顺序排列而成的质谱图。质量分析器的类型很多，如磁质量分析器、四极滤质器、飞行时间质量分析器、粒子阱质量分析器和离子回旋共振质量分析器等。质量分析器是由非磁性材料制成，单聚焦质量分析器所使用的磁场是扇性磁场，扇性开度角可以是1 80°，也可以是90°，当被加速的离子流进入质量分析器后，在磁场作用下，