质谱分析技术原理与应用

质谱分析技术原理与应用

质谱仪(MassSpectrometer)是一种分析质量(Mass)的仪器，可进而鉴定分子结构及定量分析。纵观其发展历程质谱的发展速度近似于指数曲线，近年来越来越快速地成长，已成为当今分析化学功能强大的设备。一般而言，课题越重要，参与的人越多。美国质谱年会每年有超过3000篇的口头及墙报论文发表，超过6000人与会，没有哪一种分析仪器具有类似的会议规模。

1. 质谱仪的构造与质谱图

1.1 质谱仪的基本原理与构造

顾名思义，质谱仪是测定物质质量的仪器，基本原理为将分析样品(气、液.固相)电离(Ionization)为带电离子(Ion)，带电离子在电场或磁场的作用下可以在空间或时间上分离: 质谱仪的种类很多，但是基本结构相同。如图1-1 所示，质谱仪的基本构造主要分成五个部分:样品导入系统(Sample Inlet)、离子源(Ion Source)、质量分析器(MassAnalyzer)、检测器(Detector)及数据分析系统(DataAnalysis System)。纯物质与成分简单的样品可直接经接口导入质谱仪;样品为复杂的混合物时，可先由液相或气相色谱仪分离样品组分，再导入质谱仪。当分析样品进入质谱仪后首先在离子源对分析样品进行电离，以电子、离子、分子或光子将样品转换为气相的带电离子，分析物依其性质成为带正电的阳离子或带负电的阴离子。产生气相离子后，

离子即进入质量分析器[图1-1(a)]进行质荷比的测量。

在电场、磁场等物理作用下，离子运动的轨迹会受场力的影响而产生差异，检测器则可将离子转换成电子信号，处理并储存于计算机中，再以各种方式转换成质谱图。此方法可测得不同离子的质荷比，进而从电荷推算出分析物中分子的质量。此外，质谱仪还需要一个高真空系统，维持在10-4torr至10-10torr 的低压环境中让样品离子不会因碰撞而损失或测量到的m/z值有偏差。

除了质量的测量，质谱仪也可以利用串联质谱技术，更有效地鉴定化合物的分子结构。顾名思义，串联质谱仪是由两个以上的质量分析器[图1-1(b)]连接在一起所组成的质谱仪。当分析物经过离子源电离后，第一个质量分析器可以从混合物中选择及分离特定的离子，以外力(碰撞气体、光子、电子等)使该离子解离，并产生碎片离子，再由第二个质量分析器进行碎片离子的质量分析。这些碎片信息可以用来鉴定小分子及蛋白质、核酸等生物分子的结构。当样品复杂度很高时，可在样品进样区前串联一液相色谱(Liquid Chromatography，LC)或气相色谱(GasChromatography，GC)系统，帮助样品预分离(Pre-separation)以提高质谱分析的效率。

1.2 质谱图及基本名词

(a)为一张典型的质谱图，横坐标(x轴)为生成离子的质荷比，纵坐标(y轴)则代表离子的相对强度。质谱中峰强度最高的离子峰称为基峰(Base Peak)，离子相对强度的计算方法

是以基其峰的信号强度定为100%，其他离子峰则以相对于基峰的百分比强度表示。由于不同结构的分子被电离的难易度及效率不同，分子离子峰的强弱随化合物结构不同而异。

(a)丙烯腈(Acrylonitrile)的质谱图; (b)丙烯腈(Acrylonitrile)的串联质谱图，利用碎裂后的产物离子可推知其结构

质谱图中由分析物所形成的离子称为分子离子(MolecularIon)，由其对应的m/z值可以得知分析物的分子质量。由于分子由多个原子组成，分子的质量即组成原子的质量之总和，而原子质量常以原子质量单位表示，因此Da或amu为质谱测量常用的质量单位，且1Da(=1amu)被定义为碳122C)原子质量的1/12。通常生物大分子的分子量大于数千Da，常用kDa作为单位。通过测量准确质量(AccurateMass)更可推导出可能的化学分子式。

在串联质谱技术中，第一个质量分析器所选择的特定离子称作前体离子(Precursor Ion，有时也称ParentIon)，前体离子碎裂后所产生的碎片离子称为产物离子(Product Ion)。图1-2(b)为一张典型的串联质谱图(Tandem MassSpectrum)，由于分子离子有各自特定的碎裂模式，通过解析这些碎片“指纹”可以推知原先分子的结构。

2. 质谱仪的定性鉴定与高灵敏检测能力

最常被报道和讨论的分析数据是分析物的浓度，但若所检测的分析物是错误的，浓度的可信度再高也没有意义。因此，除了“定量”的质量之外，鉴定是哪一种化合物的正确

性也极为重要。在质谱仪因高灵敏度而广受关注之前，它最为人知的优点就是其远优于其他仪器的定性鉴定能力。现在和生活息息相关的许多领域，如环境质量、食品安全、生物医药与临床诊断，多涉及低浓度的化合物。因此低浓度物质的检测能力，特别是在复杂背景(复杂基质)下检测低浓度化合物的能力，成为分析仪器非常重要的一个功能指标。目前质谱仪即以其远优于其他分析仪器的检测能力，成为分析化学最重要的分析仪器。

2.1质谱仪的定性功能

20世纪70年代以前，质谱仪主要用于化合物结构的鉴定。有机化学家可由质谱图的分子离子判定化合物的分子量，再通过众多的碎片离子判断化合物的化学结构。由于核磁共振谱仪快速的发展及优异的结构解析能力，目前有机化学家已较少利用质谱图来推测化合物的结构，取而代之的是分析化学家使用质谱图进行化合物鉴定(定性)的工作。

一张化合物的电子轰击质谱图，除了分子离子外还包含许多碎片离子。不同的化合物不但具有相同的分子量、相同的裂解碎片，而且各碎片的相对强度也相同的概率是十分低的，因此每个化合物的质谱图几乎是独一无二的。分析化学家即便不知道各碎片离子所代表的化学结构，也可通过质谱图高专一性的特性达到化合物鉴定的目的。串联质谱仪(如三重四极杆串联质谱仪)是迄今最为人知的质谱仪。类似电子轰击质谱图，串联质谱的产物离子质谱图也具有很高的专一性.质量相同的前体离子，产生相同质量的裂解碎片(产物离子)，

且各碎片又具有相同强度比的概率是很低的。研究显示，即使不检测所有的产物离子，该方法也有很高的专一性，例如，为了提高灵敏度，通常三重四极杆串联质谱仪只观测产物离子中的某两个产物离子。根据文献资料，色谱保留时间加上一前体离子的二级产物离子的定性失误小于百万分之一。

2.2质谱分析混合物的功能

有机化合物的组成元素不多(碳、氢、氧、氮、硫等)，但是其组成原子的数量却往往十分可观(有的超过数十万个)。化合物很少是单独存在的，通常和许多其他的化合物共存于样品中。分析目标化合物时，必须排除其他共存物的干扰，才能得到该化合物的真正信号。为了排除其他共存物的干扰，样品萃取、净化与分离，常是有机分析不可或缺的几个步骤。

气相色谱仪为一类功能强大的分离仪器，20世纪70年代气相色谱与质谱仪的成功结合，显著提高了质谱仪分析混合物的能力。气相色谱-质谱仪也因兼具分离与鉴定两功能而广受分析化学家的重视。液相色谱仪能够分离的化合物种类远超过气相色谱仪，因此液相色谱仪和质谱仪的联用一度是极受重视的研究主题，但是一直到20世纪90年代，耶鲁大学芬恩教授将电喷雾法应用于质谱仪才成功地将这两类仪器相结合。近年来该方法无论在仪器还是在串联接口方面都有快速的发展，液相色谱-质谱仪已逐渐成为分析化学最重要的仪器。

质谱仪连接气相色谱仪、液相色谱仪等分离设备的主要目的，是希望借助色谱仪的分离功能，排除其他共存物的干