分析化学 第九章 质谱法

引入试样的方法可分为直接进样和色谱联用系统进样。 直接进样系统 将气体、液体、固体试样，通过一定装臵直接引入离子源的 方法。又分为：

探针杆直接进样:
用于沸点较高的液体和固体样品 。探针杆长约25 cm，杆尖带有一试 样杯（试样探针）， 将探针杆的尖 端插入质谱仪接近离子源后，加热升 温，使样品气化为蒸气后被引入离子 源。
连续式电子倍增管示意图和实物照片
检测器产生的电信号经放大后，由计算机处理，即可 得到质谱图。
5. 真空系统
为避免离子在飞行过程中与气体分子发生碰撞而产生干
扰，质谱仪系统必须保持良好的真空状态： 离子源，< 10-5 Pa
质量分析器, < 10-7 Pa。
普通机械真空泵（0.1Pa）无法达到上述要求 质谱仪中多使用涡轮分子泵和机械真空泵配合使用：
a: 以电喷雾为离子源；分析性能随仪器而异。b: 括号中的数据为对应的分析物浓度。
4．离子检测器
常用检测器有电子倍增管、法拉第杯、闪烁计数器等。 电子倍增管：工作原理与光电倍增管相似。 一定能量的离子轰击阴极导致电子发射，电子在电场的作 用下，依次轰击下一级电极而被放大至可达105-108。 电子倍增管一般是采用连续式的二次发射极。通常为漏 斗状，材料为镀上一层半导体薄膜的玻璃所构成。
快速原子轰击（Fast Atom Bombardment，FAB）
二次离子质谱（Secondary Ion MS， SIMS） 基质辅助激光解吸电离（Atmospheric Pressure Matrix Assisted Laser Desorption Ionization，MALDI）
解吸
高能原子束
右侧常用 M 指代分子离子峰M+
多巴胺的质谱图
[见左图中的M(153) ]
m/z 为30、36、51、77、123、124等许多丰度不等的离子峰是多巴胺 的碎片离子峰。
9.2 质谱仪
9.2.1 质谱仪的构成
由进样系统、离子源、质量分析器、收集检测器、真空
系统 5 个部分组成。
1．进样系统
特点
通常得到准分子离子。若样品分子的质子亲和势大于反应气 的质子亲和势，则生成[M+H]+，反之则生成[M-H]+。
3．质量分析器（mass analyzer）
是质谱仪中分离不同质荷比离子的部件。根据工作原理 的不同，主要有磁质量分析器，飞行时间质量分析器，四极 杆质量分析器，离子阱质量分析器和傅里叶转换质量分析器 等。 （1）磁偏转式分析器（magnetic-sector analyzer） 利用外加磁场使得不同质荷比的离子在飞行过程中发生 不同的角度偏转，使不同的离子得以分离。
间隙式进样
适用于气体或挥发性液体、固体试样。通过加热使试样管内的试样挥 发至贮样器（真空度10-3 Pa），用阀切换将贮样器内的气态试样，通过小 孔以分子流形式漏入真空度更高（10-5 Pa）的离子源。
色谱联用进样系统
将气相、液相色谱的柱后流出物导入质谱的离子 化器，经离子化后供质谱分析。其特点是可用于分析复杂 试样的各种组分。

特点 分析器设备简单（不需要磁场和电场） 扫描速度快（10-5-10-6 s可记录整段质谱）， 灵敏度高 质量范围宽（可达160000甚至更高），
适合与研究快速反应以及与 色谱的联用。 飞行时间分析器与新型软离 子源基质辅助激光解吸离子化 源（MALDI）结合的质谱分 析系统已成为生物大分子分析 的强有力工具。
双聚焦分析器是在离子源和磁场之间增加一个静电分析 器， 通过串联电场及磁场共同作用，在实现不同质荷比离子 的按不同方向聚焦的同时，还能实现质荷比相同但速度不同 的离子聚焦,因此双聚焦分析器的分辨可以高达100，000。
双聚焦高分辨质谱仪
（2）飞行时间质量分析器（time of flight mass analyzer，TOF）
真空
解吸
高能离子束
真空
解吸
激光束
大气压
电喷雾电离（Electrospray Ionization， ESI）
--
荷电微粒能量
大气压
软离子源，电离过程中产 生多重质子化离子
（1）电子轰击源 （electron impact ionization, EI） 通过电子束与气态的试样分子直接作用而导致分子电离 甚至裂解。 结构示意
2.质谱分析的基本原理
离子的动能 由离子源产生的离子，在离子加速区被加速后所获得的
动能为：
1 2 mv zU 2
式中: V :加速后离子运动速度 U :加速电压（1-8 KV） z :离子电荷数 m :离子质量
（1）
运动离子与磁场的相互作用 离子以速度 v 进入质量分析器后，受磁场力的作用， 在与磁场垂直的平面内，作匀速圆周运动。离子做圆 周运动所需的向心力等于其在磁场中所受到的洛伦兹 力，即：
质谱信号的产生 当检测器位臵固定（偏转半径 R 为确定值），且加速电 压 U 和磁场强度 H 为一固定值时，只有质荷比 m/z 满足 公式(3’)
R 2U m 2 H z
的离子可以通过质量分析器的狭缝到达检测器,产生与该离 子质荷比对应的信号。 改变离子源的加速电压 U（电扫描）或质量分析器的磁 场强度H（磁扫描），离子运动的轨道半径就发生变化， 不同质荷比的离子就可以在不同的磁场强度下先后通过质 量分析器的狭缝，被检测器所检测，得到按质荷比 m/z 从 小到大排列的质谱，这就是质谱分析的原理。
化学电离源的装臵与电子轰击源相似，但工作时需要向离子室引入一定压 力（约102 Pa）的甲烷、丙烷等反应气。反应气受电子流轰击电离：
生成的CH4+和CH3+很快与大量存在的CH4分子起反应：
生成的加合离子CH5+和C2H5+ 与试样分子（SH）发生反应：
所生成的SH+和S+离子可进一步碎裂，形成质谱。
硬离子源：离子化能量高，多产生质荷比小于分子离子的碎片离子，可得 到分子官能团的信息；
软离子源：离子化能量低，样品分子被电离后主要以分子离子形式存在， 其质谱图相对简单。
质谱仪常用的几种离子源
类型 中英文名称及缩写 电子轰击电离（Electron Impact Iniozation，EI） 化学电离（Chemical Ionization，CI） 场电离 （Field Ionization，FI） 场解吸（Field Deporption，FD） 气相 气相 气相 解吸 离子化试剂 高能电子 试剂离子 高电场 高电场 真空 工作状态 真空 真空 主要特点 硬离子源 软离子源 软离子源，易得到分子离 子峰 软离子源，易得到分子离 子峰 软离子源，可同时生成正 负离子，两种离子都可以 用质谱进行分析 软离子源，采用液体基质 负载样品质子化形成MH+ 离子 软离子源，适于结构复杂、 不易气化的生物大分子
特点
分子离子的丰度低。电子轰击电离源的能量高，化合物分子被打掉一 个电子形成分子离子后，会进一步发生化学键断裂和重排形成多种质荷
比的碎片离子。
典型的硬离子源，能提供有机化合物最丰富的结构信息 有较好的重现性。
（2）化学电离源（chemical ionization, CI） 装臵和工作原理
液相色谱-质谱联用系统
毛细管气相色谱与 质谱联用示意图
气相色谱-质谱联用仪
2．离子源
离子源的功能
将样品的中性分子电离成离子的装臵。离子源性能决定了离子化效率， 影响质谱仪灵敏度，而且决定分子裂解的方式和程度，也决定化合物质谱图 的面貌。
离子源的分类
按离子化时试样的状态分 气相离子源：样品以气体的形式离子化。气相离子源适合用于沸点低于 500C的热稳定性化合物（分子量小于103）。 解吸离子源：液态或固态试样不经挥发过程而直接离子化。适用于分子量 较高、非挥发性或热稳定性差的试样。 按离子源能量强弱分
工作原理 在离子化室内，电加热灯丝产生电子，在灯丝（阴极）和阳极间加
数十伏直流电压，电子加速形成高速电子束（能量为10～70 eV），进
入离子化区。 样品以气态分子形式进入离子源，与高能电子在离子源中心碰撞， 使分子离解形成正离子。 推斥极和加速极之间的电场引导正离子穿过狭缝，进入离子加速区。 在加速极高电压（数千伏）作用下，正离子获得一定速度，从狭缝射入 质量分析器。
第九章
质谱法
（Mass Spectrometry, MS）
9.1 质谱分析的基本原理
9.2 质谱仪
9.3 质谱中的离子类型
9.4 质谱分析法的应用
9.1 质谱分析的基本原理
9.1.1 质谱分析的基本原理
1. 质谱分析的一般过程
将样品导入离子源, 在离子源内试样分子电离成带正荷的离子
正离子进入加速盘及狭缝区加速、准直 高速的正离子束射入质量分析器的磁场，不同质荷比（质量电荷比， m/z）的离子在磁场中发生偏转，按不同的方向运动而得以分离 分离后的不同离子被离子检测器所检测和记录。
m1 m1 R m2 m1 m
其中m1 ，m2 为质量数，且m1＜m2 。故在两峰质量相差越小 时，要求仪器分辨率越大。
v2 m Hzv R
(2) 或
HzR v m
(2’)
上两式中，H 为磁场强度，R 离子偏转半径。 将前面(1)式代入 (2)和(2’)，可得到
m H 2 R2 z 2U
(3)
2U m R 2 H z
(3’)
磁场中离子运动半径 R 由离子质荷比 m/z、离子室加 速电压 U、质量分析器磁场强度 H 三者决定。
气相色谱飞行时间质谱仪
（3）四极杆质量分析器（quadrupole mass filter）
四根截面呈双曲面或圆形的棒状电极, 相对的两根为一组，两组电 极上加直流电压和射频交流电压。 在一定的直流电压、交流电压和交流频率下，只有符合一定质荷 比m/z 的离子能通过四极杆而达到检测器，而其他离子在运动过程 中碰撞圆筒形电极而被“过滤”掉。 当连续改变直流电压和交流电压大小或保持电压不变连续改变交 流电的频率，就可以使不同质荷比m/z的依次达到检测器而得到质 谱图。