有机质谱分析原理110314剖析

10.1 简介

质谱分析是先将物质离子化，变为气态离子混合物，并按离子的质荷比分离，然后测量各种离子谱峰的强度而实现分析目的的一种分析方法。以检测器检测到的离子信号强度为纵坐标,离子质荷比为横坐标所作的条状图就是我们常见的质谱图。质谱仪是实现上述分离分析技术，从而测定物质的质量与含量及其结构的仪器。质谱分析法是一种快速、有效的分析方法，利用质谱仪可进行同位素分析，化合物分析，气体成分分析以及金属和非金属固体样品的超纯痕量分析。质量是物质的固有特征之一，不同的物质有不同的质量谱(质谱)，利用这一性质，可以进行定性分析；谱峰强度也与它代表的化合物含量有关，利用这一点，可以进行定量分析。在有机混合物的分析研究中已经证明了质谱分析法比化学分析法和光学分析法具有更加卓越的优越性，其中有机化合物质谱分析在质谱学中占最大的比重，全世界几乎有3/4仪器从事有机分析，现在的有机质谱法，不仅可以进行小分子的分析，而且可以直接分析糖，核酸，蛋白质等生物大分子，在生物化学和生物医学上的研究成为当前的热点。

目前的有机质谱和生物质谱仪，除了GC-MS的电轰击电离(EI)和化学电离(CI)，离子化方式还有大气压电离(API)(包括大气压电喷雾电离ESI、大气压化学电离APCI)与基质辅助激光解吸电离。前者常采用四极杆或离子阱质量分析器，统称API-MS，后者常用飞行时间作为质量分析器，所构成的仪器称为基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)。API-MS的特点是可以和液相色谱，毛细管电泳等分离手段联用，扩展了包括药物代谢、临床和法医学、环境分析、食品检验、组合化学和有机化学等的应用范围；MALDI-TOF-MS 的特点是对盐和添加物的耐受能力高，且测样速度快，操作简单。

10.2 有机质谱仪

质谱仪包括进样系统，离子之源，质量分析器，离子检测器，及记录仪几大部分，其基本结构如图1所示：

供电系统

┏━━━━━┳━━━━━━╋━━━━━━━┳━━━━━━┓进样系统离子源质量分析器检测接收器数据系统┗━━━━━┻━━┳━━━┻━━━━━━━┛

真空系统

图1 质谱仪的基本结构图

10.2.1 进样系统

质谱仪只能分析、检测气相中的离子，不同性质的样品往往要求不同的电离技术和相应的进样方式。商品仪器一般配备以下进样系统，供测定不同样品时选用。

10.2.1.1 储罐进样

这个系统主要包括储气室、加热器、真空连接系统及一个通过分子漏孔将样品导入离子源的接口。气体和液体样品在不需要进一步分离时可以通过这种方式进样，足够的样品量可以在较长时间内（>30min）给离子源提供较稳定的样品源。

10.2.1.2 探头进样

质谱实验室经常要为合成工作者送来的“纯”固体或高沸点液体提供质谱数据。这些样品通常蒸汽压低或热稳定性差，只能通过探头引入离子源中。

采用直接插入探头进样的样品需要满足以下三个条件[1]。（1）样品在离子源中电离之前必须气化；（2）在气化过程中样品不发生或少发生热分解；（3）样品能在离子源中维持一定的蒸汽压。

10.2.1.3 色谱进样

复杂化合物的直接质谱数据是没有意义的。借助色谱的有效分离，质谱可以在一定程度上鉴定出混合物的成分。毛细管柱气相色谱由于载气流量很小，与质谱的联用很简单，把色谱柱的出口直接插入质谱仪的离子源中即可。液相色谱与质谱的联用经历了相当艰难的摸索，现在已有十分理想的接口。目前商品化质谱仪普遍采用的主要有大气压化学电离和电喷雾电离两种方式。

10.2.2 电离方式和离子源

在离子源中样品被电离成离子。不同性质的样品可能需要不同的电离方式。近些年来，生物大分子的分析对质谱的电离方式提出了更高的要求，新的离子源不断出现。本节中我们介绍几种最主要的电离方式及相应的离子源结构。

10.2.2.1 电子轰击电离

电子轰击（electron impact，EI）电离使用具有一定能量的电子直接作用于样品分子，使其电离。图2是典型EI离子源的结构示意图。用钨或铼制成的灯丝在高真空中被电流炽热，发射出电子。在电离盒与灯丝之间加一电压（正端在电离盒上），这个电压被称为电离电压。电子在电离电压的加速下经过入口狭缝进入电离区。样品气化后在电离区与电子作用一些分子获得足够能量后丢失一个电子形成正离子。在永久磁铁的磁场作用下，电子束在电离区作螺旋运动，增大与中性分子的碰撞概率，从而使电离效率提高。

图2 电子轰击离子源的结构

有机化合物的电离能在10eV左右。当大于这一能量的电子轰击时，样品分子获得很大能量，电离发生后还可能进一步碎裂。大多数EI质谱图集或数据库收录在70eV下获得的质谱图中，在这个能量下，灵敏度接近最大值，而且分子电离的破碎不受电子能量的细小变化的影响。

EI源电离效率高，能量分散小，这保证了质谱仪的高灵敏度和高分辨率。

10.2.2.2 化学电离(CI)

在电子轰击电离中，样品分子与具有一定能量的电子直接作用，产生分子离子，而有些化合物的分子离子热力学能高，很不稳定。这使得一些化合物的分子离子信号变得很弱，甚至检测不到。化学电离（chemical ionization，CI）通过引入大量的试剂气，使样品分子与电离电子不直接作用。试剂气分子被电子轰击电离后因离子-分子反应产生一些活性反应离子，

这些离子再与样品分子发生离子-分子反应，使样品分子实现电离[6]。

化学电离源在结构上与EI源没有太大差别。

化学电离可以使用多种不同的单一或混合试剂气。不同试剂气的反应离子不同，与样品的离子-分子反应可能是电荷交换、质子转移或氢负离子转移。这个电离过程与电子轰击相比，样品分子电离后热力学能相对较低，碎裂反应减少。对于使用最普遍的甲烷试剂气，下列离子-分子反应给出其优势反应离子CH3+和C2H5+。

CH4+·→CH3++H·(1)

CH3++CH4→C2H5++H2(2) 这两个离子的共轭碱（CH4和C2H4）的低质子亲和力使其成为良好的质子供给体，样品分子M获取质子生成MH+离子。

M+CH5+→MH++CH4(3)

M+C2H5+→MH++C2H4(4) 如果样品分子的质子亲和力更低，其他离子-分子反应可能发生。例如：

C n H2n+2+CH5+→[C n H2n+1]++CH4+H2 (5)

10.2.2.3 大气压化学电离(APCI)

气相中放热的质子转移反应的速率常数接近于碰撞速率常数，因此化学电离能够高效的产生离子。在大气压下，化学电离反应的速率更大，电离效率更高。

较早的一种APCI离子源由一个小体积（1cm3）的电离盒通过一个微孔（~25 μm）与质量分析器相连，样品（如色谱的流出物）进入电离盒中受63Ni的β-射线辐射发生电离[9]。这种设计所允许的载气流速为10~100ml/min。电离过程在大气压下进行，色谱的流动相起着试剂气的作用。由于体积小，离子源一直处于加热中，这样可以减少源壁上的吸附。

另一种设计采用的是电晕放电电离[10]，离子源结构如图3所示。电离室没有严格界定的边缘，电离区由点晕点到取样微孔，体积相对较大。高抽速的真空泵可以维持分析室的真空，取样微孔的孔径也增大至100 μm，所允许的载气流速可高达9 L/s。大气电离的一个干扰是溶剂分子（如，水）与样品分子形成簇合离子。在电晕放电电离设计中，在取样微孔与电离反应区之间增加了一层幕气流，这既可避免微孔被堵塞，同时又能使簇合离子解簇。

1、雾化器气；

2、流出液；

3、修饰气；4-5、加热器；6、气帘；7-8、N2；9-10、二级泵区；11、试样流

图3 电晕放电APCI离子源

10.2.2.4 快原子轰击电离(FAB)

以高能量的初级离子轰击表面，再对由此产生的二次离子进行质谱分析是材料表面分析