质谱法

1）电子轰击源 （电子电离源） electron impact，EI 电子轰击法是硬电离方法，它是用高能电子束（10-70 eV）使 试样分子 M 失去一个电子形成带单电子的正离子 M+.，即分子 离子。
在离子源内，用电加热铼或钨的灯丝到2000℃，产生高速电子 束，其能量为10～7OeV。当气态试样由分子漏入孔进入电离室 时，高速电子与分子发生碰撞，若电子的能量大于试样分子的 电离电位，将导致试样分子的电离。
O
+•
CH 3 − C − CH 3
分子离子峰相对强度取决于M+. 的稳定性。
有机化合物分子离子峰的稳定性顺序： 芳香化合物＞共轭链烯＞烯烃＞脂环化合物＞直链烷烃 ＞酮＞胺＞酯＞醚＞酸＞支链烷烃＞醇
2. 分子离子的判断规则
(1)必须是奇电子离子，符合Ｎ规则 (2)必须能够通过丢失合理的中性离子， 产生谱图中高质量区的重要离子。 (3)分子离子峰是否出现与化合物的种类有关。
ESI电离技术解决了两大问题 问题之一：分析生物大分子化合物 ESI质谱可以产生大分子化合物的多电荷离子从而使得现有质 谱仪不需扩大质荷比范围就可测量大分子化合物
J. B. Fenn
Koichi Tanaka(田中耕一)
问题之二：为液相色谱和质谱联用提供有效接口
一般质谱仪：低流速(< 1µl/min)； 电喷雾质谱仪：高流速(< 2 ml/min)
Ø CH4
+ e → CH4+· + 2e Ø CH4+· → CH3+ + H·
Ø CH4+·
+ CH4→ CH5+ + CH3· Ø CH3+ + CH4→ C2H5++H2
（2）产生准分子离子峰（反应气离子与样品分子发生反应） CH5+ + M → [ M+H ]+ + CH4 C2H5+ + M → [ M-H ]+ + C2H6 CI质谱中，一般有较强的准分子离子峰 [M±H]+，还可能出 现[M＋17]+，[M＋29]+等离子，而碎片离子较少。可以推断 相对分子质量。
（4）检测器 常用电子倍增器（electron multiplier）检测离子流。 原理：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，电子倍增器的放 大倍数一般在104～106。但电子倍增器随使用时间增加，增 益会逐步减小。
2. 质谱仪主要性能指标 1）分辨率 分辨率（R）是指质谱仪能区别临近两个质谱峰的能力。
1）磁质量分析器
离子束经加速后飞入磁极间的弯曲区，由于磁场作用，飞行轨道发生 弯曲，此时离子受到磁场施加的向心力Bzeν作用，并且离子的离心力mν2/r 也同时存在，当两力平衡时，离子才能飞出弯曲区，即：
mv Bzev = r
2
其中B为磁感应强度，ze为电荷，ν为运动速度，m为 质量，r为曲率半径。
碎片离子可用于有机化合物的结构鉴定
EI 源的特点：
电离效率高,灵敏度高； 应用最广，标准质谱图基本都是采用EI源得到的； 稳定，操作方便，电子流强度可精密控制； 结构简单，控温方便；
轰击电压 50-70eV, 有机分子的电离电位一般为7-15eV。 可提供丰富的结构信息。
灵敏度高，能检测纳克(ng)级样品；适用于分子量低于1000的样品。 有些样品得不到分子离子
化学电离源是一种软电离方式，有些用EI方式得不到分子 离子的样品，改用CI后可以得到准分子离子，因而可以求 得分子量。对于含有很强的吸电子基团的化合物，检测负 离子的灵敏度远高于正离子的灵敏度，因此，CI源一般都 有正CI和负CI，可以根据样品情况进行选择。由于CI得到的 质谱不是标准质谱，所以不能进行库检索。 EI和CI源主要用于气相色谱-质谱联用仪， 适用于易汽化的有机物样品分析。
1 2 zeU = mv 2
mv 2 Bzev = r
m B 2 r 2e = z 2U
通过改变B、r、U这三个参数中的任一个并保持其余 两个不变即可将不同质荷比的离子分开。 现代质谱仪一般是保持U、r不变，通过电磁铁扫描磁场 而获得质谱图。
2）飞行时间质量分析器（TOF） 原理：利用离子源飞出的离子动能基本一致，但在加速电压 作用下，不同m/z的离子飞行速率不一样， m/z大的离子比小 的飞行速率慢，通过不同m/z的离子到达检测器的时间不同而 被检出。 特点：质量范围宽，扫描速率快。 应用：常与MALDI联用，分析有机大分子。
3）离子阱质量分析器（IT） 原理：由电离源产生的离子进入 阱中后，在恒定的直流交流 比下，射频电压开始扫描，陷 入阱中离子的轨道依次发生变 化而从底端离开环电极腔，从 而被检测。 特点：结构简单，易于操作，用 于定性分析。
4）四级杆质量分析器（TSQ） 原理：由电离源产生的离子到达四级杆质量分析器的中心 ，只有满足一定条件的离子才能沿两对电极的中心轴 飞行，从而被检测。 特点：结构简单，扫描速率快，对真空度要求较低，适合 与液相色谱联用，用于定量分析。
离子源（Ion source）
离子源的功能是将进样系统引入的气态样品分子转化成离 子。由于离子化所需要的能量随分子不同差异很大，因此， 对于不同的分子应选择不同的离解方法。通常称能给样品 较大能量的的电离方法为硬电离方法，而给样品较小能量 的电离方法为软电离方法，后一种方法适用于易破裂或易 电离的样品。 离子源是质谱仪的心脏，可以将离子源看作是比较高级的 反应器，其中样品发生一系列的特征降解反应，分解作用在 很短时间（～1µs）内发生，所以可以快速获得质谱。
质谱分析法 Mass Spectrometry
质谱 Mass Spectrometry
It is Spectrometry NOT Spectroscopy
§ § § § Spectroscopy n. 光谱学, 波谱学, 光谱仪 Spectrometry n. 度谱术，质谱计 Spectrometry : Spectrometer Abbreviated to: Mass spec. or MS
质量分析器
1.单聚焦 2.双聚焦 3.飞行时间 4.四极杆
检测器
1.气体扩散 2.直接进样 3.气相色谱
质谱仪需要在高真空下工作：离子源（10-3 ∼10 -5 Pa ） 质量分析器（10 -6 Pa ） (1)大量氧会烧坏离子源的灯丝； (2)用作加速离子的几千伏高压会引起放电； (3)引起额外的离子－分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。
常见的质谱图棒图（bar graph）：竖线为质谱峰；横 坐标为质荷比；纵坐标为离子的相对强度
二、 质谱仪与质谱分析原理
mass spectrometer and mass spectrometry
进样系统 离子源
1.电子轰击 2.化学电离 3.场致电离 4.激光
m1 m1 R= = m2 − m1 Δm
任选一单峰，测其峰高5%处的峰宽W0.05，即可当作上式中 的△m，此时分辨率定义为：
m R= W 0.05
2）质量范围 质量范围是指质谱仪能测量的最大m/z值。 各种质谱仪具有的质量范围各不相同。目前质量范围最大 的质谱仪是MALDI-TOF，测定的分子质量可高达1 000000u以上。
3）电喷雾电离源（electrospray ionization, ESI）
离子化过程：
1.荷电液滴的产生 当样品溶液流出毛细管的瞬间，在加热温度、雾化气和强电场（3-5Kv)的作 用下，溶液迅速雾化并产生高电荷液滴。 2.荷电液滴中气相离子的产生 带电液滴随着溶剂蒸发不断缩小，液滴表面电荷密度不断增大，发生崩散， 形成更小的液滴，小的继续蒸发，以类似的方式崩散，产生单电荷和多电荷 离子。
1,质谱仪各部分工作原理
（1）进样系统 作用 常用的进样方式有： 直接进样。缺源内。 如 GC-MS，HPLC-MS。
（2）电离源 作用 能给样品较大能量的电离方法为硬电离方法（EI），而给 样品较小能量的电离方法为软电离方法（ESI、APCI）。
质谱分析法的特点
Ø （1）应用范围广。测定样品可以是无机物，也可以是有
机物。被分析的样品可以是气体和液体，也可以是固体。 Ø （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10−12g），无机质谱仪绝对灵敏度可达 10−14 g。用微克级样品即可得到满意的分析结果。 Ø （3）分析速度快，并可实现多组分同时测定。 Ø （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。 目前质谱技术已发展成为三个分支，即同位素质谱、无机 质谱和有机质谱。
EI源：可变的离子化能量 (10~240eV)
电子能量↓ 分子离子增加 电子能量↑ 碎片离子增加
对于易电离的物质降低电子能量，而对于难电离的物质 则加大电子能量（ 常用70eV ）。
2）化学电离源 chemical ionization，CI 化学电离源是软电离方法，通过反应气体离子-待测物质分 子反应来进行。反应气体常用的有CH4、NH3 、H2等。 （1）反应气的电离
ESI主要过程：
电场使液体形成双电层，液体表面正离子的富集导致毛细管尖端液面的 不稳定形成一锥体并喷射带过量正电荷的雾滴，最终产生气相离子.
ESI特点
1 电喷雾电离源是软电离方法，主要产生较强的准分子离子
峰 [M+H]+、 [M+Na]+、 [M+NH4]+、 [M-H]-等，便于推断待 测物相对分子质量。不能进行库检索。 2 ESI可以产生多电荷离子，弥补了四极杆质量分析器等质量 范围窄的缺点。 3 产生的离子常常带有多电荷，尤其是生物大分子。 4 适用于强极性，大分子量的样品分析。 如肽，蛋白质，糖等。 5 主要用于液相色谱-质谱联用仪。
奇电子离子
* 奇电子离子是带有未成对电子的奇数电子的离子 * 通过计算不饱和度，若不饱和度为整数时，该离 子是奇电子离子，若为半整数时，是偶电子离子。
氮规则
* 由C，H，O 组成的有机化合物，M 一定是偶数。 * 由C，H，O，N 组成的有机化合物，N 奇数，M 奇数。 * 由C，H，O，N 组成的有机化合物，N 偶数，M 偶数。 * 若一个化合物含偶数（包括0）个N原子，其分子离 子的质量数一定是偶数，若含奇数个N原子，分子离 子质量数为奇数
例
第三部分：质谱图
丙酮质谱图
图中最高的峰称为基峰。 质谱数据也可以用列表的方法表示。
1. 质谱图主要离子峰类型 1）分子离子峰 特点：分子离子含有奇数个电子，一般出现在质谱的最右侧。 是确定分子量及分子式的重要依据（分子离子的质量与化合 物的分子量相等）。
电离电位最低的电子最容易失去，生成的正电荷和游离基就 固定在失电子的位置上。
4）基质辅助激光解吸离子源（MALDI） 原理：是用激光照射样品与基质形成的共结晶薄膜，基质从 激光中吸收能量传递给样品，从而使样品解吸和电离的过程。 它是一种软电离技术，适用于混合物及生物大分子的测定。
（3）质量分析器 质谱仪的质量分析器位于离子源和检测器之间。 作用 ：过滤 质量分析器的主要类型有：磁分析器、飞行时间质量分 析器、离子阱质量分析器和四级杆质量分析器等。
第一部分：概述
质谱是什么？
特殊的天平：称量离子的质量。 原理：有机化合物经过离子源（EI, ESI, APCI等）的作用而成为带电荷 的离子，这些离子在电场和磁场综合作用下，按照离子质量的大小依次排 列成谱并被记录下来。 质谱学：是一门研究气相离子结构、 性质及反应行为的科学。
质谱能做什么？
定性：化合物的结构。 定量：混合物的各组成含量。 领域：化学、生物学、医学、药学、环境、物理、材料、能源等。