质谱原理及使用

从二十世纪六十年代开始，质谱
法更加普遍地应用到有机化学和生物 化学领域。化学家们认识到由于质谱 法独特的电离过程及分离方式，从中 获得的信息是具有化学本性，直接与 其结构相关的，可以用它来阐明各种 物质的分子结构。正是由于这些因素 ，质谱仪成为多数研究室及分析实验 室的标准仪器之一。
7-l 质谱仪
CH5+和C2H5+不与中性甲烷进一步反应 一旦小量样品（试样与甲烷之比为1:1000）
导入离子源，试样分子（SH）发生下列反
应：
CH5+＋ SH → SH2+＋ CH4 C2H5+＋ SH → S+ ＋ C2H6 SH2+和S+然后可能碎裂，产生质谱。 由(<M+H)或(M-H)离子很容易测得其
M＋e → M+＋2e
式中M为待测分子，M+为分子离子 或 母体离子。
电子束产生各种能态的M+，若产生 的分子离子带有较大的内能（转动能、
振动能和电子跃迁能），可以通过碎裂 反应而消去，如
M+1 → M+3
M+
……
M+2 → M+4
式中M+1，M+2…为较低质量的离子
而有些分子离子由于形成时 获能不足，难以发生碎裂作用， 而可能以分子离子被检测到。下 图所示为一电子轰击源的示意图 。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 1．真空系统
质谱仪的离子产生及经过系统必须 处于高真空状态（离子源真空度应达 l．3×10-4～l．3×10-5Pa，质量分析器中 应达l．3×10-6Pa）。若真空度过低，则 会造成离子源灯丝损坏、本底增高、到反 应过多，从而使图谱复杂化、干扰离子源 的调节、加速极放电等问题。一般质谱仪 都采用机械泵预抽真空后，再用高效率扩 散泵连续地运行以保持真空。现代质谱仪 采用分子泵可获得更高的真空度。
化学电离源一般在 1.3×102～ 1.3×103Pa压强下工作（现已发展 出大气压下化学电离技术），其中
充满 CH4，首先用高能电子进行电 离产生CH5+和C2H5+，即
CH4 ＋ e→ CH4+·＋2e CH4+·→ CH3+ + H·
C反H应4+，和即CH3+很快与大量存在的CH4分子起
CH4+·＋ CH4 → CH5+ ＋ CH3· CH3+＋ CH4→ C2H5+＋ H2
R = m/W0.05
如果该峰是高斯型的，上述两式计 算结果是一样的。
【例21．1】要鉴别N+2（m/z为 28．006）和CO+（m/z为27．995）两个 峰，仪器的分辨率至少是多少? 在某质谱 仪上测得一质谱峰中心位置为245u，峰 高5％处的峰宽为0.52u，可否满足上述要 求？
解: 要分辨N+2和CO+，要求质谱仪 分辨率至少为：
（2）直接探针进样对那些在 间歇式进样系统的条件下无法变 成气体的固体、热敏性固体及非 挥发性液体试样，可直接引入到 离子源中，下图所示为一直接引 入系统。
3．电离源 电离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电离方法 叫硬电离方法，而给样品较小能量的电离 方法叫软电离方法，后一种方法适用于易 破裂或易电离的样品。
测定气体用的质谱仪，一般质量 测定范围在2～100，而有机质谱仪一 般可达几千。现代质谱仪甚至可以研 究相对分子质量达几十万的生化样品 。
2．分辨本领
所谓分辨本领，是指质谱仪分开相 邻质量数离子的能力，一般定义是：对 两个相等强度的相邻峰，当两峰间的峰 谷不大于其峰高10％时，则认为两峰已 经分开，其分辨率
第七章 质 谱 法
（Mass Spectrometry MS）
质谱法是通过将样品转化为运动的 气态离子并按质荷比(M／Z)大小进行 分离并记录其信息的分析方法。所得结 果以图谱表达，即所谓的质谱图（亦称 质谱，Mass Spectrum）。
根据质谱图提供的信息可 以进行多种有机物及无机物的 定性和定量分析、复杂化合物 的结构分析、样品中各种同位 素比的测定及固体表面的结构 和组成分析等。
（4）火花源
对于金属合金或离子型残渣之类的 非挥发性无机试样，必须使用不同于上 述离子化源的火花源。火花源类似于发 射光谱中的激发源。向一对电极施加约 30 kV脉冲射频电压，电极在高压火花 作用下产生局部高热，使试样仅靠蒸发 作用产生原子或简单的离子，经适当加 速后进行质量分析。火花源具有一些优 点：
在灯丝和阳极之间加入约70V 电压，获得轰击能量为70eV的电 子束（一般分子中共价键电离电位 约10eV），它与进样系统引入气 体束发生碰撞而产生正离子。
正离子在第一加速电极和反射极间 的微小电位差作用下通过第一加速电极 狭缝，至质量分析器电极狭缝，而第一 加速极与第二加速极之间的高电位使正 离子获得其最后速度，经过狭缝进一步 准直后进入质量分析器。
对于几乎所有元素的灵敏度较高， 可达10-9；可以对极复杂样品进行元素 分析，对于某个试样已经可以同时测定 6O种不同元素；信息比较简单，虽然存 在同位素及形成多电荷离子因素，但质 谱仍然比原子发射光谱法的光谱要简单 得多；一般线性响应范围都比较宽，标 准核准比较容易。但由于仪器设备价格 高昂，操作复杂，限制了使用范围。
质谱分析器的电磁场中，根据所选择 的分离方式，最终实现各种离子按m ／z进行分离。
（二）质谱仪的主要性能指标
1．质量测定范围 质谱仪的质量测定范围表示质谱仪 所能够进行分析样品的相对原子质量（ 或相对分子质量）范围，通常采用原子 质量单位（unified atomic mass unit， 符号u）进行度量。原子质量单位是由 12C来定义的，即一个处于基态的12C中 性原子的质量的1/12，即
2．进样系统
进样系统的目的是高效重复地将样品 引入到离子源中并且不能造成真空度的降 低。目前常用的进样装置有三种类型：间 歇式进样系统、直接探针进样及色谱进样 系统。一般质谱仪都配有前两种进样系统 以适应不同的样品需要，有关色谱进样系 统将在专门章节介绍。
（l）间歇式进样系统
该系统可用于气体、液体和中等蒸气 压的固体样品进样，典型的设计如下图所 示。
通过可拆卸式的试样管将少量（10 ～ 100μg）固体和液体试样引入试样贮存器 中，由于进样系统的低压强及贮存器的加 热装置，使试样保持气态。实际上试样最 好在操作温度下具有1.3～0.13Pa的蒸气压 。
由于进样系统的压强比离子源的 压强要大，样品离子可以通过分子漏 隙（通常是带有一个小针孔的玻璃或 金属膜）以分子流的形式渗透过高真 空的离子源中。
（2）化学电离源
在质谱中可以获得样品的重要 电子轰击产生的M+峰，往往不存在 或其强度很低。必须采用比较温和 的电离方法，其中之一就是化学电 离法。
化学电离法是通过离子——分
子反应来进行，而不是用强电子束 进行电离。离子（为区别于其它离
子，称为试剂离子）与试样分子按 下列方式进行反应，转移一个质子 给 试 样 或 由 试 样 移 去 一 个 H+ 或 电 子，试样则变成带+l电荷的离子。
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。
许多方法可以将气态分子变成离子 ，它们已被应用到质谱法研究中，下表 列出了各种离子源的基本特征。
（l）电子轰击源
电子轰击法是通用的电离法，是使 用高能电子束从试样分子中撞出一个电 子而产生正离子，即
形磁分析器。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，见图21．7。
此时离子受到磁场施加的向心力 Bzeυ作用，且离子的离心力mυ2·r-1也 同时存在，r为离子圆周运动的半径。 只有在上述两力平衡时，离子才能飞 出弯曲区，即
Bzeυ=mυ2/r
其中B为磁感应强度，ze为电荷， υ为运动速度，m为质量，r为曲率半 径。调整后，可得
阳极前端必须非常尖锐才能达到 电离所要求的电压梯度，通常采用经 过特殊处理的电极，在电极表面制造 出一些微碳针（＜1μm），大量的微 碳针电极称为多尖陈列电极，在这种 电极上的电离效率比普通电极高几个 数量级。
场离子化是一种温和的技术，产生 的碎片很少。碎片通常是由热分解或电 极附近的分子一离子碰撞反应产生的， 主要为分子离子和（M＋l）离子。结构 分析中，往往最好同时获得场离子化源 或化学离解源产生的质谱图和用电子轰 击源的质谱图，而获得相对分子质量及 分子结构的信息。
R
m1
m1
m2 m1 m
其中m1、m2为质量数，而且规定 m1＜m2，故在两峰质量数较小时，要求 仪器分辨率越大。
而在实际工作中，有时很难找到相 邻的且峰高相等的两个峰，同时峰谷又 为峰高的10％。在这种情况下，可任选 一单峰，测其峰高5％处的峰宽W0.05即 可当作上式中的Δm，此时分辨率定义 为:
相对分子质量。
化学电离法可以大大简化质谱，若
采用酸性比C2H5+更弱的C4H9+（由异丁 烷）、NH4+（由氨）、H30+（由水） 的试剂离子则可更进一步简化。
（3）场离子源
应用强电场可以诱发样品电离。场 电离源由电压梯度约为107～108V·cm-1的 两个尖细电极组成。流经电极之间的样 品分子由于价电子的量子隧道效应而发 生电离。电离后被阳极排斥出离子室并 加速经过狭缝进入质量分析器。
υ=Bzer/m , ∵ zeU = 1/2mυ2 ∴
m B2r 2e
z
2U
［例 21-2］试计算在曲率半径为10cm的 1.2T的磁场中，一个质量数为100的一价正 离子所需的加速电压是多少？