第九章质谱分析

(4)快原子轰击电离源(Fast Atom Bombandment, FAB ）, FAB是二十世纪八十年代发展起来新的电离 技术，轰击样品分子的原子通常为氙或氩。首先让气 体原子电离，并通过电场加速，然后再与热的气体原 子碰撞而导致电荷和能量的转移，获得快速运动的原 子，它们撞击涂有样品的金属极，通过能量转移而使 样品分子电离，生成二次离子。
质谱仪器较为精密，价格较贵，工作环境要求较高， 给普及带来一定的限制。
9.2 质谱仪
从用途(分析对象)分——无机质谱、有机质谱、同位 素质谱及气体质谱等； 从原理结构分——有单聚焦、双聚焦质谱、飞行时间 质谱、四极滤质器、迥旋共振质谱等。
一. 质谱仪的基本结构
1. 高真空系统
质谱仪的离子产生及经过系统必须处于高真空状态(离 子源的高真空度应达到1.3×10-4～1.3×10-5Pa，质量 分析器中应达1.3×10-6Pa)，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以获得更高的真空度。
电子轰击源电离效率高 ，结构简单，操作方便 ，应 用广泛。但分子离子容易被进一步断裂成碎片分子， 分子离子峰变弱甚至不出现，不利于分子量的测定。
(2) 化学电离源 （Chemical Ionization, CI） ——样
品在承受电子轰击之前，被一种“反应气”（常用CH4 也可用异丁烷、NH3）以约104倍于样品分子所稀释。 首先生成的离子来自反应气分子，它与样品分子发生
经分子分离器后，50%以上的组分分子被浓缩并进入 离子源中而压力也降至约1.3×10-2Pa。如果是毛细 管色谱，由于毛细管柱的流量极小，可以不必经过分 子分离器而直接进入离子源。
液相色谱—质谱联用（LC—MS联用）——可用于热 稳定性差、不易汽化的样品，如何有效地除去流动相 而不损失样品，是LC—MS联用地难题之一。 传送带式的接口装置——依靠不锈钢式传送带将LC柱 的流出样送入离子源，在传送过程中，溶剂被加热 （可用红外线加热）汽化并由真空泵抽去，组分进入 离子源。这种方法适于非极性流相液溶剂地除去。
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和结构分析的方法。前二者主要是发明了对生物大分 子进行质谱分析的“软性解吸附电离法”。 质谱法的特点 信息量大，应用范围广，是研究有机化学和结构的有 力工具。
由于分子离子峰可以提供样品分子的相对分子量的信 息，所以质谱法也是测定分子量的常用方法。
分析速度快、灵敏度高、高分辨率的质谱仪可以提供 分子或离子的精密测定。
也可任选一单峰，测其峰高5%处的峰宽，即可当作上 式中的，此时分辨率为:
例1 要鉴别N2+(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N2+和CO+，要求质谱仪分辨率至少为：
二. 质谱仪的性能指标 1. 质量测量范围 气体质谱仪的质量测量范围 一般较小，为2—100，有机 质谱仪一般可达几千，而现 代质谱仪可测量达几万到几 十万质量单位的生物大分子 样品。 2. 分辨本领（也叫分辨率） 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
9.1 质谱法概述
质谱法是通过对样品的分子电离后所产生离子的质荷 比m/e及其强度的测量来进行成分的结构分析的一种 仪器分析方法。 首先，被分析样品的气态分子，在高真空中受到高速 电子流或其它能量形式的作用， 失去外层电子生成分
子离子，或进一步发生化学键的断裂或重排，生成多 种碎片离子 。然后，将各种离子导入质量分析器，利
（1） 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。
（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。
2. 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。 (1)电子轰击源（Elextron Bomb Ionization, EI）— —热阴极发射出能量为70eV的高能电子束，在高速向 阳极运动时，撞击来自进样系统的样品分子，使样品 分子发生电离。
用离子在电场或磁场中的运动性质，使多种离子按不 同质荷比m/e的大小次序分开，并对多种的离子流进 行控制、记录，得到质谱图。最后，得到谱图中的各 种离子及其强度实现对样品成分及结构的分析。 1912年Thmson J J研制了世界上第一台质谱仪。
1913年Thmson J J报道了关于气态元素的第一个研 究成果，证明了该元素有20Ne、22Ne两种同位素。 Aston用质谱法发现同位素并将质谱法应用于质量分 析而于1922年获得诺贝尔奖。 二十世纪六十年代以后，质谱法在有机化学和生物化 学中得到广泛的应用。 近几十年来，质谱法及仪器得到极大发展，主要表现 在：计算机的深入应用，各种各样联用仪器和许多新 电离技术的出现等。 2002年的诺贝尔奖化学奖被授予美国科学家约翰•芬 恩（John B. Fenn）、日本科学家田中耕一（Koichi Tanaka) 和 瑞 士 科 学 家 库 尔 特 • 维 特 里 希 （ Kurt Wuthrich),以表彰他们发明了对生物大分子进行识别
第九章 质谱分析 Mass Spectrometry MS
Agilent7500系列ICP-MS
教学目标 1．较好地掌握质谱分析法的基本原理。 2．掌握掌握仪的基本结构、工作流程及性能指标。 3．在较深入掌握单、双聚焦质量分析器的基础上，比 较其它质量分析器的基本原理及特点。 4．一般了解质谱联用技术。 5．在较深入掌握电子轰击基础上，比较其它电离源的 基本原理及特点。 6．较好理解各种离子的碎裂途径及特点。 7．掌握简单图谱的解析，进行较简单化合物分子量、 分子式及结构式的分析。
离子—分子反应而产生样品分子离子。
化学电离源所得到质谱图的特点—— ①图谱简单；② 准分子离子峰（M+1）+峰很强，可提供样品分子的相 对分子量的信息。
(3) 场电离源（Field Ionization） ——利用强电场诱 发样品分子的电离。正负极间施加高达10KV的电压 差，两极的电压梯度可达107～108V·cm-1。若具有较 大偶极矩或高极化率的样品分子通过两极间时，受到 极大的电压梯度的作用而发生电离。
（3）飞行时间分析器（Time of Flight, TOF） 这种分析器不是磁场或电场，而是一根长、直的飞行
管。离子受加速电压加速后，按照相应的时间间隔飞
行出分析器而被检测，各离子的飞行时间差与质荷比 m/e的平方差相关。第一步 开动电离室的电子枪，大 约10-9S时间，样品电离，形成离子束； 第二步 随后 施 加 加 速 电 压 ， 大 约 10-4S ， 离 子 被 加 速 后 进 入 飞 行 管； 第三步 关闭所有电源，大约ms级，使离子流在 飞行管中无阻的“慢速飞行”，飞出管进行检测； 完成 了一个循环程序后，又一次开动电子枪重新产生离子 束…… （4）四极滤质分析器（Quadrupole Mass Fliter， QMF） QMF是由两对四根高度平行的金属电极杆组成的，
4. 离子检测器 (1)法拉第杯（Faraday Cup）
Faraday杯与质谱仪的其他部分保持一定电位差以便捕 获离子，当离子经过一个或多个抑制栅极进入杯中 时，将产生电流，经转换成电压后进行放大记录。
Faraday杯简单可靠，可以检测≈10-15A的离子流。 但Faraday杯只适用于加速电压＜1KV的质谱仪，因 为更高的加速电压使产生能量较大的离子流，这样离 子流轰击入口狭缝或抑制栅极时会产生大量二次电子 甚至二次离子，从而影响信号检测。 (2)电子倍增器 放大倍数一般在105～108。
其中一对电极加上直流电压Vdc，另一对电极加上射频 电压V0cosωt（V0为射频电压的振幅，ω为射频振荡 频率，t为时间），即加在两个极杆之间的总电压为 （Vdc+V0cosωt）。离子进入此射频场时，只有合适 m/e的离子才能通过稳定的振荡穿过电极间隙而进入 控制器，其它m/e的离子则与极杆相撞而被滤去。只 要保持Vdc/V0值及射频频率不变，改变Vdc和V0就可以 实现对m/e的扫描。
质谱仪的分辨率： 故不能满足要求。
3. 灵敏度 质谱仪的灵敏度有绝对灵敏度、相对灵敏度和分析灵 敏度等几种表示方法。绝对灵敏度是指仪器可以检测 到的最小样品量；相对灵敏度是指仪器可以同时检测 的大组分与小组分含量之比；分析灵敏度则是指输入 仪器的样品量与仪器输出的信号之比。
三. 质谱联用技术
1. 色谱—质谱联用 气相色谱—质谱联用技术（GC—MS联用）已成为最 常用的一种联用技术。GC是在常压下工作，而MS是 在高真空下工作，因此，必须有一个连接装置，将色 谱柱流出的载气除去，使压强降低，样品分子进入离 子室。这个连接装置叫做分子分离器。目前一般使用 喷射式分子分离器。
特点—— ①分子离子 或准分子离子峰强； ②碎片离子；③适合 于热不稳定、难挥发 的样品；④溶解样品 的溶剂也会被电离而 使图谱复杂化。
3. 质量分析器
质量分析器的作用是将离子源中产生的离子按质荷比 m/e的大小顺序分开，然后经检测记录成质谱。 (1)单聚焦质量分析器
(2)双聚焦质量分析器 离子源中的离子有一定的能量分散，经加速后离子的 能量也仍然不同，所以同样的离子在磁场中的运动半 径也不完全一样，因而不能完全会聚在一起，从而降 低了质谱仪的分辨率。使用双聚焦质量分析器可提高 质谱仪的分辨本领。所谓双聚焦质量分析器是指分析 器同时实现能量（或速度）聚焦和方向聚焦。