质谱法( Mass Spectrometry,MS) 的应用与历史发展

第十八章 质谱法( Mass Spectrometry,MS) 应用 质谱是应用最为广泛的方法,它可以为我们提供以下信息 a)样品元素组成; b)无机、有机及生物分析的结构-结构不同,分子或原子碎片不同(荷 质比不同) c)复杂混合物的定性定量分析-与色谱方法联用(GC-MS) d)固体表面结构和组成分析-激光烧蚀等离子体-质谱联用 e)样品中原子的同位素比。 历史: 1813年, Thomson使用MS报道了Ne是由2lNe和2N两种同位素组 成;随后,同位素分析开始发展。在30年代末,由于石油工业的发展,需 要测定油的成份。通常用蒸馏( fractional distillation)的方法先分离这些烃类 混合物,然后再分别测定其折光率( refractive index)的方法来分析它们。这 通常要花数天时间。40年代初开始将Ms用于石油工业中烃的分析,并大 缩短了分析时间。50年代初,质谱仪器开始商品化,并被广泛用于各类有 机物的结构分析。同时质谱方法与NMR、IR等方法结合成为分子结构分 析的最有效的手段。80年代,非挥发性或热不稳定分子的分析进一步促进 了MS的发展;90年代,由于生物分析的需要,一些新的离子化方法得到 快速发展;目前一些仪器联用技术如GCMS, HPLC-MS, GC-MS-MS, ICP-MS等正大行其道

第十八章 质谱法(Mass Spectrometry, MS) 应用： 质谱是应用最为广泛的方法，它可以为我们提供以下信息： a) 样品元素组成； b) 无机、有机及生物分析的结构---结构不同，分子或原子碎片不同(荷 质比不同) c) 复杂混合物的定性定量分析------与色谱方法联用(GC-MS)； d) 固体表面结构和组成分析-----激光烧蚀等离子体---质谱联用； e) 样品中原子的同位素比。 历史： 1813 年，Thomson 使用 MS 报道了 Ne 是由 22Ne 和 24N 两种同位素组 成；随后，同位素分析开始发展。在 30 年代末，由于石油工业的发展，需 要测定油的成份。通常用蒸馏(fractional distillation)的方法先分离这些烃类 混合物，然后再分别测定其折光率(refractive index)的方法来分析它们。这 通常要花数天时间。40 年代初开始将 MS 用于石油工业中烃的分析，并大 缩短了分析时间。50 年代初，质谱仪器开始商品化，并被广泛用于各类有 机物的结构分析。同时质谱方法与 NMR、IR 等方法结合成为分子结构分 析的最有效的手段。80 年代，非挥发性或热不稳定分子的分析进一步促进 了 MS 的发展；90 年代，由于生物分析的需要，一些新的离子化方法得到 快速发展；目前一些仪器联用技术如 GC-MS，HPLC-MS，GC-MS-MS， ICP-MS 等正大行其道

第一节质谱分析原理及质谱仪 基本原理概述 质谱分析是将样品转化为运动的带电气态离子,于磁场中按质荷比 (m/z)大小分离并记录的分析方法。 其过程为可简单描述为: 离子源轰击样品—带电荷的碎片离子—电场加速(zeU获得 动能(m) 磁场分离(不同 检测器记录 其中,2为电荷数,e为电子电荷,U为加速电压,m为碎片质量,v为电子运动速度 、质谱仪性能指标 质量测量范围 质量测定范围以原子质量单位量度,1个原子质量单位: lu=1.66054×102kg/C原子 t 12C=12u, CH4=16.xXXX u 在非精确测量中,常直接以原子或分子量大小来表示。 2)分辨本领 指质谱仪分辨相邻质量数离子的能力。定义为:两个相等强度的相邻 峰(质量分别为m1和m2),当两峰间的峰谷不大于峰高的10%时,则可认为 两已分开,其分辨率R为 m2-m1△m 可见在质量数小时,分辨率亦较小。 实际工作中很难找到上述两相等的峰,常以下式表示:

第一节 质谱分析原理及质谱仪 一、基本原理概述 质谱分析是将样品转化为运动的带电气态离子，于磁场中按质荷比 (m/z)大小分离并记录的分析方法。 其过程为可简单描述为： 离子源轰击样品 带电荷的碎片离子 电场加速(zeU) 获得 动能( 2 2 1 mv ) 磁场分离( 不同 z m ) 检测器记录 其中，z 为电荷数，e 为电子电荷，U 为加速电压，m 为碎片质量，v 为电子运动速度。 二、质谱仪性能指标 1、质量测量范围 质量测定范围以原子质量单位量度，1 个原子质量单位： 1u=1.6605410-27kg/12C 原子 如 12C=12u, CH4=16.xxxx u 在非精确测量中，常直接以原子或分子量大小来表示。 2) 分辨本领 指质谱仪分辨相邻质量数离子的能力。定义为：两个相等强度的相邻 峰(质量分别为 m1 和 m2)，当两峰间的峰谷不大于峰高的 10%时，则可认为 两已分开，其分辨率 R 为： m m m m m R  = − = 1 2 1 1 可见在质量数小时，分辨率亦较小。 实际工作中很难找到上述两相等的峰，常以下式表示：

R W Wo05表示峰高5%处的峰宽。 仪器组成 按质量分析器(或者磁场种类)可分为静态仪器和动态仪器,即稳定磁 场(单聚焦及双聚焦质谱仪)和变化磁场(飞行时间和四极杆质谱仪)。 MS仪器一般由进样系统、电离源、质量分析器、真空系统和检测系 统构成。 进样系统忙子了[预量芬孑个测 真空系统 a样品途径 显示记录 信号传输 质谱仪构造框图 1、真空系统 液氮 水冷 高祈网 冷阱 机城泵 m加热器 离子计 扩散泵 谓仪的具型真空系练

W0.05 m R = W0.05 表示峰高 5%处的峰宽。 三、仪器组成 按质量分析器(或者磁场种类)可分为静态仪器和动态仪器，即稳定磁 场（单聚焦及双聚焦质谱仪）和变化磁场（飞行时间和四极杆质谱仪）。 MS 仪器一般由进样系统、电离源、质量分析器、真空系统和检测系 统构成。 1、真空系统

如图所示,质谱仪中所有部分均要处高度真空的条件下(104-106Tor 或mmHg),其作用是减少离子碰撞损失。真空度过低,将会引起: a)大量氧会烧坏离子源灯丝; b)引起其它分子离子反应,使质谱图复杂化; c)干扰离子源正常调节; d)用作加速离子的几千伏高压会引起放电。 2、进样系统 ●对进样系统的要求:重复性、不引起真空度降低 ●进样方式 a)间歇式进样:适于气体、沸点低且易挥发的液体、中等蒸汽压固体 如图所示 液体引人 隔片、 /1~L贮存器 气休人口 c 8- 至离了源 oDor 计地休积 宾如热套 典型的间欧式进样系統 注入样品(10-100μg)-贮样器(0.5L-3L)--抽真空(102Tor)并加热--样 品蒸分子(压力陡度)-漏隙-高真空离子源。 b)直接探针进样:高沸点液体及固体 探针杆通常是一根规格为25cm×6mmid,末端有一装样品的黄金杯(坩 埚),将探针杆通过真空闭锁系统引入样品,如图所示

如图所示，质谱仪中所有部分均要处高度真空的条件下(10-4 -10-6Torr 或 mmHg), 其作用是减少离子碰撞损失。真空度过低，将会引起： a) 大量氧会烧坏离子源灯丝； b) 引起其它分子离子反应，使质谱图复杂化； c) 干扰离子源正常调节； d) 用作加速离子的几千伏高压会引起放电。 2、进样系统 ⚫ 对进样系统的要求：重复性、不引起真空度降低。 ⚫ 进样方式： a) 间歇式进样：适于气体、沸点低且易挥发的液体、中等蒸汽压固体。 如图所示 注入样品(10-100g)---贮样器(0.5L-3L)---抽真空(10-2 Torr)并加热---样 品蒸分子(压力陡度)---漏隙---高真空离子源。 b) 直接探针进样：高沸点液体及固体 探针杆通常是一根规格为 25cm6mm i.d.,末端有一装样品的黄金杯(坩 埚)，将探针杆通过真空闭锁系统引入样品，如图所示

真空 离了化室 【N 加热丝 直接探针引入进样系统 色谱进样系统:将在GCMS联用中介绍 3、电离源(室) 将引入的样品转化成为碎片离子的装置。 分类: 气相(Gas- phase source-先蒸发再激发,适于沸点低于500C、对热稳定的 样品的离子化,包括电子轰击源、化学电离源、场电离源、火花源; 解吸( Desorption source-固态或液态样品不需要挥发而直接被转化为气 相,适用于分子量高达105的非挥发性或热不稳定性样品的离子化。包 括场解吸源、快原子轰击源、激光解吸源、离子喷雾源和热喷雾离子 源等 此外,还可将离子源大致分为硬源(离子化能量高,伴有化学键的断裂 谱图复杂,可得到分子官能团的信息)和软源(离子化能量低,产生的碎片 少,谱图简单,可得到分子量信息) 因此,可据分子电离所需能量不同可选择不同电离源

c) 色谱进样系统：将在 GC-MS 联用中介绍 3、电离源(室) 将引入的样品转化成为碎片离子的装置。 ⚫ 分类： 气相(Gas-phase source)---先蒸发再激发，适于沸点低于 500oC、对热稳定的 样品的离子化，包括电子轰击源、化学电离源、场电离源、火花源； 解吸(Desorption source) ---固态或液态样品不需要挥发而直接被转化为气 相，适用于分子量高达 105 的非挥发性或热不稳定性样品的离子化。包 括场解吸源、快原子轰击源、激光解吸源、离子喷雾源和热喷雾离子 源等。 此外，还可将离子源大致分为硬源(离子化能量高，伴有化学键的断裂， 谱图复杂，可得到分子官能团的信息)和软源(离子化能量低，产生的碎片 少，谱图简单，可得到分子量信息)。 因此，可据分子电离所需能量不同可选择不同电离源

●常用离子源介绍 a)电子轰击源( lectron Bomb ionization,E) 作用过程:采用高速(高能)电子束冲击样品,从而产生电子和分子离子: M+e M继续受到电子轰击而引起化学键的断裂或分子重排,瞬间产生多 种离子。EI的作用原理如图所示 由进样系统来的样品气体 推斥极板 狭缝 灯丝 高子化室 电于 阳极 GIG2 G3 G4 G5 腐了束 至质量分析器 电子轰击源工作示意图 水平方向:灯丝与阳极间70V电压-高能电子-冲击样品-正离子 垂直方向:G3-G4加速电极(低电压)-较小动能-:缝准直G4G5加速电极(高 电压)-较高动能-狭缝进一步准直-离子进入质量分析器

⚫ 常用离子源介绍 a) 电子轰击源(Electron Bomb Ionization，EI) 作用过程：采用高速(高能)电子束冲击样品，从而产生电子和分子离子： M + e M+ +2e M+继续受到电子轰击而引起化学键的断裂或分子重排，瞬间产生多 种离子。EI 的作用原理如图所示： 水平方向：灯丝与阳极间(70V 电压)---高能电子---冲击样品---正离子 垂直方向：G3-G4 加速电极(低电压)---较小动能---狭缝准直 G4-G5 加速电极(高 电压)---较高动能---狭缝进一步准直--离子进入质量分析器

Shield He eater Electron slit First accel, slit Sccond Molecular Gas Fi lament Focus slit accel slit 米的一 Repell ionizing region lon accelerating Electron Anode region beam 特点:使用最广泛,谱库最完整;电离效率高;结构简单,操作方便: 分子离子峰强度较弱或不出现(因电离能量最高)。 b)化学电离源( Chemical ionization,CD 作用过程:样品分子在承受电子轰击前,被一种反应气(通常是甲烷)稀释, 稀释比例约为104:1,因此样品分子与电子的碰撞几率极小,所生面的 样品分子离子主要由反应气分子: CHa +e CHat CH4 +e-*+ H+ 2e CH4 CH4 CH5 CH3 进入电离源的分子RCH3大部分与CH5碰撞产生(M+1)离子: R-CH3 +CHs++ R-CH4*+ CHa 小部分与C2H5+反应,生成(M+29)离子 R-CH3+ C2Hst R-C3Hs* 特点:电离能小,质谱峰数少,图谱简单;准分子离子(M+1)峰大,可提供 分子量这一种要信息

特 点：使用最广泛，谱库最完整；电离效率高；结构简单，操作方便； 分子离子峰强度较弱或不出现(因电离能量最高)。 b) 化学电离源(Chemical Ionization, CI) 作用过程：样品分子在承受电子轰击前，被一种反应气(通常是甲烷)稀释， 稀释比例约为 10 4 :1，因此样品分子与电子的碰撞几率极小，所生面的 样品分子离子主要由反应气分子： CH4 + e CH4 + CH4 + e CH3 + + H + 2e CH4 + CH4 CH5 + CH3 进入电离源的分子 R-CH3 大部分与 CH5 +碰撞产生(M+1) +离子： R-CH3 +CH5 + R-CH4 + + CH4 小部分与 C2H5 +反应，生成(M+29)+离子： R-CH3 + C2H5 + R-C3H8 + 特点：电离能小，质谱峰数少，图谱简单；准分子离子(M+1)+峰大,可提供 分子量这一种要信息

c)场电离源( Field ionization,FD) 应用强电场(电压梯度107-10Vcm)诱导样品电离。如下图。 入射换能 阳4 豪焦单元 场电离源示意图 过程:强电场(电极间距05-2mm}-分子电子的量子隧道效应*-分子热 分解或碰撞-带正电荷的碎片离子-阳极排出并加速进入磁场 *量子道效应 Quantum mechanical tunneling:分子电子被微针“萃出 分子本身很少发生振动或转动,因而分子不过多碎裂 电极要求:电极尖锐,使用微碳针(W丝上的苯基腈裂解生成)构成多尖陈 列电极可提高电离效率 特点:电离温和,碎片少,主要产生分子离子M和(M+)峰。 d)场解吸源( Field desorption,FD) 类似于场电离源,它也有一个表面长满“胡须”(001mm长)的阳极发 射器( Emitter) 过程:样品溶液涂于发射器表面-蒸发除溶剂-强电场--分子电离-- 奔向阴极--引入磁场 特点:特别适于非挥发性且分子量高达100000的分子。样品只产生分 子离子峰和准分子离子峰,谱图最为简单

c) 场电离源(Field ionization, FI) 应用强电场(电压梯度 107 -108V/cm)诱导样品电离。如下图。 过 程：强电场(电极间距 0.5-2mm)---分子电子的量子隧道效应*---分子热 分解或碰撞---带正电荷的碎片离子---阳极排出并加速进入磁场 *量子隧道效应(Quantum mechanical tunneling): 分子电子被微针“萃出”， 分子本身很少发生振动或转动，因而分子不过多碎裂。 电极要求：电极尖锐，使用微碳针(W 丝上的苯基腈裂解生成)构成多尖陈 列电极可提高电离效率。 特 点：电离温和，碎片少，主要产生分子离子 M+和(M+1) +峰。 d) 场解吸源(Field desorption, FD) 类似于场电离源，它也有一个表面长满“胡须” (0.01mm 长)的阳极发 射器(Emitter)。 过 程：样品溶液涂于发射器表面---蒸发除溶剂---强电场---分子电离--- 奔向阴极---引入磁场 特 点：特别适于非挥发性且分子量高达 100000 的分子。样品只产生分 子离子峰和准分子离子峰，谱图最为简单

COOH-CH-CH2-CH-COOH HIO 60F Ha 0M)=147 CHa 147 CHi (M-Hy) (a)电子轰击源 129 100r(b) 130 I(M-HO+H b)杨电离源 M+H) 48 °14 148 (+H (c)场解吸源 160 m/ 谷氮酸的质谱图 e)火花源( Spark) 针对金属样品等无机物分析,类似于AES中的激发光源 过程:30kV脉冲电压--火花--样品局部高热-元素蒸发-原子或离子 --经加速进入磁场进行分离 特点:元素分析灵敏度高,可分析复杂样品(60种元素)、谱图简单、线 性范围宽

e) 火花源(Spark)： 针对金属样品等无机物分析，类似于 AES 中的激发光源。 过 程：30kV 脉冲电压---火花---样品局部高热---元素蒸发---原子或离子 ---经加速进入磁场进行分离 特 点：元素分析灵敏度高，可分析复杂样品(60 种元素)、谱图简单、线 性范围宽

f)快原子轰击( Fast atom bombardment,FAB) 过程:高速电子-惰性气体电离-电场加速--高速原子束--撞击涂有 样品的金属板-能量转移给样品分子--电离--引入磁场分离,如图。 子柬 狄缝 样品层 探针 二次离子 质量公折器 铜针探头

f) 快原子轰击(Fast atom bombardment, FAB) 过 程：高速电子--- 惰性气体电离---电场加速---高速原子束---撞击涂有 样品的金属板---能量转移给样品分子---电离---引入磁场分离，如图