第14章質(zhì)譜分析MassSpectrometry,MS22025/8/14主要內(nèi)容14-1質(zhì)譜分析概述14-2質(zhì)譜儀器原理14-3雙聚焦質(zhì)譜儀14-4四極濾質(zhì)器、離子阱質(zhì)譜計(jì)14-8/9/10氣-質(zhì)、液-質(zhì)、質(zhì)-質(zhì)聯(lián)14-5離子的類型14-6質(zhì)譜定性分析及譜圖解析基本原理與質(zhì)譜儀32025/8/14質(zhì)譜分析的基本原理是使所研究的混合物或單體形成離子，然后使形成的離子按質(zhì)量（質(zhì)荷比m/z），進(jìn)行分離?；衔锓肿邮艿诫娮恿鳑_擊后，形成的帶正電荷分子離子及碎片離子，按照其質(zhì)量m和電荷z的比值m/z（質(zhì)荷比）大小依次排列而被記錄下來的圖譜，稱為質(zhì)譜。

§14-1

基本原理與質(zhì)譜儀42025/8/14一、質(zhì)譜分析原理進(jìn)樣系統(tǒng)離子源質(zhì)量分析器檢測(cè)器1.氣體擴(kuò)散2.直接進(jìn)樣3.氣相色譜1.電子轟擊2.化學(xué)電離3.場(chǎng)致電離4.激光

1.單聚焦2.雙聚焦3.飛行時(shí)間4.四極桿

質(zhì)譜儀需要在高真空下工作：離子源（10-310-5Pa

）質(zhì)量分析器（10-6Pa

）(1)大量氧會(huì)燒壞離子源的燈絲；(2)用作加速離子的幾千伏高壓會(huì)引起放電；(3)引起額外的離子－分子反應(yīng)，改變裂解模型，譜圖復(fù)雜化。52025/8/14原理與結(jié)構(gòu)電離室原理與結(jié)構(gòu)儀器原理圖真空系統(tǒng)

質(zhì)譜儀的離子產(chǎn)生及經(jīng)過系統(tǒng)必須處于高真空狀態(tài)

。若真空度過低，則會(huì)造成離子源燈絲損壞、本底增高、消減不必要的離子碰撞，散射效應(yīng)，到反應(yīng)過多，從而使圖譜復(fù)雜化、干擾離子源的調(diào)節(jié)、加速極放電等問題。一般質(zhì)譜儀都采用機(jī)械泵預(yù)抽真空后，再用高效率擴(kuò)散泵連續(xù)地運(yùn)行以保持真空。現(xiàn)代質(zhì)譜儀采用渦輪分子泵可獲得更高的真空度。進(jìn)樣系統(tǒng)

進(jìn)樣系統(tǒng)的目的是高效重復(fù)地將樣品引人到離子源中并且不能造成真空度的降低。目前常用的進(jìn)樣裝置有三種類型：間歇式進(jìn)樣系統(tǒng)、直接探針進(jìn)樣及色譜進(jìn)樣系統(tǒng)。一般質(zhì)譜儀都配有前兩種進(jìn)樣系統(tǒng)以適應(yīng)不同的樣品需要，有關(guān)色譜進(jìn)樣系統(tǒng)將在專門章節(jié)介紹。（l）間歇式進(jìn)樣系統(tǒng)

該系統(tǒng)可用于氣體、液體和中等蒸氣壓的固體樣品進(jìn)樣，典型的設(shè)計(jì)如圖21．3所示。通過可拆卸式的試樣管將少量（10～100μg）固體和液體試樣引入試樣貯存器中，由于進(jìn)樣系統(tǒng)的低壓強(qiáng)及貯存器的加熱裝置，使試樣保持氣態(tài)。實(shí)際上試樣最好在操作溫度下具有1.3—0.13Pa的蒸氣壓。由于進(jìn)樣系統(tǒng)的壓強(qiáng)比離子源的壓強(qiáng)要大，樣品離子可以通過分子漏隙（通常是帶有一個(gè)小針孔的玻璃或金屬膜）以分子流的形式滲透過高真空的離子源中。（2）直接探針進(jìn)樣對(duì)那些在間歇式進(jìn)樣系統(tǒng)的條件下無法變成氣體的固體、熱敏性固體及非揮發(fā)性液體試樣，可直接引人到離子源中，圖21．4所示為一直接引人系統(tǒng)。

離子源

離子源的功能是將進(jìn)樣系統(tǒng)引入的氣態(tài)樣品分子轉(zhuǎn)化成離子。由于離子化所需要的能量隨分子不同差異很大，因此，對(duì)于不同的分子應(yīng)選擇不同的離解方法。通常稱能給樣品較大能量的電離方法為硬電離方法，而給樣品較小能量的電離方法為軟電離方法，后一種方法適用于易破裂或易電離的樣品。

離子源是質(zhì)譜儀的心臟，可以將離子源看作是比較高級(jí)的反應(yīng)器，其中樣品發(fā)生一系列的特征降解反應(yīng)，分解作用在很短時(shí)間（～1μs）內(nèi)發(fā)生，所以可以快速獲得質(zhì)譜。許多方法可以將氣態(tài)分子變成離子，它們已被應(yīng)用到質(zhì)譜法研究中，表21．l列出了各種離子源的基本特征。（l）電子轟擊源

電子轟擊法是通用的電離法，是使用高能電子束從試樣分子中撞出一個(gè)電子而產(chǎn)生正離子，即

M＋e→M+＋2e

式中M為待測(cè)分子，M+為分子離子或母體離子。電子束產(chǎn)生各種能態(tài)的M+。若產(chǎn)生的分子離子帶有較大的內(nèi)能（轉(zhuǎn)動(dòng)能、振動(dòng)能和電子躍遷能），可以通過碎裂反應(yīng)而消去，如

M+1→M+3M+

……M+2→M+4

式中M+1，M+2…為較低質(zhì)量的離子

而有些分子離子由于形成時(shí)獲能不足，難以發(fā)生碎裂作用，而可能以分子離子被檢測(cè)到。圖21-5所示為一電子轟擊源的示意圖。在燈絲和陽極之間加入約70V電壓，獲得轟擊能量為70eV的電子束（一般分子中共價(jià)鍵電離電位約10eV），它與進(jìn)樣系統(tǒng)引入氣體束發(fā)生碰撞而產(chǎn)生正離子。正離子在第一加速電極和反射極間的微小電位差作用下通過第一加速電極狹縫，至質(zhì)量分析器電極狹縫，而第一加速極與第二加速極之間的高電位使正離子獲得其最后速度，經(jīng)過狹縫進(jìn)一步準(zhǔn)直后進(jìn)人質(zhì)量分析器。（2）化學(xué)電離源

在質(zhì)譜中可以獲得樣品的重要信息之一是其相對(duì)分子質(zhì)量。但經(jīng)電子轟擊產(chǎn)生的M+峰，往往不存在或其強(qiáng)度很低。必須采用比較溫和的電離方法，其中之一就是化學(xué)電離法。化學(xué)電離法是通過離子一分子反應(yīng)來進(jìn)行，而不是用強(qiáng)電子束進(jìn)行電離。離子（為區(qū)別于其他離子，稱為試劑離子）與試樣分子按下列方式進(jìn)行反應(yīng)，轉(zhuǎn)移一個(gè)質(zhì)子給試樣或由試樣移去一個(gè)H+或電子，試樣則變成帶+l電荷的離子?；瘜W(xué)電離源一般在1.3×102～1.3×103Pa壓強(qiáng)下工作（現(xiàn)已發(fā)展出大氣壓下化學(xué)電離技術(shù)），其中充滿CH4，首先用高能電子進(jìn)行電離產(chǎn)生CH5+和C2H5+，即

CH4

＋e→CH4+·＋2eCH4+·→CH3++H·CH4+和CH3+很快與大量存在的CH4分子起反應(yīng)，即

CH4+·＋CH4→CH5+＋CH3·CH3+＋CH4→C2H5+＋H2CH5+和C2H5+不與中性甲烷進(jìn)一步反應(yīng)，一旦小量樣品（試樣與甲烷之比為1:1000）導(dǎo)入離子源，試樣分子（SH）發(fā)生下列反應(yīng)：

CH5+＋SH→SH2+＋CH4C2H5+＋SH→S+

＋C2H6。

SH2+和S+然后可能碎裂，產(chǎn)生質(zhì)譜。由(<M十H)或(M-H)離子很容易測(cè)得其相對(duì)分子質(zhì)量.

化學(xué)電離法可以大大簡(jiǎn)化質(zhì)譜，若采用酸性比CH5+更弱的C4H9+（由異丁烷）、NH4+（由氨）、H30+（由水）的試劑離子則可更進(jìn)一步簡(jiǎn)化。（3）場(chǎng)離子源

應(yīng)用強(qiáng)電場(chǎng)可以誘發(fā)樣品電離。場(chǎng)電離源由電壓梯度約為107～108V·cm-1的兩個(gè)尖細(xì)電極組成。流經(jīng)電極之間的樣品分子由于價(jià)電子的量子隧道效應(yīng)而發(fā)生電離。電離后被陽極排斥出離子室并加速經(jīng)過狹縫進(jìn)人質(zhì)量分析器。陽極前端必須非常尖銳才能達(dá)到電離所要求的電壓梯度，通常采用經(jīng)過特殊處理的電極，在電極表面制造出一些微碳針（＜1μm），大量的微碳針電極稱為多尖陳列電極，在這種電極上的電離效率比普通電極高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。場(chǎng)離子化是一種溫和的技術(shù)，產(chǎn)生的碎片很少。碎片通常是由熱分解或電極附近的分子一離子碰撞反應(yīng)產(chǎn)生的，主要為分子離子和（M＋l）離子。結(jié)構(gòu)分析中，往往最好同時(shí)獲得場(chǎng)離子化源或化學(xué)離解源產(chǎn)生的質(zhì)譜圖和用電子轟擊源的質(zhì)譜圖，而獲得相對(duì)分子質(zhì)量及分子結(jié)構(gòu)的信息。212025/8/14質(zhì)量分析器原理在磁場(chǎng)存在下，帶電離子按曲線軌跡飛行；

離心力=向心力；m

2/R=H0eV曲率半徑：

R=(m

)/eH0

質(zhì)譜方程式：m/e=(H02R2)/2V離子在磁場(chǎng)中的軌道半徑R取決于：m/e

、H0、V改變加速電壓V,可以使不同m/e

的離子進(jìn)入檢測(cè)器。質(zhì)譜分辨率=M/M（分辨率與選定分子質(zhì)量有關(guān)）加速后離子的動(dòng)能:(1/2)m

2=eV

=[(2V)/(m/e)]1/2質(zhì)量分析器

質(zhì)譜儀的質(zhì)量分析器位于離子源和檢測(cè)器之間，依據(jù)不同方式將樣品離子按質(zhì)荷比m／z分開。質(zhì)量分析器的主要類型有：磁分析器、飛行時(shí)間分析器、四極濾質(zhì)器、離子捕獲分析器和離子回旋共振分析器等。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，也可以采用這些分析器的變型。（l）磁分析器

最常用的分析器類型之一就是扇形磁分析器。離子束經(jīng)加速后飛入磁極間的彎曲區(qū)，由于磁場(chǎng)作用，飛行軌道發(fā)生彎曲，見圖21．7。

此時(shí)離子受到磁場(chǎng)施加的向心力Bzeυ作用，且離子的離心力mυ2·r-1也同時(shí)存在，r為離子圓周運(yùn)動(dòng)的半徑。只有在上述兩力平衡時(shí)，離子才能飛出彎曲區(qū)，即

Bzeυ=mυ2/r

其中B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，ze為電荷，υ為運(yùn)動(dòng)速度，m為質(zhì)量，r為曲率半徑。調(diào)整后，可得

υ=Bzer/m,∵zeU=1/2mυ2∴

僅用一個(gè)扇形磁場(chǎng)進(jìn)行質(zhì)量分析的質(zhì)譜儀稱為單聚焦質(zhì)譜儀，設(shè)計(jì)良好的單聚焦質(zhì)譜儀分辨率可達(dá)5000。若要求分辨率大于5000則需要雙聚焦質(zhì)譜儀。單聚焦質(zhì)譜儀中影響分辨率提高的兩個(gè)主要因素是離子束離開離子槍時(shí)的角分散和動(dòng)能分散，因?yàn)楦鞣N離子是在電離室不同區(qū)域形成的。為了校正這些分散，通常在磁場(chǎng)前加一個(gè)靜電分析器（ElctrostaticAnalyzer，ESA），這種設(shè)備由兩個(gè)扇形圓筒組成，向外電極加上正電壓，內(nèi)電極為負(fù)壓（見圖21-8）。一般商品化雙聚焦質(zhì)譜儀的分辨率可達(dá)150000，質(zhì)量測(cè)定準(zhǔn)確度可達(dá)0.03μg·g-1，即對(duì)于相對(duì)分子質(zhì)量為600的化合物可測(cè)至誤差上±0．0002u。（2）飛行時(shí)間分析器

（TimeofFlight，TOF）

這種分析器的離子分離是用非磁方式達(dá)到的，因?yàn)閺碾x子源飛出的離子動(dòng)能基本一致，在飛出離子源后進(jìn)入一長(zhǎng)約lm的無場(chǎng)漂移管，在離子加速后的速度為：此離子達(dá)到無場(chǎng)漂移管另一端的時(shí)間為

t=L/υ

故對(duì)于具有不同m／z的離子，到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間差由此可見，Δt取決于m／z的平方根之差。因?yàn)檫B續(xù)電離和加速將導(dǎo)致檢測(cè)器的連續(xù)輸出而無法獲得有用信息，所以TOF是以大約10kHZ的頻率進(jìn)行電子脈沖轟擊法產(chǎn)生正離子，隨即用一具有相同頻率的脈沖加速電場(chǎng)加速，被加速的粒子按不同的√(m/z)的時(shí)間經(jīng)漂移管到達(dá)收集極上，并饋入一個(gè)水平掃描頻率與電場(chǎng)脈沖頻率一致的示波器上，從而得到質(zhì)譜圖。用這種儀器，每秒鐘可以得到多達(dá)1000幅的質(zhì)譜。(3)四極濾質(zhì)器

(QuadrupoleMassFilter)

四極濾質(zhì)器由四根平行的金屬桿組成，其排布見圖21-9所示。理想的四桿為雙曲線，但常用的是四支圓柱形金屬桿，被加速的離子束穿過對(duì)準(zhǔn)四根極桿之間空間的準(zhǔn)直小孔。通過在四極上加上直流電壓U和射頻電壓Vcosωt，在極間形成一個(gè)射頻場(chǎng)，正電極電壓為U＋Vcosωt，負(fù)電極為-(U＋Vcosωt).離子進(jìn)入此射頻場(chǎng)后，會(huì)受到電場(chǎng)力作用，只有合適m／z的離子才會(huì)通過穩(wěn)定的振蕩進(jìn)入檢測(cè)器。只要改變U和V并保持U／V比值恒定時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)不同m／z的檢測(cè)。四極濾質(zhì)器分辨率和m／z范圍與磁分析器大體相同，其極限分辨率可達(dá)2000，典型的約為700。其主要優(yōu)點(diǎn)是傳輸效率較高，人射離子的動(dòng)能或角發(fā)散影響不大；其次是可以快速地進(jìn)行全掃描，而且制作工藝簡(jiǎn)單，儀器緊湊，常用在需要快速掃描的GC－MS聯(lián)用及空間衛(wèi)星上進(jìn)行分析。312025/8/14四極桿質(zhì)量分離器

（4）離子阱檢測(cè)器

離子阱是一種通過電場(chǎng)或磁場(chǎng)將氣相離子控制并貯存一段時(shí)間的裝置。已有多種形式的離子阱使用，但常見的有兩種形式：一種是后面要講到的離子回旋共振技術(shù)，另一種是下述的較簡(jiǎn)單的離子阱。

圖21-10是離子阱的一種典型構(gòu)造及示意圖，由一環(huán)形電極再加上下各一的端罩電極構(gòu)成。以端罩電極接地，在環(huán)電極上施以變化的射頻電壓，此時(shí)處于阱中具有合適的m/z加的離子將在環(huán)中指定的軌道上穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，若增加該電壓，則較重離子轉(zhuǎn)至指定穩(wěn)定軌道，而輕些的離子將偏出軌道并與環(huán)電極發(fā)生碰撞。當(dāng)一組由電離源（化學(xué)電離源或電子轟擊源）產(chǎn)生的離子由上端小孔中進(jìn)入阱中后，射頻電壓開始掃描，陷入阱中離子的軌道則會(huì)依次發(fā)生變化而從底端離開環(huán)電極腔，從而被檢測(cè)器檢測(cè)。這種離子阱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低且易于操作，已用于GC－MS聯(lián)用裝置用于m／Z200－2000的分子分析。5檢測(cè)與記錄

質(zhì)譜儀常用的檢測(cè)器有法拉第杯(FaradayCup)、電子倍增器及閃爍計(jì)數(shù)器、照相底片等。

Faraday杯是其中最簡(jiǎn)單的一種，其結(jié)構(gòu)如圖21-12所示。Faraday杯與質(zhì)譜儀的其他部分保持一定電位差以便捕獲離子，當(dāng)離子經(jīng)過一個(gè)或多個(gè)抑制柵極進(jìn)入杯中時(shí)，將產(chǎn)生電流，經(jīng)轉(zhuǎn)換成電壓后進(jìn)行放大記錄。Faraday杯的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單可靠，配以合適的放大器可以檢測(cè)≈10-15A的離子流。但Faraday杯只適用于加速電壓＜1kV的質(zhì)譜儀，因?yàn)楦叩募铀匐妷菏巩a(chǎn)生能量較大的離子流，這樣離子流轟擊入口狹縫或抑制柵極時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量二次電子甚至二次離子，從而影響信號(hào)檢測(cè)。362025/8/14二、儀器與結(jié)構(gòu)372025/8/14三、聯(lián)用儀器儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)382025/8/14聯(lián)用儀器（THEGC/MSPROCESS

）SampleSample

58901.0DEG/MINHEWLETTPACKARDHEWLETTPACKARD5972AMassSelectiveDetectorDCBA

ABCDGasChromatograph(GC)MassSpectrometer(MS)SeparationIdentificationBACDGCMS392025/8/14色譜部分和一般的色譜儀基本相同。由于色譜是在常壓下操作，質(zhì)譜是在真空下操作。采用大抽速的真空泵將二者直接相接?；旌衔锝?jīng)過毛細(xì)管分離后，在到達(dá)質(zhì)譜前載氣被抽走，樣品分子到達(dá)離子源被電離。GC-MS的質(zhì)譜儀部分可以是磁式質(zhì)譜儀、四極質(zhì)譜儀，也可以是飛行時(shí)間質(zhì)譜儀和離子阱。離子源一般用EI方式較多。GC/MS適合于分析能氣化并且不分解的物質(zhì)。402025/8/14聯(lián)用儀器（THELC/MSPROCESS

）412025/8/14聯(lián)用儀器Figure.API-IonTrapInterface(Esquire-LC)LCMS422025/8/14LC-MS聯(lián)用儀主要由高效液相色譜，接口裝置（同時(shí)也是電離源），質(zhì)譜儀組成。高效液相色譜與一般的液相色譜相同，其作用是將混合物樣品分離后進(jìn)入質(zhì)譜儀。LC/MS用高效液相色譜和質(zhì)譜聯(lián)用的大大擴(kuò)展了質(zhì)譜儀的應(yīng)用范圍。其接口技術(shù)比起GC/MS的連接要困難的多，其接口要完成(1)將溶劑及樣品氣化；(2)去除大量溶劑分子(3)對(duì)樣品分子的電離。(4)能進(jìn)行CID。前面介紹過的ESI和APCI電離是近些年才被發(fā)展和廣泛應(yīng)用的LC/MS接口技術(shù)。各制造廠商有各自的接口，有Z字型的、有斜噴的、還有垂直可調(diào)的類型較多。432025/8/14一、分子離子峰

分子電離一個(gè)電子形成的離子所產(chǎn)生的峰。分子離子的質(zhì)量與化合物的相對(duì)摩爾質(zhì)量相等。

有機(jī)化合物分子離子峰的穩(wěn)定性順序：芳香化合物＞共軛鏈烯＞烯烴＞脂環(huán)化合物＞直鏈烷烴＞酮＞胺＞酯＞醚＞酸＞支鏈烷烴＞醇?！?4-5

離子的類型442025/8/14分子離子峰的特點(diǎn)：

一般質(zhì)譜圖上質(zhì)荷比最大的峰為分子離子峰；有例外。形成分子離子需要的能量最低，一般約１０電子伏特。

質(zhì)譜圖上質(zhì)荷比最大的峰一定為分子離子峰嗎？

如何確定分子離子峰？452025/8/14Ｎ律

由Ｃ、Ｈ、Ｏ組成的有機(jī)化合物，Ｍ一定是偶數(shù)。由Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎ組成的有機(jī)化合物，Ｎ奇數(shù)，Ｍ奇數(shù)。由Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎ組成的有機(jī)化合物，Ｎ偶數(shù)，Ｍ偶數(shù)。分子離子峰與相鄰峰的質(zhì)量差必須合理。462025/8/14

例如：CH4

M=1612C+1H×4=16

M13C+1H×4=17M+112C+2H+1H×3=17M+113C+2H+1H×3=18M+2同位素峰分子離子峰二、同位素離子峰（M+1峰）

由于同位素的存在，可以看到比分子離子峰大一個(gè)質(zhì)量單位的峰；有時(shí)還可以觀察到M+2，M+3。。。。；472025/8/14三、碎片離子峰

一般有機(jī)化合物的電離能為7－13電子伏特，質(zhì)譜中常用的電離電壓為70電子伏特，使結(jié)構(gòu)裂解，產(chǎn)生各種“碎片”離子。正己烷482025/8/14碎片離子峰正癸烷492025/8/14一、有機(jī)分子的裂解當(dāng)有機(jī)化合物蒸氣分子進(jìn)入離子源受到電子轟擊時(shí)，按下列方式形成各種類型離子（分子碎片）：ABCD+e-

ABCD++2e-分子離子

BCD?+A+

B?

+A+

CD?+AB+

A

?

+B+

ABCD+

D?+C+

AB?+CD+

C?+D+碎片離子有機(jī)分子裂解類型502025/8/14二、σ―斷裂正己烷512025/8/14三、α―斷裂522025/8/14α―斷裂CH3(CH2)9CH2NH2M=157532025/8/14α―斷裂——丟失最大烴基的可能性最大丟失最大烴基原則542025/8/14552025/8/14562025/8/14572025/8/14麥?zhǔn)现嘏牛∕claffertyrearrangement)麥?zhǔn)现嘏艞l件：含有C=O，C=N，C=S及碳碳雙鍵與雙鍵相連的鏈上有碳，并