质谱分析作业

质谱分析法

中北大学化工与环境学院慕学超

摘要：质谱分析法(Mass Spectrometry, MS) 是用电场和磁场将运动的离子（带电荷的原子、分子或分子碎片）按它们的质荷比分离后进行检测的方法。测出了离子的准确质量，就可以确定离子的化合物组成。它是一种分析微量样品的有效手段。

关键词：质谱分析法；发展简史；原理；特点；分析方法；仪器；应用

0 引言

质谱(Mass spectrum) 是带电原子、分子或分子碎片按质荷比(或质量) 的大小顺序排列的图谱。质谱仪器是一类能使物质粒子(原子、分子) 离化成离子并通过适当的稳定的或变化的电场磁场将它们按空间位置、时间先后或者轨道稳定与否实现质荷比分离, 并检测其强度后进行物质分析的仪器[2]。

质谱分析法是至今唯一可以确定分子质量的方法,在高分辨率质谱仪中能够准确测定质量,而且可以确定化合物的化学式和进行结构分析。它的应用有着悠久的历史。

1898年W.维恩用电场和磁场使正离子束发生偏转时发现,电荷相同时，质量小的离子偏转得多,质量大的离子偏转得少。

1906年J.J.Thomson在实验中发现带电荷离子在电磁场中的运动轨迹与它的质荷比(m/z)有关,并于1912年制造出第一台质谱仪。

1913年J.J.汤姆孙和F.W.阿斯顿用磁偏转仪证实氖有两种同位素。阿斯顿于1919年制成一台能分辨一百分之一质量单位的质谱计，用来测定同位素的相对丰度，鉴定了许多同位素。但到1940年以前质谱计还只用于气体分析和测定化学元素的稳定同位素。

1946年发明飞行时间质量分析器(Time-of-flight Analyzer)；1950年质谱法用来对石油馏分中的复杂烃类混合物进行分析，并证实了复杂分子能产生确定的能够重复的质谱之后,才将质谱法用于测定有机化合物的结构,开拓了有机质谱的新领域；1953-1958年出现四极杆质量分析器(Quadrupole)；1956年GC-MS开始联用；1959年质谱首次用于peptide sequencing；1965年离子共振质

谱出现；1968年产生电喷雾离子源（Electrospray Ionization）；1996年电喷雾离子源开始用于生物大分子的研究。

1质谱分析原理[1]~ [3]

待测化合物分子吸收能量（在离子源的电离室中）后产生电离，生成分子离子，分子离子由于具有较高的能量，会进一步按化合物自身特有的碎裂规律分裂，生成一系列确定组成的碎片离子，将所有不同质量的离子和各离子的多少按质荷比记录下来，就得到一张质谱图。由于在相同实验条件下每种化合物都有其确定的质谱图，因此将所得谱图与已知谱图对照，就可确定待测化合物。

2 质谱分析特点及方法：

质谱法是一种古老的仪器分析方法，早期质谱法的最重要贡献是发现非放射性同位素。最初的质谱仪是1918年由丹普斯特（Dempster）制造的，用于测量某些同位素的相对丰度和原子质量，四十年代起开始用于气体分析和化学元素稳定同位素分析，以后发现复杂的有机化合物分子可以产生可重复的质谱，从此开始成为测定有机化合物结构的重要手段之一。六十年代色谱—质谱联用技术的成功实现，以及计算机的应用，大大提高了质谱仪的效能，使之成为最有准备的分析技术之一。

2.1 质谱分析的特点

(1).可以对气体、液体、固体等进行分析，分析的范围比较广。

(2).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。

(3).分析速度快，灵敏度高，样品用量小，只需要1mg左右，有时只要几个微克，能最有效地与色谱联用，适用于复杂体系中痕量物质的鉴定或结构测定，同时具有准确性、易操作性、快速性及很好的普适性。

(4).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。

(5).测定过程中化合物必须气化。

2.2 质谱分析的方法

近年来涌现出较成功地用于生物大分子质谱分析的软电离技术主要有下列几种：

(1).电喷雾电离质谱；

(2).基质辅助激光解吸电离质谱；

(3).快原子轰击质谱；

(4).离子喷雾电离质谱；

(5).大气压电离质谱。

在这些软电离技术中，以前面三种近年来研究得最多，应用得也最多。

3 质谱仪器[3]，[5]~ [7]，[10]

利用运动离子在电场和磁场中偏转原理设计的仪器称为质谱计或质谱仪。前者指用电子学方法检测离子，而后者指离子被聚焦在照相底板上进行检测。质谱法的仪器种类较多,根据使用范围,可分为无机质谱仪和有机质谱计。常用的有机质谱计有单聚焦质谱计、双聚焦质谱计和四极矩质谱计。目前后两种用得较多，而且多与气相色谱仪和电子计算机联用。通常有六部分组成：真空系统，进样系统，离子源，质量分析器，离子检测器，记录显示系统。

3.1 高真空系统

质谱仪中所有部分均要处高度真空的条件下(10-4-10-6Pa), 其作用是减少离子碰撞损失。真空度过低，将会引起：

1)大量氧会烧坏离子源灯丝。

2)引起其它分子离子反应，使质谱图复杂化。

3)干扰离子源正常调节。

4)用作加速离子的几千伏高压会引起放电。

一般质谱仪都采用机械泵预抽空后，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。

3.2 进样系统

对进样系统的要求：重复性、不引起真空度降低。

3.2.1间接进样:适于气体、沸点低且易挥发的液体、中等蒸汽压固体。

注入样品(10-100g)—贮样器(0.5L-3L)—抽真空(10-2Pa)并加热—样品蒸汽分子(压力陡度)—漏隙—高真空离子源

3.2.2 直接探针进样:适于高沸点液体及固体。探针杆通常是一根规格为25cm 6mm ,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。

优点：

1)引入样品量小，样品蒸汽压可以很低；

2)可以分析复杂有机物；

3)应用更广泛。

3.2.3色谱进样：利用气相和液相色谱的分离能力，进行多组份复杂混合物分析。

3.3 电离源(室)

将引入的样品转化成为碎片离子的装置。根据样品离子化方式和电离源能量高低，通常可将电离源分为：

气相源：先蒸发再激发，适于沸点低于500o C、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。

解吸源：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。

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。

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。

3.3.1. 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，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。

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：G

3-G

4

加速电极(低电压)---较小动能---狭缝准直G

4

-G

5

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。

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；但分子离子峰强度较弱或不出现(因电离能量最高)。

3.3.2.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103:1，因此样品分子与电子的碰撞几率极小，所生成的样品分子离子主要由

反应气分子组成。进入电离源的分子R-CH

3大部分与C

2

H

5

+碰撞产生(M+1)+离子；

小部分与C2H5+反应，生成(M-1)+离子：

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。

3.4质量分析器[1] ，[9]

质量分析器类型：单聚焦分析器、双聚焦型、四极质量分析器、离子回旋共振质量分析器等。

3.4.1单聚焦分析器（single focusing mass analyzer)

3.4.2. 双聚焦型(Double focusing spectrometer)

为克服动能或速度“分散”的问题，即实现所谓的“速度聚焦”，在离子源和磁分析器之间加一静电分析器（ESA)，于两个扇形电极板上加一直流电位Ve，离子通过时的曲率半径为r e=U/V，即不同动能离子r e不同，换句话说，相同动能的离子的r e相同----能量聚焦了。

3.4.3. 四极质量分析器(Quadrupole mass filter)

在两个相对的极杆之间加电压(U+Vcosωt)，在另两个相对的极杆上加-( U+Vcosωt)。与前述双聚焦仪的静电分析器类似，离子进入可变电场后，只有具合适的曲率半径的离子可以通过中心小孔而到达检测器。

特点：分辨率比磁分析器略低(max.2000); m/z范围与磁分析器相当；传输效率较高；扫描速度快，可用于GC-MS联用仪。

3.4.4.离子回旋共振质量分析器

采用离子回旋共振质量分析器的质谱仪是一种新型的质谱仪，又称傅里叶变换质谱仪。它的原理完全不同于磁偏转与四极质谱仪，而是建立在离子回旋共振的基础上。它的核心部件是离子回旋共振室。

3.5检测器

包括Faraday杯、电子倍增器、闪烁计数器、照相低片等。

3.5.1 Faraday杯：可检测10-15A的离子流，但不适于高加速电压下的离子检测。

3.5.2 电子倍增器：类似于光电倍增管，可测10-18A电流。但有质量歧视效应。

3.5.3 闪烁计数器：记录离子的数目。

4 离子的主要类型及其形成

样品气体进入离子源时受到电子轰击形成各种类型的离子，按形成的特点可分为以下几类：

4.1分子离子

M + 2e- = M++ + 2e-

样品分子失去一个电子形成分子离子，以M++表示，这种离子的质量就是分子量，在质谱图上，这种离子的峰称分子离子峰或母体峰。

4.2 同位素离子

组成有机化合物的元素C、H、O、N、S、Cl、Br、I等均有同位素，母体峰附近含有不同质量的同位素形成的峰,称同位素离峰。S、Cl、Br、I同位素丰度较高，出现M+2峰（29Br，81Br），M+4峰，M+1峰。

4.3 亚稳离子

有些离子寿命较短,远远小于5×10-6S，在引出离子源后，在质量分析器的入口外进一步分裂失去中性碎片而形成一个新的质量的离子。

4.4 碎片离子

电子对分析离子轰击的能量除使之成为分子离子外，剩余能量可使分子离子化学键发生数断裂，形成质量更小的离子，称为碎片离子，记录这些离子及其断裂方式，可得到有关分子结构的信息。

4.5 多价离子

轰击后失去两个或两个以上的电子，从而形成多价离子，常见于芳环，杂环和多共轭结构的分子。

4.6 负离子

很少出现，但醛、酮化合物（M-1）离子较为特征。

4.7 第二离了（离子分子反应）

分子离子与中性碎片发生化学反应，生成的大于原来分子离子的离子。

4.8 重排离子

分子离子通过分子内原子或基团重排后裂分形成碎片离子。

5 质谱的应用

质谱中出现的离子有分子离子、同位素离子、碎片离子、重排离子、多电荷离子、亚稳离子、负离子和离子－分子相互作用产生的离子。综合

分析这些离子，可以获得化合物的分子量、化学结构、裂解规律和由单分子分解形成的某些离子间存在的某种相互关系等信息。

质谱法特别是它与色谱仪及计算机联用的方法，已广泛应用在有机化学、生化、药物代谢、临床、毒物学、农药测定、环境保护、石油化学、地球化学、食品化学、植物化学、宇宙化学和国防化学等领域[5]，[8]。近年的仪器都具有单离子和多离子检测的功能，提高了灵敏度及专一性水平。用质谱计作多离子检测，可用于定性分析，例如，在药理生物学研究中能以药物及其代谢产物在气相色谱图上的保留时间和相应质量碎片图为基

础，确定药物和代谢产物的存在；也可用于定量分析，用被检化合物的稳定性同位素异构物作为内标，以取得更准确的结果。

在无机化学和核化学方面，许多挥发性低的物质可采用高频火花源由质谱法测定。该电离方式需要一根纯样品电极。如果待测样品呈粉末状，可和镍粉混合压成电极。此法对合金、矿物、原子能和半导体等工艺中高纯物质的分析尤其有价值，有可能检测出含量为亿分之一的杂质。

利用存在寿命较长的放射性同位素的衰变来确定物体存在的时间,在

考古学和地理学上极有意义。例如,某种放射性矿物中有放射性铀及其衰变产物铅的存在，铀238和铀235的衰变速率是已知的，则由质谱测出铀和由于衰变产生的铅的同位素相对丰度，就可估计该轴矿物生成的年代。

5.1 相对分子质量的测定

根据分子离子峰质荷比可确定分子量，通常分子离子峰位于质谱图最右边，但由于分子离子的稳定性及重排等，质谱图上质荷比最大的峰并不一定是分子离子峰。那么，如何辩认分子离子峰呢？

(1).原则上除同位素峰外，分子离子峰是最高质量的峰。但要注意“醚、胺、脂的(M+H)+峰”及“芳醛、醇等的(M-H)+峰”。

(2).分子离子峰应符合“氮律”。在C、H、O组成的化合物中，分子离子峰的质量数一定是偶数；在含C、H、O、N化合物中，含0个或偶数个N的分子量为偶数，含奇数个N的分子量为奇数。

(3).分子离子峰与邻近峰的质量差是否合理。有机分子失去碎片大小是有规律的：如失去H、CH3、H2O、C2H5…….,因而质谱图中可看到M-1，M-15，M-18，M-28等峰，而不可能出现M-3，M-14，M-24等峰，如出现这样的峰，则该峰

一定不是分子离子峰

(4).EI源中，当电子轰击电压降低，强度不增加的峰不是分子离子峰。

5.2 化学式的确定

1) 高分辨质谱：可分辨质荷比相差很小的分子离子或碎片离子。如CO和N2分子离子的m/z均为28，但其准确质荷比分别为28.0040和27.9949，高分辨质谱可以识别它们。

2)低分辨质谱则不能分辨m/z相差很小的碎片离子，如CO和N2。通常通过同位素相对丰度法来确定分子的化学式。

对于含有Cl, Br, S等同位素天然丰度较高的化合物，其同位素离子峰相对强度可由（a+b)n展开式计算，其中a、b分别为该元素轻重同位素的相对丰度，n为分子中该元素的原子个数。

5.3结构签定：多采用与标准谱库对照的方法

1)根据质谱图，找出分子离子峰、碎片离子峰、亚稳离子峰、m/z、相对峰高等质谱信息，根据各类化合物的裂规律，重组整个分子结构。

2)采用与标准谱库对照的方法.

由质谱数据推导有机物分子结构的过程，形象地说，如同用弹弓击碎一个瓷花瓶，再由一堆碎片来拼凑复原花瓶的过程。

5.4质谱定量分析

1)纯度测定

2)同位素标记：用稳定同位素来标记化合物，用它作示踪来测定在化学反应或生物反应中该化合物的最终去向，研究反应机理。如酯的水解机理就是用将酯基用18O来标记，然后只要示踪18O是在水解生成的烷醇中，还是在酸中。若在烷醇中则是酰氧断裂；反之则是烷氧断裂。

3)同位素年代测定：通过36Ar与40Ar的强度比求出40Ar(由40K经1.3 109a 衰变而来)含量，再据半衰期求出其年代。

6质谱分析法的展望：

质谱的开发历史要追溯到20世纪初J.J.Thomson创制的抛物线质谱装置，1919年Aston制成了第一台速度聚焦型质谱仪，成为了质谱发展史上的里程碑。最初的质谱仪主要用来测定元素或同位素的原子量，随着离子光学理论的发展，质谱仪不断改进，其应用范围也在不断扩大，到20世纪50年代后期已广泛地应

用于无机化合物和有机化合物的测定。现今，质谱分析的足迹已遍布各个学科的技术领域，在固体物理、冶金、电子、航天、原子能、地球和宇宙化学、生物化学及生命科学等领域均有着广阔的应用。质谱技术在生命科学领域的应用，更为质谱的发展注入了新的活力，形成了独特的生物质谱技术。

生命科学被誉为20世纪的最前沿科学之一，随着人类第一张基因序列草图的完成和发展，生命科学的研究也将进入一个崭新的后基因组学，即蛋白质组学时代。正如基因草图的提前绘制得益于大规模全自动毛细管测序技术一样，后基因组研究也将会借助于现代生物质谱技术等得到迅猛发展。同时随着生物工程技术的发展，大量的生物工程产品不断出现，传统的测定分子量及纯度的方法已不能担当此重任，现在人们把MALDITOFMS应用于此领域，得到了很好的效果。

随着科学技术的进步，质谱也得到了快速的发展，特别是与生物技术的结合，开创了质谱应用的新领域，质谱已成为生命科学研究中非常重要的工具。其研究成果也将大大非富人类基因组的研究，并将使人类对生命的本质，其发生发展过程的认识达到一个前所未有的新高度。

参考文献

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