仪器分析论文

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有机质谱仪的组成及MS的发展与应用

2015/12/6

目录

有机质谱仪的组成及MS的发展与应用

摘要：质谱分析法是化学领域中非常重要的一种分析方法, 是一项测量离子质量和强度

的技术, 通过测定分子质量和相应的离子电荷比以完成待测样品中分子结构的分析。如

今各种色谱与多种模式的质谱的联用技术，集色谱的强大分离能力和质谱的强定性能力

于一体，已经成为分离和分析复杂样品的首选方法。质谱仪器是由真空系统、分析系统

和数据系统组成。在高分辨条件下, 将质谱信号通过计算机运算, 可以获知其元素组成, 因此, 质谱仪还具有元素分析的功能。随着时代的发展, 质谱已成为有机化学、生物化学、环境化学、食品化学、毒物学、药物学、医学、地质、石油化工等领域进行分析和

科学研究的有力手段。

关键词：有机质谱仪;组成;原理;发展与应用

第一章绪论

引言

40年代初世界上第一台商品质潜仪间世以后，质潜仪汗始用十石油成份

分析、放射性同位素的测定和石油精炼过程监控等在第一次世界大战期间，质谱法成为

原子能工业中测定核原料成份有效手段质谱法已从物理扩展到化学、原子能、冶金和真

空等领域[1]。

质谱仪又称质谱计。和不同的仪器。即根据在中能够偏转的原理，按物质、或分子碎片的质量差异进行分离和检测物质组成的一类仪器。质谱仪按应用范围分为、和。按分

辨本领分为高分辨、中分辨和低分辨质谱仪。其中，有机质谱仪是应用最广泛的质谱

仪。另外，质谱仪是一个用来分析和鉴定未知化合物，量化已知化合物和解析化合物的结构和分子性质的强大分析工具。质谱技术因具有检测精确度高、分析速度快、所需样品和试剂少的优点，已成为分析化学学科中不可或缺的分析工具之一。

质谱法在一次分析中可提供丰富的结构信息，将分离技术与质谱法相结合是分离科学方法中的一项突破性进展。当前，经典多元统计分析方法和现代数据挖掘的工具都被应用于质谱数据分析，发展了两类方法用来鉴别化合物，一种是基于质谱相似性的数据库检索方法;另一种是质谱结构解析(Structure Elucidation)方法;数据库检索方法是基于相似性理论发展起来的，利用各种各样的衡量相似性的准则例如相关系数、共同峰的个数、峰出现的概率等等，通过快速的扫描质谱数据库中大量的数据，利用计算机找到与要鉴别的化合物具有最相似质谱的化合物。然而，当待测化合物的分子量比较大时，分子结构组合呈指数级增长，在数据库中很难找到匹配好的化合物，并且标准质谱数据库的数据只是自然届化合物中很小的一部分，很多化合物的质谱数据在质谱库中找不到，这给质谱数据库搜索方法带来很大的局限性。

质谱

随着电子技术、新材料、新工艺的发展，尤其是计算机技术的日新月异，促进了质谱仪技术的提高，使仪器的性能指标、自动化程度和几何尺寸都达到了新的水平。为适应科技进步和市场需要，用于有机分析的质谱仪正朝着超高分辨高灵敏度质谱仪和小型台式质谱仪两个方向发展。有机质谱仪和其它分析仪器相比较的一个显着特点它可以和其它某些仪器联机(GC/ MS, LC/ MS等), 也可以同其它质谱联机（MS/ MS）[2]。这不仅可以集中二种以上分析方法的长处, 弥补单一分析方法的不足, 还能产生一些新的分析测试功能, 大大拓展了质谱仪的应用范围。

质谱仪种类非常多，工作原理和应用范围也有很大的不同。分别按用途和质量分析器的不同有下图的分类：

气相色谱—质谱((GC-MS)

液相色谱—质谱(LC-MS)

有机质谱基质辅助激光解吸飞行时间质谱

(MALDI-TOFMS)

用同位素质谱仪傅立叶变化质谱仪((FT-MS)

途

无机质谱

质

谱

仪

质四级杆质谱仪

量飞行时间质谱仪

分离子阱质谱仪

析傅立叶变换质谱仪

器双聚焦质谱仪

图1-1质谱仪的分类

质谱仪的组成

质谱仪器是由真空系统、分析系统和数据系统组成。分析系统包括:进样装置、离子源、质量分析器和检测器，它的组成由图1-2说明。

离子源

为了获得一个化合物的质谱, 首先应将样品分子变成带电粒子一正离子或负离子, 有多种离子化方法可供选择。离子源就是使中性分子电离成离子的装置。在多数情况下, 离子源还需完成第二个任务, 就是将离子引出、加速和聚焦,使离子束具有一定的几何状况和一定的能量。

质量分析器

质量分析器的作用是使从离子源过来的离子获得质量色散, 也就是说使离子按质荷比值大小进行分离和排列。分离离子的原理与质量分析器的种类有关。

检测器

检测器是由离子收集器、放大器及记录器所构成。常用的有法拉第筒接收器、电子倍增器以及光电倍增管。前者精确度高, 后者因有较高的灵敏度而被普遍采用。

真空系统也是质谱仪器的重要组成部分, 因为它涉及到许多部件的工作原理。例如离子源中发射电子的灯丝(如EI源、c l 源等)在氧气较多的情况下会烧毁, 因而要求灯丝必须在高真空状态下工作。再如高气压会干扰离子源中电子束的正常调节, 还会引起高达数千伏特的离子加速电压放电, 导致损坏电离室和高压供电线路。另外, 高真空还有利于样品的挥发, 减少本底的干扰, 避免在电离室内发生分子一离子反应, 减少图谱的复杂性。生成的离子在运动中也必须有一

定的分子自由程, 否则离子间的相互作用会引起离子偏转而到不了收集器。总之, 在质谱测定过程中, 凡是有样品分子和离子通过以及存在的地方都必须抽成高真空, 压力要求为1 0一4 一1 0 6 P a。真空系统一般包括低真空前级泵(机械泵)、高真空泵(扩散泵和涡轮分子泵较常用)、真空测量仪表和真空阀件、管路等组成, 以获得仪器所需的高真空度。

计算机控制和数据处理系统

计算机是现代质谱仪器不可缺少的一部分, 由接口、计算机、软件构成。它不仅用作数据采集、存储、处理、检索和仪器的自动控制, 而且还拓宽了质谱仪的功能。主要功能有:

①调谐程序: 一般质谱仪都设有自动调谐程序, 可以自动调整仪器的灵敏度、分辨力在最佳状态, 并进行质量数的校正。

②数据采集程序。控制仪器的工作参数, 进行扫描方式选择(正常全扫描、选择离子扫描)和色谱条件控制等。

第二章 MS的发展和应用

产生与发展

早期的质谱研究工作是与元素的同位素测定紧密相关的。同位素这个词于1910年第一次使用。第一台质谱仪也是在这一年诞生的。实际上，早在1886年就有人提出了有关同位素的概念[3]。用磁场偏转法分离带电粒子以测定其质量的研究工作也是在18%年取得了成果。这此研究为后来的质谱学工作提供了一定的基础。1910年，英国剑桥卡文迪许实验室的汤姆逊研制出第一台现代意义上的质谱仪器。这台质谱仪的诞生，标志着科学研究的一个新领域一质谱学的开创。1934年诞生的双聚焦质谱仪是质谱学发展的又一个里程碑。[]在此期间创立的离子光学理论为仪器的研制提供了理论依据。双聚焦仪器大大提高仪器的分辨率，为精确原子量测定奠定了基础。第二次世界大战期间，质谱进入了实际应用领域。首先是美国的原子弹制造计划，需要大量的U235，使质谱进人了军事科学领域。另外石油工业也将质谱用于定性、定量分析。1943年，第一台商用质谱仪出手给一家石油公司。质谱仪从此进人了工农业生产领域。如汽油分析、人工橡胶、真空检漏等工作都应用质谱仪器作为分析、检测工具，并证明为一种准确、快速的手段。50年代是质谱技术飞速发展的一个时代。在质量分析器方面，高分辨双聚焦仪器性能进一步提高，并出现礼了四极滤质器、月永冲飞行时间分析器等。离子化手段业增加。火花离子源和二次离子源业进人实际应用，后来还进行了串联质谱仪研制。特别值得一提的是，气相色谱和质谱联用的成功，从而使得质谱在复杂有机混合物分析方面占有独特的地位。

MS的应用

最近30年质谱学在各个方面都获得了极大的发展。新的离子化方法如场致电离(FI)、场解吸电离F(D)、化学电离(CI),激光离子化、等离子体法等不断出现。复杂的、高性能的商品仪器不断推出，如离子探针质谱仪、磁场型的串联质谱仪、离子回旋共振一傅立叶变换质谱仪等。液相色谱与质谱的联用在近10年来有突破性进展，己进人实用阶段。另一方面，低价位、简易型仪器的推出，对扩大和普及质谱分析的应用起了很大的作用。

质谱的进样技术及特点

进样系统和接口技术将样品导入质谱仪可分为直接进样和通过接口的方式实现。

1. 直接进样在室温和常压下，气态或液态样品可通过一个可调喷口装置以中性流的形式导入离子源。吸附在固体上或溶解在液体中的挥发性物质可通过顶空分析器进行富集，利用吸附柱捕集，再采用程序升温的方式使之解吸，经毛细管导入质谱仪。对于固体样品，常用进样杆直接导入。将样品置于进样杆顶部的小坩埚中，通过在离子源附近的真空环境中加热的方式导入样品，或者可通过在离子化室中将样品从一可迅速加热的金属丝上解吸或者使用激光辅助解吸的方式进行。这种方法可与电子轰击电离、化学电离以及场电离结合，适用于热稳定性差或者难挥发物的分析。目前质谱进样系统发展较快的是多种液相色谱/质谱联用的接口技术，用以将色谱流出物导入质谱，经离子化后供质谱分析。主要技术包括各种喷雾技术（电喷雾，热喷雾和离子喷雾）；传送装置（粒子束）和粒子诱导解吸（快原子轰击）等。

2. 电喷雾接口带有样品的色谱流动相通过一个带有数千伏高压的针尖喷口喷出，生成带电液滴，经干燥气除去溶剂后，带电离子通过毛细管或者小孔直接进入质量分析器。传统的电喷雾接口只适用于流动相流速为1～5μl/min的体系，因此电喷雾接口主要适用于微柱液相色谱。同时由于离子可以带多电荷，使得高分子物质的质荷比落入大多数四极杆或磁质量分析器的分析范围（质荷比小于4000），从而可分析分子量高达几十万道尔顿（Da）的物质。

3. 热喷雾接口存在于挥发性缓冲液流动相（如乙酸铵溶液）中的待测物，由细径管导入离子源，同时加热，溶剂在细径管中除去，待测物进入气相。其中性分子可以通过与气相中的缓冲液离子（如NH4+）反应，以化学电离的方式离子化，再被导入质量分析

器。热喷雾接口适用的液体流量可达2ml/min，并适合于含有大量水的流动相，可用于测定各种极性化合物。由于在溶剂挥发时需要利用较高温度加热，因此待测物有可能受热分解。

4. 离子喷雾接口在电喷雾接口基础上，利用气体辅助进行喷雾，可提高流动相流速达到1ml/min。电喷雾和离子喷雾技术中使用的流动相体系含有的缓冲液必须是挥发性的[4]。

5. 粒子束接口将色谱流出物转化为气溶胶，于脱溶剂室脱去溶剂，得到的中性待测物分子导入离子源，使用电子轰击或者化学电离的方式将其离子化，获得的质谱为经典的电子轰击电离或者化学电离质谱图，其中前者含有丰富的样品分子结构信息。但粒子束接口对样品的极性，热稳定性和分子质量有一定限制，最适用于分子量在1000Da以下的有机小分子测定。

6. 解吸附技术将微柱液相色谱与粒子诱导解吸技术（快原子轰击，液相二次粒子质谱）结合，一般使用的流速在1～10μl/min之间，流动相须加入微量难挥发液体（如甘油）。混合液体通过一根毛细管流到置于离子源中的金属靶上，经溶剂挥发后形成的液膜被高能原子或者离子轰击而离子化。得到的质谱图与快原子轰击或者液相二次离子质谱的质谱图类似，但是本底却大大降低。

质谱的离子化系统及特点

直接离子化技术开发体现了从传统封闭式到敞开式，从块状固体样品到各种固体，再扩大到包括膏体、胶体、液体、气体等各种形态的样品。封闭式的电离技术主要是指经典的质谱离子化技术，包括电喷雾电离(ESI)、大气压化学电离(APCI)、基体辅助激光解吸电离(MALDI)、电子轰击电离以及低真空化学电离(CI)等。这些技术的共同特点是:1封闭式电离分析样品需要封闭在一定的管道位口ESI APC工域者一定的真空环境位口经典的MALDI EI CI中必要的样品预处理分析样品均需经过至少两步的样品预处理阶段，将不同物质形态的样品转化成为分析样品。经过数十年的发展，ESI/APC工技术已经很成熟，而且ESI/ALD工技术还因为实现了生物大分子的质谱分析而获得了2002年的诺贝尔化学奖[5]。

图传统的离子化技术工作流程

表面解吸化学电离技术采用常压电晕放电为基本手段，通过上述的步骤将电场的能量转移到带电的载体中。但是与DESI不同，DAPCI技术有两种工作模式。其一是在无

有机溶剂和无高速雾化气流(Gasless DAPCI)条件下工作，利用空气中的水生成初级离子进行工作，电离效率高，能够在单位时空内产生比DESI更丰富的能嗬载体。这些负载了能量跑荷的载体被电场加速后溅射到二维表面上，直接与裸露在固体体表的待测物发生能嗬传递作用，从而完成了二维表面中待测物分子的离子化过程(图2c久即步骤么在这个工作模式中，DAPC工对各种挥发性物质或者在该固体表面上结合不牢固的物质的灵敏度特别高，但是对于结合牢固的物质位口沉积在纤维上的蛋白质难以获得理想的灵敏度。为了顺利地将这些结合相对牢固的物质从表面上解吸出来进行离子化，可以采用第二种模式，利用电晕放电的方式获得高密度的带电液滴，然后将液滴喷射在固体表面，在动量的作用下沿着表面向前运动，能够将表面上的一些可溶性物质快速溶解在液体中，由于液滴带有大量电荷，溶解后的物质则根据其对电荷的结合能力大小结合不同数目的电荷;与此同时，液滴中的溶剂迅速蒸发，从而形成一些更加微小的液滴和气相离子，完成表面物质电离的过程[6]。在DAPC工的这两个模式中，其显着的区别是宏观上是否使用液体试剂来产生相对较大的带电液滴，而微观上对应的是离子产生过程中是否有表面溶解去溶的过程。此外，相应的二维模型也反映了DESI和DAPC工二者原理上存在的区别，预言了DAPC工具有的独特性能，包括灵敏度高、选择性好，操作方式更加灵活多样，能够在一定条件下分析粉末、胶体等样品，并且对样品和环境无毒无污染。

质谱分析中的特殊技术

1气相色谱-质谱联用技术

GC-MS主要由三部分组成:色谱部分、质谱部分和数据处理系统。色谱部分和一般的色谱仪基本相同，包括有柱箱、汽化室和载气系统，也带有分流/不分流进样系统，程序升温系统、压力、流量自动控制系统等，一般不再有色谱检测器，而是利用质谱仪作为色谱的检测器。在色谱部分，混合样品在合适的色谱条件下被分离成单个组分，然后进入质谱仪进行鉴定。色谱仪是在常压下工作，而质谱仪需要高真空，因此，如果色谱仪使用填充柱，必须经过一种接口装置-分子分离器，将色谱载气去除，使样品气进入质谱仪。如果色谱仪使用毛细管柱，则可以将毛细管直接插入质谱仪离子源，因为毛细管载气流量比填充柱小得多，不会破坏质谱仪真空。GC-MS的质谱仪部分可以是磁

式质谱仪、四极质谱仪，也可以是飞行时间质谱仪和离子阱。目前使用最多的是四极质谱仪。离子源主要是EI源和CI源。

2液相色谱-质谱联用技术

LC-MS适用于极性、热不稳定性、难气化和大分子的分离分析，自从20世纪80年末液相色谱-电喷雾质谱((LC-ESIMS)商品化以来，LC-ESIMS己经迅速成为应用范围最广泛的联用技术，应用范围十分广泛，小到无机离子，大至蛋白质、核酸，在各个领域中均得到了应用，特别是在生物学、医药学等生命科学领域，已经成为了不可或缺的分离分析工具。

3质谱-质谱的联用技术

质谱一质谱联用( M S- M S)是二十世纪七十年代后期出现的一种新兴技术。它的基本原理是既用质谱仪做混合物样品的分离器, 又用质谱仪做组分的鉴定器[7]。混合物进

人离子源电离, 再经过质量分析器的质量分离, 离子按质量数的不同而分开, 然后选择需要分析鉴定的离子作为母离子进入碰撞室, 经碰撞活化使其进一步断裂, 产生的子离子再经过第二个分析器分离。可以选定一种离子通过, 也可以采用扫描方式, 使所有不同m/z 的离子通过, 经检测记录即可得到质谱图。如果采用软电离离子源, 得到的母离子多数为分子离子, 即可采用这个方法将各个母离子逐一经过碰撞诱导分解, 得到各自的子离子谱, 这种谱对混合物的组成结构的分析是非常有用的。M s/ M S仪的出现打破了只有G C/ M S或

L C/ M S才能对混合物进行分离鉴定的观念, 而且比它们更有优点。一是灵敏度高, 再就是无噪声干扰, 在G C/ M S 中有来自柱流失、热解、吸附、记忆效应、化学反应等噪声存在,使谱图本底高而且不稳定, 无法扣除。而M s/ M s 因在质谱第一分析器分离以后, 只选择需要鉴定的离子进人碰撞室, 最后又用质谱作为鉴定器, 因而可以避免噪声干扰。

质谱一质谱联用技术极大地提高分析检测的选择性, 特别适合复杂体系中痕量化合物的分析。

第三章讨论

随着快速质谱分析技术的不断发展和改进，这一领域的研究不断深入，应用也更加广泛。目前，复杂基体样品的直接质谱分析已经成为质谱研究的主要方向之一，相关的离子化技术得到蓬勃的发展。近年来已研制出数十种新方法，有很多技术已经显示出巨大的实用价值。有些技术如DESI DART等开展了较为深入的机理研究，对相关的电离过程了解得相对清楚。但是，在整个领域而言，相关的理论研究有待加强。尤其是对于新兴的如LTP, DAPCI等技术，深入的机理研究不但可以更加深刻地了解这些技术之间的区别和联系，更重要的是可以对改进这些技术的分析性能提供理论指导。

参考文献

1.王桂友, 臧斌, 顾昭质谱仪技术发展与应用 2009 （6）124-128

2.陈焕文, 胡斌, 张燮复杂样品质谱分析技术的原理与应用 2010 （38）1069-1088

3.质谱仪器和技术的现状及发展现代科学技术 [j]

4.胡耀铭, 孙久宽有机质谱 2004 41-44

5.王光辉, 唐恢同有机质谱中的离子化学

6.卞则裸有机质谱仪器的现状及发展趋势 1997 2 2-5

7.张玉奎生命科学仪器 36-37