(完整版)质谱法

第九章质谱法

一．教学内容

1. 质谱分析法的基本概念、发展概况及特点

2. 由质谱仪器结合质谱法的基本质谱仪的工作流程各主要部件的基本结构、基本原理

及性能掌握联用技术

3. 质谱峰的类型、离子碎裂途径及有机化合物的质谱

4. 质谱法的图谱解析及基本应用

二．重点与难点

1．各种离子源的基本原理、特点及适应性

2．各种重量分析器的基本结构、分析原理、特点及适用性

3．各类离子的碎裂机理及规律

质谱法的基本应用（分子量、分子式、结构式的确定）

4．

三．教学要求

1．较好地掌握质谱分析法的基本基本

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

4．一般了建质谱联用技术

5．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

四．学时安排 3 学时

质谱法是通过将样品转化为运动的气态离子并按质荷比

(m/z)大小进行分离记录的分析方法。所获得结果即为质谱图(亦称质谱)。根据质谱图提供的信息可以进行多种有机物及无机物的定性和定量分析、复杂化合物的结构分析、样品中各种同位素比的测定及固体表面的结构和组成分析等。

质谱仪早期主要用于原子量的测定和定量测定某些复杂碳氢混合物中的各组分等。

I 96 0年以后，才开始用于复杂化合物的鉴定和结构分析。实验证明，质谱法是研究有机化合物结构的有力工具。

第一节质谱仪

一、质谱仪的工作原理

质谱仪是利用电磁学原理,使带电的样品离子按质荷比进行分离的装置。离子电离后经加速进入磁场中，其动能与加速电压及电荷z有关，即

z e U = 1/ 2 m 2

其中z为电荷数，e为元电荷(e=1.6 0 x 10-19C) ，U为加速电压，

m为离子的质量，为离子被加速后的运动速度。

具有速度的带电粒子进入质谱分析器的电磁场中，根据

所选择的分离方式，最终实现各种离子按m / z进行分离。根据质量分析器的工作原理，可以将质谱仪分为动态仪器和静态仪器两大类。

在静态仪器中用稳定的电磁场，按空间位置将m/z不同的离子分开，如单聚焦和双聚焦质谱仪。

在动态仪器中采用变化的电磁场,按时间不同来区分m/z不同的离子，如飞行时间和四极滤质器式的质谱仪。

二、质谱仪的主要性能指标

(1) 质量测定范围

质谱仪的质量测定范围表示质谱仪所能进行分析的

样品的相对原子质量(或相对分子质量)范围，通常采用原子质量单位(u)进行度量。

测定气体用的质谱仪，一般质量测定范围在2?100 ,而有机质谱仪一般可达几千，现代质谱仪甚至可以研究相对分子量达几十万的生化样品。

2. 分辨本领

所谓分辨本领，是指质谱仪分开相邻质量数离子的能力。

即：

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，认为两峰已经分开，其分辨率为：

R = m i / ( m2-m 1) = m i/△ m

其中m i、m2为质量数，且m i

在实际工作中，有时很难找到相邻的且峰高相等的两个峰，同时峰谷又为峰高的10%。在这种情况下，可任选一单峰，测其峰高5%处的峰宽W o. 05，即可当作上式中的△ m，此时的分辨率定义为

R = m / W 0. 05

如果该峰是高斯型的，上述两式计算结果是一样的。

质谱仪的分辨本领由几个因素决定：

(1)离子通道的半径；

(2)加速器与收集器狭缝宽度；

(3)离子源的性质。

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、质谱仪的基本结构

质谱仪是通过对样品电离后产生的具有不同的m/z的离子来进行分离分析的。

质谱仪包括进样系统、电离系统、质量分析系统和检测系统

为了获得离子的良好分析，避免离子损失，凡有样品分子及离子存在和通过的地

方，必须处于真空状态。

通过进样系统，使微摩尔或更少的试样蒸发，并让其慢慢地进入电离室，电离室内的压力约为10-3Pa。由热灯丝流向阳极的电子流，将气态样品的原子或分子电离成正、负离子（但一般分析正离子），在狭缝A处，以微小的负电压将正负离子分开，此后，借助于A、B间几百至几千伏的电压，将正离子加速，使准直于狭缝刀的正离子流，通过狭缝B进入真空度高达10-5Pa的质量分析器中，根据离子质荷比的不同，其偏转角度也不同，质荷比大的偏转角度小，质荷比小的偏转角度大，从而使质量数不同的离子在此得

到分离。若改变粒子的速度或磁场强度，就可将不同质量数的粒子依次焦聚在出射狭缝上。通过出射狭缝的离子流，将落在一收集极上，这一离子流经放大后，即可进行记录，并得到质谱图。

质谱图上信号的强度，与达到收集极上的离子数目成正比。

1. 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（离子源真空度应达1.3 x 10-4-1.3 x 10-5Pa，质量分析器中应达1.3 x 10-6Pa）。若真空度过低，则会造成离子源灯丝损坏，本底增高、副反应过多，从而使图谱复杂化、干扰离子源的调节、加速极放电

等问题。

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。

2. 进样系统

进样系统目的是高效重复地将样品引入到离子源中并且不能造成真空度的降低。

常用的进样装置有三种类型：间歇式进样系统、直接探针进样、色谱进样系统（GC-MS、H PL C-M S）和高频感藕等离子体进样系统（I CP-MS）等。卡式进样系统卡式进样系统具有极好的抗腐蚀性和快速冲洗特征。由惰性多聚物材料构成的喷雾室以圆锥壮撞击球设计，以降低记忆效应。

雾化室由一个Pel t i er半导体制冷装置冷却和精确的温度控制，具有极高的稳定性和最少的多原子离子形成。带有蓝宝石、氧化铝和铂制喷射管的半可拆式管矩。

3. 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。由于离子化所需要的能量随分子不同差异很大，因此，对于不同的分子应选择不同的离解方法。通常称能给样品较大能量的的电离方法为硬电离方法，而给样品较小能量的电离方法为软电离方

法，后一种方法适用于易破裂或易电离的样品。

使物质电离的方法很多，如电子轰击、化学电离、火花电离、场致电离、光致电离等。

（1）电子轰击源

电子轰击法是通用的电离法，是使用高能电子束从试样分子中撞出一个电子而产生正离子，即

M + e M ++2 e

式中M为待测分子，M +为分子离子或母体离子。

右图是典型的电子轰击源的示意图。在离子源内，用电加热锑或钨的灯丝到200 0 C ,产生高速电子束，其能量为10?70 eV 当气态试样由分子漏入孔

进入电离室时，高速电子与分子发生碰撞，若电子的能量大于试样分子的电离电位，将导致试样分子的电离：

M + e（高速）—M ++ 2e （低速）当电子轰击源具有足够的能量时（一般为70eV）,有机分子

不仅可能失去一个电子形成分子离子，而且有可能进一步发生键的断裂，形成大量

的各种低质量数的碎片正离子和中性自由基，这些碎片离子可用于有机化合物的结构鉴定。

（2）化学电离源

在质谱中可以获得样品的重要信息之一是其相对分子质量。但经电子轰击产生的M +峰，往往不存在或其强度很低。必须采用比较温和的电离方法，其中之一就是化学电离法。

化学电离法是通过离子-分子反应来进行，而不是用强电子束进行电离。离子（为区别于其它离子，称为试剂离子）与试样分子按一定方式进行反应，转移一个质子给试样或由试样移去一个H +或电子，试样则变成带+1电荷的离子。

化学电离源一般在1.3 102?1.3 103Pa （现已发展为大气压下化学电离技术）压强

下工作，其中充满甲烷CH4 o首先用高能电子，使CH4电离产生CH5 +和C2H5+，

即：

CH4 + e CH4+ +2 e

CH4+? CH3 + +H-

CH4+和CH3 +很快与大量存在的CH4分子起反应，即：

CH4+ + C H4 CH5 + + C H3 ?

CH3++ C H4 C2H5 + +H2

CH5+和C2H5 +不与中性甲烷进一步反应，一旦小量样品（试样与甲烷之比为1 1000）导入离子源，试样分子（SH ）发生下列反应：

CH5 + + S H SH2+ +C H4

C2H5 + +SH S + + C2H6

SH2+和S +然后可能碎裂，产生质谱。

由 (M+H ) 或(M-H ) 离子很容易测得其相对分子质量。

(3)场离子源

应用强电场可以诱发样品电离。

场电离源由电压梯度约为1 07-1 08V ? cm-1的两个尖细电极组成。流经电极之间的样品分子由于价电子的量子隧道效应而发生电离。电离后被阳极排斥出离子室并加速经过隧道进入质量分析器。

场离子化是一种温和的技术,产生的碎片很少。碎片通常是由热分解或电极附近的分子-离子碰撞反应产生的主要为分子离子和(M+1 )离子,结构分析中，往往最好同时获得场离子化源或化学离解源产生的质谱图和用

电子轰击源的质谱图，而获得相对分子质量及分子结构的信

息。

(4)火花源

对于金属合金或离子型残渣之类的非挥发性无机试样，必须使用不同于上述离子化源的火花源。

火花源类似于发射光谱中的激发源。向一对电极施加约30 k V 脉冲射频电压，电极

在高压火花作用下产生局部高热，使试样仅靠蒸发作用产生原子或简单的离子，经适当加速后进行质量分析。

(5)高频感耦等离子体(ICP)

4. 质量分析器

质谱仪的质量分析器位于离子源和检测器之间，依据不同方式将样品离子按质荷比m/z分开。质量分析器的主要类型有：磁分析器、飞行时间分析器、四极滤质器、离子捕获分析器和离子回旋共振分析器等。

(1)磁分析器

最常用的分析器类型之一就是扇形磁分析器。

离子束经加速后飞入磁极间的弯曲区，由于磁场作用，飞行轨道发生弯曲(如右图所示)，此时离子受到磁场施加的向心力Bze 作用，并且离子的离心力m 2r-1也同时存在，当两力平衡时，离子才能飞出弯曲区，即：

Bz e = m 2/r

其中B为磁感应强度，ze为电荷，为运动速度，m为质量，r 为曲率半径。调整后可得：

=Bzer/m

2 2

m/z =B2r2e/2U

通过改变B、r、U 这三个参数中的任一个并保持其余两个不变的方法来获得质谱图。

现代质谱仪一般是保持U、r不变，通过电磁铁扫描磁场而获得质谱图，故r即是扇形磁场的曲率半径，而使用感光板记录的质谱仪中，B、U 一定，r变化的。仅用一个扇形磁场进行质量分析的质谱仪称为单聚焦质谱仪，设计良好的单聚焦质谱仪分辨率可达5000。

若要求分辨率大于5000，则需要双聚焦质谱仪。一般商品化双聚焦质谱仪的分辨率可达15 0,00 0;质量测定准确度可达0.03 g ; 即对于相对分子质量为600的化合物可测至误差士0. 000 2 u。

(2)飞行时间分析器

这种分析器的离子分离是非磁方式达到的，因为从离子源飞出的离子动能基本一