仪器分析实验报告

仪器分析实验报告

1．质谱仪的简介

质谱仪是通过对样品电离后产生的具有不同质荷比（m/z）的离子来进行分离分析的。

先将待分析样品变成气态，在具有一定能量（50～100eV）的电子束轰击下，生成不同 m/z

的带正电荷的离子，在加速电场的作用下成为快速运动的粒子，进入质量分析器，这些粒子

在电场与磁场作用下，按其质量与电荷的比值（质荷比）大小分开，进入分析器分离并得到

质荷比以及相对的丰度。

在进行质谱分析时，一般过程是：通过合适的进样装置将样品引入并进行气化。气化后

的样品引入到离子源进行电离。电离后的离子经过适当的加速进入质量分析器，按不同的

m/z 进行分离。然后到达检测器，产生不同的信号而进行分析。

2.1 进样系统

有机质谱仪的进样装置要求能在既不破坏离子源的高真空工作状态，又不改变有机化合

物的组成和结构的条件下，将有机化合物导入离子源，有机质谱仪的进样装置有以下几种：

（1）色谱进样

色谱对混合的有机化合物有很强的分离能力，而有机质谱仪仅对单一组分的有机化合物

有很强的定性能力，对混合的有机化合物则很难对其每一组分给出准确的定性结果。若将色

谱分离后的、单一组分的有机化合物直接送入离子源内，即将这两种仪器串联在一起，将色

谱仪器经过特殊的接口装置作为有机质谱仪的一种进样装置，则这种联用仪器将成为有机化

合物分析的最强有力的工具，目前，气相色谱-有机质谱的联用已获得成功，液相色谱-有机

质谱也取得了突破性的进展，现代的有机质谱仪几乎全部是色谱-质谱联用仪，色谱进样已

成为现代有机质谱仪不可缺少的进样装置。

2.2 离子源

离子源的作用是将被分析的有机化合物分子电离成离子，并使这些离子在离子光源系统

的作用下会聚成有一定几何形状和一定能量的离子束，然后进入质量分析器被分离。离子源

的结构、性能与有机质谱仪的灵敏度和分辨率有密切的关系。根据有机化合物的热稳定性和

电离的难易程度，可以选择不同的离子源，以期能得到该有机化合物的分子离子。有机质谱

仪常用的离子源有电子轰击离子源（EI），化学电离源（CI）和解吸化学电离源（DCI），场

致电离源（FI）和场解吸电离源（FD），快中子轰击电离源（FAB）和离子轰击电离源（IB），

激光解吸电离源（LD），锎-252等离子解吸电离源（252Cf-PD）。LC-MS联用仪中的热喷雾

接口和电喷雾接口也可单独作为离子源使有机化合物分子电离。

2.3 质量分析器

质量分析器又称质量分离器，是将离子源中生成的各种正离子按质荷比大小分离的部

件，是质谱仪的重要部件。质谱仪器的近期发展已发生了很大变化，原来占主导地位的磁分

析仪已大大减少。因此本节着重介绍一些最重要的质量分析器，包括四级杆分析器、离子阱

及飞行时间分析器。

（1）四极杆分析器（quadrupole mass filter）

四级杆分析器也称四极质量分析器，它由四根截面呈双曲面的平行电极组成，围绕离子

束呈对称排列，离子束穿过对准四根杆之间的准直小孔。见图所示的结构示意。相对的一对

电极是等电位的，两对电极之间的电位是相反的。离子源的电位比四级杆分析器的电位略高

几个伏特，以提供离子沿传播中心轴飞行所需的动能。

（2）离子阱(ion trap)

离子阱是一种通过电场或磁场将气相离子控制并贮存一段时间的装置，最早起步于 20

世纪 50 年代，80 年代中期才作为有机质谱仪的质量分析器。

一种较简单的离子阱质量分析器是由双曲线表面的中心环形电极和上下积压一的端罩

电极构成，中间形成一个室腔（阱）。其结构见图：

端罩电极接地，环形电极施以射频电压V0cosωt。当一组电离的离子从顶端小孔进入阱

内，处于阱内具有合适质荷比的离子，将在环内指定轨道上稳定旋转；射频电压扫描，陷入

阱内离子的轨道则会依次发生变化，从而在底部离开环电极腔而被检测。

离子阱结构简单，性能价格比高，体积小，有利于仪器小型化，同时也便于串接制成

MS/MS 二次质谱仪。此外，由离子阱制成的质谱仪，其可检测的最小样品最低，即绝对灵

敏度高，约为四级杆分析器10~1000 倍。质量范围大，商品仪器已达6000u。其缺点是所得

的质谱图与标准谱图有一定差别。

2.4 真空系统

有机质谱仪的离子源、质量分析器和检测器必须在高真空状态下工作，以减少本底干扰，

避免发生不必要的离子-分子反应。离子源的真空度应达 10-3

~10-4

Pa，质量分析器和检测器

的真空度应达 10-4

~10-5

Pa 以上。

高真空的实现一般是由机械泵和油扩散泵或涡轮分子泵串联完成。机械泵作为前级泵先

将体系抽到 10-1

~10-2

Pa，然后再由油扩散泵或涡轮分子泵继续抽到高真空。油扩散泵比较便

宜，但会产生一定的本底；操作不当，可能造成反油，污染离子源和质量分析器，使用涡轮

分子泵可以克服油扩散的缺点，但价格较高。

在与色谱联用的有机质谱仪中，离子源的高真空泵抽速应足够大，以保证高的电离效率

和色谱流动相进入离子源后能及时、迅速地被抽走，保证离子源的高真空度。

GC/MS 是一种高效的分析技术，该技术利用气相色谱的分离能力让混合物中的组分分

离，并用质谱鉴定分离出来的组分（定性分析）以及其精确的量（定

量分析）。气相和质谱

控制、数据的记录、分析都由电脑完成。气质联用具有非常高的灵敏度（10-15

克），并且可

以分析范围非常广泛，例如农药、环保、药物、兴奋剂等方面的分析。

气相色谱根据复杂混合物中各种组分在气体流动相和液体固定相上的相对亲和度而分

开，标准的分流/不分流进样口，只有一小部分的样品进入系统，并在色谱柱的顶端一个非

常窄的加热段挥发。样品蒸汽被流动相气体带入色谱柱中（弹性石英毛细管柱 15~200 米），

气相色谱柱的内部涂被作为固定相的液体。

GC-MS 联用是联用技术中困难较少的一种。在气相色谱和质谱两种技术之间，许多操

作特性比较一致，即在气相、灵敏度、扫描时间匹配、连续流动、温度匹配等方面都较适应。

最大的差异在于工作气压。

在GC/MS系统中，组分从色谱柱洗脱后进入质谱系统定性和进一步分析。根据色谱柱、

质谱仪离子源类型和它们的操作条件，以及真空系统的效率，GC-MS 接口可采用色谱柱后

流出直接连接和通过分子分离器连接两种方式。

对于电子轰击离子源（EI），采用大功率的差动泵抽真空系统，特别适合于毛细管色谱

柱的直接联用。当使用填充柱，或毛细管色谱柱采用较小功率抽真空系统质谱仪连接时，需

用分子分离器接口。分子分离器的目的是分离载气和样品，使之适应质谱高真空的要求，并

使样品组分得到浓缩和富集。它主要有微风孔玻璃式、半透膜式和喷射式等类型。

在喷射式分子分离器中，从 GC 来的载气 He 及样品分子经同轴收缩型喷嘴加速喷射入

真空腔中，较大质量的样品分子在惯性作用下继续直线运动进入捕捉器后流入质谱仪。由于

扩散速率与相对分子质量的平方根成反比，因此质量较小的左边气扩散速率大，被真空泵抽

走。这样便达到了分离载气，富集组分的目的。为了提高效率，可使用多级喷射。这样有

50%以上的样品被浓缩进入离子源，压力则由 105

Pa 降至 10-2

Pa。

质谱仪的离子源出口狭缝处设有总离子流强度检测器，截取部分总离子流信号，在

GC-MS 测定过程中，没有组分流出时，检测到的总离子流强度很低；当有组分流出时，离

子流强度明显增加，形成了组分峰。因此总离子流强度与时间的变化曲线，就是混合物的色

谱图，称为总离子流色谱图。当某一组分出现时，同时开启质谱仪开始扫描，获得该组分的

质谱图。依据质谱图提供的信息可推断该组分结构。与 GC 相似，总离子流图中的峰面积或

峰高可以用作定量分析的依据，同时还得到了保留时间的信息。

与色谱仪相联接的质谱仪可以使用多种质量分析器，其中以四级杆分析器和离子阱检测

应用较多。

GC-MS 已得到极为广泛的应用，如环境污染物的分析，药物的分析，食品添加剂的分

析等。GC-MS 还是兴奋剂鉴定及毒品鉴定的有力工具。