有机质谱仪及MS的发展与应用

有机质谱仪及 MS的发展与应用⋯⋯专业 聂荣健学号：⋯⋯⋯ 指导老师：⋯⋯摘要：质谱方法是一种有效的分离、分析方法。质谱仪器和光谱仪、色谱仪、核磁共振波谱仪等仪器，都是能用一台仪器分析多种物质的谱仪，都是不可缺少的近代分析仪器。有机质谱仪的应用是非常广泛的，特别是在化学及生物领域。本文介绍了质谱仪的主要组成离子进样系统及质量分析器，以及 MS的发展与应用。关键词:有机质谱 离子进样系统 质量分析器 应用Developmentandapplicationoforganicmassspectrometryand

MSNameNieRongjianAbstract:Massspectrometrymethodisaneffectiveseparationofanalysismethod.Massspectrometer、Opticalmeasuringequipment、Chromatographicinstrument、Nuclearmagneticresonancespectralinstrumentandsoonarealltheequipmentsthatindispensability.Organicmassspectrometryhasaverywiderangeofapplications,especiallyinchemicalandbiologicalfield.ThisarticleintroducedthemajorcompositionofMassspectrometryaboutIonInjectionsystemandMassAnalyzerandthedevelopmentofMS.Keywords:OrganicMassSpectrometryIonInjectionSystemMassAnalyzerApplication引言质谱学与质谱技术是当今分析科学领域最为前沿、最为活跃的学科之一。在众多的分析测试方法中，质谱学方法被认为是一种同时具备特异性和高灵敏度的分析方法，已被广泛应用于化学、化工、环境、能源、医药、运动医学、刑侦科学、生命科学和材料科学等领域。质谱技术的发展对基础科学研究、国防、航天以及其他工业、 民用等诸多领域均有重要意义。一、概述质谱及质谱仪（一）质谱质谱分析技术的定义质谱（ MS）是通过一定方式使待测组分电离，不同质荷比的离子进入质量分析器可以进行分离，最后到达检测器检测，得到质谱图。在质谱分析过程中，被分析的样品首先要离子化，然后利用不同离子在电场或磁场的运动行为的不同，把离子按质荷比（ m/z）分开而得到质谱，通过样品的质谱和相关信息，可以得到样品的定性定量结果 [1]。（二）质谱仪质谱仪的定义质谱仪是一种测量带电粒子质荷比的装置。通常的质谱仪由离子源、质量分析器、检测器和真空系统四部分组成。它利用带点粒子在电场和磁场中的运动行为（偏转、漂移、振荡）进行分离和测量。在离子源中样品粒子被电离和解离，电离后成为带电单位电荷的分子离子。其解离后则生成一系列的碎片，这些碎片可能形成带正电荷的碎片离子，或带负电荷或呈中性。将分子离子和碎片离子引入到一个强的正电场中，使之加速，加速电位通常为 6～8kV，此时，所有带单位正电荷的离子都将获得动能。但是不同质荷比的离子则具有不同的速度，利用离子不同的质荷比及其速度差异、质量分析可将其分离，然后由检测器测量其强度记录后获得一张以质荷比为横坐标、以相对强度为纵坐标的质谱图[2]。二、有机质谱仪工作原理通过合适的进样装置将样品导入离子源，在离子源中以某种方式电离成为分子离子，同时也可能伴随着碎裂，生成各种碎片离子，它们经过加速电极加速，以一定的速度进入质量分析器，离子在磁场或电场的作用下，按不同的质核比进行分离，依次到达离子检测器，信号放大后进入计算机，处理后以 MS图或表格形式输出 [3]。质谱中的离子类型分子离子有机物分子经电子轰击失去一个电子所形成的正离子成为分子离子。M+e-→M++2e-其中 M+是分子离子。由于分子离子是化合物失去一个电子形成的，因此，分子离子是自由基离子，分子离子一定是奇电子离子。准分子离子由软电离技术产生的质子或其他阳离子的加和离子如 [M+H]+、[M+Na]+、[M+K]+以及去质子化或其他阴离子的加合离子如 [M-H]+、[M+X]+等称为难分子离子。2.2.3多电荷离子一些带有多个极性官能团的分子在离子化过程中，可以失去两个或两个以上的电子形成多电荷离子。当离子带有多电荷 [M+nH]n+时，其质荷比下降，因此可以用常规的质谱检测器来分析相对分子质量大的化合物 [3]。碎片离子碎片离子是分子离子碎裂产生的。同位素离子大多数元素都是有具有一定自然丰度的同位素组成。这些元素形成化合物后，其同位素就以一定的丰度出现在化合物中，因此，化合物的质谱中会出现同位素形成的离子峰，称为同位素峰。亚稳离子在飞行过程中发生裂解的母离子称为亚稳离子。由于母离子中途已经裂解生成某种离子和中性碎片，记录器中只能记录到这种离子，也称这种离子为亚稳离子。有机质谱仪的组成2.3.1高真空系统为避免整个过程离子的损失要求质谱仪中离子的产生及经过的系统（包括离子源、质量分析器、检测器）必须处于高真空状态。离子源应达到 1.3*10-4～*10-5Pa，质量分析器中应达到 1.3*10-6Pa。若真空度过低，会造成离子源灯丝损坏，本底增高，副反应变多，从而使图谱复杂化，干扰离子源的调节、加速及放点等问题。现代质谱仪采用分子泵可以获得更高的真空度。进样系统目的是高效重复地将样品引入到离子源中，不能造成真空度的降低。目前常用的进样系统装置有三种装置：间歇式进样系统、直接探针进样系统、色谱进样系统。离子源（离子化系统）离子源是将进样系统引入的气态样品分子转化成离子，是质谱仪的心脏，可以将离子源看作是比较高级的反应器，其中样品发生一系列的特征电离、降解反应，其作用在很短时间内发生，可以快速获得质谱。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电离方法。常用的有电子轰击离子源（ EI）、化学电离源（ CI）、场电离源（ FI）、场解析源（FD）、基质辅助激光解析源（ MALDI）、大气压化学电离源、快原子轰击电离源、电喷雾离子源等。能按给予样品能量的大小可将电离方法分为硬电离和软电离。电子轰击离子源（ EI）如图1.1所示EI源是灯丝发出一定能量的电子与样品分子发生碰撞使样品分子发生电离。一般情况下灯丝发出的电离的能量为 70eV，这一能量下很多分子都会产生碎片离子。对于一些不稳定的化合物，为了得到分析物的分子量，可以采用 10-20eV的能量下电离，但此时仪器的灵敏度会降低，需要加大进样量。 EI源是目前质谱尤其是有机质谱仪中使用最广泛的离子源，它也是气相色谱质谱联用仪中较为普遍使用的离子源，主要用于挥发性物质的电离。Fig.2.1Schematicdiagramofelectronionization化学电离源（ CI）化学电离源（ CI） 有些化合物稳定性差， EI源与样品分子作用产生的分子离子往往会进一步碎裂，导致检测到的分子离子峰很弱，甚至检测不到。为了得到分子离子，可以采用 CI源。与EI不同，CI源先引入一种反应气（可以是甲烷、异丁烷、氨气等），反应气的量比样品气大得多。让电子与反应气作用产生一些活性反应离子，反应气离子与待测样品分子发生离子 -分子反应，实现样品分子的电离 [4]。CI源是一种软电离方式，质谱图中碎片离子峰较少，可以得到较强的准分子离子峰，可以求得被分析样品的分子量。分子中含有吸电子基团时， CI源的负离子模式要比正离子模式的灵敏度大得多。如果在大气压下进行化学电离（如图 1.2），即大气压化学电离（ APCI）[5]，将使得电离反应速率更大、效率更高。 APCI主要用来分析中等极性的化合物，分析物的分子1000Da以内。Fig.2.2Schematicdiagramofatmosphericpressurechemicalionization在CI谱图中QM+往往是最强峰，便于从 QM+推断相对分子质量，碎片峰较少，谱图简单，易于解释，使用 CI源时需将试样气化后进入离子源，因此不适用于难挥发、热不稳定或极性较大的有机物分析。（3）光致电离源（ PI）大多数有机分子的电离能范围在 7-16eV之间，对应真空紫外光的波长为125-77.5nm，当待测物分子吸收对应波段的光子后往往可以发生光离解，产生电离 [6]。光致电离技术常被用来测定分子的电离能，随着激光技术在质谱分析中的应用，基于激光技术的多光子电离和光致解离技术逐渐发展起来。在多光子电离中，共振双光子电离技术的应用使得基质辅助激光解析电离（ MALDI）技术 [7]得以出现。 MALDI方法是将样品与能够吸收一定波长光的基质相混合，基质分子能够有效地吸收激光的能量，基质的作用是将能量从激光束传递给样品的中间体，使得样品分子电离。 MALDI需要有合适的基质才能得到较好的离子产率，适合与飞行时间质谱仪联合使用分析生物大分子，如核酸、蛋白质、肽等，得到的质谱主要为分子离子及准分子离子，碎片离子和多电荷离子较少。常用的基质有 2,5-二羟基苯甲酸、烟酸等 [8]。电喷雾电离源（ ESI）ESI是新出现不久的一种电离方式，主要用于液相色谱和质谱联用仪。如图1.3所示，电喷雾电离源 [9]是利用强静电场，使样品中被分析物离子化的一项电离技术。被分析的样品溶液在电场的作用下形成雾状小液滴，在移向质量分析器时，液滴在高温下因溶剂的挥发而逐渐变小，使得表面的电荷密度增大，当电荷间的排斥力足以克服表面张力时，液滴发生裂分，经过反复裂分形成离子。离子产生后借助于锥孔与喷嘴之间的电压，由取样孔进入质量分析器。喷嘴上的电压可以为正，也可以为负，通过极性的调节，可以分别得到 ESI的正、负离子模式。电喷雾电离是一种软电离源，一些分子量大、稳定性差的化合物在电离过程中也不会发生解离，适合分析一些极性强的大分子化合物，如糖、蛋白质、肽等。Fig.2.3Schematicdiagramofelectrosprayionization快原子轰击电离源（ FAB）20世纪80年代逐渐发展起来的快原子轰击电离源 [10]是一种“软”电离源。如图1.4所示，高能的氩离子经过电荷交换可以得到高能的氩原子束，氩原子作用于样品表面产生样品离子经电场作用进入分析器的一种电离技术。整个电离过程不需加热气化等操作，适合分析一些难气化、分子量大、热不稳定的样品，如肽类、天然抗生素等。通常得到的质谱图不仅具有较强的准分子离子峰，而且具有丰富的结构信息，其碎片离子比 EI源少。Fig.2.4Schematicdiagramoffastatombombardmentionization2.3.4质量分析器质量分析器可以将离子源产生的各种离子按 m/z的大小顺序分开，依次送进检测器 [11]。质谱仪主要区别在于质量分析器的不同。主要类型有单聚焦和双聚焦磁质量分析器、飞行时间分析器、四极滤质分析器、离子阱分析器、离子回旋共振分析器等。磁质量分析器磁质量分析器为一稳定的磁场。设有一束来自离子源的离子流，其质量为m，所带电荷为 z，在加速器电压 U的作用下以速度 v垂直于磁场方向进入磁分析器。2.5磁分析器原理图磁偏双聚焦质量分析器双焦距质量分析器是由扇形磁场和扇形电场组成，具有“方向聚焦”和“能量聚焦”作用，提高了仪器分辨率。静电分析器是将质量相同而速度不同的离子分离聚焦，即具有速度分离聚焦的作用。然后进入磁分析器，在进行m/z方向聚焦。这种同时实现速度和方向聚焦的分析器，称为双聚焦质量分析2.6双聚焦质量分析器原理图飞行时间分析器( TOF)飞行时间分析器不是磁场或电场，而是一根长、直的飞行管。飞行时间质谱仪是采用脉冲式的工作程序。

2.7飞行时间分析器原理示意图2.7飞行时间分析器原理示意图四极滤质分析器( QMF)QQMF是有四根平行的圆柱形金属电极杆组成，相对的极杆被对角地连接起来，构成两组电极。在两电极间加有数值相等方向相反的直流电压 Uab和射频交流电压 Vrf，四根极杆内所包围的空间便产生双曲线电场。当离子束进入此射频场时，只有选定的共振 m/z离子限定的频率稳定的通过四极滤质器而进入检测器，其他非共振 m/z离子则因振幅不断增大，最后碰到四极杆而被吸滤掉，即达到“滤纸”作用。2.8四极质量分析器原理图离子阱分析器离子阱结构如图所示，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。离子阱由环形电极和上下两个端盖电极构成。以端盖电极接地，在环形电极上施以变化的射频电压，在适当的条件下，由离子源注入特定的m/z的离子在阱中稳定区，其轨道振幅保持一定大小，并可长时间留在阱内，反之不稳定态离子振幅很快增长，撞击到电极而消失，质量扫描方式和四极滤质器相似，即在恒定的直流交流比下扫描高频电压得到质谱图。2.9离子阱质量分析器2.4应用举例在食品工业方面的应用——新型防腐剂-竹叶浸取液的 GC-MS分析。结果表明，竹叶浸取液中，因含有丰富的酚类，有机酸及其酯类化合物，具有抑菌和杀菌作用。有些有机酸酯类能形成胶状膜，在固态食品表面形成一层膜，保水阻气，并且可作为与外界污染微生物的阻盖 [12]。三、质谱法的应用定性分析相对分子质量的测定从分子离子峰可以准确的测定该物质的相对分子质量，这是质谱分析的独特优点 [13]。它的经典的方法快而准确，样品用量在 0.1mg。关键是确认 M+峰的过程，应考虑：除了同位素离子峰外， M+峰是质谱图中 m/z值最大峰，处于谱图最右端，而该峰是否就是母离子峰，必须注意：母离子因结构上的原因而不稳定，进一步碎裂成碎片离子而不出峰或很弱；物质的热稳定性差，气化分解而得不到；有的化合物发生离子分子反应，生成质量大的离子以及准分子离子峰。母离子峰断裂为质量较小的碎片峰时应有合理的中性碎片质量丢失。如果待定离子峰是分子离子峰的话，则在此峰邻近质量小于 4～ 14及 21～25等质量单位处不应该有离子峰出现，否则该峰就不是离子峰。分子离子峰要符合“氮律”。凡不符合“氮律”的离子一定不是分子离子；而符合的确不一定是，因为奇电子离子都会符合“氮律”，而重排离子、消去反应所产生的离子也会得到奇电子离子。偶电子离子一定不符合“氮律”。分子式的确定用高分辨率质谱数据测试分子式。高分辨率质谱仪可以精确测量分子离子或碎片的质荷比(误差可小于 10-5)，故可利用元素的精确质量及相对丰度计算其元素组成。也可以从高分辨质谱仪测出的精确质量，与 Beynon表或Lederberg数据表对照查出分子式。虽然高分辨质谱测量离子质量精度很高，但是化合物的分子离子若不能识别，或者很弱甚至不出现，还是不能测出分子式。同位素丰度法测定分子式。同位素离子峰在质谱中的主要应用是根据同位素峰的相对强度确定分子式，如果知道化合物的相对分子质量，且质谱图中分子离子 M及其同位素离子 M+1、M+2强度较大，并可测出其强度，就可以从Beynon表中查该分子量值的几种可能化合物，然后根据其他的信息加以排除，最后得到最可能的分子式。分子结构的确定根据高质量端的分子离子峰及其与碎片离子峰的质量差值，推断其断裂方式及可能脱去的碎片自由基或中性分子，尤其要注意那些奇电子离子，这些离子一定符合“氮律”，因为他们的出现，如果不是分子离子峰，就意味着发生重排或消去反应，这对推断结构很有帮助。对所得分子结构的验证方式：①由以上解释所得到的可能结构，依照质谱的锻炼规律及可能的断裂方式分解，得到可能产生的离子，并与质谱图中的离子峰相对应，考察是否符合；②与其他的分析手段，如 IR、NMR、UV-Vis等的分析数据进行比较、分析、印证；③寻找标准样品，在与待定样品的同样条件下绘制质谱图，进行比较；④查找标准质谱图、表进行比较 [14]。质谱联用技术三重四极杆串联质谱 (QqQ)自从上世纪 70年代末第一台三重四极杆质谱仪诞生到现在，三重四极杆质谱仪已经走过了近 40个年头。三重四极杆质谱仪以其卓越的定量能力在环境，食品，药品等领域有着极为广泛的应用。目前最先进的三重四极杆仪器已经达到飞克级的检测限，线性动态范围达到 7个数量级，并且这些数值还在不断的被突破，目前看来三重四极杆仪器的性能还有很大的提升空间 [15]。

三重四极杆质谱仪由前后两个四极杆及夹在两者中间的碰撞反应池构成，三重四极杆质谱仪由前后两个四极杆及夹在两者中间的碰撞反应池构成，对于 QQQ，每个分析器有以下单独的作用：第一个四极杆 (Q1)根据设定的(Q2)，也称碰撞池，用于聚(Q3)用于分析在碰撞池中产生的碎片离子。 Q1选择了某一特定质量的Q2碰撞池产生碎片离子，然后在 Q3中分析。此过程产生典型的质谱[16]。Q1测定母离子， Q3测定某个特定的碎片离子，因此可在非复m/z367)中碎片 m/z97得到选择性监测，具有极高的灵敏度和精确的定量分析。QQQ中进行中性丢失扫描， Q1和Q3分析器的结合使灵敏度 和选择性得到最Q1/Q3中性丢失扫描可监测母离子特定的中性丢失，例如缩氨酸磷酸盐

中一个磷酸根的丢失。在这个例子中， Q1和Q3的扫描得到母离子的谱图，这张谱图是母离子为了磷酸化，丢失了碎片 98而得到的选择某一质量的母离子， Q2碰撞单元产生碎片离子。 Q3只分析一个碎片离子。此过程产生一个简单的单个离子碎片谱图。Q3用于搜寻多个选择反应Q1Q3用于搜寻多个选择反应监测，这就是多重反应监测（ MRM）。检测基质干扰严重的样品中的痕量污染物时表现非常出色。近几年来，这种方法不断被用于检测环境和生物样品中的多环芳烃，被证明是一种非常有效的技术手段。色谱——质谱联用气相色谱——质谱联用技术（ GC-MS联用） MS在高真空下工作，必须有一个连接装置将常压下工作的色谱柱流出的载气除去，使压强降低，样品进入离子室 [17]。载气带着组分气体，一起从色谱柱流出，经过一小孔加速喷射进入分离器的喷射腔中，分离器进行抽气减压，由于载气分子量小，扩散速度快，经喷嘴后，很快扩散开来并被抽走。而组分气体分子量大，扩散速度慢，依靠其惯性运动，继续向前运动而进入捕捉器中。 GC-MS联用应用于环境污染分析、食品香料鉴定、医疗检验分析、药物代谢研究等。液相色谱——质谱联用（ LC-MS联用） LC-MS联用适于对热稳定差、不易汽化的样品分析。 LC分离要使用大量的液态流动的相，如何有效的除去流动相而不损失样品是 LC-MS联用的难题之一。常有两种接口装置：一种是传送带式的接口装置；另一种是热喷雾式的接口装置。质谱——质谱联用（ MS-MS联用，也称串联质谱）依靠第一级质谱 MS-Ⅰ分离出特定组分的分子离子，导入碰撞室活化产生碎片离子，再进入第二级质谱 MS-Ⅱ进行扫描及定性分析。串联质谱的工作效力比 GC-MS、LC-MS更高。热分析——质谱联用（TA-MS）将热分析仪与质谱仪联用，在得到热分析信息的同时，进一步对热分析过程中的逸出气体经行检测，得到关于材料的更多信息。 TA-MS可应用于对材料的分解、残留物的检测、原材料表征、解吸行为、合成反应等的研究。同位素的研究同位素标记法是目前质谱法在有机化学和生命化学领域中化学机理和动力学研究的重要手段。用同位素作为示踪物，标记在被研究的化合物中，跟踪化学反应进程中该化合物或其中基团的行迹及最终去向，以及反应历程和机理的信息[18]。参考文献质谱分析计 .中国环境检测局 .1992.8(6)131-136刘淑萍等 .现代仪器分析方法及应用 .中国质检出版社 .北京.109-145.刘志广等 .仪器分析 .大连理工大学出版社 .367-374.WilsonMSandMcCloskeyJA,ChemicalIonizationMass-SpectrometryofNucleosides-MechanismsofIonFormationandEstimationsofProtonAffinity[J].JournaloftheAmericanChemicalSociety,1975,97(12):3436-3444.TsuchiyaMandTairaT,Anewionizationmethodfororganiccompounds.LiquidionizationatatmosphericpressureutilizingPenningeffectandchemicalionization[J].MassSpectroscopy,1978,26(4):333-342.LochtR,HagenowG,HottmannK,etal.,PhotoionizationMass-SpectrometryofKineticEnergy-SelectedIons-anIonRetardingPotentialDifferenceMethodAppliedtoNo+andO+fromN2o[J].ChemicalPhysics,1991,151(1):137-148.BureauS,RazunglesA,BaumesR,etal.,Glycosylatedflavorprecursorextractionbymicrowavesfromgrapejuiceandgrapes[J].JournalofFoodScience,1996,61(3):