质谱原理及使用

1、在第七章质谱中，质谱是一种分析方法，它将样品转化为移动的气态离子，根据质荷比(MZ)对它们进行分离，并记录它们的信息。所获得的水果用一种叫做质谱的图谱来表示。根据质谱分析提供的信息，可以进行各种有机和无机物质的定性和定量分析、复杂化合物的结构分析、样品中各种同位素比率的测定以及固体表面的结构和组成的分析。自20世纪60年代以来，质谱已广泛应用于有机化学和生物化学。化学家认识到，由于质谱独特的电离过程和分离模式，从质谱中获得的信息具有化学性质，并与其结构直接相关，可用于阐明各种物质的分子结构。由于这些因素，质谱仪已经成为大多数实验室和分析实验室的标准仪器之一。质谱仪的工作原理质谱仪是一种利用电磁

2、原理根据荷质比分离带电样品离子的装置。电离后离子加速进入磁场，其动能与加速电压和电荷z有关，即。其中z是电荷量，e是基本电荷量(e=1.6010-19C)，u是加速电压，m是离子质量，m是离子加速后的运动速度。带电粒子以一定的速度进入质谱仪的电磁场，最后根据选定的分离模式，按照mz分离出各种离子。(2)质谱仪的主要性能指标，1质量测量范围质谱仪的质量测量范围是指可以用质谱仪分析的样品的相对原子质量(或相对分子质量)范围，通常用统一的原子质量单位(符号U)来测量。原子质量单位由12C定义，即12C中处于基态的中性原子质量的1/12，即=1.6605410-24g/12C原子=1.6605410-

3、27kg/12C原子。在物质测量不准确的情况下，原子核中包含的质子和中子的总数，即质量数，通常用来表示质量，其值等于其相对质量。用于测量气体的质谱仪通常具有2100的质量测量范围，而有机质谱仪可以达到数千。现代质谱仪甚至可以研究相对分子质量为几十万的生化样品。分辨率，即所谓的分辨率，是指质谱仪分离相邻质量数离子的能力。一般定义为：对于强度相等的两个相邻峰，当两个峰之间的峰谷不大于10时，认为两个峰已经分离，其分辨率为，其中m1和m2为质量数，指定为m1m2。因此，当两个峰的质量数较小时，仪器的分辨率要求越高。然而，在实际工作中，有时很难找到具有相同峰高的两个相邻峰，峰谷是峰高的10倍。在这种情

4、况下，可以选择单个峰值，并且在峰值高度5处的峰值宽度W0.05可以被认为是上述公式中的m，并且分辨率被定义为： R=m/W0.05。如果峰值是高斯的，则上述两个公式的计算结果是相同的。示例211仪器的分辨率至少是多少，以识别N 2(m/z为28006)和CO (m/z为27995)两个峰？在质谱仪上，质谱峰的中心位置是245u，在5个峰高处的峰宽是0.52u，它能满足上述要求吗？为了区分氮气和一氧化碳，质谱仪的分辨率要求至少为：并且质谱仪的分辨率为Rsp=245/0.52=471 RspR需求，因此不能满足要求。质谱仪的分辨率由几个因素决定：1)离子通道的半径；2)加速器和收集器的狭缝宽度；3

5、)离子源的性质。质谱仪的分辨率几乎决定了仪器的价格。分辨率约为500的质谱仪可以满足一般有机分析的要求。这种仪器的质量分析器通常是四极质量过滤器、离子阱等。而且这些仪器的价格相对较低。为了准确测定同位素质量和有机分子质量，必须使用分辨率大于10000的高分辨率质谱仪，该质谱仪通常使用双焦点磁质量分析仪。目前，该仪器的分辨率可达10万。当然，它的价格将是低分辨率仪器的4倍多。3灵敏度。质谱仪的灵敏度可以表示为绝对灵敏度、相对灵敏度和分析灵敏度。绝对灵敏度是指仪器能够检测到的最小样品量；相对灵敏度是指仪器能够同时检测到的大成分与小成分的比率；分析灵敏度是指仪器输入的样本与仪器输出的信号之比。(3)

6、质谱仪的基本结构，用于分离和分析样品电离产生的不同mz的离子。质谱仪必须有注射系统、电离系统、质量分析仪和检测系统。为了获得良好的离子分析，必须避免离子损失。因此，所有样品分子和离子存在和通过的地方都必须处于真空状态。质谱仪的真空系统和离子产生及通过系统必须处于高真空状态(离子源的真空度应达到l310-4l310-5Pa，质量分析仪的真空度应达到l310-6Pa)。如果真空度过低，离子源的灯丝会被损坏，背景会增加，会发生太多的反应，使光谱复杂化，干扰离子源的调节，加速电极的放电等。一般来说，质谱仪使用机械泵预抽真空，然后使用高效扩散泵连续操作以保持真空。现代质谱仪采用分子泵可以获得更高的真空度

7、。2样品引入系统，样品引入系统的目的是在不降低真空度的情况下，将样品高效、重复地引入离子源。目前常用的取样装置有三种：间歇取样系统、直接探针取样系统和色谱取样系统。通常，质谱仪配备前两个取样系统，以满足不同样品的需要。色谱取样系统将在专门章节中介绍。(1)批量注射系统该系统可用于注射具有气体、液体和中等蒸汽压的固体样品。典型设计如下图所示。少量(10100克)固体和液体样品通过可拆卸样品管引入样品池。由于样品引入系统和容器加热装置的低压，样品保持气态。实际上，在最佳操作温度下，样品的蒸气压为1 . 30 . 13帕。因为样品注入系统的压力大于离子源的压力，所以样品离子可以通过分子泄漏间隙(通常

8、是带有小针孔的玻璃或金属膜)以分子流的形式渗透到高真空离子源中。(2)探针直接进样对于在间歇进样系统条件下不能转化为气体的固体、热敏固体和非挥发性液体样品，可以直接引入离子源。下图显示了一个直接介绍系统。电离源电离源的功能是将样品引入系统引入的气体样品分子转化为离子。因为电离所需的能量因分子不同而有很大差异，所以不同的分子应该选择不同的离解方法。一般来说，能给样品更多能量的电离方法叫做硬电离法，而给样品更少能量的电离方法叫做软电离法。后一种方法适用于容易破碎或电离的样品。离子源是质谱仪的核心，离子源可以看作是一个相对先进的反应器，在其中样品会发生一系列特有的降解反应，并且分解发生在短时间内(1

9、s)，因此可以快速获得质谱。许多方法可以将气体分子转变成离子，这些方法已经应用于质谱研究。下表列出了各种离子源的基本特性。(1)电子轰击源，电子轰击法是一种普通的电离方法，它使用高能电子束从样品分子中打出一个电子来产生正离子，也就是说，在Me M 2e公式中，M是待测分子，而M是分子离子或母离子。电子束在各种能量状态下产生m。如果产生的分子离子具有大的内能(转动能、振动能在灯丝和阳极之间施加约70V的电压，以获得轰击能量为70eV的电子子束(一般分子中共价键的电离电势约为10eV)，其与样品引入系统引入的气体束碰撞，以产生正离子。正离子在第一加速电极和反射电极之间的微小电位差的作用下通过第一加

10、速电极狭缝到达质量分析器电极狭缝，而第一加速电极和第二加速电极之间的高电位使正离子获得它们的最终速度，然后通过狭缝进一步准直后进入质量分析器。(2)化学电离源，在质谱中可以获得样品重要电子轰击产生的M峰，这种峰通常不存在或强度很低。必须采用温和的电离方法，其中之一是化学电离。化学电离是通过离子分子反应实现的，而不是用强电子束电离。离子(称为试剂离子，以区别于其他离子)以下列方式与样品分子反应，将质子转移到样品或从样品中除去氢或电子，样品变成带L电荷的离子。化学电离源通常在1.3102-1.3103帕的压力下工作(大气压下的化学电离技术已经发展)，其中充满了CH4。首先，高能电子用于电离产生CH5和C2H5，即CH4、e、CH4、2e、CH4、CH3