MS(质谱分析)讲解

第六章质谱分析（MS）6.1概述质谱分析法（MassSpectrometry,MS）是在高真空系统中测定样品的分子离子及碎片离子质量，以确定样品相对分子质量及分子结构的方法。化合物分子受到电子流冲击后，形成的带正电荷分子离子及碎片离子，按照其质量m和电荷z的比值m/z（质荷比）大小依次排列而被记录下来的图谱，称为质谱。质谱分析法有如下特点：（1）应用范围广。测定样品可以是无机物，也可以是有机物。应用上可做化合物的结构分析、测定原子量与相对分子量、同位素分析、生产过程监测、环境监测、热力学与反应动力学、空间探测等。被分析的样品可以是气体和液体，也可以是固体。（2）灵敏度高，样品用量少。目前有机质谱仪的绝对灵敏度可达50pg（pg为10−12g），无机质谱仪绝对灵敏度可达10−14。用微克级样品即可得到满意的分析结果。（3）分析速度快，并可实现多组分同时测定。（4）与其它仪器相比，仪器结构复杂，价格昂贵，使用及维修比较困难。对样品有破坏性。发展概况:从20世纪60年代开始，质谱就广泛应用于有机化合物分子结构的测定。随着科学技术的发展，质谱仪已实现了与不同的分离仪器的联用。例如，气相色谱与质谱联用、液相色谱与质谱联用、质谱和质谱的联用已成为一种用途很广的有机化合物分离、结构测定及定性定量分析的方法。另外，质谱仪和电子计算机的结合使用，不仅简化了质谱仪的操作，又提高了质谱仪的效能。特别是近年来从各种类型有机分子结构的研究中，找出了一些分子结构与质谱的规律，使质谱成为剖析有机物结构的强有力的工具之一。在鉴定有机物的四大重要手段（NMR、MS、IR、UV）中，也是唯一可以确定分子式的方法（测定精度达10−4）。目前质谱技术已发展成为三个分支，即同位素质谱、无机质谱和有机质谱。本章主要介绍有机质谱。6.2质谱仪及基本原理6.2.1质谱仪有机质谱仪包括离子源、质量分析器、检测器和真空系统。现以扇形磁场单聚焦质谱仪为例，将质谱仪器各主要部分的作用原理讨论如下。图6.1为单聚焦质谱仪的示意图。图6.1单聚焦质谱仪（1）真空系统质谱仪的离子源、质谱分析器及检测器必须处于高真空状态（离子源的真空度应达10−3～10−5Pa，质量分析器应达10−6Pa），若真空度低，则：（i）大量氧会烧坏离子源的灯丝；（ii）会使本底增高，干扰质谱图；（iii）引起额外的离子-分子反应，改变裂解模型，使质谱解释复杂化；（iv）干扰离子源中电子束的正常调节；（v）用作加速离子的几千伏高压会引起放电，等等。（2）进样系统图6.2两种进样系统对于气体及沸点不高、易于挥发的样品，可以用图中上方的装置。贮样器为玻璃或上釉不锈钢制成，抽低真空（1Pa），并加热至150℃，试样以微量注射器注入，在贮样器内立即化为蒸汽分子，然后由于压力梯度，通过漏孔以分子流形式渗透入高真空的离子源中。对于高沸点的液体、固体，可以用探针（probe）杆直接进样（图6.2下图）。调节加热温度，使试样气化为蒸汽。此方法可将微克量级甚至更少试样送入电离室。探针杆中试样的温度可冷却至约－100℃，或在数秒钟内加热到较高温度（如300℃左右）。（3）离子源(ionsource)被分析的气体或蒸汽首先进入仪器的离子源，转化为离子。使分子电离的手段很多。最常用的离子源是电子轰击（electronimpact，EI）离子源，其构造原理如图6.3图6.3电子轰击离子源在电离室内，气态的样品分子受到高速电子的轰击后，该分子就失去电子成为正离子（分子离子）：分子离子继续受到电子的轰击，使一些化学键断裂，或引起重排以瞬间速度裂解成多种碎片离子（正离子）。在排斥极上施加正电压，带正电荷的阳离子被排挤出离子化室，而形成离子束，离子束经过加速极加速，而进入质量分析器。多余热电子被钨丝对面的电子收集极（电子接收屏）捕集。分子离子继续受到电子的轰击，使一些化学键断裂，或引起重排以瞬间速度裂解成多种碎片离子（正离子）。在排斥极上施加正电压，带正电荷的阳离子被排挤出离子化室，而形成离子束，离子束经过加速极加速，而进入质量分析器。多余热电子被钨丝对面的电子收集极（电子接收屏）捕集。e2MeM（i）化学电离源（CI）有些化合物稳定性差，用EI方式不易得到分子离子，因而也就得不到分子量。为了得到分子量可以采用化学电离源（chemicalionization）。现以甲烷作为反应气为例，说明化学电离的过程。在电子轰击下，甲烷首先被电离：现以甲烷作为反应气为例，说明化学电离的过程。在电子轰击下，甲烷首先被电离：CH4+→CH4+＋CH3+＋CH2+＋CH+＋C+＋H+甲烷离子与分子进行反应，生成加合离子：CH4+＋CH4→CH5+＋CH3CH3+＋CH4→C2H5+＋H2加合离子与样品分子反应：CH5+＋XH→XH2+＋CH4C2H5+＋XH→X+＋C2H6生成的XH2+和X+比样品分子多一个H或少一个H，可表示为(M±1)+，称为准分子离子。事实上，以甲烷作为反应气，除(M±1)+之外，还可能出现(M＋17)+，(M＋29)+等离子，同时还出现大量的碎片离子。化学电离源是一种软电离方式，有些用EI方式得不到分子离子的样品，改用CI后可以得到准分子离子，因而可以推断相对分子质量。但是由于CI得到的质谱不是标准质谱，所以不能进行库检索。（ii）场致电离源（FI）场致电离源是利用强电场诱发样品分子电离。它由两个尖细的电极组成，在相距很近（d＜1mm）的阳极和阴极之间，施加7000～10000V的稳定直流电压，在阳极的尖端附近产生107～108V/cm的强电场，依靠这个强电场把尖端附近纳米处的分子中的电子拉出来，使之形成正离子，然后通过一系列静电透镜聚焦成束，并加速到质量分析器中去。在场致电离的质谱图上，分子离子峰很清楚，碎片峰则较弱，这对相对分子质量测定是很有利的，但缺乏分子结构信息。为了弥补这个缺点，可以使用复合离子源，例如电子轰击—场致电离复合源，电子轰击—化学电离复合源等。（iii）场解析电离源（FD）将液体或固体试样溶解在适当溶剂中，并滴加在特制的FD发射丝上，发射丝由直径约10μm的钨丝及在丝上用真空活化的方法制成的微针形碳刷组成。发射丝通电加热使其上的试样分子解吸下来并在加热丝附近的高压静电场（电场梯度为107～108V/cm）的作用下被电离形成分子离子，其电离原理与场致电离相同。解吸所需能量远低于气化所需能量，故有机化合物不会发生热分解，因为试样不需气化而可直接得到分子离子，因此即使是热稳定性差的试样仍可得到很好的分子离子峰，在FD源中分子中的C—C键一般不断裂，因而很少生成碎片离子。（4）质量分析器（massanalyzer）质量分析器是由非磁性材料制成，单聚焦质量分析器所使用的磁场是扇性磁场，扇性开度角可以是1800，也可以是900，当被加速的离子流进入质量分析器后，在磁场作用下，各种阳离子被偏转。质量小的偏转大，质量大的偏转小，因此互相分开。当连续改变磁场强度或加速电压，各种阳离子将按m/z大小顺序依次到达离子检测器（收集极），产生的电流经放大，由记录装置记录成质谱图。（5）离子检测器常以电子倍增器（electronmultiplier）检测离子流。电子倍增器种类很多，其工作原理如图6.4所示。一定能量的离子轰击阴极导致电子发射，电子在电场的作用下，依次轰击下一级电极而被放大，电子倍增器的放大倍数一般在105～108。电子倍增器中电子通过的时间很短，利用电子倍增器可以实现高灵敏、快速测定。但电子倍增器存在质量歧视效应，且随使用时间增加，增益会逐步减小。图6.4电子倍增器6.2.2质谱仪工作过程及基本原理（1）将样品由贮存器送入电离室。（2）样品被高能量（70～100ev）的电子流冲击。通常，首先被打掉一个电子形成分子离子（母离子），若干分子离子在电子流的冲击下，可进一步裂解成较小的子离子及中性碎片，其中正离子被安装在电离室的正电压装置排斥进入加速室。（只要正离子的寿命在10−5～10−6s）。（3）加速室中有2000V的高压电场，正离子在高压电场的作用下得到加速，然后进入分离管。在加速室里，正离子所获得的动能应该等于加速电压和离子电荷的乘积（即电荷在电场中的位能）。式中z为离子电荷数,U为加速电压。显然，在一定的加速电压下，离子的运动速度与质量m有关。zUm221（6.1）（4）分离管为一定半径的圆形管道，在分离管的四周存在均匀磁场。再磁场的作用下，离子的运动由直线运动变为匀速圆周运动。此时，圆周上任何一点的向心力和离心力相等。故：mυ2/R=Hzυ（6.2）其中，R为圆周半径，H为磁场强度。合并（6.1）及（6.2）消去υ，可得m/z=H2R2/2U(6.3)式（6.3）称为磁分析器质谱方程，是设计质谱仪的主要依据。式中R为一定值（因仪器条件限制），如再固定加速电压U，则m/z仅与外加磁场强度H有关。实际工作中通过调节磁场强度H，使其由小到大逐渐变化，则m/z不同的正离子也依次由小到大通过分离管进入离子检测器，产生的信号经放大后，被记录下来得到质谱图。6.2.3双聚焦质谱仪在讨论单聚焦分析器质量分离原理时，曾假定离子的初始能量为零，离子的动能只决定加速电压。实际上，由离子源产生的离子，其初始能量并不为零，而且其能量各不相同，经加速后的离子其能量也就不同。因此即使是质量相同的离子，由于能量（或速度）的不同。在磁场中的运动半径也不同，因而不能完全会聚在一起，这就大大降低了仪器的分辨率，使相邻两种质量的离子m1和m2很难分离，见图6.5。图6.5离子能量分散对分辨率的影响为了消除离子能量分散对分辨率的影响，通常在扇型磁场前附加一个扇型电场，扇型电场是同心圆筒一部分，进入电场的离子受到一个静电力的作用，改做圆周运动，离子所受电场力与离子运动的离心力平衡，即：e2RmυEz(6.5)E–扇形电场强度，m–离子质量，z–离子电荷，υ–离子速度，Re–离子在电场中轨道半径。将与合并得zUm221EzmυEUR2e2(6.6)如果电场强度E一定，对质量相同的离子，离子轨道半径仅取决于离子的速度或能量，而与离子质量无关，所以扇型电场是一个能量分析器，不起质量分离的作用；对于质量相同的离子，它是一个速度分离器。e2RmυEz这样，质量相同而能量不同的离子，经过静电场后将被分开，即静电场具有能量色散作用。如果设法使静电场和磁场对能量产生色散作用相补偿，则可实现方向和能量的同时聚焦。磁场对离子的作用也具有可逆性。由某一方向进入磁场的质量相同而能量不同的离子，经磁场后会按一定的能量顺序分开；反之，从相反方向进入磁场的以一定能量顺序排列的质量相同的离子，经磁场后可以会聚在一起。因此，把电场和磁场配合使用，使电场产生的能量色散与磁场产生的能量色散数值相等而方向相反，就可实现能量聚焦，在加上磁场本身具有的方向聚焦作用，这样就实现了能量和方向的双聚焦。这种静电分析器和磁分析器配合使用，同时实现方向和能量聚焦的分析器，称为双聚焦分析器。图6.6双聚焦质谱原理图6.2.4质谱仪主要性能指标（1）分辨率分辨率是指仪器对质量非常接近的两种离子的分辨能力。一般定义是：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，则认为两峰已经分开，其分辨率：mmmmmR1121其中m1、m2为质量数，且m1＜m2，故在两峰质量数较小时，要求仪器分辨率越大。图6.7质谱仪10%峰谷分辨率而在实际工作中，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W0.05，即可当作上式中的△m，此时分辨率定义为：05.0WmR(6.8)（2）质量范围质量范围是指质谱仪能测量的最大m/z值，它决定仪器所能测量的最大相对分子量。自质谱进入大分子研究的分析领域以来，质量范围已成为被关注和感性趣的焦点。各种质谱仪具有的质量范围各不相同。目前质量范围最大的质谱仪是基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱仪，该种仪器测定的分子质量可高达1000000u以上。测定气体用的质谱仪，一般质量测定范围