分析化学质谱法

第十六章质谱法（MassSpectrometry，MS）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)大小进行分离并记录其信息的分析方法。所得结果以图谱表达，即所谓的质谱图（亦称质谱，MassSpectrum）。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。从20世纪60年代开始，质谱法更加普遍地应用到有机化学和生物化学领域。化学家们认识到由于质谱法的独特的电离过程及分离方式，从中获得的信息是具有化学本性，直接与其结构相关的，可以用它来阐明各种物质的分子结构。正是由于这些因素，质谱仪成为多数研究室及分析实验室的标准仪器之一。16-l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221mzeU其中z为电荷数，e为元电荷（e=1.60×10-19C），U为加速电压，m为离子的质量，υ为离子被加速后的运动速度。具有速度υ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。（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够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（unifiedatomicmassunit，符号u）进行度量。原子质量单位是由12C来定义的，即一个处于基态的12C中性原子的质量的1/12，即）原子CmolCCmolCgu1212231212/1002214.6/00000.12(1211=1.66054×10-24g/12C原子=1.66054×10-27kg/12C原子而在非精确测量物质的场合，常采用原子核中所含质子和中子的总数即“质量数”来表示质量的大小，其数值等于其相对质量数的整数。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质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，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，且叫m1＜m2，故在两峰质量数较小时，要求仪器分辨率越大。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Δm，此时分辨率定义为R=m/W0.05如果该峰是高斯型的，上述两式计算结果是一样的。【例16．1】要鉴别N+2（m/z为28．006）和CO+（m/z为27．995）两个峰，仪器的分辨率至少是多少?在某质谱仪上测得一质谱峰中心位置为245u，峰高5％处的峰宽为0.52u，可否满足上述要求？解:要分辨N+2和C0+，要求质谱仪分辨率至少为：2545995.27006.28995.27needR质谱仪的分辨率：Rsp=245/0.52=471Rsp＜Rneed，故不能满足要求。质谱仪的分辨本领由几个因素决定：（i）离子通道的半径；(ii）加速器与收集器狭缝宽度；（iii）离子源的性质。质谱仪的分辨本领几乎决定了仪器的价格。分辨率在500左右的质谱仪可以满足一般有机分析的要求，此类仪器的质量分析器一般是四极滤质器、离子阱等，仪器价格相对较低。若要进行准确的同位素质量及有机分子质量的准确测定，则需要使用分辨率大于10000的高分辨率质谱仪，这类质谱仪一般采用双聚焦磁式质量分析器。目前这种仪器分辨率可达100000，当然其价格也将会是低分辨率仪器的4倍以上。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比；分析灵敏度则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m／z的离子来进行分离分析的。质谱仪须有进样系统、电离系统、质量分析器和检测系统。为了获得离子的良好分析，必须避免离子损失，因此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。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l．3×10-4～l．3×10-5Pa，质量分析器中应达l．3×10-6Pa）。若真空度过低，则会造成离子源灯丝损坏、本底增高、到反应过多，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真空后，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．进样系统进样系统的目的是高效重复地将样品引人到离子源中并且不能造成真空度的降低。目前常用的进样装置有三种类型：间歇式进样系统、直接探针进样及色谱进样系统。一般质谱仪都配有前两种进样系统以适应不同的样品需要，有关色谱进样系统将在专门章节介绍。（l）间歇式进样系统该系统可用于气体、液体和中等蒸气压的固体样品进样，典型的设计如图21．3所示。通过可拆卸式的试样管将少量（10～100μg）固体和液体试样引入试样贮存器中，由于进样系统的低压强及贮存器的加热装置，使试样保持气态。实际上试样最好在操作温度下具有1.3—0.13Pa的蒸气压。由于进样系统的压强比离子源的压强要大，样品离子可以通过分子漏隙（通常是带有一个小针孔的玻璃或金属膜）以分子流的形式渗透过高真空的离子源中。（2）直接探针进样对那些在间歇式进样系统的条件下无法变成气体的固体、热敏性固体及非挥发性液体试样，可直接引人到离子源中，图21．4所示为一直接引人系统。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离子源是质谱仪的心脏，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降解反应，分解作用在很短时间（～1μs）内发生，所以可以快速获得质谱。许多方法可以将气态分子变成离子，它们已被应用到质谱法研究中，表21．l列出了各种离子源的基本特征。（l）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+＋2e式中M为待测分子，M+为分子离子或母体离子。电子束产生各种能态的M+。若产生的分子离子带有较大的内能（转动能、振动能和电子跃迁能），可以通过碎裂反应而消去，如M+1→M+3M+……M+2→M+4式中M+1，M+2…为较低质量的离子而有些分子离子由于形成时获能不足，难以发生碎裂作用，而可能以分子离子被检测到。图21-5所示为一电子轰击源的示意图。在灯丝和阳极之间加入约70V电压，获得轰击能量为70eV的电子束（一般分子中共价键电离电位约10eV），它与进样系统引入气体束发生碰撞而产生正离子。正离子在第一加速电极和反射极间的微小电位差作用下通过第一加速电极狭缝，至质量分析器电极狭缝，而第一加速极与第二加速极之间的高电位使正离子获得其最后速度，经过狭缝进一步准直后进人质量分析器。（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一分子反应来进行，而不是用强电子束进行电离。离子（为区别于其他离子，称为试剂离子）与试样分子按下列方式进行反应，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+l电荷的离子。化学电离源一般在1.3×102～1.3×103Pa压强下工作（现已发展出大气压下化学电离技术），其中充满CH4，首先用高能电子进行电离产生CH5+和C2H5+，即CH4＋e→CH4+·＋2eCH4+·→CH3++H·CH4+和CH3+很快与大量存在的CH4分子起反应，即CH4+·＋CH4→CH5+＋CH3·CH3+＋CH4→C2H5+＋H2CH5+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+＋SH→SH2+＋CH4C2H5+＋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.化学电离法可以大大简化质谱，若采用酸性比CH5+更弱的C4H9+（由异丁烷）、NH4+（由氨）、H30+（由水）的试剂离子则可更进一步简化。（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107～108V·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狭缝进人质量分析器。阳极前端必须非常尖锐才能达到电离所要求的电压梯度，通常采用经过特殊处理的电极，在电极表面制造出一些微碳针（＜1μm），大量的微碳针电极称为多尖陈列电极，在这种电极上的电离效率比普通电极高几个数量级。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一离子碰撞反应产生的，主要为分子离子和（M＋l）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30kV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。火花源具有一些优点：对于几乎所有元素的灵敏度较高，可达10-9；可以对极复杂样品进行元素分析，对于某个试样已经可以同时测定6O种不同元素；信息比较简单，虽然存在同位素及形成多电荷离子因素，但质谱仍然比原子发射光谱法的光谱要简单得多；一般线性响应范围都比较宽，标准核准比较容易。但由于仪器设备价格高昂，操作复杂，限制了使用范围。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。随着微电子技术的发展，也可以采用这些分析器的变型。（l）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，见图21．7。此时离子受到磁场施加的向心力Bzeυ作用，且离子的离心力mυ2·r-1也同时存在，r为离子圆周运动的半径。只有在上述两力平衡时，离子才能飞出弯曲区，即Bzeυ=mυ2/r其中B为磁感应强度，ze为电荷，υ为运动速度，m为质量，r为曲率半径。调整后，可得υ=Bzer/m,∵zeU=1/2mυ2∴UerBzm222［例2］试计算在曲率半径为10cm的1.2T的磁场中，一个质量数为100的一价正离子所需的加速电压是多少？解:据方程（上式）merBmzerBU222222V2319221002.6/10021060.1)1.0(2.1=6.94×103V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。单聚焦质谱仪中影响分辨率提高的两个主要因素是离子束离开离子枪时的角分散和动能分散，因为各种离子是在电离室不同区域形成的。为了校正这些分散，通常在磁场前加一个静电分析器（ElctrostaticAnalyzer，ESA），这种设备由两个扇形圆筒组成，向外电极加上正电压，内电极为负压（见图21-8）。一般商品化双聚焦质谱仪的分辨率可达150