質譜儀培訓資料

1、質譜儀器質譜分析法1 概述 質譜分析法是通過對被測樣品離子的質荷比的測定來進行分析的一種分析方法。 被分析的樣品首先要離子 化，然后利用不同離子在電場或磁場的運動行為的不同，把離子按質荷比（m/z ）分開而得到質譜，通過樣品的質譜和相關信息，可以得到樣品的定性定量結果。從 J.J.Thomson 制成第一臺質譜儀，到現(xiàn)在已有近 90 年了， 早期的質譜儀主要是用來進行同位素測定和無機元素分析，二十世紀四十年代以后開始用于有機物分析， 六十年代出現(xiàn)了氣相色譜 -質譜聯(lián)用儀，使質譜儀的應用領域大大擴展，開始成為有機物分析的重要儀器。計算機的應 用又使質譜分析法發(fā)生了飛躍變化， 使其技術更加成熟，

2、使用更加方便。 八十年代以后又出現(xiàn)了一些新的質譜技 術，如快原子轟擊電離子源，基質輔助激光解吸電離源，電噴霧電離源，大氣壓化學電離源，以及隨之而來的比 較成熟的液相色譜 -質譜聯(lián)用儀，感應耦合等離子體質譜儀，富立葉變換質譜儀等。這些新的電離技術和新的質 譜儀使質譜分析又取得了長足進展。目前質譜分析法已廣泛地應用于化學、化工、材料、環(huán)境、地質、能源、藥 物、刑偵、生命科學、運動醫(yī)學等各個領域。 質譜儀種類非常多，工作原理和應用范圍也有很大的不同。從應用角度，質譜儀可以分為下面幾類：1.1. 有機質譜儀：由于應用特點不同又分為：氣相色譜-質譜聯(lián)用儀（GC-M$。在這類儀器中，由于質譜儀工作原理不同

3、，又有氣相色譜-四極質譜儀，氣相色譜-飛行時間質譜儀，氣相色譜 -離子阱質譜儀等。1.1.1. 液相色譜-質譜聯(lián)用儀（LC-MS。同樣，有液相色譜-四器極質譜儀，液相色譜-離子阱質譜儀，液相色譜- 飛行時間質譜儀，以及各種各樣的液相色譜 -質譜-質譜聯(lián)用儀。1.1.2 其他有機質譜儀，主要有：基質輔助激光解吸飛行時間質譜儀（MALDI-TOFM）S富立葉變換質譜儀（ FT-MS）1.2. 無機質譜儀，包括：1.2.1 火花源雙聚焦質譜儀。1.2.2 感應耦合等離子體質譜儀（ ICP-MS）。1.2.3 二次離子質譜儀（ SIMS）1.3 同位素質譜儀。1.4 同位素質譜儀。1.5. 氣體分析質

4、譜儀。主要有呼氣質譜儀，氦質譜檢漏儀等。 以上的分類并不十分嚴謹。因為有些儀器帶有不同附件，具有不同功能。例如，一臺氣相色譜-雙聚焦質譜儀，如果改用快原子轟擊電離源，就不再是氣相色譜-質譜聯(lián)用儀，而稱為快原子轟擊質譜儀（ FABMS。另外，有的質譜儀既可以和氣相色譜相連，又可以和液相色譜相連，因此也不好歸于某一類。在以上各類質譜儀中，數 量最多，用途最廣的是有機質譜儀。因此，本章主要介紹的是有機質譜分析方法。 除上述分類外，還可以從質譜儀所用的質量分析器的不同，把質譜儀分為雙聚焦質譜儀，四極桿質譜儀，飛行時 間質譜儀，離子阱質譜儀，傅立葉變換質譜儀等。1.1 一般質譜儀結構與工作原理質譜分析法

5、主要是通過對樣品的離子的質荷比的分析而實現(xiàn)對樣品進行定性和定量的一種方法。因此， 質譜儀都必須有電離裝置把樣品電離為離子，有質量分析裝置把不同質荷比的離子分開, 經檢測器檢測之后可以得到樣品的質譜圖， 由于有機樣品 , 無機樣品和同位素樣品等具有不同形態(tài)、 性質和不同的分析要求 , 所以， 所用的電 離裝置、質量分析裝置和檢測裝置有所不同。但是，不管是哪種類型的質譜儀，其基本組成是相同的。都包括離 子源、質量分析器、檢測器和真空系統(tǒng)。本節(jié)主要介紹有機質譜儀的基本結構和工作原理。1.2 離子源（ Ion source ）離子源的作用是將欲分析樣品電離， 得到帶有樣品信息的離子。 質譜儀的離子源種

6、類很多， 現(xiàn)將主要的離子源介紹如下。電子電離源(Electron Ionization El)09-J 電子電惡源更浬國電子電離源又稱 EI源，是應用最為廣泛的離子源，它主要用于揮發(fā)性樣品的電離。圖9.1是電子電離源的原理圖，由GC或直接進樣桿進入的樣品，以氣體形式進入離子源，由燈絲F發(fā)出的電子與樣品分子發(fā)生碰撞使樣品分子電離。一般情況下，燈絲F與接收極T之間的電壓為70伏,所有的標準質譜圖都是在 70ev下做出的。在 70ev電子碰撞作用下，有機物分子可能被打掉一個電子形成分子離子，也可能會發(fā)生化學鍵的斷裂形成碎片離 子。由分子離子可以確定化合物分子量，由碎片離子可以得到化合物的結構。對于一

7、些不穩(wěn)定的化合物，在70ev的電子轟擊下很難得到分子離子。為了得到分子量，可以采用1020ev的電子能量，不過此時儀器靈敏度將大大降低，需要加大樣品的進樣量。而且，得到的質譜圖不再是標準質譜圖。離子源中進行的電離過程是很復雜的過程，有專門的理論對這些過程進行解釋和描述。在電子轟擊下，樣品分子可能有四種不同途徑形成離子： 樣品分子被打掉一個電子形成分子離子。分子離子進一步發(fā)生化學鍵斷裂形成碎片離子。分子離子發(fā)生結構重排形成重排離子。通過分子離子反應生成加合離子。此外，還有同位素離子。這樣，一個樣品分子可以產生很多帶有結構信息的離子，對這些離子進行質量分析和檢 測，可以得到具有樣品信息的質譜圖。電

8、子電離源主要適用于易揮發(fā)有機樣品的電離，GC-MS聯(lián)用儀中都有這種離子源。其優(yōu)點是工作穩(wěn)定可靠，結構信息豐富，有標準質譜圖可以檢索。缺點是只適用于易汽化的有機物樣品分析，并且，對有些化合物得不到分子 離子。化學電離源(Chemical Ionization , EI )。有些化合物穩(wěn)定性差，用El方式不易得到分子離子，因而也就得不到分子量。為了得到分子量可以采用CI電離方式。CI和EI在結構上沒有多大差別?；蛘哒f主體部件是共用的。其主要差別是CI源工作過程中要引進一種反應氣體。反應氣體可以是甲烷、異丁烷、氨等。反應氣的量比樣品氣要大得多。燈絲發(fā)出的電子首先將反應氣 電離，然后反應氣離子與樣品分

9、子進行離子-分子反應，并使樣品氣電離?，F(xiàn)以甲烷作為反應氣，說明化學電離的過程。在電子轟擊下，甲烷首先被電離：CH4+e CH4+ + CH3+ + CH2+ + CH+ C+ + H+甲烷離子與分子進行反應，生成加合離子：CH4+ + CH4 CH5+ + CH3CH3 + + CH4 C2H5+ + H2加合離子與樣品分子反應：CH5+ + XH XH2+ + CH4C2H5+ + XH X+ +C2H6生成的XH2+和X+比樣品分子XH多一個H或少一個H,可表示為（M1），稱為準分子離子。事實上，以甲烷作為反應氣，除（M+1）+之外，還可能出現(xiàn) （M+17）+，（M+29）+等離子，同時還

10、出現(xiàn)大量的碎片離子?；瘜W電離源是一種軟電離方式，有些用EI方式得不到分子離子的樣品，改用CI后可以得到準分子離子，因而可以求得分子量。對于含有很強的吸電子基團的化合物，檢測負離子的靈敏度遠高于正離子的靈敏度，因此，CI源一般都有正 CI和負CI，可以根據樣品情況進行選擇。由于CI得到的質譜不是標準質譜，所以不能進行庫檢索。EI和CI源主要用于氣相色譜-質譜聯(lián)用儀，適用于易汽化的有機物樣品分析。3. 快原子轟擊源（Fast Atomic bombardment, FAB ）是另一種常用的離子源，它主要用于極性強、分子量大的樣品分析。其工作原理如圖9.2所示：圖勺快原子轟擊源示登圖氬氣在電離室依靠

11、放電產生氬離子，高能氬離子經電荷交換得到高能氬原子流，氬原子打在樣品上產生樣品離子。樣品置于涂有底物（如甘油）的靶上。靶材為銅，原子氬打在樣品上使其電離后進入真空，并在電場作用下進入 分析器。電離過程中不必加熱氣化，因此適合于分析大分子量、難氣化、熱穩(wěn)定性差的樣品。例如肽類、低聚糖、 天然抗生素、有機金屬絡合物等。FAB源得到的質譜不僅有較強的準分子離子峰，而且有較豐富的結構信息。但是，它與EI源得到的質譜圖很不相同。其一是它的分子量信息不是分子離子峰M而往往是（M+H +或（M+Na+等準分子離子峰；其二是碎片峰比EI譜要少。FAB源主要用于磁式雙聚焦質譜儀。4. 電噴霧源（Electron

12、 spray lonization, ESI）ESI是近年來出現(xiàn)的一種新的電離方式。它主要應用于液相色譜-質譜聯(lián)用儀。它既作為液相色譜和質譜儀之間的接口裝置，同時又是電離裝置。它的主要部件是一個多層套管組成的電噴霧噴咀。最內層是液相色譜流出物， 外層是噴射氣，噴射氣常采用大流量的氮氣，其作用是使噴出的液體容易分散成微滴。另外，在噴嘴的斜前方還 有一個補助氣噴咀，補助氣的作用是使微滴的溶劑快速蒸發(fā)。在微滴蒸發(fā)過程中表面電荷密度逐漸增大，當增大到某個臨界值時，離子就可以從表面蒸發(fā)出來。離子產生后，借助于噴咀與錐孔之間的電壓，穿過取樣孔進入分 析器（見圖9.3 ）。惟孔樣品霧化氣0 O O大氣壓圖勺

13、7 電噴霧電離原理圖加到噴嘴上的電壓可以是正，也可以是負。通過調節(jié)極性，可以得到正或負離子的質譜。其中值得一提的是電噴 霧噴嘴的角度，如果噴嘴正對取樣孔，則取樣孔易堵塞。因此，有的電噴霧噴嘴設計成噴射方向與取樣孔不在一 條線上，而錯開一定角度。這樣溶劑霧滴不會直接噴到取樣孔上，使取樣孔比較干凈，不易堵塞。產生的離子靠 電場的作用引入取樣孔，進入分析器。電噴霧電離源是一種軟電離方式，即便是分子量大，穩(wěn)定性差的化合物，也不會在電離過程中發(fā)生分解，它適合 于分析極性強的大分子有機化合物，如蛋白質、肽、糖等。電噴霧電離源的最大特點是容易形成多電荷離子。這 樣，一個分子量為lOOOODa的分子若帶有10

14、個電荷，則其質荷比只有 1000Da,進入了一般質譜儀可以分析的范 圍之內。根據這一特點，目前采用電噴霧電離，可以測量分子量在300000Da以上的蛋白質。圖 9.4是由電噴霧電離源得到的肌紅蛋白的質譜圖：團丨肌紅蛋白電咦尊勿譜團5. 大氣壓化學電離源 (Atmospheric pressure chemical loni zatio n, APCI)它的結構與電噴霧源大致相同，不同之處在于APCI噴咀的下游放置一個針狀放電電極，通過放電電極的高壓放電，使空氣中某些中性分子電離，產生H3O+, N2+, Q+和O等離子，溶劑分子也會被電離，這些離子與分析物分子進行離子-分子反應，使分析物分子離

15、子化，這些反應過程包括由質子轉移和電荷交換產生正離子，質子 脫離和電子捕獲產生負離子等。圖9.5是大氣壓化學電離源的示意圖：37圖97大玉代學電為接示曹圖大氣壓化學電離源主要用來分析中等極性的化合物。有些分析物由于結構和極性方面的原因，用ESI不能產生足夠強的離子，可以采用APCI方式增加離子產率，可以認為APCI是ESI的補充。APCI主要產生的是單電荷離子，所以分析的化合物分子量一般小于lOOODa。用這種電離源得到的質譜很少有碎片離子，主要是準分子離子。以上兩種電離源主要用于液相色譜-質譜聯(lián)用儀。激光解吸源(Laser Description ， LD)激光解吸源是利用一定波長的脈沖式激

16、光照射樣品使樣品電離的一種電離方式。被分析的樣品置于涂有基質的樣品靶上，激光照射到樣品靶上，基質分子吸收激光能量，與樣品分子一起蒸發(fā)到氣相并使樣品分子電離。激光電離源需要有合適的基質才能得到較好的離子產率。因此，這種電離源通常稱為基質輔助激光解吸電離(MatrixAssisted Laser Description lonization,簡稱 MALDI)。MALDI 特別適合于飛行時間質譜儀(TOF),組成MALDI-TOF。MALDI屬于軟電離技術，它比較適合于分析生物大分子，如肽、蛋白質、核酸等。得到的質譜主要 是分子離子，準分子離子。碎片離子和多電荷離子較少。MALDI常用的基質有2，

17、5二羥基苯甲酸、芥子酸、煙酸、?-氰基-4-羥基肉桂酸等。2.1.2質量分析器(Mass analyzer)質量分析器的作用是將離子源產生的離子按m/z順序分開并排列成譜。用于有機質譜儀的質量分析器有磁式雙聚焦分析器，四極桿分析器，離子阱分析器，飛行時間分析器，回旋共振 分析器等。雙聚焦分析器(double focusi ng an alyzer)雙聚焦分析器是在單聚焦分析器的基礎上發(fā)展起來的。因此，首先簡單介紹一下單聚焦分析器。單聚焦分析器的主體是處在磁場中的扁形真空腔體。離子進入分析器后，由于磁場的作用，其運動軌道發(fā)生偏轉改作圓周運動。其運動軌道半徑R可由下式表示： ''

18、由上式可知，在一定的B、V條件下，不同 m/z的離子其運動半徑不同，這樣，由離子源產生的離子，經過分析器后可實現(xiàn)質量分離 ，如果檢測器位置不變(即R不變)、連續(xù)改變V或B可以使不同m/z的離子順序進入檢測器，實現(xiàn)質量掃描，得到樣品的質譜。圖9.6是單聚焦分析器原理圖，這種單聚焦分析器可以是180°的(如圖9.6),也可以是90。或其它角度的，其形狀象一把扇子，因此又稱為磁扇形分析器1*>&9-6 單疑焦圧蚩分椚器原理圖單聚焦分析結構簡單，操作方便但其分辨率很低。不能滿足有機物分析要求，目前只用于同位素質譜儀和氣 體質譜儀。單聚集質譜儀分辨率低的主要原因在于它不能克服離子

19、初始能量分散對分辨率造成的影響。在離子源產生的離子當中，質量相同的離子應該聚在一起，但由于離子初始能量不同，經過磁場后其偏轉半徑也不同，而 是以能量大小為了消除離子能量分散對分辨率的影響，通常在扇形磁場前加一扇形電場，扇形電場是一個能量分析器，不起質量分離作用。質量相同而能量不同的離子經過靜電電場后會彼此分開。即靜電場有能量色散作用。如果設法使靜電場的能量色散作用和磁場的能量色散作用大小相等方向相反，就可以消除能量分散對分辨率的影響。只要是質量相同的離子，經過電場和磁場后可以會聚在一起。另外質量的離子會聚在另一點。改變離子加速 電壓可以實現(xiàn)質量掃描。這種由電場和磁場共同實現(xiàn)質量分離的分析器，同

20、時具有方向聚焦和能量聚焦作用，叫雙聚焦質量分析器(見圖 9.7).雙聚焦分析器的優(yōu)點是分辨率高，缺點是掃描速度慢，操作、調整比較困難，而且儀器造價也比較昂貴。順序分開，即磁場也具有能量色散作用。這樣就使得相鄰兩種質量的離子很難分離， 從而降低了分辨率。威赴鋁同，awt不同的高琲19-7眾聚焦質呈分析器原理圈四極桿分析器(Quadrupole analyzer)四極桿分析器由四根棒狀電極組成。電極材料是鍍金陶瓷或鉬合金。相對兩根電極間加有電壓(Vdc+Vf)，另外兩根電極間加有-(Vdc+Vf )。其中Vdc為直流電壓，Vf為射頻電壓。四個棒狀電極形成一個四極電場。圖9.8是這種分析器示意圖：-

21、(v.f一圖9-8 四極桿分析器示意圖離子運動軌跡可由方程9.2的解描述，數學分析表明，在a, q取某些數值時，運動方程有穩(wěn)定的解，穩(wěn)定解的圖解形式通常用a, q參數的穩(wěn)定三角形表示。(圖9.9 )當離子的a, q值處于穩(wěn)定三角形內部時，這些離子振幅是有限的，因而可以通過四極場達到檢測器。在保持Vdc/Vrf不變的情況下改變 Vrf值，對應于一個 Vrf值，四極場只允許一種質荷比的離子通過，其余離子則振幅不斷增大，最后碰到四極桿而被吸收。通過四極桿的 離子到達檢測器被檢測。改變Vrf值,可以使另外質荷比的離子順序通過四極場實現(xiàn)質量掃描。設置掃描范圍實際上是設置 Vrf值的變化范圍。當Vrf值由

22、一個值變化到另一個值時，檢測器檢測到的離子就會從ml變化到m2也即得到 ml到m2的質譜。Vrf的變化可以是連續(xù)的，也可以是跳躍式的。所謂跳躍式掃描是只檢測某些質量的離子，故稱為選擇離子監(jiān)測(select ion monitoring SIM)。當樣品量很少，而且樣品中特征離子已知時，可以采用選擇離子監(jiān)測。這種掃描方式靈敏度高，而且，通過選擇適當的離子使干擾組份不被采集，可以消除組 分間的干擾。SIM適合于定量分析，但因為這種掃描方式得到的質譜不是全譜，因此不能進行質譜庫檢索和定性 分析。圖勺-今 四喲好析語棉定性圖飛行時間質量分析器 仃ime of flight analyzer)燈鏡電離率

23、脈沖電11抽農空圖9-10 飛時庇質呈分祈器匣亞麗飛行時間質量分析器的主要部分是一個離子漂移管。圖9.10是這種分析器的原理圖。離子在加速電壓V作用下得到動能，則有：1/2 mv 2=eV 或 v=(2eV/m) 1/2式中：m離子的質量e：離子的電荷量V：離子加速電壓離子以速度v進入自由空間(漂移區(qū))，假定離子在漂移區(qū)飛行的時間為T，漂移區(qū)長度為L，則：T=L(m/2eV)1/2由式(9.4)可以看岀，離子在漂移管中飛行的時間與離子質量的平方根成正比。也即，對于能量相同的離子，離子的質量越大，達到接收器所用的 時間越長，質量越小，所用時間越短，根據這一原理，可以把不同質量的離子分開。適當增加

24、漂移管的長度可以增加分辨率。飛行 時間質量分析器的特點是質量范圍寬，掃描速度快，既不需電場也不需磁場。但是，長時間以來一直存在分辨率低這一缺點，造成 分辨率低的主要原因在于離子進入漂移管前的時間分散、空間分散和能量分散。這樣，即使是質量相同的離子，由于產生時間的先 后,產生空間的前后和初始動能的大小不同，達到檢測器的時間就不相同，因而降低了分辨率。目前，通過采取激光脈沖電離方式，離子延遲引岀技術和離子反射技術，可以在很大程度上克服上述三個原因造成的分辨率下降。現(xiàn)在，飛行時間質譜儀的分辨率可達 20000以上。最高可檢質量超過 300000Da,并且具有很高的靈敏度。目前，這種分析器已廣泛應用于

25、氣相色譜-質譜聯(lián)用儀，液相色譜-質譜聯(lián)用儀和基質輔助激光解吸飛行時間質譜儀中。下圖是基質輔助激光解吸飛行時間質譜儀原理圖：碁盛輔助激比解吸飛行時間JSitli原理圖離子阱質量分析器傅立葉變換離子回旋共振分析器離子阱質量分析器離子阱的結構如圖 9.11所示。離子阱的主體是一個環(huán)電極和上下兩端蓋電極，環(huán)電極和上下兩端蓋電極都是繞Z軸旋轉的雙曲面，并滿足 r2o=2Z。（ r0為環(huán)形電極的最小半徑，Z。為兩個端蓋電極間的最短距離）。直流電壓U和射頻電壓 Vf加在環(huán)電極和端蓋電極之間，兩端蓋電極都處于地電位。圖g-i 1 離子阱構造愎鋰圖燈處；2炕制；3阿；形電械；4屯f信増器：計茸機；6-放大器和射

26、頻發(fā)生樹（基本射琛電H ;7放大器和射頻發(fā)牛叫加射頻電冷）與四極桿分析器類似，離子在離子阱內的運動遵守所謂馬蒂厄微分方程，也有類似四極桿分析器的穩(wěn)定圖。在穩(wěn)定區(qū)內的離子， 軌道振幅保持一定大小，可以長時間留在阱內，不穩(wěn)定區(qū)的離子振幅很快增長，撞擊到電極而消失。對于一定質量的離子，在一定 的U和Vf下，可以處在穩(wěn)定區(qū)。改變 U或Vrf的值，離子可能處于非穩(wěn)定區(qū)。如果在引岀電極上加負電壓，可以將離子從阱內引岀, 由電子倍增器檢測。因此，離子阱的質量掃描方式與四極桿類似，是在恒定的U/ Vrf下，掃描Vrf獲取質譜。離子阱的特點是結構小巧，質量輕，靈敏度高，而且還有多級質譜功能（見922.3 節(jié)）。

27、它可以用于GC-MS也可以用于LC-MS傅立葉變換離子回旋共振分析器（Fourier transform ion cyclotron resonance analyzer, FTICR）這種分析器是在原來回旋共振分析器的基礎上發(fā)展起來的。因此，首先敘述一下離子回旋共振的基本原理。假定質荷比m/e的離子進入磁感應強度為 B的磁場中，由于受磁場力的作用，離子作圓周運動，如果沒有能量的損失和增加，圓周運動的離心力和磁場力相平衡，即：mV/R=Bev將式（9.5）整理后得：v/R=Be/m式中旦為離子運動的回旋頻率（單位為弧度/秒）。由式（9.6）可以看岀，離子的回旋頻率與離子的質荷比成線性關系，當磁

28、場強度固定后，只需精確測得離子的共振頻率，就能準確的得到離子的質量。測定離子共振頻率 的辦法是外加一個射頻輻射，如果外加射頻頻率等于離子共振頻率，離子就會吸收外加輻射能量而改變圓周運動的軌道，沿著阿基 米德螺線加速，離子收集器放在適當的位置就能收到共振離子。改變輻射頻率，就可以接收到不同的離子。但普通的回旋共振分析 器掃描速度很慢，靈敏度低，分辨率也很差。傅立葉變換離子回旋共振分析器采用的是線性調頻脈沖來激發(fā)離子，即在很短的時間 內進行快速頻率掃描，使很寬范圍的質荷比的離子幾乎同時受到激發(fā)。因而掃描速度和靈敏度比普通回旋共振分析器高得多。圖9.12是這種分析器的結構示意圖：圖9 12何立葉變喚

29、離子旦疑共振分析器示菠圖分析室是一個立方體結構，它是由三對相互垂直的平行板電極組成，置于高真空和由超導磁體產生的強磁場中。第一對電極為捕集極，它與磁場方向垂直，電極上加有適當正電壓， 其目的是延長離子在室內滯留時間；第二對電極為發(fā)射極，用于發(fā)射射頻脈沖；第三對電極為接收極，用來接收離子產生的信號。樣品離子引入分析室后，在強磁場作用下被迫以很小的軌道半徑作回旋運動，由 于離子都是以隨機的非相干方式運動，因此不產生可檢岀的信號。如果在發(fā)射極上施加一個很快的掃頻電壓，當射頻頻率和某離子 的回旋頻率一致時共振條件得到滿足。離子吸收射頻能量，軌道半徑逐漸增大，變成螺旋運動，經過一段時間的相互作用以后，所

30、 有離子都做相干運動，產生可被檢岀的信號。做相干運動的正離子運動至靠近接收極的一個極板時，吸收此極板表面的電子，當其 繼續(xù)運動到另一極板時，又會吸引另一極板表面的電子。這樣便會感生岀象電流”（見圖9.13 ）,象電流是一種正弦形式的時間域信號，正弦波的頻率和離子的固有回旋頻率相同，其振幅則與分析室中該質量的離子數目成正比。如果分析室中各種質量的離子都滿足共振條件，那么，實際測得的信號是同一時間內作相干軌道運動的各種離子所對應的正弦波信號的疊加。將測得的時間域信號 重復累加，放大并經模數轉換后輸入計算機進行快速傅立葉變換，便可檢岀各種頻率成分，然后利用頻率和質量的已知關系 ，便可得到常見的質譜圖

31、。圖費13相干運動的離子EfeUS®上產生象電流利用傅立葉變換離子回旋共振原理制成的質譜儀稱為傅立葉變換離子回旋共振質譜儀（Fourier transform ion cyclotronresonance mass spectrometer ），簡稱FT-MS FT-MS有很多明顯的優(yōu)點：分辨率極高，商品儀器的分辨可超過1 X106，而且在高分辨率下不影響靈敏度，而雙聚焦分析器為提高分辨率必須降低靈敏度。同時，F(xiàn)T-MS的測量精度非常好，能達到百萬分之幾，這對于得到離子的元素組成是非常重要的。分析靈敏度高，由于離子是同時激發(fā)同時檢測，因此比普通回旋共振質譜儀高4個量級,而且在高靈敏度

32、下可以得到高分辨率。 具有多級質譜功能，詳細請見第9.223 節(jié)可以和任何離子源相聯(lián)，擴寬了儀器功能。此外還有諸如掃描速度快，性能穩(wěn)定可靠，質量范圍寬等優(yōu)點。當然，另一方面，F(xiàn)T-MS由于需要很高的超導磁場，因而需要液氦，儀器售價和運行費用都比較貴。.2.1.3 檢測器（Detecter）il總l向hNJ匸詭電門沙電了S9- 14 申.3ts増器示恿圖質譜儀的檢測主要使用電子倍增器，也有的使用光電倍增管。圖9.14是電子倍增器示意圖。由四極桿出來的離子打到高能打拿極產生電子，電子經電子倍增器產生電信號，記錄不同離子的信號即得質譜。信號增益與倍增器電壓有關，提高倍增器電壓可以提 高靈敏度，但同時

33、會降低倍增器的壽命，因此，應該在保證儀器靈敏度的情況下采用盡量低的倍增器電壓。由倍增器岀來的電信號 被送入計算機儲存，這些信號經計算機處理后可以得到色譜圖，質譜圖及其它各種信息。2.1.4 真空系統(tǒng)(Vacuum system)為了保證離子源中燈絲的正常工作，保證離子在離子源和分析器正常運行，消減不必要的離子碰撞，散射效應，復合反應和離 子-分子反應，減小本底與記憶效應，因此，質譜儀的離子源和分析器都必須處在優(yōu)于10-5 mbar的真空中才能工作。也就是說，質譜儀都必須有真空系統(tǒng)。一般真空系統(tǒng)由機械真空泵和擴散泵或渦輸分子泵組成。機械真空泵能達到的極限真空度為10-3 mbar,不能滿足要求，

34、必須依靠高真空泵。擴散泵是常用的高真空泵，其性能穩(wěn)定可靠，缺點是啟動慢，從停機狀態(tài)到儀器能正常工作所需 時間長；渦輪分子泵則相反，儀器啟動快，但使用壽命不如擴散泵。但由于渦輪分子泵使用方便，沒有油的擴散污染問題，因此， 近年來生產的質譜儀大多使用渦輪分子泵。渦輪分子泵直接與離子源或分析器相連，抽岀的氣體再由機械真空泵排到體系之外。以上是一般質譜儀的主要組成部分。當然，若要儀器能正常工作，還必須要供電系統(tǒng)，數據處理系統(tǒng)等，因為沒有特殊之處，不再敘 述。這樣，一個有機化合物樣品，由于其形態(tài)和分析要求不同，可以選用不同的電離方式使其離子化，再由質量分析器按離子的 m/z將離子分開并按一定順序排列成譜

35、，經檢測器檢測即得到樣品的質譜。圖9.15是?-紫羅酮的質譜圖。質譜圖的橫坐標是質荷比 m/z，縱坐標是各離子的相對強度。通常把最強的離子的強度定為100，稱為基峰(圖9.15中為m/z=121),其他離子的強度以基峰為標準來決定。對于一定的化合物，各離子間的相對強度是一定的，因此，質譜具有化合物的結構特征。121100-4393ns和|271X77109.m I山i .A . | 匚 |lfi 4i»60 M120140 |陽 I RO 2iX»m/xE9- 1 5片-紫琴菊貢譜圖質譜儀器2.2.質譜聯(lián)用技術質譜儀是一種很好的定性鑒定用儀器，對混合物的分析無能為力。色譜儀

36、是一種很好的分離用儀器，但定性能力很差，二者結合起來，則能發(fā)揮各自專長，使分離和鑒定同時進行。因此，早在20世紀60年代就開始了氣相色譜-質譜聯(lián)用技術的研究，并岀現(xiàn)了早期的氣相色譜-質譜聯(lián)用儀。在70年代末，這種聯(lián)用儀器已經達到很高的水平。同時開始研究液相色譜-質譜聯(lián)用技術。在80年代后期，大氣壓電離技術的出現(xiàn)，使液相色譜-質譜聯(lián)用儀水平提高到一個新的階段。目前，在有機質譜儀中，除激光解吸電離-飛行時間質譜儀和傅立葉變換質譜儀之外，所有質譜儀都是和氣相色譜或液相色譜組成聯(lián)用儀器。這樣，使質譜儀無論在定性 分析還是在定量分析方面都十分方便。同時，為了增加未知物分析的結構信息，為了增加分析的選擇性

37、，采用串聯(lián)質譜法(質譜-質譜聯(lián)用)，也是目前質譜儀發(fā)展的一個方向。也就是說，目前的質譜儀是以各種各樣的聯(lián)用方式工作的。因此，本節(jié)將介紹各種 質譜聯(lián)用技術。2.2.1 氣相色譜-質譜聯(lián)用儀(Gas chromatography-Mass spectrometer, GC-MS)GC-MS主要由三部分組成：色譜部分、質譜部分和數據處理系統(tǒng)。色譜部分和一般的色譜儀基本相同，包括有柱箱、汽化室和載氣 系統(tǒng)，也帶有分流/不分流進樣系統(tǒng)，程序升溫系統(tǒng)、壓力、流量自動控制系統(tǒng)等，一般不再有色譜檢測器，而是利用質譜儀作為 色譜的檢測器。在色譜部分，混合樣品在合適的色譜條件下被分離成單個組分，然后進入質譜儀進行

38、鑒定。色譜儀是在常壓下工作，而質譜儀需要高真空，因此，如果色譜儀使用填充柱，必須經過一種接口裝置一分子分離器，將色譜載氣去除，使樣品氣進入 質譜儀。如果色譜儀使用毛細管柱，則可以將毛細管直接插入質譜儀離子源，因為毛細管載氣流量比填充柱小得多，不會破壞質譜 儀真空。GC-MS的質譜儀部分可以是磁式質譜儀、四極質譜儀，也可以是飛行時間質譜儀和離子阱。目前使用最多的是四極質譜儀。離子源主要是EI源和CI源。GC-MS的另外一個組成部分是計算機系統(tǒng)。由于計算機技術的提高，GC-MS的主要操作都由計算機控制進行，這些操作包括利用標準樣品(一般用FC-43)校準質譜儀，設置色譜和質譜的工作條件，數據的收集

39、和處理以及庫檢索等。這樣，一個混合物樣品進入色譜儀后，在合適的色譜條件下，被分離成單一組成并逐一進入質譜儀，經離子源電離得到具有樣 品信息的離子，再經分析器、檢測器即得每個化合物的質譜。這些信息都由計算機儲存，根據需要，可以得到混合物的色譜圖、單 一組分的質譜圖和質譜的檢索結果等。根據色譜圖還可以進行定量分析。因此，GC-MS是有機物定性、定量分析的有力工具。作為GC-MS聯(lián)用儀的附件。還可以有直接進樣桿和FAB源等。但是FAB源只能用于磁式雙聚焦質譜儀。直接進樣桿主要是分析高沸點的純樣品，不經過 GC進樣，而是直接送到離子源，加熱汽化后，由EI電離。另外，GC-MS的數據系統(tǒng)可以有幾套數據庫

40、，主要有NIST庫，Willey庫，農藥庫，毒品庫等。2.2.2 液相色譜-質譜聯(lián)用儀(Liquid chromatography Mass spectrometer ， LC-MS)LC-MS聯(lián)用儀主要由高效液相色譜，接口裝置(同時也是電離源)，質譜儀組成。高效液相色譜與一般的液相色譜相同，其作用是將混合物樣品分離后進入質譜儀。此處從略。僅介紹接口裝置和質譜儀部分。LC-MS接口裝置LC-MS聯(lián)用的關鍵是LC和MS之間的接口裝置。接口裝置的主要作用是去除溶劑并使樣品離子化。早期曾經使用過的接口裝置有傳送帶接口，熱噴霧接口，粒子束接口等十余種，這些接口裝置都存在一定的缺點， 因而都沒有得到廣泛

41、推廣。20世紀80年代，大氣壓電離源用作 LC和MS聯(lián)用的接口裝置和電離裝置之后，使得LC-MS聯(lián)用技術提高了一大步。目前，幾乎所有的LC-MS聯(lián)用儀都使用大氣壓電離源作為接口裝置和離子源。大氣壓電離源(Atmosphere pressureIonization ，API)包括電噴霧電離源(Electrospray Ionization ， ESI)和大氣壓化學電離源(Atmospheric Pressure Chemicel Ionization ，APCI)兩種，二者之中電噴霧源應用最為廣泛。電噴霧電離源的原理與特點請參見本書第.1節(jié)。除了電噴霧和大氣壓化學電離兩種接口之外，極少數儀器還使

42、用粒子束噴霧和電子轟擊相結合的電離方式，這種接口裝置可以得到標準質譜，可以庫檢索、但只適用于小分子，應用也不普遍，故不詳述。以外，還有超聲噴霧電離接口。也因使用不普遍，故從略。質譜儀部分由于接口 裝置同時就是離子源，因此質譜儀部分只介紹質量分析器。作為LC-MS聯(lián)用儀的質量分析器種類很多，最常用的是四極桿分析器(簡 寫為Q,其次是離子阱分析器(Trap)和飛行時間分析器(TOF)。因為LC-MS主要提供分子量信息，為了增加結構信息，LC-MS大多采用具有串聯(lián)質譜功能的質量分析器，串聯(lián)方式很多，如 Q-Q-Q, Q-TOF等,詳細請看2.3。2.3 串聯(lián)質譜法 仃andem Mass spect

43、rometry)為了得到更多的有關分子離子和碎片離子的結構信息，早期的質譜工作者把亞穩(wěn)離子作為一種研究對象。所謂亞穩(wěn)離子(metastable ion)是指離子源出來的離子，由于自身不穩(wěn)定，前進過程中發(fā)生了分解，丟掉一個中性碎片后生成的新離子，這個新 的離子稱為亞穩(wěn)離子。這個過程可以表示為：m1匸二m+ +N ,新生成的離子在質量上和動能上都不同于m+ ,由于是在行進中途形成的，它也不處在質譜中m的質量位置。研究亞穩(wěn)離子對搞清離子的母子關系，對進一步研究結構十分有用。于是，在雙聚焦質譜儀中設計了各種各樣的磁場和電場聯(lián)動掃描方式，以求得到子離子，母離子和中性碎片丟失。盡管亞穩(wěn)離子能提供一些結構信

44、息， 但是由于亞穩(wěn)離子形成的幾率小，亞穩(wěn)峰太弱，檢測不容易，而且儀器操作也困難，因此，后來發(fā)展成在磁場和電場間加碰撞活化 室，人為地使離子碎裂，設法檢測子離子，母離子，進而得到結構信息。這是早期的質譜-質譜串聯(lián)方式。隨著儀器的發(fā)展，串聯(lián)的方式越來越多。尤其是 20世紀80年代以后出現(xiàn)了很多軟電離技術，女口ESI、APCI、FAB MALDI等，基本上都只有準分子離子，沒有結構信息，更需要串聯(lián)質譜法得到結構信息。因此，近年來，串聯(lián)質譜法發(fā)展十分迅速。串聯(lián)質譜法可以分為兩類：空間串聯(lián) 和時間串聯(lián)?？臻g串聯(lián)是兩個以上的質量分析器聯(lián)合使用，兩個分析器間有一個碰撞活化室，目的是將前級質譜儀選定的離子打碎

45、，-離子，在分析器內打碎后，后一時刻再進行分析。本節(jié)由后一級質譜儀分析。而時間串聯(lián)質譜儀只有一個分析器，前一時刻選定將敘述各種串聯(lián)方式和操作方式。串聯(lián)質譜的主要串聯(lián)方式質譜 -質譜的串聯(lián)方式很多，既有空間串聯(lián)型，又有時間串聯(lián)型?？臻g串聯(lián)型又分磁扇型串聯(lián)，四極桿串聯(lián)，混合串聯(lián)等。如果用B表示扇形磁場，E表示扇形電場，Q表示四極桿，TOF表示飛行時間分析器，那么串聯(lián)質譜主要方式有： 空間串聯(lián)磁扇型串聯(lián)方式：BEB EBE BEBE等四極桿串聯(lián)：Q-Q-Q混合型串聯(lián)： BE-Q Q-TOF EBE-TOF 時間串聯(lián) 離子阱質譜儀 回旋共振質譜儀無論是哪種方式的串聯(lián)，都必須有碰撞活化室，從第一級MS分

46、離岀來的特定離子，經過碰撞活化后，再經過第二級MS進行質量分析，以便取得更多的信息。碰撞活化分解利用軟電離技術（如電噴霧和快原子轟擊）作為離子源時，所得到的質譜主要是準分子離子峰，碎片離子很少，因而也就沒有結構信息。為了得到更多的信息，最好的辦法是把準分子離子打碎”之后測定其碎片離子。在串聯(lián)質譜中采用碰撞活化分解（Collisionactivated dissociation, CAD） 技術把離子 打碎”。碰撞活化分解也稱為碰撞誘導分解（Collision Induced dissociation, CID）碰撞活化分解在碰撞室內進行，帶有一定能量的離子進入碰撞室后，與室內情性氣體的分子或原子發(fā)生碰撞，離子發(fā)生碎裂。為了 使離子碰撞碎裂，必須使離子具有一定動能，對于磁式質譜儀，離子加速電壓可以超過1000V,而對于四極桿，離子阱等，加速電壓不超過100V，前者稱為高能CAD后者稱為低能 CID。二者得到的子離子譜是有差別的。串聯(lián)質譜法工作方式和主要信息三級四 極質譜儀（Q-Q-Q）的工作方式和主要信息三級四極質譜儀有三組四極桿，第一組四級桿用于質量分離（MS1），第二組四極桿用于碰撞活