有機質譜分析原理110314

1、10.1 簡介質譜分析是先將物質離子化，變?yōu)闅鈶B(tài)離子混合物，并按離子的質荷比分離，然后測量各種離子譜峰的強度而實現(xiàn)分析目的的一種分析方法。以檢測器檢測到的離子信號強度為縱坐標,離子質荷比為橫坐標所作的條狀圖就是我們常見的質譜圖。質譜儀是實現(xiàn)上述分離分析技術，從而測定物質的質量與含量及其結構的儀器。質譜分析法是一種快速、有效的分析方法，利用質譜儀可進行同位素分析，化合物分析，氣體成分分析以及金屬和非金屬固體樣品的超純痕量分析。質量是物質的固有特征之一，不同的物質有不同的質量譜(質譜)，利用這一性質，可以進行定性分析；譜峰強度也與它代表的化合物含量有關，利用這一點，可以進行定量分析。在有機混合物的

2、分析研究中已經證明了質譜分析法比化學分析法和光學分析法具有更加卓越的優(yōu)越性，其中有機化合物質譜分析在質譜學中占最大的比重，全世界幾乎有3/4儀器從事有機分析，現(xiàn)在的有機質譜法，不僅可以進行小分子的分析，而且可以直接分析糖，核酸，蛋白質等生物大分子，在生物化學和生物醫(yī)學上的研究成為當前的熱點。目前的有機質譜和生物質譜儀，除了GC-MS的電轟擊電離(EI)和化學電離(CI)，離子化方式還有大氣壓電離(API)(包括大氣壓電噴霧電離ESI、大氣壓化學電離APCI)與基質輔助激光解吸電離。前者常采用四極桿或離子阱質量分析器，統(tǒng)稱API-MS，后者常用飛行時間作為質量分析器，所構成的儀器稱為基質輔助激光

3、解吸電離飛行時間質譜(MALDI-TOF-MS)。API-MS的特點是可以和液相色譜，毛細管電泳等分離手段聯(lián)用，擴展了包括藥物代謝、臨床和法醫(yī)學、環(huán)境分析、食品檢驗、組合化學和有機化學等的應用范圍；MALDI-TOF-MS的特點是對鹽和添加物的耐受能力高，且測樣速度快，操作簡單。10.2 有機質譜儀質譜儀包括進樣系統(tǒng)，離子之源，質量分析器，離子檢測器，及記錄儀幾大部分，其基本結構如圖1所示：供電系統(tǒng) 進樣系統(tǒng) 離子源 質量分析器 檢測接收器 數(shù)據系統(tǒng) 真空系統(tǒng)圖1 質譜儀的基本結構圖10.2.1 進樣系統(tǒng)質譜儀只能分析、檢測氣相中的離子，不同性質的樣品往往要求不同的電離技術和相應的進樣方式。商

4、品儀器一般配備以下進樣系統(tǒng)，供測定不同樣品時選用。10.2.1.1 儲罐進樣這個系統(tǒng)主要包括儲氣室、加熱器、真空連接系統(tǒng)及一個通過分子漏孔將樣品導入離子源的接口。氣體和液體樣品在不需要進一步分離時可以通過這種方式進樣，足夠的樣品量可以在較長時間內（30min）給離子源提供較穩(wěn)定的樣品源。10.2.1.2 探頭進樣質譜實驗室經常要為合成工作者送來的“純”固體或高沸點液體提供質譜數(shù)據。這些樣品通常蒸汽壓低或熱穩(wěn)定性差，只能通過探頭引入離子源中。采用直接插入探頭進樣的樣品需要滿足以下三個條件1。（1）樣品在離子源中電離之前必須氣化；（2）在氣化過程中樣品不發(fā)生或少發(fā)生熱分解；（3）樣品能在離子源中維

5、持一定的蒸汽壓。10.2.1.3 色譜進樣復雜化合物的直接質譜數(shù)據是沒有意義的。借助色譜的有效分離，質譜可以在一定程度上鑒定出混合物的成分。毛細管柱氣相色譜由于載氣流量很小，與質譜的聯(lián)用很簡單，把色譜柱的出口直接插入質譜儀的離子源中即可。液相色譜與質譜的聯(lián)用經歷了相當艱難的摸索，現(xiàn)在已有十分理想的接口。目前商品化質譜儀普遍采用的主要有大氣壓化學電離和電噴霧電離兩種方式。10.2.2 電離方式和離子源在離子源中樣品被電離成離子。不同性質的樣品可能需要不同的電離方式。近些年來，生物大分子的分析對質譜的電離方式提出了更高的要求，新的離子源不斷出現(xiàn)。本節(jié)中我們介紹幾種最主要的電離方式及相應的離子源結構

6、。10.2.2.1 電子轟擊電離電子轟擊（electron impact，EI）電離使用具有一定能量的電子直接作用于樣品分子，使其電離。圖2是典型EI離子源的結構示意圖。用鎢或錸制成的燈絲在高真空中被電流熾熱，發(fā)射出電子。在電離盒與燈絲之間加一電壓（正端在電離盒上），這個電壓被稱為電離電壓。電子在電離電壓的加速下經過入口狹縫進入電離區(qū)。樣品氣化后在電離區(qū)與電子作用一些分子獲得足夠能量后丟失一個電子形成正離子。在永久磁鐵的磁場作用下，電子束在電離區(qū)作螺旋運動，增大與中性分子的碰撞概率，從而使電離效率提高。圖2 電子轟擊離子源的結構有機化合物的電離能在10eV左右。當大于這一能量的電子轟擊時，樣品

7、分子獲得很大能量，電離發(fā)生后還可能進一步碎裂。大多數(shù)EI質譜圖集或數(shù)據庫收錄在70eV下獲得的質譜圖中，在這個能量下，靈敏度接近最大值，而且分子電離的破碎不受電子能量的細小變化的影響。EI源電離效率高，能量分散小，這保證了質譜儀的高靈敏度和高分辨率。10.2.2.2 化學電離(CI) 在電子轟擊電離中，樣品分子與具有一定能量的電子直接作用，產生分子離子，而有些化合物的分子離子熱力學能高，很不穩(wěn)定。這使得一些化合物的分子離子信號變得很弱，甚至檢測不到。化學電離（chemical ionization，CI）通過引入大量的試劑氣，使樣品分子與電離電子不直接作用。試劑氣分子被電子轟擊電離后因離子-分

8、子反應產生一些活性反應離子，這些離子再與樣品分子發(fā)生離子-分子反應，使樣品分子實現(xiàn)電離6。 化學電離源在結構上與EI源沒有太大差別。化學電離可以使用多種不同的單一或混合試劑氣。不同試劑氣的反應離子不同，與樣品的離子-分子反應可能是電荷交換、質子轉移或氫負離子轉移。這個電離過程與電子轟擊相比，樣品分子電離后熱力學能相對較低，碎裂反應減少。對于使用最普遍的甲烷試劑氣，下列離子-分子反應給出其優(yōu)勢反應離子CH3+和C2H5+。CH4+CH3+H (1)CH3+CH4C2H5+H2 (2)這兩個離子的共軛堿（CH4和C2H4）的低質子親和力使其成為良好的質子供給體，樣品分子M獲取質子生成MH+離子。M

9、+CH5+MH+CH4 (3)M+C2H5+MH+C2H4 (4)如果樣品分子的質子親和力更低，其他離子-分子反應可能發(fā)生。例如： CnH2n+2+CH5+CnH2n+1+CH4+H2 (5)10.2.2.3 大氣壓化學電離(APCI)氣相中放熱的質子轉移反應的速率常數(shù)接近于碰撞速率常數(shù)，因此化學電離能夠高效的產生離子。在大氣壓下，化學電離反應的速率更大，電離效率更高。較早的一種APCI離子源由一個小體積（1cm3）的電離盒通過一個微孔（25 m）與質量分析器相連，樣品（如色譜的流出物）進入電離盒中受63Ni的-射線輻射發(fā)生電離9。這種設計所允許的載氣流速為10100ml/min。電離過程在大

10、氣壓下進行，色譜的流動相起著試劑氣的作用。由于體積小，離子源一直處于加熱中，這樣可以減少源壁上的吸附。另一種設計采用的是電暈放電電離10，離子源結構如圖3所示。電離室沒有嚴格界定的邊緣，電離區(qū)由點暈點到取樣微孔，體積相對較大。高抽速的真空泵可以維持分析室的真空，取樣微孔的孔徑也增大至100 m，所允許的載氣流速可高達9 L/s。大氣電離的一個干擾是溶劑分子（如，水）與樣品分子形成簇合離子。在電暈放電電離設計中，在取樣微孔與電離反應區(qū)之間增加了一層幕氣流，這既可避免微孔被堵塞，同時又能使簇合離子解簇。1、霧化器氣；2、流出液；3、修飾氣；4-5、加熱器；6、氣簾；7-8、N2；9-10、二級泵區(qū)

11、；11、試樣流圖3 電暈放電APCI離子源10.2.2.4 快原子轟擊電離(FAB)以高能量的初級離子轟擊表面，再對由此產生的二次離子進行質譜分析是材料表面分析的一種重要方法。在此基礎上發(fā)展起來的兩種十分相似的電離技術，快原子轟擊（fast atom bombardment, FAB）和液體二次離子質譜（liquid secondary ion mass spectrometry，LSIMS）在有機質譜中有著重要地位。這兩種技術均采用液體基質負載樣品，其差異僅在于初級高能量粒子不同，前者使用中性原子束，后者使用離子束。FAB使用原子束是為了避免向有高電壓的離子源引入帶電粒子可能引起的麻煩。10

12、.2.2.5 等離子體解吸質譜等離子體解吸（plasma desorption）質譜（PDMS）采用放射性同位素（如252Cf）的核裂變碎片作為初級粒子轟擊樣品使其電離。樣品以適當溶劑溶解后涂布于0.51um厚的鋁或鎳箔上，252Cf 的裂變碎片從背面穿過金屬箔，把大量能量傳遞給樣品分子，使其解吸電離。252Cf 的主要裂變產物是Ba18+和Tc22+，動能分別為79 MeV和104 MeV，大大高于 FAB/LSIMS所采用的初級粒子束的動能，能在10-12s內產生高度集中的過熱點。在制備樣品時，采用硝化纖維素作為底物使得PDMS可用以分析分子量高達14000Da的多肽和蛋白質樣品。在電噴霧

13、電離和基質輔助激光解吸電離出現(xiàn)之前，PDMS是唯一可用于分析大分子量生物樣品的質譜方法。10.2.2.6 激光解吸/電離60年代后期，激光技術開始應用于質譜分析中，這主要包括兩個方面。一是多光子技術，包括多光子電離和光致解離，通過激光光子與氣相中的分子或離子的作用使其電離或解離；所研究的是相對較小的分子。另一方面是激光解吸技術，通過激光束與固相樣品分子的作用使其產生分子離子和具有結構信息的碎片；所研究的是結構較為復雜、不易氣化的大分子。激光解吸微探針是早期的一種離子源，其結構與PDMS十分類似，樣品被涂布在金屬箔上；被聚焦到功率密度高達106108W/cm2的激光束從背面照射樣品使其電離。圖4

14、是MALDI-MS儀器的結構示意圖。采用固體基質以分散被分析樣品是MALDI技術的主要特色和創(chuàng)新之作?；|的主要作用是作為把能量從激光束傳遞給樣品的中間體。此外，大量過量的基質（基質：樣品=10 000:1）使樣品得以有效分散，從而減小被分析樣品分子間的相互作用力。1-原子槍；2-分析器；3-樣品離子束；4-拉出和聚焦；5-樣品；6-探針圖4 MALDI-MS儀器結構10.2.2.7 電噴霧電離電噴霧電離（electro spray ionization，ESI）21是一種使用強靜電場的電離技術22，其原理如圖5所示。內襯彈性石英管的不銹鋼毛細管（內徑0.10.15）被加以35kV的正電壓，與

15、相距約1接地的反電極形成強靜電場。被分析的樣品溶液從毛細管流出時在電場作用下形成高度荷電的霧狀小液滴；在向質量分析器移動的過程中，液滴因溶劑的揮發(fā)逐漸縮小，其表面上的電荷密度不斷增大。當電荷之間的排斥力足以克服表面張力時（瑞利極限），液滴發(fā)生裂分；經過這樣反復的溶劑揮發(fā)-液滴裂分過程，最后產生單個多電荷離子23。圖5 電噴霧電離原理ESI在大氣壓力和環(huán)境溫度下進行，被分析物的分子在電離過程中通常產生多重質子化的離子。ESI所能承受的液體流量通常為120L/ min。向噴霧區(qū)引入一股逆向的氮氣流可以促進霧狀液滴的脫溶劑過程。而在內襯的彈性石英毛細管與金屬毛細管之間增加一股同軸的助霧化氣流可使液體

16、流量提高到2mL/min，這可使HPLC與質譜直接聯(lián)用。這一技術被稱之為離子噴霧（ionspray）24。電噴霧通常要選擇合適的溶劑。除了考慮對樣品的溶解能力外，溶劑的極性也需考慮。一般來說，極性溶劑（如甲醇、乙腈、丙酮等）更適合于電噴霧。但對于水溶液，由于液體表面張力較大，ESI要求的閾電位也較高。為了避免高壓放電，可向噴霧區(qū)引入有效的電子清除劑（如SF6）或使離子源加熱以降低表面張力。另一種使水溶液噴霧的有效方法是在石英毛細管與金屬毛細管之間增加一股能與水互溶的同軸溶劑流，使水溶液在噴霧之前得到稀釋。10.2.3 質量分析器10.2.3.1 扇形磁場和靜電場一個質量為m，電荷價態(tài)為z的離子

17、經加速電壓v加速后，獲得動能zev并以速度v 運動。忽略加速前的熱運動，則 （6）圖6 離子在扇形磁場中的運動其中，e是一個電子的電荷。將該離子垂直射入扇形磁場中，在洛倫茲力作用下作圓周運動，如圖6所示，所受到的向心力和離心力平衡。所以 （7）其中，B為磁場強度，r為離子的運動軌跡半徑。合并上述兩式可得 （8）這表明，不同質量的離子具有不同的軌跡半徑，質量越大，其軌跡半徑也越大。這意味著磁場具有質量色散能力，可單獨用作質量分析器。若改變加速電壓V（對應于離子動能的變化），離子的運動半徑軌道也發(fā)生變化。磁場的這一能量色散力是單聚焦質譜儀不能獲得高分辨的原因。當儀器將離子的運動軌道半徑r固定后，（

18、8）式可改寫為 （9）式中，k為一常數(shù)。這表明，離子的質核比（m/z）與磁場強度的平方成正比，而與加速電壓成反比。若將加速電壓固定，掃描磁場則可檢出樣品分子生成的各種m/z值的離子。（9）式還表明，增加磁場強度使儀器的質量范圍增大；降低加速電壓也能達到相同目的，但儀器靈敏度有所下降。將離子垂直射入由一對半徑分別為r1和r2的同軸扇形柱面電極組成的靜電場中，離子作半徑為r的圓周運動，受到的電場力和離心力平衡。所以， (10)將離子的動能代入上式得 （11）式中Er為離子運動軌跡上的電場強度。當此值一定時，加速電壓（對應于離子的動能）的改變將導致離子運動軌跡半徑的改變。因此，扇形靜電場是一個能量分

19、析器。在半徑為re的圓弧上，電場強度 （12）其中，E是靜電場的電壓。將上式代入式中，得 （13）扇形電極的半徑r1和r2是固定的。因此，在雙聚焦儀器中，靜電場電壓和加速電壓維持著一定的比例關系。扇形磁場具有質量色散和能量色散，扇形靜電場具有能量色散。此外，它們都具有方向聚焦能力。將扇形磁場和電場串接，并安排適當?shù)碾x子光學參數(shù)，則在某點可達到的方向和能量的雙聚焦，如圖7所示。1-離子源；2-加速區(qū)；3-狹縫；4-靜電分析器；5-磁場分析器；6-收集器圖7 逆置雙聚焦質譜儀的離子光學磁場在電場之后的構型是順置的幾何結構；磁場在電場之前的構型（逆置幾何結構）是最重要的質譜/質譜串聯(lián)結構之一。在圖7

20、所示的構型中，離子源與磁場之間的區(qū)域是第一無場區(qū)，磁場與電場之間為第二無場區(qū)，是最重要的無場區(qū)，其中可以設置各種碰撞室和電極，以觀察離子的碎裂反應。10.2.3.2 四級桿質量分析器四極分析器由四根平行電極組成。理想的電極截面是兩組對稱的雙曲線，如圖8所示。在一對電極上加電壓U+Vcost，另一對上加電壓-(U+Vcost)，其中，U是直流電壓，Vcost是射頻電壓，由此形成一個四極場，其中任意一點上的電位圖8 四極質量分析器 （14）當質荷比為m/e的離子沿z軸方向射入四極場時，其運動方程為 （15） （16）令，=t/2，上述方程組可簡化為 （17） （18）這是典型的Mathieu方程，

21、其解十分復雜，所代表的物理意義可由以a，q為坐標的軸線表示。a，q值在穩(wěn)定區(qū)內的離子產生穩(wěn)定振蕩，順利通過四極場到達檢測器；a，q值在非穩(wěn)定區(qū)的離子因產生不穩(wěn)定振蕩而被電極中和。對于一臺四極質譜儀，其場半徑r0為確定值，也選為定值。若以a / q = U / V = 常數(shù)對V進行掃描，可使一組不同質量的離子先后進入穩(wěn)定區(qū)而被檢測。顯然，a / q值越大（掃描成的斜率越大），在掃描線上穩(wěn)定區(qū)內的質量范圍越窄，儀器的分辨率越高。由此也可看出，四極質量分析器實際上是一個質量過濾器。10.2.3.3 飛行時間質譜在離子源中產生的離子經電壓V加速后獲得的速度為 （19）其中，ze是離子的電荷，m是其質量

22、。經過長度為L的漂移管到達檢測器，離子飛行需要的時間 （20）由式（19）和（20）可以看出，質量越大的離子飛行速度越小，到達檢測器所需要的時間也越長。兩個質量分別為m1和m2的離子飛行時間之差 （21）儀器的質量分辨率可近似地由時間表示，（22）由此可見，提高加速電壓，使離子的飛行時間縮短，儀器分辨率下降；而增加漂移管的長度，是離子的飛行時間增加，儀器分辨率提高。飛行時間質譜首先要考慮的問題是如何使離子在被注入漂移區(qū)后既無空間發(fā)散又無能量發(fā)散。如果相同質量的離子在不同時間離開離子源或存在能量分散，分辨率將大為下降。解決這個問題有兩種方法。兩級加速技術，如圖9所示，使離子在被加速到最終動能之前

23、先被引出極A加速；在這個過程中，高柵極A較遠的離子將比較近的離子獲得更多動能（存在電位梯度），因此可以趕上后者。兩級加速可是空間發(fā)散和能量不均大為減小。1-脈沖電壓；2-燈絲；3-電離室；4-電子接受極；5-柵極；6-離子檢測器圖9兩級加速式飛行時間質譜另一種方法是采用離子反射技術，使不同動能的離子得到聚焦。在經過漂移管后，離子進入減速反射區(qū)；動能較大的離子在該區(qū)中進入較深（存在運動慣性），反射過來所需要的時間也稍長，這使動能較小的離子可以趕上。因此，經過反射質量相同而動能略有不同的離子可以同時到達檢測器。10.2.3.4 離子阱質量分析器離子阱檢測主要有兩種情況：一種是僅有RF外加電壓；另一

24、種是僅有DC外加電壓。在多數(shù)離子阱儀器中，應用了僅有DC外加電壓和掃描電壓的方法。掃描電壓的增加可以依次將離子按質荷比的大小推出穩(wěn)定區(qū)。被推出當僅穩(wěn)定區(qū)的離子由放置在離子阱后方的檢出器接受。當僅有RF外加電壓，不存在直流項時，ar和az為零。另外，徑向上的強迫振蕩wr不如軸向上的wz容易實現(xiàn)共振，在此不加以論述。如果僅考慮軸向上的強迫振蕩，有近似式 （23a）或 （23b）離子振蕩的半徑R為 （24）式中，u為離子振蕩的圓周速度，可以分解為軸向速度uz和徑向速度ur。在熱平衡時，圓周速度的大小由離子的熱運動決定，因此，通常離子阱中離子受迫運動的半徑受到離子熱運動的限制，R值很小，與離子阱尺寸有

25、幾個數(shù)量級的差異，幾乎不會再離子阱電極上得到信號。由于離子阱的捕獲離子空間主要集中在離子阱中央，離子主要在中央區(qū)域運動，離子阱其它部分空間電勢隨雙曲線增加，限制了離子的逃逸。在無直流項外外電壓時，穩(wěn)定振蕩的阱的深度為 （25a） （25b）不難計算阱深的數(shù)量級在離中心10V左右的區(qū)域，要精確測量離子受迫振蕩頻率wz，其振蕩半徑R必須加大以致在電極上可以測到足夠的離子信號。實現(xiàn)給定質量數(shù)離子的共振是一種有效的方法。在端電壓上加上共振頻率為wz的激發(fā)電壓，并滿足關系式(23b)，該離子在電場吸收共振頻率的能量為E(E與共振電壓持續(xù)時間有關)。10.2.3.5 傅里葉變換-離子阱回旋共振質譜儀傅里葉

26、變換-離子回旋共振質譜是現(xiàn)代分析科學領域中十分重要的一類儀器，它是根據離子在磁場中會進行回旋運動的特色設計的。目前全球也只有Bruker、IonSpec等公司此類儀器。當離子進入磁場時，會受到洛侖磁力的作用，因此會在垂直于磁場的平面做環(huán)形運動，當離子在一定的軌跡上做勻速運動時，其受到的洛侖磁力Flor和向心力Fcen是一對平衡力，即 因此 所以而，由此得出 （26）因為故有 （27）從式(27)可以看出離子回旋運動的頻率是和離子的質荷比有關的函數(shù)，由此，測定出離子回旋運動的頻率就可以確定離子的質荷比。在這類儀器中關鍵的部分是超導磁場和離子俘獲池(也就是離子進行回旋運動的場所)。此類商品化儀器中

27、的超導磁場的強度一般是310T不等。傅里葉變換-離子回旋共振質譜突出的優(yōu)點是質量分辨率很高，R = ，增加磁場的強度和延續(xù)離子運動的壽命可以顯著提高分辨率。表1所示為不同質荷比下的分辨率水平。表1 不同質荷比下分辨率水平離子m/z分辨率Ar40200 000 000PEG3200200 000PPG600050 000(CsI)xCs10 00050 000傅里葉變換-離子阱共振回旋質譜儀可以和多種離子源結合使用，如電子轟擊、場致電離、離子轟擊、快原子轟擊、基質輔助激光離解源、電噴霧、熱噴霧等。和電噴霧離子源結合使用時，利用電噴霧電離使分析物帶多電荷的特性可以檢測幾十萬甚至上百萬道爾頓的大分子

28、。由于此類儀器具有離子俘獲的功能，所以也很容易實現(xiàn)多級質譜檢測。傅里葉變換-離子回旋共振質譜儀的優(yōu)點有以下5條。(1) 高分辨率，大約106，而且子離子的分辨率不比母離子差，甚至還略好些。(2) 檢測的靈敏度不隨分辨率和質荷比的改變而不同。(3) 質量檢測精度高，在經常進行質量校正的情況下，質量的檢測誤差小于210-6，而不進行質量校正也可以使檢測的誤差小于110-4。(4) 正離子和負離子的檢測都十分簡易。(5) 比較適合進行MSn的檢測。但傅里葉變換-離子回旋共振質譜儀也有一些缺陷。比如，由于維護超導磁場必須使用大量的液氦，費用較高；離子運動的模式還沒有準確的數(shù)學模型加以描述。10.2.4

29、 離子檢測器和記錄器作為離子檢測器的電子倍增器種類很多，但基本工作原理相同。一定能量的離子打到電極的表面，產生二次電子，二次電子又受到多極倍增放大，然后輸出到放大器，放大后的信號供記錄器記錄。電子倍增器常有1020級，電流放大倍數(shù)為105108倍。電子通過電子倍增器時間很短，利用電子倍增器可實現(xiàn)高靈敏度和快速測定。質譜儀常用的記錄器是紫外線記錄器。紫外線由高壓水銀燈發(fā)生，照射到振子（檢流計）反射鏡上，當放大后的離子流信號加到振子的動圈上時，振子產生偏轉，偏轉角與信號幅值成比例，因此，由振子反射鏡反射的光線，表示了不同m/z離子流的強度。反射的紫外線通過透鏡作用到轉動的紫外感光記錄紙上，即得到質

30、譜圖。10.2.5 質譜儀的主要性能指標10.2.5.1 分辨率（resolution power） 分辨率表示儀器分開兩個相鄰質量的能力，通常用R=M/M表示。M/M是指儀器記錄質量分別為M與M+M的譜線時能夠辯認出質量差M的最小值。在實際測量中并不一定要求兩個峰完全分開，一般規(guī)定強度相近的相鄰兩峰間谷高小于兩峰高的10%作為基本分開的標志（見圖10），這時分辨率用R10%表示。例 CO和N2所形成的離子，其質荷比分別為27.9949（M）及28.0061（M+M），若某儀器剛能基本分開這兩種離子則該儀器的分辨率為：圖10 分辨率10.2.5.2 質量范圍 質譜儀的質量范圍是指儀器所能測量的

31、離子質荷比范圍。如果離子只帶一個電荷，可測的質荷比范圍實際上就是可測的分子量或原子量范圍，有機質譜儀的質量范圍一般從幾十到幾千。10.2.5.3 靈敏度 有機質譜儀常采用絕對靈敏度，它表示對于一個樣品在一定分辨率情況下，產生具有一定信噪比的分子離子峰所需要的樣品量。10.2.6 質譜數(shù)據的表示質譜的表示方式很多，除用紫外記錄器記錄的原始質譜圖外，常見的是經過計算機處理后的棒圖及質譜表。其他尚有八峰值及元素表（高分辨質譜）等表示方式。（1）棒圖中，橫座標表示質荷比（m/z），其數(shù)值一般由定標器或內參比物定出來?？v座標表示離子豐度（ion abundance）即離子數(shù)目的多少。表示離子豐度的方法有

32、兩種，即相對豐度和絕對豐度。相對豐度（retalive abundance），又稱相對強度，是以質譜中最強峰的高度定為100%，并將此峰稱為基峰（base peak）。然后，以此最強峰去除其他各峰的高度，所得的分峰即為其他離子的相對豐度。百分強度：所有峰的強度之各為100，每個離子所占的份額即為其百分強度，百分強度= (Ii/SIi)100%，其中Ii為第i個離子的強度。（2）質譜表 把原始質譜圖數(shù)據加以歸納，列成以質荷比為序的表格形式。（3）八峰值 由化合物質譜表中選出八個相對強峰，以相對峰強為序編成八峰值，作為該化合物的質譜特征，用于定性鑒別。未知物，可利用八峰值查找八峰值索引（eight

33、 peak index of mass spectra）定性。用八峰值定性時應注意，由于質譜受實驗條件影響較大，同一化合物質譜八峰值可能含有明顯差異。（4）元素表（element list）高分辨質譜儀可測得分子離子及其它各離子的精密質量，經計算機運算、對比，可給出分子式及其他各種離子的可能化學組成。質譜表中，具有這些內容時稱為元素表。10.3 串聯(lián)質譜及聯(lián)用技術10.3.1 串聯(lián)質譜兩個或更多的質譜連接在一起，稱為串聯(lián)質譜。最簡單的串聯(lián)質譜（MS/MS）由兩個質譜串聯(lián)而成，其中第一個質量分析器（MS1）將離子預分離或加能量修飾，由第二級質量分析器（MS2）分析結果。最常見的串聯(lián)質譜為三級四極

34、桿串聯(lián)質譜。第一級和第三級四極桿分析器分別為MS1和MS2，第二級四極桿分析器所起作用是將從MS1得到的各個峰進行轟擊，實現(xiàn)母離子碎裂后進入MS2再行分析?，F(xiàn)在出現(xiàn)了多種質量分析器組成的串聯(lián)質譜，如四極桿-飛行時間串聯(lián)質譜（Q-TOF）和飛行時間-飛行時間（TOF-TOF）串聯(lián)質譜等，大大擴展了應用范圍。離子阱和傅里葉變換分析器可在不同時間順序實現(xiàn)時間序列多級質譜掃描功能。 MS/MS最基本的功能包括能說明MS1中的母離子和MS2中的子離子間的聯(lián)系。根據MS1和MS2的掃描模式，如子離子掃描、母離子掃描和中性碎片丟失掃描，可以查明不同質量數(shù)離子間的關系。母離子的碎裂可以通過以下方式實現(xiàn)：碰撞誘

35、導解離，表面誘導解離和激光誘導解離。不用激發(fā)即可解離則稱為亞穩(wěn)態(tài)分解。 MS/MS在混合物分析中有很多優(yōu)勢。在質譜與氣相色譜或液相色譜聯(lián)用時，即使色譜未能將物質完全分離，也可以進行鑒定。MS/MS可從樣品中選擇母離子進行分析，而不受其他物質干擾。 MS/MS在藥物領域有很多應用。子離子掃描可獲得藥物主要成分，雜質和其他物質的母離子的定性信息，有助于未知物的鑒別，也可用于肽和蛋白質氨基酸序列的鑒別。 在藥物代謝動力學研究中，對生物復雜基質中低濃度樣品進行定量分析，可用多反應監(jiān)測模式（multiple reaction monitoring，MRM）消除干擾。如分析藥物中某特定離子，而來自基質中其

36、他化合物的信號可能會掩蓋檢測信號，用MS1/MS2對特定離子的碎片進行選擇監(jiān)測可以消除干擾。MRM也可同時定量分析多個化合物。在藥物代謝研究中，為發(fā)現(xiàn)與代謝前物質具有相同結構特征的分子，使用中性碎片丟失掃描能找到所有丟失同種功能團的離子，如羧酸丟失中性二氧化碳。如果丟失的碎片是離子形式，則母離子掃描能找到所有丟失這種碎片的離子。10.3.2 聯(lián)用技術 色譜可作為質譜的樣品導入裝置，并對樣品進行初步分離純化，因此色譜/質譜聯(lián)用技術可對復雜體系進行分離分析。因為色譜可得到化合物的保留時間，質譜可給出化合物的分子量和結構信息，故對復雜體系或混合物中化合物的鑒別和測定非常有效。在這些聯(lián)用技術中，芯片/

37、質譜聯(lián)用（Chip/MS）顯示了良好前景，但目前尚不成熟，而氣相色譜質譜聯(lián)用和液相色譜質譜聯(lián)用等已經廣泛用于藥物分析。 （1） 氣相色譜/質譜聯(lián)用（GC/MS） 氣相色譜的流出物已經是氣相狀態(tài)，可直接導入質譜。由于氣相色譜與質譜的工作壓力相差幾個數(shù)量級，開始聯(lián)用時在它們之間使用了各種氣體分離器以解決工作壓力的差異。隨著毛細管氣相色譜的應用和高速真空泵的使用，現(xiàn)在氣相色譜流出物已可直接導入質譜。 （2） 液相色譜質譜聯(lián)用（HPLC/MS） 液相色譜/質譜聯(lián)用的接口前已論及，主要用于分析GC/MS不能分析，或熱穩(wěn)定性差，強極性和高分子量的物質，如生物樣品（藥物與其代謝產物）和生物大分子（肽、蛋白、

38、核酸和多糖）。 （3） 毛細管電泳/質譜聯(lián)用（CE/MS）和芯片/質譜聯(lián)用（Chip/MS） 毛細管電泳（CE）適用于分離分析極微量樣品（nl體積）和特定用途（如手性對映體分離等）。CE流出物可直接導入質譜，或加入輔助流動相以達到和質譜儀相匹配。微流控芯片技術是近年來發(fā)展迅速，可實現(xiàn)分離、過濾、衍生等多種實驗室技術于一塊芯片上的微型化技術，具有高通量、微型化等優(yōu)點，目前也已實現(xiàn)芯片和質譜聯(lián)用，但尚未商品化。 （4） 超臨界流體色譜/質譜聯(lián)用（SFC/MS） 常用超臨界流體二氧化碳作流動相的SFC適用于小極性和中等極性物質的分離分析，通過色譜柱和離子源之間的分離器可實現(xiàn)SFC和MS聯(lián)用。 （5）

39、 等離子體發(fā)射光譜/質譜聯(lián)用（ICP/MS） 由ICP作為離子源和MS實現(xiàn)聯(lián)用，主要用于元素分析和元素形態(tài)分析。10.3 質譜法測定分子結構原理10.3.1 有機質譜測定有機質譜提供的分子結構信息主要包括三個方面：1、分子量；2、元素組成；3、由質譜裂解碎片檢測官能團，辨認化合物類型，推導碳骨架?，F(xiàn)分別敘述于下。必須注意，雖然質譜能提供結構信息，有時甚至是主要的關鍵信息，但是單憑質譜數(shù)據來確定一個有機分子式很少見的。推導結構時，往往須綜合運用其它波譜數(shù)據，特別是核磁共振譜，此外如紅外光譜的X光單晶衍射數(shù)據等。若樣品是已知化合物，則根據EI質譜圖，運用電腦質譜圖庫中檢索(確定譜圖庫中已有該化合物

40、譜圖)，對照相應譜圖可鑒定該化合物。10.3.1.1 分子量的測定用EI質譜法研究過的有機化合物中，幾乎有75%可以直接由譜圖上讀出其分子量。若樣品化合物所產生的分子離子足夠穩(wěn)定，能正常達到檢測器，則只要讀出質譜圖中分子離子峰的質量即其分子量。不過由于下列幾個原因，使確認分子離子峰會遇到困難：(1) 分子離子不夠穩(wěn)定，在質譜上不出現(xiàn)分子離子峰。各類化合物EI質譜中M+穩(wěn)定性次序大致為：芳香環(huán)(包括芳香環(huán)雜環(huán)) 脂環(huán)硫醚、硫酮共軛烯直鏈烷烴酰胺酮醛胺脂醚羧酸支鏈烴腈伯醇仲醇叔醇縮醛胺、醇等化合物的EI質譜中往往見不到分子離子峰。所以在測EI譜之后，最好能再測軟電離質譜，以確定分子量。(2) 有時

41、在質譜中不形成分子離子而產生加合離子，如在CI譜和FAB譜中形成(M+1)+的準分子離子（quasimolecular ion），這樣，所測質量數(shù)減去1才是樣品的分子量。在負離子質譜圖（如負離子FAB質譜圖）中會出現(xiàn)(M-1)+準分子離子，則測出的質量數(shù)加1才是分子量。在測EI質譜時，若采用NH3作反應氣，則可能出現(xiàn)(M+NH3)+加合離子；在FAB質譜中有時可能出現(xiàn)金屬加合離子，如(M+Na)+ 等。(3) 質譜中有時出現(xiàn)多電荷離子，尤其是ESI譜中更是如此。遇到這種情況，實際分子量應該是質譜表觀分子量的n倍，n為電荷數(shù)。要判斷質譜中高質量區(qū)的離子峰是否是分子離子峰可根據下列幾點來考慮：(1

42、) 看是否符合氮素規(guī)則 有機化合物主要由C，H，O，N，F(xiàn)，Cl，Br，I，S等元素組成。凡不含氮原子或含偶數(shù)個氮原子的分子，其分子量必為偶數(shù)(以最豐同位素原子質量數(shù)計算)；而含奇數(shù)個氮原子的分子，其分子量必為奇數(shù)。這就是氮素規(guī)則。改規(guī)則對于判斷分子離子很有用。對這個規(guī)則的解釋是：C，O，S等元素的最豐同位素質量數(shù)及化合物均為偶數(shù)，而H及鹵素燈原子的價卻為奇數(shù)(3或5)。由C，H，O，S，鹵素燈原子組成的分子或含有偶數(shù)個或不含N原子的分子，其H和鹵素原子總數(shù)必為偶數(shù)，所以它的分子量也必為偶數(shù)，而含奇數(shù)個N原子的分子，其H和鹵素原子數(shù)之和必為奇數(shù)，所以分子量也必為奇數(shù)。(2) 看丟失是否合理 分

43、子峰的質量數(shù)與其相鄰的次一個峰質量數(shù)之差m是丟失碎片的質量。如m=15為丟失甲基的峰(M-CH3) +，m=17為丟失羥基的峰(M-OH) +，m=18為丟失水分子的峰，m=30為丟失CH2O或NO的峰(M-CH2O) +或(M-NO) +等，這些丟失都是合理的。表2中列出了質譜中從分子“一般丟失”的數(shù)據。表2 從分子離子丟失的中性裂片離子中性裂片可能的推斷M-1M-2HH2醛（某些酯和胺）M-14M-15M-16M-16M-16M-17M-17M-18M-19M-20CH3CH3+HONH2OHNH3H2O，NH4FHF 同系物 高度分支的碳鏈，在分支處甲基裂解，醛，酮，酯高度分支的碳鏈，在

44、分支處裂解硝基物、亞砜、吡啶N-氧化物、環(huán)氧、醌等ArSO2NH2，CONH2醇R+OH，羧酸RCO+OH醇、醛、酮、胺等氟化物M-26M-26M-27M-27M-28M-28M-29M-29C2H2 COCH2CHHCN CO，N2 C2H4 C2H5 CHO芳烴腈酯、R2CHOH氮雜環(huán)醌、甲酸酯等芳香乙醚乙酯，正丙基酮，環(huán)烷烴、烯烴高度分支的碳鏈，在分支處乙基裂解；環(huán)烷烴醛續(xù)表離子中性裂片可能的推斷M-30M-30M-30 M-30M-31M-31M-31M-32M-32M-33M-33M-33M-34C2H6CH2ONONH2CH2OCH3 CH2OH CH3NH2 CH3OH S H2

45、O+CH3 CH2F HS H2S高度分支的碳鏈，在分支處裂解芳香甲醚Ar-NO2伯胺類甲酯，甲醚 醇 胺 甲酯 氟化物 硫醇 硫醇 M-35 M-36 M-37 M-39 M-40 Cl HCl H2Cl C3H3 C3H4 氯化物(注意37Cl同位素峰) 氯化物 氯化物 丙烯酯 芳香化合物 M-41 M-42M-42M-43M-43M-43M-44M-44M-44M-44M-45M-45M-46M-46M-47M-48M-49 C3H5 C3H6 CH2CO C3H3NHCO CH3CO CO2 C3H8 CONH2 CH2CHOH CO2H C2H5O C2H5OH NO2 C2H4F

46、SO CH2Cl 烯烴(烯丙基裂解)，丙基酯，醇 丁基酮，芳香醚，正丁基芳烴，烯，丁基烷烴 甲基酮，芳香乙酸酯，ArNHCOCH3高度分支碳鏈分支處有丙基，丙基酮，醛，酯，正丁基芳烴環(huán)胺脂 甲基酮 酯(碳架重排) 高度分支的碳鏈 酰胺 醛 羧酸 乙基醚，乙基酯 乙酯 Ar-NO2 氟化物 芳香亞砜 氯化物(注意37Cl同位素峰) M-53 M-55 M-56 M-57 M-57M-58 M-59 C4H5 C4H7C4H8 C4H9 C2H5CO C4H10 C3H7O丁烯酯丁酯，烯Ar-n-C5H11，ArO-n-CH11，Ar-O-i-C4H9戊基酮，戊酯 丁基酮，高度分支碳鏈 乙基酮高度

47、分支碳鏈丙基醚，丙基酯續(xù)表M-59M-60M-63M-67 M-69 COOCH3 CH3COOHC2H4ClC5H7 C5H9R+COOCH3乙酸酯氯化物戊烯酯酯，烯 M-71 M-72 M-73 M-74 M-77 M-79 C5H11 C5H12 COOC2H5 C3H6O2 C6H5 Br高度分支碳鏈，醛，酮，酯高度分支碳鏈酯一元羧酸甲酯芳香化合物溴化物(注意81Br同位素峰) M-127 I碘化物若m=14則為丟失一個氮原子或亞甲基。從分子中丟失一個氮原子，需要斷裂三根鍵，丟失一個亞甲基要斷裂兩根鍵，從能量上看，顯然是不合理的。這些情況在質譜中幾乎沒有被發(fā)現(xiàn)過。此外，在只含有C，H，

48、O，N，鹵素的化合物中，丟失513u實際上也是不可能的。因為要丟失許多氫原子(或氫分子)需要很高的能量，丟失35個氫的概率是很小的。例如二峰的m=3時，則表示是分子量應該比該最高峰15，比次大峰高18，很可能是由于一個支鏈醇分子丟失一個甲基和丟失一個水分子所形成的兩個峰，這兩個峰質量差剛好為3，而真正的分子離子峰在質譜中并未出現(xiàn)。(3) 注意加合離子峰 某些化合物(如醚、酯、胺、酰胺、腈、氨基酸酯和胺醇等)的EI質譜上分子離子峰往往很弱，或者基本上不出現(xiàn)，而(M+H)+峰卻相當明顯。在CI譜或FAB譜中經常出現(xiàn)的是(M+H)+準分子離子。在FAB質譜中金屬離子 與有機物結合所形成的加合離子往往

49、有較強的豐度，可用來判斷分子離子。最常用的金屬離子是堿金屬離子，如K+，Na+和Li+。若在樣品中同時混入NaCl和LiCl，會產生一對(M+Na)+和(M+Li)+加合離子，m=16，這種質量差很獨特，有利于辨認這一對準分子離子而確定試樣分子量。有趣的是：在FAB質譜中，只有分子離子形成這種堿金屬加合離子，碎片離子不形成這種加合離子。如皂苷的FAB質譜即如此。因此，在混合皂苷樣品中加入NaCl和LiCl，則譜圖中相應于每一種皂苷出現(xiàn)一對對(M+Na)+和(M+Li)+峰，因此，混合物苷毋需經過事先分離即可由質譜中出現(xiàn)的各個這樣的相應離子峰對測出各皂苷分子量。糖苷的負離子FAB質譜出現(xiàn)(M-H

50、)-準分子離子的豐度比相應正離子FAB譜出現(xiàn)的(M+H)+準分子離子豐度要強，易于辨認。10.3.1.2 元素組成的確定過去運用質譜測定化合物元素的組成，即它的分子式或實驗式，是用同位素峰(M+1)+和(M+2)+的相對豐度比法。目前已少用這種方法，因為同位素峰一般很弱很難精確量出其豐度值。目前主要用高分辨質譜法。用高分辨質譜儀測定有機化合物元素組成是基于這樣的事實：當以12C=12.000000為基準，各元素原子質量嚴格來說不是整數(shù)。例如，根據這一標準，氫原子H的精確質量數(shù)不是剛好為1個原子質量單位(u), 而是1.007823，氧原子O 的精確質量也不是整數(shù)16，而是15.994914。這

51、種非整數(shù)是由于每個原子的“核斂集率”(nuclear packing fraction)所引起的。用高分辨質譜儀可測得小數(shù)點后46位數(shù)字，實驗誤差為0.006的精確數(shù)值。符合這一精確數(shù)值的可能分子數(shù)目大為減少，若再配合其他信息，遂可確定試樣的化合物的元素組成。有人將CHON各種組合結構的分子式的精確質量數(shù)排列成表(J. H. Beyon, A. E. Williams, mass and abundance table for use in mass spectrometry(質譜用質量與豐度表)，Elsevier, Amsterdam, 1963)。將實測精確分子峰與該數(shù)據表核對，即可方便的推定分子式，茲舉例說明如下：例：用高分辨質譜測得試樣分子離子峰的質量數(shù)為150.1045。這個化合物的紅外光譜上出現(xiàn)明顯的羰基吸收峰（1730cm-1），求它的分子式。解：如果質譜測得試樣分子離子峰的質量數(shù)的誤差是0.006，小數(shù)部分的波動范圍將是0.09850.1105。查上述質譜用質量與豐度表中，質量數(shù)為150，小數(shù)部分在這個范圍的式子有下列4個：分子式 分子量C3H12N5O2 150.099093C5H14N2O3 159.100