質(zhì)譜儀的使用

質(zhì)譜儀應(yīng)化系:曹?chē)?guó)慶質(zhì)譜法（massspectrometry）常稱(chēng)為質(zhì)譜(MS),是一種利用質(zhì)量分析方法進(jìn)行鑒定物質(zhì)結(jié)構(gòu)的儀器分析方法。質(zhì)譜分析法是通過(guò)對(duì)被測(cè)樣品離子的質(zhì)荷比的測(cè)定來(lái)進(jìn)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(chǎng)或磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)行為的不同，把離子按質(zhì)荷比（m/z）分開(kāi)而得到質(zhì)譜，通過(guò)樣品的質(zhì)譜和相關(guān)信息，可以得到樣品的定性定量結(jié)果。原理：樣品中原子或分子在電子的轟擊下發(fā)生電離成為離子，通過(guò)電場(chǎng)的加速，在磁場(chǎng)的作用下安質(zhì)荷比值進(jìn)行分離，然后進(jìn)行檢測(cè)。各種的離子流，經(jīng)（m/z）檢測(cè)器檢測(cè)變成電信號(hào)，放大后由計(jì)算機(jī)采集和處理后，記錄為質(zhì)譜圖或用示波器顯示。

質(zhì)譜圖是以質(zhì)荷比（m/z）為橫坐標(biāo)，以各（m/z）離子的相對(duì)強(qiáng)度（也稱(chēng)豐度）為縱坐標(biāo)構(gòu)成。一般把原始圖上最強(qiáng)的離子峰定為基峰，并定其為相對(duì)強(qiáng)度100%，其他離子峰以對(duì)基峰的相對(duì)百分值表示。因而，質(zhì)譜圖各離子峰為一些不同高度的直線(xiàn)條，每一條直線(xiàn)代表一個(gè)（m/z）離子的質(zhì)譜峰。離子流的記錄

一、質(zhì)譜儀的組成進(jìn)樣系統(tǒng)離子源質(zhì)量分析器檢測(cè)器1.氣體擴(kuò)散2.直接進(jìn)樣3.氣相色譜1.電子轟擊2.化學(xué)電離3.場(chǎng)致電離4.激光

1.單聚焦2.雙聚焦3.飛行時(shí)間4.四極桿5.離子阱進(jìn)樣系統(tǒng)、離子源、質(zhì)量分析器、檢測(cè)器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、真空系統(tǒng)。1、進(jìn)樣系統(tǒng)是將樣品送入離子源。由于質(zhì)譜需在高真空條件下工作，故進(jìn)樣系統(tǒng)需要適當(dāng)?shù)难b置，使其在盡量減小真空損失的前提下將氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)試樣引入離子源。進(jìn)樣方法有：間歇式進(jìn)樣：將少量固體或液體試樣導(dǎo)入試樣貯樣器，由于貯液室的壓力比電離室壓力高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，因此部分樣品便從貯樣室的通過(guò)分子漏隙進(jìn)入電離室。直接探針進(jìn)樣：對(duì)固體和非揮發(fā)的試樣，將樣品用探針插入電離室，升溫，產(chǎn)生達(dá)到10-4Pa左右的蒸汽壓分子并進(jìn)行電離。色譜和毛細(xì)管電泳進(jìn)樣：將質(zhì)譜與氣相色譜、高效液相色譜或毛細(xì)管電泳柱聯(lián)用，使其兼有色譜法的優(yōu)良分離功能和質(zhì)譜法強(qiáng)有力鑒定能力。2、離子源或電離室使試樣中的原子或分子電離為離子(正離子或負(fù)離子)，并將離子引出、加速、聚焦進(jìn)入質(zhì)量分析器。主要有電子轟擊離子源、化學(xué)電離源、表面電離源、場(chǎng)致電離源、場(chǎng)解吸電離源、快原子轟擊源等。電子轟擊離子源(EI源)：陰極(燈絲在2000度以上產(chǎn)生70eV能量電子)發(fā)射的高能電子轟擊氣態(tài)原子或分子，使其成為離子。有機(jī)物分子不僅可能失去一個(gè)電子成為離子，而且可進(jìn)一步發(fā)生斷鍵，產(chǎn)生碎片離子和中性自由基，這些碎片離子可用于有機(jī)物的結(jié)構(gòu)鑒定。優(yōu)點(diǎn)：易于實(shí)現(xiàn)，圖譜重現(xiàn)性好，便于計(jì)算機(jī)檢索及相互對(duì)比；含有較多的碎片離子信息，這對(duì)推測(cè)未知物結(jié)構(gòu)非常有幫助，目前質(zhì)譜圖庫(kù)就是以EI源圖譜建立。因此EI是用的最多的電離源。缺點(diǎn)：當(dāng)樣品分子不穩(wěn)定時(shí)，分子離子峰強(qiáng)度低，甚至沒(méi)有分子離子峰，當(dāng)樣品分子不能氣化或遇熱分解時(shí)，則更沒(méi)有分子離子峰?；瘜W(xué)電離源(CI)：又分+CI和-CI源(-CI主要用于電負(fù)性大的元素的化合物如含Cl)，是利用電子轟擊反應(yīng)氣(如CH4)電離成的離子與樣品分子反應(yīng)，形成準(zhǔn)分子離子(M+1)+和(M-1)+離子及一些碎片離子。其中準(zhǔn)分子離子峰為最高峰。優(yōu)點(diǎn)：有強(qiáng)的準(zhǔn)分子離子峰，便于推測(cè)分子量；反映異構(gòu)體的圖譜比EI要好。缺點(diǎn)：碎片離子峰少，強(qiáng)度低。EI和CI是一種相互的補(bǔ)充。3、質(zhì)量分析器

是質(zhì)譜儀的核心，質(zhì)量分析器把不同質(zhì)荷比的離子分開(kāi)。不同質(zhì)量分析器有不同的原理、特點(diǎn)、適用范圍和功能。主要有單聚焦、雙聚焦、四極桿、時(shí)間飛行和離子阱質(zhì)量分析器。(1)單聚集質(zhì)量分析器：

使用扇形磁場(chǎng)，離子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)半徑取決于磁場(chǎng)強(qiáng)度、m/z比和加速電壓，當(dāng)固定加速電壓而連續(xù)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，可使不同m/z

離子發(fā)生分離并依次通過(guò)狹縫，到達(dá)收集極。

缺點(diǎn)：分辨率低，只適用于離子能量分散小的離子源如EI、CI組合使用。收集器離子源BS1S2磁場(chǎng)R(2)雙聚焦質(zhì)量分析器：

最大優(yōu)點(diǎn)是分辨率高，缺點(diǎn)是價(jià)格太高，維護(hù)困難。分辨率可達(dá)幾千，高的可達(dá)百萬(wàn)。使用扇形磁場(chǎng)和扇形電場(chǎng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了方向聚焦和能量聚焦。

離子源收集器磁場(chǎng)電場(chǎng)S1S2+-雙聚焦質(zhì)譜儀(3)四極桿質(zhì)量分析器：

也叫四極濾質(zhì)器，由四根平行的棒狀電極組成。電極的截面近似為雙曲面，二對(duì)電極之間的電位是相反的，電極上加上直流電壓U和射頻(RF)交變電壓Vcon

t。

改變U、V、

三個(gè)參數(shù)，只有某一種（或一定范圍）質(zhì)荷比的離子能夠到達(dá)收集極，其他離子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中撞擊柱形電極而被“過(guò)濾”掉最后被真空泵抽走。如果保持交流電的頻率(

)不變，只改變交流和直流電壓，可使不同質(zhì)荷比的離子依次到達(dá)收集極。(3)四極桿質(zhì)量分析器四極質(zhì)譜儀優(yōu)點(diǎn)：利用四極桿代替了笨重的電磁鐵，故具有體積小重量輕等優(yōu)點(diǎn)；僅用電場(chǎng)不用磁場(chǎng)，無(wú)磁滯現(xiàn)象，掃描速度快，適合于色譜聯(lián)機(jī)；操作時(shí)真空度低，特別適合于液相色譜聯(lián)機(jī)。缺點(diǎn)：分辨率不夠高；對(duì)質(zhì)量較高的離子有質(zhì)量歧視效應(yīng)。(4)離子阱質(zhì)量分析器：

由一個(gè)雙曲線(xiàn)表面的中心環(huán)形電極和上下兩個(gè)端電極間形成一個(gè)腔(阱)。在環(huán)形電極和端電極上加上直流電壓和調(diào)頻電壓，由EI和CI產(chǎn)生的離子注入的特定離子(m/z)，在阱內(nèi)穩(wěn)定區(qū)，其軌道振幅保持一定大小，并可長(zhǎng)時(shí)間留在阱內(nèi)，反之不穩(wěn)定離子會(huì)撞到電極而消失。檢測(cè)時(shí)在引出電極上加上負(fù)電壓脈沖使正離子從阱內(nèi)引出而被電子倍增器檢測(cè)。

(4)離子阱質(zhì)量分析器優(yōu)點(diǎn)：相當(dāng)于四極桿的串聯(lián)質(zhì)譜，因此檢出限低；靈敏度高，比四極桿高10-1000倍；質(zhì)量范圍大。缺點(diǎn)：質(zhì)譜圖與標(biāo)準(zhǔn)圖譜有一定差別（這是因?yàn)殡x子在阱內(nèi)停留時(shí)間長(zhǎng)了，可能發(fā)生離子-分子的反應(yīng)），不適用于目前的譜庫(kù)。四級(jí)桿和離子阱質(zhì)量分析器哪種好?嚴(yán)格說(shuō)這兩者用途側(cè)重點(diǎn)不一樣，不好比較。一般說(shuō)四級(jí)桿重現(xiàn)性好，積累了多年經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)比較成熟，而目前的質(zhì)譜圖庫(kù)中的圖均是用四級(jí)桿做得，所以實(shí)驗(yàn)中核對(duì)查圖比較方便。

離子阱選擇性好，可以選擇目標(biāo)物進(jìn)行分析，接省分析時(shí)間，其檢索結(jié)果常與質(zhì)譜庫(kù)圖有差異。(5)飛行時(shí)間質(zhì)量分析器4、離子檢測(cè)器目前普遍使用電子倍增器進(jìn)行離子檢測(cè)。電子倍增器由一個(gè)轉(zhuǎn)換極、倍增極和一個(gè)收集極組成.

電子倍增器的種類(lèi)很多，其工作原理如下圖所示。一定能量的離子轟擊陰極導(dǎo)致電子發(fā)射，電子在電場(chǎng)的作用下，依次轟擊下一級(jí)電極而被放大，電子倍增器的放大倍數(shù)一般在105～108。轉(zhuǎn)換極是一個(gè)與離子束成適當(dāng)角度放置的金屬凹面，作負(fù)離子檢測(cè)時(shí)加上+10KV電壓，作正離子檢測(cè)時(shí)加上-10KV電壓。轉(zhuǎn)化打拿極增強(qiáng)信號(hào)并減少噪音，在轉(zhuǎn)化極上加上高壓可得到高轉(zhuǎn)化效率，增強(qiáng)信號(hào)。因?yàn)槊總€(gè)離子打擊轉(zhuǎn)換極都產(chǎn)生許多二次粒子。倍增極是從涂復(fù)氧化物的電極表面產(chǎn)生一個(gè)電子瀑布以達(dá)到放大電流的器件。從轉(zhuǎn)換打拿極產(chǎn)生的二次粒子以足夠的能量打擊電子倍增器陰極最近的內(nèi)壁，濺射出電子，這些電子被逐步增加的正電位梯度牽引，向前加速進(jìn)入陰極。由于陰極的漏斗形結(jié)構(gòu)，濺射電子不能遷移很遠(yuǎn)便再次碰到陰極表面，導(dǎo)致更多的電子發(fā)射。于是形成一個(gè)電子瀑布，最終在陰極的未端，電子被陽(yáng)極收集，得到一個(gè)可測(cè)量的電流，陽(yáng)極收集的電流正比于打擊陰極的二次粒子的數(shù)量。通常電子倍增器的增益為105～108。5、真空系統(tǒng)質(zhì)譜儀的離子源、質(zhì)量分析器、檢測(cè)器必須處于高真空狀態(tài)。真空度低的后果是：氧會(huì)燒壞離子源的燈絲；會(huì)使本底增高，干擾質(zhì)譜圖；引起額外的離子-分子反應(yīng)，改變裂解模型，使質(zhì)譜解釋復(fù)雜化；干擾離子源中電子束的正常調(diào)節(jié)；用作加速離子的幾千伏高壓會(huì)引起放電等等。高真空的實(shí)現(xiàn)：由機(jī)械泵和擴(kuò)散泵（或分子渦輪泵）組成。前級(jí)泵采用機(jī)械泵，一般抽至10-1-10-2Pa,高真空要求達(dá)到10-4-10-6Pa,需要用高真空泵抽，擴(kuò)散泵價(jià)格便宜，但工作中如突然停電，可能造成油反油現(xiàn)象；分子渦輪泵由于無(wú)油，所以無(wú)本底及污染，但價(jià)格較貴。但經(jīng)常突然停電可能會(huì)損壞渦輪泵。6、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)控制質(zhì)譜運(yùn)行和數(shù)據(jù)采集處理。采集方式可分為全掃描和選擇離子掃描。二、質(zhì)譜儀的性能指標(biāo)

分辨率、靈敏度、質(zhì)量范圍、質(zhì)量精度三、色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀質(zhì)譜儀種類(lèi)繁多，不同儀器應(yīng)用特點(diǎn)也不同,一般來(lái)說(shuō)，在300oC左右能汽化的樣品，可以?xún)?yōu)先考慮用GC-MS進(jìn)行分析，因?yàn)镚C-MS使用EI源，得到的質(zhì)譜信息多，可以進(jìn)行庫(kù)檢索。毛細(xì)管柱的分離效果也好。如果在300oC左右不能汽化，則需要用LC-MS分析，此時(shí)主要得分子量信息，如果是串聯(lián)質(zhì)譜，還可以得一些結(jié)構(gòu)信息。GCMS儀：由于質(zhì)譜是對(duì)氣相中的離子進(jìn)行分析，因此GC與MS的聯(lián)機(jī)困難較小，主要是解決壓力上的差異。色譜是常壓操作，而質(zhì)譜是高真空操作，焦點(diǎn)在色譜出口與質(zhì)譜離子源的連接。由于毛細(xì)管柱載氣流量小，采用高速抽氣泵時(shí)，二者就可直接連接。組分被分離后依次進(jìn)入離子盒并電離，載氣被抽走。質(zhì)譜計(jì)的采樣速度應(yīng)比毛細(xì)管柱出色譜峰的速度要快。質(zhì)譜作為氣相色譜的檢測(cè)器，可同時(shí)得到質(zhì)譜圖和色譜圖，目前既可定性好可定量。質(zhì)量檢測(cè)器主要四極桿和離子阱等

LCMS儀：液相色譜與質(zhì)譜的聯(lián)機(jī)較GCMS困難要大。液相流動(dòng)相的流量按分子數(shù)目計(jì)要比氣相色譜的載氣要高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因而液相色譜與質(zhì)譜的聯(lián)機(jī)必須通過(guò)“接口”(interface)?！敖涌凇钡淖饔脼椋簩⑷軇┘皹悠窔饣?；分離掉大量的溶劑分子；往往要完成對(duì)樣品分子的電離；在樣品分子已電離的情況下最好能進(jìn)行CID（碰撞誘導(dǎo)斷裂）。LCMS中的“接口”(同時(shí)具有電離功能)方式：主要有電噴霧電離及大氣壓化學(xué)電離。質(zhì)譜作為液相色譜的檢測(cè)器，同樣可同時(shí)得到質(zhì)譜圖和色譜圖。其質(zhì)量分析器離子阱、四極桿使用較多。電噴霧電離(ESI)：樣品溶液從具有霧化氣套管的毛細(xì)管端流出，在下列幾方面的作用，在大氣壓下噴成在溶劑蒸氣的無(wú)數(shù)微帶電荷的液滴（管端加幾千伏的電壓；霧化氣N2的吹帶；一定的溫度），液滴在運(yùn)動(dòng)中溶劑不斷蒸發(fā)，液滴很快變小，表面電荷密度不斷增大。在這樣的情況下，就會(huì)從液滴中排出溶劑和樣品的分子和離子。通常小分子得到帶單電荷的準(zhǔn)分子離子，生物大分子得到多電荷