现代测试方法20141109剖析

1、上海应用技术学院研究生课程（论文类）试卷2014 /2015学年第1学期课程名称：现代测试方法课程代码：dz0702003论文题目：质谱仪的发展与应用学 院：化学与环境工程学院专 业：学生姓名：学 号：课程（论文）成绩：课程（论文）评分依据（必填）任课教师签字：日期： 年 月 日质谱仪发展与应用摘 要：质谱分析是先将物质离子化，按离子的质荷比分离， 然后测量各种离子谱峰的强度而实现分析目的的一种分析方法。质量是物质的固有特性之一，不同的物质有不同的质量谱一一质谱， 利用这一性质，可以进行定性分析；谱峰强度也与它代表的化合物含量有关，利用这一点，可以进 行定量分析1。检测原理2：质谱分析仪按照质

2、荷比对物质进行分离。仪器的离子探测系统可以选 择出不同种类的气体，根据高稳定的能被测量的质谱可以确定气体混合物的成分3。通过对当前质谱仪领域文献的分析，本文总结了质谱仪发展与应用的特点，对质谱仪原理进行了介绍，并叙述了 质谱仪的发展过程，在此基础上对其未来的发展趋势进行了讨论，重点对质谱仪技术在各个领域的 应用进行了综述，并对其发展提出了展望。关键词：质谱仪；技术；原理；发展应用1质谱仪介绍1910年，英国剑桥卡文迪许实验室的汤姆逊研制出第一台现代意义上的质谱仪器。这台质谱仪 的诞生，标志着科学研究的一个新领域一质谱学的开创。1934年诞生的双聚焦质谱仪是质谱学发展的又一个里程碑。在此期间创立

3、的离子光学理论为仪器的研制提供了理论依据。双聚焦仪器大大提 高了仪器的分辨率，为精确原子量测定奠定了基础。质谱法是将样品离子化，变为气态离子混合物，并按质荷比(m/z)分离的分析技术；质谱仪是实现上述分离分析技术，从而测定物质的质量与含量及其结构的仪器。质谱分析法是一种快速，有效的 分析方法，利用质谱仪可进行同位素分析，化合物分析，气体成分分析以及金属和非金属固体样品 的超纯痕量分析。在有机混合物的分析研究中证明了质谱分析法比化学分析法和光学分析法具有更加卓越的优越性，其中有机化合物质谱分析在质谱学中占最大的比重，全世界几乎有3/4仪器从事有机分析，现在的有机质谱法，不仅可以进行小分子的分析，

4、而且可以直接分析糖，核酸，蛋白质 等生物大分子，在生物化学和生物医学上的研究成为当前的热点，生物质谱学的时代已经到来，当 代研究有机化合物已经离不开质谱仪。1.1 仪器概述1.1.1. 本结构质谱仪由以下几部分组成供电系统iiiii进样系统离子源质量分析器检测接收器数据系统ii,ii'i真空系统(1)进样系统：把分析样品导入离子源的装置，包括：直接进样，gc, lc及接口，加热进样，参考物进样等。(2)离子源：使被分析样品的原子或分子离化为带电粒子(离子)的装置，并对离子进行加速使其进入分析器，根据离子化方式的不同，有机常用的有如下几种，其中 ei, fab最常用。日(electron

5、 impact ionization):电子轰击电离最经典常规的方式，其他均属软电离，ei使用面广，峰重现性好，碎片离子多。缺点：不适合极性大、热不稳定性化合物，且可测定分子量有 限，一般 w 1000。ci (chemical ionization)：化学电离核心是质子转移，与 日相比，在ei法中不易产生分子离子的化合物，在 ci中易形成较高丰度的m+h+或m-h+等准'分子离子。得到碎片少，谱图 简单，但结构信息少一些。与 ei法同样，样品需要汽化，对难挥发性的化合物不太适合。原理r为反应气体分子r + e- - r+ + 2e- (电子电离)r+ -+ r 一 rh+ + (r-

6、h) -m为样品分子 rh+ + m - r + (m+h)+(质子转移)r浓度>> m浓度 r+ + m - r + m+ -(电荷交换)r+ - + m (r+m)+ (加合离子)反应气为含h的分子，例如异丁烷，甲烷，氨气，甲醇气等。fd (field desorption)：场解吸一一大部分只有一根峰，适用于难挥发极性化合物，例如糖，应用较困难，目前基本被 fab取代。fab (fast atom bombardment):快原子轰击利用僦，氤， 80年代初发明，或者的离子枪(lsims ,液体二次离子质谱 )，高速中性原子或离子对溶解在基质中的样品溶液进行轰击，在产生 “爆

7、发性”汽化的同时，发生离子 -分子反应，从而引发质子转移，最终实现样品离子化。适用于热 不稳定以及极性化合物等。fab法的关键之一是，选择适当的(基质)底物，从而可以进行从较低极性到高极性的范围较广的有机化合物测定，是目前应用比较广的电离技术。不但得到分子量还能 提供大量碎片信息。产生的谱介于日 与esi之间，接近硬电离技术。生成的准分子离子，一般常见m+h +和m+底物+。另外：还有根据底物脱氢以及分解反应产生的m-h-,容易提供电子的芳煌化合物产生 m + ,管类化合物、氨基霉素等还产生m+nh4 +,糖黄、聚醛等一般可(产生)观察到m+na+,由底物与粒子轰击 (碰撞)诱导发生还原反应来

8、产生m+nh + (n>1),二量体(双分子) m+h+m +及m+h+b +等。因此，进行谱图解析时，要考虑底物和化合物的性质，盐类的混入等进 行综合判断。esi (electrospray ionization)：电喷雾电离与 lc ,毛细管电泳联用最好，亦可直接进样，属最软的电离方式，混合物直接进样可得到各组分的分子量。apci (atmospheric pressure chemical ionization):大气压化学电离同上，更适宜做小分子。maldi (matrix assisted laser desorption)：基体辅助激光解吸基质辅助激光解吸电离是一种用于大分子

9、离子化方法，利用对使用的激光波长范围具有吸收并能提供质子的基质(一般常用小 分子液体或结晶化合物)，将样品与其混合溶解并形成混合体，在真空下用激光照射该混合体，基 体吸收激光能量，并传递给样品，从而使样品解吸电离。maldi的特点是准分子离子峰很强。通常将maldi用于飞行时间质谱和 ft-ms ,特别适合分析蛋白质和dna等大分子。(3)质量分析器：是质谱仪中将离子按质荷比分开的部分，离子通过分析器后，按不同质荷比(m/z)分开，将相同的 m/z离子聚焦在一起，组成质谱。(4)检测接收器：接收离子束流的装置有：二次电子倍增器、光电倍增管、微通道板。(5)数据系统：将接收来的电信号放大、处理并

10、给出分析结果，包括外围部分，例如终端显示 器，打印机等。现代计算机接口还可反过来控制质谱仪各部分工作。(6)真空系统：由机械真空泵(前极低真空泵)，扩散泵或分子泵(高真空泵)组成真空机组，抽取 离子源和分析器部分的真空。只有在足够高的真空下，离子才能从离子源到达接收器，真空度不够 则灵敏度低。(7)供电系统：包括整个仪器各部分的电器控制部件，从几伏低压到几千伏高压。1.1.2. 分类常见下列几种：双聚焦扇形磁场-电场串联仪器（sector）、四极质谱仪（q）、离子阱质谱仪（trap）、 飞行时间质谱仪（tof）、付利叶变换-离子回旋共振质谱仪（ft-icrms）、混合型如四极+tof,磁式+t

11、rap等串列式多级质谱仪（ms/ms） 一|三重四极vof+tof1.1.3. 分析原理磁质谱基本公式：m/z=h2r2/2v （m:质量；z:电荷；v :加速电压；r:磁场半径；h:磁场强度）。磁质谱经典，可高分辨，质量范围相对宽；缺点是体积大，造价高，现在越来越少。 四极分析器（quadrupole）是一种被广泛使用的质谱仪分析器，由两组对称的电极组成。电极上加有直流电压和射频电压（u+vcos t）。相对的两个电极电压相同，相邻的两个电极上电压大小相等，极性相反。带电粒子射入高频电场中，在场半径限定的空间内振荡。在一定的电压和频 率下，只有一种质荷比的离子可以通过四极杆达到检测器，其余离

12、子则因振幅不断增大，撞在电极 上而被“过滤”掉，因此四极分析器又叫四极滤质器。利用电压或频率扫描，可以检测不同质荷比 的离子。优点是扫描速度快，比磁式质谱价格便宜，体积小，常作为台式进入常规实验室，缺点是 质量范围及分辨率有限。飞行时间质谱仪：利用相同能量的带电粒子，由于质量的差异而具有不同速度的原理，不同质量的离子以不同时间通过相同的漂移距离到达接收器。公式： m/z=2e/v2 , v=d/t代入得 m/z=kt2 （e:离子动能；v：离子速度；d:飞行距离；t:飞行 时间；k:常数=2e/d2）。优点：扫描速度快，灵敏度高，不受质量范围限制以及结构简单，造价 低廉等。ft-ms:在射频电

13、场和正交横磁场作用下，离子作螺旋回转运动，回旋半径越转越大，当离子回旋运动的频率与补电场射频频率相等时，产生回旋共振现象，测量产生回旋共振的离子流强度，经付立叶变换计算，最后得到质谱图。是较新的技术，对于高质量数，高分辨率及多重离子分析， 很有前途，但使用超导磁铁需要液氨，不能接 gc,动态范围稍窄，目前还不太作为常规仪器使用。离子阱（ion trap）通常由一个双曲面截面的环形电极和上下一对双曲面端电极构成。从离子 源产生的离子进入离子阱内后，在一定的电压和频率下，所有离子均被阱集。改变射频电压，可使 感兴趣的离子处于不稳定状态，运动幅度增大而被抛出阱外被接收、检测。用离子阱作为质量分析 器

14、，不但可以分析离子源产生的的离子，而且可以把离子阱当成碰撞室，使阱内的离子碰撞活化解 离，分析其碎片离子，得到子离子谱。离子阱不但体积很小，而且具有多级质谱的功能，即做到msn, 但动态范围窄，低质量区 1/3缺失，不太适合混合物定量。（6）多级质谱联用仪：现在，几乎所有的商品质谱仪上均配有gc-ms，但对难挥发、强极性和大分子量混合物，gc-ms无能为力，为了弥补 gc-ms的不足，经过20多年的探索，通过开发上 述几种软电离技术，特别是 esi和apci等，解决了 lc与离子源接口问题（1987年完成），从而 实现了 lc-ms联用，是分析化学的一次重大进展，而串联质谱仪更具有许多优点。串

15、联质谱仪（ms/ms或tamdem）:离子源一第一分析器一碰撞室一第二分析室一接收器ms1ms2进彳t ms/ms的仪器从原理上可分为两类：第一类仪器利用质谱在空间中的顺序，是由两台质 谱仪串联组装而成。即前面列出的串列式多级质谱仪。第二类利用了一个质谱仪时间顺序上的离子 储存能力，由具有存储离子的分析器组成，如离子回旋共振仪（ icr）和离子阱质谱仪。这类仪器 通过喷射出其它离子而对特定的离子进行选择。在一个选择时间段这些被选择的离子被激活，发生 裂解，从而在质谱图中观测到碎片离子。这一个过程可以反复观测几代碎片的碎片。时间型质谱便 于进行多级子离子实验，但另一方面不能进行母离子扫描或中性丢

16、失。一般采用esi、ci或fab等软离子化方法，以利于多产生分子离子，通过ms1的离子源使样品离 子化后，混和离子通过第一分析器，可选择一定质量的离子作为母体离子，进入碰撞室，室内充有靶子反应气体（碰撞气体：he、ar、xe、ch4等）对所选离子进行碰撞，发生离子 -分子碰撞反应，从而 产生子离子，再经 ms2的分析器及接受器得到子离子（扫描）质谱（ product ion spectrun）。 一般称做 ms/ms-cid 谱，或者简称为 cid（collision-induced dissociation）谱，碰撞诱导裂解谱，及 ms/ms谱。另外，也有母找子离子的ms/ms谱，（ms/m

17、s spreursor ion spectrum ）研究 ms/ms谱（一般指子离子质谱，与在源内裂解产生的正常碎片质谱类似，但有区别，现不能检索），可以了解到被分析样品的混合物性质和成分，对一些混合物（目前，多用最软电离的esi或apci的ms/ms。不必进行色谱分离可直接分析，与色谱法相比，有很快的响应速度，省时省样品省费用，具有高灵敏度和高效率的优点。另外一个特点是通过子母及母子ms/ms谱可以掌握一定的结构信息，做为目前有力的结构解析手段。因此，现在利用串联质谱仪进行药物研究越来越得到重视，特别是在药 物代谢以及混合物的微量成分分析和结构测定等方面正在起到越来越重要的作用。比较常用的三

18、级四极型ms/ms ,联用lc-ms/ms使用方便，操作简单，适合于定量等常规，大型的 ms/ms更适合 结构解析。2应用领域最近30年质谱学在各个方面都获得了极大的发展。新的离子化方法如场致电离（fi）、场解吸电离f（d）、化学电离（ci）、激光离子化、等离子体法等不断出现。复杂的、高性能的商品仪器不断推 出，如离子探针质谱仪、磁场型的串联质谱仪、离子回旋共振一傅立叶变换质谱仪等。液相色谱与 质谱的联用在近 10年来有突破性进展，己进入实用阶段。另一方面，低价位、简易型仪器的推出，对扩大和普及质谱分析的应用起了很大的作用。据文献记载，质谱技术已经应用到了各个领域。2.1 中药代谢及其药代动力

19、学：1980年以来中药代谢及其药代动力学研究的深度和广度有了较大幅度的提高，近年来由于液相色谱和质谱联用技术的迅猛发展，使得目前质谱尤其是串联质谱已成为中药代谢物研究和检测的重 要工具。药物代谢研究是药物开发过程中非常重要的一步，通常的做法是首先收集样品，用溶剂提 取或柱色谱或高压液相色谱制备得到纯品，再进一步对原药和代谢物进行紫外、红外、质谱、核磁 共振等光谱分析，推断代谢物的结构。液相色谱和质谱联用大大节省了样品处理和提取工作，同时 由于采用串联质谱检测和图谱解析可以了解母体药物的代谢产物。42.2 监测加工食品中的三聚富胺及其水解产物：2007年7月，美国国家食品安全与技术中心开始使用配

20、备了thermo scientific accelatm 高速液相系统的tsq quantum三重四极杆质谱仪，建立监测加工食品中的三聚鼠胺及其水解产物的液相色 谱2串联质谱方法。2.3 食品：丹麦罗斯基斯一实验室发明一种带有质谱仪的空调装置。该装置可绘制产品中 60多种元素的相对含量，可与农产品样品的质谱仪图谱进行对比，从而可得知这些农产品有无化肥与农药残留物， 确认是否是不含化肥与农药残留物的真正绿色食品，从而可以识别流通领域中商贩给伪劣农产品贴上“绿色食品”的伪劣绿色食品。（摘自zgspb,2002211225）。国内自行研制的高分辨率esi-tof-ms分析从大豆毛油中萃取出来的磷脂，

21、实现了国内首次用自制esi-tof-ms分析大豆磷脂中磷脂血:胆碱。结果表明，利用 esi-tof-ms共检测出了大豆磷脂中的52种磷脂配胆碱。2.4 医学：表面加强激光解析电离飞行时间质谱仪（seldi-tofms）是一种新的蛋白质检测技术， 与传统的蛋白质组学方法相比 ，该技术具有快速、灵敏、高通量等特点。运用该技术制成的蛋白质芯 片质谱仪已成为蛋白质组学研究中的重要工具。52.5 地质：伴随现代钻井技术的飞速发展，愈加要求录井公司能够提供更加迅捷的多方面录井资料，基于 这种情况，法国地质服务公司开展了能够应用于现场的同位素质谱仪的研制工作。该套仪器的研制，充分利用了同位素质谱技术的检测原

22、理，为现场录井烧类气体检测增加了有效的辅助手段。具有相 同质子数、不同中子数或不同质量数的同一化学元素的不同核素互为同位素，同种元素的各种同位 素质量不同，但化学性质儿乎相同，因此可以通过测量气体的同位素得到具有相同质量分数的煌类 气体质量浓度。62.6 分析细小气溶胶粒子美国delaware大学johnston等人研制出用作超细粒子分析的激光质谱仪，用激光烧灼法实时分析单个气溶胶粒子，粒子直径为10150nm,比现有同类仪器能测量的粒子直径小一个量级。72.7 钢铁生产质谱仪在钢铁厂成功用于：高炉炉气分析、转炉炉气分析（bos,bof）、焦炉炉气分析、混合站气体分析等部门。82.8 汽轮机真

23、空系统检漏国内经过几年来使用德国莱宝公司氮质谱仪检漏的经验表明，针对机组真空系统复杂，管道繁多且被保温难以检测的特点，在进行检漏前，应对机组的运行情况和性能指标作认真分析。结合以往大、小修停机灌水试验，消缺情况概略地列出重点检漏部位，从而缩短检漏时间，提高查漏效率，捕捉重要漏点。在对霍州电厂1号、2号机(100mw),柳林电厂1号机(100mw),榆社电厂1号、2号(100mw),神头第一发电厂 4号(200mw)进行的检漏，均取得了预期的效果。92.9 环境、生物分析串联质谱技术作为分析混合物和分子结构鉴定的重要手段，很早以前已在大型质谱仪上得到应用,在两个前后串联的质谱/质谱仪中，前级质谱

24、主要用于担任分离工作，在样品被电离后，它只允许被分析的目标化合物的母代离子碎片，经过碰撞裂解后，由第二级质谱分析裂解后产生的离子碎片而于上述过程的完成至少需要三个质量分离器串联而成，故在大型质谱仪上应用串联质谱技术成本较高而且操作比较复杂，从而限制了该技术的广泛应用。它不仅适用于复杂基体混合物的定性分析，而且可以利用得到二级质谱结果进行定量。102.10 地球化学同位素比率质谱仪(isotope ratio massspectrometers, irms)是近些年发展起来的用于测定某些稳定同位素组成的仪器，在诸多领域中都展现出广阔的应用前景。由于稳定同位素组成中蕴藏着丰富 的地球化学信息，通过

25、研究其组成可以揭示地球化学过程中的诸多方面的信息。所以irms技术和同位素一起作为一种新的有效手段在地球化学研究中有着越来越广泛的应用。112.11 地学、考古和生物医学在国家科技部、中国科学院和教育部的联合支持下，由中国科学院地球环境研究所与西安交通大学联合筹建的西安加速器质谱中心的一台3mv的多核素分析加速器质谱仪 (xi'an-ams)及其样品制备系统以地学、考古和生物医学研究为主，多学科共享，近期以 10be和14c分析为主，且为尽 快开展26al和129i分析作技术准备。 正常运行情况下，每年分析2500样品，现代样品的14c测量 精度优于0.5%,可达0.2%0.3%, 1

26、0be探测灵敏度可达10-15量级。2.12 载人航天由于阵列质谱仪在体积、质量、功耗等方面具有其它质谱仪无与伦比的优点，尤其是体积小、 质量轻、功耗低正好满足载人航天以及长期宇宙飞行有效载荷越低越好的要求，决定了其在航天领 域的应用地位，广泛应用于航天器舱内空气监控和医学气体监测、舱内污染物监测、航天员出舱活动、地面模拟试验以及其它宇宙探索等。2.13 刑事科技上面叙述了质谱仪能分辨同一元素的同位素，更能识别不同元素和化合物，只要是分析物质成 分的场合都可应用在公安上物证检验，分析物证的成分，当然也在其应用范围之内但在公安物证检 验技术上有其特殊要求所用的物证样品是微量的，甚至是超微量的样品

27、是复杂的混合物，一般分析 法难于完成分析速度快准确率要求高质谱分析技术都能满足这些要求，迅速地判断所分析的物质名 称此项技术对刑侦技术部门来说，有着重要意义。3结语从前面的分析我们可以总结出质谱仪技术的一些规律。首先质谱仪技术发展迅速，从而是世纪初到现在大概一个世纪的时间内，发展突飞猛进，而且随着新技术的不断研发和技术转化时间的不断缩小，新技术应用到质谱仪领域的范围不断扩大，速度不断加快。这就使得质谱仪技术不断更新，越来越快。其次，质谱仪应用的领域越来越广。我国的质谱仪发展形势严峻，主要体现在各研究小组力量相对薄弱，相互之间缺乏交流。随着质谱仪应用的不断扩展，国内对质谱仪的需求也将越来越大，而目前国内质谱仪主要依赖于国外进口，