同济材料科学与工程研究方法质谱分析

材料研究方法-MS1/59第8章质谱分析MassSpectrometryMS

材料研究方法-MS2/59材料研究方法-MS3/59

由于发明了对生物大分子进行识别和结构分析的方法，中田耕一和美国科学家约翰·芬恩和瑞士科学家库尔特·维特里希一起获得2002年度的诺贝尔化学奖。材料研究方法-MS4/59这两项成果一项是美国科学家约翰·芬恩与日本科学家田中耕一“发明了对生物大分子的质谱分析法”，他们两人将共享2002年诺贝尔化学奖一半的奖金；另一项是瑞士科学家库尔特·维特里希“发明了利用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法”，他将获得2002年诺贝尔化学奖一半的奖金。

材料研究方法-MS5/59虽然荣誉加身，但作为公司旗下的科学家，中田耕一发明的专利为岛京制作所拥有，公司只给了他1.1万日元(约合89.43美元)的酬劳。

材料研究方法-MS6/59

2004年10月29日，2002年度诺贝尔化学奖获得者、日本岛津制作所的科研工作者田中耕一先生一行来我校访问，并做了题为“由激光照射使大分子离子化技术的开创与前景”的演讲。

田中先生在我校外宾签名留念薄上谦虚地写下了“岛津制作所技术员田中耕一”一行字。

材料研究方法-MS7/59田中耕一先生因最早发现“生物大分子的质谱分析法”而获诺贝尔化学奖。早在1985年2月，年仅二十多岁的田中先生在反复失败的实验中发现了“软激光的解吸附作用”而使“不破坏蛋白质分子的条件下使之离子化”获得了成功。此后，世界上很多研究者在此基础上对此技术进行了发展和完善，成为当今医学诊断和新药开发中不可缺少的技术。

材料研究方法-MS8/59田中耕一（TanakaKoichi）

出生年月：1959年8月3日

毕业大学：1983年毕业于东北大学工学部电气工学专业

1983年4月进入岛津制作所分配到技术研究总部中央研究所

1986年5月计测事业总部第二科学计测事业部技术部第一技术课

1989年5月荣获日本质量分析学会奖励奖

2002年5月分析计测事业部生命科学实业部生命科学研究所

2002年11月担任主任研究员、荣获文化勋章

2002年12月荣获诺贝尔化学奖

2003年1月担任岛津制作所田中耕一纪念质量分析研究所所长材料研究方法-MS9/598.1概述8.2质谱基本原理8.3离子的类型8.4质谱定性分析及图谱解析8.5质谱定量分析8.6GC-MS联用技术8.7质谱分析在材料研究中的应用材料研究方法-MS10/59

8.1概述

质谱分析是现代物理、化学以及材料领域内使用的一个极为重要的工具，已有80年历史。早期的质谱仪器主要用于测定原子质量、同位素的相对丰度，以及研究电子碰撞过程等物理领域。材料研究方法-MS11/59

8.1概述质谱分析法是化学领域中非常重要的一种分析方法。它通过测定分子质量和相应的离子电荷实现对样品中分子的分析。19世纪末科学家已经奠定了这种方法的基础，1912年科学家第一次利用它获得对分子的分析结果。在质谱分析领域，已经出现了几项诺贝尔奖成果，其中包括：（1）氢同位素氘的发现(1934年诺贝尔化学奖)；材料研究方法-MS12/59（2）碳60的发现(1996年诺贝尔化学奖)。（3）中田耕一，2002年度的诺贝尔化学奖。材料研究方法-MS13/59科学家在传统的质谱分析法基础上发明了一种新方法：（1）首先将成团的生物大分子拆成单个的生物大分子，并将其电离，使之悬浮在真空中；（2）然后让它们在电场的作用下运动；（3）不同质量的分子通过指定距离的时间不同，质量小的分子速度快些，质量大的分子速度慢些，通过测量不同分子通过指定距离的时间，就可计算出分子的质量。材料研究方法-MS14/59

这种方法的难点在于生物大分子比较脆弱，在拆分和电离成团的生物大分子过程中它们的结构和成分很容易被破坏。为了打掉这只“拦路虎”，美国科学家约翰·芬恩与日本科学家田中耕一发明了殊途同归的两种方法。约翰·芬恩对成团的生物大分子施加强电场，田中耕一则用激光轰击成团的生物大分子。这两种方法都成功地使生物大分子相互完整地分离，同时也被电离。它们的发明奠定了科学家对生物大分子进行进一步分析的基础。

材料研究方法-MS15/59质谱分析的定义：质谱分析方法是通过对样品离子的质量和强度的测定来进行成分和结构分析的一种方法。材料研究方法-MS16/59质谱法具有独特的电离过程及分离方式，从中所获得的信息直接与样品的结构相关◆样品中各种同位素的比值◆样品的结构和组成材料研究方法-MS17/59通过软电离方法却可有效地测定各种化合物的◆主体结构单元◆添加剂的化学结构应用热裂解—质谱或热裂解-气相色谱-质谱，可分别获得不同高分子结构特征的热裂解产物，从而进一步揭示聚合物的链节以及序列分布。材料研究方法-MS18/59图8-1聚甲基丙烯酸乙酯的热裂解质谱图M/z材料研究方法-MS19/59

8.2质谱基本原理被分析的样品首先离子化然后利用离子在电场或磁场中的运动性质，将离子按质荷比(M/e)分开并按质荷比大小排列成谱图形式根据质谱图可确定样品成分、结构和相对分子质量。材料研究方法-MS20/59图8-3单聚焦质谱仪材料研究方法-MS21/59质谱仪器一般具备下述几个部分：（1）进样系统（2）离子源（3）质量分析器（4）检测器（5）附加的高真空系统。材料研究方法-MS22/59图8-1聚甲基丙烯酸乙酯的热裂解质谱图材料研究方法-MS23/598.2.1质谱仪的基本工作原理质谱仪的基本工作原理如图8-2所示。现以扇形磁场单聚焦质谱仪为例（图8-3），将质谱仪器各主要部分的作用原理讨论如下。材料研究方法-MS24/59图8-3单聚焦质谱仪材料研究方法-MS25/592.进样系统

1）气体扩散

2）直接进样

3）气相色谱材料研究方法-MS26/59进样系统材料研究方法-MS27/59

3.离子源电子轰击、化学电离、场致电离、高频火花电离、热电离、激光电离、表面电离。被分析的气体或蒸气首先进入仪器的离子源，转化为离子。图8-5为常用的电子轰击离子源。材料研究方法-MS28/59电子由直热式阴极发射，在电离室正极和负极之间施加直流电压，使电子得到加速而进入电离室中。当这些电子轰击电离室中的气体中的原子或分子时，该原子或分子就失去电子成为正离子(分子离子)：材料研究方法-MS29/59材料研究方法-MS30/59m/z图8-9甲基异丁基甲酮的质谱图材料研究方法-MS31/59分子离子继续受到电子的轰击，使一些化学键断裂，或引起重排以瞬间速度裂解成多种碎片离子(正离子)。离子源的作用是将试样分子转化为正离子，并使正离子加速、聚焦为离子束，此离子束通过狭缝而进入质量分析器。材料研究方法-MS32/59

4.质量分析质量分析内主要为一电磁铁，自离子源发生的离子束在加速电极电场（800~8,000V）的作用下，使质量m

的正离子获得的速度，以直线方向n

运动。材料研究方法-MS33/59nRH材料研究方法-MS34/59其动能为：

（8-1）式中z为离子电荷数，U加速电压。显然，在一定的加速电压下，离子的运动速度与质量m有关。材料研究方法-MS35/59当具有一定动能的正离子进入垂直于离子速度方向的均匀磁场(质量分析器)时，正离子在磁场力(洛仑兹力)的作用下，将改变运动方向(磁场不能改变离子的运动速度)作圆周运动。材料研究方法-MS36/59设离子作圆周运动的轨道半径(近似为磁场曲率半径)为R，则运动离心力必然和磁场力相等，故

（8-2）式中H为磁场强度。材料研究方法-MS37/59合并式(8-1)及（8-2），可得

（8-3）

式(8-3)称为质谱方程式，是设计质谱仪器的主要依据。材料研究方法-MS38/59由此式可见，离子在磁场内运动半径R与m/z、H、V有关。因此只有在V及H一定的条件下，某些具有一定质荷比的正离子才能以运动半径为R的轨道到达检测器。材料研究方法-MS39/59若H、R固定，m/z∝1/V，只要连续改变加速电压(电压扫描)；或V、R固定，m/z∝H2，连续改变H(磁场扫描)，就可使具有不同m/z的离子依次到达检测器发生信号而得到质谱图（如图8-1所示）。

材料研究方法-MS40/59图11-1聚甲基丙烯酸乙酯的热裂解质谱图材料研究方法-MS41/595.离子检测器

质谱仪器中所用的检测器有下述三种检测方法：（1）直接电测法（2）二次效应电测法（3）照相记录法材料研究方法-MS42/598.2.2质谱仪的种类和技术指标8.2.2.1质谱仪的种类由质谱方程式（11-3）可知，质谱分析从理论上可分为电压扫描和磁场扫描两大类，从实际工作原理角度有可将质谱仪上分成磁质谱、四极质谱、离子阱质谱、飞行时间质谱、离子回旋傅里叶质谱等类型。材料研究方法-MS43/598.2.2.2质谱仪的主要技术指标1.分辨率分辨率是指仪器对相邻两质谱峰的区分能力。相邻等高的两个峰，其峰谷不大于峰的10％时，就定义为可以区分（如图8-7）。材料研究方法-MS44/59图11-7两峰部分重叠材料研究方法-MS45/59当两个峰的峰谷等于峰高的l0%时，分辨本领只等于两峰质量的平均值与质量差的比值，即R=m/m。高分辨：30000以上中分辨：10000-30000

低分辨：几百到几千材料研究方法-MS46/592.灵敏度与信噪比

灵敏度是表示仪器出峰(或信号)的强度与样品用量的关系。如果用的样品量少而出的峰强度大就说明灵敏度高。

材料研究方法-MS47/593.质量范围质量范围是指仪器可以测定的最小到最大质量数。目前高分辨仪器可达到的质量数是2干至l万多。但这些高值都是在降低加速电压的情况下得到的，所以一般应注意在仪器加速电压最高档时的质量范围。材料研究方法-MS48/594.质量精度利用质谱仪定性分析时，质量精度是一个很重要的性能指标。在低分辨质谱仪中，仪器的质量指示标尺精度不应低于±0.4质量数。高分辨率质谱仪给出离子的精确质量，相对精度一般在1-10ppm。材料研究方法-MS49/598.2.3质谱图的表示和解释方法在质谱图中每个质谱峰表示一种质荷比m/z的离子，质谱峰的强度表示该种离子峰的多少，因此根据质谱峰出现的位置可以进行定性分析，根据质谱峰的强度可以进行定量分析。

材料研究方法-MS50/59对于有机化合物质谱，根据质谱峰的质荷比和相对强度可以进行结构分析。图8-8空气的质谱图。材料研究方法-MS51/59图8-8空气的质谱图材料研究方法-MS52/59横坐标表示m/z（实际上就是磁场强度），由于分子离子或碎片离子在大多数情况下只带一个正电荷，所以通常称m/z为质量数。例如-CH3离子的质量数（m/z）是15，对于低分辨率的仪器，离子的质荷比在数值上就等于它的质量数。材料研究方法-MS53/59质谱图的纵坐标表示离子强度，在质谱中可以看到几个高低不同的峰，纵坐标峰高代表了各种不同质荷比的离子丰度-离子流强度。

材料研究方法-MS54/59离子流强度有两种不同的表示方法:（1）绝对强度（2）相对强度材料研究方法-MS55/59（1）绝对强度绝对强度是将所有离子峰的离子流强度相加作为总离子流，用各离子峰的离子强度除以总离子流，得出各离子流占总离子流的百分数（总离子流是100％）。材料研究方法-MS56/59有两种表示绝对强度的方法：

20％：表示离子流强度占总离子强度