质谱仪的使用

质谱仪应化系:曹国庆质谱法（massspectrometry）常称为质谱(MS),是一种利用质量分析方法进行鉴定物质结构的仪器分析方法。质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷比的测定来进行分析的一种分析方法。被分析的样品首先要离子化，然后利用不同离子在电场或磁场的运动行为的不同，把离子按质荷比（m/z）分开而得到质谱，通过样品的质谱和相关信息，可以得到样品的定性定量结果。原理：样品中原子或分子在电子的轰击下发生电离成为离子，通过电场的加速，在磁场的作用下安质荷比值进行分离，然后进行检测。各种的离子流，经（m/z）检测器检测变成电信号，放大后由计算机采集和处理后，记录为质谱图或用示波器显示。

质谱图是以质荷比（m/z）为横坐标，以各（m/z）离子的相对强度（也称丰度）为纵坐标构成。一般把原始图上最强的离子峰定为基峰，并定其为相对强度100%，其他离子峰以对基峰的相对百分值表示。因而，质谱图各离子峰为一些不同高度的直线条，每一条直线代表一个（m/z）离子的质谱峰。离子流的记录

一、质谱仪的组成进样系统离子源质量分析器检测器1.气体扩散2.直接进样3.气相色谱1.电子轰击2.化学电离3.场致电离4.激光

1.单聚焦2.双聚焦3.飞行时间4.四极杆5.离子阱进样系统、离子源、质量分析器、检测器、数据处理系统、真空系统。1、进样系统是将样品送入离子源。由于质谱需在高真空条件下工作，故进样系统需要适当的装置，使其在尽量减小真空损失的前提下将气态、液态或固态试样引入离子源。进样方法有：间歇式进样：将少量固体或液体试样导入试样贮样器，由于贮液室的压力比电离室压力高1-2个数量级，因此部分样品便从贮样室的通过分子漏隙进入电离室。直接探针进样：对固体和非挥发的试样，将样品用探针插入电离室，升温，产生达到10-4Pa左右的蒸汽压分子并进行电离。色谱和毛细管电泳进样：将质谱与气相色谱、高效液相色谱或毛细管电泳柱联用，使其兼有色谱法的优良分离功能和质谱法强有力鉴定能力。2、离子源或电离室使试样中的原子或分子电离为离子(正离子或负离子)，并将离子引出、加速、聚焦进入质量分析器。主要有电子轰击离子源、化学电离源、表面电离源、场致电离源、场解吸电离源、快原子轰击源等。电子轰击离子源(EI源)：阴极(灯丝在2000度以上产生70eV能量电子)发射的高能电子轰击气态原子或分子，使其成为离子。有机物分子不仅可能失去一个电子成为离子，而且可进一步发生断键，产生碎片离子和中性自由基，这些碎片离子可用于有机物的结构鉴定。优点：易于实现，图谱重现性好，便于计算机检索及相互对比；含有较多的碎片离子信息，这对推测未知物结构非常有帮助，目前质谱图库就是以EI源图谱建立。因此EI是用的最多的电离源。缺点：当样品分子不稳定时，分子离子峰强度低，甚至没有分子离子峰，当样品分子不能气化或遇热分解时，则更没有分子离子峰。化学电离源(CI)：又分+CI和-CI源(-CI主要用于电负性大的元素的化合物如含Cl)，是利用电子轰击反应气(如CH4)电离成的离子与样品分子反应，形成准分子离子(M+1)+和(M-1)+离子及一些碎片离子。其中准分子离子峰为最高峰。优点：有强的准分子离子峰，便于推测分子量；反映异构体的图谱比EI要好。缺点：碎片离子峰少，强度低。EI和CI是一种相互的补充。3、质量分析器

是质谱仪的核心，质量分析器把不同质荷比的离子分开。不同质量分析器有不同的原理、特点、适用范围和功能。主要有单聚焦、双聚焦、四极杆、时间飞行和离子阱质量分析器。(1)单聚集质量分析器：

使用扇形磁场，离子在磁场中的运动半径取决于磁场强度、m/z比和加速电压，当固定加速电压而连续改变磁场强度时，可使不同m/z

离子发生分离并依次通过狭缝，到达收集极。

缺点：分辨率低，只适用于离子能量分散小的离子源如EI、CI组合使用。收集器离子源BS1S2磁场R(2)双聚焦质量分析器：

最大优点是分辨率高，缺点是价格太高，维护困难。分辨率可达几千，高的可达百万。使用扇形磁场和扇形电场，同时实现了方向聚焦和能量聚焦。

离子源收集器磁场电场S1S2+-双聚焦质谱仪(3)四极杆质量分析器：

也叫四极滤质器，由四根平行的棒状电极组成。电极的截面近似为双曲面，二对电极之间的电位是相反的，电极上加上直流电压U和射频(RF)交变电压Vcon

t。

改变U、V、

三个参数，只有某一种（或一定范围）质荷比的离子能够到达收集极，其他离子在运动过程中撞击柱形电极而被“过滤”掉最后被真空泵抽走。如果保持交流电的频率(

)不变，只改变交流和直流电压，可使不同质荷比的离子依次到达收集极。(3)四极杆质量分析器四极质谱仪优点：利用四极杆代替了笨重的电磁铁，故具有体积小重量轻等优点；仅用电场不用磁场，无磁滞现象，扫描速度快，适合于色谱联机；操作时真空度低，特别适合于液相色谱联机。缺点：分辨率不够高；对质量较高的离子有质量歧视效应。(4)离子阱质量分析器：

由一个双曲线表面的中心环形电极和上下两个端电极间形成一个腔(阱)。在环形电极和端电极上加上直流电压和调频电压，由EI和CI产生的离子注入的特定离子(m/z)，在阱内稳定区，其轨道振幅保持一定大小，并可长时间留在阱内，反之不稳定离子会撞到电极而消失。检测时在引出电极上加上负电压脉冲使正离子从阱内引出而被电子倍增器检测。

(4)离子阱质量分析器优点：相当于四极杆的串联质谱，因此检出限低；灵敏度高，比四极杆高10-1000倍；质量范围大。缺点：质谱图与标准图谱有一定差别（这是因为离子在阱内停留时间长了，可能发生离子-分子的反应），不适用于目前的谱库。四级杆和离子阱质量分析器哪种好?严格说这两者用途侧重点不一样，不好比较。一般说四级杆重现性好，积累了多年经验，技术比较成熟，而目前的质谱图库中的图均是用四级杆做得，所以实验中核对查图比较方便。

离子阱选择性好，可以选择目标物进行分析，接省分析时间，其检索结果常与质谱库图有差异。(5)飞行时间质量分析器4、离子检测器目前普遍使用电子倍增器进行离子检测。电子倍增器由一个转换极、倍增极和一个收集极组成.

电子倍增器的种类很多，其工作原理如下图所示。一定能量的离子轰击阴极导致电子发射，电子在电场的作用下，依次轰击下一级电极而被放大，电子倍增器的放大倍数一般在105～108。转换极是一个与离子束成适当角度放置的金属凹面，作负离子检测时加上+10KV电压，作正离子检测时加上-10KV电压。转化打拿极增强信号并减少噪音，在转化极上加上高压可得到高转化效率，增强信号。因为每个离子打击转换极都产生许多二次粒子。倍增极是从涂复氧化物的电极表面产生一个电子瀑布以达到放大电流的器件。从转换打拿极产生的二次粒子以足够的能量打击电子倍增器阴极最近的内壁，溅射出电子，这些电子被逐步增加的正电位梯度牵引，向前加速进入阴极。由于阴极的漏斗形结构，溅射电子不能迁移很远便再次碰到阴极表面，导致更多的电子发射。于是形成一个电子瀑布，最终在阴极的未端，电子被阳极收集，得到一个可测量的电流，阳极收集的电流正比于打击阴极的二次粒子的数量。通常电子倍增器的增益为105～108。5、真空系统质谱仪的离子源、质量分析器、检测器必须处于高真空状态。真空度低的后果是：氧会烧坏离子源的灯丝；会使本底增高，干扰质谱图；引起额外的离子-分子反应，改变裂解模型，使质谱解释复杂化；干扰离子源中电子束的正常调节；用作加速离子的几千伏高压会引起放电等等。高真空的实现：由机械泵和扩散泵（或分子涡轮泵）组成。前级泵采用机械泵，一般抽至10-1-10-2Pa,高真空要求达到10-4-10-6Pa,需要用高真空泵抽，扩散泵价格便宜，但工作中如突然停电，可能造成油反油现象；分子涡轮泵由于无油，所以无本底及污染，但价格较贵。但经常突然停电可能会损坏涡轮泵。6、数据处理系统控制质谱运行和数据采集处理。采集方式可分为全扫描和选择离子扫描。二、质谱仪的性能指标

分辨率、灵敏度、质量范围、质量精度三、色谱质谱联用仪质谱仪种类繁多，不同仪器应用特点也不同,一般来说，在300ºC左右能汽化的样品，可以优先考虑用GC-MS进行分析，因为GC-MS使用EI源，得到的质谱信息多，可以进行库检索。毛细管柱的分离效果也好。如果在300ºC左右不能汽化，则需要用LC-MS分析，此时主要得分子量信息，如果是串联质谱，还可以得一些结构信息。GCMS仪：由于质谱是对气相中的离子进行分析，因此GC与MS的联机困难较小，主要是解决压力上的差异。色谱是常压操作，而质谱是高真空操作，焦点在色谱出口与质谱离子源的连接。由于毛细管柱载气流量小，采用高速抽气泵时，二者就可直接连接。组分被分离后依次进入离子盒并电离，载气被抽走。质谱计的采样速度应比毛细管柱出色谱峰的速度要快。质谱作为气相色谱的检测器，可同时得到质谱图和色谱图，目前既可定性好可定量。质量检测器主要四极杆和离子阱等

LCMS仪：液相色谱与质谱的联机较GCMS困难要大。液相流动相的流量按分子数目计要比气相色谱的载气要高了几个数量级，因而液相色谱与质谱的联机必须通过“接口”(interface)。“接口”的作用为：将溶剂及样品气化；分离掉大量的溶剂分子；往往要完成对样品分子的电离；在样品分子已电离的情况下最好能进行CID（碰撞诱导断裂）。LCMS中的“接口”(同时具有电离功能)方式：主要有电喷雾电离及大气压化学电离。质谱作为液相色谱的检测器，同样可同时得到质谱图和色谱图。其质量分析器离子阱、四极杆使用较多。电喷雾电离(ESI)：样品溶液从具有雾化气套管的毛细管端流出，在下列几方面的作用，在大气压下喷成在溶剂蒸气的无数微带电荷的液滴（管端加几千伏的电压；雾化气N2的吹带；一定的温度），液滴在运动中溶剂不断蒸发，液滴很快变小，表面电荷密度不断增大。在这样的情况下，就会从液滴中排出溶剂和样品的分子和离子。通常小分子得到带单电荷的准分子离子，生物大分子得到多电荷