第三章质谱技术

第三章质谱技术

3.1 概述 分子质量精确测定与化合物结构分析的重要工具；第一台质谱仪：1912年；早期应用：原子质量、同位素相对丰度等； 40年代：高分辨率质谱仪出现，有机化合物结构分析； 60年代末：色谱-质谱联用仪出现，有机混合物分离分析；促进天然有机化合物结构分析的发展；同位素质谱仪；无机质谱仪；有机质谱仪；

气体分子或固体、液体的蒸气受到一定能量的电子流轰击或强电场作用，丢失价电子生成分子离子；同时，化学键也发生某些有规律裂解，生成各种碎片离子。这些带正电荷的离子在电场和磁场的作用下，按质荷比（即质量与电荷比值m/e）的大小分开，排列成谱，记录下来即为质谱（Mass Spectroscopy)。

3.2 质谱仪 质谱仪的操作主要通过其三个基本功能来实施。首先必须使分子离子化，它通过在离子源中进行电子电离、快速原子/离子轰击、基体辅助激动解吸或电喷雾来实现；其次，带电分子的离子及其碎片必须根据其质荷比来得到分离，这往往在质量分析器中进行；最后，分离的带电荷的碎片必须通过检测器检测。进样系统离子源质量分析器检测器

3.2.1 进样系统 • 直接进样法（静态法）：对纯的化合物来说，一般为气体或挥发性液体，可直接进样导离子源室，而不需要专用设备或器件，这类似于气相色谱中的样品进样。 • 直接插入探针法：对于挥发性很小的固体样品，需将样品放在不锈钢杆或探针顶端的小杯内，将探针通过样品加入口放进离子源中，然后加热离子源直至固体挥发。 • 动态平衡法（色谱进样）：对一些组分较复杂的混合物时，需将样品分离成一个个单一组分，再进入质谱仪。最典型的就是气相或液相色谱通过接口与质谱连接。

3.2.2 离子源 • 在离子源中样品被电离成离子，不同性质的样品可能需要不同的电离方式。 1）电子轰击电离（electron impact, EI) EI电离使用具有一定能量的电子直接作用于样品分子，使其电离。用钨或铼制作的灯丝在高真空中发射出电子。灯丝与电离盒之间的电压称为电离电压。对有机化合物通常选用70eV的电压。样品蒸气离子源

2）化学电离（Chemical ionization, CI) • 化学电离: 将样品气体和反应气体分子混合（其中样品含量约0.1％），进入电离室后，首先用电子轰击方式使反应气体电离，然后反应气体与样品气体进行离子-分子反应而使样品气体电离，因此样品的离子是由离子-分子反应产生的。这样产生的离子能量较小，故碎片较少。 • 对于不稳定的有机化合物，可得到较强的分子离子峰。

3）大气压化学电离（atmospheric pressure chemical ionization, APCI) • 在大气压下，化学电离反应的速率更大，电离效率应更高。 • 主要困难是将大气压力下产生的离子转移到处于高真空（<10-6Torr)状态的质量分析器中。 • 现在常用的是电晕放电电离。

4）快原子轰击（Fast atom bombardment, FAB) • 属于二次离子质谱，以高能量的初级离子轰击表面，再对由此产生的二次离子进行质谱分析。 • 以液体基质负载样品，使用中性原子束作为初级高能量粒子。 • 理想的基质必须蒸汽压低，同时是被分析样品的良好溶剂，甘油是最常用的一种基质。原子枪样品 Ar0/Cs+ MH+

5）电喷雾电离（Electro spray ionization, ESI) • 是一种使用强静电场的电离技术。 • 原理：不锈钢毛细管被加以3-5kV的正电压，与相距约1cm接地的反电极形成强静电场。被分析的样品溶液从毛细管流出时在电场作用下形成高度荷电的雾状小液滴；在向质量分析器移动的过程中，液滴因溶剂的挥发逐渐缩小，其表面上的电荷密度不断增大。当电荷之间的排斥力足以克服表面张力时，液滴发生裂分；经过这样反复的溶剂挥发－液滴裂分过程，最后产生单个多电荷离子。 • 电喷雾通常要选择合适的溶剂。除了考虑对样品的溶解能力外，溶剂的极性也需考虑。一般来说，极性溶剂（如甲醇、乙腈、丙酮等）更适合于电喷雾。

3.2.3 质量分析器 • 质量分析器的作用是将离子源中形成的离子按质荷比的大小不同分开，质量分析器可分为静态分析器和动态分析器两类。 • 静态分析器采用稳定不变的电磁场（电磁场随时间改变，只是为了记录质谱而不是分离原理所要求的），并且按照空间位置把不同质量（m/e）的离子分开。属于这一类的仪器有单聚焦磁场分析器和双聚焦磁场分析器。动态分析器采用变化的电磁场，按照时间或空间来区分质量不同的离子。属于这一类的仪器有飞行时间质谱仪、四极滤质器等。

3.2.4 真空系统 • 质谱仪器中凡有样品分子和离子的地方必须抽成真空状态，即质谱仪的离子源、质量分析器及检测系统都必须处于真空状态下工作（一般为1.333×10-4～1.333 ×10-6Pa ）。质谱仪的真空系统要求残余气体中不能留有对测定不利的气体成分，要求本底小，否则：空气中的氧会烧坏离子源的灯丝；会引起额外的离子－分子反应，使质谱复杂化，且干扰离子源中电子束的正常调节，影响一起的分辨率；真空度低会使本底增高，干扰质谱图。

3.3 色谱－质谱联用仪 质谱：纯物质结构分析色谱：化合物分离色谱-质谱联用：共同优点 GC-MS；LC-MS；CZE-MS （毛细管电泳-质谱）困难点：载气(或流动液)的分离；出峰时间监测；仪器小型化；关键点：接口技术(分子分离器)

Mass HEWLETT 5972A Selective PACKARD Detector MS 1.0 DEG/MIN Mass Spectrometer Gas Chromatograph (GC) Sample HEWLETT PACKARD 5890 A B B D C A D C C B A D Separation Sample Identification C B A D 3.3.1 GC-MS联用仪器

要使气相色谱和质谱仪器联用，首先要解决的问题是气压问题。色谱柱出口压通常是常压，而质谱仪在正常工作压力是高真空，故二者无法相接。必须采用一个连接器，用来除去载气，以降低气相色谱流出物的气压并富集试样，以达到质谱仪的工作要求。要使气相色谱和质谱仪器联用，首先要解决的问题是气压问题。色谱柱出口压通常是常压，而质谱仪在正常工作压力是高真空，故二者无法相接。必须采用一个连接器，用来除去载气，以降低气相色谱流出物的气压并富集试样，以达到质谱仪的工作要求。 • 如果色谱仪使用填充柱，必须经过一种接口装置——分子分离器，将色谱载气去除，使样品气进入质谱仪； • 如果色谱仪使用毛细管柱，则可以将毛细管直接插入质谱仪离子源，因为毛细管载气流量比填充柱小很多，不会破会质谱仪真空。

在GC/MS分析中，常用的离子源有电子轰击离子源（EI），化学电离源（CI），EI/±CI复合源，场致电离源（FI），大气压化学电离源（APCI）等。在GC/MS分析中，常用的离子源有电子轰击离子源（EI），化学电离源（CI），EI/±CI复合源，场致电离源（FI），大气压化学电离源（APCI）等。

仪器结构 色谱-四极杆质谱仪结构示意图

四极杆质量分离器

仪器与结构

3.3.2 LC-MS液质联用仪 • 大多数高效液相色谱的组分是非挥发性的或热分解性的，这使得由液相转化为气相的任务更具有挑战性，尤其是要保证组分的完整性。 • 最常用的三种连接方式是热喷雾(TSP）法、电喷雾（ESI）法和大气压电离（APCI）法。

LC-MS分析条件的选择 1.电离源的选择 • ESI和APCI在实际应用中表现出它们各自的优势和弱点。 • ESI适合于中等极性到强极性的化合物分子，特别是那些在溶液中能预先形成离子的化合物和可以获得多个质子的大分子（蛋白质）。只要有相对强的极性，ESI对小分子的分析常常可以得到满意的结果。 • APCI不适合多电荷的大分子分析，它的优势在于非极性或中等极性的小分子的分析。

①电离方式ESI采用离子蒸发方式使样品分子电离，而APCI电离是放电探针促使溶剂和其它反应物电离、碰撞及电荷转移等方式形成了反应气等离子区，样品分子通过等离子区时，发生了质子转移。①电离方式ESI采用离子蒸发方式使样品分子电离，而APCI电离是放电探针促使溶剂和其它反应物电离、碰撞及电荷转移等方式形成了反应气等离子区，样品分子通过等离子区时，发生了质子转移。 ②样品流速APCI源允许的流量相对较大，0.2-2mL/min，而ESI源允许流量相对较小，最大只能为1.0mL/min。 ③断裂程度APCI源的探头处于高温，可使热不稳定的化合物分解，产生碎片；ESI源探头处于常温，常生成分子离子峰，不易产生碎片。 ④灵敏度都很高。ESI有利于分析生物大分子及其他分子量大的化合物，而APCI更适合于分析极性小的化合物。 ⑤多电荷APCI源不能生成一系列多电荷离子，所以不适合分析生物大分子。而ESI源特别适合于蛋白质、多肽类的生物分子，由于它能产生一系列的多电荷离子。

2.正负离子模式的选择 • 正离子模式适合于碱性样品，可用乙酸（pH＝3-4）或甲酸（pH＝2-3）对样品加以酸化。 • 负离子模式适合于酸性样品，可用氨水或三乙胺对样品进行碱化。 • 有些酸碱性并不明确的化合物，可优先选用APCI（+）进行测定。

3.流动相的选择 • 常用的溶剂和缓冲液 a 水、乙腈及甲醇 LC-MS理想的溶剂 b 乙酸和甲酸可降低LC流动相的pH值以提高分离度 c 氢氧化铵/氨溶液可提高LC流动相的pH值 d 乙酸铵是一种挥发性盐，用于缓冲流动相，并改善色谱分离而不影响MS的性能。最大浓度不超过0.1mol/L。

不适合的溶剂和缓冲液 a 不挥发的盐 b 表面活性剂/洗涤剂 c 无机酸 • 其它溶剂和调节剂 a 异丙醇、2-甲氧基乙醇及乙醇等 b 三氟醋酸（TFA）常用于LC-MS分析肽和蛋白质的化合物 c 三乙胺（TEA） d 四氢呋喃（THF)

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