第十三章質譜法概述第一節

質譜分析法是一種物理分析方法，它是通過將分子離解成氣態正離子，這些正離子在電場或磁場作用下，通過質量分析器和檢測系統后按質荷比（m/z，離子質量與電荷之比）大小進行分離并記錄其信息的分析方法。所得結果以圖譜表達，即所謂的質譜圖（亦稱質譜，MS）。根據質譜圖提供的信息可以進行多種有機物及無機物的定性和定量分析、復雜化合物的結構分析、樣品中各種同位素比的測定及固體表面的結構和組成分析等。質譜法具有分析速度快、靈敏度高、提供的信息直接與其結構相關的特點。目前在有機化學、生物化學、石油化工、環境保護化學、食品化學、農業科學、生命科學、醫藥衛生和臨床等領域得到了廣泛的應用。

質譜法的基本原理第二節1.基本原理

質譜法一般采用高速電子來撞擊氣態分子，將電離后的正離子加速導入質量分析器，然后按質荷比（m/z）的大小順序進行收集和記錄，得到質譜圖，根據質譜峰的位置進行定性和結構分析，根據峰的強度進行定量分析氣態分子高速電子撞擊正離子加速導入質量分析器按m/z的大小收集質譜圖峰位置定性定結構峰強度定量分析6以單聚焦質譜儀為例說明質譜分析法的基本原理試樣在離子源內被氣化、電離，有機物在高速電子流的轟擊下常常被擊出一個電子，形成帶一個正電荷的正離子，稱為分子離子M—分子

—分子離子

+表示正離子，·

表示不成對的單電子化學鍵可以斷裂，形成碎片離子，其進一步斷裂，形成各種質荷比不同的離子7各種正離子受到800~8000V的高壓電場加速，加速后的動能等于離子的位能離子質量離子速度離子所帶電荷加速電壓加速后的離子進入磁場中，由于受到磁場的影響，離子作圓周運動（弧形運動），離子的向心力（磁場力）BZυ和運動的離心力mυ2/R相等8若B和U固定不變，則離子的m/z越大，運動半徑越大；m/z不同，運動半徑不同，各種離子按m/z的大小順序分開（1）分子離子和分子離子峰：分子失去1個電子所形成的離子稱為分子離子，用M+表示，其產生的質譜峰稱為分子離子峰。分子中不含Cl和Br時，分子離子峰往往為質譜圖中右側的較強峰。（2）基峰：質譜圖中的最高峰由相對最穩定的離子產生，注意基峰不一定為分子離子峰。質譜圖中常以基峰高度作相對基準，即以最穩定離子的相對強度作100％，其他離子峰的高度占基峰高度的百分數就是該種離子的相對豐度。（3）碎片離子：分子離子發生鍵的斷裂和重排所產生的各種離子均稱為碎片離子，其相對豐度隨其穩定性的增強而增大。（4）亞穩離子：離子在離開電離室到達收集器之前的飛行過程中，發生分解而形成低質量的離子稱為亞穩離子。（5）同位素離子和同位素離子峰：大多數元素都由豐度不同的同位素組成，含有同位素的離子稱為同位素離子，相應的質譜峰稱為同位素離子峰。2.質譜法的基本概念在儀器分析中將質譜（MS）和紫外光譜（UV）、紅外光譜（IR）、核磁共振譜（NMR）統稱為“四大光譜”。但從本質上講，質譜不是波譜，而是物質帶電粒子的質量譜。右圖是以質荷比為橫坐標，以離子的相對豐度（強度）為縱坐標，以攝譜方式獲得的質譜圖。利用質譜圖中質譜峰的位置和峰高比可以進行定性分析，利用質譜峰的離子的相對豐度（強度）可以進行定量分析，利用質譜提供的綜合信息可以進行物質結構分析和分子量測定。某種固體樣品的質譜圖3.質譜圖質譜儀第三節質譜儀通常由五部分組成：高真空系統、進樣系統、離子源、質量分析器、離子檢測器及記錄系統。

質譜儀結構和原理示意圖（1）高真空系統：質譜分析中，為了降低背景以及減少離子間或離子與分子間的碰撞，離子源、質量分析器及檢測器必須處于高真空狀態。離子源的真空度為10-5～10-4Pa，質量分析器應保持10-6Pa，要求真空度十分穩定。一般先用機械泵或分子泵預抽真空，然后用高效擴散泵抽至高真空。（2）進樣系統：質譜儀的進樣系統多種多樣，一般有如下3種方式：①間接進樣：一般氣體或易揮發性液體試樣采用此種進樣方式。試樣進入貯樣器，調節溫度使試樣蒸發，依靠壓差使試樣蒸氣經漏孔擴散進入離子源。②直接進樣：高沸點試液、固體試樣可采用探針或直接進樣器送入離子源，調節溫度使試樣汽化。③色譜進樣：色譜-質譜聯用儀器中，經色譜分離后的流出組分，通過接口元件直接導入離子源。（3）離子源：離子源的作用是使試樣分子或原子離子化，同時具有聚焦和準直的作用，使離子匯聚成具有一定幾何形狀和能量的離子束。離子源的結構和性能對質譜儀的靈敏度、分辨率影響很大。常用的離子源有電子轟擊離子源、化學電離源、高頻火花離子源、ICP離子源等，目前，最常用的離子源為電子轟擊離子源。電子轟擊離子源特點：使用最廣泛，譜庫最完整；電離效率高；結構簡單，操作方便；但分子離子峰強度較弱或不出現(因電離能量最高)。化學電離源(CI)15++氣體分子試樣分子+準分子離子電子(M+1)+;(M+17)+;(M+29)+;特點：電離能小，質譜峰數少，圖譜簡單；準分子離子(M+1)+峰大,可提供分子量這一種重要信息。場電離源（FI)：

應用強電場(電壓梯度107-108V/cm)誘導樣品電離。如下圖。16特點：電離溫和，碎片少，主要產生分子離子M+和(M+1)+峰。（4）質量分析器：質量分析器的作用是將離子源產生的離子按m/z的大小分離聚焦。質量分析器的種類很多，常見的有單聚焦質量分析器、雙聚焦質量分析器和四極濾質器等。單聚焦質量分析器雙聚焦質量分析器18四極濾質器

四極濾質器由四根平行的金屬桿組成，其排布見左圖所示。被加速的離子束穿過對準四根極桿之間空間的準直小孔。通過在四極上加上直流電壓U和射頻電壓Urf，在極間形成一個射頻場，離子進入此射頻場后，會受到電場力作用，只有合適m/z的離子才會通過穩定的振蕩進人檢測器其它的m/z離子則與極桿相撞而被濾去。

（5）離子檢測器及記錄系統：常用的離子檢測器如電子倍增器，光電倍增管。由于質量分析器出來的離子流一般只有10-10～10-9A，離子檢測器的作用是將離子流放大，然后送到記錄裝置和計算機處理系統，經離子檢測器檢測后的電流，經放大器放大后，得到所要分析的譜圖與數據。電子倍增管的工作原理丙酸的質譜圖質譜法的應用第四節質譜是純物質鑒定的最有力的工具之一，其中包括相對分子量測定、化學式確定及結構鑒定等。1.從分子離子峰的質荷比確定其分子量。2.從同位數離子峰鑒定化合物的分子式。3.推測未知物的結構，從碎片離子峰獲取的信息推測有機物的分子結構單元。1.質譜法的主要用途

2.聯用技術簡介將兩種或多種方法結合起來的技術稱為聯用技術（HyphenatedMethod），利用聯用技術的有氣相色譜一質譜（GC－MS）、液相色譜一質譜（LC－MS）、毛細管電泳一質譜（CE－MS）等。

用于與GC聯用的質譜儀有磁式、雙聚焦、四極濾質器式、離子阱式等質譜儀，其中四極濾質器及離子阱式質譜儀由于具有較快的掃描速度（≈10次／秒），應用較多。GC－MS的應用十分廣泛，從環境污染分析、食品香味分析鑒定到醫療診斷、藥物代謝研究等。而且GC－MS是國際奧林匹克委員會進行藥檢的有力工具之一。

液相色譜-質譜聯用在生物、醫藥、農業、化學、精細化工等方面均可應用:1.蛋白質和多肽的研究(蛋白的分子量測定及序列分析，肽譜測定，巰基及二硫鍵定位，蛋白質翻譯后修飾分析-磷酸化、糖基化或化學修飾位點的確認等);2.寡核苷酸和核酸的分析;3.多糖的結構的研究;4.中藥活性組份和