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1、油气测试分析技术与应用第五章 质谱分析法提 纲1. 概述2. 有机质谱仪3. 质谱解析的基础知识4. 质谱分析方法5. 质谱技术的应用5.1 概 述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。在以上各类质谱仪中，数量最多，用途最广的是有机质谱仪。 可以从质谱仪所用的质量分析器的不同，把质谱仪分为双聚焦质谱仪、四极杆质谱仪、飞行时间质谱仪、离子阱质谱仪、傅立叶变换质谱仪等。5.2 有机质谱仪基本组成包括离子
2、源、质量分析器、检测器和真空系 统。5.2.1 一般质谱仪结构与工作原理离子源的作用是将欲分析样品电离，得到带有样品信息的离子。1 离子源（Ion source）（1）电子电离源（Ion source）电子电离源主要适用于易挥发有机样品的电离。GC-MS联用仪中都有这种离子源。其优点是工作稳定可靠，结构信息丰富，有标准质谱图可以检索。缺点是只适用于易汽化的有机物样品分析，并且，对有些化合物得不到分子离子。在电子轰击下，样品分子可能有四种不同途径形成离子：（1）样品分子被打掉一个电子形成分子离子。（2）分子离子进一步发生化学键断裂形成碎片离子。 （3） 分子离子发生结构重排形成重排离子。（4）通
3、过分子离子反应生成加合离子。电子电离源（Ion source）（2）化学电离源(Chemical Ionization , CI )CI和EI在结构上没有多大差别。或者说主体部件 是共用的。其主要差别是CI源工作过程中要引进一种 反应气体。反应气体可以是甲烷、异丁烷、氨等。反 应气的量比样品气要大得多。化学电离源是一种软电离方式，有些用EI方式得 不到分子离子的样品，改用CI后可以得到准分子离子 ，因而可以求得分子量。对于含有很强的吸电子基团 的化合物，检测负离子的灵敏度远高于正离子的灵敏 度，因此，CI源一般都有正CI和负CI，可以根据样品 情况进行选择。EI和CI源主要用于气相色谱-质谱联
4、用仪，适用于 易汽化的有机物样品分析。（3）快原子轰击源（Fast Atomic bombardment, FAB）FAB源与EI源得到的质谱图很不相同。其一是它的分子量 信息不是分子离子峰M，而往往是（M+H）+或（M+Na）+等准分 子离子峰；其二是碎片峰比EI谱要少。FAB源主要用于磁式双聚焦质谱仪。（4）电喷雾源(Electron spray Ionization，ESI)ESI是近年来出现的一种新的电离方式。它主要应用于 液相色谱-质谱联用仪。它既作为液相色谱和质谱仪之间的 接口装置，同时又是电离装置。它的主要部件是一个多层套 管组成的电喷雾喷咀。电喷雾电离源是一种软电离方式，即便是
5、分子量大，稳 定性差的化合物，也不会在电离过程中发生分解，它适合于 分析极性强的大分子有机化合物。（5）大气压化学电离源(APCI)它的结构与电喷雾源大致相同，不同之处在于APCI喷咀的下游放置一个针状放电电极，通过放电电极的高压放电，使空 气中某些中性分子电离，产生H3O+，N2+，O2+ 和O+ 等离子，溶剂分子也会被电离，这些离子与分析物分子进行离子-分子反应 ，使分析物分子离子化，这些反应过程包括由质子转移和电荷 交换产生正离子，质子脱离和电子捕获产生负离子等。(6)激光解吸源（Laser Description，LD）激光解吸源是利用一定波长的脉冲式激光照射样品使样品电离的一种电离方
6、式。激光电离源需要有合适的基质才能得到较好的离子产率。因此，这种电离源通常称为基质辅助激光解吸电离(Matrix Assisted Laser Description Ionization, 简称MALDI)。MALDI特别适合于飞行时间质谱仪(TOF),组成MALDI-TOF。MALDI属于软电离技术，它比较适合于分析生物大分子，如肽、蛋白质、核酸等。得到的质谱主要是分子离子，准分子离子。碎片离子和多电荷离子较少。质量分析器的作用是将离子源产生的离子按m/z顺序分开并排列成谱。用于有机质谱仪的质量分析器有磁式双聚焦分析器，四极杆分析器，离子阱分析器，飞行时间分析器，回旋共振分析器等。2 质量
7、分析器(Mass analyzer)(1)双聚焦分析器（double focusing analyzer）双聚焦分析器是在单聚焦分析器的基础上发展 起来的。A 单聚焦分析器单聚焦分析器的主体是 处在磁场中的扁形真空腔体 。离子进入分析器后，由于 磁场的作用，其运动轨道发 生偏转改作圆周运动。左图是单聚焦分析器原 理图,这种单聚焦分析器可以是180的,也可以是90或其它角度的,其形状象一 把扇子, 因此又称为磁扇形分析器。单聚焦分析结构简 单，操作方便但其分辨率很低。B 双聚焦质量分析器为了消除离子能量分散对分辨率的影响，通常在扇形磁场前加一扇形电场，扇形电场是一个能量分析器，不起质量分离作 用
8、。这种由电场和磁场共同实现质量分离的分析器，同时具有 方向聚焦和能量聚焦作用，叫双聚焦质量分析器.双聚焦分析器的优点是分辨率高，缺点是扫描速度慢，操作、调整比较困难,而且仪器造价也比较昂贵。（2）四极杆分析器(Quadrupole analyzer)四极杆分析器由四根棒状电极组成。电极材料是镀金 陶瓷或钼合金。相对两根电极间加有电压（Vdc+Vrf），另外两根电极间加有- （Vdc+Vrf）。其中Vdc为直流电压， Vrf为射频电压。四个棒状电极形成 一个四极电场。所谓跳跃式扫描是 只检测某些质量的离子，故称为选 择离子监测（select ion monitoring SIM）。SIM适合于定
9、 量分析,但因为这种扫描方式得到的 质谱不是全谱，因此不能进行质谱 库检索和定性分析。（3）飞行时间质量分析器(Time of flight analyzer)飞行时间质量分析器的主要部分是一个离子漂移管。飞行时间质量分析器的特点是质量范围宽，扫描速度快 ，既不需电场也不需磁场。但是，长时间以来一直存在分 辨率低这一缺点，造成分辨率低的主要原因在于离子进入 漂移管前的时间 分散、空间分散和能量分 散.目前，通过采取激光 脉冲电离方式，离子延迟 引出技术和离子反射技术 ，可以在很大程度上克服 上述三个原因造成的分辨 率下降。(4)离子阱质量分析器离子阱的特点是结构小巧，质量轻，灵敏度高，而且还
10、有多级质谱功能。它可以用于GC-MS，也可以用于LC-MS。原理图(5)傅立叶变换离子回旋共振分析器（Fourier transform ion cyclotron resonance analyzer, FTICR）分析室是一个立方体结构，由三对相互垂直的平行板电极组成，置于高真空和由超导磁体产生的强磁场中。第一对电极为捕集极，与磁场方向垂直；第二对电极为发射极，用于发射射频脉冲；第三对电极为接收极，用来接收离子产生的信号。利用傅立叶变换离子回旋共振原理制成的质谱仪称 为傅立叶变换离子回旋共振质谱仪简称FT-MS。FT-MS有 很多明显的优点：此外还有诸如扫描速度快，性能稳定可靠，质量范围宽
11、 等优点。当然，另一方面，FT-MS由于需要很高的超导磁场 ，因而需要液氦，仪器售价和运行费用都比较贵。3 检测器电子倍增器示 意图由四极杆出来的离子打到高能打拿极产生电子，电子经电子倍增器 产生电信号，记录不同离子的信号即得质谱。信号增益与倍增器电 压有关，提高倍增器电压可以提高灵敏度，但同时会降低倍增器的 寿命，因此，应该在保证仪器灵敏度的情况下采用尽量低的倍增器 电压。由倍增器出来的电信号被送入计算机储存，这些信号经计算 机处理后可以得到色谱图，质谱图及其它各种信息。质谱仪的 检测主要使用 电子倍增器， 也有的使用光 电倍增管。4 真空系统(Vacuum system)为了保证离子源中灯
12、丝的正常工作，保证离子在离子源和分析器正常运行，消减不必要的离子碰撞，散射效应，复合反应和离子-分子反应，减小本底与记忆效应,因此，质谱 仪的离子源和分析器都必须处在优于10-5 mbar的真空中才能工作。也就是说，质谱仪都必须有真空系统。一般真空系统由机械真空泵和扩散泵或涡轮分子泵组成。扩散泵是常用的高真空泵，其性能稳定可靠，缺点是启动慢，从停机状态到仪器能正常工作所需时间长；涡轮分子泵则相反，仪器启动快，但使用寿命不如扩散泵。但由于涡轮分子泵使用方便，没有油的扩散污染问题.5.2.2 质谱联用技术质谱仪是一种很好的定性鉴定用仪器，对混合物的分析无能为力。色谱仪是一种很好的分离用仪器，但定性
13、能力很差，二者结合起来，则能发挥各自专长，使分离和鉴定同时进行。1 气相色谱-质谱联用仪(Gas chromatography-Mass spectrometer, GC-MS) GC-MS主要由三部分组成：色谱部分、质谱部分和数据处理系统。色谱部分和一般的色谱仪基本相同，包括有柱箱、汽化室和载气系统，也带有分流/不分流进样系统，程序升温系统、压力、流量自动控制系统等，一般不再有色谱检测器，而是利用质谱仪作为色谱的检测器。 GC-MS的质谱仪部分可以是磁式质谱仪、四极质谱仪，也可以是飞行时间质谱仪和离子阱。目前使用最多的是四极质谱仪。离子源主要是EI源和CI源。GC-MS的另外一个组成部分是计
14、算机系统。由于计算机技术的提高，GC-MS的主要操作都由计算机控制进行，这些操作包括利用标准样品（一般用FC-43）校准质谱仪，设置色谱和质谱的工作条件，数据的收集和处理以及库检索等。LC-MS联用仪主要由高效液相色谱，接口装置（同时也是电离源），质谱仪组成。高效液相色谱与一般的液相色谱相同，其作用是将混合物样品分离后进入质谱仪。2 液相色谱-质谱联用仪 (LC-MS) LC-MS接口装置 LC-MS联用的关键是LC和MS之间的接口装置。接口装置的主要作用是去除溶剂并使样品离子化。目前，几乎所有的LC-MS联用仪都使用大气压电离源作为接口装置和离子源。大气压电离源（Atmosphere pre
15、ssure Ionization，API）包括电喷雾电离源(Electrospray Ionization，ESI) 和大气压化学电离源(Atmospheric Pressure Chemicel Ionization，APCI)两种，二者之中电喷雾源应用最为广泛。3 串联质谱法(Tandem Mass spectrometry)（1）主要方式串联质谱法可以分为两类：用B表示扇形磁场，E表示扇形电场，Q表示四极杆，TOF表示飞行时间分析器，空间串联是两个以上的质量分析器联合使用，两个分析 器间有一个碰撞活化室，目的是将前级质谱仪选定的离子 打碎，由后一级质谱仪分析。空间串联磁扇型串联方式： B
16、EB EBE BEBE等四极杆串联： Q-Q-Q混合型串联： BE-Q Q-TOF EBE-TOF时间串联质谱仪只有一个分析器，前一时刻选定一离子，在分析器内打碎后，后一时刻再进行分析。时间串联离子阱质谱仪回旋共振质谱仪无论是哪种方式的串联，都必须有碰撞活化室，从第一级MS分离出来的特定离子，经过碰撞活化后，再经过第二级MS进行质量分析，以便取得更多的信息。(2)碰撞活化分解 在串联质谱中采用碰撞活化分解(Collision activated dissociation, CAD)技术把离子“打碎”。碰撞活化分解也称为碰撞诱导分解(Collision Induced dissociation, CID)，碰撞活化分解在碰撞室内进行，带有一定能量的离子进入碰撞室后，与室内情性气体的分子或原子发生碰撞，离子发生碎裂。为了使离子碰撞碎裂，必须使离子具有一定动能，对于磁式质谱仪，离子加速电压可以超过1000V，而对于四极杆，离子阱等，加速电压不超过100V，前者称为高能CAD，后者称为低能CID。二者得到的子离子谱是有差别的。（3）串联质谱法
