-连续
质谱仪器
质谱分析法
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。从
n
制成第一
台质谱仪，到现在已有近
90
年了，
早
期的质谱仪主要是用来进行同位素测定和无机元素分析，
二十世纪四十年代以后开始用于
有机物分析，
六十年
代出现了气相色谱
-
质谱联用仪，使质谱仪的应用领域大大扩展，开始成为有机物分析的重要仪器。计算机
的应
用又使质谱分析法发生了飞跃变化，
使其技术更加成熟，<
/p>
使用更加方便。
八十年代以后又出现了一些新的质谱技
术，如快原子轰击电离子源，基质辅助激光解吸电离源，电喷雾电离源，大气压化学电离源，以及随 之而来的比
较成熟的液相色谱
-
质谱联
用仪，感应耦合等离子体质谱仪，富立叶变换质谱仪等。这些新的电离技术和新的质
谱仪
使质谱分析又取得了长足进展。目前质谱分析法已广泛地应用于化学、化工、材料、环境、地质、能源、药
物、刑侦、生命科学、运动医学等各个领域。
质谱仪种类非常多，工作原理和应用范围也有很大的不同。从应用角度，质谱仪可以分为下面几类：
1.1.
有机质谱仪：由于应用特点不同又分为：
气相色谱
-
质谱联用仪（
GC-M
S
）
。在这类仪器中，由于质谱仪工作原理不同，又有气相色谱
-
四极质谱仪，气相色
谱
-
飞行时间质谱仪，气相色谱
-
离子阱质谱仪等。
1.1.1.
液相色谱
-
质谱联用仪（
LC-MS<
/p>
）
。同样，有液相色谱
-
四器极质谱仪，液相色谱
-
离子阱质谱仪，液相色谱<
/p>
-
飞行时间质谱仪，以及各种各样的液相色谱
-
质谱
-
质谱联用仪。
1.1.2
其他有机质谱仪，主要有：
基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪（
MALDI-
TOFMS
）
富立叶变换质谱仪（
FT-
MS
）
1.2.
无机质谱仪，包括：
1.2.1
火花源双聚焦质谱仪。
1.2.2
感应耦合等离子体质谱仪（
ICP-
MS
）
。
1.2.3
二次离子质谱仪（
SIM
S
）
1.3
同位素质谱仪。
1.4
同位素质谱仪。
1.5.
气体分析质谱仪。主要有呼气质谱仪，氦质谱检漏仪等。
以上的分类并不十分严谨。因为有些仪器带有不同附件，具有不同功能。例如，一台气相色谱
-
双聚焦质谱
仪，如果改用快原子轰击
电离源，就不再是气相色谱
-
质谱联用仪，而称为快原子轰击质
谱仪（
FABMS
）
。另外，
有的质谱仪既可以和气相色谱相连，又可以和液相色谱相连，因此也不好归于某一类。在以上各类
质谱仪中，数
量最多，用途最广的是有机质谱仪。因此，本章主要介绍的是有机质谱分析
方法。
除上述分类外，还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。
1.1
一般质谱仪结构与工作原理
质谱分析
法主要是通过对样品的离子的质荷比的分析而实现对样品进行定性和定量的一种方法。
因
此，
质谱
仪都必须有电离装置把样品电离为离子，有质量分析装
置把不同质荷比的离子分开
,
经检测器检测之后可以得到
样品的质谱图，
由于有机样品
,
无机样品和同位素样品等具有不同形态、
性质和不同的分析要求
,
所以，
所用的电
离装置、
质量分析装置和检测装置有所不同。但是，不管是哪种类型的质谱仪，其基本组成是相同的。都包括离
子源、质量分析器、检测器和真空系统。本节主要介绍有机质谱仪的基本结构和工作原理。
1.2
离子源（
Ion
source
）
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。
质谱仪的离子源种类
很多，
现将主要的离子源介
绍如下。
电子电离源
(Electron Ionization
EI)
电子电离源又称
EI
源，是应用最为广泛的离子源，它主要用于挥发性样品的电离。图<
/p>
9.1
是电子电离源的
原理图，由
GC
或直接进样杆进入的样品，以气体形式进入离子源，由灯丝
F
发出的电子与样品分子发生碰撞使
样品分子
电离。
一般情况下
,
灯丝
F
与接收极
T
之间的电压为
70
伏
,
所有
的标准质谱图都是在
70ev
下做出的。
在
70ev
电子碰撞作用下
,
有机物分子可能被打掉一个电子形成分子离子，也可能会发生化学键的断裂形成碎片离
子。由分子离子可以确定化合物分子量
,
由碎片
离子可以得到化合物的结构。对于一些不稳定的化合物
,
在
70ev
的电子轰击下很难得到分子离子。为了得到分子量，可以采
用
1020ev
的电子能量，不过此时仪器灵敏度将大大
降低，需要加大样品的进样量。而且，得到的质谱图不再是标准质谱图。
离子源中进行的电离过程是很复杂的过程，
有专门的理论对
这些过程进行解释和描述。
在电子轰击下，
样品分子
可能有四种不同途径形成离子：
样品分子被打掉一个电子形成分子离子。
分子离子进一步发生化学键断裂形成碎片离子。
分子离子发生结构重排形成重排离子。
通过分子离子反应生成加合离子。
此
外，还有同位素离子。这样，一个样品分子可以产生很多带有结构信息的离子，对这些离子进行质量分析和检
测，可以得到具有样品信息的质谱图。
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。
化学电离源
(Chemical Ionization ,
EI )
。
有些化合物稳定性差，用
EI
方式不易得到分子离子
,
因而也就得不到分子量。为了得到分子量可以采用
CI
< br>电离
方式。
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。灯丝发出的电子首先将反应气
< br>电离，然后反应气离子与样品分子进行离子
-
分子反应，
并使样品气电离。现以甲烷作为反应气，说明化学电离
的过程。在电子轰击下，甲烷首先
被电离
:
CH4+e CH4+ + CH3+ +
CH2+ + CH++ C+ + H+
甲烷离子与分子进行反应，生成加合离子：
CH4+ + CH4 CH5+ + CH3
CH3 +
+ CH4 C2H5+ + H2
加合离子与样品分子反应：
CH5+
+ XH XH2+ + CH4
C2H5+ + XH X+ +C2H6
生成的
XH2+
和
X+
比样品分子
XH
多一个
H
或少一个
H
，可表示为
(M1)
，称为准分子离子。事实上，以甲烷作为反应气，除
(M+1)+
之外，还可能出现
(M+17)+
，
(M+29)+
等离子，同时还出现大量的碎片离子。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。由于
CI
得到的
质谱不是标准质谱，所以不能进行库
检索。
EI
和
CI
源主要用于气相色谱
-
质谱联用
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
）
是另一种常用的离子源，它主要用于极性强、分子量大的样品
分析。其工作原理如图
9.2
所示：
氩气在电离室依靠放电产生氩离子，
高能氩离子经电荷交换得到高能氩原子流，
氩原子打在样品上产生样品离子。
样品置于涂有底物（如甘油）的靶上。靶材为铜，原子氩打在样品上使其电离后进入真空，并在电场 作用下进入
分析器。
电离过程中不必加热气化，
因此适合于分析大分子量、
难气化、
热稳定性差的样品
。
例如肽类、
低聚糖、
天然抗生素、有
机金属络合物等。
FAB
源得到的质谱不仅有较强的准分子离子
峰，而且有较丰富的结构信息。但
+
是，它与
< br>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。最内层是液相色谱
流出物，
外层是喷射气，喷射气常采用大流量的氮气，其作用是使喷出的液体容易分散成
微滴。另外，在喷嘴的斜前方还
有一个补助气喷咀，
补助气的作
用是使微滴的溶剂快速蒸发。
在微滴蒸发过程中表面电荷密度逐渐增大，
当增大
到某个临界值时，离子就可以从表面蒸发出来。离子产生后，借助于喷咀
与锥孔之间的电压，穿过取样孔进入分
析器（见图
9.3
）
。
加到喷嘴上的电压可以是正，也可以是负。通过调节极性，可以得到正或负离子的质谱。其中值得一 提的是电喷
雾喷嘴的角度，如果喷嘴正对取样孔，则取样孔易堵塞。因此，有的电喷雾喷
嘴设计成喷射方向与取样孔不在一
条线上，而错开一定角度。这样溶剂雾滴不会直接喷到
取样孔上，使取样孔比较干净，不易堵塞。产生的离子靠
电场的作用引入取样孔，进入分
析器。
电喷雾电离源是一种软电离方式，即便是分子量大，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，如蛋白质、肽、糖等。电喷雾电离源的最大特点是容易形成多电荷离子。这
样，一个
分子量为
10000Da
的分子若带有
10
个电荷，则其质荷比只有
1000Da
，进入了一般质谱仪可以分析的范
围之内。根据这一特点，目前采用电喷雾电离，可
以测量分子量在
300000Da
以上的蛋白质。图
9.4
是由电喷雾
电离源得到的肌红蛋白的质谱图
：
5
．大
气压化学电离源
(Atmospheric pressure chemical
Ionization, APCI)
它的结构与电喷雾源大致相同，不同之处在于<
/p>
APCI
喷咀的下游放置一个针状放电电极，通过放电电极的高<
/p>
+
+
+
+
压放电，使空气中某些中性分子电离，产生
H
3
O
，
N
2<
/p>
，
O
2
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。图
9.5
是大气压化学电离源的示意图
:
大气压化学电离源主要用来分析中等极性的化合物。
有些分析物由于结构和极性方面的原
因，
用
ESI
不能产
< br>生足够强的离子，可以采用
APCI
方式增加离子产率，
可以认为
APCI
是
ESI
的补充。
APCI
主要产生的是单电荷
离子，所以分析的化合物分子量一般小于
1000Da
。用这种电离源得到的质谱很少有碎片离子，主要是准分子离
子。以上两种电离源主
要用于液相色谱
-
质谱联用仪。
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式。
被分析的样品置于涂有基质
的样品靶上
,
激光照射到样品靶上
,
基质分子吸收激光能量，
与样品分子一起蒸发到气相并使样品分子电离。
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
MA
LDI)
。
MALDI
特别适合于飞行
时间质谱仪
(TOF),
组成
MALD
I-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。
MALDI
常用的
基质有
2
，
5
二羟基苯甲酸、芥子酸、烟
酸、
?-
氰
基
-4-
羟基肉桂酸等。
2.1.2
质量分析器
(Mass analyzer)
< br>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。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。
因此，
首先简单介绍一下单聚焦分析器
。
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。其运动轨道半径
R
可由下式表示：
``
由上式可知，在一定
的
B
、
V
条件下，不同
m/z
的离子其运动半径不同，这样，由离子源产生的离子
,
经过分析
器后可实现质量分离
,
如果检测器位置不变（即
R
不变）
、连续改变
V
或
B
可以使不同
m/
z
的离子顺序进入检测器，实现质量扫描，得
到样品的质谱。图
9.6
是单聚焦分析器原理图
,
这种单聚焦分析器可以是
180
°
的（如图
9.6
）
,
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。
不能满足有机物分析要求，
目前只用于同位素质谱仪和气
体质谱仪。
单聚集质谱仪分辨
率低的主要原因在于它不能克服离子初始能量分散对分辨率造成的影响。
在离子源
产生的离子当中，质量相同的离子应该聚在一起，但由于离子初始能量不同，经过磁场后其偏转
半径也不同，而
是以能量大小为了消除离子能量分散对分辨率的影响，
< br>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。质量相同而能量不同的离子经过静电电场后会彼此分开。即静电场有能量色散作用。<
/p>
如果设法使静电场的能量色散作用和磁场的能量色散作用大小相等方向相反，
就可以消除能量分散对分辨率的影
响。只要是质量相同的离子，经过电场和磁
场后可以会聚在一起。另外质量的离子会聚在另一点。改变离子加速
电压可以实现质量扫
描。
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（见图
9.7
）
.
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。顺序分开，即磁场也具有能量色散作用。这样就使得相邻两种质量的离子很难分离，
从而降低了分辨率。
四极杆分析器
(Quadrupole analyzer)<
/p>
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（
V
dc
+
V
rf
）
，另外两根电极间加有
-
（
V
dc
+V
rf
）
。其中
V
dc
为直流电压，
V
rf
为射频电压。四个棒状电极形成一个四极电场。图
9.8
是这种分析器示意图：
离子运动轨迹可由方程
9.2
的解描述，数学分析表明，在
a, q
取某些
数值时，运动方程有稳定的解，稳定
解的图解形式通常用
a,
q
参数的稳定三角形表示。
（图
9.9
）当离子的
a, q
值处于稳定三角形
内部时，这些离
子振幅是有限的，因而可以通过四极场达到检测器。在保持
Vdc/Vrf
不变的情况下改变
Vrf
值，对应于一个
Vrf
值，四极场只允许一种质荷
比的离子通过，其余离子则振幅不断增大，最后碰到四极杆而被吸收。通过四极杆的
离子
到达检测器被检测。改变
Vrf
值
,<
/p>
可以使另外质荷比的离子顺序通过四极场实现质量扫描。设置扫描范围实
< br>际上是设置
Vrf
值的变化范围。
当
Vrf
值由一个值变化到另一个值时
,
检测器检测到的离子就会从
m1
变
化到
m2
，
也即得到
< br>m1
到
m2
的质谱。
Vrf
的变化可以
是连续的，也可以是跳跃式的。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
）
。当样品量很少，而且样品中特征离子已知时，
可以采用选择离子监
测。这种扫描方式灵敏度高，而且，通过选择适当的离子使干扰组份不被采集，可以消除组
分间的干扰。
SIM
适合于定量分析
,
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。
飞行时间质量分析器
(Time of flight
analyzer)
-连续
-连续
-连续
-连续
-连续
-连续
-连续
-连续
-
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