第十三章质谱法-20140305.docxVIP

第十二章质谱法质谱法（Mass spectrometry，简称MS）是通过对离子质荷比（m/z）的分析来进行定性和定量分析及研究分子结构的分析方法。离子的离子流强度或丰度相对于质荷比变化的函数关系称为质谱，进行这一分析的仪器即为质谱仪。质谱法发展到现在已经有100多年的历史，美国学者汤姆生在1913年就曾预言：“化学中存在的许多问题可以凭借这个方法来解决，而且比其他方法更为简便。”早期的质谱法最重要的工作是分离测定同位素，即同位素质谱法。20世纪40年代之后，质谱法开始用于有机物的分析；60年代出现气相色谱-质谱联用仪器；80年代随着一批如原子轰击电离源、电喷雾电离源及基质辅助激光解析电离源等软电离技术的出现，质谱法开始研究热不稳定及生物大分子化合物，从而进入了生命科学领域，生物质谱也迅速地发展起来了。现代质谱法具有以下特点：灵敏度高，最优化条件下只需要10-12g样品分析速度快，几分钟之内即可完成测试。分析范围广，可用于固体、液体、气体样品分析，也可用于热稳定和热不稳定的化合物分析。提供的信息量大，可同时提供被测物质的相对分子质量和结构信息。既能定性分析也可定量分析。可以和各种色谱仪器联用，实现复杂体系的分析，如液相色谱-质谱联用。§12.1质谱仪质谱仪的种类很多，根据所分析样品的的不同应使用不同类型的质谱仪，如同位素质谱仪、无机质谱仪、有机质谱仪。不管是何种质谱仪都由以下四个部分组成：样品导入系统、电离源、质量分析器、信号检测系统。12.1.1样品导入系统根据样品不同的物理性质，如熔点、蒸汽压等，采用不同的方法将样品导入离子源，对于气体和具有挥发性的液体，可以通过注射器或阀直接注入预先抽成真空的储存器，然后通过细小的漏孔进入离子源。固体样品可用直径6mm、长25cm，前端有容纳样品的陶瓷小凹槽的不锈钢棒导入。通过电加热使样品蒸发。如图12-1所示。图12-1 样品导入装置12.1.2电离源电离源提供的能量能够使被测样品离子化。质谱仪的灵敏度、分辨率等重要指标均和离子源息息相关。随着科技的发展，现代质谱仪中有多种电离源，应用广泛的如电子电离源、电喷雾电离源等。电子电离源（electron ionization，EI）电子电离源（EI）主要用于气体样品，由离子化区和离子加速区组成。图（1）离子化区离子化区主要由电子发射极（阴极）和电子收集极（阳极）组成。低压气体样品导入时，在离子化区受到由钨丝或铼丝组成的加热灯丝产生的并且受到阳极加速的高能电子流的轰击，可使样品分子失去电荷成为正离子。分子离子中的化学键在电子流的轰击下进一步断裂，形成各种质荷比的碎片离子，带电荷的离子受到排斥电极的排斥而进入离子加速区。由于分子被电离之后主要生成大量正离子和少量负离子，并且排斥电极不能排斥中性分子和负离子，所以只有正离子才能进入离子加速区，而少量的负离子和中性分子被维持低压的抽真空系统抽出。电子流则在收集电压的作用下达到电子收集极。一般情况下，电子发射极与收集极之间的电压为70V，即电子能量为70eV，所有的标准质谱图都是在此条件下做出的。为了减少碎片离子峰得到简化的质谱图，有时候也会采用10-20eV的电子能量。（2）离子加速区由离子化区产生的各种质荷比的离子，在离子加速区加速。忽略离子的初始动能，则离子的动能为12-1其中，v为离子运动速度，U为加速电压，ze为离子电荷量，m为离子质量。电子离子源得到的离子流稳定性好，电离效率较高，因而应用最为广泛。缺点是对于相对分子质量太大的样品稳定性差，不易得到分子离子。因此无法测定相对分子质量太大的样品的相对分子质量。化学电离源（chemical ionization，CI）化学电离源的离子源与电子电离源结构相似，但化学电离源是将样品气体和反应气体分子混合（样品含量约为0.1%）通入电离室，最常用的反应气体为甲烷、异丁烷、氢气、氨气等。灯丝发出的电子束首先电离反应气体，产生的反应气体离子与样品气体再进行离子分子反应，使样品分子电离。化学电离是一种软电离方法，一般用于稳定性差的化合物，用电子电离源难以得到分子离子的样品，但其缺点是碎片少，可提供的结构信息少。一般的质谱仪中都同时装置有电子电离源和化学电离源，可根据实验的需要进行切换。电子电离源和化学电离源一般都只适用于小分子化合物的质谱分析，而相对分子质量较大的化合物如蛋白质、核酸类的生物大分子则要使用新的软电离技术来进行质谱分析。场电离源（field ionization，FI）场电离源中最重要的部件是电极，其结构图如12-2所示。阳极通常是一个尖锐金属丝或金属片，上面布满微针，因此被称作“金属胡须”发射器。阳极和阴极之间的电压差为10kV，而两级间距极小约为10-4cm。因此两电极间的电压梯度高达108V?cm-1。当偶极矩较大且具有高极化率的样品分