质谱分析综述

质谱分析的研究

引言

本学期在仪器分析课堂上接触了质谱分析，质谱分析已经成为了现代物理化学领域内使用的一个极为重要的工具，至今已有近百年历史。本文将就质谱原理、仪器、发展方向三个方面，对质谱分析进行综合性的阐述。 一、概述

早期的质谱分析主要用于测定原子质量、同位素的相对丰度，以及研究电子碰撞等物理

领域，第二次世界大战时期为了适应原子能工业和石油化学工业的需要，质谱法在化学分析中的应用受到了重视。出现了高分辨率质谱仪，这种一起对复杂有机分子所得的谱图，分辨率高，重视性好，因而成为了测定有机化合物结构的一种重要手段。今年来各种类型的质谱仪器相继问世，而质谱仪器的心脏——离子源，也是多种多样的，因此质谱法已经日益广泛的应用于原子能、化学、电子、冶金、医药、食品、陶瓷等工业生产部门，农业科学研究部门，以及物理、电子与离子物理、同位素地质学、有机化学等科学技术领域。 二、原理

（一）、质谱仪原理的示意图：

离子源 (电离和加速，形成各种离子) 检测器 (检测各种质荷比的离子)

质量分析器 (把不同质荷比 数据处理系统。

进样系统 的离子分开)

（二）、主要过程：

（1）在极高的真空度下 (10-5～10-8Torr ), 高能电子束 (10-70 eV) 在离子源内激发样品的气态分子，离子源内分子由电子束作用失掉一个电子形成分子离子 [M]+。

（2）由电子束获得的能量还能使分子离子进一步裂解，生成较小质量的碎片离子和一些中性碎片。

（3）离开离子源的所有离子都被静电压 V 加速，然后进入与运动方向相垂直,强度为 H 的磁场。将离子按质荷比 (m/e) 分开并按质荷比大小排列成谱图形式。

（三）离子飞行方向依 m/e 的大小而偏转 (曲率半径为 r)，其关系为：

r2=km/eV2H

质谱方程式设计质谱仪器的主要依据

其中 k 是比例常数。也就是具有相同 m/e 的离子偏转程度相同

二、 质谱仪

1.进样系统

a.探头进样系统

一般最常用的探头有电子轰击源直接进样杆,快原子轰击源直接进样杆等。

b. 储罐进样系统

包括储气室、加热器、真空连接系统及一个通过分子漏孔将样品导入离子源的接口。 气体和液体样品在不需要进一步分离时用此方式进样，储气罐可加热至 200℃。此进样方式一般用于石油工业、环保等领域。

c. 注射泵进样系统

用于 ESI(电喷雾电离源) 和 APCI(大气压化学电离源）的直接进样。

d. 色谱进样系统

用于 GC-MS,HPLC-MS,CE-MS

2.电离和加热室 (离子源)

被分析物质在这里被电离，形成各种离子。不同性质的样品需用不同的电离方式。为使生成的离子到达质量分析器，在离子源的出口施加一个高电压即加速电压，对离子进行加速。不同的分析器有不同的加速电压。

离子源的种类很多，主要有电子轰击电离源（ EI）,化学电离源（ CI）,场致电离源（ FI）,场解吸电离源（ FD）,快原子轰击源（FAB）,激光解吸电离源（ LD）,热喷雾电离源（ TS）,电喷雾电离源（ ESI）,大气压化学电离源（ APCI）,基质辅助激光解析电离源（ MALDI）等。

3.质量分析器

功能：把不同质荷比的离子分开排列成谱，是质谱仪的核心。不同类型的质量分析器有不同

的原理、特点、适用范围、功能。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

4.检测器

a、检测各种质荷比的离子。检测器的种类有电子倍增器、光电倍增器、平板式微通道板检测器等。

b、现用得较多的是光电倍增器，永久性地密封于其自身的玻璃真空外壳中，这样可以保护光电倍增器在很宽的动态范围内，无论是检测正离子还是负离子，都能保持高灵敏度、恒定的增益和线性,并且使用寿命长达 10 年。

c、平板式微通道板检测器则用于飞行时间质谱仪 (TOF)。因为 TOF 作为质量分析器是脉冲式检测方式，离子按质量大小以不同的飞行时间依次到达检测器。这种平板式微通道板检测器具有极高的灵敏度。

5.计算机、数据处理系统

在计算机未问世前，用反射式电流计，即被检测的每个 m/e 值的离子电流作用于电流计上，电流计的发射镜就把光束反射到光敏纸上，从而实行记录。

计算机系统的功能是对质谱仪进行控制，包括对质谱数据的采集、处理和打印。现有电子轰击源 (EI) 的质谱仪的均有 NIST 标准谱库，谱库中有十几万张标准谱图及用于环保、农药、兴奋剂, 代谢产物等专用谱库。可进行谱库检索。高分辨质谱仪其数据系统的软件则更丰富，还能给出分子离子和其他碎片离子的元素组成及理论计算值、偏差值 (百万分之一), 饱和度等其他有关信息。

6.真空系统

为了保证离子源中灯丝的正常工作，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, 质谱仪的离子源和分析器一般真空度都要求在 10-5-10-8 Torr 才能工作。

真空系统由机械真空泵和扩散泵或涡轮分子泵组成。通常用机械泵预抽真空，然后用扩散泵或涡轮分子泵连续地抽气。 注：质谱仪的主要指标：

三个主要指标-质量范围、分辨率、灵敏度 1．质量范围(mass range)

指质谱仪所检测离子的质荷比范围。对单电荷离子而言，就是指离子的质量范围。在检测多电荷时，所检测的离子根据其带多少个电荷而扩展其的质量范围。

2．分辨率(resolution)

分辨率又称之为分辨本领。这是质谱仪的一 个重要性能。一般规定：当两个峰之间峰 谷的高度超过两峰平均高度的10%时，则 两峰没有被分开。

磁式质谱仪的分辨率R的公式：

R=

MM

M：为可分辨的两个峰的平均质量 △M：为质谱仪可分辨的两个峰的质量差。

由此可见分辨率是质谱仪分开相邻两离子质量的能力。 实际测量中将此公式写成：

R10% =

MM ×

ab 公式2

a为相邻两峰的中心距离； b为峰高5%处的峰宽；

对傅里叶变换质谱FT-ICR及飞行时间质谱仪(TOF)而言，分辨率仍用公式1。

3．灵敏度(senstivity)

灵敏度是表示质谱仪出峰的强度与所用样品量之间的关系。是表示对所选定的样品在一定的分辨率情况下，产生一定信噪比的分子离子峰所需的样品量。

测定灵敏度的方法多种多样的，一般直接进样灵敏度的测定方法是：在固定分辨本领的情况下，直接进入微克量级的某种样品，看其分子离子峰的强度与噪声的比值，就是信/噪比值，用 S/N 表示。噪声指基线的强度。

4. 质量精度

利用质谱仪定性分析时，质量精度是一个很重要的性能指标。在低分辨质谱仪中，仪器的质量指示标尺精度不应低于±0.4质量数。高分辨率质谱仪给出离子的精确质量，相对精度一般在1-10ppm。

三、发展应用

1、质谱在肽和蛋白质序列分析中的应用

肽和蛋白质的序列对理解其功能具有重要意义，测定其序列也是当前生命科学研究中的重要内容之一，质谱作为高灵敏度的测定分子结构的仪器，其高灵敏度，广泛的适

用性及快速性等特性使它具有很大潜力发展成为辅助传统测序方法的新方法，并得到了广泛的关注。

2、猕猴桃果酒香气成分的气相色谱/ 质谱分析

采用溶液萃取法提取猕猴桃果酒中的香气成分,经气相色谱2质谱联机分析,分离出44 个峰,鉴定出42 种化合物,占总峰面积的94. 51 %。其中主要为32甲基丁醇、22甲基丙醇、苯乙醇、乙酸乙酯、四氢化22甲基噻吩、辛酸、二氢化22 (3H)2呋喃酮、乙酸32甲基丁酯、己酸、1H2吲哚232乙醇等。

3、岩矿样品中稀有气体同位素组成的质谱分析

利用MM5400质谱计建立了岩矿样品中He,Ne,Ar,Kr和Xe同位素组成的测定方法 。仪器的工作状态稳定，且能将3He与HD的谱峰完全分开。在处理气体将非稀有气体尤其是碳的化合物用海绵钛炉充分消除，在测试Ne同位素组成时用烧结型不锈钢滤芯可以基本消除40Ar^2+对20Ne的干扰，必要时要进行校正；为了保证谱峰强度与相应元素量的大小之间的线性关系，质谱计主机中的气体量应控制合适，对宽甸新生代火山岩及地幔岩包体中稀有气体同位素组成的测定结果表明，中国东部上地幔具有大洋中脊玄武 岩（MORB）型的源区特征。

4、双向电泳及质谱分析与蛋白组研究

蛋白组分析是对生物蛋白组的分析与检测，即对生物蛋白质的大范围研究．蛋白组分析首先要将混合蛋白质分离，分离的主要方法是蛋白双向电泳．蛋白双向电泳是一种高效且广泛应用于分析由细胞、组织或其他生物样本中提取的复杂蛋白混合物的方法．此方法根据蛋白互不关联的两个特性一等电点和分子量对蛋白进行分离．它分辨率高，稳定性好，是蛋白组分析的关键技术之一．已被分离的蛋白质由质谱分析对其进行鉴定．

四．总结

目前质谱在药检领域的应用迅速增加，原因是许多保健品、中药制剂、食品等非法添加化学成分，需要做出鉴定，虽是中国国情使然，却也为质谱的发展提供了广阔的应用前景。电子计算机的应用和相应的理论研究可开发质谱分析的应用范围，指导实际应用。目前来看，质谱分析是比较好的测定原子质量、同位素的相对丰度、电子碰撞过程以及分析复杂有机化合混合物的最佳手段。由于以往质谱定量分析比较费时费力，现在多采用联用技术。然而，现有的理论结构尚不够完善，例如对低纯度样品的分析等待研究解决。

参考文献

【1】 朱明华，仪器分析（第四版）[M]，高等教育出版社，2010，99-104

【2】 李可昌，猕猴桃果酒香气成分的气相色谱/ 质谱分析，分析化学(FENXI HUAXUE) 研究简

报，2002，695～698

【3】 许克新，王云川, 双向电泳及质谱分析与蛋白组研究,第四军医大学学报，2002；23(22) 【4】 叶先仁，岩矿样品中稀有气体同位素组成的质谱分析，《岩矿测试》2001年 第3期

【5】 苏朝晖，激光作用K-3[Co(cn)-6]产生的C-nN~-及其质谱分析，《科学通报》1992年19期 【6】 吴玫函，气相色谱-质谱联用技术在我国中药研究中的应用，《解放军药学学报》2002年第2

期

【7】 陈晶，质谱在肽和蛋白质序列分析中的应用，《有机化学》2002年 第2期

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/0zbo.html