質譜法

質譜法(Mass Spectrometry,MS)即用電場和磁場將運動的離子（帶電荷的原子、分子或分子碎片，有分子離子、同位素離子、碎片離子、重排離子、多電荷離子、亞穩離子、負離子和離子－分子相互作用產生的離子）按它們的質荷比分離後進行檢測的方法。測出離子準確質量即可確定離子的化合物組成。這是由於核素的準確質量是一多位小數，決不會有兩個核素的質量是一樣的，而且決不會有一種核素的質量恰好是另一核素質量的整數倍。分析這些離子可獲得化合物的分子量、化學結構、裂解規律和由單分子分解形成的某些離子間存在的某種相互關係等信息。

基本介紹

• 中文名：質譜法
• 外文名：mass spectrometry

歷史

1942年美國CEC公司推出第一台用於石油分析的商品質譜儀。質譜儀按用途可分為同位素質譜儀、有機質譜儀和無機質譜儀。

簡介

質譜法是純物質鑑定的最有力工具之一，其中包括相對分子量測定、化學式的確定及結構鑑定等。

發現

1898年W.維恩用電場和磁場使正離子束髮生偏轉時發現,電荷相同時，質量小的離子偏轉得多,質量大的離子偏轉得少。1913年J.J.湯姆孫和F.W.阿斯頓用磁偏轉儀證實氖有兩種同位素[kg1]Ne和[kg1]Ne阿斯頓於1919年製成一台能分辨一百分之一質量單位的質譜計，用來測定同位素的相對豐度，鑑定了許多同位素。但到1940年以前質譜計還只用於氣體分析和測定化學元素的穩定同位素。後來質譜法用來對石油餾分中的複雜烴類混合物進行分析，並證實了複雜分子能產生確定的能夠重複的質譜之後,才將質譜法用於測定有機化合物的結構,開拓了有機質譜的新領域。

質譜法

原理

使試樣中各組分電離生成不同荷質比的離子，經加速電場的作用，形成離子束，進入質量分析器，利用電場和磁場使發生相反的速度色散——離子束中速度較慢的離子通過電場後偏轉大，速度快的偏轉小；在磁場中離子發生角速度矢量相反的偏轉，即速度慢的離子依然偏轉大，速度快的偏轉小；當兩個場的偏轉作用彼此補償時，它們的軌道便相交於一點。與此同時，在磁場中還能發生質量的分離，這樣就使具有同一質荷比而速度不同的離子聚焦在同一點上，不同質荷比的離子聚焦在不同的點上，將它們分別聚焦而得到質譜圖，從而確定其質量。

質譜法還可以進行有效的定性分析，但對複雜有機化合物分析就無能為力了，而且在進行有機物定量分析時要經過一系列分離純化操作，十分麻煩。而色譜法對有機化合物是一種有效的分離和分析方法，特別適合進行有機化合物的定量分析，但定性分析則比較困難，因此兩者的有效結合將提供一個進行複雜化合物高效的定性定量分析的工具。

儀器

利用運動離子在電場和磁場中偏轉原理設計的儀器稱為質譜計或質譜儀。前者指用電子學方法檢測離子，而後者指離子被聚焦在照相底板上進行檢測。質譜法的儀器種類較多,根據使用範圍,可分為無機質譜儀和有機質譜計。常用的有機質譜計有單聚焦質譜計、雙聚焦質譜計和四極矩質譜計。目前後兩種用得較多，而且多與氣相色譜儀和電子計算機聯用。

質譜儀

高真空系統

質譜計必須在高真空下才能工作。用以取得所需真空度的閥泵系統，一般由前級泵（常用機械泵）和油擴散泵或分子渦輪泵等組成。擴散泵能使離子源保持在10～10毫米汞柱的真空度。有時在分析器中還有一隻擴散泵，能維持10～10毫米汞柱的真空度。

質譜法-高速電子

樣品注入系統

可分直接注入、氣相色譜、液相色譜、氣體擴散四種方法。固體樣品通過直接進樣桿將樣品注入，加熱使固體樣品轉為氣體分子。對不純的樣品可經氣相或液相色譜預先分離後，通過接口引入。液相色譜－質譜接口有傳動帶接口、直接液體接口和熱噴霧接口。熱噴霧接口是最新提出的一種軟電離方法，能適用於高極性反相溶劑和低揮發性的樣品。樣品由極性緩衝溶液以每分鐘1～2毫升流速通過一毛細管。控制毛細管溫度，使溶液接近出口處時，蒸發成細小的噴射流噴出。微小液滴還保留有殘餘的正負電荷，並與待測物形成帶有電解質或溶劑特徵的加合離子而進入質譜儀。

離子源

使樣品電離產生帶電粒子（離子）束的裝置。套用最廣的電離方法是電子轟擊法，其他還有化學電離、光致電離、場致電離、雷射電離、火花電離、表面電離、X 射線電離、場解吸電離和快原子轟擊電離等。其中場解吸和快原子轟擊特別適合測定揮發性小和對熱不穩定的化合物。

質量分析器

將離子束按質荷比進行分離的裝置。它的結構有單聚焦、雙聚焦、四極矩、飛行時間和擺線等。質量分析器的作用是將離子源中形成的離子按質荷比的大小不同分開，質量分析器可分為靜態分析器和動態分析器兩類。

收集器

經過分析器分離的同質量離子可用照相底板、法拉第筒或電子倍增器收集檢測。隨著質譜儀的解析度和靈敏度等性能的大大提高，只需要微克級甚至納克級的樣品，就能得到一張較滿意的質譜圖，因此對於微量不純的化合物，可以利用氣相色譜或液相色譜（對極性大的化合物）將化合物分離成單一組分，導入質譜計，錄下質譜圖，此時質譜計的作用如同一個檢測器。

由於色譜儀－質譜計聯用後給出的信息量大，該法與計算機聯用，使質譜圖的規格化、背景或柱流失峰的捨棄、元素組成的給出、數據的儲存和計算、多次掃描數據的累加、未知化合物質譜圖的庫檢索，以及列印數據和出圖等工作均可由計算機執行，大大簡化了操作手續。

套用

質譜法特別是它與色譜儀及計算機聯用的方法，已廣泛套用在有機化學、生化、藥物代謝、臨床、毒物學、農藥測定、環境保護、石油化學、地球化學、食品化學、植物化學、宇宙化學和國防化學等領域。用質譜計作多離子檢測，可用於定性分析，例如，在藥理生物學研究中能以藥物及其代謝產物在氣相色譜圖上的保留時間和相應質量碎片圖為基礎，確定藥物和代謝產物的存在；也可用於定量分析，用被檢化合物的穩定性同位素異構物作為內標，以取得更準確的結果。

在無機化學和核化學方面，許多揮發性低的物質可採用高頻火花源由質譜法測定。該電離方式需要一根純樣品電極。如果待測樣品呈粉末狀，可和鎳粉混合壓成電極。此法對合金、礦物、原子能和半導體等工藝中高純物質的分析尤其有價值，有可能檢測出含量為億分之一的雜質。

利用存在壽命較長的放射性同位素的衰變來確定物體存在的時間,在考古學和地理學上極有意義。例如,某种放射性礦物中有放射性鈾及其衰變產物鉛的存在，鈾238和鈾235的衰變速率是已知的，則由質譜測出鈾和由於衰變產生的鉛的同位素相對豐度，就可估計該軸礦物生成的年代。

質譜儀種類繁多，不同儀器套用特點也不同,一般來說，在300C左右能汽化的樣品，可以優先考慮用GC-MS進行分析，因為GC-MS使用EI源，得到的質譜信息多，可以進行庫檢索。毛細管柱的分離效果也好。如果在300C左右不能汽化，則需要用LC-MS分析，此時主要得分子量信息，如果是串聯質譜，還可以得一些結構信息。如果是生物大分子，主要利用LC-MS和MALDI-TOF分析，主要得分子量信息。對於蛋白質樣品，還可以測定胺基酸序列。質譜儀的解析度是一項重要技術指標，高分辨質譜儀可以提供化合物組成式，這對於結構測定是非常重要的。雙聚焦質譜儀，傅立葉變換質譜儀，帶反射器的飛行時間質譜儀等都具有高分辨功能。

質譜分析法對樣品有一定的要求。進行GC-MS分析的樣品應是有機溶液，水溶液中的有機物一般不能測定，須進行萃取分離變為有機溶液，或採用頂空進樣技術。有些化合物極性太強，在加熱過程中易分解，例如有機酸類化合物，此時可以進行酯化處理，將酸變為酯再進行GC-MS分析，由分析結果可以推測酸的結構。如果樣品不能汽化也不能酯化，那就只能進行LC-MS分析了。進行LC-MS分析的樣品最好是水溶液或甲醇溶液，LC流動相中不應含不揮發鹽。對於極性樣品,一般採用ESI源，對於非極性樣品,採用APCI源。

質譜分類

電子轟擊質譜EI-MS，場解吸附質譜FD-MS，快原子轟擊質譜FAB-MS，基質輔助雷射解吸附飛行時間質譜MALDI-TOFMS，電子噴霧質譜ESI-MS等等，不過能測大分子量的是基質輔助雷射解吸附飛行時間質譜MALDI-TOFMS和電子噴霧質譜ESIMS，其中基質輔助雷射解吸附飛行時間質譜MALDI-TOFMS可以測量的分子量達100000.

質譜的解析

質譜的解析大致步驟如下：

1. 確認分子離子峰，並由其求得相對分子質量和分子式；計算不飽和度。
2. 找出主要的離子峰（一般指相對強度較大的離子峰），並記錄這些離子峰的質荷比（m/z值）和相對強度。
3. 對質譜中分子離子峰或其他碎片離子峰丟失的中型碎片的分析也有助於圖譜的解析。
4. 用MS-MS找出母離子和子離子，或用亞穩掃描技術找出亞穩離子，把這些離子的質荷比讀到小數點後一位。
5. 配合元素分析、UV、IR、NMR和樣品理化性質提出試樣的結構式。最後將所推定的結構式按相應化合物裂解的規律，檢查各碎片離子是否符合。若沒有矛盾，就可確定可能的結構式。
6. 已知化合物可用標準圖譜對照來確定結構是否正確，這步工作可由計算機自動完成。對新化合物的結構，最終結論要用合成此化合物並做波譜分析的方法來確證。