质谱分析

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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（mz）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J.J. Thomson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，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：  
有机质谱仪：由于应用特点不同又分为：
①  　　气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）。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。
②  　　液相色谱-质谱联用仪（LC-MS）。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-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。

③  　　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）
无机质谱仪，包括：
①  火花源双聚焦质谱仪。  
② 感应耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）。  
③ 二次离子质谱仪（SIMS）
同位素质谱仪。
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（FAB MS）。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。

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9.2 　质谱仪器

9.2.1　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。 9.2.1.1 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) 　演示动画（请点击画面） 　　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。

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质谱仪器

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）。演示动画（请点击画面） 　　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。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。

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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。MALDI常用的基质有2，5二羟基苯甲酸、芥子酸、烟酸、α-氰基-4-羟基肉桂酸等。
9.2.1.2 质量分析器(Mass analyzer)
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：
(9.1)
式中， m -离子质量, amu Z -离子电荷量，以电子的电荷量为单位 V -离子加速电压，V B -磁感应强度，T
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	演示动画（请点击画面）
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。
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。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。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。

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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。图9.8是这种分析器示意图：
离子从离子源进入四极场后，在场的作用下产生振动，如果质量为m，电荷为e的离子从Z方向进入四极场，在电场作用下其运动方程是：
(9.2)
式中：
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,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。

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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。图9.10是这种分析器的原理图。离子在加速电压V作用下得到动能，则有：
　　1/2 mv2=eV　或　v=(2eV/m)1/2 (9.3)
式中： m：离子的质量
e：离子的电荷量
V：离子加速电压
　　离子以速度v进入自由空间（漂移区），假定离子在漂移区飞行的时间为T，漂移区长度为L，则：
T=L(m/2eV)1/2 (9.4)
　　由式(9.4)可以看出，离子在漂移管中飞行的时间与离子质量的平方根成正比。也即，对于能量相同的离子，离子的质量越大，达到接收器所用的时间越长，质量越小，所用时间越短，根据这一原理，可以把不同质量的离子分开。适当增加漂移管的长度可以增加分辨率。
　　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。这样，即使是质量相同的离子，由于产生时间的先后，产生空间的前后和初始动能的大小不同，达到检测器的时间就不相同，因而降低了分辨率。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。现在，飞行时间质谱仪的分辨率可达20000以上。最高可检质量超过300000Da，并且具有很高的灵敏度。目前，这种分析器已广泛应用于气相色谱-质谱联用仪，液相色谱-质谱联用仪和基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪中。下图是基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪原理图:

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离子阱质量分析器

　　离子阱的结构如图9.11所示。离子阱的主体是一个环电极和上下两端盖电极，环电极和上下两端盖电极都是绕Z轴旋转的双曲面，并满足r20=2Z20（ r0 为环形电极的最小半径，Z0为两个端盖电极间的最短距离）。直流电压U和射频电压Vrf加在环电极和端盖电极之间，两端盖电极都处于地电位。  


　　
与四极杆分析器类似，离子在离子阱内的运动遵守所谓马蒂厄微分方程，也有类似四极杆分析器的稳定图。在稳定区内的离子，轨道振幅保持一定大小，可以长时间留在阱内，不稳定区的离子振幅很快增长，撞击到电极而消失。对于一定质量的离子，在一定的U和Vrf下，可以处在稳定区。改变U或Vrf的值，离子可能处于非稳定区。如果在引出电极上加负电压，可以将离子从阱内引出，由电子倍增器检测。因此，离子阱的质量扫描方式与四极杆类似，是在恒定的U/ Vrf下，扫描Vrf获取质谱。　　　

点击此处观看离子阱的质量扫描动画

  
　　离子阱的特点是结构小巧，质量轻，灵敏度高，而且还有多级质谱功能（见9.2.2.3节）。它可以用于GC-MS，也可以用于LC-MS。
傅立叶变换离子回旋共振分析器（Fourier transform ion cyclotron resonance analyzer, FTICR）
　　这种分析器是在原来回旋共振分析器的基础上发展起来的。因此，首先叙述一下离子回旋共振的基本原理。假定质荷比m/e的离子进入磁感应强度为B的磁场中，由于受磁场力的作用，离子作圆周运动，如果没有能量的损失和增加，圆周运动的离心力和磁场力相平衡，即：
mv2/R=Bev (9.5)

将式(9.5)整理后得：　　　　v/R=Be/m   

或　　　　=Be/m (9.6)

　　式中为离子运动的回旋频率（单位为弧度/秒）。由式(9.6)可以看出，离子的回旋频率与离子的质荷比成线性关系，当磁场强度固定后，只需精确测得离子的共振频率，就能准确的得到离子的质量。测定离子共振频率的办法是外加一个射频辐射，如果外加射频频率等于离子共振频率，离子就会吸收外加辐射能量而改变圆周运动的轨道，沿着阿基米德螺线加速，离子收集器放在适当的位置就能收到共振离子。改变辐射频率，就可以接收到不同的离子。但普通的回旋共振分析器扫描速度很慢，灵敏度低，分辨率也很差。傅立叶变换离子回旋共振分析器采用的是线性调频脉冲来激发离子，即在很短的时间内进行快速频率扫描，使很宽范围的质荷比的离子几乎同时受到激发。因而扫描速度和灵敏度比普通回旋共振分析器高得多。图9.12是这种分析器的结构示意图：


　　分析室是一个立方体结构，它是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，它与磁场方向垂直，电极上加有适当正电压，其目的是延长离子在室内滞留时间；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。样品离子引入分析室后，在强磁场作用下被迫以很小的轨道半径作回旋运动，由于离子都是以随机的非相干方式运动，因此不产生可检出的信号。如果在发射极上施加一个很快的扫频电压，当射频频率和某离子的回旋频率一致时共振条件得到满足。离子吸收射频能量，轨道半径逐渐增大，变成螺旋运动，经过一段时间的相互作用以后，所有离子都做相干运动，产生可被检出的信号。做相干运动的正离子运动至靠近接收极的一个极板时，吸收此极板表面的电子，当其继续运动到另一极板时，又会吸引另一极板表面的电子。这样便会感生出“象电


流”（见图9.13）,象电流是一种正弦形式的时间域信号，正弦波的频率和离子的固有回旋频率相同,其振幅则与分析室中该质量的离子数目成正比。如果分析室中各种质量的离子都满足共振条件，那么,实际测得的信号是同一时间内作相干轨道运动的各种离子所对应的正弦波信号的叠加。将测得的时间域信号重复累加,放大并经模数转换后输入计算机进行快速傅立叶变换,便可检出各种频率成分,然后利用频率和质量的已知关系,便可得到常见的质谱图。

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　　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（Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometer），简称FT-MS。FT-MS有很多明显的优点：

①  分辨率极高，商品仪器的分辨可超过1×106，而且在高分辨率下不影响灵敏度,而双聚焦分析器为提高分辨率必须降低灵敏度。同时，FT-MS的测量精度非常好，能达到百万分之几，这对于得到离子的元素组成是非常重要的。


② 分析灵敏度高，由于离子是同时激发同时检测，因此比普通回旋共振质谱仪高4个量级，而且在高灵敏度下可以得到高分辨率。


③  具有多级质谱功能，详细请见第9.2.2.3节  


④  可以和任何离子源相联，扩宽了仪器功能。  


　　此外还有诸如扫描速度快，性能稳定可靠，质量范围宽等优点。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。  
9.2.1.3 检测器(Detecter)


　　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。图9.14是电子倍增器示意图。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。
9.2.1.4 真空系统(Vacuum system)
　　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,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输分子泵组成。机械真空泵能达到的极限真空度为10-3 mbar,不能满足要求,必须依靠高真空泵。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，因此，近年来生产的质谱仪大多使用涡轮分子泵。涡轮分子泵直接与离子源或分析器相连，抽出的气体再由机械真空泵排到体系之外。
　　以上是一般质谱仪的主要组成部分。当然，若要仪器能正常工作，还必须要供电系统，数据处理系统等，因为没有特殊之处，不再叙述。
　　这样，一个有机化合物样品，由于其形态和分析要求不同，可以选用不同的电离方式使其离子化,再由质量分析器按离子的m/z将离子分开并按一定顺序排列成谱,经检测器检测即得到样品的质谱。图9.15是α-紫罗酮的质谱图。质谱图的横坐标是质荷比m/z ，纵坐标是各离子的相对强度。通常把最强的离子的强度定为100，称为基峰（图9.15 中为m/z=121），其他离子的强度以基峰为标准来决定。对于一定的化合物，各离子间的相对强度是一定的，因此，质谱具有化合物的结构特征。

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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。因此，早在20世纪60年代就开始了气相色谱-质谱联用技术的研究，并出现了早期的气相色谱-质谱联用仪。在70年代末，这种联用仪器已经达到很高的水平。同时开始研究液相色谱-质谱联用技术。在80年代后期，大气压电离技术的出现，使液相色谱-质谱联用仪水平提高到一个新的阶段。目前，在有机质谱仪中，除激光解吸电离-飞行时间质谱仪和傅立叶变换质谱仪之外，所有质谱仪都是和气相色谱或液相色谱组成联用仪器。这样，使质谱仪无论在定性分析还是在定量分析方面都十分方便。同时，为了增加未知物分析的结构信息，为了增加分析的选择性，采用串联质谱法（质谱-质谱联用），也是目前质谱仪发展的一个方向。也就是说，目前的质谱仪是以各种各样的联用方式工作的。因此，本节将介绍各种质谱联用技术。
　9.2.2.1 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。在色谱部分，混合样品在合适的色谱条件下被分离成单个组分，然后进入质谱仪进行鉴定。
　　色谱仪是在常压下工作，而质谱仪需要高真空，因此，如果色谱仪使用填充柱，必须经过一种接口装置一分子分离器，将色谱载气去除，使样品气进入质谱仪。如果色谱仪使用毛细管柱，则可以将毛细管直接插入质谱仪离子源，因为毛细管载气流量比填充柱小得多，不会破坏质谱仪真空。
　　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。这样，一个混合物样品进入色谱仪后，在合适的色谱条件下，被分离成单一组成并逐一进入质谱仪，经离子源电离得到具有样品信息的离子，再经分析器、检测器即得每个化合物的质谱。这些信息都由计算机储存，根据需要，可以得到混合物的色谱图、单一组分的质谱图和质谱的检索结果等。根据色谱图还可以进行定量分析。因此，GC-MS是有机物定性、定量分析的有力工具。
　　作为GC-MS联用仪的附件。还可以有直接进样杆和FAB源等。但是FAB源只能用于磁式双聚焦质谱仪。直接进样杆主要是分析高沸点的纯样品，不经过GC进样，而是直接送到离子源，加热汽化后，由EI电离。另外，GC-MS的数据系统可以有几套数据库，主要有NIST库，Willey库，农药库，毒品库等。
9.2.2.2 液相色谱-质谱联用仪(Liquid chromatography Mass spectrometer，LC-MS)
　　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。此处从略。仅介绍接口装置和质谱仪部分。
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。早期曾经使用过的接口装置有传送带接口，热喷雾接口，粒子束接口等十余种，这些接口装置都存在一定的缺点，因而都没有得到广泛推广。20世纪80年代，大气压电离源用作LC和MS联用的接口装置和电离装置之后，使得LC-MS联用技术提高了一大步。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 pressure 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。电喷雾电离源的原理与特点请参见本书第9.2.1节。
　　除了电喷雾和大气压化学电离两种接口之外，极少数仪器还使用粒子束喷雾和电子轰击相结合的电离方式,这种接口装置可以得到标准质谱，可以库检索、但只适用于小分子,应用也不普遍,故不详述。以外,还有超声喷雾电离接口。也因使用不普遍，故从略。

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质谱仪部分
　　由于接口装置同时就是离子源，因此质谱仪部分只介绍质量分析器。作为LC-MS联用仪的质量分析器种类很多，最常用的是四极杆分析器（简写为Q），其次是离子阱分析器（Trap）和飞行时间分析器（TOF）。因为LC-MS主要提供分子量信息，为了增加结构信息，LC-MS大多采用具有串联质谱功能的质量分析器,串联方式很多，如Q-Q-Q，Q-TOF等,详细请看9.2.2.3。
　9.2.2.3 串联质谱法(Tandem Mass spectrometry)
　　为了得到更多的有关分子离子和碎片离子的结构信息，早期的质谱工作者把亚稳离子作为一种研究对象。所谓亚稳离子(metastable ion)是指离子源出来的离子，由于自身不稳定，前进过程中发生了分解，丢掉一个中性碎片后生成的新离子，这个新的离子称为亚稳离子。这个过程可以表示为： m1+m2+ +N , 新生成的离子在质量上和动能上都不同于m1+ , 由于是在行进中途形成的，它也不处在质谱中m2的质量位置。研究亚稳离子对搞清离子的母子关系，对进一步研究结构十分有用。于是，在双聚焦质谱仪中设计了各种各样的磁场和电场联动扫描方式，以求得到子离子，母离子和中性碎片丢失。尽管亚稳离子能提供一些结构信息，但是由于亚稳离子形成的几率小，亚稳峰太弱，检测不容易，而且仪器操作也困难，因此，后来发展成在磁场和电场间加碰撞活化室，人为地使离子碎裂，设法检测子离子，母离子，进而得到结构信息。这是早期的质谱-质谱串联方式。随着仪器的发展，串联的方式越来越多。尤其是20世纪80年代以后出现了很多软电离技术，如ESI、APCI、FAB、MALDI等，基本上都只有准分子离子，没有结构信息，更需要串联质谱法得到结构信息。因此，近年来，串联质谱法发展十分迅速。
　　串联质谱法可以分为两类：空间串联和时间串联。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。而时间串联质谱仪只有一个分析器，前一时刻选定-离子，在分析器内打碎后，后一时刻再进行分析。本节将叙述各种串联方式和操作方式。
串联质谱的主要串联方式
　　质谱-质谱的串联方式很多，既有空间串联型，又有时间串联型。空间串联型又分磁扇型串联，四极杆串联，混合串联等。如果用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，那么串联质谱主要方式有：
①　空间串联
　　磁扇型串联方式： BEB EBE BEBE等
　　四极杆串联： Q-Q-Q
　　混合型串联： BE-Q Q-TOF EBE-TOF
②　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。

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碰撞活化分解
　　利用软电离技术（如电喷雾和快原子轰击）作为离子源时，所得到的质谱主要是准分子离子峰，碎片离子很少，因而也就没有结构信息。为了得到更多的信息，最好的办法是把准分子离子“打碎”之后测定其碎片离子。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。
串联质谱法工作方式和主要信息
三级四极质谱仪（Q-Q-Q）的工作方式和主要信息
　　三级四极质谱仪有三组四极杆，第一组四级杆用于质量分离(MS1)，第二组四极杆用于碰撞活化(CAD),第三组四极杆用于质量分离(MS2)。主要工作方式有四种(见图9.16)。

　演示动画（请点击画面）
　　图9.16中a为子离子扫描方式，这种工作方式由MSI选定-质量，CAD碎裂之后，由MS2扫描得子离子谱。b为母离子扫描方式，在这种工作方式，由MS2选定一个子离子，MS1扫描，检测器得到的是能产生选定子离子的那些离子，即母离子谱。C是中性丢失谱扫描方式，在这种方式是MS1和MS2同时扫描。只是二者始终保持一定固定的质量差(即中性丢失质量)，只有满足相差-固定质量的离子才得到检测。d是多离子反应监测方式,由MS1选择一个或几个特定离子(图中只选一个)，经碰撞碎裂之后,由其子离子中选出一特定离子，只有同时满足MS1和MS2选定的一对离子时,才有信号产生。用这种扫描方式的好处是增加了选择性，即便是两个质量相同的离子同时通过了MS1，但仍可以依靠其子离子的不同将其分开。这种方式非常适合于从很多复杂的体系中选择某特定质量,经常用于微小成分的定量分析。
离子阱质谱仪MS-MS工作方式和主要信息


　　离子阱质谱仪的MS-MS属于时间串联型，它的操作方式见图9.17，在A阶段,打开电子门此时基础电压置于低质量的截止值，使所有的离子被阱集,然后利用辅助射频电压抛射掉所有高于被分析母离子的离子。进入B阶段，增加基频电压，抛射掉所有低于被分析母离子的离子。以阱集即将碰撞活化的离子。在C阶段，利用加在端电极上的辅助射频电压激发母离子，使其与阱内本底气体碰撞，在D阶段，扫描基频电压,抛射并接收所有CID过程形成的子离子，获得子离子谱。以此类推,可以进行多级MS分析。由离子阱的工作原理可以知道，它的MS-MS功能主要是多级子离子谱，利用计算机处理软件，还可以提供母离子谱,中性丢失谱和多反应监测（MRM）。

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富立叶变换质谱仪的MS-MS功能
　　FTMS的扫描方式是依据快速扫频脉冲对所有离子“同时”激发。具有MS-MS功能的FTMS，其快速扫频脉冲可以选择性的留下频率“缺口”，用频率“缺口”选择性的留下欲分析的母离子，其它离子被激发并抛射到接收极。然后使母离子受激，使其运动半径增大又控制其轨道不要与接收极相撞。此时母离子在室内与本底气体或碰撞气体碰撞产生子离子。然后再改变射频频率接收子离子。还可由子离子谱中选一个离子再做子离子谱。由于离子损失很少。因此，FTMS可以做到5-6级子离子谱。
飞行时间质谱仪的源后裂解
　　离子在飞行过程中如果发生裂解，新产生的离子仍然以母离子速度飞行。因此在直线型漂移管中观测不到新生成的离子。如果采用带有反射器的漂移管，因为新生成的离子与其母离子动能不同，可在反射器中被分开。这种操作方式称为源后裂解（Post source decomposition ，PSD）。通过PSD操作可以得到结构信息。因此，可以认为反射型TOFMS也具有MS-MS功能。
　　另外TOF-TOF串联质谱仪已经出现。
　　关于磁式质谱仪串联和混合型串联，限于篇幅，从略。
　9.2.3　质谱仪性指标
　　衡量-台质谱仪性能好坏的指标很多。这些指标包括灵敏度，分辨率，质量范围，质量稳定性等。质谱仪的种类很多，其性能指标的表示方法也不完全相同，现将主要的指标及测试方法说明如下。
　9.2.3.1 灵敏度
GC-MS灵敏度
　　GC-MS灵敏度表示在一定的样品（如八氟萘或六氯苯），在一定的分辨率下，产生一定信噪比的分子离子峰所需的样品量。具体测量方法如下：通过GC进标准测试样品（八氟萘）1pg，质谱采用全扫描方式从m/z200扫到m/z300，扫描完成后，用八氟萘的分子离m/z272做质量色谱图并测定m/z 272离子的信噪比，如果信噪比为20，则该仪器的灵敏度可表示为1pg八氟萘（信噪比20:1）。有的仪器用六氯苯作测试样品，那么测量时要改用六氯苯的分子离子m/z288.如果仪器灵敏度达不到1pg。则要加大进样量，直到有合适大小的信噪比为止。用此时的进样量及信噪比规定灵敏度指标。
LC-MS的灵敏度测定常采用利血平作为测试样品，测试方法如下：
　　配置一定浓度的利血平（如10pg/μl），通过LC进一定量样品，以水和甲醇各50%为流动相（加入1%醋酸），全扫描，做利血平质子化分子离子峰m/z 609的质量色谱图。用进样量和信噪比规定灵敏度指标。
　9.2.3.2 分辨率
　　质谱仪的分辨率表示质谱仪把相邻两个质量分开的能力。常用R表示。其定义是，如果某质谱仪在质量M处刚刚能分开M和M+ΔM两个质量的离子。则该质谱仪的分辨率为。例如某仪器能刚刚分开质量为27.9949和28.0061两个离子峰。则该仪器的分辨率为这里有两点需说明：所谓两峰刚刚分开,一般是指两峰间的“峰谷”是峰高的10%（每个峰提供5%）。另外，在实际测量时，很难找到刚刚分开的两个峰，这时可采用下面方法进行分辨率的测量：如果两个质谱峰M1和M2的中心距离为a，峰高5%处的峰宽为b（见图9-18），则该仪器的分辨率为：
（9-7）

　　 还有一种定义分辨的方式：如果质量为M的质谱峰其峰高50%处的峰宽（半峰宽）为ΔM。则分辨率为，这后一种表示方法测量时比较方便。目前，FT-MS和TOF-MS采用这种分辨率表示方式。对于磁式质谱仪，质量分离是不均匀的，在低质量端离子分散大，高质量端离子分散小，或者说M小时ΔM小，M大时ΔM也大。因此，仪器的分辨率数值基本不随M变化。在四极质谱仪中。质量排列是均匀的，若在M=100处，ΔM=1,则R=100,  

在M=1000时，也是ΔM=1，则R=1000，分辨率随质量变化。为了对不同M处的分辨率都有一个共同的表示法，四极质谱仪的分辨率一般表示为M的倍数，如R=1.7M或R=2M等。如果是R=2M,表示在M=100时,R=200；M=1000时,R=2000。

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9.2.3.3 质量范围
　　质量范围是质谱仪所能测定的离子质荷比的范围。对于多数离子源，电离得到的离子为单电荷离子。这样，质量范围实际上就是可以测定的分子量范围；对于电喷雾源，由于形成的离子带有多电荷，尽管质量范围只有几千，但可以测定的分子量可达10万以上。质量范围的大小取决于质量分析器。四极杆分析器的质量范围上限一般在1000左右，也有的可达3000，而飞行时间质量分析器可达几十万。由于质量分离的原理不同，不同的分析器有不同的质量范围。彼此间比较没任何意义。同类型分析器则在一定程度上反映质谱仪的性能。当然，了解一台仪器的质量范围，主要为了知道它能分析的样品分子量范围。不能简单认为质量范围宽仪器就好。对于GC-MS来说，分析的对象是挥发性有机物，其分子量一般不超过500，最常见的是300以下。因此，对于GC-MS的质谱仪来说，质量范围达到800应该就足够了，再高也不一定就肯定好。如果是LC-MS用质谱仪，因为分析的很多是生物大分子，质量范围宽一点会好一些。
　9.2.3.4 质量稳定性和质量精度
　　质量稳定性主要是指仪器在工作时质量稳定的情况，通常用一定时间内质量漂移的质量单位来表示。例如某仪器的质量稳定性为：0.1amu/12hr，意思是该仪器在12小时之内，质量漂移不超过0.1amu。
　　质量精度是指质量测定的精确程度。常用相对百分比表示，例如，某化合物的质量为152,0473amu，用某质谱仪多次测定该化合物，测得的质量与该化合物理论质量之差在0.003 amu之内,则该仪器的质量精度为百万分之二十（20ppm）。质量精度是高分辨质谱仪的一项重要指标，对低分辨质谱仪没有太大意义。