质谱分析法

质谱分析法（Mass Spectrometry，MS）是将样品离子化后，通过质量分析器测定样品的分子离子及碎片的质量数，最终确定样品的相对分子质量或分子结构的方法。目标化合物的分子被不同电离方式离子化后，如高能电子轰击等，样品分子失去电子或被打碎，变为带正电荷的分子离子和碎片离子，按照质量 m 和电荷 z 的比值大小，即质荷比大小依次排列而被记录下来的谱图，称为质谱图。

质谱MS

• 优点
  • 至今为止唯一一个可以确定物质相对分子质量的方法，在高分辨质谱仪中不仅能够准确测定相对分子质量，而且可以确定化合物的化学式和进行结构分析
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• 原理
  • 质谱方程式
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• 质谱仪器
  • 真空系统
    • 用于降低背景及减少离子间或离子与分子间的碰撞
  • 进样系统
    • 在不破坏仪器真空环境、具有可靠重复的条件下将试样引入离子源
      • 间接进样
        • 气体或易挥发液体试样
      • 直接进样
        • 高沸点的试液、固体试样
      • 色谱进样
        • 用于色谱-质谱连用仪器中
  • 离子源
    • 电子轰击离子源（EI）
      • 优点
        • 电离效率高，灵敏度高，应用范围广，稳定，操作方便，电子流强度可精确控制，结构简单，控温方便，有达10万个化合物的数据库可快速检索
      • 缺点
        • 很多情况下得不到分子离子峰，对相对分子质量的测定有困难，主要用于挥发性试样，不适用于难挥发和热稳定性差的试样，质量范围小，有可能汽化前发生解离
    • 化学电离源（CI)
      • 优点
        • 电离能小，质谱峰数少，图谱简单，准分子离子峰大，可提供相对分子质量的信息，有些用EI源得不到的分子离子峰，用CI源可以得到准分子离子
      • 缺点
        • 得到的质谱不是标准质谱，难以进行谱库检索，不适用难挥发试样。
    • 电喷雾电离源(ESI)
      • 优点
        • 质量范围大，灵敏度高，可观察生物分子非共价反应，没有基质干扰带多电荷，允许质量范围窄的设备检测高质量数的离子，通过计算平均值给出更精确的质量数，可以测定稳定性差的试样
      • 缺点
        • 耐盐能力低，对某些化合物特别敏感，污染难清洗，样品需先气化，混合物不适用，带多电荷，在分析混合物时，产生混乱，定量时需内校准，不适用于非极性化合物
    • 大气压化学电离源（APCI)
      • 优点
        • 适用于热稳定化合物分析，适用于非极性或低、中极性的化合物
      • 缺点
        • 要求试样有一定的挥发性，分析的质量范围较小
    • 激光解吸电离源（MALDI)
      • 优点
        • 与试样分子作用时间短、区域小、温度低，得到的主要是分子离子峰、准分子离子峰、少量碎片离子峰和多电荷离子峰，能得到精确的相对分子质量信息，特别适合于飞行时间质量分析器联用
      • 缺点
        • 只能用于分析极性分子
    • 快原子轰击源（FAB）
      • 优点
        • 分析的质量范围大，快速，分辨率高，基质可作为参照离子进行精确质量测定，大质量的甘油团形成多电荷可测生物大分子
      • 缺点
        • 质量数高时灵敏度下降严重，灵敏度比MALDI, ESI低，碎片少，结构信息少，基质多峰，干扰结果分析，样品必须能溶于基质，非极性物质难以离子化
  • 质量分析器
    • 单聚焦质量分析器
      • 优点
        • 结构简单、操作方便
      • 缺点
        • 分辨率低（离子源产生的离子在被加速时的初始能量不同，即速率不同，即使质荷比相同的离子，最后不能全部聚焦在检测器上）
    • 双聚焦质量分析器
      • 优点
        • 分辨率高
      • 缺点
        • 扫描速率慢，操作调整比较困难，而且仪器造价也比较昂贵
      • 离子受到静电分析器的作用，改作圆周运动，当离子所受到的电场力与离子运动的离心力相平衡时，离子运动发生偏转的半径R与质荷比m/z、运动速率v和静电场的电场强度E的关系
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    • 四极杠质量分析器
      • 优点
        • 体积小，重量轻；灵敏度较磁场式仪器高，且操作方便；具有高速扫描的优点，能容忍相对低的真空度
      • 缺点
        • 分辨率比双聚焦式低
    • 飞行时间质量分析器
      • 优点
        • 仪器的机械结构较简单，扫描速度快，不存在聚焦狭缝，灵敏度很高；快速的数据采集；很容易接离子源，测定的质量范围仅决定于飞行时间
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      • 缺点
        • 分辨率和重现性不如磁式和四极分析器
    • 离子阱质量分析器
      • 优点
        • 结构紧凑、质量轻，在全扫描模式下仍然具有较高灵敏度，而且单个离子阱通过时间序列的设定就可以实现多级质谱的功能
      • 缺点
        • 造价较昂贵，属于高档仪器
    • 傅里叶变换离子回旋共振分析器
      • 优点
        • 分辨率很高
      • 缺点
        • 造价太高，在分析实验室中极少用
  • 离子检测器
    • 常用的离子检测器是静电式电子倍增器，灵敏度高，测定速度快。此外还有法拉第筒接收器、照相版和闪烁计数器等。
  • 计算机自动控制及数据处理系统
    • 经离子检测器检测后的电流，经放大器放大后，用记录仪快速记录到光敏记录纸上，或者用计算机处理结果
• 主要离子峰
  • 分子离子峰
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  • 碎片离子峰
    • 当电子轰击的能量超过分子离子电离所需要的能量时，可能使分子离子的化学键进一步断裂，产生质量数较低的碎片，称为碎片离子峰
  • 同位素离子峰
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  • 重排离子峰
    • 分子离子裂解成碎片时，有些碎片离子不仅是通过键的简单断裂，有时还会通过分子内某些原子或基团的重新排列或转移而形成离子，形成的峰称为重排离子峰
    • 麦氏重排(羰基的γ位碳上有氢，形成的是β碳和γ碳的双键)
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  • 亚稳离子峰
    • 在离子化、裂解、重排的过程中有些离子处于亚稳态，这些离子形成的峰称为亚稳离子峰
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• 解谱
  • 分子离子峰的确定
    • 氮规律
      • 氮原子个数是奇数时相对分子质量为奇数，氮原子个数为偶数或0时相对分子质量为偶数
    • 碎片离子峰的合理性
      • 若出现M-3至M-14、M-21至M-25范围内的碎片峰，称为不合理碎片峰，说明对分子离子峰的判断有误
    • 利用同位素离子峰识别
      • 有些元素的同位素相对丰度较大，其M+2同位素峰非常明显，可通过M、M+2等质谱峰来推断分子离子峰
    • 分子离子稳定性
      • 当分子离子峰出现为基峰时，该化合物一般为芳环、杂环、或共轭多烯；当分子离子峰很弱或不出现时，该化合物一般是醇类化合物
    • 分子离子峰强度变化
      • 在电子轰击离子源(EI)中，适当降低电子轰击电压，观察m/z最大峰是否在所有离子峰中最后消失，若最后消失即为分子离子峰
  • 化学式的确定
    • 通过同位素峰相对强度来确定。在质谱图上测得分子离子峰M、同位素峰M+1和M+2的强度，并计算其(M+1)/M、(M+2)/M强度百分比，查表结合其他规律，确定化合物的化学式
  • 结构式的确定
    • ①确定化合物的相对分子质量和化学式
    • ②计算化合物的不饱和度
    • ③分析碎片离子峰、重排离子峰，推测化合物可能的结构单元
    • ④必要时可以结合红外、紫外、核磁共振等方法核对化合物结构
    • 先分子离子峰后碎片离子峰、重排离子峰，必要时考虑亚稳离子峰。先否定后肯定
• 定量分析
  • 无机化合物痕量分析
    • 火花源质谱仪可以分析无机固体试样，通过离子峰相对强度的测量可以进行质谱定量分析。灵敏度高，应用方便但火花源不稳定、重现性差。
    • 电感耦合等离子体-质谱联用技术用于许多元素的同位素比的测定和微量、痕量元素分析，检出限低
  • 同位素的测定
    • 稳定的同位素可以用来“标记”各种化合物，通过同位素离子峰的相对强度进行定量分析。
  • 混合物的定量分析
    • 混合物的质谱定量分析，目前常用于多组分气体和石油中挥发性烷烃的分析。通过计算机求解数个联立方程，得到各组分含量。该方法一次进样实现全分析，快速，灵敏
• 多级串连质谱优点
  • 可以获得较多的结构信息，有利于对物质进行定性分析
  • 适合于复杂混合物的分析，可以使试样的预处理大大简化
  • 可以说明多级质谱中母离子与子离子之间的联系，根据各级质谱的扫描模式，可以查明不同质量数离子间的关系
  • 可以同时定量分析多个化合物
  • 抗干扰、抗污染、检测灵敏度高