仪器分析_二十一章 质谱法的工作原理和主要性能指标

第二十一章质谱活 (Mass Spectrometry, MS) 质谱法是通过将样品转化为运动的气态离子并按质 比 大小进行分离并记录其信息的分析方法。所 得结果以图谱表 即所谓的质谱图(亦称质谱,Mass 物及无机物的定性和定量分精、复柔化合物的结构分析 样品中各种同位素比的测定及固体表面的结构和组成分 析等。 从20世纪60年代开始,质谱法更加普遍地应用到有 机化学和生物化学领城。化学家们认识到由于质谱法的 独特的电离过程及分离方式,从中获得的信息是具有化 学本性,直接与其结构相夭的,可以用它来阐明各种物 的分子结构。正是由于这些因素,质诸仪成为多数研 究室及分析实验室的标准仪器

第二十一章 质 谱 法 （Mass Spectrometry， MS） 质谱法是通过将样品转化为运动的气态离子并按质 荷比(M／Z)大小进行分离并记录其信息的分析方法。所 得结果以图谱表达，即所谓的质谱图（亦称质谱，Mass Spectrum）。根据质谱图提供的信息可以进行多种有机 物及无机物的定性和定量分析、复杂化合物的结构分析、 样品中各种同位素比的测定及固体表面的结构和组成分 析等。 从20世纪60年代开始，质谱法更加普遍地应用到有 机化学和生物化学领域。化学家们认识到由于质谱法的 独特的电离过程及分离方式，从中获得的信息是具有化 学本性，直接与其结构相关的，可以用它来阐明各种物 质的分子结构。正是由于这些因素，质谱仪成为多数研 究室及分析实验室的标准仪器之一

21-1质谱仪 ()质谱仪的工作原理 质谱仪是利用电磁学原理,使带电的样品离 子按质荷比进行分离的装置。离子电离后经加速进 入磁场中,其动能与加速电压及电荷Z有关,即 zel n O 其中z为电荷数,e为元电荷(e=1.60×1019C),U为加速电压, m为离子的质量,υ为离子被加速后的运动速度。具有速度u的 带电粒子进入质谱分析器的电磁场中,根据所选择的分离方式, 最终实现各种离子按m/z进行分离

21-l 质谱仪 (一）质谱仪的工作原理 质谱仪是利用电磁学原理，使带电的样品离 子按质荷比进行分离的装置。离子电离后经加速进 入磁场中，其动能与加速电压及电荷Z有关，即 2 2 1 zeU = m 其中z为电荷数，e为元电荷（e=1.60×10-19C），U为加速电压， m为离子的质量，υ为离子被加速后的运动速度。具有速度υ的 带电粒子进入质谱分析器的电磁场中，根据所选择的分离方式， 最终实现各种离子按m／z进行分离

(二)质谱仪的主要性能指标 1.质量测定范围 质谱仪的质量测定范围表示质谱仪所能够进 行分析的样品的相对原子质量(或相对分子质量) 范围,通常采用原子质量单位( unified atomic mass unit,符号u)进行度量。原子质量单位是由C来 定义的,即一个处于基态的C中性原子的质量的 1/2,目 120000g12C/mo2C 126.02214×102312C原子/mo1C 1.66054×1024g/12C原子 1.66054×102kg/12C原子

（二）质谱仪的主要性能指标 1．质量测定范围 质谱仪的质量测定范围表示质谱仪所能够进 行分析的样品的相对原子质量（或相对分子质量） 范围，通常采用原子质量单位（unified atomic mass unit，符号u）进行度量。原子质量单位是由12C来 定义的，即一个处于基态的12C中性原子的质量的 1/2，即 ） C原子 mol C g C mol C u 2 3 1 2 1 2 1 2 1 2 6.02214 10 / 12.00000 / ( 12 1 1  = =1.66054×10-24g/12C原子 =1.66054×10-27kg/12C原子

而在非精确测量物质的场合,常采 用原子核中所含质子和中子的总数即 “质量数”来表示质量的大小,其数值 等于其相对质量数的整数。 测定气体用的质谱仪,一般质量测 定范围在2~100,而有机质谱仪一般可 达几千。现代质谱仪甚至可以研究相对 分子质量达几十万的生化样品

而在非精确测量物质的场合，常采 用原子核中所含质子和中子的总数即 “质量数”来表示质量的大小，其数值 等于其相对质量数的整数。 测定气体用的质谱仪，一般质量测 定范围在2～100，而有机质谱仪一般可 达几千。现代质谱仪甚至可以研究相对 分子质量达几十万的生化样品

2.分辨本领 所谓分辨本领,是指质谱仪分开相邻质 量数离子的能力,一般定义是:对两个相等 强度的相邻峰,当两峰间的峰谷不大于其峰 高10%时,则认为两峰已经分开,其分辨率 72 72 772 △刀2 其中m1、m2为质量数,且叫m1<m2。,故在两峰质 量数较小时,要求仪器分辨率越大

2．分辨本领 所谓分辨本领，是指质谱仪分开相邻质 量数离子的能力，一般定义是：对两个相等 强度的相邻峰，当两峰间的峰谷不大于其峰 高10％时，则认为两峰已经分开，其分辨率 m m m m m R  = − = 1 2 1 1 其中m1、m2为质量数，且叫m1＜m2。，故在两峰质 量数较小时，要求仪器分辨率越大

h h 10 图21-1质谱仪10%峰谷分辨率

而在实际工作中,有时很难找到相邻的 且峰高相等的两个峰,同时峰谷又为峰髙的 10%。在这种情况下,可任选一单峰,测其 峰高5%处的峰宽W0o,即可当作上式中的 △m,此时分辨率定义为 R=m/w 0.05 如果该峰是高斯型的,上述两式计算结果是 样的

而在实际工作中，有时很难找到相邻的 且峰高相等的两个峰，同时峰谷又为峰高的 10％。在这种情况下，可任选一单峰，测其 峰高5％处的峰宽W0.05，即可当作上式中的 Δm，此时分辨率定义为 R = m/W0.05 如果该峰是高斯型的，上述两式计算结果是 一样的

【例21.1】要鉴别N+2(m/z为28.006)和CO+ (m/z为27.995)两个峰,仪器的分辨率至少是多少? 在某质谱仪上测得一质谱峰中心位置为245u,峰高5 %处的峰宽为0.52u,可否满足上述要求? 解:要分辨N和CO,要求质谱仪分辨率 至少为: 27995 2545 need 28.006-27995 质谱仪的分辨率:R=245/0.52=471 RR Sp need y 故不能满足要求

【例21．1】要鉴别N+ 2（m/z为28．006）和CO+ （m/z为27．995）两个峰，仪器的分辨率至少是多少? 在某质谱仪上测得一质谱峰中心位置为245u，峰高5 ％处的峰宽为0.52u，可否满足上述要求？ 解: 要分辨N+ 2和CO+，要求质谱仪分辨率 至少为： 2545 28.006 27.995 27.995 = − Rneed = 质谱仪的分辨率： Rsp=245/0.52=471 Rsp ＜Rneed， 故不能满足要求

质谱仪的分辨本领由几个因素决定: (i)离子通道的半径;(i)加速器与收集 器狭缝宽度;(ⅲ)离子源的性质 质谱仪的分辨本领几乎决定了仪器的 价格。分辨率在500左右的质谱仪可以满足 般有机分析的要求,此类仪器的质量分析 器一般是四极滤质器、离子阱等,仪器价格 相对较低。若要进行准确的同位素质量及有 机分子质量的准确测定,则需要使用分辨率 大于10000的高分辨率质谱仪,这类质谱仪 仪器分辨率可达10000,当然其价格也将会 是低分辨率仪器的4倍以上

质谱仪的分辨本领由几个因素决定： （i）离子通道的半径；(ii）加速器与收集 器狭缝宽度；（iii）离子源的性质。 质谱仪的分辨本领几乎决定了仪器的 价格。分辨率在500左右的质谱仪可以满足 一般有机分析的要求，此类仪器的质量分析 器一般是四极滤质器、离子阱等，仪器价格 相对较低。若要进行准确的同位素质量及有 机分子质量的准确测定，则需要使用分辨率 大于10000的高分辨率质谱仪，这类质谱仪 一般采用双聚焦磁式质量分析器。目前这种 仪器分辨率可达100000，当然其价格也将会 是低分辨率仪器的4倍以上

3.灵敏度 质谱仪的灵敏度有绝对灵敏度、相对 灵敏度和分析灵敏度等几种表示方法。 绝对灵敏度是指仪器可以枢 测到的最小样品量;相对灵敏度 是指仪器可以同时检测的大组分 与小组分含量之比;分析灵敏度 则指输入仪器的样品量与仪器输 出的信号之比

3．灵敏度 质谱仪的灵敏度有绝对灵敏度、相对 灵敏度和分析灵敏度等几种表示方法。 绝对灵敏度是指仪器可以检 测到的最小样品量；相对灵敏度 是指仪器可以同时检测的大组分 与小组分含量之比；分析灵敏度 则指输入仪器的样品量与仪器输 出的信号之比