液相色谱串联质谱原理（质谱原理）

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) 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。

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。