2022年jjf-气相色谱仪-质谱联用仪教学教材 .pdf

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1、此文档来源于网络，如有侵权请联系网站删除只供学习交流用台式气相色谱-质谱联用仪校准规范1 范围本规范适用于离子阱和四极杆型台式气相色谱-质谱联用仪（以下简称台式GC-MS）的校准，其它类型台式 GC-MS 的校准可参照此规范进行。2 引用文献JJF 1001 1998 通用计量术语及定义JJF 1059 1999 测量不确定度评定与表示GB/T 154811995 校准和检验实验室能力的通用要求GB/T 60412002 质谱分析方法通则JJG(教委)0031996 有机质谱仪检定规程JJG 700 1999 气相色谱仪检定规程OIML/TC16/SC2/R83 Gas chromatogra

2、ph/mass spectrometer system for analysis of rganic pollutants in water 使用本规范时，应注意使用上述引用文献的现行有效版本。3 术语和计量单位3.1 分辨力（resolution）分辨两个相邻质谱峰的能力，对于台式GC-MS以某离子峰峰高 50处的峰宽度（简称半峰宽）表示，记为 W1/2，单位 u。3.2 基线噪声（baseline noise）基线峰底与峰谷之间的宽度，单位计数。3.3 信噪比(signal-to-noise ratio)待测样品信号强度与基线噪声的比值，记为S/N。3.4 质量色谱图（mass chrom

3、atogram）质谱仪(和色谱图是两回事)质谱仪在一定质量范围内自动重复扫描所获得的质谱数据，可以不同形式再现，其中以一个或多个离子强度随时间变化的谱图，称为质量色谱图。3.5 质量准确性（mass accuracy）仪器测量值对理论值的偏差。3.6 u(atomic mass unit)原子质量单位。4 概述名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 14 页 -此文档来源于网络，如有侵权请联系网站删除只供学习交流用气相色谱质谱联用仪是将气相色谱仪与质谱仪通过一定接口耦合到一起的分析仪器。样品通过气相色谱的分离后的各个组分依次进入质谱检测器，组分在离子源被电离，产生带有一定

4、电荷、质量数不同的离子。不同离子在电场和/或磁场中的运动行为不同，采用不同质量分析器把带电离子按质荷比（m/z）分开，得到依质量顺序排列的质谱图。通过对质谱图的分析处理，可以得到样品的定性、定量结果。气相色谱质谱联用仪主要包括气相色谱系统（一般不带检测器）、离子源、质量分析器、检测器、真空系统和计算机系统等几部分。5 计量特性台式 GC-MS 各项技术指标见表1。表1 台式 GC-MS 主要技术指标技术指标要求质量范围不低于 600 u 质量准确性*0.3 u 分辨力（R）*W1/21 u 信噪比*EI 100 pg 八氟萘，m/z 272 处S/N10:1（峰峰值）正CI 10.0 ng 苯

5、甲酮，m/z 183 处S/N10:1（峰峰值）负CI 100 pg 八氟萘，m/z 272 处S/N100:1（峰峰值）测量重复性*RSD10%谱库检索10 ng 硬脂酸甲酯，相似度75气相色谱柱箱温度控制柱箱温度稳定性（10 min）优于 0.5%、程序升温重复性优于2%注：1、标*的为必须校准的项目；2、用于定性测试时，标*的可不做，用于定量测试时，标*的必须做，但可使用客户自己的工作标准溶液，指标也可根据用户使用要求而定；3、本技术指标仅供参考，不作为合格性判断依据。6 校准条件6.1 实验室环境6.1.1 仪器室内不得有强烈的机械振动和电磁干扰，不得存放与实验无关的易燃、易爆和强腐蚀

6、性气体或试剂；6.1.2 实验室温度：(1527)；6.1.3 相对湿度：75；6.2 标准物质和试剂6.2.1 八氟萘-异辛烷溶液标准物质，100 pg/L。不确定度要求？名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 14 页 -此文档来源于网络，如有侵权请联系网站删除只供学习交流用6.2.2 苯甲铜-异辛烷溶液标准物质，10 ng/L。不确定度要求？6.2.3 六氯苯-异辛烷溶液标准物质，10 ng/L。不确定度要求？6.2.4 硬脂酸钾脂-异辛烷测试溶液，10 ng/L。不确定度要求？6.2.5 异辛烷或正己烷，液相色谱级或同等级别。6.3 校准设备6.3.1 微量注射器

7、，10 L。6.3.2 气相色谱仪检定专用测量仪。7 校准项目和校准方法7.1 仪器不能有影响校准的外观缺陷，按键开关、调节旋钮等各部件工作正常。7.2 分辨力仪器稳定后，执行 Autotune命令进行自动调谐，直到调谐通过，打印调谐报告，得到半峰宽 W1/2。注：1.调谐通常使用的样品为全氟三丁胺(EC-43)。校准条件标准物质和试剂中没有，纯度有没有要求？2.也可采用手动谐通。3.对于不能打印调谐报告的仪器，可根据调谐结果测量并计算半峰宽W1/2。7.3 质量范围以全氟三丁胺调谐样品进行调谐，质量数设定达到 600以上，观察质量数 600以上(含600)的质谱峰。7.4 信噪比7.4.1

8、EI源仪器调谐通过后，参照附录C条件，注入 100 pg/L 的八氟萘-异辛烷溶液 1 L，提取m/z=272离子，再现质谱图，根据公式（1）计算 S/N。S/N=H272/H噪声(1)式中：H272提取离子(m/z)的峰高H噪声基线噪声。7.4.2正CI源参照7.4.1条件，注入10 ng/L 的苯甲铜-异辛烷溶液溶液 1 L，提取m/z=183离子，再现质谱图，根据公式（1）计算 S/N。7.4.3 负CI源参照7.4.1条件，注入 100 pg/L 的八氟萘-异辛烷溶液 1 L，提取 m/z=272离子，再现质谱图，根据公式（1）计算吗 S/N。7.5 质量准确性名师资料总结-精品资料欢

9、迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 14 页 -此文档来源于网络，如有侵权请联系网站删除只供学习交流用参照7.4.1条件，注入 10 ng/L 的硬脂酸钾脂-异辛烷溶液 1 L，记录 m/z 74(74.04)、143(143.11)、199(199.17)、255(255.23)和298(298.29)等硬脂酸钾脂主要离子的实测质量数，有效数值保留到小数点后两位，理论值见附录E，根据公式（2）计算实测值与理论值之差，以此评价质量准确性。M测iM-理iM(2)式中：测iM第 i 个离子三次测量平均值，u；理iM第 i 个离子理论值，u；注：1、以最高点及其左右两点的三次扫描所得到的质量数平均

10、值作为实测结果；2、以实测值与理论值之差绝对值最大的一个作为评价质量准确性数据。7.6 测量重复性参照7.4.1 条件，前面例如 7.2 注入1.0 L 浓度为 10.0 ng/L 的六氯苯-异辛烷溶液，连续六次，提取六氯苯特征离子m/z=284，再现质量色谱图，按质量色谱峰进行面积积分，根据公式（4）计算 RSD：16)(RSD612iixx1x100%(3)式中：RSD相对标准偏差(%)；xi六氯苯第 i 次测量峰面积；x六氯苯 6 次测量峰面积算术平均值；i测量序号。注：对于 CI 源，可采用相应的测试灵敏度的标准物质进行重复性测量。7.7 气相色谱柱箱温度控制7.7.1 柱箱温度稳定性

11、把铂电阻温度计的连线连接到数字多用表（或色谱仪检定专用测量仪）上，然后把温度计的探头固定在柱箱中部，设定柱箱温度为 70。加热升温，待温度稳定后，观察10 min，每变化一个数记录一次，求出数字多用表最大值与最小值所对应的温度差值，其差值与10 min 内温度测量的算术平均值的比值，即为柱箱温度稳定性。7.7.2 程序升温重复性按7.7.1 的校准条件和方法进行程序升温重复性校准。选定初温50，终温 200。升温速率 10/min 左右。待初温稳定后，开始程序升温，每分钟记录数据一次，直至终温稳定。此实验重复 23 次，求出相应点的最大相对偏差（Rd），其值应 2，结果按下式计算。名师资料总结

12、-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 14 页 -此文档来源于网络，如有侵权请联系网站删除只供学习交流用%100minmaxdtttR式中：tmax 相应点的最大温度（）；tmin相应点的最小温度（）；t相应点的平均温度（）。7.8 谱库检索根据7.5 质量准确性测试总离子流色谱图，得到硬脂酸甲酯质谱图，扣除本底后，在系统提供的谱库内对硬脂酸甲酯进行检索。8 校准结果处理根据校准结果，发校准证书，所有校准项目及其结果均应在证书中反映。校准结果的表达按照 JJF1071-2000 技术规范的要求，包含标题、实验室名称和地址、送校单位的名称和地址、校准日期、校准所用测量标准的溯源性及有

13、效性说明、校准环境等方面内容。9 复校时间间隔台式气相色谱-质谱联用仪的复校时间间隔由用户自定，推荐不超过 2 年，更换重要部件、维修或对仪器性能有怀疑时，应随时校准。附录A 记录格式附录B 证书格式附录C 气相色谱和质谱参数C.1 质谱参数EI 源：离子化能量：70 eV；扫描范围：信噪比测试，m/z200300；质量准确性测试，m/z20350；重复性测试，m/z200300；溶剂延迟：3 min（或视具体情况而定）；离子源和四极杆温度根据厂家推荐值设定；其它参数，如电子倍增器或光电倍增器工作电压，均以自动或手动调谐时确定的值作为校准参数。CI 源：反应气：根据厂家推荐方法选择载气种类和流

14、量；名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 14 页 -此文档来源于网络，如有侵权请联系网站删除只供学习交流用扫描范围：负化学源信噪比测试，m/z200300；正化学源信噪比测试，m/z100230；重复性测试，根据测试对象确定；溶剂延迟：3 min（或视具体情况而定）；离子源和四极杆温度根据厂家推荐值设定；其它参数，如电子倍增器或光电倍增器工作电压，均以自动或手动调谐时确定的值作为校准参数。C.2 色谱参数（参考条件）色谱柱：DB-5MS 30 m 0.25 mm 0.25 m，或其它类似色谱柱；进样口温度：250；传输线温度：250；程序升温：八氟萘和苯甲酮，70（2

15、 min）10/min 220(5 min)；六氯苯和硬脂酸甲酯，150 10/min 250(5 min)；进样方式：不分流进样；进样量：1.0 L；载气：高纯氦；流速：1.0 mL/min，恒流或恒压（无恒流控制部件）。注：当色谱柱不同时，柱箱温度可作相应改变。附录D 不确定度评定台式 GC-MS 校准，在考察的各项指标中，主要对信噪比进行不确定度评价，不确定度主要来自：1、n 次测量相对标准偏差，A类，记为：u1；2、所采用标准物质的不确定度，B类，记为：u2。因此，得到合成标准不确定度uc：uc=2221uu2 将合成标准不确定度乘以包含因子k（k=2）得到扩展不确定度 U扩展：U扩展

16、kuc 附录E 硬脂酸甲酯主要离子峰理论值离子（m/z）理论值名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 14 页 -此文档来源于网络，如有侵权请联系网站删除只供学习交流用74 74.04 87 87.04 129 129.09 143 143.11 199 199.17 255 255.23 267 267.27 298 298.29 附录F 全氟三丁胺主要离子峰值质量数（m/z）质量数（m/z）质量数（m/z）50 131 265 69 132 314 70 145 326 76 150 352 81 164 376 93 169 414 95 176 415 100 1

17、81 426 101 214 464 112 219 502 113 220 503 114 226 614 119 264 615 质谱仪的工作原理质谱仪是一种分析各种同位素并测量其质量及含量百分比的仪器。当一束带电的原子核通过质谱仪中的电场和磁场时，凡其荷质比不相等的，便被分开。S1和 S2为两个狭缝，从离子源引出的离子受到施于 S1及 S2间的电位差，在通过S1的匀强磁场区。进入磁场时的速度由下式决定：V2=2（q/m）v(1)正离子在这一磁场中运动时其轨道如图中所示半径为r 的圆。当离子走过一半圆而抵达照相底片P时会在它上面留下痕迹。由轨道半径r=mv/qB（见洛仑兹力），得v=qbr

18、/m(2)合并(1)、(2)式，消去 v，即得q/m=2 V/b2 r2因为 V、b 及 r 可直接测量得到，所以如果我们能够用其他方法决定离子所带的电荷q，则由上式便可求出离子的质量。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 14 页 -此文档来源于网络，如有侵权请联系网站删除只供学习交流用我们可以用质谱仪将电荷相同而质量不同的离子分开。科学家应用这种仪器在1920 年左右发现了同种化学元素的原子其质量可以不相同；这些质量不同的同一种元素的原子被称为同位素。汤姆逊首先利用电磁场测定电子的荷质比的原理，同样可运用到带正电的离子，从荷质比很容易算出该离子的质量。正离子通常带电

19、量等于一个电子（称为单电荷离子）。但有时也带有两个、三个甚至四个电子电量（称为多电荷离子）。目前应用的质谱仪是非常精确的仪器，它不但可以测量出每种同位素之准确质量，并可测定每种同位素在元素中所占的百分比。如将这种仪器略加修改，也可应用到同位素分离。质谱仪的形式很多，但所应用的主要原理及结构却大同小异。图 3-32 所示是一台现代用质谱仪的主要装置部分。这装置是在真空中，正离子流自离子源引出经过窄隙S 进入一曲圆形之电场C1C2，调节 C1C2 之间的电压，可选择一定能量之正离子，这些正离子随着电场之形状弯曲90 而进入一个半圆形的匀强磁场中，磁场的方向与图面垂直且指向纸内，进入磁场之正离子受磁

20、力作用而沿半圆形轨道进行。因正离子e/m之大小不同，轨道形成大小不等的半圆。分别落在底片上的不同位置也就是说元素将按其质量大小的顺序而排列，故称之为“质谱”。如果我们分别测出每种粒子的电流。就能从这些电流大小的比例中，得出该种在离子源中被电离的物质的各种同位素的成分比例。它也可以把化合物中的不同物质的离子分开和成分分析。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，

21、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。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

22、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70 eV 下做出的。在 70 eV 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70 eV 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1020 eV 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

23、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。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 14 页 -此文档来源于网络，如有侵权请联系网站删除只供学习交流用此外，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

24、些化合物得不到分子离子。化学电离源(Chemical Ionization，CI)。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：甲烷离子与分子进行反应，生成加合离子：加合离子与样品分子反应：生成的

25、 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

26、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

27、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。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 14 页 -此文档来源于网络，如有侵权请联系网站删除只供学习交流用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

28、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）。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

29、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10000 Da 的分子若带有10 个电荷，则其质荷比只有1000 Da，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300000 Da 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

30、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1000

31、 Da。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。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器。单聚焦分析结构简单，操作方便但其分辨力很低。不能满足有机物分析要求，目前只用于同位素质谱仪

32、和气体质谱仪。单聚集质谱仪分辨力低的主要原因在于它不能克服离子初始能量分散名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 14 页 -此文档来源于网络，如有侵权请联系网站删除只供学习交流用对分辨力造成的影响。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，从而降低了分辨力。为了消除离子能量分散对分辨力的影响，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

33、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力的影响。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力高，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。四极杆分析器(Quadrupole analyzer)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

34、下其运动方程是：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

35、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。飞行时间质量分析器(Time of flight analyzer)名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理

36、-第 11 页，共 14 页 -此文档来源于网络，如有侵权请联系网站删除只供学习交流用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：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：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力。飞行时间

37、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力低这一缺点，造成分辨力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，因而降低了分辨力。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力下降。现在，飞行时间质谱仪的分辨力可达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

38、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: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。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。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 14 页 -此文档

39、来源于网络，如有侵权请联系网站删除只供学习交流用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：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

40、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，分辨力也很差。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

41、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

42、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。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

43、 ion cyclotron resonance mass spectrometer），简称 FT-MS。FT-MS 有很多明显的优点：分辨力极高，商品仪器的分辨可超过1 106，而且在高分辨力下不影响灵敏度，而双聚焦分析器为提高分辨力必须降低灵敏度。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。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力。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 14 页 -此文档来源于网络，如有侵权请联系网站删除只供学习交流用具有多级质谱

44、功能，详细请见第9.2.2.3 节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。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

45、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。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

46、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 -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。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 14 页，共 14 页 -