質(zhì)譜分析技術(shù)在化學(xué)分析中的應(yīng)用研究

　質(zhì)譜的開發(fā)歷史要追溯到20世紀(jì)初，最初的質(zhì)譜儀主要用來測(cè)定元素或同位素的原子量，隨著離子光學(xué)理論的發(fā)展，質(zhì)譜儀不斷改進(jìn)，其應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大，到20世紀(jì)50年代后期已廣泛地應(yīng)用于無機(jī)化合物和有機(jī)化合物的測(cè)定?！　　　∵M(jìn)入80年代后，材料學(xué)、精密機(jī)械、電真空和計(jì)算機(jī)等新興學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了高性能質(zhì)譜儀器制造業(yè)的進(jìn)步?，F(xiàn)今，質(zhì)譜分析技術(shù)已經(jīng)大量應(yīng)用到化學(xué)分析測(cè)試中?！　　　≠|(zhì)譜分析技術(shù)基礎(chǔ)理論　　　　（一）質(zhì)譜分析法原理　　　　質(zhì)譜分析法是通過應(yīng)用質(zhì)譜儀將被測(cè)物質(zhì)離子化，按離子的質(zhì)荷比分離，測(cè)量各種離子譜峰的強(qiáng)度而實(shí)現(xiàn)分析目的的一種分析方法。質(zhì)量是物質(zhì)的固有特征之一，不同的物質(zhì)有不同的質(zhì)量譜，即質(zhì)譜，利用這一性質(zhì)，可以進(jìn)行定性分析（包括分子質(zhì)量和相關(guān)結(jié)構(gòu)信息）；而應(yīng)用譜峰強(qiáng)度與它代表的化合物含量關(guān)系可進(jìn)行定量分析?！　　　。ǘ┵|(zhì)譜儀的組成　　　　質(zhì)譜儀一般由真空系統(tǒng)、進(jìn)樣系統(tǒng)、離子源、質(zhì)量分析器、檢測(cè)器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)六部分組成?！　　　? 質(zhì)譜儀的性能指標(biāo)　　　　衡量一臺(tái)質(zhì)譜儀性能好壞的指標(biāo)很多。這些指標(biāo)包括分辨率、質(zhì)量范圍、靈敏度、質(zhì)量穩(wěn)定性、質(zhì)量精度等。質(zhì)譜儀的種類很多，其性能指標(biāo)的表示方法也不完全相同，現(xiàn)將主要的指標(biāo)說明如下?！　　　?.1 分辨率　　　　質(zhì)譜儀的分辨率表示質(zhì)譜儀把相鄰兩個(gè)質(zhì)量分開的能力。常用R表示。其定義是，如果某質(zhì)譜儀在質(zhì)量M處剛剛能分開M和M+?M兩個(gè)質(zhì)量的離子，則該質(zhì)譜儀的分辨率為R=M/?M。　　　　1.2 質(zhì)量范圍　　　　質(zhì)量范圍是質(zhì)譜儀所能測(cè)定的離子質(zhì)荷比的范圍。對(duì)于多數(shù)離子源，電離得到的離子為單電荷離子。這樣，質(zhì)量范圍實(shí)際上就是可以測(cè)定的分子量范圍；對(duì)于電噴霧源，由于形成的離子帶有多電荷，盡管質(zhì)量范圍只有幾千，但可以測(cè)定的分子量可達(dá)10萬以上。質(zhì)量范圍的大小取決于質(zhì)量分析器。四極桿分析器的質(zhì)量范圍上限一般在1000左右，也有的可達(dá)3000，而飛行時(shí)間質(zhì)量分析器可達(dá)幾十萬。由于質(zhì)量分離的原理不同，不同的分析器有不同的質(zhì)量范圍。彼此間比較沒有任何意義。同類型分析器則在一定程度上反映質(zhì)譜儀的性能。　　　　1.3 靈敏度　　　　靈敏度表示一定的樣品，在一定的分辨率下，產(chǎn)生一定信噪比的分子離子峰所需的樣品量。　　　　1.4 質(zhì)量穩(wěn)定性　　　　質(zhì)量穩(wěn)定性主要是指儀器在工作時(shí)質(zhì)量穩(wěn)定的情況，通常用一定時(shí)間內(nèi)質(zhì)量漂移的質(zhì)量單位來表示。例如某儀器的質(zhì)量穩(wěn)定性為：0.1amu/12hr，意思是該儀器在12小時(shí)之內(nèi)，質(zhì)量漂移不超過0.1 amu。　　　　1.5 質(zhì)量精度　　　　質(zhì)量精度是指質(zhì)量測(cè)定的精確程度。常用相對(duì)百分比表示。質(zhì)量精度是高分辨質(zhì)譜儀的一項(xiàng)重要指標(biāo)，對(duì)低分辨質(zhì)譜儀沒有太大意義?！　　　? 串聯(lián)質(zhì)譜及聯(lián)用技術(shù)　　　　2.1 串聯(lián)質(zhì)譜　　　　兩個(gè)或更match多的質(zhì)譜連接在一起，稱為串聯(lián)質(zhì)譜。最簡(jiǎn)單的串聯(lián)質(zhì)譜（MS/MS）由兩個(gè)質(zhì)譜串聯(lián)而成，其中第一個(gè)質(zhì)量分析器（MS1）將離子預(yù)分離或加能量修飾，由第二級(jí)質(zhì)量分析器（MS2）分析結(jié)果。MS/MS最基本的功能包括能說明MS1中的母離子和MS2中的子離子間的聯(lián)系。　　　　MS/MS在混合物分析中有很多優(yōu)勢(shì)。在質(zhì)譜與氣相色譜或液相色譜聯(lián)用時(shí)，即使色譜未能將物質(zhì)完全分離，也可以進(jìn)行鑒定。MS/MS可從樣品中選擇母離子進(jìn)行分析，而不受其他物質(zhì)干擾?！　　　?.2 聯(lián)用技術(shù)　　　　色譜可作為質(zhì)譜的樣品導(dǎo)入裝置，并對(duì)樣品進(jìn)行初步分離純化，因此色譜/質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)可對(duì)復(fù)雜體系進(jìn)行分離分析。因?yàn)樯V可得到化合物的保留時(shí)間，質(zhì)譜可給出化合物的分子量和結(jié)構(gòu)信息，故對(duì)復(fù)雜體系或混合物中化合物的鑒別和測(cè)定非常有效?！　　　≡诨瘜W(xué)分析中的應(yīng)用　　　?。ㄒ唬┵|(zhì)譜定性分析　　　　一張化合物的質(zhì)譜包含著有關(guān)化合物的很豐富的信息。在很多情況下，僅依靠質(zhì)譜就可以確定化合物的分子量、分子式和分子結(jié)構(gòu)。而且，質(zhì)譜分析的樣品用量極微，因此，質(zhì)譜法是進(jìn)行有機(jī)物鑒定的有力工具。當(dāng)然，對(duì)于復(fù)雜的有機(jī)化合物的定性，還要借助于紅外光譜、紫外光譜、核磁共振等分析方法?！　　　? 相對(duì)分子質(zhì)量的測(cè)定　　　　分子離子的質(zhì)荷比就是化合物的分子量。因此，在解釋質(zhì)譜時(shí)首先要確定分子離子峰，在判斷分子離子峰時(shí)要綜合考慮樣品來源、性質(zhì)等其他因素。如果經(jīng)判斷沒有分子離子峰或分子離子峰不能確定，則需要采取其它方法得到分子離子峰。　　　　2 化學(xué)式的確定　　　　利用一般的EI質(zhì)譜很難確定分子式。在早期，曾經(jīng)有人利用分子離子峰的同位素峰來確定分子組成式。有機(jī)化合物分子都是由C、H、O、N等元素組成的，這些元素大多具有同位素，由于同位素的貢獻(xiàn)，質(zhì)譜中除了有質(zhì)量為M的分子離子峰外，還有質(zhì)量為M+1、M+2的同位素峰。由于不同分子的元素組成不同，不同化合物的同位素豐度也不同，貝農(nóng)（Beynon）將各種化合物（包括C、H、O、N的各種組合）的M、M+1、M+2的強(qiáng)度值編成質(zhì)量與豐度表，如果知道了化合物的分子量和M、M+1、M+2的強(qiáng)度比，即可查表確定分子式?！　　　±?，某化合物分子量為M=150（豐度100%）。M+1的豐度為9.9%，M+2的豐度為0.88%，求化合物的分子式。根據(jù)Beynon表可知，M=150化合物有29個(gè)，其中與所給數(shù)據(jù)相符的為C9H10O2 。這種確定分子式的方法要求同位素峰的測(cè)定十分準(zhǔn)確。而且只適用于分子量較小，分子離子峰較強(qiáng)的化合物，如果是這樣的質(zhì)譜圖，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行庫檢索得到的結(jié)果一般都比較好，不需再計(jì)算同位素峰和查表。因此，這種查表的方法已經(jīng)不再使用。　　　　利用高分辨質(zhì)譜儀可以提供分子組成式。因?yàn)樘肌?、氧、氮的原子量分別為12.000000，10.07825，15.994914，14.003074，如果能精確測(cè)定化合物的分子量，可以由計(jì)算機(jī)輕而易舉的計(jì)算出所含不同元素的個(gè)數(shù)。目前傅里葉變換質(zhì)譜儀、雙聚焦質(zhì)譜儀、飛行時(shí)間質(zhì)譜儀等都能給出化合物的元素組成?！　　　? 結(jié)構(gòu)鑒定　　　　純物質(zhì)結(jié)構(gòu)鑒定是質(zhì)譜最成功的應(yīng)用領(lǐng)域，通過對(duì)譜圖中各碎片離子、亞穩(wěn)離子、分子離子的化學(xué)式、m/z相對(duì)峰高等信息，根據(jù)各類化合物的分裂規(guī)律，找出各碎片離子產(chǎn)生的途徑，從而拼湊出整個(gè)分子結(jié)構(gòu)。根據(jù)質(zhì)譜圖拼出來的結(jié)構(gòu)，對(duì)照其他分析方法，得出可靠的結(jié)果?！　　　×硪环N方法就是與相同條件下獲得的已知物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)圖譜比較，來確認(rèn)樣品分子的結(jié)構(gòu)?！　　　。ǘ┵|(zhì)譜定量分析　　　　1 同位素測(cè)量　　　　分子的同位素標(biāo)記對(duì)有機(jī)化學(xué)和生命化學(xué)領(lǐng)域中化學(xué)機(jī)理和動(dòng)力學(xué)研究十分重要，而進(jìn)行這一研究前必須測(cè)定標(biāo)記同位素的量，質(zhì)譜法是常用的方法之一。如確定氘代苯C6D6 的純度，通?？捎肅6D6+與C6D5H+、C6D6H2+ 等分子離子峰的相對(duì)強(qiáng)度來進(jìn)行。對(duì)其他涉及標(biāo)記同位素探針、同位素稀釋及同位素年代測(cè)定工作都可以用同位素離子峰來進(jìn)行?！　　　? 無機(jī)痕量分析　　　　火花源的發(fā)展使質(zhì)譜法可應(yīng)用于無機(jī)固體分析，成為金屬合金、礦物等分析的重要方法，它能分析周期表中幾乎所有元素，靈敏度極高，可檢出或半定量測(cè)定10-9范圍內(nèi)濃度。由于其譜圖簡(jiǎn)單且各元素譜線強(qiáng)度大致相當(dāng)，應(yīng)用十分方便?！　　　‰姼旭詈系入x子光源引入質(zhì)譜后（ICP-MS），有效地克服了火花源的不穩(wěn)定、重現(xiàn)性差、離子流隨時(shí)間變化等缺點(diǎn)，使其在無機(jī)痕量分析中得到了廣泛的應(yīng)用，ICP-MS是國際公認(rèn)的物質(zhì)量的準(zhǔn)確測(cè)量方法之一，尤其對(duì)于復(fù)雜基體樣品中痕量成分的準(zhǔn)確測(cè)量。　　　　與此同時(shí)，二次離子質(zhì)譜和同位素稀釋質(zhì)譜在研究和應(yīng)用過程中，采用了多種新技術(shù)和新工藝，方法的靈敏度、精密度有了顯著改善。這些新、老方法的結(jié)合，形成了比較完善的分析方法和測(cè)試體系?！　　　? 混合物的定量分析　　　　利用質(zhì)譜峰可進(jìn)行各種混合物組分分析，在進(jìn)行分析的過程中，保持通過質(zhì)譜儀的總離子流恒定，以使用于得到每張質(zhì)譜或標(biāo)樣的量為固定值，記錄樣品和樣品中所有組分的標(biāo)樣的質(zhì)譜圖，選擇混合物中每個(gè)組分的一個(gè)共有的峰，樣品的峰高假設(shè)為各組分這個(gè)特定m／z峰峰高之和，從各組分標(biāo)樣中測(cè)得這個(gè)組分的峰高，解數(shù)個(gè)聯(lián)立方程，以求得各組分濃度。　　　　用上述方法進(jìn)行多組分分析時(shí)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且易引入計(jì)算及測(cè)量誤差，故現(xiàn)在一般采用將復(fù)雜組分分離后再引入質(zhì)譜儀中進(jìn)行分析，常用的分離方法是色譜法?！　　　。?）氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）定量分析　　　　由GC-MS得到的總離子色譜圖或質(zhì)量色譜圖，其色譜峰面積與相應(yīng)組分的含量成正比，若對(duì)某一組分進(jìn)行定量測(cè)定，可以采用色譜分析法中的歸一化法、外標(biāo)法、內(nèi)標(biāo)法等不同方法進(jìn)行。這時(shí)，GC-MS法可以理解為將質(zhì)譜儀作為色譜儀的檢測(cè)器。其余均與色譜法相同。與色譜法定量不同的是，GC-MS法可以利用總離子色譜圖進(jìn)行定量之外，還可以利用質(zhì)量色譜圖進(jìn)行定量。這樣可以最大限度的去除其它組分干擾?！　　　榱颂岣邫z測(cè)靈敏度和減少其它組分的干擾，在GC-MS定量分析中質(zhì)譜儀經(jīng)常采用選擇離子掃描方式。對(duì)于待測(cè)組分，可以選擇一個(gè)或幾個(gè)特征離子，而相鄰組分不存在這些離子。這樣得到的色譜圖，待測(cè)組分就不存在干擾，同時(shí)有很高的靈敏度。用選擇離子得到的色譜圖進(jìn)行定量分析，具體分析方法與質(zhì)量色譜圖類似。但其靈敏度比利用質(zhì)量色譜圖會(huì)高一些，這是GC-MS定量分析中常采用的方法?！　　　。?）液相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用（LC/MS）分析方法　　　　LC-MS分析得到的質(zhì)譜過于簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)信息少，進(jìn)行定性分析比較困難，主要依靠標(biāo)準(zhǔn)樣品定性，對(duì)于多數(shù)樣品，保留時(shí)間相同，子離子譜也相同，即可定性，少數(shù)同分異構(gòu)體例外?！　　　∮肔C-MS進(jìn)行定量分析，其基本方法與普通液相色譜法相同。即通過色譜峰面積和校正因子（或標(biāo)樣）進(jìn)行定量。但由于色譜分離方面的問題，一個(gè)色譜峰可能包含幾種不同的組分，給定量分析造成誤差。因此，對(duì)于LC-MS定量分析，不采用總離子色譜圖，而是采用與待測(cè)組分相對(duì)應(yīng)的特征離子得到的質(zhì)量色譜圖或多離子監(jiān)測(cè)色譜圖，此時(shí)，不相關(guān)的組分將不出峰，這樣可以減少組分間的互相干擾，LC-MS所分析的經(jīng)常是體系十分復(fù)雜的樣品，樣品中有大量的保留時(shí)間相同、分子量也相同的干擾組分存在。為了消除其干擾，LC-MS定量的最好辦法是采用串聯(lián)質(zhì)譜的多反應(yīng)監(jiān)測(cè)（MRM）技術(shù)。即，對(duì)質(zhì)量為m1 的待測(cè)組分做子離子譜，從子離子譜中選擇一個(gè)特征離子m2 。正式分析樣品時(shí)，第一級(jí)質(zhì)譜選定m1 ，經(jīng)碰撞活化后，第二級(jí)質(zhì)譜選定m2 。只有同時(shí)具有m1 和m2 特征質(zhì)量的離子才被記錄。這樣得到的色譜圖就進(jìn)行了三次選擇：LC選擇了組分的保留時(shí)間，第一級(jí)MS選擇了m1 ，第二級(jí)MS選擇了m2 ，這樣得到的色譜峰可以認(rèn)為不再有任何干擾。然后，根據(jù)色譜峰面積，采用外標(biāo)法或內(nèi)標(biāo)法進(jìn)行定量分析。此方法適用于待測(cè)組分含量低，體系組分復(fù)雜且干擾嚴(yán)重的樣品分析?！　　　。ㄈ┵|(zhì)譜圖解析　　　　1 質(zhì)譜圖和質(zhì)譜表　　　　質(zhì)譜圖是指化合物分子被離子化后，由離子的質(zhì)荷比與其相對(duì)豐度構(gòu)成的譜圖，習(xí)慣上稱為棒圖（bargraph）。一般質(zhì)譜圖的橫坐標(biāo)表示離子的質(zhì)荷比（m/z），縱坐標(biāo)表示離子的相對(duì)豐度。豐度最大的離子峰稱基峰；在質(zhì)譜分析中，規(guī)定基峰的豐度為100，其他離子峰的豐度為其與基峰豐度的比值?！　　　≠|(zhì)譜圖表達(dá)質(zhì)譜的信息簡(jiǎn)潔、直觀，但質(zhì)荷比、豐度的表達(dá)不夠細(xì)致、準(zhǔn)確，進(jìn)行譜圖解析時(shí)就顯出不足?！　　　? 質(zhì)譜圖解析流程　　　?。?）解析分子離子區(qū)　　　　a）標(biāo)出各峰的質(zhì)荷比數(shù)，尤其注意高質(zhì)荷比區(qū)的峰?！　　　）識(shí)別分子離子峰?！　　　）分析同位素峰簇的相對(duì)強(qiáng)度比及峰與峰間的Dm值，判斷化合物是否含有Cl、Br、S、Si等元素及F、P、I等無同位素的元素?！　　　）推導(dǎo)分子式，計(jì)算不飽和度。由高分辨質(zhì)譜儀測(cè)得的精確分子量或由同位素峰簇的相對(duì)強(qiáng)度計(jì)算分子式。　　　　e）由分子離子峰的相對(duì)強(qiáng)度了解分子結(jié)構(gòu)的信息。分子離子峰的相對(duì)強(qiáng)度由分子的結(jié)構(gòu)所決定，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性大，相對(duì)強(qiáng)度就大?！　　　。?）解析碎片離子　　　　a）由特征離子峰及丟失的中性碎片了解可能的結(jié)構(gòu)信息?！　　　）綜合分析以上得到的全部信息，結(jié)合分子式及不飽和度，提出化合物的可能結(jié)構(gòu)。　　　　c）分析所推導(dǎo)的可能結(jié)構(gòu)的裂解激勵(lì)，看其是否與質(zhì)譜圖相符，確定其結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步解釋質(zhì)譜，或與標(biāo)準(zhǔn)譜圖比較，或與其他分析光譜配合，確證結(jié)構(gòu)?！　　　【庉孅c(diǎn)評(píng)　　　　質(zhì)譜法是純物質(zhì)鑒定的最有力工具之一，其中包括相對(duì)分子量測(cè)定、化學(xué)式的確定及結(jié)構(gòu)鑒定等?，F(xiàn)今，質(zhì)譜分析技術(shù)已經(jīng)大量應(yīng)用到化學(xué)分析測(cè)試中。相信在未來，質(zhì)譜技術(shù)還會(huì)給化學(xué)分析領(lǐng)域帶來無數(shù)的新技術(shù)、新動(dòng)力?！　　　?/span>