实验十一、固体试样的质谱测定.doc

实验十一、固体试样的质谱测定
—直接进样法
一、实验目的
1. 学习质谱分析的基本原理；
2. 了解Quattro Micro API质谱仪的基本构造、工作原理及操作方法；
3. 学习质谱图解析的基本方法。
二、实验原理
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。
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，有电子电离源，化学电离源，快原子轰击源，电喷雾源，大气压化学电离源等，实验室Quattro Micro API质谱仪配备的电离源为电喷雾源和大气压化学电离源。
电喷雾源（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，借助于喷嘴与锥孔之间的电压，穿过取样孔进入分析器。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300000Da以上的蛋白质。
大气压化学电离源（APCI）它的结构与电喷雾源大致相同，不同之处在APCI喷嘴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。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 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。
质量分析器的作用是将离子源产生的离子按m/z顺序分开并排列成谱。用于有机质谱仪的质量分析器有磁式双聚焦分析器，四极杆分析器，离子阱分析器，飞行时间分析器，回旋共振分析器等。本实验室用到的是三重四级杆分析器
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。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。
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。
本实验采用直接进样法测定对羟基苯甲酸乙酯的电喷雾质谱。
三、实验仪器及试剂
1. Quattro Micro API质谱仪
2. 超声波
3. 针头式过滤器
4. 甲醇色谱纯
5. 对羟基苯甲酸乙酯分析纯

四、实验条件
1. 电离方式：ESI -； 　 Capillary(kV)：-3.0； 　Cone(V)：-15，-20，-25； 　RF Lens(V)： -0.1; 　　
Sourse Temp(℃)：80； 　Desolvation Temp (℃)：120； Gas Flow(L/h)：450; LM Resolution1：15； HM Resolution1：15；　　Ion Energy1：0.5；　　　Entrance：50；　　Collision：2；　　　Exit：50；LM Resolution2：15； 　HM Resolution2：15；　　Ion Energy2：0.5；　Ｍultiplier：650；
质荷比扫描范围：50 ~ 250．
五、实验操作步骤及内容
1. 打开氮气、氩气瓶开关，检查氮气、氩气压力是否符合要求：氮气=0.7MPa，
2. 检查仪器电源是否与不间断电源连接(电源中线接地,电流需≥13A)。
3. 依次打开显示器，计算机主机，打印机，质谱仪左下角电源开关，三分钟后待质谱仪发出“嘀”声，表示质谱仪自检完成。
4. 双击“Masslynx V4.0”图标进入Masslynx主菜单。
5. 点击“MS Tune”进入Quattro Micro仪器调谐窗口，点击菜单栏“Ion Mode”，选择离子模式，点击菜单栏“Options”，选“Pump”，质谱仪进入抽真空状态，当达到工作真空（<10-4）质谱仪面板上的Vaccum灯由橙变绿色，且离子源开始加热。待离子源温度达到设定值后,点击菜单栏中的API gas图标, 打开氮气阀,点击Operate图标打开仪器的高压电源, 在内置蠕动泵上用注射器官注入调节仪器的标准样品, 点击Syinge Pump 开始蠕动泵进样,然后进行调节仪器.
6. 调节灵敏度，可通过调电离源参数使仪器灵敏度达到最佳。在ES＋/ES－ Sourse项下，通过设定Capillary(kv)；Cone(V)；Sourse Temp(℃)；Desolvation Temp (℃)；Gas Flow等参数值,并调整进样探头的位置,使仪器达到最佳灵敏度。一般情况下, Capillary(kv)为2.5~3.5KV；Cone(V)为30~50V；Sourse Temp(℃)为80~120度；Desolvation Temp (℃)150~300度；Gas Flow为450~650升/小时
7. 调节分辨率，可通过调四极杆参数使仪器的分辨率与待测样品相适宜。在Analyser项下，设定LM Resolution1； HM Resolution1；Ion Energy；Entrance；Collision；Exit等参数值。使灵敏度和分辨率均适宜，且仪器处于最佳工作状态。
8. 测定样品。在内置蠕动泵上的注射器装入被测样品，（样品配制方法同高效液相色谱法的样品配制）点击Syinge Pump蠕动泵开始进样。
9. 点击Acquire，输入Data File Name、Founction、Start Mass、End Mass等参数，然后点击Start开始正式采集质谱图。
10. 数据采集过程中的谱图处理: 在Masslynx主菜单，点击Chromatogram，进入Chromatogram窗口，点击主菜单栏“Display”，选“Real-Time update”，出现实时监测的总离子色谱图，右键拉|—|，将这一时间的质谱图迭加并显示在质谱图窗口中. 在质谱图窗口中, 可以对谱图进行Smooth(平滑)，Subtract（扣底），Center（棒图）等处理，点击主菜单栏“File”选“Print”，即可打印报告。
11. 取出注射器，倒出样品并清洗干净。
12. 仪器关机：在MS Tune窗口中,将Desoluration Temp(ºC) 降至室温。点击Press for Standby，API gas，关闭高压和气源。
13. 点击主菜单栏“Options”选“Vent”，使仪器放真空，待放真空后关质谱仪电源，依次关闭计算机主机、显示器、打印机。
六、实验数据处理
1. 对不同的Cone电压下的谱图进行分析；
2. 判别分子离子峰，以确定相对分子质量；
3. 根据同位素峰的个数、质荷比和相对强度指出分子及碎片离子中是否含氯或溴等特殊元素，以及含几个这样的原子。
七、注意事项
1. 所用溶剂均需为色谱纯且过滤。
2. 机械泵的油面宜在2/3处，泵长期运作时每周需拧开灰色振气旋钮(5~6圈)进行半小时振气，使油内的杂物排出, 然后再拧紧该旋钮。如果是做APCI 操作,每天工作结束后, 应按上述方法对机械泵进行振气操作。
3. 每次进样测定前，均需用针头注入溶剂清洗Capillary。
八、思考题
1. 用直接进样法测定固体试样的质谱时，应注意哪些问题？
2. 何谓分子离子，它在质谱解析中有何用处？
3. 一台完好的质谱仪应包含哪几部分，各起什么作用？
4. 实验中用到的API gas是哪种气体，它有什么作用？
5. 为什么不同的Cone电压下测绘出来的谱图不同？