质谱基础知识 01：基本构造和质量数

发表于 Waline：

质谱仪的基本构造

如 Figure 1 所示，质谱仪的基本构造主要分成五个部分：样品导入系统（Sample Inlet）、离子源（Ion Source）、质量分析器（Mass Analyzer）、检测器（Detector）及数据分析系统（Data Analysis System）。

Figure 1. 质谱仪的硬件组成：（a）质谱仪基本构造；（b）串联质谱仪

  • 纯物质与成分简单的样品可直接经接口导入质谱仪；样品为复杂的混合物时，可先由液相或气相色谱仪分离样品组分，再导入质谱仪。
  • 当分析样品进入质谱仪后，首先在离子源被电离成气相的带电的阳离子或阴离子。
  • 产生气相离子后，离子即进入质量分析器进行质荷比（m/z）的测量。
  • 检测器则可将离子转换成电子信号，处理并储存于计算机中，再以各种方式转换成质谱图。

此外，质谱仪还需要一个高真空系统，避免样品离子因碰撞而损失或测量到的 m/z 值有偏差。

质谱仪也可以将两个及以上的质量分析器串联在一起，当分析物经过离子源电离后，第一个质量分析器可以从混合物中选择及分离特定的离子，再以外力（碰撞气体、光子、电子等）使该离子解离，并产生碎片离子，由第二个质量分析器进行碎片离子的质量分析，该技术被称为串联质谱（Tandem Mass Spectrometry, MS/MS）技术。1

质谱中的质量数

分子量（Molecular weight, MW）：又称相对分子质量（Relative molecular mass），指化学式中各个原子的相对原子质量的总和2；根据每种元素的所有同位素及其自然丰度计算。

注 1：丰度（Abundance）：自然界中某种同位素占该元素总量的比例，通常以百分比表示3。

注 2：原子量（atomic weight）：也称相对原子质量（Relative atomic mass），指元素的平均原子质量与 \(\ce{^12C}\) 原子质量 1/12 之比4；是各同位素原子质量与丰度的加权平均值。

精确质量（Exact Mass）：具有特定同位素组成的离子或分子的相对质量5；质谱测的是质荷比（m/z），这里的 m 指的就是精确质量。

References

  1. 台湾质谱学会 编著. 质谱分析技术原理与应用[M]. 北京：科学出版社, 2019.

  2. IUPAC - relative molecular mass (R05271): https://goldbook.iupac.org/terms/view/R05271

  3. IUPAC - abundance (14415): https://goldbook.iupac.org/terms/view/14415

  4. IUPAC - relative atomic mass (R05258): https://goldbook.iupac.org/terms/view/R05258

  5. IUPAC - accurate mass (12326): https://goldbook.iupac.org/terms/view/12326