質(zhì)譜分析法在化學(xué)分析中的應(yīng)用

龐桑桑

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，研究水平不斷提高，先進(jìn)技術(shù)方法在化學(xué)分析中的應(yīng)用水平實(shí)現(xiàn)了很大程度的提升，為化學(xué)分析的精準(zhǔn)度與效率提高提供了有力的技術(shù)支持。在這其中質(zhì)譜分析法的研究程度與應(yīng)用水平的提高十分明顯，所發(fā)揮的作用也愈發(fā)突出，在測定相對分子量、確定化學(xué)式和鑒定結(jié)構(gòu)方面是十分有力的工具及技術(shù)方法。本文主要分析闡述質(zhì)譜分析法在化學(xué)分析中的應(yīng)用的相關(guān)內(nèi)容，以期為提高質(zhì)譜分析法在化學(xué)分析中的應(yīng)用水平提供幫助。

關(guān)鍵詞：質(zhì)譜分析法;化學(xué)分析;應(yīng)用

質(zhì)譜分析法的應(yīng)用范圍廣泛，現(xiàn)階段已在有機(jī)化學(xué)、石油化學(xué)、食品化學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)、生化研究等方面取得了豐碩的應(yīng)用成果。通過質(zhì)譜分析法，可以對物質(zhì)離子進(jìn)行分析，從而獲取離子之間的相互關(guān)系等信息。

一、質(zhì)譜分析法的概述

質(zhì)譜分析法，即Mass Spectrometry，簡稱MS。早期的質(zhì)譜分析法主要是被用來進(jìn)行原子量的測定，隨著光學(xué)理論與科技水平的提高，質(zhì)譜分析法的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大到測定無機(jī)與有機(jī)化合物領(lǐng)域?，F(xiàn)階段，在精密機(jī)械技術(shù)與電子信息技術(shù)的發(fā)展推動之下，質(zhì)譜分析法應(yīng)用的相關(guān)儀器性能不斷提高，在化學(xué)分析中的應(yīng)用水平得到了質(zhì)的飛躍。

簡單來說，質(zhì)譜分析法是根據(jù)離子質(zhì)荷比，也就是物質(zhì)具有質(zhì)量這一固有特性，在電場和磁場的作用下將運(yùn)動的離子進(jìn)行分離后再檢測的技術(shù)方法，主要使用的技術(shù)儀器是質(zhì)譜儀，質(zhì)譜儀可以繪制離子譜，通過對離子譜峰的強(qiáng)度與化合物含量進(jìn)行觀察分析，再基于離子核素質(zhì)量的各異性等特點(diǎn)，可以獲取包括分子量、裂解規(guī)律、化學(xué)結(jié)構(gòu)式等相關(guān)信息，從而實(shí)現(xiàn)對化學(xué)的分析。

化學(xué)分析時(shí)需要將試樣放入質(zhì)譜儀中以生成不同的荷質(zhì)比離子，并在電場加速的作用下形成離子束。離子束會在質(zhì)量分析器中在電場和磁場的作用下出現(xiàn)速度色散，通過電場后離子束慢離子偏轉(zhuǎn)大，快離子偏轉(zhuǎn)小，通過磁場后離子會出現(xiàn)相反的角速度矢量偏轉(zhuǎn)，慢離子偏轉(zhuǎn)大，快離子偏轉(zhuǎn)小。當(dāng)通過電場和磁場時(shí)所發(fā)生的偏轉(zhuǎn)作用互相補(bǔ)償時(shí)，軌道會出現(xiàn)相交。在通過磁場的過程中離子質(zhì)量會發(fā)生分離，由此會使質(zhì)荷比相同但速度各異的離子形成聚焦，從而出現(xiàn)不同質(zhì)荷比的聚焦點(diǎn)，這些聚焦點(diǎn)再進(jìn)行二次聚焦后就會形成質(zhì)譜圖，據(jù)此就可以確定離子的質(zhì)量情況。

需要特別注意的是質(zhì)譜分析法適用于進(jìn)行定性分析而不是定量分析，這是因?yàn)橘|(zhì)譜分析法在進(jìn)行定量分析時(shí)需要進(jìn)行分離純化的復(fù)雜操作。

質(zhì)譜圖是質(zhì)譜分析法在化學(xué)分析應(yīng)用中離不開的重要工具，其所反映的內(nèi)容是化合物分子在離子化后，質(zhì)荷比與相對豐度共同構(gòu)成的圖譜。質(zhì)譜圖基峰為豐度最大的離子峰，基峰豐度規(guī)定為100，其他離子峰豐度都是其與基峰豐度之比。在表達(dá)上，質(zhì)譜圖具有直觀、簡潔的特點(diǎn)，但是在具體應(yīng)用中，質(zhì)譜圖在質(zhì)荷比、豐度等關(guān)鍵化學(xué)分析要素的表達(dá)上準(zhǔn)確性及細(xì)致程度不足，這在進(jìn)行譜圖解析時(shí)會制造一定的困難。

二、質(zhì)譜分析法在化學(xué)分析中的應(yīng)用

質(zhì)譜分析法在進(jìn)行化學(xué)分析的過程中，具有樣品用量極微的特點(diǎn)，也正是因?yàn)檫@一特點(diǎn)使得質(zhì)譜分析法在化學(xué)分析當(dāng)中扮演了及其重要的角色，成為了十分有效的工具。通過質(zhì)譜分析法得到的化合物質(zhì)譜圖可以提供內(nèi)容多樣而豐富的信息，主要包括分子結(jié)構(gòu)、分子量、分子式等內(nèi)容，這些信息都可以通過質(zhì)譜圖直觀獲得。對于一些較為復(fù)雜的化學(xué)分析，在應(yīng)用質(zhì)譜分析法的基礎(chǔ)上，還需要與核磁共振、光譜、色譜等分析方法進(jìn)行結(jié)合。

（一）測定相對分子質(zhì)量

所謂相對分子質(zhì)量，即指化合物的分子離子質(zhì)荷比。在進(jìn)行質(zhì)譜圖的分析時(shí)，要首先在綜合考慮樣品源、樣品化學(xué)性質(zhì)等因素的基礎(chǔ)上，對分子離子峰進(jìn)行確認(rèn)，只有在分子離子峰確認(rèn)后才能對相對分子質(zhì)量進(jìn)行測定。如果在測定的過程中發(fā)現(xiàn)分子離子峰缺失或者不可確定，那需要嘗試使用其他方法對分子離子峰進(jìn)行確定。

（二）確定分子化學(xué)組成式

在質(zhì)譜分析法發(fā)展的初期階段，一般的EI質(zhì)譜很難對分子化學(xué)組成式進(jìn)行有效的確認(rèn)。為此，人們希望通過分子離子峰中的同位素峰進(jìn)行分子化學(xué)組成式的確認(rèn)。C、H、O、N等有機(jī)化合物分子的組成元素基本上都具有同位素，也正是因?yàn)檫@些同位素的存在，才使得分子離子峰之外，還出現(xiàn)了同位素峰，分子離子峰的質(zhì)量為M，而同位素峰的質(zhì)量為M+1、M+2。

不同的分子元素組合形成了不同的化合物，不同的化合物具有不同的同位素豐度，通過貝農(nóng)表可以將C，H，O，N等各種元素組成的化合物的質(zhì)量M、M+1、M+2的強(qiáng)度值編制成豐度和質(zhì)量表，通過在表中獲得的化合物分子量和質(zhì)量M、M+1、M+2的強(qiáng)度比，就可以對分子化學(xué)組成式進(jìn)行確定。

比如，在某化合物分子量質(zhì)量150和豐度100%已知的情況下，質(zhì)量M+1和M+2的豐度分別是9.9%和0.88%。根據(jù)以上信息，通過貝農(nóng)表可以查到質(zhì)量M=150的化合物共有29個(gè)，滿足已知數(shù)據(jù)條件的為C9H10O2，由此就可以對分子化學(xué)組成式進(jìn)行確認(rèn)，但是通過這種方法進(jìn)行分子化學(xué)組成式的確認(rèn)的前提是要準(zhǔn)確測定同位素峰，而且這種方法比較適用于較小分子量。

現(xiàn)階段，隨著電子信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對于分子離子峰較強(qiáng)的化合物，只需要利用計(jì)算機(jī)檢索功能就可以得到具有準(zhǔn)確性的分子化學(xué)組成式查詢結(jié)果，諸如上述通過質(zhì)譜圖檢索和計(jì)算同位素峰的方法已經(jīng)基本被取代。

隨著質(zhì)譜儀功能水平的提高，諸如傅立葉變換質(zhì)譜儀、雙聚焦質(zhì)譜儀、飛行時(shí)間質(zhì)譜儀等高分辨質(zhì)譜儀都可以通過計(jì)算機(jī)快速、準(zhǔn)確、高效、簡單的計(jì)算出不同元素的數(shù)量，并給出分子化學(xué)組成式的元素組成。這是因?yàn)樘嫉脑恿繛?2.000000，氫的原子量為10.07825，氧的原子量為15.994914，氮的原子量為14.003074，這些分子量的測定都極為精準(zhǔn)。

（三）純物質(zhì)結(jié)構(gòu)鑒定

質(zhì)譜分析法在化學(xué)分析中應(yīng)用的最成功領(lǐng)域是純物質(zhì)結(jié)構(gòu)鑒定。

純物質(zhì)結(jié)構(gòu)鑒定是將碎片離子、亞穩(wěn)離子、分子離子的化學(xué)式、m/z相對峰高等信息在質(zhì)譜圖中進(jìn)行確認(rèn)，從而找出不同化合物的分裂規(guī)律以及碎片離子產(chǎn)生途徑，以此得出分子的完整結(jié)構(gòu)。通過純物質(zhì)結(jié)構(gòu)鑒定確認(rèn)結(jié)果后再與其他方法進(jìn)行對照比對會使結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

除了純物質(zhì)結(jié)構(gòu)鑒定的方法外，利用相同條件下獲得的已知物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)圖譜來確認(rèn)樣品分子化學(xué)組成結(jié)構(gòu)也是有效的方法之一。

結(jié)語：

現(xiàn)階段，質(zhì)譜分析法在化學(xué)分析中的應(yīng)用水平不斷提高，隨著研究的不斷深入，質(zhì)譜分析法已經(jīng)成為最具有發(fā)展前景的分析方法，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，在食品、環(huán)境、藥物等方面的研究都取得了豐碩的應(yīng)用成果?；谫|(zhì)譜分析法是可以直接獲得化學(xué)分子式及分子量的科學(xué)研究技術(shù)，未來，質(zhì)譜分析法在化學(xué)分析當(dāng)中所發(fā)揮的作用將愈發(fā)重要，在材料科學(xué)、精密機(jī)械、真空技術(shù)等方面也將有廣闊的應(yīng)用空間。

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