有机质谱仪电子电离源与化学电离源简介
一、电子电离源
电子电离源是有机质谱仪器最基本的离子源，下图为电子电离源的简图，图中阴影区为一定能量的电子与有机蒸气分子相互作用的区域，有机分子失去一个电子形成正电荷离子，然后在推斥板和拉出板的作用下离开离子源。
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1.电子电离的过程
电子电离即EI，早先是 Electron Impact缩写，现在改为Electron lonization的缩写。这是因为前者易造成误解，以为电子真的与有机分子相碰撞面发生离子化，由于在分子的范内电子是如此之小，在0.133 ×10-6kPa (10-6mmHg)的真空条件下要攻击到所相遇的有机分子的任何一个部位都不可能；其次，从有机化合物的键能角度看，碳一氟单键为485kJ/mol，碳一氢三键为890kJ/mol，若70eV能量的电子相当于6688kJ/mol，一且与有机分子相碰撞，那么分子的任何键都会发生断裂，这样有机分子的裂解是无规律可循的。可是，事实上有机化合物的裂解是有规律可循的，因此严格地说，应把EI过程称为电子碰撞诱导裂解。电子靠近或者穿越分子，由于它的波与分子的电场相互作用而发生扭曲，扭曲的波可认为由许多不同的正弦波组成，其中有一些将以适当的频率作用于分子轨道上的价电子，导致后者的激发，最终有机分子抛出一个电子留下了正电荷于分子上形成分子离子，70eV的电子使分子离子化，并给予分子离子的剩余内能5~6eV，也就是这些剩余内能使分子离子发生进一步的单分子离子的裂解反应。
2.离子化效率
电子能量在10~15eV(该离子化电位简称IP)时就能使有机化合物分子发生电离。不过此时的离子化效率很低。
在50eV时离子化效率达到最大值，但一般是设定在70eV。因为在前者的情况下，任何电子能量的微小变化都可能导致离子化效率的明显变化。通常作为70eV，也有选择在70~100eV，不过标准EI谱图都是在70eV条件下获得，因此把它作为一个标准设定值，改变电子能量对化合物的电子电离谱型有一定的影响，过高的电子能量会增加分子离子的裂解几率。
3.离子源和离子化室
电子电离源是包括离子产生、离开离子化区域、形成的离子束进行聚焦，并通过狭缝或者透镜将离子送出离子源这样一个整体。离子化室则属于离子源的一部分，是离子化的工作区域，为了便于清洗和切换离子化室也有做成离子体、离子匣等，它通常总带上灯丝，后者通过电流产生表击用的热电子。灯丝温度约有2000℃，故在热电子的出口处装上屏蔽缝，可控制到达灯丝的有机分子不再返回到离子化区域。离子源内装上的一对磁铁可以使发射电子沿着磁力线方向做螺旋式运动，由此改善电子束的形状和方向，使产生的离子在能量上有小的色散，并有效地提高离子化几率，推斥板和拉出电位透镜使离子很快地离开离子化室，不让形成的正离子在壁上失去正电荷。推斥板加上正电位，帮助把正离子推出。有的仪器的EI源灵敏度还是推斥板电位的函数，它的电位值有两个相应峰值，其中一个有较高的灵敏度和分辨率，但处于不稳定状态；另一个峰值则很稳定。离子源其他各透镜的安排、电极板几何形状是考虑到源内电力线的分布，达到构成一定形状离子束的目的。
4. 离子源温度
单靠灯丝发热产生的温度是不能满足离子源的清净要求，通常离子源内还要有加热部件，尽管在真空条件下[例如离子源有0.133×10-6kPa(10-6mmHg)真空，离子化室内真空度则为0.133×10-5kPa(10-5mmHg左右)]，气体分子间的碰撞几率是很小的，且正离子一且形成也很快离开离子化室，所以离子一分子之间的碰撞几率也很小，但这不妨得有机分子与器壁的(在离开离子化室前大约有50次)。所以离子源的温度设置既要低于有机分子热解的温度，也要避免有机分子冷或者产生严重记忆效应。
5. EI离子源的正离子
在EI源中，实际上形成正、负电荷两大类离子，可以通过改变极性的办法分别予以接收，在一般的条件下EI源中形成负离子的丰度仅为正离子的0.1%~1.0%，因此大量的研究集中在EI源中产生的正离子。
(1)分子离子
它是由分子失去一个电子而形成的，是质谱谱图中最重要的信息。绝大多数有机化合物是偶电子的分子，所以分子离子为奇电子离子。一般不用母离子来称呼分子离子，因为它是相对于子离子而言的，与分子离子相关的还有准分子离子和假分子离子，前者是指M+H或M-H离子，M是指分子，有一些类别的化合物在EI源中能形成上述准分子离子。假分子离子是指分子经离子化后形成与原来分子结构不同的离子，一般认为分子离子的结构与中性分子的结构没有多大差别，许多裂解过程是由此出发。但是，从能量的角度看，分子离子是处于不稳定的激发状态，因此又应该在结构上与中性分子有差异。这一观点也为一些实验结果所证实。例如，Ph-SO-CH3在EI源中能产生苯酚离子，证明该分子离子经重排形成 PhOS-CH3，然后失去SCH3形成上述离子。将有别于原来中性分子结构的分子离子称为假分子离子。
(2)碎片离子
分子离子有多种裂解方式，可以说，各种裂解反应是处于竞争之中，由此导致了一系列的碎片离子，分子离子的裂解遵循这样的原则，在所有的裂解反应中哪一个反应需要的能量越低，则该反应就占优势。不过优势的反应不一定在谱图中为最强峰，因为它还会进一步发生二级、三级裂解。碎片离子分为两大类，一类是简单断裂形成的碎片；另一类是重排形成的。简单裂解是比较常见的，从解析的角度来看，这种裂解能直观地反映分子的部分结构，它为人们所期望。重排离子比较复杂，重排的过程是分子内部发生氢或者其他原子或者基团的转移，并同时释放中性分子或自由基。显然，释放的中性分子或自由基以及形成的碎片在原来的结构中是不存在的。从解析的角度来看，氢原子的重排还不影响结构的判断，而基团重排(常称骨架重排)常容易造成假象面导致解析上的失误。
(3) 同位素离子
自然界存在的元素中有70%左右具有天然同位素，这就意味着含有某种元素的碎片离子并不只呈现一个单峰，而是出现一簇峰。除了丰度最大的同位素外，还有丰度较小的其他质量的同位素。
(4)多电荷离子
这是指多于一个电子的离子。在EI源中常见的是双电荷离子，三电荷离子比较见，但有时也能发现，如(CH3)3Si-O-Si(CH3)2-O-Si(CH3)3化合物，它的M-CH3离子就出现三电荷离子(m/z 73.7)，稠环、有机金属化合物、含溴或氧的化合物中均可找到双电荷离子，强度一般为基峰的1%左右，个别的情况可以达到6%，例如，9H-芴的EI谱图中有m/z 69(2.8%)、m/z 69.5(6.0%)、m/z 70(0.8%)。由于同位素的存在，在低分辨的谱图中很容易发现非整数质量的离子而得以辨认。双电荷离子可以是分子离子也可以是碎片离子，出现双电荷离子的强度次序可按如下排列
饱和烃<饱和胺类<烯烃<饱和含硅化合物<多烯经<芳香烃<芳香含氢化合物
请注意，双电荷离子的强度不一定和单电荷离子相对应，这意味着在谱图中找到明显的双电荷离子，它所对应的单电荷离子不一定有很大的强度。反之亦然，另外，经归一化后的质谱图中对低强度的双电荷离子并不表示，再加上计算机处理低分辨谱图时以整数名义质量表达，所以在标准谱图中都难以见到双电荷离子，即使它们存在的话，而在早期紫外示波记录仪上则很容易发现。
(5)亚稳离子
离子化室中形成的离子在到达收集器前不发生进一步裂解者皆称为稳定离子，否则便为亚稳离子，亚稳离子能反映母一子离子之间的关系，为裂解反应提供信息。这里需要说明的有两点，一是磁质谱的仪器中，当有足够长的无场漂移区时在低分辨的谱图上就能呈现亚稳峰，亚稳峰的峰形是呈扩散的高斯型或平顶、盘形峰，它至少占据1个质量单位以上的峰宽，并小于基峰的1%强度。不过如同双电荷离子的情况，只有使用紫外示波记录仅才能发现。也可以使用特定的装置记录这些亚检跃迁，二是有三种反应得不到亚稳跃迁信息，即源内分子内部的异构或重排；形成络合过渡态的过程；快速的二级裂解。第三种情况是指形成的一碎片离子具有相当低的出峰电位(简称AP)值，它立即发生二级裂解，此时的一级裂解反应无亚稳跃迁，而二级裂解的业稳峰常被误认为由母离子变成最终子离子反应的亚稳跃迁。
二、化学电离源
化学离子化(简称CI）是1969年开始应用的技术，由于它具有强的分子或准分子离子峰和较高的灵敏度等特点而得到迅速发展。常规的CI实验是这样进行的，在离子化室内反应气体压力为0.133kPa(1mmHg)的条件下，样品蒸气分子与反应离子相互反应导致样品分子的离子化，形成的分子离子或准分子离子会进一步发生裂解构成碎片，由此构成CI谱。如果用图解来表示的话，下式中R代表反应气体，R+表示反应气体的反应离子，A代表被分析的样品分子。它仅表示CI的原理，实际的反应离子和样品分子离子的情况要复杂得多。
R+e-→R++2e- R++A→A++R
A+→A1+,A2+→A3+
1.正离子化学电离
正离子CI可分为酸碱型和氧化还原型两种主要形式
(1)酸碱型
它是指反应过程中发生了质子的转移，按下式表达为
M+BH+→MH++B M+BH+→[M-H]++H2+B
由于反应离子是偶电子离子，样品生成的准分子离子也是偶电子离子，故这种类型也称为偶电子酸碱反应。例如，常用甲烷(CH4)气作反应气，它的反应离子是CH5+(47%∑I）和C2H5+(41%∑I)，它们是经过下述过程产生的。
CH4+e-→CH4++2e-
CH4++CH4→CH5++CH3-
CH4+→CH3++H-
CH3++CH4→C2H3++H2
(2)氧化还原型
它是指反应过程中发生电荷的转移。
2、 正离子CI谱的特征
(1)提供分子质量信息
如果分子离子峰有1%相对强度，便认为该化合物的EI谱提供了分子质量信息，那么70%~80%有机化合物可以用EI方法进行分析，这就意味着20%~30%有机化合物在EI源中缺少分子离子峰成者相对强度低于1%而容易淹没在化学噪声之中。CI方法可以获得明显的分子质量信息，可以解决剩下的20%~30%中的一部分。
(2)EI与CI的信息可以互补
除了分子质量的信息外，EI谱图以低质量处的碎片峰为其特点，而CI谱图以高质量处的碎片峰为其特点，因此在一些化合物中它们的结构信息可以得到互补。以苯丙胺类化合物为例，这类物质可以使中枢神经兴奋，因而被用作体育运动的兴奋剂或者是毒品。
苯丙胺类的EI谱图中主要断裂发生在a位，正电荷留在左右两边即芐基或含氨碎片上均有可能，其相对强度取决于它的结构，对于No.1~No.3化合物，基峰为含氯碎片，进一步丢失HCN或 CH3N-CHCH3或CH3CN;对于No.4~No.6化合物，则基峰为CH3CH=N+R1R2，苯丙胺类的EI谱图中看不到分子离子峰，碎片峰以低质量区域为主。苯丙胺类CI图中主要断裂发生在a和b两处，除了在a处断裂时获得强的芐基离子(m/z 91)，且在b处断裂时也有显著的PhCH2C+(CH3)H(m/z 119)结构信息离子，不过a断裂时获得含氯碎片的离子m/z(42+R1+R2)均不如EI谱中相对应含氯碎片的强度，CI谱提供了很明显的M+H+峰。当然No.1例外，无M+H峰,但存在了高质量处M+H一HCN的基峰，也就是说在高质量处有相当强度的碎片离子存在。因此在分析未知的苯丙胺类化合物时结合EI谱和CI可以得到分子结构信息。
(3)选择性裂解反应
由于CI谱的碎片与化合物的官能团性质及其位置有关，再加上不同性质的反应气体可以改变碎裂的程度，因此可以在CI上实现选择性的裂解并应用于结构测定，也包括异构体的区分。
