A-Level化學(xué)課程知識(shí)點(diǎn)講解：Mass spectrometry質(zhì)譜分析法

Category: A-level課程, 熱門資訊, 翰林嚴(yán)選 Date: 2022年3月17日下午5:25

大家都知道化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，今天就以A-Level化學(xué)課程知識(shí)點(diǎn)：‘’Mass spectrometry質(zhì)譜分析法‘’為例，來(lái)講一講儀器分析方法是如何做到將抽象的名詞具象化，來(lái)幫助我們理解和掌握這些概念的。

Mass spectrometry在AS的Topic 2-2A當(dāng)中首次出現(xiàn)。在這一章之前，我們介紹了相對(duì)原子質(zhì)量(relative atomic mass)與相對(duì)同位素質(zhì)量(relative isotopic mass)的區(qū)別。正是因?yàn)榇蠖鄶?shù)元素都擁有不止一種同位素(isotope)，才使得同一種物質(zhì)的微粒可能由質(zhì)量上有些微差別的同位素原子組成，具有不同的相對(duì)式量(relative formula mass)。但是也由于各種同位素原子在自然環(huán)境中的含量占比，即豐度(abundance)是相對(duì)恒定的，所以這些物質(zhì)的相對(duì)式量得以用一個(gè)均值來(lái)表示。

質(zhì)譜分析法是一種非常重要的儀器分析手段，采用質(zhì)譜儀(mass spectrometer)測(cè)量原子與分子質(zhì)量，也可以用來(lái)辨別不同的同位素。質(zhì)譜儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示：

A-Level化學(xué)篇：Mass spectrometry質(zhì)譜分析法

它的工作流程可以視為：

①電離(ionisation)：首先，需要將待測(cè)樣以氣態(tài)形式(gaseous state)注入質(zhì)譜儀。接下來(lái)，樣品蒸氣在高能電子的轟擊下，一些電子會(huì)受到撞擊而脫離，形成帶正電荷的微粒(positive ions)。

②加速(acceleration)：?帶正電的微粒經(jīng)過(guò)一段電場(chǎng)，將會(huì)被加速。

③偏轉(zhuǎn)(deflection)：?再經(jīng)過(guò)一段磁場(chǎng)后，微粒的運(yùn)行軌跡會(huì)因?yàn)楦髯缘馁|(zhì)荷比(mass-to-charge, m/z)不同而發(fā)生不同程度的偏轉(zhuǎn)。質(zhì)荷比越大，偏轉(zhuǎn)程度越小。

④檢測(cè)(detection)：偏轉(zhuǎn)后的粒子將通過(guò)一個(gè)狹縫，落在一個(gè)與放大器連接的金屬平面上被收集檢測(cè)。通過(guò)產(chǎn)生的電流大小，反映出收集到的微粒所占比重。

⑤分析(analysis)：由于磁場(chǎng)的強(qiáng)度可以調(diào)節(jié)，我們將收集到不同質(zhì)荷比的粒子，最后將得到的數(shù)據(jù)繪制成圖像，來(lái)分析樣品的組成與質(zhì)量。

接下來(lái)，我們以氯氣進(jìn)樣微粒來(lái)看一下圖像如何分析：

A-Level化學(xué)篇：Mass spectrometry質(zhì)譜分析法

在將相對(duì)式量保留到整數(shù)位后，可以得到上圖。

橫坐標(biāo)為質(zhì)荷比(m/z)，在假定電荷數(shù)z=1的狀況下，橫坐標(biāo)可以視為相對(duì)質(zhì)量；而峰(peak)的高度表示了該粒子的占比，對(duì)于原子來(lái)說(shuō)，也即豐度。結(jié)合已有的同位素知識(shí)，我們知道氯原子有Cl-35與Cl-37兩種同位素，其相對(duì)含量的比值約為3：1，恰與此圖相符。質(zhì)譜分析法的圖像將這一抽象概念直觀地展示了出來(lái)。

假設(shè)共有100個(gè)氯原子，則根據(jù)Cl-35與Cl-37的豐度約為3/4和1/4，其中的Cl-35原子有75個(gè)，Cl-37原子有25個(gè)，所有Cl原子的平均式量為，正是我們熟悉的標(biāo)在元素周期表上的Cl的相對(duì)同位素質(zhì)量。