《仪器分析》第十八章 质谱法
质谱法(MS)
式中M+1，M+2…为较低质量的离子
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ABCD + e→ ABCD+ + 2e (分子离子)
ABCD+.
→ A+ + . BCD或. A + ABCD+ → AB+ + . CD或. AB + CD+ → ABC+ + . D或. ABC + CD+
(正碎片离子)
质 谱 法 (MS）
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§1 概述
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气态分子受一定能量的电子流轰击后，失去 一个外层价电子而成为带正电的离子。在电场和 磁场的作用下，这些阳离子按照质子质量大小(质 荷比 M／Z)依次排列而成的谱图被记录下来，称 为质谱图（亦称质谱，Mass Spectrum）。
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(一)真空系统
质谱仪的离子产生及经过系统必须处于高 真空状态（离子源真空度应达l．3×10-4～ l．3×10-5Pa，质量分析器中应达l．3×10-6Pa）。 若真空度过低，则会造成离子源灯丝损坏、本底 增高、到反应过多，从而使图谱复杂化、干扰离 子源的调节、加速极放电等问题。一般质谱仪都 采用机械泵预抽真空后，再用高效率扩散泵连续 地运行以保持真空。现代质谱仪采用分子泵可获 得更高的真空度。
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二、质谱方程
离子电离后经加速进入磁场中，其动能与加速电压及正离 子电荷e有关，即
eV 1 m 2 2
正离子在磁场中受的向心力和离心力相等
质谱法
仪器
质谱仪利用运动离子在电场和磁场中偏转原理设计的仪器称为质谱计或质谱仪。前者指用电子学方法检测离 子，而后者指离子被聚焦在照相底板上进行检测。质谱法的仪器种类较多,根据使用范围,可分为无机质谱仪和有 机质谱计。常用的有机质谱计有单聚焦质谱计、双聚焦质谱计和四极矩质谱计。目前后两种用得较多，而且多与 气相色谱仪和电子计算机联用。
历史
1942年美国CEC公司推出第一台用于石油分析的商品质谱仪。质谱仪按用途可分为同位素质谱仪、有机质谱 仪和无机质谱仪。
简介
质谱法是纯物质鉴定的最有力工具之一，其中包括相对分子量测定、化学式的确定及结构鉴定等。
发现
质谱法1898年W.维恩用电场和磁场使正离子束发生偏转时发现,电荷相同时，质量小的离子偏转得多,质量大 的离子偏转得少。1913年J.J.汤姆孙和F.W.阿斯顿用磁偏转仪证实氖有两种同位素[kg1]Ne和[kg1]Ne阿斯顿于 1919年制成一台能分辨一百分之一质量单位的质谱计，用来测定同位素的相对丰度，鉴定了许多同位素。但到 1940年以前质谱计还只用于气体分析和测定化学元素的稳定同位素。后来质谱法用来对石油馏分中的复杂烃类混 合物进行分析，并证实了复杂分子能产生确定的能够重复的质谱之后,才将质谱法用于测定有机化合物的结构,开 拓了有机质谱的新领域。
由于色谱仪－质谱计联用后给出的信息量大，该法与计算机联用，使质谱图的规格化、背景或柱流失峰的舍 弃、元素组成的给出、数据的储存和计算、多次扫描数据的累加、未知化合物质谱图的库检索，以及打印数据和 出图等工作均可由计算机执行，大大简化了操作手续。
应用
质谱法特别是它与色谱仪及计算机联用的方法，已广泛应用在有机化学、生化、药物代谢、临床、毒物学、 农药测定、环境保护、石油化学、地球化学、食品化学、植物化学、宇宙化学和国防化学等领域。用质谱计作多 离子检测，可用于定性分析，例如，在药理生物学研究中能以药物及其代谢产物在气相色谱图上的保留时间和相 应质量碎片图为基础，确定药物和代谢产物的存在；也可用于定量分析，用被检化合物的稳定性同位素异构物作 为内标，以取得更准确的结果。
仪器分析18.4.3 MS-MS联用仪
一级MS分离出来的特定离子，经碰撞活化后，再经第二 级MS进行质量分析，取得更多的信息。
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3.碰撞活化分解
软电离：准分子离子峰，碎片很少，缺结构信息。
准分子离子“打碎” 碎片离子 质谱分析
串联质谱：碰撞活化、碰撞诱导分解(Collision activated dissociation, CAD；Collision Induced dissociation, CID)技 术把离子“打碎”。
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MS-MS 联用方式示意图
BE型 Q-Q-Q型 三级四极 质谱仪
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BEB型
混合型MS-MS 联 用方式示意图
BEQQ组合
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QEB组合
（2）时间串联
前一时刻选定-离子，在分析器内 打碎后，后一：离子阱质谱仪；回旋共振质谱仪 时间上进行选择。 无论是哪种方式的串联，都必须有碰撞活化室，从第
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MS-MS 与 GC-MS 比较
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MS与 MS-MS 联用仪 分析结 果对比
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2.MS-MS联用的主要串联方式
（1）空间串联
MS
活化
MS
选择
分析
碰撞活化室将前级质谱仪选定的离子打碎，由后一级 质谱仪分析。
质谱法
相 对 强 度 （ % % ）
45（CO2H)+ （
CH3CH2CH2COOH
75 88M+
m/z
+
高级脂肪酸常制成甲酯进行质谱分析，若 α碳尚无取代基则生成特征强峰M/Z 74,在碳 链C6～C26 的羧酸甲酯中,m/z 74为基峰；若α 碳有取代基，则出现（74+14n）峰。
麦氏重排
m/z
CH2=CH-(CH2)10-CH3+. m/z 196
CH2=CH-CH2+. m/z 41
4、具有重排离子峰（麦氏重排）
麦氏重排
+
m/z=42
（3）芳烃
①分子离子稳定，有较强的分子离子峰； ②烷基取代苯易发生β开裂，经重排产生m/z 91特征的卓子；
β开裂 开裂
R +
扩 环
由于卓翁离子非常稳定，成为许多取代苯如甲苯、 二甲苯、乙苯、正丙苯的等的基峰。
例如：十四烯-1 相 对 强 度 （ % ）
C4(55) C5(69) C6(83) C7(97) C 8 C9 C10 C11 C12 (111) (125) (139) (153) (167) M.+ （196 ） C3(41) 基峰
CH2=CH-CH2-(CH2)10-CH3 =CH-
图
十四烯十四烯-1质谱图
差异进行分离的装置。 单聚焦质量分析器 双聚焦质量分析器 四极杆质量分析器
(五）离子检测器 (六）质谱仪的主要性能指标
1、分辨率：R 是指仪器能分离相邻两质谱峰的能力。
分辨率： R=M/△M
M
h
h/10
M+△M
图 分辨率（10%谷）
质谱法
气相色谱一质谱联用
用于与GC联用的质谱仪有磁式、双聚 焦、四极滤质器式、离子阱式等质谱仪， 其中四极滤质器及离子阱式质谱仪由于具 有较快的扫描速度（≈10次／秒），应用较 多，其中离子阱式由于结构简单价格较低， 近些年发展更快． GC － MS 的应用十分广泛，从环境污 染分析、食品香味分析鉴定到医疗诊断、 药物代谢研究等。而且 GC － MS 是国际奥 林匹克委员会进行药检的有力工具之一。
GDMS应用
（1）金属样品分析 （2）半导体分析 （3）非导体分析 （4）薄层与深度分析
2）二次离子质谱法
在高真空条件下经过聚焦的几千电子伏能量 的一次离子轰击在固体材料上，一次离子可 能穿透固体样品表面的一些原子层深入到一 定深度，在穿透过程中发生一系列弹性和非 弹性碰撞。一次离子将其部分能量传递给晶 格原子，这些原子中有一部分向表面运动并 把能量的一部分传递给表面粒子使之发射， 这种过程称为粒子溅射。溅射粒子大部分为 钟祥原子和分子，小部分带正负电荷的原子、 分子和分子碎片，此即为二次离子。将他们 导入质朴检测器进行检测，从而获得样品的 信息。
1）辉光放电质谱法
在辉光放电质谱法的离子源中被测样品作为 辉光等离子体光源的阴极，在阴极与阳极之 间充入惰性气体，并维持较低压力。而后， 在电极两端加高电压，此时Ar电离成电子和 Ar+，Ar+在电场的作用下加速移向并撞击到阴 极上。阴极样品的原子在氩离子的撞击下， 从阴极样品上呗剥离下来。当物质由阴极剥 蚀下来后进入负辉区后发生了电离。当原子 与自身能量超过其电离能的电子有效碰撞时 原子被电离，此即为电子碰撞电离过程。而 后将电离所得到的离子经采样锥收集后，由 离子透镜系统进行离子聚焦等，再由质量分 析器进行相应分析。
质谱法——精选推荐
质谱法一、概述质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷比的测定来进行分析的一种分析方法。
被分析的样品首先要离子化，然后利用不同离子在电场或磁场中运动行为的不同，将离子按质荷比（m/z）分开而得到质谱，通过样品的质谱和相关信息，可以得到样品的定性定量结果。
从J.J. Thomson制成第一台质谱仪（1912年），到现在已有九十多年了，早期的质谱仪主要是用来进行同位素测定和无机元素分析，二十世纪四十年代以后开始用于有机物分析，六十年代出现了气相色谱-质谱联用仪，使质谱仪的应用领域大大扩展，开始成为有机物分析的重要仪器。
计算机的应用又使质谱分析法发生了飞跃变化，使其技术更加成熟，使用更加方便。
八十年代以后又出现了一些新的质谱技术，如快原子轰击离子源，基质辅助激光解吸电离源，电喷雾电离源，大气压化学电离源，以及随之而来的比较成熟的液相色谱-质谱联用仪，感应耦合等离子体质谱仪，富立叶变换质谱仪等。
这些新的电离技术和新的质谱仪使质谱分析又取得了长足进展。
目前质谱分析法已广泛地应用于化学、化工、材料、环境、地质、能源、药物、刑侦、生命科学、运动医学等各个领域。
二、质谱仪器质谱仪种类非常多，工作原理和应用范围也有很大的不同。
从应用角度，质谱仪可以分为下面几类：1、有机质谱仪由于应用特点不同又分为：1）气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）。
在这类仪器中，由于质谱仪工作原理不同，又有气相色谱-四极质谱仪，气相色谱-飞行时间质谱仪，气相色谱-离子阱质谱仪等。
2）液相色谱-质谱联用仪（LC-MS）。
同样，有液相色谱-四器极质谱仪，液相色谱-离子阱质谱仪，液相色谱-飞行时间质谱仪，以及各种各样的液相色谱-质谱-质谱联用仪。
3）其他有机质谱仪基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪（MALDI-TOFMS）富立叶变换质谱仪（FT-MS）2、无机质谱仪1）火花源双聚焦质谱仪2）感应耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）3）二次离子质谱仪（SIMS）3、同位素质谱仪。
仪器分析18.6.3 芳烃质谱图
Mass spectrometry，MS
第六节 质谱图与结构解析 （电子轰击质谱）
Mass spectrograph and structure determination
18.6.1 饱和烃 18.6.2 烯烃 18.6.3 醚 18.6.4 醇 18.6.5 醛、酮 18.6.6 其他 18.6.7 芳烃
18.6.7 芳烃的质谱图
有明显的分子离子峰。 苯生成77，51峰；
含烷基取代的易发生断裂, 产生卓鎓离子基峰m/z 91。
甲苯的质谱图
烷基发生断裂, 产生卓鎓离子基峰m/z91。 进一步失去乙炔分子形成环戊烯离子C5H5+(m/z 65)和环丙 烯离子C3H3+(m/z39) 。
正丁基苯
带有正丙基或丙基以上的烷基侧链的芳烃(含) 经麦氏 重排产生C7H8+离子(m/z92)。
苯基乙基醚质谱图
H2 C
OH H C H2 H2 C OH H O
- H2O - H2O
CH2 CH2 CH2 O
OH
m/z=94 - CHO
O H - CO H
H H
m/z=66
H
m/z=65
CH2CH3 OH
-H
-CH3
CH2
OH m/z 107 (100%)
CHCH3 m/z 121 (3.5%)
m/z=134
m/z=39 HC
m/z=65 CH
HC
CH
CH2 m/z=91
m/z=91
H2 C
CH2 CH H CH3
CH2 HC
CH3
CH2CH2CH2CH3 m/z=134
C4H9 m/z=77
仪器分析-质谱图解析.
3、m/z 57为M-17离子，m/z 29为M-45 离子，同时产生m/z 45（COOH）离子峰， 说明化合物可能含有羧基
4、m/z 29为乙基碎片离子峰，说明化合物可能含有乙基
H2 O H3C C C OH
m/z=74
H3C
H2 C
O C m/z=57
分子结构的推导
■ 计算分子的不饱和度推测分子结构
一价原三 子价 数原子数
U四价原 - 子2数
2
1
■ 根据碎片离子的质量及所符合的化学通式，推测离子可能 对应的特征结构或官能团
■ 结合相对分子质量、不饱和度和碎片离子结构及官能团等 信息，合并可能的结构单元，搭建完整分子结构
■ 核对主要碎片，检查是否符合裂解机理。 结合其他分析方法最终确定化合物结构
相对丰度 （%）
100 80 60 40 20
m/z
43 O
71
断裂
H7C3 C
58
99
Rearrangement
β异裂
86
113
40
60
80
100 120
4壬酮的质谱图（M=142）
C5H1 1
1、酮类化合物分子离子 峰较强。
2、α裂解（优先失去大 基团）
烷系列：29＋14 n
142(M+·) 3、γ-氢重排
未知化合物质谱图分析
CH2
某化合物C10H4
HH CH2
结构式：
1、计算不饱和度U=4， 2、分子离子峰m/z=134较大，结合不饱和度，说明该化合物含有苯环
3、m/z=91为（M-43）碎片离子峰，说明化合物可能失去C3H7+为烷基苯，m/z=65是 其进一步丢失乙炔分子产生的碎片离子峰。
(完整版)质谱法
第九章质谱法一．教学内容1.质谱分析法的基本概念、发展概况及特点2.由质谱仪器结合质谱法的基本质谱仪的工作流程各主要部件的基本结构、基本原理及性能掌握联用技术3.质谱峰的类型、离子碎裂途径及有机化合物的质谱4.质谱法的图谱解析及基本应用二．重点与难点1．各种离子源的基本原理、特点及适应性2．各种重量分析器的基本结构、分析原理、特点及适用性3．各类离子的碎裂机理及规律4．质谱法的基本应用（分子量、分子式、结构式的确定）三．教学要求1．较好地掌握质谱分析法的基本基本2．掌握掌握仪的基本结构、工作流程及性能指标3．在较深入掌握单、双聚焦质量分析器的基础上，比较其它质量分析器的基本原理及特点4．一般了建质谱联用技术5．掌握简单图谱的解析，进行较简单化合物分子量、分子式及结构式的分析四．学时安排3学时质谱法是通过将样品转化为运动的气态离子并按质荷比（m/z）大小进行分离记录的分析方法。
所获得结果即为质谱图（亦称质谱）。
根据质谱图提供的信息可以进行多种有机物及无机物的定性和定量分析、复杂化合物的结构分析、样品中各种同位素比的测定及固体表面的结构和组成分析等。
质谱仪早期主要用于原子量的测定和定量测定某些复杂碳氢混合物中的各组分等。
1960年以后，才开始用于复杂化合物的鉴定和结构分析。
实验证明，质谱法是研究有机化合物结构的有力工具。
第一节质谱仪一、质谱仪的工作原理质谱仪是利用电磁学原理，使带电的样品离子按质荷比进行分离的装置。
离子电离后经加速进入磁场中，其动能与加速电压及电荷z有关，即z e U = 1/2 mν2其中z为电荷数，e为元电荷（e=1.60×10-19C），U为加速电压，m为离子的质量，ν为离子被加速后的运动速度。
具有速度ν的带电粒子进入质谱分析器的电磁场中，根据所选择的分离方式，最终实现各种离子按m/z进行分离。
根据质量分析器的工作原理，可以将质谱仪分为动态仪器和静态仪器两大类。
在静态仪器中用稳定的电磁场，按空间位置将m/z不同的离子分开，如单聚焦和双聚焦质谱仪。
仪器分析课件第十八章色谱法导论
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伸舌峰： 当As小于1时，色谱峰是前半部分信号增加慢，
后半部分信号减小快。因为伸舌峰主要是固定相不能给 溶质提供足够数量合适的作用位置，使一部分溶质超过 了峰的中心，即产生了超载，所以也称超载峰。
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色谱流出曲线的意义
色谱峰数=样品中单组份的最少个数； 色谱保留值——定性依据； 色谱峰高或面积——定量依据； 色谱保留值或区域宽度——色谱柱分离效能评价指标； 色谱峰间距——固定相或流动相选择是否合适的依据。
★应用范围广
(1)色谱分析广泛应用于极为复杂的混合物成分分析； (2)液相色谱法，在糖类、氨基酸、农药、染料、贵金属、有机金属化合物 等方面得到了广泛的应用。 (3)色谱分离是一种有效的提纯物质技术，用于制备分离，得到高纯样品。 (4)色谱—质谱联用仪已成为研究分子结构的重要手段。
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色谱分离原理
色谱分离是基于样品中各组分在两相间平衡分配的差异。
（一）保留值的定义
1、保留时间 t R（retention time）
2、死时间 tM（dead time）
3、调整保留时间 t R（adjusted retention time）
4、保留体积 VR
5、死体积 VM
6、调整保留体积 VR
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1、保留时间 t R 2、死时间 t M
从进样开始到色谱峰最大值出现时所需要的时间，称为保留时间。
仪器分析质谱分析
1. 速灭威、2.叶蝉散、3.仲丁威、4.呋喃丹、5.西维因、6.抗蚜威
图2.5 6种氨基甲酸酯类农药的GC-MS-SCAN色谱图
(a) EI
(b) NCI
NCI-MS
Relative Intensity/%
100
157
乐
95
果
10
159
5
167 197
谱 图
0 130 140 150 160 170 180 190 200 210 m/z
动态分析器采用变化的电磁场，按照时间和空间来区分质量不同的离 子。这一类的仪器有：飞行时间质谱仪、四极滤质器等。
五、检测器及记录
1、 谱仪常用的检测器有法拉第杯、电子倍增器及闪烁计数器、照相底片等。 2、 代质谱仪一般都采用较高性能的计算机对产生的信号进行快速接收与处理，同 时通过计算机可以对仪器条件等进行严格的监控，从而使精密度和灵敏度都有一定 程度的提高。
二、 分子式的确定
根据质谱图确定分子式可采用：丰度法和高分辨质谱法。
三、 推测化合物的结构
从质谱图推测化合物的结构，一般可以按照以下顺序进行： 1.确定分子离子峰，从分子离子峰的强弱初步判断是哪类化合物； 2.分子离子的质量是奇数还是偶数； 3.是否有明显的同位素峰； 4.初步提出化合物分子式，并计算出其不饱和单位数； 5.对碎片离子峰进行分析，根据质谱图中主要的代表分子不同部位的碎片离子峰，粗略推 测化合物的大致结构； 6.以所有可能方式把各部分结构单元连接起来，再利用质谱数据和其它数据，将不合理的 结构排除掉。
酚类 分子离子峰较强，易失去 CO 而形成丰度强的碎片子。
四 . 羰基化合物
羰基化合物的分子离子峰较强。 脂肪酮化合物以 a 开裂为主。 芳酮化合物一般发生 a 开裂，生产特征基峰，进一步脱去 CO 生产 C7H7 ＋特征峰。 醛类化合物有强的分子离子峰和较强的 M － 1 峰。
仪器分析-质谱法
仪器分析-质谱法仪器分析——质谱法质谱法是将被测物质离⼦化，按离⼦的质荷⽐分离，测量各种离⼦谱峰的强度⽽实现分析⽬的的⼀种分析⽅法。
质量是物质的固有特征之⼀，不同的物质有不同的质量谱——质谱，利⽤这⼀性质，可以进⾏定性分析（包括分⼦质量和相关结构信息）；谱峰强度也与它代表的化合物含量有关，可以⽤于定量分析。
质谱仪⼀般由四部分组成：进样系统——按电离⽅式的需要，将样品送⼊离⼦源的适当部位；离⼦源——⽤来使样品分⼦电离⽣成离⼦，并使⽣成的离⼦会聚成有⼀定能量和⼏何形状的离⼦束；质量分析器——利⽤电磁场（包括磁场、磁场和电场的组合、⾼频电场、和⾼频脉冲电场等）的作⽤将来⾃离⼦源的离⼦束中不同质荷⽐的离⼦按空间位置，时间先后或运动轨道稳定与否等形式进⾏分离；检测器——⽤来接受、检测和记录被分离后的离⼦信号。
⼀般情况下，进样系统将待测物在不破坏系统真空的情况下导⼊离⼦源（10-6～10-8mmHg），离⼦化后由质量分析器分离再检测；计算机系统对仪器进⾏控制、采集和处理数据，并可将质谱图与数据库中的谱图进⾏⽐较。
⼀、进样系统和接⼝技术将样品导⼊质谱仪可分为直接进样和通过接⼝两种⽅式实现。
1.直接进样在室温和常压下，⽓态或液态样品可通过⼀个可调喷⼝装置以中性流的形式导⼊离⼦源。
吸附在固体上或溶解在液体中的挥发性物质可通过顶空分析器进⾏富集，利⽤吸附柱捕集，再采⽤程序升温的⽅式使之解吸，经⽑细管导⼊质谱仪。
对于固体样品，常⽤进样杆直接导⼊。
将样品置于进样杆顶部的⼩坩埚中，通过在离⼦源附近的真空环境中加热的⽅式导⼊样品，或者可通过在离⼦化室中将样品从⼀可迅速加热的⾦属丝上解吸或者使⽤激光辅助解吸的⽅式进⾏。
这种⽅法可与电⼦轰击电离、化学电离以及场电离结合，适⽤于热稳定性差或者难挥发物的分析。
⽬前质谱进样系统发展较快的是多种液相⾊谱/质谱联⽤的接⼝技术，⽤以将⾊谱流出物导⼊质谱，经离⼦化后供质谱分析。
主要技术包括各种喷雾技术（电喷雾，热喷雾和离⼦喷雾）；传送装置（粒⼦束）和粒⼦诱导解吸（快原⼦轰击）等。
质谱技术的分类及应用
质谱技术的分类及应用质谱技术是细菌分类与鉴定的传统手段之一。
是目前正在兴起的技术，尤其在厌氧菌、分枝杆菌、奴卡菌和部分真菌的鉴定中有重要作用。
质谱法的原理、应用仪器及基本技术。
见本书第十八章。
一、质谱技术在微生物分类和鉴定中的应用（一）气相色谱技术气相色谱技术通过分析细菌的代谢产物，如挥发性酸和醇来鉴别细菌。
尤其细菌代谢产生的长链脂肪酸的不同是细菌分类的依据之一。
其技术关键如下：1.用标准化的方法和指定的培养基来培养被鉴定菌，这与细菌的代谢产物关系重大。
2.代谢产物的提取与分离技术的标准化。
如检测脂肪酸应先用氢氧化钠皂化，使之释放至水溶液中，经甲醇甲基化，使成为挥发性的脂肪酸甲酯，再用有机溶媒提取，经氢氧化钠洗净，才能检测。
检测非挥发性脂肪酸应先行甲酯化，再用氯仿提取。
3.测定时应制备一系列的标准液，由此取得测定数据。
4.细菌的鉴定需借助于计算机分析检测数据并与已知菌的脂肪酸数据相比较。
鉴定结果的可靠性决定于数据库的丰富程度。
5.鉴定菌与模式菌的数据相同才可确定菌种。
（二）液相色谱技术细菌的代谢产物中的脂肪酸碳链过长（超过30个碳）则不能用气相色谱技术，而应用液相色谱技术。
对鉴定分枝杆菌、奴卡菌等特别有用。
现以分枝杆菌为例提出其技术关键为，取菌体用氢氧化钠皂化，用盐酸酸化后与对-溴苯酰（pbromophenylacyl）反应，进样色谱柱。
色谱柱用C18作固定相，乙腈-氯仿为流动相进行检测。
仪器分析的数据经计算机处理，绘出图谱，与已知菌的数据和图谱比较而得出鉴定结果。
二、新型质谱技术的应用（一）SELDI-TOF-MS和电喷雾炙谱（ESI-MS）SELDI-TOF-MS是蛋白质组学分析的重要手段，分析微生物的氨基酸、肽和蛋白的组成可进行微生物的鉴定和分型。
（二）变性高压液相质谱（dHPLC）其特点是一种高通量筛查DNA序列的技术。
PCR扩增产物在变性和复性过程中因序列的差异形成同源双链和异源双链。
质谱分析法
• 例 1 某未知物经测定是只含C、H、O的有机化合物，红 外光谱显示在3100～3600 cm−1之间无吸收，其质谱 如图，试推测其结构。
•
有一未知物，经初步鉴定是一种酮，它的质 谱图如图所示， 试确定该化合物的结构。
解：图中分子离子质荷比为100。因而这个化合物 的相对分子质量M为100。 质荷比为85的碎片离子可认为是由分子断裂— CH3（质量15）碎片后形成的。质荷比为57的碎 片离子则可以认为是再断裂CO（质量28）碎片后 形成的。质荷比为57的碎片离子峰丰度很高，是 标准峰，表示这个碎片离子很稳定，也表示这个碎 片和分子的其余部分是比较容易断裂的。这个碎片 离子很可能是C（CH）3。 于是这个断裂过程可以表示如下：
质谱分析法
• 质谱法是一种能精确测定化合物分子质量、 确定化合物分子结构的重要分析方法，是 当代物理、化学领域中的最重要的研究手 段之一。 • 质谱仪是进行质谱分析的仪器，它是根 据带电粒子在电磁场中能够偏转的原理， 按照由物质所形成的各种正离子碎片的质 量差异，而进行分离和检测的一类仪器。
• 一九一二年，汤木森（Joseph J. Thompson）首先运用质谱仪，进行了小 分子结构分析。 早期应用： 原子质量、同位素相对丰度等。 • 40年代： 高分辨率质谱仪出现，开始了有 机化合物的结构分析。 • 60年代末：色谱-质谱联用仪出现，促进 了有机混合物分离分析、天然有机化合物 结构分析的发展
甲基异丁基甲酮的质谱图
碎片离子及其断裂规律
• 分子离子 • 1）分子离子形成:样品分子失去一个电子而 形成的离子称为分子离子。所产生的峰称 为分子离子峰或称母峰，一般用符号M+.表 示。其中“+”代表正离子，“· ”代表不 成对电子。 • 2）形成分子离子时电子失去的难易程度。 即失去电子的难易顺序为：由易到难为： 杂原子＞C=C＞C—C＞C—H
仪器分析-质谱法
仪器分析——质谱法质谱法是将被测物质离子化，按离子的质荷比分离，测量各种离子谱峰的强度而实现分析目的的一种分析方法。
质量是物质的固有特征之一，不同的物质有不同的质量谱——质谱，利用这一性质，可以进行定性分析（包括分子质量和相关结构信息）；谱峰强度也与它代表的化合物含量有关，可以用于定量分析。
质谱仪一般由四部分组成：进样系统——按电离方式的需要，将样品送入离子源的适当部位；离子源——用来使样品分子电离生成离子，并使生成的离子会聚成有一定能量和几何形状的离子束；质量分析器——利用电磁场（包括磁场、磁场和电场的组合、高频电场、和高频脉冲电场等）的作用将来自离子源的离子束中不同质荷比的离子按空间位置，时间先后或运动轨道稳定与否等形式进行分离；检测器——用来接受、检测和记录被分离后的离子信号。
一般情况下，进样系统将待测物在不破坏系统真空的情况下导入离子源（10-6～10-8mmHg），离子化后由质量分析器分离再检测；计算机系统对仪器进行控制、采集和处理数据，并可将质谱图与数据库中的谱图进行比较。
一、进样系统和接口技术将样品导入质谱仪可分为直接进样和通过接口两种方式实现。
1.直接进样在室温和常压下，气态或液态样品可通过一个可调喷口装置以中性流的形式导入离子源。
吸附在固体上或溶解在液体中的挥发性物质可通过顶空分析器进行富集，利用吸附柱捕集，再采用程序升温的方式使之解吸，经毛细管导入质谱仪。
对于固体样品，常用进样杆直接导入。
将样品置于进样杆顶部的小坩埚中，通过在离子源附近的真空环境中加热的方式导入样品，或者可通过在离子化室中将样品从一可迅速加热的金属丝上解吸或者使用激光辅助解吸的方式进行。
这种方法可与电子轰击电离、化学电离以及场电离结合，适用于热稳定性差或者难挥发物的分析。
目前质谱进样系统发展较快的是多种液相色谱/质谱联用的接口技术，用以将色谱流出物导入质谱，经离子化后供质谱分析。
主要技术包括各种喷雾技术（电喷雾，热喷雾和离子喷雾）；传送装置（粒子束）和粒子诱导解吸（快原子轰击）等。
《仪器分析》第十八章 质谱法
10-12g）
要求纯样：GC-MS，
提供样品分子的相对
分子质量和丰富的结构
LC-MS
信息
质谱仪的基本结构
真空系统 离子产生及经过系统必须处于高真空状态
作。
ICP-MS
质量分析器 质量分析器位于离子源和检测器之间，依据不
同方式将样品离子按质荷比m／z分开：
磁分析器
四极质量分析器
离子捕获分析器 离子回旋共振分析器 飞行时间分析器等
单聚焦磁偏转型 离子受到磁场施加 的向心力（即磁场
引力）作用，当离
心力与向心力达平 衡时，离子才能飞 出弯曲区，即
mv 2V Bzv v m/ z r
信号检测和数据系统
离子的检测可采用电子培增器，原理类似于光
电培增管，它可以记录约10－18A的电流。
质谱仪的分辨率 分开质量极为接收的
两种离子的能力；
一般定义是：对两个
相等强度的相邻峰，
当两峰间的峰谷不大 于其峰高10％时，则
认为两峰已经分开，
其分辨率
m1 m1 R m2 m1 m
成加和物产生新的带电荷的离子。
样品分子不离解，无碎片离子，特别适合于热 不稳定的生物大分子。 获得一组分子离子电荷呈正态分布的质谱图
电喷雾质谱图中
存在多电荷离子， 使 离 子 的 m/z 减 小，从而使m值 很大的离子出现 在质谱图中，可 测定生物大分子 的分子量。
210-15Mol 样品
场解吸源（field desorption, FD） 类似于场电离源，最弱的电离技术，一般只
仪器分析质谱分析法文稿演示
If=3.087
4. Mass Spectrometry Reviews If=13.273
5. International Journal of Mass Spectrometry
If=2.411
6. European Journal of Mass Spectrometry
If=1.198
7. 质谱学报
2. Annual American Mass Spectrometry Conference 每年 一次，主要在美国
1989年，J. B. Fenn 电喷雾电离,Koichi Tanaka 基质辅助 激光解吸电离
1990年，Katta and Chait 电喷雾电离质谱观察蛋白质构 象改变
1993年，商品电喷雾质谱仪
1995年， 付立叶变换离子回旋共振质谱仪 （与ESI和 MALDI联用）
1998 年 ， 高 分 辨 飞 行 时 间 质 谱 仪 （ Delay Extract, Reflectron技术）
灵敏 快速 特异 化学计量
§1.2 质谱学的发展历史 一、质谱学领域的诺贝尔（Nobel）奖
1906 J. I. Thomson
1989 W. Paul 2002 J. B. Fenn Koichi Tanaka (田中耕一)
物理奖
物理奖 化学奖
正电荷离子束在磁 场中的偏转 磁质 谱仪的基础同位素 分析 离子阱技术的发明
仪器分析质谱分析法文稿演示
§1.1 质谱的基本概念
一、质谱是什么？Mass Spectromety
特殊的天平：称量离子的质量。 质谱学：是一门研究气相离子结构、性质及反应 行为的科学。
按照离子的质核比（m/z）大小对离子进行分离和 测定。
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成加和物产生新的带电荷的离子。
样品分子不离解，无碎片离子，特别适合于热 不稳定的生物大分子。 获得一组分子离子电荷呈正态分布的质谱图
电喷雾质谱图中
存在多电荷离子， 使 离 子 的 m/z 减 小，从而使m值 很大的离子出现 在质谱图中，可 测定生物大分子 的分子量。
210-15Mol 样品
样系统。
一般质谱仪都配有前两种进样系统以适应不 同的样品需要。
间歇式进样系统
直接探针进样系统
电离源 离子源是质谱仪的心脏
将进样系统引入的样品分子转化成离子。
由于离子化所需要的能量随分子不同差异很大，
因此，对于不同的分子应选择不同的离解方法。
类型：电子电离源、化学电离源、场电离源、快速 原子轰击源及电喷雾电离源等，其中以电子电离源 及电喷雾电离源应用广泛。
改变射频频率则可实现质量扫描，使不同质荷比的
离子依次到达检测器。
传输效率较高，入射离子的动能或角发散影 响不大；
可以快速地进行全扫描，而且制作工艺简单，
仪器紧凑，常用在需要快速扫描的GC-MS联 用及空间卫星上进行分析。 准确度和精密度低于磁偏转型质量分析器。
离子回旋共振质量分析器又称傅立叶变换质谱仪
分子离子和准分子离子峰强 碎片离子很丰富
适合热不稳定，难挥发样品
溶解样品的液体也被电离使质谱图复杂化，但这
种可知背景容易克服
电喷雾电离源（electro spray ionization，ESI）
小股样品溶液从毛细管尖口喷出，毛细管末端
与围绕毛细管的圆筒状电极之间加以3-6KV电压。 液体呈雾状，极小的雾滴表面电荷密度较高。溶 剂（水-甲醇）被干燥的气体携带穿过喷雾而蒸发 后，液滴表面的电荷密度增加。至临界点（瑞利
回旋半径增大。
对于质荷比一定的离子来说，随着受射频 的激发共振而发相环
行。这种环行使上下板极之间感应产生电流，
被前臵放大器感知 。
在已知磁场B存在时，在1ms内整个所需 的射频频率范围（～20kHz→1MHz）扫描， 造成在相应质量范围内的所有离子都以同相 环行。获得样品离子的所有频率的信息，经
准分子离子峰，即(M＋1) ＋ 峰很强，仍 可提供相对分子质量这一重要信息。
场离子源
阴阳极间电压达为10KV，距离约10-4cm，电压
梯度达为107～108V· -1 cm
偶极矩大和极 化率的样品分 子与阳极碰撞， 电子给阳极， 离子被阴极加 速而拉出 ~12eV，分子离子峰强度大 阳极前端必须非常尖锐才能达到电离所要求的电压梯度，采用特 殊处理的电极，在电极表面制造出一些微探针（＜1μm），大量 的微碳针电极称为多尖陈列电极。
生物大分子常用，又称为基质辅助激光解吸
源。 基质2,5-二羟苯甲酸
快速原子轰击源（fast atom bombardinent，FAB）
轰击样品的原子通常是 稀有气体，氙或者氩， 首先让气体原子电离， 电场加速，再与热的气
体原子进一步碰撞导致 电荷和能量转移。快速 运动的原子撞击涂有样 品的金属板，使样品电 离，生成二次离子。样 品溶于惰性非挥发性液 体如丙三醇中。
稳定限）时，静电排斥力大于表面张力，液滴变
得更小。此过程不断重复，液滴越来越微小，带 电荷的样品离子被静电力喷入气相进入质量分析 器。
可采用正离子或负离子模式，取决于分析离子
的极性。在pH不同的介质，酸可形成负离子，碱
形成正离子。因此为了分析正离子，毛细管尖口 带正电荷，反之，带负电荷。 被分析离子可包括加和离子，如分析聚乙烯二 醇，制备含乙酸铵的溶液，NH4+ 离子与氧原子形
CH5+ 和C2H5+ 与样品碰撞，使样品质子化，产
生(M＋1) ＋ 离子。部分样品分子与C2H5+反应，生
成(M＋29)＋离子。 试样分子（S）发生下列反应： CH5+＋ S → SH+＋ CH4 C2H5+＋ S → C2H5 S+ SH+和C2H5 S+可能碎裂，产生质谱。
化学电离源的优点： 图谱简单，因为电离样品分子的不是高 能电子流，而是能量较低的二次离子，键 的断裂可能性减小，峰的数目随之减少。
电子电离源（electron ionization, EI) 电子电离源是通用的电离法，是使用高能电子束 从试样分子中撞出一个电子而产生正离子，即 M＋e → M+＋2e
电子束产生各种能态的M+。若产生的分子离子带有
较大的内能（转动能、振动能和电子跃迁能），可以 通过碎裂反应而变成碎片离子，如
A＋和B为碎片离子；N和N· 分别为中性分子和游离基。
当一气相离子进入或产生于一个强磁场中时，
离子将沿与磁场垂直的环形路径运动，称之为回
旋，其频率ω可用下式表示：
回旋频率只与m／z的倒数有关。 为了区分不同质荷比，上下板电极之间施加 可变射频场。调制射频场频率ω1 与离子回旋频率
v z Bo r m
ω相同，离子吸收射频能量（共振），速度加快，
大量采用电子电离源的已知化合物质谱数据；
II. 电离效率高；
III. 结构简单，操作方便。
IV. 分子离子峰很弱或不出现，这是由于电子能量 高达70eV，而大多数有机化合物的电离电位约 7-10eV，因此除生成分子离子外，还进一步断 裂成碎片离子，降低了分子离子峰的强度。约
有10－20％的有机化合物电离时，缺少分子离子峰。
= 6.94×103V
离子在磁场中的运动轨道的半径决定于加速电 压V、磁场强度B，以及质荷比m/z。
在进行质谱分析时，磁场强度恒定，一般采用
电压扫描，使不同质荷比的离子依次沿半径为r 的轨道运行，穿过出射狭缝到达检测器-方向聚 焦(进入入射狭缝各离子发散的) 单聚焦质谱仪分辨率可达5000。
作。
ICP-MS
质量分析器 质量分析器位于离子源和检测器之间，依据不
同方式将样品离子按质荷比m／z分开：
磁分析器
四极质量分析器
离子捕获分析器 离子回旋共振分析器 飞行时间分析器等
单聚焦磁偏转型 离子受到磁场施加 的向心力（即磁场
引力）作用，当离
心力与向心力达平 衡时，离子才能飞 出弯曲区，即
mv 2V Bzv v m/ z r
过傅里叶变换，得到不同m／z的信息。
分辨率高达250000，易区分相同标称相对分子
质量的离子，如N2+，C2H4+，CO+等
可检测离子质量范围宽，可达103 可用于研究气相离子反应。离子在分析器中停 留时间长，增加了分子-离子碰撞几率 真空度要求严格，价格贵
飞行时间分析器（Time of Flight，TOF）
2
1 r B
2Vm z
［例］试计算在曲率半径为10cm的1.2T的磁场中，
一个质量数为100的一价正离子所需的加速电压是多 少？ 解: 据方程
1 r B
2Vm z
B 2r 2 z V 2 m 1.2 2 (0.1) 2 1.60 10 19 V 23 2 100 / 6.02 10
信号检测和数据系统
离子的检测可采用电子培增器，原理类似于光
电培增管，它可以记录约10－18A的电流。
质谱仪的分辨率 分开质量极为接收的
两种离子的能力；
一般定义是：对两个
相等强度的相邻峰，
当两峰间的峰谷不大 于其峰高10％时，则
认为两峰已经分开，
其分辨率
m1 m1 R m2 m1 m
场解吸源（field desorption, FD） 类似于场电离源，最弱的电离技术，一般只
产生分子离子峰和准分子离子峰。 适合于热不稳定
和非挥发性化合
物。
激光解吸源（laser desorption，LD）
短周期、强脉冲激光轰击，产生共振吸收获
得能量。低浓度样品分散在液体或固体基质中 （摩尔比1:100-50000），而该基质能强烈吸收光， 从而使能量间接转移给样品分子，避免样品分子 的分解。
而在实际工作中，有时很难找到相邻的且峰高 相等的两个峰，同时峰谷又为峰高的10％。在这
种情况下，可任选一单峰，测其峰高5％处的峰宽
W0.05，即可当作上式中的m，此时分辨率定义为 R = m/W0.05 如果该峰是高斯型的，上述两式计算结果是一样 的。
离子电离后经加速进入磁场中，其动能与加 速电压及电荷Z有关，即
1 2 E E 0 zV mv 2
Eo 是离子在加速前于电离过程中得到的动能；z为 所带电荷；V为加速电压；m是离子质量；v是离子
线速度。若忽略Eo
2V v m/ z
灯丝和阳极之间加入约70V电压
电子电离源的特点： I. 使用广泛，文献或计算机内存文件中已积累了
不能使m/z相同能量不同的离子完全聚焦于出射
狭缝
双聚焦型
方向聚焦
能量聚焦： 一般商品化双聚 焦质谱仪的分辨率 可 达 150000 ， 质 量 测定准确度可达 0.03μg·g-1 ， 即 对 于 相对分子质量为600 的化合物可测至误 差上〒0.0002u。
1 zEr 2 mv 2 2
质谱法
基本要求： 1. 理解质谱法原理和质谱仪主要部件功能 2. 理解各种电离源和质量分析器的原理和优缺点
3. 掌握各类化合物的裂解规律
4. 掌握从质谱图或四谱联用正确解析有机化合物
的结构
质谱法：将样品分子臵于高真空中（<10-3Pa），并 受到高速电子流或强电场等作用，失去外层电子而
生成分子离子，或化学键断裂生成各种碎片离子，
mv2 r zE
四极质量分析器
一对直流电压VDC
y
x
一 对 射 频 电 压 VRFcosωt （VRF 射频电压振幅，ω