图谱分析 质谱MS
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❖ 结构简单，操作方便，但分辨率很低。（无法克服离 子初始能量分散对分辨率造成的影响）
（2）双聚焦分析器（Double focusing mass analyzer）
图4-12 双聚焦质量分析器原理图
在扇形磁场前加一扇形电场，以消除离子能量分散对 分辨率的影响。
对于动能不同的离子，通过调节电场能，达到聚焦的目 的。
质谱法的主要作用是： （1）准确测定物质的分子量 （2）根据碎片特征进行化合物的结构分析
分析时，首先将分子离子化，然后利用离子在电场或 磁场中运动的性质，把离子按质核比大小排列成谱， 此即为质谱。
第二节 质谱分析的原理与仪器 4.2.1 质谱分析的过程与原理
图4-1 MS分析过程示意图
1、进样
化合物通过汽化引入离子化室；
离子源的作用是将欲分析样品电离，得到带有样品 信息的离子。
电子电离源(electron ionization
EI)
化学电离源(chemical ionization CI)
快原子轰击(fast atom bombardment FAB)
电喷雾源(electronspray ionization
ESI)
第四章 质谱分析法 Mass Spectrometry，MS 第一节 概述
分子
4.1.1 质谱仪的发展史
1911年: 世界第一台质谱装置（J.J. Thomson）
40年代:
用于同位素测定和无机元素分析
50年代： 开始有机物分析（分析石油）
60年代： 研究GC-MS联用技术
70年代： 计算机引入
80年代： 新的质谱技术出现：快原子轰击电离子源，基
样品分子失去一个电子而电离所产生的离子，记为 M 。
2）准分子离子（quasi-molecular ion） 准分子离子常由软电离产生，一般为 M+H +、M-H +。 3）碎片离子（fragment ion） 泛指由分子离子破裂而产生的一切离子。狭义的碎片离子
指由简单断裂产生的离子。 4）重排离子（rearrangement ion） 经重排反应产生的离子，其结构不是原分子结构单元。
S a m p le F lo w In
M akeup G as
Sweep Gas Out
图4-5 雾化进样系统
对于蒸汽压低的样品进行衍生化后进样
例如：葡萄糖变成三甲基硅醚的衍生物
HO HO
CH2OH O OH
Me3SiCl
CH2OSiMe3
OH
O
OSiMe3
Me3SiO
Me3SiO
OSiMe3
2、 离子源(ion source)
2
5、加速离子进入一个强度为H的磁场，发生偏 转，半径为：
rmv
(2)
zH
将（1）（2）合并：
m H2r2
(3)
z 2V
当r为仪器设置不变时，改变加速电压或磁场强度，则不 同m/z的离子依次通过狭缝到达检测器，形成质量谱， 简称质谱。
4.2.2 有机质谱中的各种离子
1）分子离子（molecular ion）
5）母离子（parent ion）与子离子（daughter ion） 任何一离子进一步产生某离子，前者称为母离子，后者 称为子离子。
6）亚稳离子（metastable ion） 是从离子源出口到检测器之间产生的离子。
7）奇电子与偶电子离子（odd- and even-electron ion） 具有未配对电子的离子称为奇电子离子，不具有未配对 电子的离子称为偶电子离子。
1、样品引入系统
气体——直接导入或用气相色谱进样 液体——加热汽化或雾化进样 固体——用直接进样探头
图4-4 雾化进样
Sweep G a s In
HEN N eb u lizer
H eater H eated G as
N e b u lize r G a s
W a te r Va p o r
D ry A erosol W ater Vapo r
❖ 主要用于挥发性样品的电离，不能汽化的样品不能分析；
❖ 稳定性不高的样品得不到分子离子；
（2）化学电离源(chemical ionization CI)
结构与EI同，离子化室充反应气体（甲烷、异丁烷、氨
等），电子首先将CH4离解，通过离子-分子反应来完 成电离。其电离过程如下：
CH4 + e
CH4+ + 2e （ CH3 + ， …）
FBA是一种广泛应用的软电离技术，主要用于极性强、 分子量大的样品分析。
特点：
❖ 电离过程中不必加热气化，因此适合于分析大分子量、 难气化、热稳定性差的样品。例如肽类、低聚糖、天 然抗生素、有机金属络合物等。
❖ FAB源得到的质谱不仅有较强的准分子离子峰(M+H)+ 或(M+Na)+ ，而且有较丰富的结构信息。
图4-9 肌红蛋白电喷雾质谱图
（5）大气压化学电离源(Atmospheric pressure chemical Ionization APCI)
图4-10 大气压化学 电离接口示意图
结构与电喷雾源大致相同，不同之处在于APCI喷咀的下 游放置一个针状放电电极，通过放电电极的高压放电， 使空气中某些中性分子电离。
（1）单聚焦分析器（single focusing mass analyzer）
结构： 扇形磁场 （可以是 180o、 90o、60o 等）
动画
图4-11 单聚焦质量分析器
原理：
由（3）式可知： mH2r2
(3)
z 2V
❖ 离子的m/z大，偏转半径也大，通过磁场可以把不同 离子分开；
❖ 当r为仪器设置不变时，改变加速电压或磁场强度，则 不同m/z的离子依次通过狭缝到达检测器，形成质谱。
8）多电荷离子（multiply-charged ion） 失掉两个以上电子的离子称为多电荷离子。
9）同位素离子（isotopic ion） 当元素具有非单一的同位素组成时，产生同位素离子。
4.2.3 质谱仪的组成
进样系统（inlet system） 离子源（ion source） 质量分析器（mass analyzer） 检测器（detecter） 真空系统（Vacuum system）
2、离子化
在离子化室，组分分子被一束加速电子碰撞（能量约 70eV），撞击使分子电离形成正离子；
M —— M+ + e 或与电子结合，形成负离子
M + e —— M-
3、离子也可因撞击强烈而形成碎片离子：
4、荷电离子被加速电压加速，产生一定的速度v， 与质量、电荷及加速电压有关：
zV1m2v
(1)
❖ 离子产生后，借助于喷咀与锥孔之间的电压，穿过取 样孔进入分析器
ESI是很软的电离方法，即便是分子量大，稳定性差的化 合物，也不会在电离过程中发生分解。
特点： ❖ 适合于适用于强极性，大分子量的样品（生物大分
子）分析，如蛋白质、肽、糖等。 ❖ 最大特点是容易形成多电荷离子。一个分子量为
10000Da的分子若带有10个电荷，则其质荷比只有 1000Da，进入了一般质谱仪可以分析的范围之内。 因此目前采用电喷雾电离，可以测量分子量在 300000Da以上的蛋白质。 ❖ 主要用于液相色谱-质谱联用仪
主要是分子离子，准分子离子。比较适合分析生物大分子， 如肽、蛋白质、核酸等。
3、质量分析器(mass analyzer)
质量分析器的作用是将离子源产生的离子按m/z顺序 分开并排列成谱。
单聚焦分析器（single focusing mass analyzer） 双聚焦分析器（double focusing mass analyzer） 四极杆分析器 (quadrupole analyzer) 飞行时间分析器(time of flight） 离子阱分析器 (Ion trap) 富立叶变换离子回旋共振分析器（Fourier tranform ion cyclotron resonance）
质辅助激光解吸电离源，电喷雾电离源，大气压化学电离源； LC-MS联用仪，感应耦合等离子体质谱仪，富立叶变换质谱仪等
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。
4.1.2 质谱分析法是按照离子的质核比（m/z）大
小对离子进行分离和测定从而对样品进行定性和定量分 析的一种方法。
EI是质谱中最常用的离子源，电子能量一般为70eV，大 多数有机化合物的电离电位7~15eV，多数分子离子进一 步裂解产生碎片离子。
样品分子形成离子的四种途径： • 样品分子被打掉一个电子形成分子离子（同位素离子）。 • 分子离子进一步发生化学键断裂形成碎片离子。 • 分子离子发生结构重排形成重排离子。 • 通过分子离子反应生成加合离子。 特点： ❖ 碎片离子多，结构信息丰富，有标准化合物质谱库；
❖ 通常称为基质辅助激光解吸电离(Matrix Assisted Laser Description Ionization, 简称MALDI)。常用基质有2,5二羟基苯甲酸、芥子酸、烟酸、α-氰基-4-羟基肉桂酸等。
❖ 特别适合于飞行时间质谱仪(TOF)，组成MALDI-TOF。 ❖ MALDI属于软电离技术，碎片离子和多电荷离子较少，
特点： ❖ 得到一系列准分子离子(M+1)+，(M-1)+，(M+2)+等等； ❖ 一般都有正CI和负CI，可以根据样品情况进行选择，对
于含有很强的吸电子基团的化合物，检测负离子的灵敏 度远高于正离子的灵敏度； ❖ 碎片离子峰少，图谱简单，易于解释； ❖ 适用于易汽化的样品，不适于难挥发成分的分析。 ❖ CI得到的质谱不是标准质谱，所以不能进行库检索。
大气压化学电离源主要用来分析中等极性的化合物。
❖ 电离产生H3O+，N2+，O2+ 和O+ 等离子及溶剂分子电 离产生的离子与分析物分子进行离子-分子反应，使分 析物分子离子化。由质子转移和电荷交换产生正离子， 质子脱离和电子捕获产生负离子等。
❖ APCI是ESI的补充，有些分析物由于结构和极性方面 的 原 因 ， 用 ESI 不 能 产 生 足 够 强 的 离 子 ， 可 以 采 用 APCI方式增加离子产率。
（3）快原子轰击(fast atom bombardment FAB)
❖ 氩（氙）气在电离
室依靠放电产生氩 离子，高能氩离子 经电荷交换得到高 能氩原子流，
❖ 高能Ar（Xe）原 子轰击涂在靶上的 样品，溅射出离子 流。
Baidu Nhomakorabea
图4-7 快原子轰击源示意图
❖ 样品电离后进入真 空，在电场作用下 进入分析器。
CH4+ + CH4
CH5+ + CH3
CH3+ + CH4
C2H5 + + H2
生成的气体离子再与样品分子M反应：
CH5 + + MH C2H5 + + MH
CH4 + MH2+ C2H6 + M+
化学电离源是一种软电离方式，有些稳定性差的化合物， 用EI方式得不到分子离子，改用CI后可以得到准分子离 子，因而可以求得分子量。
❖ 质量相同而能量不同的离子经过扇形电场后彼此分开， 起能量色散作用。使静电场的能量色散作用和磁场的 能量色散作用大小相等方向相反，就可以消除能量分 散对分辨率的影响。
❖ 由电场和磁场共同实现质量分离的分析器，同时具有 方向聚焦和能量聚焦作用，叫双聚焦质量分析器。
❖ 双聚焦分析器的优点是分辨率高，缺点是扫描速度慢， 操作、调整比较困难，仪器造价比较昂贵。
大气压化学电离（atmospheric pressure
chemical ionization
APCI)
基质辅助激光解吸电离（matrix assisted laser
desorption ionization
MALDI)
（1） 电子电离源(electron ionization EI)
动画
图4-6电子电离源原理图
❖ APCI主要产生的是单电荷离子，适用于弱极性的小分 子化合物。
❖ 碎片离子很少，主要是准分子离子，适用于液相色谱质谱联用仪。
（6）激光解吸源（Laser Description，LD）
❖ 利用一定波长的脉冲式激光照射涂有基质的样品靶，基质 分子吸收激光能量，与样品分子一起蒸发到气相并使样品 分子电离。
❖ FAB一般用作磁式质谱的离子源。
（4）电喷雾源(electronspray ionization ESI)
动画
图4-8 电喷雾电 离原理图
❖ 多层套管组成的电喷雾喷咀，最内层是液相色谱流出 物，外层是喷射气（氮气），使喷出的液体容易分散 成微滴。
❖ 喷嘴斜前方有一个补助气喷咀，使微滴的溶剂快速蒸 发，表面电荷密度逐渐增大，到某个临界值时，离子 从表面蒸发出来。
（2）双聚焦分析器（Double focusing mass analyzer）
图4-12 双聚焦质量分析器原理图
在扇形磁场前加一扇形电场，以消除离子能量分散对 分辨率的影响。
对于动能不同的离子，通过调节电场能，达到聚焦的目 的。
质谱法的主要作用是： （1）准确测定物质的分子量 （2）根据碎片特征进行化合物的结构分析
分析时，首先将分子离子化，然后利用离子在电场或 磁场中运动的性质，把离子按质核比大小排列成谱， 此即为质谱。
第二节 质谱分析的原理与仪器 4.2.1 质谱分析的过程与原理
图4-1 MS分析过程示意图
1、进样
化合物通过汽化引入离子化室；
离子源的作用是将欲分析样品电离，得到带有样品 信息的离子。
电子电离源(electron ionization
EI)
化学电离源(chemical ionization CI)
快原子轰击(fast atom bombardment FAB)
电喷雾源(electronspray ionization
ESI)
第四章 质谱分析法 Mass Spectrometry，MS 第一节 概述
分子
4.1.1 质谱仪的发展史
1911年: 世界第一台质谱装置（J.J. Thomson）
40年代:
用于同位素测定和无机元素分析
50年代： 开始有机物分析（分析石油）
60年代： 研究GC-MS联用技术
70年代： 计算机引入
80年代： 新的质谱技术出现：快原子轰击电离子源，基
样品分子失去一个电子而电离所产生的离子，记为 M 。
2）准分子离子（quasi-molecular ion） 准分子离子常由软电离产生，一般为 M+H +、M-H +。 3）碎片离子（fragment ion） 泛指由分子离子破裂而产生的一切离子。狭义的碎片离子
指由简单断裂产生的离子。 4）重排离子（rearrangement ion） 经重排反应产生的离子，其结构不是原分子结构单元。
S a m p le F lo w In
M akeup G as
Sweep Gas Out
图4-5 雾化进样系统
对于蒸汽压低的样品进行衍生化后进样
例如：葡萄糖变成三甲基硅醚的衍生物
HO HO
CH2OH O OH
Me3SiCl
CH2OSiMe3
OH
O
OSiMe3
Me3SiO
Me3SiO
OSiMe3
2、 离子源(ion source)
2
5、加速离子进入一个强度为H的磁场，发生偏 转，半径为：
rmv
(2)
zH
将（1）（2）合并：
m H2r2
(3)
z 2V
当r为仪器设置不变时，改变加速电压或磁场强度，则不 同m/z的离子依次通过狭缝到达检测器，形成质量谱， 简称质谱。
4.2.2 有机质谱中的各种离子
1）分子离子（molecular ion）
5）母离子（parent ion）与子离子（daughter ion） 任何一离子进一步产生某离子，前者称为母离子，后者 称为子离子。
6）亚稳离子（metastable ion） 是从离子源出口到检测器之间产生的离子。
7）奇电子与偶电子离子（odd- and even-electron ion） 具有未配对电子的离子称为奇电子离子，不具有未配对 电子的离子称为偶电子离子。
1、样品引入系统
气体——直接导入或用气相色谱进样 液体——加热汽化或雾化进样 固体——用直接进样探头
图4-4 雾化进样
Sweep G a s In
HEN N eb u lizer
H eater H eated G as
N e b u lize r G a s
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D ry A erosol W ater Vapo r
❖ 主要用于挥发性样品的电离，不能汽化的样品不能分析；
❖ 稳定性不高的样品得不到分子离子；
（2）化学电离源(chemical ionization CI)
结构与EI同，离子化室充反应气体（甲烷、异丁烷、氨
等），电子首先将CH4离解，通过离子-分子反应来完 成电离。其电离过程如下：
CH4 + e
CH4+ + 2e （ CH3 + ， …）
FBA是一种广泛应用的软电离技术，主要用于极性强、 分子量大的样品分析。
特点：
❖ 电离过程中不必加热气化，因此适合于分析大分子量、 难气化、热稳定性差的样品。例如肽类、低聚糖、天 然抗生素、有机金属络合物等。
❖ FAB源得到的质谱不仅有较强的准分子离子峰(M+H)+ 或(M+Na)+ ，而且有较丰富的结构信息。
图4-9 肌红蛋白电喷雾质谱图
（5）大气压化学电离源(Atmospheric pressure chemical Ionization APCI)
图4-10 大气压化学 电离接口示意图
结构与电喷雾源大致相同，不同之处在于APCI喷咀的下 游放置一个针状放电电极，通过放电电极的高压放电， 使空气中某些中性分子电离。
（1）单聚焦分析器（single focusing mass analyzer）
结构： 扇形磁场 （可以是 180o、 90o、60o 等）
动画
图4-11 单聚焦质量分析器
原理：
由（3）式可知： mH2r2
(3)
z 2V
❖ 离子的m/z大，偏转半径也大，通过磁场可以把不同 离子分开；
❖ 当r为仪器设置不变时，改变加速电压或磁场强度，则 不同m/z的离子依次通过狭缝到达检测器，形成质谱。
8）多电荷离子（multiply-charged ion） 失掉两个以上电子的离子称为多电荷离子。
9）同位素离子（isotopic ion） 当元素具有非单一的同位素组成时，产生同位素离子。
4.2.3 质谱仪的组成
进样系统（inlet system） 离子源（ion source） 质量分析器（mass analyzer） 检测器（detecter） 真空系统（Vacuum system）
2、离子化
在离子化室，组分分子被一束加速电子碰撞（能量约 70eV），撞击使分子电离形成正离子；
M —— M+ + e 或与电子结合，形成负离子
M + e —— M-
3、离子也可因撞击强烈而形成碎片离子：
4、荷电离子被加速电压加速，产生一定的速度v， 与质量、电荷及加速电压有关：
zV1m2v
(1)
❖ 离子产生后，借助于喷咀与锥孔之间的电压，穿过取 样孔进入分析器
ESI是很软的电离方法，即便是分子量大，稳定性差的化 合物，也不会在电离过程中发生分解。
特点： ❖ 适合于适用于强极性，大分子量的样品（生物大分
子）分析，如蛋白质、肽、糖等。 ❖ 最大特点是容易形成多电荷离子。一个分子量为
10000Da的分子若带有10个电荷，则其质荷比只有 1000Da，进入了一般质谱仪可以分析的范围之内。 因此目前采用电喷雾电离，可以测量分子量在 300000Da以上的蛋白质。 ❖ 主要用于液相色谱-质谱联用仪
主要是分子离子，准分子离子。比较适合分析生物大分子， 如肽、蛋白质、核酸等。
3、质量分析器(mass analyzer)
质量分析器的作用是将离子源产生的离子按m/z顺序 分开并排列成谱。
单聚焦分析器（single focusing mass analyzer） 双聚焦分析器（double focusing mass analyzer） 四极杆分析器 (quadrupole analyzer) 飞行时间分析器(time of flight） 离子阱分析器 (Ion trap) 富立叶变换离子回旋共振分析器（Fourier tranform ion cyclotron resonance）
质辅助激光解吸电离源，电喷雾电离源，大气压化学电离源； LC-MS联用仪，感应耦合等离子体质谱仪，富立叶变换质谱仪等
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。
4.1.2 质谱分析法是按照离子的质核比（m/z）大
小对离子进行分离和测定从而对样品进行定性和定量分 析的一种方法。
EI是质谱中最常用的离子源，电子能量一般为70eV，大 多数有机化合物的电离电位7~15eV，多数分子离子进一 步裂解产生碎片离子。
样品分子形成离子的四种途径： • 样品分子被打掉一个电子形成分子离子（同位素离子）。 • 分子离子进一步发生化学键断裂形成碎片离子。 • 分子离子发生结构重排形成重排离子。 • 通过分子离子反应生成加合离子。 特点： ❖ 碎片离子多，结构信息丰富，有标准化合物质谱库；
❖ 通常称为基质辅助激光解吸电离(Matrix Assisted Laser Description Ionization, 简称MALDI)。常用基质有2,5二羟基苯甲酸、芥子酸、烟酸、α-氰基-4-羟基肉桂酸等。
❖ 特别适合于飞行时间质谱仪(TOF)，组成MALDI-TOF。 ❖ MALDI属于软电离技术，碎片离子和多电荷离子较少，
特点： ❖ 得到一系列准分子离子(M+1)+，(M-1)+，(M+2)+等等； ❖ 一般都有正CI和负CI，可以根据样品情况进行选择，对
于含有很强的吸电子基团的化合物，检测负离子的灵敏 度远高于正离子的灵敏度； ❖ 碎片离子峰少，图谱简单，易于解释； ❖ 适用于易汽化的样品，不适于难挥发成分的分析。 ❖ CI得到的质谱不是标准质谱，所以不能进行库检索。
大气压化学电离源主要用来分析中等极性的化合物。
❖ 电离产生H3O+，N2+，O2+ 和O+ 等离子及溶剂分子电 离产生的离子与分析物分子进行离子-分子反应，使分 析物分子离子化。由质子转移和电荷交换产生正离子， 质子脱离和电子捕获产生负离子等。
❖ APCI是ESI的补充，有些分析物由于结构和极性方面 的 原 因 ， 用 ESI 不 能 产 生 足 够 强 的 离 子 ， 可 以 采 用 APCI方式增加离子产率。
（3）快原子轰击(fast atom bombardment FAB)
❖ 氩（氙）气在电离
室依靠放电产生氩 离子，高能氩离子 经电荷交换得到高 能氩原子流，
❖ 高能Ar（Xe）原 子轰击涂在靶上的 样品，溅射出离子 流。
Baidu Nhomakorabea
图4-7 快原子轰击源示意图
❖ 样品电离后进入真 空，在电场作用下 进入分析器。
CH4+ + CH4
CH5+ + CH3
CH3+ + CH4
C2H5 + + H2
生成的气体离子再与样品分子M反应：
CH5 + + MH C2H5 + + MH
CH4 + MH2+ C2H6 + M+
化学电离源是一种软电离方式，有些稳定性差的化合物， 用EI方式得不到分子离子，改用CI后可以得到准分子离 子，因而可以求得分子量。
❖ 质量相同而能量不同的离子经过扇形电场后彼此分开， 起能量色散作用。使静电场的能量色散作用和磁场的 能量色散作用大小相等方向相反，就可以消除能量分 散对分辨率的影响。
❖ 由电场和磁场共同实现质量分离的分析器，同时具有 方向聚焦和能量聚焦作用，叫双聚焦质量分析器。
❖ 双聚焦分析器的优点是分辨率高，缺点是扫描速度慢， 操作、调整比较困难，仪器造价比较昂贵。
大气压化学电离（atmospheric pressure
chemical ionization
APCI)
基质辅助激光解吸电离（matrix assisted laser
desorption ionization
MALDI)
（1） 电子电离源(electron ionization EI)
动画
图4-6电子电离源原理图
❖ APCI主要产生的是单电荷离子，适用于弱极性的小分 子化合物。
❖ 碎片离子很少，主要是准分子离子，适用于液相色谱质谱联用仪。
（6）激光解吸源（Laser Description，LD）
❖ 利用一定波长的脉冲式激光照射涂有基质的样品靶，基质 分子吸收激光能量，与样品分子一起蒸发到气相并使样品 分子电离。
❖ FAB一般用作磁式质谱的离子源。
（4）电喷雾源(electronspray ionization ESI)
动画
图4-8 电喷雾电 离原理图
❖ 多层套管组成的电喷雾喷咀，最内层是液相色谱流出 物，外层是喷射气（氮气），使喷出的液体容易分散 成微滴。
❖ 喷嘴斜前方有一个补助气喷咀，使微滴的溶剂快速蒸 发，表面电荷密度逐渐增大，到某个临界值时，离子 从表面蒸发出来。