质谱的前世今生-质谱技术的发展与原理介绍
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质谱技术与质谱仪
名称
简称
类型
离子化试剂
应用年代
电子轰击离子化 （Elextron Bomb Ionization）
EI
气相
高能电子
1920
化学电离 （Chemical Ionization）
CI
气相
试剂离子
1965
场电离 （Field Ionization）
FI
气相
高电势电极
1970
场解吸 （Field Desorption）
特点： 分子离子峰（或准分子离子峰）强度较大，而碎片离子峰很少； 图谱较简单。
+
+
气体分子
试样分子
+
准分子离子
电子
(M+1)+、(M+17) +、(M+29) +
与FI类似的有场解吸源，它把样品溶液置于阳极发射器的表面，并将溶剂蒸发除去，在强电场中，样品离子直接从固体表面解吸并奔向阴极。FD是一种软电离技术。
质谱仪器较为精密，价格昂贵，工作环境要求较高。
由于分子离子峰可以提供样品分子的相对分子量的信息，所以质谱法也是测定分子量的常用方法。
分析速度快、灵敏度高、高分辨率的质谱仪可以提供分子或离子的精密测定。
4
3
二、质谱技术的基本原理
化合物通过汽化引入离子化室；
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—
式中Rc为离子在电场分析器的运动曲率半径，E为分析器的电场强度。则 离子运动的轨道半径可以通过外加静电场加以控制。只有能动相同的离子才能通过中间狭缝，实现能量聚焦，然后再进行方向聚焦。
质谱简介
电子对较易失去一个电子而带正电荷。所以正电荷在杂原子上；如果分
子无杂原子，但有π键，则π电子较易失去一个电子，所以正电荷在π
键上；如果分子中既无杂原子，也无π键则正电荷一般在分支的碳原子
上；对于复杂分子，电荷位置不易确定的，则“
”表示。
2. 亚稳定离子峰
当样品分子在电离室生成 (或 )后，一部分离子被电场加速经质 量分析器到达检测器。另一部分在电离室内进一步被裂解为低质量的离 子，还可能一部分经电场加速进入质量分析器后，在到达检测器前的飞 行途中裂解为离子 ，这种离子称为亚稳定离子，由于它是在飞行途 中裂解产生的，所以失去一部分动能，因此其质谱峰不在正常的 位 置上，而是在 较低质量的位置上，这种质谱峰称为亚稳定离子峰， 此峰所对应的质量称为表观质量m*：
第四章 质谱
质谱法是通过对样品的分子电量后所 产生离子的质荷比 及其强度的测量来 进行成分的结构分析的一种仪器分析方法。
首先，被分析样品的气态分子，在高 真空中受到高速电子流或其它能量形式的 作用， 失去外层电子生成分子离子，或 进一步发生化学键的断裂或重排，生成多 种碎片离子 。然后，将各种离子导入质 量分析器，利用离子在电场或磁场中的运 动性质，使多种离子按不同质荷比的大小 次序分开，并对多种的离子流进行控制、 记录，得到质谱图。最后，得到谱图中的 各种离子及其强度实现对样品成分及结构 的分析。
旋共振质谱等。
不管何种质谱仪， 其基本结构都为六个 部分组成，为右图所 示。
即进样系统、离子源、质量分析器、检测系统、记录(数据处理)系统、高真空系统。
2. 基本原理和过程
具有一定压力的气态有机分子，在离子源中通过一定能量(70ev)的电 子轰击或离子分子反应等离子化方式，使样品分子失去一个电子产生正离 子, 继而还可裂解为一系列的碎片离子，然后根据这些离子的质荷比(m/ze) 的不同，用磁场或磁场与电场等电磁方法将这些正离子进行分离和鉴定。 由此可见质谱最简单形式的三项基本功能是： （1）气化挥发度范围很广的化合物； （2）使气态分子变为离子（除了在气化过程中不产生中性分子而直接产生 离子的化合物）； （3）根据质荷比(m/ze)将它们分开，并进行检测、记录。由于多电荷离子 产生的比例比单电荷离子要小得多，通常取z等于1，e为常数（1个电子的 电荷），因而就表征了离子的质量。这样，质谱就成为了产生并称量离子 的装置。
质谱史话
evB eE
E B
（1-1）
重排此式可知正离子流的速度为电场强度和磁场强度的比值为：
v
（1-2）
而离子流的动能为1/2mv2，其在加速电场中获得的电势能为eV，二者相等。有 eV = 1/2mv2，由此可导出离子流速度与加速电压（V）和离子的质量（m）有关：
v
2eV m
（1-3）
由这些公式可以看出，离子流的速度可以通过控制加速电压来控制。维恩速度过滤 器具有很高的灵敏度，并且在使用很高的加速电压的条件下允许较大质量范围的离 子通过。但是随着通过离子的质量增加，过滤器的质量分辨率下降。因为这个发 现，维恩获得了1911年诺 贝尔奖[4]。
与此同时，英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆逊爵士正在研究一个可用于区 分电子和氢原子（核子，nucleus）的装置[5]。这个装置是基于维恩速度过滤器的改 进[6]。它通过磁场使阳极射线的粒子发生偏转，并通过电场使具有不同电荷和质量 的离子分隔开。具体的说，就是通过在放电管中产生阳离子，由两个狭缝来控制离 子束的方向，以平行叠加的磁场和电场使离子束发生偏转。由于这些离子具有相同 的质量但是不同的能量（速度），因此能够被离子敏感的照相板记录下来。 这个装置的工作原理是这样的： 当对一束正离子流施加一个强度为 E 的垂直电场时，正离子流将在飞行时发生偏 转。其在整个飞行路径 l 中的偏转距离 d 为：
[13]
。不象以前的装置，这台质谱仪里面磁场和电场是分离的。因此他可以采用稳
定离子加速电压，以磁场和电场对离子进行二次聚焦的方法来提高信号强度。高强 度信号使得他能用一系列狭缝来控制到达检测器的具不同速度和能量的离子。加上 使用离子敏感照相板作为接收器，使得仪器获得了更高的解析能力和测量精度。在 这台仪器中，离子从离子源发出后，首先经过两个狭缝，然后分别通过电场和磁场 进行质量分选和聚焦。最后不同质量的离子因为具有不同的速度（动能）而具有不 同的飞行轨迹，从而落在照相版上不同的位置（图 1-3）。
质谱介绍.ppt
概述
分子质量精确测定与化合物结构分析的重要工具
质谱仪的发展史
1911年:
世界第一台质谱装置（J. J. Thomson）早期应用：
原子质量、同位素相对丰度等
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，基质辅助
OH R
γ
RC
α
β
OH
R
RC
OH
R
C
+
R CH2
O
C R CH3
R＝H(醛 ） ： m/z =44 R＝CH3(酮 ）：m/z =58 R=OH(羧 酸 ） ： m/z=60
5 . 多电荷离子
失掉两个以上电子的离子是多电荷离子。
离子丰度的影响因素
❖ 1．产物离子的稳定性 ❖ 2．Stevenson规则 ❖ 3．质子亲合能(PA) ❖ 4．最大烷基丢失 ❖ 5．中性产物的稳定性
一般，离子从离子源到达检测器的时间为105s数量级， 若离子M1,质量m1 ①离子寿命>105s，足以到达检测器,测的其本身m1/z
②当离子寿命< 106 s 的离子在离子源内进一步裂解 M1→M2(m2) 若M2的寿命>105s，测的是m2/z
③10-6s<离子寿命< 105 s M1→M2(m2)此时M2与M1速度相同，
最轻同位素－天然丰度最大 分子离子峰 M+
同位素离子峰 M+1 或 M+2 峰
一些同位素的自然丰度
常见同位素及其丰度
元素 Ｃ
H N O S Cl Br
分子质量精确测定与化合物结构分析的重要工具
质谱仪的发展史
1911年:
世界第一台质谱装置（J. J. Thomson）早期应用：
原子质量、同位素相对丰度等
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，基质辅助
OH R
γ
RC
α
β
OH
R
RC
OH
R
C
+
R CH2
O
C R CH3
R＝H(醛 ） ： m/z =44 R＝CH3(酮 ）：m/z =58 R=OH(羧 酸 ） ： m/z=60
5 . 多电荷离子
失掉两个以上电子的离子是多电荷离子。
离子丰度的影响因素
❖ 1．产物离子的稳定性 ❖ 2．Stevenson规则 ❖ 3．质子亲合能(PA) ❖ 4．最大烷基丢失 ❖ 5．中性产物的稳定性
一般，离子从离子源到达检测器的时间为105s数量级， 若离子M1,质量m1 ①离子寿命>105s，足以到达检测器,测的其本身m1/z
②当离子寿命< 106 s 的离子在离子源内进一步裂解 M1→M2(m2) 若M2的寿命>105s，测的是m2/z
③10-6s<离子寿命< 105 s M1→M2(m2)此时M2与M1速度相同，
最轻同位素－天然丰度最大 分子离子峰 M+
同位素离子峰 M+1 或 M+2 峰
一些同位素的自然丰度
常见同位素及其丰度
元素 Ｃ
H N O S Cl Br
质谱发展史
1.质谱发展简史1886年，G o l d s t e i n发现正电荷离子1898年，W i e n利用电场和磁场使正电荷离子偏转1912年，T h o m s o n研制第世界上一台质谱仪，氖同位素的发现1918年，D e m p s t e r电子轰击电离(E l e c t r o n i o n i z a t i o n)及磁聚焦1919年，A s t o n精密仪器，测定50多种同位素，第一张同位素表1934年，S t e p h e n s均匀扇形磁场，球差和质量色散公式H e r z o g和H i n t e n b e r g e r电磁场组合，离子光学系统1940年，N i e r扇形磁场偏转质谱计，双聚集系统商品仪器的雏形235U，电磁制备方法，第二次世界大战期间在石油、化工等领域的应用1946年，S t e p h e n s飞行时间质谱(T i m e-o f f l i g h t m a s s a n a l y s i s) 1952年，M a r t i n气相色谱方法1953年，P a u l等四极杆分析器(Q u a d r u p o l e a n a l y z e r s)1956年，G o h l k e a n d M c L a f f e r t y气相色谱-质谱联用(G C/M S)B e y n o n 高分辨质谱仪(H i g h-r e s o l u t i o n M S)1965年，H i p p l e等离子回旋共振(I o n C y c l o t r o n R e s o n a n c e)1966年，M u n s o n a n d F i e l d化学电离(C h e m i c a l i o n i z a t i o n)1966年，M c L a f f e r t y a n d J e n n i n g s串联质谱(T a n d e m m a s s s p e c t r o m e t r y) 1973年，M c L a f f e r t y液相色谱-质谱联用(L C/M S)，热喷雾方法1974年，C o m i s a r o w和M a r s h a l l傅立叶变换离子回旋共振质谱(F T-I C R-M S)1981年，B a r b e r等快原子轰击电离质谱(F A B M S)，生物中，小分子，2000以内1989年，J.B.F e n n电喷雾电离K o i c h i T a n a k a基质辅助激光解吸电离。
质谱
3.
了基础。
4.
1943年，出现了第一台商品质谱仪，主要用于石油工业。
5
50年代是质谱技术飞速发展的一个时代。在质量分析器方面出现了四
极滤质器，脉冲飞行时间分析器。离子源方面出现了火花离子源和二 次离子源。特别值得一提的是，成功的实现了气相和质谱的联用，从 而使质谱质谱在分析复杂的有机混合物占有独特的优势。
失去21~25个质量单位的碎片。因此，待确定的分子离子峰与左
侧的离子峰的质量差，不能等于4~13，21~25等的质量单位。
季戊烷的质谱图：
上图为一烷烃的图谱，每m/z57与m/z41的离子相距16个质量数，而完整的有机
化合物分子不可能丢失一个· 4离子，所以m/z57不是分子离子峰，而是由m/z CH 72的离子失去甲基（M-15）形成的。经过谱图解析，证明这个化合物是季戊烷
A+1 % 质量 2 0.05
A+2 质量 %
元素类型
13 15 17 33 29
1.1 0.37 0.04 0.80 5.1
18 34 30 37 81
0.20 4.4 3.4 32.5 98.0
“A” “A” “A” “A” “A+1” “A+1” “A+2” “A+2” “A+2” “A+2” “A+2”
生成一个中性分子和一个自由基阳离子。
H
rH
Y
α
+
HY
H Y
H Y
i +
H Y
R4
CH CH
H
Z C R1
R4
CH CH HC R2
ZH C R1
R3
CH R2
质谱讲课课件
CH 2 CH 3
4 3 H 3 C CH 2 CH 2
CH 2 CH 2 CH 3
2 9 H 3 C CH 2
CH 2 CH 2 CH 2 CH 3
1 5 CH 3
CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3
43
29 15
57
71 85 99 113 142
m/z
正癸烷
C、亚稳离子峰 若质量为m1的离子在离开离子源受电场加速后，在进
硬电离方式，只能用于远远小于生物有机分 子的小分子(400Da以下)的检测,样品需经过 汽化进入电离区,不适合难挥发和热不稳定的 样品。能电离挥发性化合物、气体和金属蒸 汽。
B. FBI快速原子/离子轰击离子源（FAB）
使用高能量的惰性原子束（Ar）喷射样品靶上的样品和 基质表面,基质是溶解样品的非挥发性溶剂,样品从基质中解 吸附并汽化,离子化。基质的作用是溶解样品;吸收大部分能 量,有助于样品离子化并保护样品不被高能量撞击破坏。
适合分析高极性、相对分子量大 难挥发、和热稳定相差的样品， 对极性化合物测定不灵敏。常用的 基质：甘油、乙二醇胺等。
1、测定质量数可以做到7000Da。 2、快速。 3、软电离方式，碎片离子少
C. 基质辅助激光解吸附离子源（MALDI）
MALDI是通过激光束照射样品与基质的共结晶而使样品分 子电离，可以解决生物大分子的离子化难题，离子化过程 与FBI有相似之处。对基质的要求是能吸收337nm紫外光并 气化，能量由基质传给样品使样品一起气化并离子化。
质谱图
质谱图是以质荷比（m/z）为横坐标，相对强度为纵坐标构 成。一般将原始质谱图上最强的离子峰为基峰并定为相对 强度为100%，其它离子峰以对基峰的相对百分值表示。
【仪器知识】质谱仪器概述与工作原理
【仪器知识】质谱仪器概述与工作原理分质谱分析概述1.1 方法概述质谱分析法就是通过对被测样品离子的质荷比的测定来获得物质分子量的一种分析方法。
而把化合物分子用一定方式裂解后生成的各种离子，按其质量大小排列而成的图谱称为质谱。
质谱就是把化合物分子用一定方式裂解后生成的各种离子，按其质量大小排列而成的图谱。
1.2 发展历史1912年 Thomson 研制第世界上一台质谱仪1919年 Aston 精密仪器，测定50多种同位素1940年应用于石油、化工等领域1946年飞行时间质谱(Time-of flight mass analysis)1953年四极杆分析器(Quadrupole analyzers)1956年气相色谱-质谱联用(GC/MS)高分辨质谱仪 (High-resolution MS)1966年化学电离(Chemical ionization)1967年串联质谱(Tandem mass spectrometry)1973年液相色谱-质谱联用 (LC/MS)，热喷雾方法1974年傅立叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR-MS)1981年快原子轰击电离质谱(FAB MS)第二部分质谱仪器与工作原理2.1 质谱基本原理质谱：称量离子质量的特殊天平a. 质谱分析法就是通过测定被测样品离子的质荷比来获得物质分子量的一种分析方法。
b. 质谱分析法主要是通过对样品离子质荷比的分析而实现对样品进行定性和定量的一种方法c. 电离装置把样品电离为离子d. 质量分析装置把不同质荷比的离子分开e. 经检测器检测之后可以得到样品的质谱图2.2 质谱分类2.3 质谱仪组成2.3.1 真空系统2.3.2 进样系统（Sample Introduction）要求：大气压下的样品在不破坏真空度的情况下，使样品进入离子源方式：直接进样色谱进样（气相色谱及液相色谱）2.3.3 离子源（Ion Source）功能：将进样系统引入的气态样品分子转化成离子；硬电离软电离1.电子电离 Electron Ionization, EI2.化学离子 Chemical Ionization, CI3.场电离，场解吸 Field Ionization FD, Field Desorption FD4.快原子轰击 Fast Atom Bombardment, FAB5.基质辅助激光解析电离 Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI6.电喷雾电离 Electrospray Ionization, ESI7.大气压化学电离 Atmospheric Pressure Chemical Ionization, APCI1. 电子电离源(Electron Ionization EI)l 是应用最普遍，发展最成熟的电离方法。
质谱的历史及AB SCLEX质谱详解新选
25
© 2011 AB SCIEX
质量分析器---3D离子阱质量分析器
离子阱的主体是一个环电极和上下两端盖 电极，环电极和上下两端盖电极都是绕Z轴 旋转的双曲面，并满足r20=2Z20（ r0 为环 形电极的最小半径，Z0为两个端盖电极间的 最短距离）。直流电压U和射频电压Vrf加 在环电极和端盖电极之间，两端盖电极都 处于地电位。
质荷比m/e的离子进入磁感应强度为B的磁场中，
受磁场力的作用，离子作圆周运动，如果没有能
量的损失和增加，圆周运动的离心力和磁场力相
平衡，即：
mv2/R=Bev v2/R=Be/m
=Be/m
为离子运动的回旋频率（单位为弧度/秒）。 离子的回旋频率与离子的质荷比成线性关系，当 磁场强度固定后，只需精确测得离子的共振频率， 就能准确的得到离子的质量。测定离子共振频率 的办法是外加一个射频辐射，如果外加射频频率 等于离子共振频率，离子就会吸收外加辐射能量 而改变圆周运动的轨道，沿着阿基米德螺线加速， 离子收集器放在适当的位置就能收到共振离子
1977年，传送带式接口
– 流动相连续由传送带送入，通过两个EI/CI/FAB（真空 ），进行电离。
– 承受流量大，非挥发性缓冲液可以从传送带上除去，对样品的收集 率和富率较高。
– 传送带有记忆效应，不易消除，检测信号的背景高，只能分析热稳 化合物
离子在离子阱内的运动遵守所谓马蒂厄微 分方程，也有类似四极杆分析器的稳定图。 在稳定区内的离子，轨道振幅保持一定大 小，可以长时间留在阱内，不稳定区的离 子振幅很快增长，撞击到电极而消失。对 于一定质量的离子，在一定的U和Vrf下， 可以处在稳定区。改变U或Vrf的值，离子 可能处于非稳定区。如果在引出电极上加 负电压，可以将离子从阱内引出，，
© 2011 AB SCIEX
质量分析器---3D离子阱质量分析器
离子阱的主体是一个环电极和上下两端盖 电极，环电极和上下两端盖电极都是绕Z轴 旋转的双曲面，并满足r20=2Z20（ r0 为环 形电极的最小半径，Z0为两个端盖电极间的 最短距离）。直流电压U和射频电压Vrf加 在环电极和端盖电极之间，两端盖电极都 处于地电位。
质荷比m/e的离子进入磁感应强度为B的磁场中，
受磁场力的作用，离子作圆周运动，如果没有能
量的损失和增加，圆周运动的离心力和磁场力相
平衡，即：
mv2/R=Bev v2/R=Be/m
=Be/m
为离子运动的回旋频率（单位为弧度/秒）。 离子的回旋频率与离子的质荷比成线性关系，当 磁场强度固定后，只需精确测得离子的共振频率， 就能准确的得到离子的质量。测定离子共振频率 的办法是外加一个射频辐射，如果外加射频频率 等于离子共振频率，离子就会吸收外加辐射能量 而改变圆周运动的轨道，沿着阿基米德螺线加速， 离子收集器放在适当的位置就能收到共振离子
1977年，传送带式接口
– 流动相连续由传送带送入，通过两个EI/CI/FAB（真空 ），进行电离。
– 承受流量大，非挥发性缓冲液可以从传送带上除去，对样品的收集 率和富率较高。
– 传送带有记忆效应，不易消除，检测信号的背景高，只能分析热稳 化合物
离子在离子阱内的运动遵守所谓马蒂厄微 分方程，也有类似四极杆分析器的稳定图。 在稳定区内的离子，轨道振幅保持一定大 小，可以长时间留在阱内，不稳定区的离 子振幅很快增长，撞击到电极而消失。对 于一定质量的离子，在一定的U和Vrf下， 可以处在稳定区。改变U或Vrf的值，离子 可能处于非稳定区。如果在引出电极上加 负电压，可以将离子从阱内引出，，
仪器分析—质谱11
• Direct insertion probe
• Conceptually very easy, practically very tricky
Sample
Ceramic tip V acuum s e a ls
21
Sample Introduction: Gas Chromatography-MS (GC-
-Formation of ions in the gas phase (many ways)
• positive ion: by adding a proton: (M+H) + • or by removing an electron: (M ) +
• negative ion: by removing a proton: (M-H) • or by adding an electron: (M) -
6
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——质谱。
7
HOW DO WE ACHIEVE THIS?
• PERSUADE THE MOLECULE TO ENTER THE VAPOR PHASE (CAN BE DIFFICULT) • PRODUCE IONS FROM THE MOLECULES THAT ENTER THE GAS PHASE • SEPARATE THE IONS ACCORDING TO THEIR
Environmental analysis
Pesticides on foods, soil and groundwater contamination
• Conceptually very easy, practically very tricky
Sample
Ceramic tip V acuum s e a ls
21
Sample Introduction: Gas Chromatography-MS (GC-
-Formation of ions in the gas phase (many ways)
• positive ion: by adding a proton: (M+H) + • or by removing an electron: (M ) +
• negative ion: by removing a proton: (M-H) • or by adding an electron: (M) -
6
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——质谱。
7
HOW DO WE ACHIEVE THIS?
• PERSUADE THE MOLECULE TO ENTER THE VAPOR PHASE (CAN BE DIFFICULT) • PRODUCE IONS FROM THE MOLECULES THAT ENTER THE GAS PHASE • SEPARATE THE IONS ACCORDING TO THEIR
Environmental analysis
Pesticides on foods, soil and groundwater contamination
质谱发展历史-基础知识
DHB
SA CCA
MALD I优的点优缺点
1、质量数可达300,000Da。 2、attomole 至femtomole级灵
敏度。 3、软电离方式，无或极少碎片
离子。 4、耐盐（样品含盐可达毫摩尔
浓度）。 5、适于分析复杂混合物。
缺点
1、分辨率低。 2、1000Da以下基质峰干扰。 3、激光解吸附离子化有可能使样
The sample should NOT contain any Azide SDS Brij 35 Tris base CHAPS Triton X-100, Treduced Triton X-100 DMSO Tween DMF Zwittergent Glycerol any other detergent Phosphate buffers Salts and buffers >100 mM
2、灵敏度高达femtomole级。
2、对某些化合物特别敏感，污染难
3、软电离，可观察生物分子非共价反 清洗。
应。
3、样品需先气化，混合物不适用。
4、易于和LC串联，直接分析流速为 4、带多电荷，在分析混合物时，产
1ml/min的LC洗脱液。
生混乱。
5、没有基质干扰。
5、定量时需内校准。
6、适于联四极杆质量分析器、离子阱 质量分析器做结构分析。
表述方式要看分子量及分辨率而定，当m/z 高时单同位素峰已不是丰度最大的峰， m/z >8000时Μ与最高峰质量趋于一至。
第二节 质量分析器的种类
A、四极杆质量分析器Quadrupole Analyzer
A、B极性相反，加上一个直流电压DC，叠加一个射频电 场RF，扫描时固定RF频率， DC： RF保持比率不变，数值 递增，使m/z小到大的离子依次通过，取得一张完整的质谱 图。
SA CCA
MALD I优的点优缺点
1、质量数可达300,000Da。 2、attomole 至femtomole级灵
敏度。 3、软电离方式，无或极少碎片
离子。 4、耐盐（样品含盐可达毫摩尔
浓度）。 5、适于分析复杂混合物。
缺点
1、分辨率低。 2、1000Da以下基质峰干扰。 3、激光解吸附离子化有可能使样
The sample should NOT contain any Azide SDS Brij 35 Tris base CHAPS Triton X-100, Treduced Triton X-100 DMSO Tween DMF Zwittergent Glycerol any other detergent Phosphate buffers Salts and buffers >100 mM
2、灵敏度高达femtomole级。
2、对某些化合物特别敏感，污染难
3、软电离，可观察生物分子非共价反 清洗。
应。
3、样品需先气化，混合物不适用。
4、易于和LC串联，直接分析流速为 4、带多电荷，在分析混合物时，产
1ml/min的LC洗脱液。
生混乱。
5、没有基质干扰。
5、定量时需内校准。
6、适于联四极杆质量分析器、离子阱 质量分析器做结构分析。
表述方式要看分子量及分辨率而定，当m/z 高时单同位素峰已不是丰度最大的峰， m/z >8000时Μ与最高峰质量趋于一至。
第二节 质量分析器的种类
A、四极杆质量分析器Quadrupole Analyzer
A、B极性相反，加上一个直流电压DC，叠加一个射频电 场RF，扫描时固定RF频率， DC： RF保持比率不变，数值 递增，使m/z小到大的离子依次通过，取得一张完整的质谱 图。
质谱原理与方法
扇形磁偏转分析器示意图
（2）四极杆质量分离器
仪器与结构
与质谱联用仪器
仪器内部结构
联用仪器（ GC/MS ）
HEWLET PACKAR T D 5972A Mass Selective Detector
1.0 DEG/MI N
HEWLETT PACKARD
5890
Sample
Gas Chromatograph (GC) Mass Spectrometer (MS)
(UV
10-6
IR 10-8 NMR
质谱缺点：1、高真空操作 2、需要精致的电压、电流、磁场
三、质谱仪原理 与结构图
电离室原理 与结构
1、离子源：
（1）电子轰击源 (EI)
加速电子 金属热丝（铼，氧化钍）
反射极板
阳极
优点: 碎片丰富,通过给出离子的碎裂方式可以帮助鉴定 化 合物 缺点: 缺少分子离子峰
（1）磁偏转分析器
加速后离子的动能(直线 运动） : (1/2)m 2= e V = [(2V)/(m/z)]1/2 在磁场存在下，带电离子直线运动改为曲线轨迹飞行；
离心力 =向心力；m 2 / R= H0 e V
曲率半径： R= (m ) / z H0 质谱方程式：m/z = (H02 R2) / 2V 离子在磁场中的轨道半径R取决于： m/z 、 H0 、 V 改变加速电压V, 可以使不同m/z 的离子进入检测器。 质谱分辨率 = M / M =M/M2-M1 （指仪器对质量非常接近 的两种离子的分离能力）
3、分子离子峰
1）、分子离子的稳定性
分子电离一个电子形成的离子所产生的峰。
单电荷分子离子的质量与化合物的相对摩尔质量相等。
质谱发展历史-基础知识
传递部分能量(多小于6ev)形成离子及部分碎片.
EI的优缺点
优点
1.级的灵敏度
2.有达10万个化合物的 数据库可快速检索
3.可根据碎片方式鉴定 未知物
4.从碎片离子判定结构
缺点
1.质量范围小
2.有可能汽化前发生解 离
3.碎片过多有时看不到 分子离子
B. FBI快速原子/离子轰击离子源 Fast Atom/Ion Bombardment
第一节 进样部分
要求： 大气压下的样品要进入高真空的质谱仪，
而不影响仪器的真空度。 方式：
进样板进样 进样头进样 毛细管进样（从气相色谱及液相色谱柱）
第二节 离子源
▪ A :EI源 Electron Ionization
▪
是1980年以前的主要离子化方式,只能用于远远小于生物有机分子的小分子
(400Da以下)的检测,样品需经过汽化(通常热解吸附)进入电离区,与电子流撞击.电子流
DC+RF
四极杆质量分析器的 优点
四极杆质量分析器通常与EI、ESI源联接 1、能容忍相对低的真空度（约10x10⁻⁵Torr） 2、m/z可达3000， ESI离子源产生的多电荷
生物分子离子m/z正好多在3000以内。 3、开销低廉。
B、离子阱质量分析器
三维的四极杆，RF加在环形电极上。
环形电极
品光降解。
4、串联质谱功能较弱，除非接反 射装置进行源后衰变测量。
5、不能分析非共价键相互作用。 6、定量时需要内校准。 7、如没有反射飞行装置，不能分
析多肽修饰。
8、对各种赋形剂的容忍度低（如 含磷酸缓冲液，大于150mM的盐
等。
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质谱的发明
英国物理学家J.J.Thomson(1906年诺贝尔物理学奖获得者）在上世纪初即开展了正电荷离子束的物理学研究，并于1910年研制了世界上第一台质谱 仪 Thomson利用低压放电离子源所产生的具有高速度的正电荷离子束，通过一组电场和磁场，这时不同质荷比的正电荷离子按不同质量发生曲率不同 的抛物线轨道偏转，依次到达检测器，在感光干板上被记录下来，从而发明了质谱法
质谱应用案例
复杂基体中痕量成分的定性定量分析——二恶因检测
二恶因（Dioxins)被称为“世纪之毒”，除了其具有很强的急毒性外，因其化学 结构非常稳定，不易代谢，人体吸收后会残留在体内，中长期累积可导致癌变。
二恶因的来源及危害： 金属冶炼，汽车尾气，焚烧生产，世界上几乎所有媒介上都被发现有二噁英。这些化合物聚积最严重的地方是在土壤、沉淀
联用类型
为了分析更为复杂的样品，TOF常常与四极杆联用，即为Q-TOF。Q-TOF的MSe模式可在一次分析中对所有进入质谱的离子 化合物进行质量数的采集，并对所有离子化合物的碎片离子进行质量数的采集，因此可对样品进行全面的数据采集，适合用于 蛋白质组、代谢组等组学的研究。
与MALDI源联用，组成的MALDI-TOF或MALDI-TOF/TOF可用于鉴定化合物的质量数，或者定性分析基质较为简单的样品。
从上世纪40年代开始，质谱广泛用于有机物质分析； 1966年，M.S.B，Munson和F.H. Field报到了化学电离源（Chemical Ionization，CI），质谱第一次可以检测 热不稳定的生物分子； 到了80年代左右，随着快原子轰击（FAB）、电喷雾（ESI）和基质辅助激光解析（MALDI）等新“软电离”技 术的出现，质谱能用于分析高极性、难挥发和热不稳定样品后，生物质谱飞速发展
检测器，此采集模式称为子离子扫描（Daughter Scan/Product Scan）模式。
4. 而当Q1、Q2和Q3均发挥作用时，Q1筛选目标质荷比的带电离子经Q2碰撞诱导解离产生碎片离子，后经Q3筛选，仅目标质
荷比的子离子到达检测器，此采集模式称为选择反应监测/多反应监测（SRM/MRM）模式。
在以上各类质谱仪中，数量最多，用途最广的是有机质谱仪。
质谱应用案例
石墨烯的发现
在有机质谱应用方面，1985年英国萨塞克斯大学（University of Sussex)的波谱学家H.W.Kroto与美国莱斯 大学（Rice University)两名教授R.E.Smalley和R.F.Curl合作研究，利用质谱仪发现碳元素可以形成由60个或 70个碳原子构成的有笼状结构的C60和C70分子，这一发现引起 科学界特别是物理学和化学界的强烈反响， 成为上世纪后半叶的重大科学发现之一。11年后，三位科学家因为发现C60并提出其分子结构模型而荣获 1996年诺贝尔化学奖。
质量分析器
质量分析器是质谱仪的核心
气相离子能够被适当的电场或磁场在空间或时间上按照质荷比的大小进行分离。 广义地说，能够将气态离子进行分离分辨的器件就是质量分析器。
四级杆质谱
质量分析器
飞行时间质谱
离子阱质谱
质量分析器-四级杆质谱
一、四级杆质谱： 四极杆由四根平行电极组成，电极上带有直流电压与射频电压，形成规律变化的电场。
进样系统
离子源
质谱原理
质量分析器
检测器
分析系统
基本原理是使样品中各组分在离子源中发生电离，生成不同荷质比的带电荷的离子，形成离子束，进入质量 分析器，然后利用电场和磁场使发生相反的速度色散，分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量。
离子源
离子源种类：EI、CI、ESI、APCI、APPI、MALDI、DART
质量分析器-离子阱质谱
三、离子阱质谱
离子阱质谱，简称Ion Trap，是一种将带电离子限定在指定空间内，分析带电离子特 性的质量分析器，可分为三维离子阱、线性离子阱和静电场轨道离子阱质谱。
三维离子阱
线性离子阱
静电场轨道离子阱
质量分析器-离子阱质谱
三维离子阱和线性离子阱的质量分析原理相似，是将带电离子限定在指定空间内，通过改变电极参数， 使相应质荷比的带电离子失去稳定状态，飞离离子阱，从而在检测器上得到相应的信号。
三维离子阱和线性离子阱可实现带电离子的多级碎裂（MSn）与采集分析，得到带电离子的多级质谱图。 这弥补了其他质谱仪器分析功能上的空白，尤其有利于生物大分子化合物的定性分析。
质量分析器-离子阱质谱
轨道离子阱（Orbitrap，OT）的分析原理和构造则不同。电场为静电场，故又称静电场轨道离子阱。
在OT中，带电离子可围绕中心电极做圆周往复运动，检测器通过采集离子运动产生的电流信号，通过傅里叶变换计算得到对 应离子的质荷比，其分辨率可高达140000。为了更好的利用OT的超高分辨率，其通常与四极杆、线性离子阱联用，即为QOT，Q-OT-LIT等。Q-OT在原理上弥补了Q-TOF仪器的不足，具有更高的分辨率、更好的稳定性和更智能的采集方式。
谢谢
苯丙酮尿症的诊断方法有：细菌抑制法（BIA)、液相色谱法、荧光法、 生物酶和基因分析方法等，传统方法费时长、不灵敏，更主要的是往 往很容易造成假阳性现象。
GC/MS分析：通过测定Phe、Tyr衍生物的特征离子峰面积，计算出 血样中Phe、Tyr的浓度，根据血样中Phe、Tyr摩尔浓度的比值来诊 断PKU，不仅快速、灵敏，而且可以消除假阳性。
单四极杆质谱：
四级杆质谱扫描模式
1. 当四极杆不发挥筛选作用时，带电离子全部到达检测器，此采集模式称为全扫描（Full Scan）模式；
2. 当四极杆发挥筛选作用时，仅目标质荷比的带电离子到达检测器，称为选择离子扫描（SIM/SIR）模式。
三重四级杆质谱：
3. 当仅Q1和Q2发挥作用时，Q1筛选目标质荷比的带电离子（母离子）经Q2碰撞诱导解离产生的碎片离子（子离子）全部到达
质谱的前世今生
质谱是什么？
质谱就是一种特殊的“称重”技术
质谱是一种测定各种物质的原子或分子质量的分析方法。 质量是物质的固有特性之一，不同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 质谱谱峰的强度也与它代表的化合物的含量有关，利用这一点，可以进行定量分析
测定分子质量和相应的离子电荷（质荷比m/z)
气相色谱 （Gas chromatography）
液相色谱 （Liquid chromatography）
质谱
GC-MS
GC-MS
GC-MS, LC-MS
1956年，GC-MS开始联用 1973年，LC-MS开始联用
由于与分离型仪器实现联用，质谱可以直接分析混合有机物，成为复杂混合物成分分析的最有效工具。这些混合物包括 天然产物、食品、药物、代谢产物、污染物等等。它们的组分可多至数百个甚至上千个，含量也可千差万别，用别的方法分 析这类样品所耗费的时间，代价为人们难以承受，有时则根本不可能进行，而用色谱-质谱联用法则可能在较短的时间内很方 便地进行。因此，它的问世，被认为是分析化学中的一个里程碑。
通过改变电场的参数，四极杆可以用于筛选和分析特定质荷比的带电化合物。
四级杆能完成初步定性分析，因为四极杆的精度有限，对于同质异素化合物定性能力欠缺。 但是三重四极杆质谱的定量分析能力比较好，具有灵敏度高、稳定性好、分析效率高等优势
三重四级杆质谱：
质量分析器-三重四级杆质谱
在三重四极杆质谱中，带电离子将依次经过四极杆（Q1）、碰撞池（Q2）和四极杆（Q3）的作用后到达 检测器。在传统三重四极杆质谱中，碰撞池的结构也为四极杆，因此称为三重四极杆质谱。
微通道板检测器结构示意图
进样方式
探针进样
对于难挥发的液体或固体纯化合物，将样品放在探 针顶端的小杯内，通过质谱仪的样品加入口将探针
放进离子源中，然后加热离子源直至样品挥发。
直接进样 间接进样
色谱
色谱进样
对于组分较复杂的混合物，先将样品分离成单一组 分，再进入质谱仪的离子源中。最典型的是气相色
谱仪或液相色谱仪通过接口与质谱仪连接。
质量分析器-飞行时间质谱
二、飞行时间质谱
飞行时间质谱，俗称TOF（Time of Flight），是一种分辨率远高于四极杆的质 量分析器，解决了四极杆质量分析精度不足的问题，因此常用于定性分析。
飞行时间质谱是依据带电离子在真空中的飞行时间来计算其质荷比的， 质荷比小的化合物飞行时间短，质荷比大的化合物飞行时间长。
质谱临床应用案例
临床诊断应用：GC-MS方法诊断新生儿苯丙酮尿症（ PKU ）
PKU 是一种氨基酸代谢缺陷症，如早期没有得到及时的治疗，会造成患者神经系统的不可逆转损伤，导致患儿智力低下、痴呆。 早期诊断为PKU的患儿可以采用低苯丙氨酸的食物进行治疗。因此，早期诊断在PKU的防治工作上具有特别重要的意义。
质量分析器
根据质谱质量分析精度的不同
低分辨质谱 高分辨质谱
四极杆质谱 三维离子阱质谱 飞行时间质谱 线性离子阱质谱 静电场轨道离子阱质谱
检测器
质量分析器分离并加以聚焦的离子束，按m/z的大小依次通过夹狭缝到达收集器，信号经接 收放大后被记录。
质谱仪器的检测器有很多种，如电子倍增管及其阵列、离子计数器、感应电荷检测器、法拉第收集器 等比较常见的检测器。
物和食品，特别是乳制品、肉类、鱼类和贝壳类食品中。 已有资料证明二恶因对人体的影响可造成男女不孕、增加婴儿死亡率、致癌等。其内分泌干扰剂行为影响生物体本身荷尔蒙
的调节、产生和代谢的表现，更直接造成对人类生存的威胁。
典型事件： >越战中美军使用了大量的枯叶剂——越南1970年出生的婴儿大量畸形 >城市垃圾焚烧——2000年比利时食品污染事件 >我国血吸虫病疫区使用的五氯酚钠灭钉螺（6千吨/年）,含有33-162ppb的二恶因。
岛津三重四级杆质谱LCMS-8050