质谱仪工作原理
四极质谱仪原理
四极质谱仪原理
四极质谱仪的工作原理是：通过离子源将物体原子电离成离子，然后通过离子光学系统将离子束聚焦到真空系统中的一个小点。
接下来，通过保持离子在电场和磁场的稳定位置，将不同质量的离子分离，并依次进入真空系统中的检测器。
具体来说，四极质谱仪主要包括以下几个部分：
1. 离子源：离子源是四极质谱仪的核心部分，它通过电离物体原子产生离子。
常用的离子源有电子倍增器、电子捕获检测器等。
2. 离子光学系统：离子光学系统包括真空系统、离子光学透镜、偏转板等部件，其主要作用是将离子束聚焦到一个小点，并将其传输到下一个系统中。
3. 质量分析器：质量分析器是四极质谱仪的关键部分，它通过保持离子在电场和磁场的稳定位置，将不同质量的离子分离。
常用的质量分析器有四极滤质器、飞行时间质谱仪等。
4. 检测器：检测器是四极质谱仪的输出部分，它将分离后的离子转化为电信号，并进行记录和分析。
常用的检测器有电子倍增器、微通道板等。
通过以上几个部分的协同工作，四极质谱仪可以实现对不同质量的离子进行高灵敏度、高分辨率的分析，从而应用于化学分析、环境监测、生物医学等领域。
气相色谱质谱仪工作原理
气相色谱质谱仪工作原理
气相色谱质谱仪（Gas Chromatography-Mass Spectrometry，GC-MS）的工作原理如下：
1. 气相色谱（Gas Chromatography，GC）：样品溶解在挥发性的溶剂中，并被注入到气相色谱柱中。
色谱柱是一个长而细的管道，内壁涂有不同类型的固定相。
样品在色谱柱中通过流动相（常为惰性气体，如氦气）的推动下，根据它们的挥发性和亲水性等特性，以不同速度迁移。
这将导致样品分离为组分的混合物。
这个步骤被称为色谱分离。
2. 质谱（Mass Spectrometry，MS）：GC之后，被分离的样品组分进入质谱器。
在质谱器中，样品组分被电子轰击或化学电离，形成带电的分子离子。
这些带电离子被加速并分离为不同的质荷比（m/z），然后被检测器捕获，产生质谱图。
质谱图显示了样品中组分的质量和相对丰度。
3. 数据分析：质谱仪通过比较质谱图与已知标准的质谱图数据库进行数据匹配。
通过对峰的相对大小和位置进行分析，可以确定样品中存在的化合物种类和相对含量。
气相色谱质谱仪通过结合气相色谱的分离能力和质谱的识别能力，实现了对复杂混合物的高效分析和化合物鉴定。
它广泛用于环境科学、食品安全、药物分析等领域。
质谱仪工作原理
*
质谱过程
撞击 得到 高速电子 气态分子 阳离子 顺序谱图 质量分析器 定性结构 定量分析
导入
按质荷比m/e
峰强度
峰位置
1
2
3
4
5
6
*
真空系统 进样系统：直接进样和色谱进样 离子源： 电子轰击离子源EI，化学电离源CI, 快原子轰击源FAB,电喷雾源ESI, 大气压化学电离源APCI，激光解吸源LD 质量分析器： 磁式单聚焦和双聚焦、四级杆、飞行时间、离子阱、傅里叶变换离子回旋共振分析器 检测器：光电倍增管 数据处理系统
直流电压Vdc 交流电压Vrf
*
+
+
*
结构: 四根棒状电极，形成四极场 1，3棒： (Vdc +Vrf) 2，4棒：- (Vdc+ Vrf ) 原理： 在一定的Vdc Vrf 下 ， 只有一定质量 的离子可通过四极场，到达检测器。 在一定的（Vdc/Vrf)下，改变Vrf 可实 现扫描。 特点： 扫描速度快，灵敏度高 适用于GC-MS
丁酮的质谱图
质谱表 元素图表
*
四、质谱仪的性能指标
质量范围 指所能检测的m/z范围 四极杆质谱 m/z小于或等于2000 磁式质谱 m/z可达到几千 飞行时间质谱 m/z可达到几十万
*
分辨率R 例如：CO+ 27.9949，N2+，28.0061 四极质谱恰好能将此分开. 但是: ArCl+ 74.9312，As+，74.9216 质谱仪把相邻两质量 组分分开的能力
+
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+
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质谱仪的原理应用
质谱仪的原理应用1. 质谱仪的基本原理质谱仪是一种用于分析物质的仪器，利用原子或分子的质量-电荷比（m/z）进行测量。
其基本原理包括以下几个步骤：•样品进样：样品通过进样系统进入质谱仪，通常采用气相、液相或固相进样方式。
不同样品介质需要选择对应的接口方式。
•样品离子化：样品进入离子源后，通过电子冲击、电离辐射或化学反应等方法将其转化为离子形式。
•质量分析：离子经过加速器加速后，进入质量分析器。
在质量分析器中，离子按照其质量-电荷比（m/z）被分离和分析。
•离子检测：分离后的离子通过离子检测器进行检测和计数，并得到相应的信号。
2. 质谱仪的应用领域质谱仪在许多领域都有广泛的应用。
下面列举几个常见的应用领域：•环境分析：质谱仪可以用于环境中有机物或无机物的检测与分析，例如空气中的污染物、水中的有害物质等。
通过对样品的离子化和质量分析，可以快速准确地检测出目标物。
•食品安全：质谱仪可以用于食品中农药残留、重金属等有害物质的检测。
通过对食品样品进行离子化和质量分析，可以确定食品中各种成分的含量，保证食品的安全性。
•药物研发：质谱仪在药物研发过程中起到重要作用，可以用于药物的结构鉴定、药代动力学研究、药物代谢等方面。
通过对药物样品进行质量分析，可以确定药物的分子结构和特性。
•生物医学：质谱仪在生物医学研究中也有广泛应用，可以用于蛋白质分析、基因组学研究、代谢组学研究等。
通过对生物样品进行质量分析，可以获取各种生物分子的信息，有助于疾病的诊断和治疗。
3. 质谱仪的发展趋势近年来，质谱仪技术不断发展，出现了许多新的应用和改进。
以下是质谱仪的发展趋势：•高灵敏度：质谱仪的灵敏度逐渐提高，可以检测到更低浓度的物质。
•高分辨率：质谱仪的分辨率也在不断提高，可以更准确地区分不同的离子。
•多种离子源：质谱仪中出现了许多新的离子源，适用于不同类型的样品。
•数据处理：质谱仪软件的发展也非常重要，可以对大量的质谱数据进行处理和分析，提高工作效率。
质谱仪的构造和工作原理
质谱仪的构造和工作原理
质谱仪是一种利用质谱原理进行分析和检测的仪器。
它通常由离子源、质量分析器和检测器三部分组成。
离子源用于将样品中的分子转化为带电的离子，质量分析器用于根据离子质量、电荷比和能量将离子分离并检测，检测器则用于对检测到的离子进行计数和记录。
质谱仪的工作原理是将样品原子或分子通过电离源产生带电离子，然后经过质量分析器进行分离并检测。
其中，离子源的类型有多种，如电子轰击离子源、化学电离源和光电离源等。
不同的离子源会对样品进行不同的离子化反应，因此在选择离子源时需要考虑样品性质和分析需求。
质量分析器是质谱仪最核心的部分，它可以将离子根据其质量、电荷比和能量进行分离。
常用的质量分析器有四极杆质谱仪、飞行时间质谱仪和离子阱质谱仪等。
每种质量分析器的工作原理不同，但都是根据离子在电场中的运动规律进行离子分离和检测。
检测器是质谱仪的最后一部分，它的作用是对分离和检测到的离子进行计数和记录。
常用的检测器有电子增强器、多道计数器和荧光屏等。
在选择检测器时需要考虑样品的离子强度和信噪比等因素。
总之，质谱仪是一种非常重要的分析仪器，它可以广泛应用于化学、生物、医学、环境等领域，为科学研究和产业发展提供了有力的支持。
- 1 -。
质谱工作原理
质谱工作原理
质谱（MS）是通过检测化合物中某种特定的元素而将化合物
中所有可能存在的原子（分子）以一定的顺序排列起来，从而对
化合物进行定性和定量分析。
质谱工作原理如下：
电离源是质谱的核心部件，它将离子从样品溶液中分离出来，再经加速和电离而得到高质量的离子束（离子源）。
常用的有分
子离子化源和化学离子化源。
分子离子化源有电喷雾质谱仪和喷雾质谱仪两种。
电喷雾质
谱的工作原理是用高压气体使样品溶液雾化，形成无数细小的液滴，在飞行时间质谱仪中被加速到一定速度后，使液滴撞击基质
中的离子发生碰撞而使样品离子与离子相碰撞而产生碎片离子。
这些碎片离子在进入质谱检测器前，会被扫描器滤除。
因此，分
子离子化源又称为滤去离子化源或滤除（filter）离子源。
这类
质谱仪以液体为工作介质。
化学离子化源是利用有机化合物分子在离子化过程中所发生
的化学反应而产生电离产物（主要是氢化物）。
这种质谱仪称为
化学电离质谱仪（CID）。
—— 1 —1 —。
质谱仪光的波长
质谱仪光的波长
质谱仪是一种分析仪器，用于测量样品中化学物质的质量和浓度。
在质谱仪中，光的波长起着至关重要的作用。
光的波长用于激光源激发样品，使其产生离子。
这些离子随后通过质谱仪进行分析，从而确定样品的成分。
质谱仪的工作原理基于库仑排斥原理。
当激光束照射到样品上时，样品分子被激发并电离成带正电荷的离子。
这些离子根据质量的不同，在电磁场的作用下发生分离，从而可以逐一检测和分析。
光的波长选择合适，可以提高离子产生的效率，进而提高分析的准确性。
光的波长选择取决于样品的性质和分析的目标。
例如，对于生物分子如蛋白质和核酸的分析，常用的激光波长为紫外光波段，因为这些生物大分子的吸收峰位于紫外区域。
而对于小分子化合物的分析，如有机化合物和无机离子，可见光和近红外光波段更为常用。
在实际应用中，质谱仪的光的波长选择还需考虑其他因素，如激光器的性能、样品的稳定性和激光与样品之间的相互作用。
此外，为了提高质谱仪的分析效率和准确性，研究人员还在不断探索新的光源和光源调控技术。
总之，质谱仪中光的波长对于离子产生和分析至关重要。
根据样品的性质和分析需求，选择合适的光波长可以提高分析效率和准确性。
随着科学技术的不断发展，未来质谱仪将在光源技术和光波长选择方面取得更多突破，为各个领域的研究提供更加高效、精确的分析手段。
四级杆质谱仪的原理
四级杆质谱仪的原理
四级杆质谱仪是一种常见的质谱分析仪器，主要用于分离和检测样品中的离子。
它主要由四根带有直流电压（DC）和叠加的射频电压（RF）的准确平行金属或陶瓷镀金园柱杆构成。
相对的一对电极是等电位的，相邻两对电极之间电位相反。
四级杆质谱仪的工作原理如下：
1.离子生成：样品进入质谱仪后，首先经过气化室气化，然后进入离子源。
在离子源中，样品分子受到电子轰击，失去电子成为带正电荷的离子。
2.离子加速和分离：带电离子进入四级杆质谱仪，四级杆中的电场会对离子产生加速和偏转作用。
由于不同离子的质量和电荷不同，它们在电场中的运动轨迹也不同。
在四级杆中，离子会根据质荷比（m/z）进行分离。
3.离子检测：经过四级杆分离后的离子，根据其质荷比的不同，会在接收器中形成不同的信号。
质荷比越小的离子，到达接收器的时间越早，信号强度越高。
质荷比越大的离子，到达接收器的时间越晚，信号强度越低。
这样，四级杆质谱仪就可以根据离子信号的强度和到达时间，对样品中的不同成分进行定性和定量分析。
四级杆质谱仪在分析过程中，可以通过调整射频电压和直流电压的参数，实现对不同质量离子的高效分离。
此外，四级杆质谱仪具有高灵敏度、高分辨率、宽动态范围等优点，广泛应用于化学、生物、环境等领域的研究和分析。
质谱仪工作原理
质谱仪工作原理
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（3）快原子轰击 (fast atom bombardment
FAB)
高能量的Ar原子 轰击涂在靶上的样 品，溅射出离子流。
本法适合于高极 性、大分子量、低 蒸汽压、热稳定性 差的样品
质谱仪工作原理
19
(4) 场致电离源（FI）
电压：7-10 kV；d<1 mm；
强电场将分子中拉出一个电子；
•电喷雾源ESI,
•大气压化学电离源APCI， LC-MS
•激光解吸源LD
质谱仪工作原理
12
(1)电子轰击源
(electron impact ionization, EI)
++
: R1
: R2
+
: R3
: R4
++
:e
(M-R3)+
(M-R2)+
(M-R1)+ M+
Mass Spectrum
质谱仪工作原理
检测器 Detector
数据处理 系统
Data System
质谱仪工作原理
6
进样系统
离子源
质量分析器
检测器
1.气体扩散 2.直接进样 3.气相色谱
1.电子轰击 2.化学电离 3.场致电离 4.快原子轰击
1.单聚焦 2.双聚焦 3.飞行时间 4.四极杆
质谱仪工作原理
7
撞击
高速电子
顺序谱图
得到
气态分子
质谱仪工作原理
21
•ESI是软电离源，通常很少或没有碎片，准分 子离子，只能提供未知化合物的分子量信息， 不能提供结构信息。
Hale Waihona Puke 生成的气体离子再与样品分子M反应：
质谱仪 原理
质谱仪是一种用于分析化学样品的仪器，它基于样品中离子的质量/电荷比进行分析。
其基本原理如下：
1.离子化：样品被送入质谱仪后，首先会经过一个离子源，其中样品分子被电离成离子。
这个过程可以通过不同的方法实现，例如电子轰击、化学离子化、电喷雾等。
2.加速和聚焦：离子化后的离子会被加速并通过一个电场，使其进入质谱仪的分析器。
在分析器中，离子会根据其质量/电荷比被分离和聚焦。
3.检测和分析：聚焦后的离子会被检测器检测到，并转换成电信号。
这些信号会被计算机处理，生成一个质谱图，其中每个峰对应一个特定的离子，峰的位置取决于离子的质量/电荷比。
通过分析质谱图，可以确定样品中存在的化合物以及它们的相对丰度。
质谱仪在许多领域都有广泛的应用，例如化学、生物、医学、环境科学等。
质谱仪的工作原理2
质谱仪的工作原理（2）二．模型二1. 一种质谱仪基本构造示意图如图核心部分有：加速电场U 、静电分析器、磁分析器和胶片。
2. 基本原理粒子从静止开始经加速电场加速后沿中心线通过静电分析器，由P 点垂直边界进入磁分析器，最终打到胶片上的Q 点。
不计粒子的重力。
设静电分析器通道中心线的半径为R ，通道内均匀辐射电场在中心线出的电场强度大小为E ，磁分析器有范围足够大的有界匀强磁场，磁感应强度大小为B 、方向垂直纸面向外。
（1）粒子电性？解析：在偏转磁场中，由偏转方向根据左手定则判断。
若为如图所示磁场方向，粒子向左偏转，粒子应带正电。
（2）能从静电分析器中心线通过的离子速度v ？解析：根据牛顿第二定律有 R mv qE 2=，可得m qER v = ①（3）加速电场电压？解析：根据动能定理有 221mv qU =，与①联立，可得ER U 21=② 【结论】：加速电场电压大小与入射粒子电荷量和质量无关，与E 、R 匹配。
（4）粒子在磁分析器中做匀速圆周运动的半径r ？直径PQ ？解析：根据牛顿第二定律 r mv qvB 2=，与①联立，解得q mER B r 1=，q mER B r PQ 22==。
【结论】： 粒子从静止开始经上述过程落在胶片上的位置与粒子比荷m q 有关，直径PQ 越大，比荷mq 越小，但质量不一定越大。
若一群粒子落于同一点，则它们具有相同的比荷。
三．模型三一种质谱仪的示意图如图1.核心部分有：速度选择器、静电分析器、磁分析器和胶片。
2.基本原理 若速度选择器中电场强度大小为1E ，磁感应强度大小为1B 、方向垂直纸面向里，静电分析器通道中心线为41圆弧，圆弧的半径（OP ）为R ，通道内有均匀辐向分布的电场，在中心线处的电场强度大小为B 、方向垂直于纸面向外。
一带电粒子以速度v 沿直线经过速度选择器后沿中心线通过静电分析器，由P 点垂直边界进入磁分析器，最终打到胶片上的Q 点，不计粒子重力。
四极质谱仪工作原理
四极质谱仪工作原理
四极质谱仪是一种基于电场和磁场作用的质谱仪。
其工作原理如下：
1、样品进样：样品通过进样系统被引入四极质谱仪中。
2、加速和聚焦：样品中的离子首先被加速，使其能量增加。
然后通过聚焦系统将离子聚焦成一个束流。
3、预选：通过在离子束前放置衍射装置，只允许特定质荷比的离子通过，其他离子则被屏蔽。
4、四极杆：离子束经过四极杆，四极杆由交替放置的四个导电棒组成，产生较强的电场和磁场。
电场控制离子在X方向上的运动，磁场控制离子在Y方向上的运动。
通过调整电场和磁场的大小和极性，可以选择特定质荷比的离子通过四极杆。
5、检测器：通过四极杆后，允许通过的离子进入检测器。
常用的检测器包括离子多道器、法拉第杯和微通道板。
6、数据分析：检测器测得离子的质量和相对丰度，然后通过数据分析软件处理得到样品中各种离子的质量和相对丰度信息。
飞行时间质谱仪原理
飞行时间质谱仪原理
飞行时间质谱仪是一种基于质荷比对粒子进行分析的仪器。
它利用粒子在电场和磁场中运动的速度差异，实现对质荷比进行测量。
其工作原理可以概括为以下几个步骤：
1. 粒子源：飞行时间质谱仪中用于产生待测粒子的粒子源。
常见的粒子源包括离子源、中性原子源等。
这些粒子在经过适当的加速器或激发器后会成为高速运动的粒子束。
2. 加速器：粒子源后面通常有一个加速器，用于给待测粒子束加速，使其达到一定的能量和速度，以便在后续的分析过程中有足够的速度差异。
3. 飞行管：待测粒子束进入飞行管，它是一个长而具有高真空的管道。
在管道中，待测粒子束受到恒定的电场和磁场的作用，电场使其加速，磁场使其偏转。
由于不同质荷比的粒子受到电场和磁场的影响不同，它们在飞行管中的轨迹也会有所不同。
4. 探测器：飞行时间质谱仪的探测器位于飞行管的末端。
它可以用于记录粒子束到达的时间，并且可以区分不同的粒子。
当待测粒子到达探测器时，探测器会输出一个电信号，记录下到达时间。
5. 数据处理：通过测量到达时间、使用粒子的速度、飞行距离等信息，可以计算出粒子的飞行时间。
将飞行时间与待测粒子
的质量和电荷进行相关联，就可以得到粒子的质荷比。
总之，飞行时间质谱仪利用粒子在电场和磁场中的运动差异，测量粒子的飞行时间，并通过计算得到粒子的质荷比，从而实现对粒子的分析和鉴定。
专题11 质谱仪(解析版)
专题十一质谱仪基本知识点质谱仪是一种精密仪器，是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具：一个质量为m、电荷量为q的粒子，从容器A下方的小孔S1飘入电势差为U的加速电场，其初速度几乎为零，然后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场中，最后打到照相底片D上(如图)．则粒子进入磁场时的速率为v＝2qUm，在磁场中运动的轨道半径为r＝1B 2mUq.例题分析一、质谱仪的工作原理例1质谱仪原理如图所示，a为粒子加速器，电压为U1；b为速度选择器，磁场与电场正交，磁感应强度为B1，板间距离为d；c为偏转分离器，磁感应强度为B2.今有一质量为m、电荷量为e的正粒子(不计重力)，经加速后，该粒子恰能通过速度选择器，粒子进入分离器后做匀速圆周运动．求：(1)粒子的速度v为多少？(2)速度选择器的电压U2为多少？(3)粒子在B2磁场中做匀速圆周运动的半径R为多大？(对应训练一)如图是质谱仪的工作原理示意图，带电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器．速度选择器内相互正交的匀强磁场的磁感应强度和匀强电场的场强分别为B 和E .平板S 上有可让粒子通过的狭缝P 和记录粒子位置的胶片A 1A 2.平板S 下方有磁感应强度为B 0的匀强磁场．下列表述正确的是( )A ．质谱仪是分析同位素的重要工具B ．速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外C ．能通过狭缝P 的带电粒子的速率等于E BD ．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P ，粒子的比荷越小(对应训练二)质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具，它的构造原理如图所示，离子源S 产生的各种不同正离子束(速度可看为零)，经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场，到达记录它的照相底片P 上，设离子在P 上的位置到入口处S 1的距离为x ，可以判断( )A ．若离子束是同位素，则x 越大，离子质量越大B ．若离子束是同位素，则x 越大，离子质量越小C ．只要x 相同，则离子质量一定相同D ．只要x 相同，则离子的比荷一定相同二、质谱仪的应用例2 如图所示为质谱仪的原理图，M 为粒子加速器，电压为U 1＝5000V ；N 为速度选择器，磁场与电场正交，磁感应强度为B 1＝0.2T ，板间距离为d ＝0.06m ；P 为一个边长为l的正方形abcd的磁场区，磁感应强度为B2＝0.1T，方向垂直纸面向外，其中dc的中点S开有小孔，外侧紧贴dc放置一块荧光屏．今有一比荷为qm＝108C/kg的正离子从静止开始经加速后，恰好通过速度选择器，从a孔以平行于ab方向进入abcd磁场区，正离子刚好经过小孔S打在荧光屏上．求：(1)粒子离开加速器时的速度v；(2)速度选择器的电压U2；(3)正方形abcd边长l.(对应训练一)质谱仪是测带电粒子质量和分析同位素的一种仪器，它的工作原理是带电粒子(不计重力)经同一电场加速后垂直进入同一匀强磁场做圆周运动，然后利用相关规律计算出带电粒子的质量．其工作原理如图所示，虚线为某粒子的运动轨迹，由图可知()A．此粒子带负电B．下极板S2比上极板S1电势高C．若只增大加速电压U，则半径r变大D．若只增大入射粒子的质量，则半径r变小(对应训练二)现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍的离子，其示意图如图所示，其中加速电压恒定．质子在入口处从静止开始被加速电场加速，经匀强磁场偏转后从出口离开磁场．若某种一价正离子在入口处从静止开始被同一加速电场加速，为使它经匀强磁场偏转后仍从同一出口离开磁场，需将磁感应强度增加到原来的12倍．此离子和质子的质量比约为()A．11 B．12 C．121 D．144专题训练1．如图所示，粒子源P会发出电荷量相等的带电粒子。
【全文】质谱法-质谱仪的工作原理
分辨本领由下列因素决定：
➢离子通道半径r；
质 谱
➢加速器和收集器狭缝宽度； ➢离子源的性质。
法
分辨本领几乎决定了仪器的价格。分辨率
在500左右的质谱仪可以满足一般有机分析的要 求，价格相对较低。分辨率大于10000的高分辨 率仪器，其价格也在4倍以上。
三. 质谱仪的基本结构
质谱分析包括以下几个步骤：
量信息。
因此，可据分子电离所需能量不同可选择不同电离源。
电子轰击源(Electron Bomb Ionization，EI)
采用高速(高能)电子束冲击样品，从 而产生电子和分子离子M+，M+继续受到 电子轰击而引起化学键的断裂或分子重
质排，瞬间产生多种离子。 谱法水能垂电直平子方方—向向冲：：击G灯3样丝-G品与4加—阳正速极离电间子极(7(0低V电电压压))—---较高
样品分子在承受电子轰击前，被一种反应气(通常是甲烷)稀
释，稀释比例约为103:1，因此样品分子与电子的碰撞几率极小
质，所生成的样品分子离子主要由反应气分子组成。
谱
CH4
e
CH
4
•
2e
CH4
CH
5
CH 3
•
法
C
•
CH4
C
2
H
5
H2
进小部入分电与离C源2H的5+分反子应R，-C生H成3大(M部-1分)+与离C子H：5+碰撞产生(M+1)+离子；
质解用于吸分源子：量固高态达或1液05态的样非品挥不发需性要或挥热发不而稳直定接性被样转品化。为包气括相场，解吸适 谱源、快原子轰击源、激光解吸源、离子喷雾源和热喷雾离子源 法等。
质谱仪原理与质量分析
质谱仪原理与质量分析质谱仪是一种能够分析物质组成和结构的重要科学仪器。
它的原理是基于质谱技术，能够将物质分子中的化学成分分离并测定其相对的相对含量。
质谱仪的应用领域十分广泛，包括环境监测、食品安全、药物研发等许多领域。
在本文中，我们将探讨质谱仪的原理以及它在质量分析中的应用。
首先，我们来了解一下质谱仪的工作原理。
质谱仪的核心部件是质谱仪本体，它包括了离子源、质量分析器和检测器。
整个分析过程可以分为离子产生和离子检测两个阶段。
离子源的作用是将待测物质中的分子转化为离子。
最常见的离子源是电子轰击离子源，它通过强电场和高能电子的作用，将分子中的电子剥离形成正离子和电子。
这些正离子随后会通过一系列的聚焦和离子选择装置送入质量分析器。
质量分析器的功能是对离子进行质量分离和分析。
其中最常用的分析器是质量过滤器。
它根据离子的质量-电荷比(m/z)进行分离，并将特定的质量离子传递到下一个阶段。
质量过滤器可以采用磁场或者电场来实现分离，其中磁场分离器常用的有磁扇形分析器和四极杆质量分析器。
当离子通过质量分析器后，它们将被送入检测器进行信号检测。
常见的检测器有离子倍增器和信号计数器。
离子倍增器通过增强离子的信号强度，提高检测灵敏度。
信号计数器则用于对离子的数量进行计数和定量。
通过检测器的工作，质谱仪能够测定不同离子的相对含量，从而进行物质的质量分析。
质谱仪在质量分析领域有着广泛的应用。
一方面，它可以用于物质的定性分析。
通过质谱仪，我们可以得到待测物质的质谱图，即离子信号强度与质量-电荷比的关系图。
通过对质谱图的分析，我们可以确定物质中的元素组成以及它们之间的相对含量。
这对于环境监测、药物研发等领域具有重要意义。
另一方面，质谱仪也可用于物质的定量分析。
在定量分析中，我们可以通过比较待测物质与已知浓度标准物质的质谱图，利用内标法或者外标法对物质的含量进行测定。
这在食品安全检测和环境污染监测等领域具有重要应用。
通过质谱仪的高灵敏度和准确性，我们能够得到精确的定量结果。
质谱成像仪器原理
质谱成像仪器原理
质谱成像仪（Mass Spectrometry Imaging, MSI）是一种用于空
间分辨分析样品化学组成的仪器。
它结合了质谱技术和成像技术，可以在样品表面获得化学成分的分布图像。
质谱成像仪的工作原理如下：
1. 采样：首先，样品表面被切割成微小区域（通常是数百纳米到数微米大小），以使每个区域的化学组成能够明确地被分析。
2. 激发：然后，通过激光、离子束或中性粒子束等方法，对样品表面的每个区域进行激发，使其释放出分子离子。
3. 离子化：激发后，样品中的分子会被离子化，即失去或获得一个或多个电子，形成带电离子。
4. 选择和加速：离子经过一系列离子光学器件进行选择和加速，根据质量/电荷比（m/z）分离离子，通常使用质量分析器（如
四极杆质谱仪）。
5. 检测：分离后的离子会被传送到一个离子探测器中进行检测，通常使用电离检测器（如离子倍增器）。
离子的数量和质量/
电荷比被测量并记录下来。
6. 成像：最后，所有记录的离子信息通过电子计算机进行处理和分析，生成化学成分的二维或三维分布图像。
质谱成像仪可以使用多种质谱技术，例如时间飞行质谱（TOF-MS）、四极杆质谱仪和离子阱质谱仪等。
同时，不同的成像模式（如单点成像、线扫描成像和网格扫描成像）也可以应用于质谱成像仪中，以获得不同的分辨率和扫描速度。
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Ionizer Sample
+ _
Mass Analyzer Detector
5
二、质谱仪的结构和工作原理
High Vacuum System
进样系统 Inlet
离子源 Ion source
质量分析器
Mass Analyzer
检测器 Detector
+
S 31 2收集器
S 1 离子源
（2） 四极杆分析器 (quadrupole analyzer)
32
四极杆质量分析器
Electron Beam Sample in
Ion Beam
A
C
+
B
33
直流电压Vdc 交流电压Vrf
34
+
-
+
35
结构:
四根棒状电极，形成四极场 1，3棒： (Vdc +Vrf) 2，4棒：- (Vdc+ Vrf ) 在一定的Vdc Vrf 下 ， 只有一定质量 的离子可通过四极场，到达检测器。 在一定的（Vdc/Vrf)下，改变Vrf 可实 现扫描。
对于易电离的物质降低电子能量，而对于难 电离的物质则加大电子能量（常用70eV ）。
15
(2) 化学电离源(chemical ionization CI)
离子室内的反应气（甲烷等；10～100Pa，样品 的103～105倍），电子（100～240eV）轰击，产生离 子，再与试样分离碰撞，产生准分子离子。 结构与EI同，但是在离子化室充CH4，电子首先 将CH4离解，其电离过程如下：
9
1、真空系统
•离子源的真空度应达到10-3-10-5 Pa， •质量分析器应达到10-6Pa。 •真空装置：机械真空泵 扩散泵 分子涡轮泵 •高真空原因 •大量氧会烧坏离子源的灯丝； •几千伏的加速电场会引起放电； •引起额外的离子－分子反应，改变裂解模型， 谱图复杂化。
10
2、进样系统
（1）直接进样 适用于单组份、有一定挥发性的固体或 高沸点液体样品。 （2）色谱进样 适用于多组分分析。 气相色谱-质谱联用仪（GC-MS） 液相色谱-质谱联用仪（LC-MS）等
Charged Droplets
+ + + + + - + - Evaporation
Analyte Ions Solvent Ion Clusters Salts/Ion pairs Neutrals
+
++ + --+ + + + + +
--+ + + + +
+
Rayleigh Limit Reached
原理：
特点：
扫描速度快，灵敏度高 适用于GC-MS
36
（4）飞行时间分析器
Time of Flight Analyzer TOF
37
栅极1
-270V
栅极2
–2.8kV
试样入口
接 收 器
电子发射
抽真空
• v=(2eV/m)1/2 速电压
m：离子的质量；e：离子的电荷量；V：离子加
• 离子进入自由空间（漂移区），假定飞行时间为T，漂移区长度 为L，速度v ：T=L/v=L(m/2eV)1/2
质量精度是指质量测定的精确程度。 常用相对百分比表示
45
46
四极质谱恰好 能将此分开.
但是:
ArCl+ 74.9312，As+，74.9216
44
M 74.9216 R 7800 M 74.9312 74.9216
3、 灵敏度：指信噪比大于10时的样品量 4、质量稳定性和质量精度
质量稳定性主要是指仪器在工作时质量稳定的情况，通 常用一定时间内质量漂移的质量单位来表示。 0.1amu/12hr，意思是该仪器在12小时之内，质量漂移 不超过0.1amu。
CH4 + e CH4+ + CH4
CH4 + + 2e CH5 + + CH3
生成的气体离子再与样品分子M反应： CH5 + + M CH4 + MH+
16
过程 + +
气体分子 试样分子
准分子离子 电子 + (M+1)+;(M+17) +;(M+29) +;
17
特点：
得到一系列准分子离子（M+1）+,（M-1）+， （M+2）+等等； CI源的的碎片离子峰少，图谱简单；
一、质谱法概述
使待测的样品分子气化，用具有一定能量的电 子束（或具有一定能量的快速原子）轰击气态分子， 使气态分子失去一个电子而成为带正电的分子离子。 分子离子还可能断裂成各种碎片离子，所有的正离子 在电场和磁场的综合作用下按质荷比（m/z）大小依 次排列而得到谱图。
43 57 29 15 71 85
A•+ B + ABCD+
碎
片
D• + C +
AB • + CD + C•+ D
+
离
子
分子离子、碎片离子、重排离子、加合离子、同位素离子。 14
EI 源的特点：
电离效率高；应用广泛；操作方便
EI源：可变的离子化能量 (10～240eV,常用70eV )
电子能量 分子离子增加 电子能量 碎片离子增加
8
定性结构
质谱仪的结构
• 真空系统 • 进样系统：直接进样和色谱进样 • 离子源： – 电子轰击离子源EI，化学电离源CI, 快原子轰击源 FAB,电喷雾源ESI, 大气压化学电离源APCI，激光 解吸源LD • 质量分析器： – 磁式单聚焦和双聚焦、四级杆、飞行时间、离子阱、 傅里叶变换离子回旋共振分析器 • 检测器：光电倍增管 • 数据处理系统
不适合化合物结构鉴定；
阳极
+ +
+
+ + + d<1mm
+ + + + + + +
阴极
20
（5）电喷雾源 (Electron spray Ionization， ESI) ESI 是一种表面离子化技术。先在溶液中离子化，然后
在电场作用下雾化。
气帘的作用：雾化；蒸发溶剂；阻止中性溶剂分子
21
•ESI是软电离源，通常很少或没有碎片，准分 子离子，只能提供未知化合物的分子量信息， 不能提供结构信息。
数据处理 系统
Data System
6
进样系统
离子源
质量分析器
检测器
1.气体扩散 2.直接进样 3.气相色谱
1.电子轰击 2.化学电离 3.场致电离 4.快原子轰击
1.单聚焦 2.双聚焦 3.飞行时间 4.四极杆
7
撞击
得到
高速电子 顺序谱图
峰位置
气态分子
按质荷比m/e 峰强度
阳离子
导 入
质量分析器 定量分析 质谱过程
99 113
142 m/z3
质谱法是一种按照离子的质核比（m/z）大小对离 子进行分离和测定的方法。 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
43 57 29 15 71 85
99 113
142 m/z
4
1913年，J.J. Thomson 制成第一台质谱仪
• • • •
四极杆分析器 飞行时间分析器 离子阱分析器 回旋共振分析器等
24
（1）磁式质量分析器
磁场
S1
R
S2
离子源
B
收集器
25
仪器原理图
电离室原理 与结构
26
离子生成后，在质谱仪中被电场加速。加速后其动能和 位能相等，即：
1 2 mv zV 2
(1)
其中 m: 离子质量；v: 离子速度；z: 离子电荷； V: 加速电压
不适于难挥发成分的分析。
18
（3）快原子轰击 (fast atom bombardment
FAB)
高能量的Ar原子 轰击涂在靶上的样 品，溅射出离子流。 本法适合于高极 性、大分子量、低 蒸汽压、热稳定性 差的样品
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(4) 场致电离源（FI）
电压：7-10 kV；d<1 mm； 强电场将分子中拉出一个电子； 分子离子峰强； 碎片离子峰少；
+ +
: R1 : R2 : R3 : R4 :e
Mass Spectrum
(M-R3)+
13
电子轰击法是通用的电离法，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
ABCD + e- ABCD+ + 2e- 分子离子
BCD• + A + B• + A +
CD• + AB +
27
当被加速的离子进入磁分析器时，磁场再对离子进行作用， 让每一个离子按一定的弯曲轨道继续前进。其行进轨道的 曲率半径决定于各离子的质量和所带电荷的比值m/z。此时 由离子动能产生的离心力(mv2/R)与由磁场产生的向心力 (Hzv)相等：
mv Hzv R
由此式得：
2
(2)
其中：R为曲率半径 H为磁场强度
39
（4）离子阱质量分析器（ion trap）