第六章 质谱法

进样系统
离子源
质量分析器
检测器
1.直接进样 2.液相色谱 3.气相色谱
1.电子轰击 2.化学电离 3.场致电离 4.激光
1.单聚焦 2.双聚焦 3.飞行时间 4.四极杆
仪器在高真空下工作：离子源(10-3 10-5 Pa)；质量分析器(10-6 Pa )。 原因： (1) 大量氧会烧坏离子源的灯丝； (2) 用作加速离子的几千伏高压会引起放电； (3) 引起额外的离子-分子反应，改变裂解模型，谱复杂化。
同样的运动曲率半径，才能顺利通过狭缝进
入磁分析器。 双聚焦质量分析器
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四级杆质量分析器
m 0.136V 2 z r0 f
r0 场半径；f为频率；V为电压
只有质荷比满足要求的离子才能 通过四级杆到达检测器。其它离子则 撞到四级电极上而被“过滤”掉。
四极杆质谱结构简单，价廉，体积小，易操作，扫描速度快， 适合于GC-MS, LC-MS，但分辨率不高。
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单聚焦磁场分析器
离子进入分析器后，由于磁场的作用，其运动轨道发生偏转改作圆周运 动。其运动轨道半径R可由下式表示：
1.44 10-2 m R V B z
上式中， m -离子质量 Z -离子电荷量 V -离子加速电压 B -磁感应强度 在一定的B、V下，不同m/z 的离子其R不同，由离子源 产生的离子，经过分析器后 可实现质量分离。
1 mv 2 zV 2
m 2 zV
2 zV 1/ 2 v( ) m
漂移时间 t L
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傅立叶变换离子回旋共振质谱仪
(Fourier Transform ion cyclotron resonance Mass Spectrometer, FTICR-MS)
FT-MS的核心为分析室，分析室由三对平行的极板构成。 磁力线沿z轴方向，离子的回旋运动垂直于z轴。在与x轴方 向垂直的两极板上施加激发射频，在与y轴方向垂直的两极 板上检测信号。
组成 质量数为28的 三种分子组成 的精确质量 CO N2 C2H4
整数质量 28 28 28
精确质量 27.994914 28.006158 28.031299
若仪器分辨力很低，如R=200，则对以上三个分子不能分开，混为一峰。 若要分开以下混合物，则必需有如下分辨力 CO-C2H4: R = 27.994914/(28.031299-27.994914) = 770 N2-C2H4 : R = 28.006158/(28.031299-28.006158) = 1100 CO-N2 : R = 27.994914/(28.006158-27.994914) = 2490 当仪器分辨力达到770时， 只能够只分开 CO-C2H4 。 当仪器分辨力达到1100时，能够分开CO-C2H4 和N2-C2H4 当仪器分辨力超过2500时，三者全部分开。 一般低分辨仪器在1000左右。10000以上时称高分辨。 FT-ICR-MS分辨力可达2百万。
进样系统
进样系统的作用是高效重复地将样品引入到离子源 中并且不能引起真空度的降低。 进样方式： 1 直接进样 2 仪器联用的进样 （气相色谱、液相色谱、毛细管电泳）
离子源
离子源的作用是使样品分子变成离子，将离子聚焦， 并加速进入质量分析器。 质谱检测的是离子；离子源即为接口。
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离子化方式
电子轰击电离 Electron Impact Ionization EI 化学离子化 Chemical Ionization CI 电喷雾电离 Electrospray Ionization ESI 场电离，场解吸 Field Ionization, Field Desorption FI、FD
基质辅助激光解析电离 (MALDI)
ＬＣ－ＭＳ
MALDI可使热敏感或不挥发的化合物由固相直接得到离子。 待测物质的溶液与基质的溶液混合后蒸发，使分析物与基质成 为晶体或半晶体，用一定波长的脉冲式激光进行照射时，基质分子
能有效的吸收激光的能量，使基质分子和样品分子进入气相并得到
电离。
MALDI适用于生物大分子，如肽类，
有质量聚焦的功能，也称方向聚焦
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双聚焦磁场分析器
双聚焦质量分析器是指分析器同时实现能量（或速度）聚焦和方向聚焦。是 将扇形静电场分析器置于离子源和扇形磁场分析器之间。电场力提供能量聚焦，
磁场提供方向聚焦。
mv zE R
2
上式中， m -离子质量 Z -离子电荷量 E -电场强度 在一定电压条件下，加速的离子束进入静电 场，只有动能（或速度）相同的离子才具有
+
气体分子 准分子离子
试样分子 电子
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加合离子与样品分子反应：准分子离子[MH] + 、[MRH] +
M + CH5+ → [MH] + + CH4 M + C2H5+ → [MH] + + C2H4 M + C2H5+ → [M-H] + + C2H6 生成的[M+H] +和 [M-H] +比样品分子M多一个H或少一个H，称为准分子离子。
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标准谱库
硬电离
电子轰击电离 EI
电离室 灯丝 聚焦电极 一对磁极
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不同电子能量下的质谱图
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电喷雾电离（ESI）
ＬＣ－ＭＳ
ESI是一种软电离方式，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，它适合于分析极性强的有机化合物。
① LC馏分经毛细管流出的瞬间在N2气的 作用下雾化。 ② 在所加的高电压 (<5KV) 作用下，雾化 液滴带电。 ③ 带电液滴在电场作用下迅速移动，伴 随大气压下溶剂的迅速蒸发，液滴体 积缩小，而离子移向液滴表面，自身 电场强度增大。 ④ 当达到临界电场时，液滴表面电场排 斥力大于维持液滴的表面张力，产生 ESI最大特点是容易形成多电荷离子。 库仑爆炸，此过程反复进行，最终使 可以测量大分子量的蛋白质。 样品离子解析出来，并在电场作用下 被引入质谱检测器。
快原子轰击 Fast Atom Bombardment FAB
基质辅助激光解析电离 大气压化学电离
Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization
MALDI
Atmospheric Pressure Chemical Ionization
APCI
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电子轰击电离 EI
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识别分子离子峰
9
质谱中的离子
横坐标为离子的质荷比，纵坐标为离子相对强度或相对丰度。
基峰: 谱图中最强的离子
丰度
[M + H]+
准分子离子
A+1 A+2
{
来源于自然界中的 同位素
质荷比
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质谱法的特点
特点： 质谱不属波谱范围。


质谱图与电磁波的波长和分子内某种物理量的改变无关。
质谱是分子离子及碎片离子的质量与其相对强度的谱, 谱图与分子结构有关。 质谱法进样量少, 灵敏度高, 分析速度快。 质谱是唯一可以给出分子量, 确定分子式的方法, 而分
核酸类化合物。可得到准分子离子峰，
碎片离子和多电荷离子较少.
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质量分析器
◆ 质量分析器是质谱仪的核心, 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。
◆ 不同类型的质量分析器构成不同类型的质谱仪。
单聚焦磁场分析器 四级杆质量分析器 离子阱质量分析器 飞行时间质谱仪 傅立叶变换离子回旋共振质谱仪
举例说明
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。
5
举例说明
质谱：称量离子质量的特殊天平。
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质谱中的离子
分子离子: M+ · , M - e →M+ · Z =1时， 其m/z等于天然丰度最大的同位素的原子量之和。 准分子离子: [M+H]+, [M-H]
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三重四级杆质谱的结构示意图
离子源 聚焦透镜 Q1
质量分析器
碰撞室
Q2
检测器
Q1
Q2
结果
固定
扫描 扫描
扫描
固定 扫描
子离子
母离子 中性丢失
固定
固定
选择离子监测
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飞行时间质谱仪
Time of flight
TOF-MS的核心部分是一个无场的离子漂移管； 加速后的离子具有相同的动能
m/z小的离子，漂移运 动的速度快，最先通过 漂移管; m/z大的离子，漂移运 动的速度慢，最后通过 漂移管。 适合于生物大分子， 灵敏度高，扫描速度快， 结构简单，分辨率随m/z 的增大而降低。
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质谱仪的重要指标
1. 质量范围：指质谱计所检测的单电荷离子的质核比范围 不同仪器： 四极杆 1~600Da，1~4000Da 磁质谱：1~10000Da 飞行时间质谱：无上限 离子阱质谱：1~2000Da，1~4000Da 不同要求：气体分析， 1~300Da
气相色谱质谱， 1~600Da，800Da
质谱法
侯晓芳 hoபைடு நூலகம்xiaofang@
主要内容
1. 质谱法的基本原理和基本概念
2. 质谱仪的基本组成 3. 质谱仪的应用
2
1.质谱分析法基本原理 和基本概念
一、 基本原理
在真空中将分子电离成带电离子，再通过质量分析器、检测器分离并 记录这些离子，从而对化合物的分子量进行测定的方法。
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化学电离（CI）
有些化合物稳定性差，用EI方式不易得到分子离子，这 时采用CI电离方式。 CI源工作过程中要引进一种反应气体。气体经过电子 轰击，产生离子，再与试样相互碰撞，产生准分子离子。 反应气体可以是甲烷、异丁烷、氨等。 以CH4为例： 特点：
最强峰为准分子离子；
轰击 + +
谱图简单；
不适用难挥发试样。
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软电离方式
场致电离(FI)
特点： 强电场将分子中拉出一个电子； 软电离方式
分子离子峰强；
碎片离子峰少； 不适合化合物结构鉴定。 阳极
+ + + + +
+ +
+ + +
+
+ +
+ + +
局限性： 要求样品分子处于 气态，灵敏度不高，应 用逐渐减少。
d<1mm
阴极
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快原子轰击（FAB）
ＬＣ－ＭＳ
有机质谱， 生物分子， 1~2000Da 1~10000Da或更大
2.分辨率（R）：是质谱计分开相邻两离子质量的能力。
R = m / m
m 为质谱计可分辨的相邻两峰的质量差
m 为可分辨的相邻两峰的平均质量
m1
m2
A: 未分开 分辨差
B:部分分开 分辨较差
C:全分开 分辨达到要求
分辨率（ R ）是两峰间的峰谷为峰高的10%时的测定值，即 两峰各以5%的高度重叠。
-
碎片离子: 广义上指除分子离子以外的所有离子。 母离子与子离子: 任何一个离子进一步裂解为质荷比较小的离子，前者是后
者的母离子或前体离子，后者是前者的子离子。
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识别分子离子峰
• • •
必须是谱图中最高质量的离子。 必须是奇电子离子。 必须能够通过合理的离子碎裂机理产生谱图中的 一些重要离子。
原理
应用最广泛
由GC或直接进样杆进入的样品，以气体形式进入 离子源，由灯丝发出的电子与样品分子发生碰撞使样 品分子电离。 特点 • 所有的标准质谱图都是在70 eV下做出的。而一般有 机化合物的电离电位是10 eV。 • 有机物分子可能被打掉一个电子形成分子离子，确定 化合物分子量；也可能会发生化学键的断裂形成碎片 离子，得到化合物的结构信息。
计算机数据 处理系统
质量分析器
检测器检测之后得到样品的质 谱图
检测器
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质谱仪的结构
离子化 离子聚焦 质量分离 离子检测
离子源
透镜系统
四极杆
检测器
真空系统
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真空泵
高真空状态！
双分子涡轮泵可快 速抽真空和进行稳 定操作
若真空度过低，则会造成离子源灯丝损坏、本底增高、 17 图谱复杂化、干扰离子源的调节、加速极放电等问题。
子式的确定对化合物的结构鉴定是至关重要的。
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2.质谱仪
质谱仪
质谱仪是通过对样品电离后产生的具有 不同的 m/z 的离子来进行分离分析的。
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质谱仪的分类
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质谱仪的结构
质谱仪包括 进样系统、 电离系统、 质量分析器 检测器
进样系统 真空系统
电离装置把样品电离为离子
加速区
离子源
质量分析装置把不同质荷比的离子分开
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质量分析器小结
单双聚焦质谱仪体积大。
色谱-质谱联用仪器的发展及仪器小型化（台式）需要体 积小的质量分析器： 四极杆质量分析器 飞行时间质量分析器 离子阱质量分析器 体积小，操作简单 分辨率中等
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检测系统
质谱仪的检测主要使用电子倍增器，也有的使用光电 倍增管。 倍增器出来的电信号转化为色谱图，质谱图等信息。
FAB源主要用于 磁式双聚焦质谱仪
氩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，氩原子打在样品上产生样品离子。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、天然抗生素等。 缺 混合物样品中共存物质的干扰，它们常常会抑制分析物的离子化，造成 点 灵敏度下降甚至根本没有信号产生。 27