第六章 质谱分析法
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15
6.2.3 质量分析器
1单聚焦分析器 (single focusing mass analyzer) 磁扇形分析器，sector field
可以是180 90 60 等 不同质量的离子可通 过改变磁场强度或A, B间的加速电压使之 依次通过出口狭缝
16
1单聚焦分析器
eV
1 mv 2 2 mv 2 B ev R
13
The principle of matrix assistance
14
6.2
质谱仪器
6.2.3 质量分析器
作用：将离子源产生的离子按质荷比m/z的大小分开 ion separation
1 单聚焦分析器 (single focusing mass analyzer) 2 双聚焦分析器 (double focusing mass analyzer) 3 四极杆分析器 (quadrupole analyzer) 4 离子阱分析器 (Ion trap analyzer) 5 飞行时间分析器 (time-of-flight analyzer) 6 富立叶变换离子回旋共振 (Fourier transform ion cyclotron resonance)
早期分辨率低的问题通过延迟萃取技术等已经得到解决。
28
29
6.2
质谱仪器
6.2.4 检测器 (detector)
1 电子倍增器 electron photon multiplier
2 光子倍增器 photon multiplier 3 法拉第杯 Faraday cup
4 阵列检测器 array detectors
5
1 电子电离源(electron ionization EI) 电子束
附加磁场使离子螺旋前进 增加碰撞机会
N
S
6
6.2
质谱仪器
6.2.2 离子源
电子电离源中分子离子及碎片离子的形成
ABCD eABCD + 2e-
形成分子离子
A + BCD A + BCD+ CD + AB
+
BC+ + D B + A+ A + B+
M + e-(thermal)
由反应气产生
9
3 电喷雾电离源(electrospray ionization
ESI)
结构：喷嘴（金属毛细管），雾化气，干燥气(curtain gas) 原理：喷雾 蒸发 电压
106V/m
离子在电压差和压力差的驱使下向下游移动
10
6.2.2 离子源
电喷雾源(ESI)的特点：
31
6.2.6 质谱联用技术
1 气相色谱-质谱联用仪 (gas chromatography-mass spectrometer, GC-MS) 关键：接口。要求除去载气而使样品无损失地进入质谱仪 GC: 常压；MS: 真空 毛细管柱直接导入电离源 浓缩型接口（填充柱）：喷射式分子分离器 GC ：填充柱 毛细管柱均可 MS ：常用四极杆质谱仪 近来还有离子阱和飞行时间质谱仪
1 电喷雾源属软电离技术，只产生分子离子， 不产生碎片离子。 2 产生的离子常常带有多电荷，尤其是生物大分子。 3 适用于强极性，大分子量的样品分析。 如肽，蛋白质，糖等。 4 主要用于液相色谱-质谱联用仪。
11
数个带多电荷离子经数学 转换，得到分子离子
ESI使蛋白质产生多个带多电荷离子
12
6.2
定量分析：同色谱法定量 利用质量色谱图使重叠峰分开
36
2 液相色谱-质谱联用仪 (liquid chromatography-mass spectrometer, LC-MS) 组成： LC：普通LC MS：常用四极杆质谱仪，离子阱质谱仪，飞行时间质谱仪， 串联质谱仪 接口：ESI, APCI…… 数据系统：计算机 蛋白质库……
22
4 离子阱分析器 (Ion trap)
四极杆的三维形式
doughnut-shaped ring electrode
electrode
优点： 聚焦场可以快速改变；比四极杆 更紧凑、体积小，灵敏度很高。 23
4 离子阱分析器
24
4 离子阱分析器
25
5 飞行时间分析器(time-of-flight analyzer, TOF）
离子动能由加速电压引起 离子所受磁力与圆周运动的离心力平衡
2 mV z e 离子所带电荷 R B z 扇形磁铁的曲率半径 R 结论： 1 离子的m/z与R, B, V有关。通过改变磁场可以把不同离子分开 2 在一定磁感应强度B下，改变加速电压V可以使不同离子先后 通过检测器，实现质量扫描，得到质谱。
mv 2 1 eE , eV mv 2 Re 2 2V mv 2 Re E Ee 动能大，投射到+极 动能小，在-极放电 一定能量的离子到达出口 同能量的离子汇聚
特点：分辨率高(>150,000) 可分辨公称质量(nominal mass)相同，元素组成不 同的离子
(方向焦面)
(能量焦面)
32
1 气相色谱-质谱联用仪(GC-MS) (GC/MS)的分析条件
GC: 不同组分在两相中的分配系数不同，先后从色谱柱中流出，
实现分离
MS: 连续对分离后的某一组分进行质量数扫描， 得离子流强度随质量数变化的质谱 GC条件：同普通GC (柱类型、固定液种类、汽化温度、载气流量、 进样量、柱温及升温程序等) MS条件：扫描方式，扫描范围（质量），扫描速度, 灯丝电流、倍增器电压（电离）
5 有些样品得不到分子离子。
6 适用于分子量低于1000的样品。
8
2 化学电离源(chemical ionization CI) 反应气与样品分子碰撞使之电离，结构同EI，一般仪器EI和 CI可以互相切换 R R + R e R RH + (R-H)
CH5+ + CH3 C2H5++ H2 C2H3+ C3H5+ CH4 + CH4+ CH4 + CH3+
30
6.2
质谱仪器
6.2.5 傅立叶变换质谱仪(FT-MS)
•特点：扫描速度快，灵敏度高，分辨率好， 很容易进行MSn实验。价高。 •核心：离子可以在限定轨道内做周期性圆周运动的离子室
离子室根据离子回旋共振现象设计
与MALDI，尤其是ESI新的离子化方式结合， FT-MS技术得以复兴。 ESI-FT-MS在低质量段具有很高的分辨率， 用于蛋白质的MS, MS/MS测定。
的离子，其强度随时间变化的色谱图。
p316图9.17
•选择离子色谱图：表征某一化合物的数个特征离子流（分子离子 流、功能团离子流或强碎片离子流等）随时间变化的色谱图。适 用于目标化合物或目标类化合物的检测（定量）。
34
35
1 气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)
GC-MS定性定量分析
总离子色谱图 某一组分的质谱图 库检索 选择离子色谱图 数个特征质量离子条件下色 谱图上是否同时出峰
18
6.2.3 质量分析器
3 四极杆分析器 (quadrupole mass analyzer) 四极滤质器， quadrupole mass filter 结构: 四根棒状电极，相对的两个电极相连，形成四极场
1，3棒：+(Vdc + Vrf)
2，4棒：- (Vdc+ Vrf ) 特点：扫描速度快，灵敏度高。 适用于GC-MS。
裂解成碎片离子
AB
+ CD
+
D + C+ C + D+
BC AD + AD+ + BC BCD
+
ABCD ABCD
ADBC + ABCD (ABCD)2
裂解重排
+ ABCDA+
裂解碰撞
7
6.2
电子电离源的特点： 1 电离电压：70eV
质谱仪器
6.2.2 离子源
2 加一小磁场增加电离几率。 3 EI源碎片离子多，结构信息丰富，有标准化合物质谱库。 4 样品在气态下电离，不能汽化的样品不能分析，主要用于 气-质联用仪。
主要存在 形式
反应气的反应 甲烷为反应气时
……
反应气和样品共同决定产物的形式
RH + M RH + C10H22
+ M M + C2H5+ M + NH4+ R
MH + R C10H21 + R + H2
R + M+
[M + C2H5]+ [M + NH4]+
M
加氢反应，样品对质子亲和力强 烷烃脱氢反应，对质子亲和力弱 电荷交换 形成加和离子 形成负自由基离子
19
3 四极杆分析器
四根棒状电极
加速电压 5-15V
20
3 四极杆分析器 质量过滤原理：
az平面，只有rf电压时 +半周，离子向中心点汇聚(A) -半周，向电极移动(B)，有可能撞电极不进入检测器 由沿z轴的移动速度，m/z及rf的频率和振幅决定
再加dc电压时 1 动能 E m v2 2 动量 P m v 2 Em, P m 重离子对电压变化不敏感，只受dc影响 轻离子撞电极
33
1 气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)
GC-MS的主要信息：
p315图9.16;图9.18
•总离子色谱图或重建离子流色谱图（全扫描监测方式）：组分化 合物电离产生的所有质量数离子流（总离子流）随时间变化的色
谱图。可以实时显示总离子流色谱图和某组分的质谱图。适用于
未知物定性。 •质量色谱图或提取离子色谱图（选择离子监测方式）：任一质量
第六章 质谱分析法(MS)
6.1 6.2 概述 质谱仪器 8.2.1 质谱仪器构成 8.2.2 离子源 8.2.3 质量分析器 8.2.4 检测器 8.2.5 傅立叶变换质谱仪 8.2.6 质谱联用技术 质谱解析 8.3.1 质谱中的离子 8.3.2 常见有机化合物的质谱 8.3.3 质谱解析例
1
6.3
Mass Spectrum
2
Inlet system
进样系统
6.2 质谱仪器 6.2.1 质谱仪器构成
Ion Detector
Ion Source
Analyzer
离源自文库源 真空系统
10-2-10-6Pa
质量分析器
检测器
m/z
Mass Spectrum
Computer 3
质谱常见进样方法
―直接探头进样 The direct probe inlet: 固体或非挥发性液体 ―色谱进样：GC, LC
正离子在电场作用下被加速 所有离子同时飞越长度为L的无场空间，先后到达检测器
eV
1 1 L mv 2 m ( ) 2 2 2 t 2V V,L不变时， t由m/e决定 m / e 2 t2 L 一般，1-30s
26
5 飞行时间分析器
27
5 飞行时间分析器
特点： 简单、耐用，无质量范围限制。 取样速度快，适用于快速GC/MS；分析适用于脉冲离子化 方式（如MALDI）的大分子量的多肽、蛋白质。
特点： 结构简单，操作方便 只有方向聚焦，无能量聚焦，分辨率低。
17
2 双聚焦分析器 (double focusing mass analyzer) 双聚焦磁扇形分析器，double focusing magnetic sector
结构：磁场、电场任意顺序组合
原理：单聚焦分析器分辨率低的 主要原因在于它不能进行 能量聚焦。 双聚焦分析器具有能量聚 焦和方向聚焦的特点
探头经封闭的 真空系统直接 插入距离子源 数mm位置
玻璃或氧化铝毛细管 细线或小杯
4
6.2
6.2.2 离子源
质谱仪器
Gas phase sources: EI, CI, FI Desorption sources: FD, FAB, APCI, ESI, TSP, LD, MALDI… Hard sources: EI Soft sources: CI, FI, FD, FAB, APCI, ESI, TSP, LD, MALDI…
第六章 质谱分析法(MS)
6.1 概述
质谱分析法是通过测定待测样品离子的质荷比（massto-charge-ratio）来进行分析的方法。
Overview of Mass Spectrometry
Sample Molecule (M)
M+/Fragmentation
Ionization
Mass Analyzer
一对正电极使重离子透过！
21
3 四极杆分析器
b 一对负电极时
重撞电极 轻离子沿y轴通过
一对负电极使轻离子透过！
c 四极滤质器使一定质量的离子既不被一对正电极又不被一
对负电极吸收，从而到达检测器 在另外的Vdc Vrf 下可接收到另外质量的离子。在一定的 Vdc/Vrf下，连续改变Vrf或Vdc可实现质量扫描。
质谱仪器
6.2.2 离子源
4 介质辅助激光解吸电离源 (Matrix Assisted Laser Desorption Ionization MALDI) 常用于 •Time-of-flight mass spectrometry 特点： 用于生物大分子，尤其是蛋白质的质量测定 主要产生 [M + H]+ [M - H]+ 和加和离子
6.2.3 质量分析器
1单聚焦分析器 (single focusing mass analyzer) 磁扇形分析器，sector field
可以是180 90 60 等 不同质量的离子可通 过改变磁场强度或A, B间的加速电压使之 依次通过出口狭缝
16
1单聚焦分析器
eV
1 mv 2 2 mv 2 B ev R
13
The principle of matrix assistance
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6.2
质谱仪器
6.2.3 质量分析器
作用：将离子源产生的离子按质荷比m/z的大小分开 ion separation
1 单聚焦分析器 (single focusing mass analyzer) 2 双聚焦分析器 (double focusing mass analyzer) 3 四极杆分析器 (quadrupole analyzer) 4 离子阱分析器 (Ion trap analyzer) 5 飞行时间分析器 (time-of-flight analyzer) 6 富立叶变换离子回旋共振 (Fourier transform ion cyclotron resonance)
早期分辨率低的问题通过延迟萃取技术等已经得到解决。
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6.2
质谱仪器
6.2.4 检测器 (detector)
1 电子倍增器 electron photon multiplier
2 光子倍增器 photon multiplier 3 法拉第杯 Faraday cup
4 阵列检测器 array detectors
5
1 电子电离源(electron ionization EI) 电子束
附加磁场使离子螺旋前进 增加碰撞机会
N
S
6
6.2
质谱仪器
6.2.2 离子源
电子电离源中分子离子及碎片离子的形成
ABCD eABCD + 2e-
形成分子离子
A + BCD A + BCD+ CD + AB
+
BC+ + D B + A+ A + B+
M + e-(thermal)
由反应气产生
9
3 电喷雾电离源(electrospray ionization
ESI)
结构：喷嘴（金属毛细管），雾化气，干燥气(curtain gas) 原理：喷雾 蒸发 电压
106V/m
离子在电压差和压力差的驱使下向下游移动
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6.2.2 离子源
电喷雾源(ESI)的特点：
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6.2.6 质谱联用技术
1 气相色谱-质谱联用仪 (gas chromatography-mass spectrometer, GC-MS) 关键：接口。要求除去载气而使样品无损失地进入质谱仪 GC: 常压；MS: 真空 毛细管柱直接导入电离源 浓缩型接口（填充柱）：喷射式分子分离器 GC ：填充柱 毛细管柱均可 MS ：常用四极杆质谱仪 近来还有离子阱和飞行时间质谱仪
1 电喷雾源属软电离技术，只产生分子离子， 不产生碎片离子。 2 产生的离子常常带有多电荷，尤其是生物大分子。 3 适用于强极性，大分子量的样品分析。 如肽，蛋白质，糖等。 4 主要用于液相色谱-质谱联用仪。
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数个带多电荷离子经数学 转换，得到分子离子
ESI使蛋白质产生多个带多电荷离子
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定量分析：同色谱法定量 利用质量色谱图使重叠峰分开
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2 液相色谱-质谱联用仪 (liquid chromatography-mass spectrometer, LC-MS) 组成： LC：普通LC MS：常用四极杆质谱仪，离子阱质谱仪，飞行时间质谱仪， 串联质谱仪 接口：ESI, APCI…… 数据系统：计算机 蛋白质库……
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4 离子阱分析器 (Ion trap)
四极杆的三维形式
doughnut-shaped ring electrode
electrode
优点： 聚焦场可以快速改变；比四极杆 更紧凑、体积小，灵敏度很高。 23
4 离子阱分析器
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4 离子阱分析器
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5 飞行时间分析器(time-of-flight analyzer, TOF）
离子动能由加速电压引起 离子所受磁力与圆周运动的离心力平衡
2 mV z e 离子所带电荷 R B z 扇形磁铁的曲率半径 R 结论： 1 离子的m/z与R, B, V有关。通过改变磁场可以把不同离子分开 2 在一定磁感应强度B下，改变加速电压V可以使不同离子先后 通过检测器，实现质量扫描，得到质谱。
mv 2 1 eE , eV mv 2 Re 2 2V mv 2 Re E Ee 动能大，投射到+极 动能小，在-极放电 一定能量的离子到达出口 同能量的离子汇聚
特点：分辨率高(>150,000) 可分辨公称质量(nominal mass)相同，元素组成不 同的离子
(方向焦面)
(能量焦面)
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1 气相色谱-质谱联用仪(GC-MS) (GC/MS)的分析条件
GC: 不同组分在两相中的分配系数不同，先后从色谱柱中流出，
实现分离
MS: 连续对分离后的某一组分进行质量数扫描， 得离子流强度随质量数变化的质谱 GC条件：同普通GC (柱类型、固定液种类、汽化温度、载气流量、 进样量、柱温及升温程序等) MS条件：扫描方式，扫描范围（质量），扫描速度, 灯丝电流、倍增器电压（电离）
5 有些样品得不到分子离子。
6 适用于分子量低于1000的样品。
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2 化学电离源(chemical ionization CI) 反应气与样品分子碰撞使之电离，结构同EI，一般仪器EI和 CI可以互相切换 R R + R e R RH + (R-H)
CH5+ + CH3 C2H5++ H2 C2H3+ C3H5+ CH4 + CH4+ CH4 + CH3+
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6.2
质谱仪器
6.2.5 傅立叶变换质谱仪(FT-MS)
•特点：扫描速度快，灵敏度高，分辨率好， 很容易进行MSn实验。价高。 •核心：离子可以在限定轨道内做周期性圆周运动的离子室
离子室根据离子回旋共振现象设计
与MALDI，尤其是ESI新的离子化方式结合， FT-MS技术得以复兴。 ESI-FT-MS在低质量段具有很高的分辨率， 用于蛋白质的MS, MS/MS测定。
的离子，其强度随时间变化的色谱图。
p316图9.17
•选择离子色谱图：表征某一化合物的数个特征离子流（分子离子 流、功能团离子流或强碎片离子流等）随时间变化的色谱图。适 用于目标化合物或目标类化合物的检测（定量）。
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35
1 气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)
GC-MS定性定量分析
总离子色谱图 某一组分的质谱图 库检索 选择离子色谱图 数个特征质量离子条件下色 谱图上是否同时出峰
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6.2.3 质量分析器
3 四极杆分析器 (quadrupole mass analyzer) 四极滤质器， quadrupole mass filter 结构: 四根棒状电极，相对的两个电极相连，形成四极场
1，3棒：+(Vdc + Vrf)
2，4棒：- (Vdc+ Vrf ) 特点：扫描速度快，灵敏度高。 适用于GC-MS。
裂解成碎片离子
AB
+ CD
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D + C+ C + D+
BC AD + AD+ + BC BCD
+
ABCD ABCD
ADBC + ABCD (ABCD)2
裂解重排
+ ABCDA+
裂解碰撞
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电子电离源的特点： 1 电离电压：70eV
质谱仪器
6.2.2 离子源
2 加一小磁场增加电离几率。 3 EI源碎片离子多，结构信息丰富，有标准化合物质谱库。 4 样品在气态下电离，不能汽化的样品不能分析，主要用于 气-质联用仪。
主要存在 形式
反应气的反应 甲烷为反应气时
……
反应气和样品共同决定产物的形式
RH + M RH + C10H22
+ M M + C2H5+ M + NH4+ R
MH + R C10H21 + R + H2
R + M+
[M + C2H5]+ [M + NH4]+
M
加氢反应，样品对质子亲和力强 烷烃脱氢反应，对质子亲和力弱 电荷交换 形成加和离子 形成负自由基离子
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3 四极杆分析器
四根棒状电极
加速电压 5-15V
20
3 四极杆分析器 质量过滤原理：
az平面，只有rf电压时 +半周，离子向中心点汇聚(A) -半周，向电极移动(B)，有可能撞电极不进入检测器 由沿z轴的移动速度，m/z及rf的频率和振幅决定
再加dc电压时 1 动能 E m v2 2 动量 P m v 2 Em, P m 重离子对电压变化不敏感，只受dc影响 轻离子撞电极
33
1 气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)
GC-MS的主要信息：
p315图9.16;图9.18
•总离子色谱图或重建离子流色谱图（全扫描监测方式）：组分化 合物电离产生的所有质量数离子流（总离子流）随时间变化的色
谱图。可以实时显示总离子流色谱图和某组分的质谱图。适用于
未知物定性。 •质量色谱图或提取离子色谱图（选择离子监测方式）：任一质量
第六章 质谱分析法(MS)
6.1 6.2 概述 质谱仪器 8.2.1 质谱仪器构成 8.2.2 离子源 8.2.3 质量分析器 8.2.4 检测器 8.2.5 傅立叶变换质谱仪 8.2.6 质谱联用技术 质谱解析 8.3.1 质谱中的离子 8.3.2 常见有机化合物的质谱 8.3.3 质谱解析例
1
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Mass Spectrum
2
Inlet system
进样系统
6.2 质谱仪器 6.2.1 质谱仪器构成
Ion Detector
Ion Source
Analyzer
离源自文库源 真空系统
10-2-10-6Pa
质量分析器
检测器
m/z
Mass Spectrum
Computer 3
质谱常见进样方法
―直接探头进样 The direct probe inlet: 固体或非挥发性液体 ―色谱进样：GC, LC
正离子在电场作用下被加速 所有离子同时飞越长度为L的无场空间，先后到达检测器
eV
1 1 L mv 2 m ( ) 2 2 2 t 2V V,L不变时， t由m/e决定 m / e 2 t2 L 一般，1-30s
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5 飞行时间分析器
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5 飞行时间分析器
特点： 简单、耐用，无质量范围限制。 取样速度快，适用于快速GC/MS；分析适用于脉冲离子化 方式（如MALDI）的大分子量的多肽、蛋白质。
特点： 结构简单，操作方便 只有方向聚焦，无能量聚焦，分辨率低。
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2 双聚焦分析器 (double focusing mass analyzer) 双聚焦磁扇形分析器，double focusing magnetic sector
结构：磁场、电场任意顺序组合
原理：单聚焦分析器分辨率低的 主要原因在于它不能进行 能量聚焦。 双聚焦分析器具有能量聚 焦和方向聚焦的特点
探头经封闭的 真空系统直接 插入距离子源 数mm位置
玻璃或氧化铝毛细管 细线或小杯
4
6.2
6.2.2 离子源
质谱仪器
Gas phase sources: EI, CI, FI Desorption sources: FD, FAB, APCI, ESI, TSP, LD, MALDI… Hard sources: EI Soft sources: CI, FI, FD, FAB, APCI, ESI, TSP, LD, MALDI…
第六章 质谱分析法(MS)
6.1 概述
质谱分析法是通过测定待测样品离子的质荷比（massto-charge-ratio）来进行分析的方法。
Overview of Mass Spectrometry
Sample Molecule (M)
M+/Fragmentation
Ionization
Mass Analyzer
一对正电极使重离子透过！
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3 四极杆分析器
b 一对负电极时
重撞电极 轻离子沿y轴通过
一对负电极使轻离子透过！
c 四极滤质器使一定质量的离子既不被一对正电极又不被一
对负电极吸收，从而到达检测器 在另外的Vdc Vrf 下可接收到另外质量的离子。在一定的 Vdc/Vrf下，连续改变Vrf或Vdc可实现质量扫描。
质谱仪器
6.2.2 离子源
4 介质辅助激光解吸电离源 (Matrix Assisted Laser Desorption Ionization MALDI) 常用于 •Time-of-flight mass spectrometry 特点： 用于生物大分子，尤其是蛋白质的质量测定 主要产生 [M + H]+ [M - H]+ 和加和离子