第九章-仪器分析第四版质谱原理与应用课件.ppt

1、有机质谱结构解析有机质谱结构解析有机质谱裂解原理有机质谱裂解原理质谱仪器与工作原理质谱仪器与工作原理质谱分析概述质谱分析概述主主 要要 内内 容容1.1 方法概述方法概述 质谱分析法质谱分析法就是通过对被测样品离子的质荷比的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。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子，按其质量大小排列而成的图谱称为质谱质谱。 第一部分第一部分 质谱分析概述质谱分析概述 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，按就是

2、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。其质量大小排列而成的图谱。第一部分第一部分 质谱分析概述质谱分析概述1.2 发展历史发展历史1912年年 Thomson 研制第世界上一台质谱仪研制第世界上一台质谱仪1919年年 Aston 精密仪器，测定精密仪器，测定50多种同位素多种同位素1940年年 应用于石油、化工等领域应用于石油、化工等领域1946年年 飞行时间质谱飞行时间质谱(Time-of flight mass analysis)1953年年 四极杆分析器四极杆分析器(Quadrupole analyzers)1956年年 气相色谱气相色谱-质谱联用质谱联

3、用(GC/MS) 高分辨质谱仪高分辨质谱仪 (High-resolution MS)第一部分第一部分 质谱分析概述质谱分析概述 1966年年 化学电离化学电离(Chemical ionization) 1967年年 串联质谱串联质谱(Tandem mass spectrometry) 1973年年 液相色谱液相色谱-质谱联用质谱联用 (LC/MS)，热喷雾方法，热喷雾方法 1974年年 傅立叶变换离子回旋共振质谱傅立叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR-MS) 1981年年 快原子轰击电离质谱快原子轰击电离质谱(FAB MS)，1.2 发展历史发展历史第一部分第一部分 质谱分析概述质谱分析概述

4、质谱：称量离子质量的特殊天平。质谱：称量离子质量的特殊天平。第二部分第二部分 质谱仪器与工作原理质谱仪器与工作原理2.1 质谱基本原理质谱基本原理 质谱分析法质谱分析法就是通过测定被测样品离子的质荷比来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。获得物质分子量的一种分析方法。第二部分第二部分 质谱仪器与工作原理质谱仪器与工作原理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行定性和定量的一种方法电离装置把样品电离为离子电离装置把样品电离为离子质量分析装置把不同质荷比的离子分开质量分析装置

5、把不同质荷比的离子分开经检测器检测之后可以得到样品的质谱图经检测器检测之后可以得到样品的质谱图第二部分第二部分 质谱仪器与工作原理质谱仪器与工作原理质质 谱谱同位素质谱同位素质谱生物质谱生物质谱结构鉴定、定量分析结构鉴定、定量分析化学、化工化学、化工环境、地球环境、地球药学、毒物药学、毒物学、刑侦学、刑侦生命、医学、生命、医学、农业科学农业科学有机质谱有机质谱无机质谱无机质谱2.2 质谱分类质谱分类第二部分第二部分 质谱仪器与工作原理质谱仪器与工作原理2.3 质谱仪组成质谱仪组成进样系统进样系统离子源离子源质量分析器质量分析器检测器检测器1.1.气体扩散气体扩散2.2.直接进样直接进样3.3.

6、气相色谱气相色谱1.1.电子轰击电子轰击2.2.化学电离化学电离3.3.场致电离场致电离4.4.激光激光 1. 1.单聚焦单聚焦 2.2.双聚焦双聚焦 3.3.飞行时间飞行时间4.4.四极杆四极杆 显示显示真空系统真空系统 离子源和质量分析器的压力在离子源和质量分析器的压力在 104 106 Pa大量氧会烧坏离子源的灯丝；用作加速离子的几千伏高压会引起放电；引起额外的离子分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。 为了获得离子的良好分离和分析效果，避免离子损失，凡有样为了获得离子的良好分离和分析效果，避免离子损失，凡有样品分子及离子存在和通过的地方，必须处于真空状态。品分子及离子存在和通过的地方，必

7、须处于真空状态。2.3.1 真空系统真空系统第二部分第二部分 质谱仪器与工作原理质谱仪器与工作原理2.3.2 进样系统进样系统（Sample Introduction） 第二部分第二部分 质谱仪器与工作原理质谱仪器与工作原理2.3.3 离子源（离子源（Ion Source）功能：功能： 将进样系统引入的气态样品分子转化成离子；将进样系统引入的气态样品分子转化成离子； 硬电离硬电离 软电离软电离第二部分第二部分 质谱仪器与工作原理质谱仪器与工作原理电子电离电子电离 Electron Ionization, EI化学离子化学离子 Chemical Ionization, CI快原子轰击快原子轰击

8、Fast Atom Bombardment, FAB电喷雾电离电喷雾电离 Electrospray Ionization, ESI大气压化学电离大气压化学电离 Atmospheric Pressure Chemical Ionization, APCI场电离，场解吸场电离，场解吸 Field Ionization FD, Field Desorption FD基质辅助激光解析电离基质辅助激光解析电离 Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI2.3.3 离子源（离子源（Ion Source）第二部分第二部分 质谱仪器与工作原理质谱仪器与

9、工作原理1 电子电离源电子电离源(Electron Ionization EI) 第二部分第二部分 质谱仪器与工作原理质谱仪器与工作原理M+eM+ +2e MmoleculeeM+emolecular iona radical cationelectronFragments 1 电子电离源电子电离源(Electron Ionization EI) 第二部分第二部分 质谱仪器与工作原理质谱仪器与工作原理M+(M-R2)+(M-R3)+Mass Spectrometer(M-R1)+1 电子电离源电子电离源(Electron Ionization EI) 第二部分第二部分 质谱仪器与工作原理质谱仪

10、器与工作原理1 电子电离源电子电离源(Electron Ionization EI) 电子能量电子能量 电子能量电子能量 分子离子增加分子离子增加碎片离子增加碎片离子增加 对于易电离的物质降低电子能量，而对于难电离的物质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。则加大电子能量。第二部分第二部分 质谱仪器与工作原理质谱仪器与工作原理是应用最普遍，发展最成熟的电离方法。是应用最普遍，发展最成熟的电离方法。标准质谱图基本都是采用标准质谱图基本都是采用EIEI源得到的。源得到的。常用轰击电压常用轰击电压 505070eV, 70eV, 有机分子的电离电位一般为有机分子的电离电位一

11、般为7 715eV15eV。可提供丰富的结构信息。可提供丰富的结构信息。有些化合物的分子离子不出现或很弱。有些化合物的分子离子不出现或很弱。1 电子电离源电子电离源(Electron Ionization EI) 第二部分第二部分 质谱仪器与工作原理质谱仪器与工作原理高能电子束（高能电子束（100240eV）轰击离子室内的反应气（甲烷等；）轰击离子室内的反应气（甲烷等；10100Pa，样品的，样品的103105倍），产生初级离子，再与试样分倍），产生初级离子，再与试样分子碰撞，产生准分子离子。子碰撞，产生准分子离子。2 化学电离源化学电离源(Chemical Ionization CI) CH

12、4 + e CH4+ + 2e (46%) CH3+ (39%) CH2+(7%)第二部分第二部分 质谱仪器与工作原理质谱仪器与工作原理初级离子初级离子: : CH4+, CH3+ , CH2+CH4+ + CH4 CH5+ + CH3 (48%)CH3+ + CH4 C2H5+ + H2 (41%) CH2+ + 2CH4 C3H5+ + 2H2 (6%) CH5+, C2H5+ , C3H5+ 等为稳定的次级离子。等为稳定的次级离子。第二部分第二部分 质谱仪器与工作原理质谱仪器与工作原理2 化学电离源化学电离源(Chemical Ionization CI) 准分子离子准分子离子QM +

13、M + CH5+ MH + + CH4 M + C2H5+ MH + + C2H4 M + C2H5+ M H + + C2H6 第二部分第二部分 质谱仪器与工作原理质谱仪器与工作原理最强峰为准分子离子最强峰为准分子离子; ;谱图简单谱图简单; ;不适用难挥发试样不适用难挥发试样+气体分子气体分子试样分子试样分子+准分子离子准分子离子电子电子M+H, M H, M+17,M+292 化学电离源化学电离源(Chemical Ionization CI) 第二部分第二部分 质谱仪器与工作原理质谱仪器与工作原理电压：电压：107-108 V/cm；强电场将分子中拉出一个电子；强电场将分子中拉出一个电

14、子；分子离子峰强；分子离子峰强；碎片离子峰少；碎片离子峰少；不适合化合物结构鉴定；不适合化合物结构鉴定；阳极+阴极d1mm3 场电离场电离(Field Ionization, FI)当样品蒸汽接近或接触带高正电位的金属针时，在强电场的作用下当样品蒸汽接近或接触带高正电位的金属针时，在强电场的作用下发生电离。要求样品分子处于气态，灵敏度不高，应用逐渐减少。发生电离。要求样品分子处于气态，灵敏度不高，应用逐渐减少。 样品不需汽化样品不需汽化, , 预先附在处理好的场离子发射预先附在处理好的场离子发射体上体上, , 送入离子源送入离子源, , 然后通以微弱电流然后通以微弱电流, , 使样品分子使样品

15、分子从发射体上解吸下来从发射体上解吸下来, , 并扩散至高场强的场发射区并扩散至高场强的场发射区, , 进行离子化。进行离子化。 适用于难汽化适用于难汽化, , 热不稳定的样品热不稳定的样品. . 如如: : 糖类，肽糖类，肽类，金属有机化合物，聚合物等。类，金属有机化合物，聚合物等。3 场解吸（场解吸（Field Desorption，FD） 惰性气体惰性气体Ar或或Xe的原子首先被电离并被加速，的原子首先被电离并被加速， 使使之具有高的动能，在原子枪之具有高的动能，在原子枪(atom gun)内进行电荷交内进行电荷交换反应：换反应： ArAr+ +（高动能的高动能的）+ + ArAr（热运

16、动的热运动的） ArAr（高动能的高动能的）+ + ArAr+ +（热运动的热运动的）高动能的高动能的Ar或或Xe原子束再轰击样品分子使其离子化原子束再轰击样品分子使其离子化 4 快原子轰击快原子轰击(Fast Atom Bombardment,FAB)第二部分第二部分 质谱仪器与工作原理质谱仪器与工作原理FAB是目前广泛使用的软电离技术，适用于难汽化是目前广泛使用的软电离技术，适用于难汽化,极性强极性强的大分子。样品用基质调节后黏附在靶物上。的大分子。样品用基质调节后黏附在靶物上。 常用的基质有甘油，硫代甘油，常用的基质有甘油，硫代甘油，3-硝基苄醇，三乙醇胺等。硝基苄醇，三乙醇胺等。 注意

17、：注意：FAB质谱图中会出现基质分子产生的相应的峰及质谱图中会出现基质分子产生的相应的峰及基质分子与样品分子的结合峰。基质分子与样品分子的结合峰。 例如：例如：3-硝基苄醇作为基质时，会出现硝基苄醇作为基质时，会出现 m/z154(MH),136（MHH2O）, 289(MMHH2O) 的峰。的峰。 4 快原子轰击快原子轰击(Fast Atom Bombardment,FAB)利用不同离子源获得的质谱图OCH2OHHOHOHHHOHOH4 快原子轰击快原子轰击(Fast Atom Bombardment,FAB) m/z 295 m/z 295为为(M+Na)(M+Na)+ +峰，峰，2732

18、73为为(M(MH)H)+ +峰，均为准分子离子峰；图中峰，均为准分子离子峰；图中的其它强峰的其它强峰m me 107e 107、136136、154154、289289等来自甘油或间硝基苄醇，等来自甘油或间硝基苄醇，可用空白谱消除。可用空白谱消除。4 快原子轰击快原子轰击(Fast Atom Bombardment,FAB)MALDI可使热敏感或不挥发的化合物由固相直接得到离子。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质成为晶体或半晶体

19、，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。品分子进入气相并得到电离。 5 基质辅助激光解析电离基质辅助激光解析电离 (MALDI )样品置于涂有基质的样品靶上，一定波长的脉冲式激光照射样品置于涂有基质的样品靶上，一定波长的脉冲式激光照射到样品靶上，基质分子吸收激光能量，与样品分子一起蒸发到到样品靶上，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。气相并使样品分子电离。常用的基质有常用的基质有2,5二羟基苯甲酸、芥子酸、烟酸、二羟基苯甲酸、芥子酸、烟酸、-氰基氰基

20、-4-羟羟基肉桂酸等。基肉桂酸等。特别适合于飞行时间质谱仪特别适合于飞行时间质谱仪(TOF)，组成，组成MALDI-TOF。MALDI属于软电离技术，它比较适合于分析生物大分子，如属于软电离技术，它比较适合于分析生物大分子，如肽、蛋白质、核酸等。肽、蛋白质、核酸等。得到的质谱主要是分子离子，准分子离子。碎片离子和多电得到的质谱主要是分子离子，准分子离子。碎片离子和多电荷离子较少。荷离子较少。5 基质辅助激光解析电离基质辅助激光解析电离 (MALDI )流出液在高电场下形成带电喷雾，在电场力作用下穿过气帘；流出液在高电场下形成带电喷雾，在电场力作用下穿过气帘；气帘的作用：雾化；蒸发溶剂；阻止中性

21、溶剂分子气帘的作用：雾化；蒸发溶剂；阻止中性溶剂分子6 电喷雾电离电喷雾电离 (Electron spray Ionization,ESI )6 电喷雾电离电喷雾电离 (Electron spray Ionization,ESI )+-+-+-+-蒸发蒸发+带电小液滴带电小液滴试样离子准分子离子准分子离子+-其他离子通常没有碎片离子峰，通常没有碎片离子峰，只有只有整体分子的峰整体分子的峰小分子得到带单电荷的准分子离子小分子得到带单电荷的准分子离子生物大分子得到多种多电荷离子生物大分子得到多种多电荷离子适合于分析极性强的大分子有机化合物适合于分析极性强的大分子有机化合物 可以得到正离子质谱或负离

22、子质谱可以得到正离子质谱或负离子质谱 6 电喷雾电离电喷雾电离 (Electron spray Ionization,ESI )7 大气压化学电离源大气压化学电离源(Atmospheric pressure chemical Ionization, APCI）在在APCI喷咀的下游放置一个针状放电电极，通过放电电极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，产生的高压放电，使空气中某些中性分子电离，产生H3O+，N2+，O2+ 和和O+ 等离子，溶剂分子也会被电离，这些离子与样品分等离子，溶剂分子也会被电离，这些离子与样品分子进行离子子进行离子-分子反应，

23、使样品分子离子化。分子反应，使样品分子离子化。适合于分析弱极性的小分子化合物，得到样品分子的准分子适合于分析弱极性的小分子化合物，得到样品分子的准分子离子峰离子峰7 大气压化学电离源大气压化学电离源(Atmospheric pressure chemical Ionization, APCI）2.3.4 质量分析器（质量分析器（Mass analyzer ） 扇形磁场质量分析器；扇形磁场质量分析器；Magnetic-Sector 四极杆质量分析器；四极杆质量分析器；Quadrupole 离子阱质量分析器；离子阱质量分析器；IT(Ion Trap) 飞行时间质量分析器；飞行时间质量分析器；TOF

24、(Time Of Flight) 傅里叶变换离子回旋共振傅里叶变换离子回旋共振(Fourier transform Ion Cyclotron Resonance mass spectrometer, FT ICR)第二部分第二部分 质谱仪器与工作原理质谱仪器与工作原理1.磁分析器磁分析器 质量分析内主要为一电磁铁，自离子源发生的离子束质量分析内主要为一电磁铁，自离子源发生的离子束在加速电极电场（在加速电极电场（800-8 000V800-8 000V）的作用下，使质量的）的作用下，使质量的正离于获得的速度，以直线方向正离于获得的速度，以直线方向n n运动运动MS 其动能为：其动能为： （8-

25、18-1） 式中式中 z z 为离子电荷数，为离子电荷数，U U 加速电压。显然，在加速电压。显然，在一定的加速电压下，离子的运动速度与质量一定的加速电压下，离子的运动速度与质量 m m 有关。有关。 221mvzU MS 当具有一定动能的正离子进入垂直于离子速当具有一定动能的正离子进入垂直于离子速度方向的均匀磁场度方向的均匀磁场( (质量分析器质量分析器) )时，正离子在磁时，正离子在磁场力场力( (洛仑兹力洛仑兹力) )的作用下，将改变运动方向的作用下，将改变运动方向( (磁磁场不能改变离子的运动速度场不能改变离子的运动速度) )作圆周运动。作圆周运动。MS 设离子作圆周运动的轨道半径设离

26、子作圆周运动的轨道半径( (近似为磁场曲近似为磁场曲率半径率半径) )为为 R R ，则运动离心力必然和磁场力相等，则运动离心力必然和磁场力相等，故故 （8-28-2）式中式中 H H 为磁场强度。为磁场强度。 RmvHzv2UerBzm222MS 由此式可见，离子在磁场内运动半径由此式可见，离子在磁场内运动半径R R与与m/zm/z、H H、U U有关。因此只有在有关。因此只有在U U及及H H一定的条件一定的条件下，某些具有一定质荷比的正离子才能以运动下，某些具有一定质荷比的正离子才能以运动半径为半径为 R R 的轨道到达检测器。的轨道到达检测器。MS 若若H H、R R固定，固定，m/z

27、 1/Um/z 1/U，只要连，只要连续改变加速电压续改变加速电压( (电压扫描电压扫描) )；或；或U U、R R固定，固定，m/z Hm/z H2 2，连续改变，连续改变 H(H(磁场磁场扫描扫描) )，就可使具有不同，就可使具有不同m/zm/z的离子依的离子依次到达检测器发生信号而得到质谱图次到达检测器发生信号而得到质谱图( (如图如图8-18-1所示所示) )。 例例 21-221-2试计算在曲率半径为试计算在曲率半径为10cm10cm的的1.2T1.2T的的磁场中，一个质量数为磁场中，一个质量数为100100的一价正离子所需的加的一价正离子所需的加速电压是多少？速电压是多少？ 解解:

28、 : 据方程（上式）据方程（上式）merBmzerBU222222V2319221002. 6/10021060. 1) 1 . 0(2 . 1=6.94103V 收集器收集器离子源离子源BS1S2磁场磁场R方向聚焦；方向聚焦；相同质荷比，相同质荷比，入射方向不同入射方向不同的离子会聚；的离子会聚；分辨率不高分辨率不高1 单聚焦磁场分析器单聚焦磁场分析器只有一扇形磁场的质量分析器又称为磁分析器。只有一扇形磁场的质量分析器又称为磁分析器。 1 单聚焦磁场分析器单聚焦磁场分析器双聚焦由双聚焦由静电分析器和磁分析器组成，静电分析器和磁分析器组成，静电分析器由两个同心静电分析器由两个同心圆板组成，两圆

29、板之间保持一定的电位差圆板组成，两圆板之间保持一定的电位差( (E E) )。 2 双聚焦磁场分析器双聚焦磁场分析器优点优点:分辨率高分辨率高;缺点缺点:扫描速度慢，扫描速度慢，操作、调整比较困操作、调整比较困难难,体积大体积大,而且仪器而且仪器造价也比较昂贵。造价也比较昂贵。四极质谱结构简单，价廉，体积小，易操作，无磁滞现象，扫四极质谱结构简单，价廉，体积小，易操作，无磁滞现象，扫描速度快，适合于描速度快，适合于GC-MS, LC-MS。分辨率不高。分辨率不高。 3 四级杆质量分析器四级杆质量分析器4 离子阱质量分析器离子阱质量分析器 特定特定m/zm/z离子在阱内一定轨道上稳定旋转，改变端

30、电极电压，不离子在阱内一定轨道上稳定旋转，改变端电极电压，不同同m/zm/z离子飞出阱到检测器；离子飞出阱到检测器；4 离子阱质量分析器离子阱质量分析器优点优点单一的离子阱可实现多级串联质谱（单一的离子阱可实现多级串联质谱（MS）n结构简单，性价比高结构简单，性价比高灵敏度高灵敏度高质量范围大质量范围大缺点缺点质谱图与标准谱图有差别质谱图与标准谱图有差别TOF MS的核心部分是一个无场的离子漂移管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加速后的离子具有相同的动能 zVmv2212/1)2(mzVv 4 飞行时间质量分析器飞行时间质量分析器(Time of flight an

31、alyzer) u m/z m/z小的离子，漂移运动的速度快，最先通过漂移管，到达检测器。小的离子，漂移运动的速度快，最先通过漂移管，到达检测器。 u m/zm/z大的离子，漂移运动的速度慢，最后通过漂移管，到达检测器。大的离子，漂移运动的速度慢，最后通过漂移管，到达检测器。u 检测通过漂移管的时间检测通过漂移管的时间( ( t t ) )及其相应的信号强度，可得到质谱图，及其相应的信号强度，可得到质谱图，t t为为 或或s s数量级。数量级。u 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/zm/z的的增大而降低。增大

32、而降低。 4 飞行时间质量分析器飞行时间质量分析器(Time of flight analyzer) 傅立叶变换离子回旋共振分析器傅立叶变换离子回旋共振分析器利用不同利用不同m/z的离子，的离子， 在在磁场磁场B的作用下，各自产生不同的回旋频率。若施加一射频的作用下，各自产生不同的回旋频率。若施加一射频场，使其频率等于某一场，使其频率等于某一 m/z离子的回旋频率，则离子就会离子的回旋频率，则离子就会吸收能量而激发。吸收能量而激发。 离子从射频场吸收能量，称之离子的回旋共振。离子从射频场吸收能量，称之离子的回旋共振。 激发的离子运动速度激发的离子运动速度( ( v v ) ) 增大，运动轨道半

33、径增大，运动轨道半径( ( r r ) ) 增大，称之离子的回旋运动的激发。增大，称之离子的回旋运动的激发。 5 傅立叶变换离子回旋共振分析器（傅立叶变换离子回旋共振分析器（Fourier transform ion cyclotron resonance analyzer, FTICR） 如果磁场强度（如果磁场强度（B）一定，改变射频场的频率（）一定，改变射频场的频率（ ），即可激），即可激发不同发不同m/z的离子而得到质谱。的离子而得到质谱。 FT-MS的核心为分析室，分析室由三对平行的极板构成。磁的核心为分析室，分析室由三对平行的极板构成。磁力线沿力线沿z轴方向，离子的回旋运动垂直于轴方

34、向，离子的回旋运动垂直于z轴，在与轴，在与x轴方向垂轴方向垂直的两极板上施加激发射频，在与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轴方向垂直的两极板上检测信号。测信号。 FT-MS分辨率极高，目前可得到精确度最高的精确质量分辨率极高，目前可得到精确度最高的精确质量FT-MS灵密度高，质量范围宽，速度快，性能可靠。灵密度高，质量范围宽，速度快，性能可靠。 5 傅立叶变换离子回旋共振分析器（傅立叶变换离子回旋共振分析器（Fourier transform ion cyclotron resonance analyzer, FTICR） 2.3.5 检测器检测器(Detecter) 质

35、量分析器分离并加以聚焦的离子束，按m/z的大小依次通过狭缝，到达收集器，信号经接收放大后被记录。 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。 第二部分第二部分 质谱仪器与工作原理质谱仪器与工作原理特点特点： 质谱不属波谱范围质谱不属波谱范围 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, , 谱图谱图 与分子结构有关与分子结构有关 质谱法进样量少质谱法进样量少, , 灵敏度高灵敏度高, , 分析速度快分析速度快 质谱是唯一可以给出分子量质

36、谱是唯一可以给出分子量, , 确定分子式的方法确定分子式的方法, , 而分子式的而分子式的确定对化合物的结构鉴定是至关重要的。确定对化合物的结构鉴定是至关重要的。第二部分第二部分 质谱仪器与工作原理质谱仪器与工作原理1. 1. 质量范围：质量范围：指质谱计所检测的单电荷离子的质核比范围指质谱计所检测的单电荷离子的质核比范围 2.3.5 质谱仪的主要技术指标质谱仪的主要技术指标 不同仪器：不同仪器： 四极杆四极杆 1600Da，14000Da， 磁质谱：磁质谱：110000Da 飞行时间质谱：无上限飞行时间质谱：无上限 离子阱质谱：离子阱质谱：12000Da，14000Da不同要求：气体分析，不

37、同要求：气体分析， 1300Da 气相色谱质谱，气相色谱质谱， 1600Da，800Da 有机质谱，有机质谱， 12000Da 生物分子，生物分子， 110000Da或更大或更大R R = = m m / / m m m m为质谱计可分辨的相邻两峰的质量差为质谱计可分辨的相邻两峰的质量差m m为可分辨的相邻两峰的平均质量为可分辨的相邻两峰的平均质量2.2.分辨率（分辨率（R R）：）：是质谱计分开相邻两离子质量的能力。是质谱计分开相邻两离子质量的能力。第二部分第二部分 质谱仪器与工作原理质谱仪器与工作原理高分辨：高分辨：30 00030 000以上以上 中分辨：中分辨：10 000-30 00

38、010 000-30 000 低分辨：几百到几千低分辨：几百到几千 质量稳定性，通常用一定时间内质量漂移的质量单位来质量稳定性，通常用一定时间内质量漂移的质量单位来表示。例如某仪器的质量稳定性为：表示。例如某仪器的质量稳定性为：0.1amu/12hr0.1amu/12hr，意，意思是该仪器在思是该仪器在1212小时之内，质量漂移不超过小时之内，质量漂移不超过0.1amu0.1amu。 3. 3. 质量稳定性质量稳定性主要是指仪器在工作时质量稳定的情况主要是指仪器在工作时质量稳定的情况第二部分第二部分 质谱仪器与工作原理质谱仪器与工作原理 常用相对百分比表示，例如，某化合物的质量为常用相对百分比

39、表示，例如，某化合物的质量为152,0473amu，用某质谱仪多次测定该化合物，测得的质量与该化合物理论，用某质谱仪多次测定该化合物，测得的质量与该化合物理论质量之差在质量之差在0.003 amu之内之内,则该仪器的质量精度为百万分之二则该仪器的质量精度为百万分之二十（十（20ppm）。质量精度是高分辨质谱仪的一项重要指标，对）。质量精度是高分辨质谱仪的一项重要指标，对低分辨质谱仪没有太大意义。低分辨质谱仪没有太大意义。 4. 质量精度质量精度指质量测定的精确程度。指质量测定的精确程度。第二部分第二部分 质谱仪器与工作原理质谱仪器与工作原理MS利用质谱仪定性分析时，质量精度是一个利用质谱仪定性

40、分析时，质量精度是一个很重要的性能指标。在低分辨质谱仪中，很重要的性能指标。在低分辨质谱仪中，仪器的质量指示标尺精度不应低于仪器的质量指示标尺精度不应低于0.4质质量数。高分辨率质谱仪给出离子的精确质量数。高分辨率质谱仪给出离子的精确质量，相对精度一般在量，相对精度一般在1-10ppm。高分辨质谱进行元素组成分析：高分辨质谱进行元素组成分析：任何一种同位素的质量并不是正好的整数。任何一种同位素的质量并不是正好的整数。12C的准确质量为的准确质量为12.00000000, 1H = 1.007782506，14N = 14.00307407，16O = 15.99491475，末，末位有效数字。

41、位有效数字。 每一个同位素都具有唯一的、特征的每一个同位素都具有唯一的、特征的“质量亏损质量亏损”，离子，离子的质量包含了同位素的总的质量亏损，也是特征的，以此来鉴的质量包含了同位素的总的质量亏损，也是特征的，以此来鉴定离子的同位素和元素组成。定离子的同位素和元素组成。第二部分第二部分 质谱仪器与工作原理质谱仪器与工作原理例：例： m=43.0184Da的离子必定是的离子必定是C2H3O+，不可能是，不可能是 C3H7+(m=43.0058)或或C2H5N+(m=42.9984)，或，或CH3N2+(m=43.0296)。 为了区分这四个离子，测量的质量的准确度需达到为了区分这四个离子，测量的

42、质量的准确度需达到130ppm。即小数点后第四位是准确的。即小数点后第四位是准确的。 元素组成信息随着质量的增加而呈指数地上升，对质谱元素组成信息随着质量的增加而呈指数地上升，对质谱质量的测定准确度要求更高。质量的测定准确度要求更高。第二部分第二部分 质谱仪器与工作原理质谱仪器与工作原理例：例： 分子量为分子量为310的质谱峰，已知它们的元素组成限于碳、的质谱峰，已知它们的元素组成限于碳、氢、氮和氧，且最多不超过氢、氮和氧，且最多不超过3个氮原子和个氮原子和4个氧原子。如果将其个氧原子。如果将其各种组合出来的质量能够区分开来，要求的质量准确度达到各种组合出来的质量能够区分开来，要求的质量准确度

43、达到2 ppm，这是目前最高质量分辨力的，这是目前最高质量分辨力的FT-ICR-MS勉强能够达到的勉强能够达到的水平。水平。第二部分第二部分 质谱仪器与工作原理质谱仪器与工作原理质谱学上的高分辨的含义：质谱学上的高分辨的含义： 高的分辨本领高的分辨本领 保证两个靠得很近的峰能够分开来，从而知道是两个峰而不是保证两个靠得很近的峰能够分开来，从而知道是两个峰而不是一个峰。一个峰。 良好的线性行为良好的线性行为 用已知精确质量的离子去得到待测定离子的质量数，不容许用已知精确质量的离子去得到待测定离子的质量数，不容许二者峰的质量是一样的二者峰的质量是一样的(重叠在一起重叠在一起)，二者之间必有一定的质

44、量，二者之间必有一定的质量差异，质谱仪的线性不好，用已知精确离子的质量来得到待测定差异，质谱仪的线性不好，用已知精确离子的质量来得到待测定离子的质量，就会因此而产生偏差，从而造成误差，两者距离越离子的质量，就会因此而产生偏差，从而造成误差，两者距离越远，这种误差越大。远，这种误差越大。第二部分第二部分 质谱仪器与工作原理质谱仪器与工作原理良好的稳定性良好的稳定性磁质谱，飞行时间质谱仪，离子回旋共振质谱仪：磁质谱，飞行时间质谱仪，离子回旋共振质谱仪：分辨力、线性和稳定性好，属高分辨质谱仪。分辨力、线性和稳定性好，属高分辨质谱仪。离子阱质谱仪：离子阱质谱仪：分辨力高，线性低，准高分辨质谱仪，用于判

45、分辨力高，线性低，准高分辨质谱仪，用于判断质谱峰带的电荷数。断质谱峰带的电荷数。四极杆质谱仪：四极杆质谱仪：分辨力低，线性好，不属于高分辨质谱仪。分辨力低，线性好，不属于高分辨质谱仪。第二部分第二部分 质谱仪器与工作原理质谱仪器与工作原理第三部分第三部分 质谱裂解机理质谱裂解机理基基 峰峰: :离子强度最大的峰，规定其相对丰度为离子强度最大的峰，规定其相对丰度为100100质荷比质荷比: :离子质量与所带电荷数之比，用离子质量与所带电荷数之比，用m/zm/z或或m/em/e表示表示精确质量精确质量: :精确质量的计算基于天然丰度最大的同位素精确质量的计算基于天然丰度最大的同位素的精确原子量的精

46、确原子量 3.1 质谱常用术语质谱常用术语表表1 部分元素的天然同位素的精确质量和丰度部分元素的天然同位素的精确质量和丰度 (以以12C：12.000000为标准为标准) 分子离子分子离子(molecular ion)：由样品分子失去一个电子生成的由样品分子失去一个电子生成的带正电荷的离子，记做带正电荷的离子，记做M+ 。碎片离子碎片离子(fragment ion)：由分子离子裂解产生的所有离子。由分子离子裂解产生的所有离子。重排离子重排离子(rearrangement ion)：经过重排反应生成的离子。经过重排反应生成的离子。母离子与子离子母离子与子离子(Parent ion and dau

47、ghter ion)：任何一个离任何一个离子进一步裂解生成质荷比较小的离子，前者称为后者的母子进一步裂解生成质荷比较小的离子，前者称为后者的母离子，后者称为前者的子离子。离子，后者称为前者的子离子。3.2 质谱中的离子质谱中的离子奇电子离子和偶电子离子奇电子离子和偶电子离子(odd-electron ion and even-electron ion ) ：带有未配对电子的离子为奇电子离子，带有未配对电子的离子为奇电子离子， 记做记做OE+ ，无，无未配对电子的离子为偶电子离子，记做未配对电子的离子为偶电子离子，记做EE+。多电荷离子多电荷离子(multiply-charged ion)：一个

48、分子丢失一个以上电子所一个分子丢失一个以上电子所形成的离子形成的离子 。准分子离子准分子离子(quasi-molecular ion，QM):比分子量多比分子量多(或少或少)1质量单质量单位的离子位的离子 ，如，如(MH)+，(M-H)+亚稳离子亚稳离子(metastable ion，m*):从离子源出口到达检测器之前产生从离子源出口到达检测器之前产生并记录下来的离子并记录下来的离子,其质量数不是整数，且峰宽度宽，丰度低其质量数不是整数，且峰宽度宽，丰度低。3.3 分子离子峰的识别分子离子峰的识别 必须是化合物谱图中必须是化合物谱图中质量最高的离子质量最高的离子必须是必须是奇电子离子奇电子离子

49、、符合氮规则符合氮规则必须能通过必须能通过丢失合理的中性离子丢失合理的中性离子，产生谱图，产生谱图中高质量区的重要离子中高质量区的重要离子 m = 4-14, 21-24, 37-38m = 4-14, 21-24, 37-38通常认为是不合理丢失通常认为是不合理丢失3.3 分子离子峰的识别分子离子峰的识别氮律氮律：不含不含N或含偶数或含偶数N的有机分子的有机分子, 其分子离子峰其分子离子峰m/z为偶为偶数。含奇数数。含奇数N的有机分子的有机分子, 其分子离子峰其分子离子峰m/z为奇数。为奇数。3.3 分子离子峰的识别分子离子峰的识别使用使用CI电离时，可能出现电离时，可能出现 M+H, M

50、H, M+C2H5, M+C3H5 使用使用FAB时，可出现时，可出现 M+H, M H, M+Na, M+K 较高分子量的化合物，可能同时生成较高分子量的化合物，可能同时生成 M+H, M+2H, M+3H等等 表表2 常见由分子离子丢失的碎片及可能来源常见由分子离子丢失的碎片及可能来源3.3 分子离子峰的识别分子离子峰的识别3.3 分子离子峰的识别分子离子峰的识别在质谱图中每个质谱峰表示一种质荷比在质谱图中每个质谱峰表示一种质荷比 m / z 的离子，质谱的离子，质谱峰的强度表示该种离子峰的多少，因此根据质谱峰出现峰的强度表示该种离子峰的多少，因此根据质谱峰出现的位置可以进行定性分析，根据