§7 质谱法

§7 质谱法 质谱法概述质谱基本原理及仪器质谱图及离子类型质谱应用及解析

1. 质谱仪的发展简史 1912年：世界第一台质谱装置 1940年代: 质谱仪用于同位素测定 1950年代：MS商品化广泛用于有机物结构分析 1960年代：研究GC-MS联用技术 1980年代：研究LC-MS联用技术 1990年代：生物分析的需要，新的离子化方法 §7.1质谱法概述

2 质谱分析法 将样品转化为运动的气态离子并按质荷比（m/z）大小进行分离、检测并记录的一种分析方法质谱分析所获得的结果即离子的相对含量与质荷比之间的关系图就称为质谱图（亦称质谱）

3 质谱中的常用术语： 1)基峰：质谱图上强度最大的峰，其强度规定为100 2)相对丰度(relative abundance，RA)：也称相对强度(relative intendity,RI)，是相对于质谱图上最高峰（即基峰）的相对百分数 3)质荷比：是指离子的质量与所带电荷数之比，用m/z表示。m为组成离子的各元素的原子的标称原子质量之和，如H 1； C 12，13 ；N 14，15； O 16，17，18；Cl 35，37等，这与平常所用的基于不同同位素的丰度而得到的平均原子量不同

4) 质量的概念： 原子的标称质量：原子核中质子数目和中子数目之和原子的精确质量：以12C为基准的相对原子质量原子的平均质量：化学组成相同的原子的平均相对原子质量低分辨质谱仪给出的是离子的标称质量，而高分辨质谱仪给出的是离子的精确质量

按用途分：有机质谱；无机质谱；同位素质谱 按原理分：单聚焦质谱；双聚焦质谱；四极质谱；飞行时间质谱；回旋共振质谱按联用方式分：气质联用；液质联用；质质联用 4 质谱仪的分类

1) 它是至今唯一可以确定分子质量的方法,在高分辨率质谱仪中能够准确测定质量 2) 质谱法的灵敏度极高,鉴定的最小量可达10-10g,检出限可达10-14g 3) 样品元素组成 4) 无机、有机及生物分析的结构--- 结构不同，分子或原子碎片不同(质荷比不同) 5) 复杂混合物的定性定量分析--- 与色谱方法联用(GC-MS;LC-MS) 6) 样品中原子的同位素比 5 特点及应用

一质谱分析法原理 将样品转化为运动的带电气态离子碎片，然后按质荷比(m/z)大小分离并记录的分析方法 §7.2 质谱法原理及仪器进样系统离子源质量分析器检测器 1.电子轰击 2.化学电离 3.场致电离 4.激光 1.气体扩散 2.直接进样 3.气相色谱 1.单聚焦 2.双聚焦 3.飞行时间 4.四极杆

按质量分析器 ( 或者磁场种类 ) 可分为静态仪器和动态仪器，即稳定电磁场(单聚焦及双聚焦质谱仪)和变化电磁场(飞行时间和四极杆质谱仪) MS仪器一般由真空系统、进样系统、电离源、质量分析器和检测系统构成二仪器组成

质谱仪中所有部分均要处高度真空的条件下(10-4-10-6Pa), 其作用是减少离子碰撞损失。真空度过低，将会引起： a)大量氧会烧坏离子源灯丝 b)引起其它分子离子反应，使质谱图复杂化 c)干扰离子源正常调节 d)用作加速离子的几千伏高压会引起放电一般质谱仪都采用机械泵预抽空后，再用高效率扩散泵连续地运行以保持真空。现代质谱仪采用分子泵可获得更高的真空度 1. 真空系统

对进样系统的要求：重复性、不引起真空度降低对进样系统的要求：重复性、不引起真空度降低（1）间接进样适于气体、沸点低且易挥发的液体、中等蒸汽压固体。注入样品(10-100g)—贮样器(1-3L)—抽真空(1Pa)并加热1500C—样品蒸汽分子(压力梯度)—漏隙—高真空离子源 2. 进样系统

适于高沸点液体及固体样品 探针杆通常是一根规格为25cm×6mmi.d.,前端有一容纳样品的陶瓷小凹槽，当探针插入或拉出时，斜置的封闭阀就可将真空体系与外界大气隔绝，通电发热，使样品蒸发，对热稳定的有机化合物一般可加热到200－3000C而不分解，通常可分析非极性分子的分子量可达1000u，中等极性分子量达300u 优点： 1)引入样品量小，样品蒸汽压可以很低 2)可以分析复杂有机物 3)应用更广泛（2）直接探针进样

（3） 色谱进样：利用气相和液相色谱的分离能力，进行多组份复杂混合物分析 3 电离源(室) 将引入的样品转化为正离子，并使之加速，聚焦为离子束的装置。由于离子化所需要的能量随分子不同差异很大，因此，对于不同的分子应选择不同的离解方法

根据样品离子化方式和电离源能量高低，通常可将电离源分为：根据样品离子化方式和电离源能量高低，通常可将电离源分为：气相源：先蒸发再激发，适于沸点低于500oC、对热稳定的样品的离子化，包括电子轰击源、化学电离源、场电离源、火花源解吸源：固态或液态样品不需要挥发而直接被转化为气相，适用于分子量高达105的非挥发性或热不稳定性样品的离子化。包括场解吸源、快原子轰击源、激光解吸源、离子喷雾源和大气压化学（热喷雾）电离源等

硬源：离子化能量高，伴有化学键的断裂，谱图复杂，可得到分子官能团的信息，如电子轰击，快原子轰击硬源：离子化能量高，伴有化学键的断裂，谱图复杂，可得到分子官能团的信息，如电子轰击，快原子轰击软源：离子化能量低，产生的碎片少，谱图简单，可得到分子量信息，如化学电离源，场电离源，场解吸电离源，激光解吸电离源，电喷雾电离源，大气压化学（热喷雾）电离源

（1）电子轰击源（EI） 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 M + e  M++2e 式中M为待测分子，M+为分子离子或母体离子

水平方向：加热灯丝与阳极间(加直流电压70V) —高能电子束—冲击样品—正离子垂直方向：G3-G4加速电极(低电压)--- 较小动能 ---狭缝准直－－G4-G5加速电极(高电压)--- 较高动能 --- 狭缝进一步准直 -- 离子进入质量分析器

EI特点 1 使用最广泛，谱库最完整 2 电离效率高 3 结构简单，操作方便 4 分子离子峰很弱或不出现：因为电子能量高达70 eV，而大多数有机化合物的电离电位约为7-10 eV，因此除生成分子离子外，还要进一步断裂成碎片离子，约有10-20%的有机化合物（相对质量较大，极性大，难气化，热稳定性差的化合物）电离时缺少分子离子峰

原理：高能量的电子轰击反应气体使之电离，电离后的反应分子再与试样分子碰撞发生分子离子反应形成准分子离子和少数碎片离子原理：高能量的电子轰击反应气体使之电离，电离后的反应分子再与试样分子碰撞发生分子离子反应形成准分子离子和少数碎片离子作用过程：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，所生成的分子离子主要由反应气分子组成（2）化学电离源 (CI) 47％ 41％

产生M - 1峰 产生M + 17峰产生M + 29峰进入电离源的样品分子R-CH3大部分与CH5+碰撞产生(M+1)+离子；小部分与C2H5+反应，生成(M-1)+离子；极微小部分发生复合反应：产生M + 1峰质子化反应复合反应这样就形成了一系列准分子离子QM+而出现(M+1)+，(M-1)+，(M+17)+，(M+29)+等质谱峰

CI特点： 1 准分子离子峰即(M+1)+峰很强，可提供相对分子质量这一重要信息，从而可以推断出相对分子质量 2 碎片峰较少，谱图简单，因为电离样品分子的不是高能电子流，而是能量较低的二次离子，键断裂的可能性较小，峰的数目随之减少 3 使用CI时需要将试样气化后进入离子源，因此不适用于难挥发，热不稳定或极性较大的有机物分析

应用强电场(电压梯度107-108V/cm)诱导样品电离 （3）场电离源 (FI) r<2.5μm <1mm 过程：强电场—分子电子的量子隧道效应* —分子热分解或碰撞—带正电荷的碎片离子—阳极排斥出并加速进入质量分析器

量子隧道效应:就是依靠强电场(10-7-10-8Vcm-1)把尖端附近纳米处的分子中的电子拉出来，或者说电子在强电场作用下要由阴极向阳极移动，从而脱离样品分子，形成正离子量子隧道效应:就是依靠强电场(10-7-10-8Vcm-1)把尖端附近纳米处的分子中的电子拉出来，或者说电子在强电场作用下要由阴极向阳极移动，从而脱离样品分子，形成正离子电极要求：电极为一尖锐的叶片或金属丝（曲率半径2.5μm），其上长满微针，故称金属胡须发射器。使用微碳针 (＜1μm，W丝上的苯基腈裂解生成) 构成多尖陈列电极可提高电离效率 FI特点：场致电离源的能量约为12eV，因此分子离子峰强度很大，也很清楚，碎片峰较少也较弱，利于相对分子质量的测定，缺乏分子结构信息

类似于场电离源，它也有一个表面长满“ 胡须”(长0.01mm)的阳极发射器(Emitter) 过程：样品溶液涂于发射器表面——通电加热蒸发除溶剂——解吸样品分子——强电场——分子电离——奔向阴极——引入质量分析器特点：特别适于非挥发性且分子量高的样品，谱图最为简单（解吸所需的能量远低于气化所需的能量，所以有机化合物不会发生热分解）；离子源的工作温度略高于室温，分子离子几乎不具有过剩的能量，因此基本上不断裂，分子离子峰的强度比FI强（4）场解吸源 (FD)

针对金属合金或离子残渣样品等非挥发性无机物的分析，类似于AES中的激发光源针对金属合金或离子残渣样品等非挥发性无机物的分析，类似于AES中的激发光源过程： 30kV 脉冲电压 --- 火花 --- 局部高热 --- 样品元素蒸发--- 原子或离子 --- 经加速进入质量分析器进行分离特点：对于几乎所有元素的灵敏度较高，可达10-9；可以对极复杂样品进行元素分析，信息比较简单，一般线性响应范围都比较宽，标准核准比较容易。但由于仪器设备价格高昂，操作复杂，限制了使用范围（5）火花源 (Spark)

过程：高速电子——惰性气体电离Ar+——电场加速——高能Ar+——电荷交换室——高能Ar原子——撞击涂有样品的金属板——能量转移给样品分子——电离——引入质量分析器（6）快原子轰击(FAB)

底物：实验时通常预先将试样和底物调和并涂在金属靶（常用铜靶）上。常用的底物有甘油、硫代甘油、三乙醇胺等，性能良好的底物应是相对分子质量小、沸点高、对试样的质谱干扰小等底物：实验时通常预先将试样和底物调和并涂在金属靶（常用铜靶）上。常用的底物有甘油、硫代甘油、三乙醇胺等，性能良好的底物应是相对分子质量小、沸点高、对试样的质谱干扰小等 FAB特点：无需气化，整个过程可在室温下进行，有较强的分子离子峰，适合于高极性，大相对分子质量，低蒸气压，热稳定性差的试样，试样用量少并可回收

(7) 电喷雾电离源（ESI) 电喷雾电离源主要应用于LC-MS联用，它是LC和MS之间的接口装置，又是电离源原理：主要部件是两层套管组成的电喷雾喷嘴，内层是LC流出物，外层是雾化气（常用氮气），喷嘴上加电压，在雾化的同时，样品电离，形成带有高电荷微粒的雾，再使用N2气帘阻挡中性的溶剂分子，只让样品离子在电压梯度下进入质量分析器

特点：适用于强极性，大分子量的样品分析如肽，蛋白质，糖等；产生的离子带有多电荷；主要用于液相色谱质谱联用仪特点：适用于强极性，大分子量的样品分析如肽，蛋白质，糖等；产生的离子带有多电荷；主要用于液相色谱质谱联用仪

(8) 大气压化学电离源（APCI) 原理：结构和电喷雾电离源相似，不同在于喷嘴下放一针状放电电极，通过它的高压放电，使空气中某些分子产生H3O+, N2+,O2+,O+离子，这些离子再和分析物分子发生分子离子反应使它们离子化，形成质子转移，加成物等准分子离子

特点：APCI主要产生的是单电荷离子，所分析的化合物的相对分子量通常小于1000特点：APCI主要产生的是单电荷离子，所分析的化合物的相对分子量通常小于1000

(9) 激光解吸源（LD) 原理：利用一定波长的脉冲激光照射样品，使样品电离。被分析物质放在涂有基质的靶上，激光于极短时间照射，基质吸收能量并且把能量传给被分析物质，和它们一起蒸发到气相并使样品分子电离特点：也称为基质辅助激光解吸电离源（MALDI），属于软电离技术，特别适宜飞行时间质谱仪（TOF），激光电离源必须有合适基质才能有好的离子产率，常用基质有2，5二羟基苯甲酸，芥子酸，烟酸等，适宜分析生物大分子

作用：将不同离子碎片按质荷比 m/z分开，将相同m/z的离子聚集在一起，组成质谱质量分析器类型：磁分析器、飞行时间、四极杆、离子捕获等 4 质量分析器

（1）磁分析器 原理：主要部分是一对电磁铁(常用扇形),当离子源中产生的离子束(通常是正离子束)经加速电场加速后,以一定的速度进入垂直于离子运动方向的均匀磁场时,正离子在磁场施加的向心力的作用下,改变运动方向(磁场不改变离子的运动速度)作圆周运动，运动轨道半径与运动速度、磁场强度、离子的质荷比有关

设离子的电荷为z,质量为m,加速电场的电压为U,进入磁场时的运动速度为v,则设离子的电荷为z,质量为m,加速电场的电压为U,进入磁场时的运动速度为v,则如果磁场强度为H,运动轨道半径为R,则由于离子作圆周运动的离心力等于磁场力，因此：合并上述两式，可得：磁分析器质谱方程式通过连续改变H、R、U这三个参数中的任一个并保持其余两个不变的方法,就可以使不同质荷比的离子顺序到达检测器产生信号而获得质谱图

(a)固定H和U，改变R，即通过移动检测器狭缝位置来收集不同R处的离子或以感光板照相技术记录的不同m/z的离子得到色谱图 (b)现代质谱仪通常是保持R不变，通过扫描电场U或磁场H，使不同m/z离子依次通过固定狭缝来获得质谱图

1）单聚焦质量分析器 原理：以一定发散角度和能量/速度的离子，进入质量分析器后，一方面会使离子束按质荷比的大小分离（顺序到达检测器）；另一方面能量/速度相同的，角度不同的相同质荷比离子，以相同的半径（R=mv/zH）到达检测器即重新会聚起来，成为方向聚焦；能量/速度不同的相同质荷比离子则以不同的半径到达检测器，无法聚焦特点：聚焦方向，无法聚焦能量，故其分辨率较低，一般为5000

能量相同，方向不同的离子半径相同 能量不同，方向不同的离子半径不同

原理：为克服动能或速度“分散”的问题，即实现所谓的“速度聚焦”，在离子源和磁分析器之间加一静电分析器，质量相同能量不同的离子通过电场后会产生能量色散（不同能量以不同半径运动），磁场对不同能量的离子也能产生能量色散，如果能使电场和磁场对于能量产生的色散相互补偿（大小相等，方向相反），就能实现能量聚焦原理：为克服动能或速度“分散”的问题，即实现所谓的“速度聚焦”，在离子源和磁分析器之间加一静电分析器，质量相同能量不同的离子通过电场后会产生能量色散（不同能量以不同半径运动），磁场对不同能量的离子也能产生能量色散，如果能使电场和磁场对于能量产生的色散相互补偿（大小相等，方向相反），就能实现能量聚焦 2）双聚焦质量分析器

磁场对离子的作用具有可逆性：由某一方向进入磁场的质量相同的离子，进入磁场后，会以一定能量顺序分开；反之，从相反方向进入磁场的以一定能量顺序排列的质量相同的离子，经过磁场后会聚集在一起

特点：一般商品化双聚焦质谱仪的分辨率可达150000，质量测定准确度可达0.03μg·g-1，即对于相对分子质量为600的化合物可测至误差上±0.0002u特点：一般商品化双聚焦质谱仪的分辨率可达150000，质量测定准确度可达0.03μg·g-1，即对于相对分子质量为600的化合物可测至误差上±0.0002u

（2）飞行时间分析器 这种分析器的离子分离是非磁方式达到的，因为从离子源飞出的离子动能基本一致，在飞出离子源后进入一长约1m的无场漂移管，在离子加速后的速度为：此离子达到无场漂移管另一端的时间为： t = L/  故对于具有不同m/z的离子，到达终点的时间不一样：

由此可见，t取决于m/z的平方根之差 因为连续电离和加速将导致检测器的连续输出而无法获得有用信息（因为按时间分离），所以TOF是以大约10KHz的频率进行电子脉冲轰击法产生正离子，随即用一具有相同频率的脉冲加速电场加速，被加速的粒子按不同的（m/z）1/2的时间经漂移管到达收集极上，并馈入一个水平扫描与电场脉冲频率一致的示波器上，从而得到质谱图

特点： A)仪器结构简单,操作容易,不需要磁场、电场等 B)无聚焦狭缝，灵敏度很高 C)可用于大分子的分析（几十万原子量单位） D)扫描速度快(1000幅/s)，可用于研究快速反应或与GC联用 E)分辨率比磁分析器稍差，受飞行距离的限制

过程：又称为四极杆质量分析器，由四根截面为双曲面或圆形的平行杆组成，对角的电极为一组，用导线相联，电位相等，两组电极间加上一定的直流电压和频率为射频范围的交流电压过程：又称为四极杆质量分析器，由四根截面为双曲面或圆形的平行杆组成，对角的电极为一组，用导线相联，电位相等，两组电极间加上一定的直流电压和频率为射频范围的交流电压（3）四极滤质器

当高速运动的离子束穿过准直小孔进入四极杆之间的空间时，在高频电场的作用下发生振荡，在一定的电压和频率下，只有一种质荷比的离子会形成稳定的振荡通过四极杆到达检测器，其余离子则因振幅不断增大，撞在电极上而被过滤掉当高速运动的离子束穿过准直小孔进入四极杆之间的空间时，在高频电场的作用下发生振荡，在一定的电压和频率下，只有一种质荷比的离子会形成稳定的振荡通过四极杆到达检测器，其余离子则因振幅不断增大，撞在电极上而被过滤掉如果使交流电压的频率不变，连续的改变直流和交流电压的大小（保持他们的比例不变）（电压扫描）或保持电压不变连续的改变交流电压的频率（频率扫描），就可使不同质荷比的离子依次到达检测器

特点：分辨率比磁分析器略低(max.2000);m/z范围与磁分析器相当；传输效率较高；扫描速度快，可用于GC-MS 联用仪

过程：上下端罩电极与左右环电极构成可变电场形成阱，当直流电压和射频电压一定时，只有特定m/z的离子能在阱中指定的轨道上稳定旋转，并可长时间留在阱内，其它离子将偏出轨道并与环电极发生碰撞而消失过程：上下端罩电极与左右环电极构成可变电场形成阱，当直流电压和射频电压一定时，只有特定m/z的离子能在阱中指定的轨道上稳定旋转，并可长时间留在阱内，其它离子将偏出轨道并与环电极发生碰撞而消失（4）离子阱

当一组由电离源(化学电离源或电子轰击源)产生的离子由上端小孔中进人阱中后，射频电压开始扫描，陷入阱中离子的轨道则会依次发生变化而从底端离开环电极腔，从而被检测器检测当一组由电离源(化学电离源或电子轰击源)产生的离子由上端小孔中进人阱中后，射频电压开始扫描，陷入阱中离子的轨道则会依次发生变化而从底端离开环电极腔，从而被检测器检测特点：结构简单、易于操作、GC－MS联用可用于m/z 200-2000的分子分析

§7 质谱法

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