质谱法
化学实验中的质谱法
化学实验中的质谱法质谱法（Mass Spectrometry, MS）是一种基于质量分析原理的重要实验技术，在化学领域中得到广泛应用。
质谱法通过测量物质的离子在磁场中偏转的弧线，来确定分子的质量、结构以及化学性质。
本文将介绍质谱法的原理、仪器设备以及实验步骤等内容，以帮助读者更好地了解并运用质谱法在化学实验中。
一、质谱法的原理质谱法的核心原理是根据化合物中分子离子的质荷比，在磁场中偏转的情况来测量离子的质量。
当样品被电子轰击时，化合物中的分子会发生解离生成离子，并通过加速装置使得离子速度加快。
离子进入磁场后，受到洛伦兹力的作用，发生偏转。
偏转的程度与离子质量成正比，由此可以推断出离子的质量。
二、质谱法的仪器设备质谱法所需的主要仪器设备包括质谱仪、进样系统、离子生成器、磁场等。
其中质谱仪是整个质谱法的核心部分，其主要由质量分析器和检测器构成。
质量分析器负责对离子进行分离和质量测量，常见的有磁扇形质量分析器和四极杆质量分析器等。
检测器负责测量和记录离子的信号强度，常见的有电子倍增器检测器和离子计数器等。
进样系统用于将样品引入质谱仪，离子生成器则是将样品中的化合物转化为气态离子。
三、质谱法的实验步骤1. 样品制备：将待测物质转化为气态或溶解于可以产生气态离子的溶剂中。
适当的样品制备方法有助于获得准确的质谱数据。
2. 进样：将样品引入质谱仪中，通常使用气相色谱仪等进样系统。
进样系统将样品分子转化为气态，然后引入质谱仪中进行质谱分析。
3. 离子生成：样品进入质谱仪后，通过离子生成器将样品分子转化为离子。
常用的离子化方法有电子轰击离子化和化学离子化等。
4. 质谱分析：经过离子生成后的样品进入质量分析器进行分离和质量测量。
分离是通过磁场的作用将不同质量的离子分离出来，而质量测量是通过测量离子偏转的程度来推断离子质量。
5. 数据分析：通过质谱仪中检测器所测得的信号强度，可以获得离子的丰度和质量信息。
质谱仪通常会输出质谱图，通过分析质谱图可以确定样品的化合物质量、结构等信息。
化学分析中的质谱法
化学分析中的质谱法质谱法是一种在化学分析中常用的手段。
该方法通过对样品分子进行离子化和分离，然后测定质荷比（即质量与电荷的比值），从而获得样品的质谱图。
质谱法在化学分析中具有广泛的应用，如有机化合物结构的鉴定、定量分析、药物代谢研究、环境监测等。
一、质谱法的原理质谱法的原理基于离子在磁场中运动所受到的力受质量和电荷的影响，不同质荷比的离子在磁场中呈现出不同轨道。
质谱仪利用这一特性，将样品分子先转化为离子，再通过加速器和质谱分析仪进行离子排序和分离，最终形成质谱图。
二、质谱仪的组成质谱仪通常由四个主要组件组成，包括样品处理系统、加速器、质谱分析系统和数据处理系统。
1. 样品处理系统样品处理系统用于将待分析的样品分子转化为离子。
常用的方法包括电离法（如电子轰击电离、化学电离、光电离等）和中性气体反应离子源（NGRI）。
2. 加速器加速器用于给质谱仪中产生的离子加速，使其在磁场中能够形成稳定的轨道。
常用的加速器包括电场加速器、气体动力学加速器等。
3. 质谱分析系统质谱分析系统是质谱仪中最重要的部分，用于对离子进行分离和测量。
其中，质谱分析器根据质荷比的不同而采用不同的分析方法，如质谱仪、四级杆质谱仪、飞行时间质谱仪等。
4. 数据处理系统数据处理系统用于处理并解析质谱图数据。
常用的方法包括质谱图的峰定量、峰识别和质谱图的解释。
三、质谱法的应用1. 有机化合物结构的鉴定质谱法可通过对有机化合物的质谱图进行解析，确定化合物的分子式、分子量、官能团以及结构。
这对于有机化学的研究和有机化合物的合成具有重要意义。
2. 定量分析质谱法作为一种高灵敏度的分析方法，在定量分析中有重要应用。
利用标准曲线和内标法，可以准确地确定样品中目标物质的含量。
3. 药物代谢研究质谱法可以用于药物代谢研究中，通过分析药物在体内代谢产物的质谱图，了解药物代谢途径、代谢产物结构以及代谢动力学参数。
4. 环境监测质谱法在环境监测中也有广泛应用。
质谱法
气相，可用于分子量高达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、电喷雾电离源和大气压化学电离源等。
离子源（2）
硬源：能量高，伴有化学键的断裂，谱图复杂，可得分
子结构的信息。（可用于定性和结构解析）
目前最常用的硬源是电子轰击源
软源：能量低，产生的碎片少，谱图简单，可得到分子 量信息，但缺乏分子结构信息。（可通过质谱串联的方 式解决）
迹与质荷比的大小有关。
质谱法的特点
1.应用范围广。样品可以是无机物、有机物和生物大分子；可以
是气体、液体或固体。可应用在化合物结构分析、原子量与相对
分子量测定、同位素分析、生产过程监测、环境监测、热力学与 反应动力学、空间探测等多个方面。 2.灵敏度高，样品用量少。有机质谱仪的绝对灵敏度可达50 pg， 无机质谱仪绝对灵敏度可达0.01 pg，用微克级样品即可得到满意 的分析结果。 3.分析速度快并可实现多组分同时测定。 4.与其它仪器相比，仪器结构复杂，价格昂贵，使用及维修比较
包括金属杯、电子倍增管分别与测量放大器组成
的检测器。 3.根据接收器的多寡分为单接收系统，双接收系 统，多接收系统。
谢谢观赏
本组成员：熊燕 李红菊 田娅 李明竹 安蔚 卢叶曼
（-）
能量分散
2 mv zeE 2 1 mv 2 rc rc 2
离子源狭缝
接收器狭缝
设法使静电场的能量色散作用和磁场的能量色散作用大小相等方 向相反，就可消除能量分散对分辨率的影响，可获得高分辨率 （105），利用峰匹配技术，可以达到107或者更高。
检测器
1.用来接收、测量和记录已经分离离子的系统 2.根据检测分为照相法和电测法两类，电测法又
质谱法
当H、V一定时，不同m/z的离子其运动半径不同，不
同质荷比的离子，经过分析器后可实现质量分离，即磁场 对不同质量的粒子具有“质量色散”作用。
当R、V固定不变，连续改变H可以使不同m/z的离子顺 序进入检测器，实现质量扫描，得到样品的质谱图，这种 测量图谱的方式称为磁场扫描。如H由小到大连续变化， m/z小的离子首先被检测，m/z大的离子后被检测。
色谱法进样是将多组分样品先经色谱法分离成单 一组分，分离后的组分依次通过色谱仪与质谱仪之间的 “接口”进入到质谱仪中。适用于多组分分析。
二、离子源与离子的产生
电子轰击离子源（EI）
气化后的样品分子进入离子源中，受到炽热灯丝发射的电子束的轰 击，生成包括正离子在内的各种碎片。
其中正离子在推斥电极的作用下，离开离子源进入加速区被加速和 聚集成离子束。
质谱仪与基本原理
概述
质谱法是将气态样品分子在离子室内，碎裂与电离成各
种不同质荷比m/z的离子，并在电场与磁场的综合作用下，将
它们逐一地分离和检测，得到质谱图。根据质谱图确定未知
物的相对分子质量，决定分子式与推断未知物的可能结构的
分析方法，称为质谱法。
不同质荷比m/z的离子
进样与汽化
碎裂与电离
加速
样品
A B C D
Identificati on
谢 谢！
优点：结构简单、体积小。 缺点：分辨率低，只能测定各
离子的整数质量。
分辨率低的原因是：虽然具有方向聚焦和质量色散作用，也 具有能量色散作用，但却不能消除同一质荷比的离子具有不 同动能对分辨率的影响。
双聚焦磁场分析器
方向聚焦：相同质荷比， 入射方向不同 的离子会聚。
能量聚焦：相同质荷比， 速度（能量） 不同的离子会 聚。
质谱法(推算结构)-非常有用
56(C4H8+)
41(C3H5+)
84(M ) Cyclohexane
M=84
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
% OF BASE PEAK
MethylCyclohexane
100
90
M=98
80
70
60
55
50
40
41
30
69
20
29
10
0
0 10 20 30 40 50 60 70
(四) 检测器
B
mv2
r
U
灯丝
S1
正极 样品
Bzev
真空泵
S 2 底片
R mv eH
(四) 检测器
电子倍增器示意图
(五) 真空系统
作用： 1) 避免大量氧烧坏离子源的灯丝；2)
消减离子的不必要碰撞，避免离子损失；3) 避免离子－分子反应改变裂解模式，使质谱 复杂化；4) 减小本底。
} 真空度要求：离子源 质量分析器
方向聚焦：
相同质荷比，入 射方向不同的离子会 聚。
能量聚焦：
相同质荷比，速 度(能量)不同的离子 会聚。
+ -
S1 离子源
磁场
S2 收集器
质量相同，能量不同的离子通过电场和磁场时，均产生 能量色散；两种作用大小相等，方向相反时互补实现双聚焦。
飞行时间分析器TOE（2）
质量范围宽，扫描速度快，无需电场和需磁场。但是 离子进入漂移管前产生时间的先后，产生空间的前后 和初始动能的大小不同，达到检测器的时间就不相同， 因而降低了分辨率。目前，通过采取激光脉冲电离方 式，离子延迟引出技术和离子反射技术，可使分辨率 可达20000以上，最高可检质量超过300000 Da，并且 具有很高的灵敏度。广泛应用于气相色谱-质谱联用 仪，液相色谱-质谱联用仪和基质辅助激光解吸飞行 时间质谱仪中。
质谱法
第四章质谱法（MS）1、质谱：利用离子化技术，将物质分子转化为离子，按其质荷比(m/z)的差异分离测定，从而进行物质成分和结构分析的方法。
2、质谱可以为我们提供以下信息：1. 样品元素组成及分子量；2. 鉴定（别）化合物；3. 推测未知物的结构（骨架、官能团等）；4. 测定分子中同位素含量较多元素的原子数(如Cl、Br等）。
一、质谱中的主要离子：（一）分子离子：是样品分子失去一个价电子形成的正离子。
用M 表示。
分子离子在质解图上相应的峰叫做分子离子峰。
（二）碎片离子：是化学键断裂而产生。
碎片离子的类型和丰度与化合物中的化学键的类型、断裂情况有关。
1、化学键裂解的方式：均裂、异裂和半均裂三种。
（先失去一个电子形成离子化键）鱼钩：，表示单电子转移；箭头：，表示两个电子转移。
含奇数个电子的离子：OE ，含偶数个电子的离子： EE ，＋电荷位置不清楚的用“┐”表示。
2、化学键易断裂的几种情况：1)α裂解：带有正电荷的官能团与相连的α碳原子之间的断裂。
2) β裂解： 带有正电荷的官能团的α位和β位的两个碳原子之间的断裂。
3) i 裂解： 官能团上的电荷转移的裂解。
或：由电荷中心引发的裂解。
又称诱导裂解。
（三）同位素离子：由于天然同位素的存在，因此在质谱图上出现M+1、M+2等峰，含有同位素的离子称为同位素离子，由这些同位素所形成的峰称之为同位素峰。
峰强比可用二项式 (a+b)n 求出：a 与b 为轻质同位素及重质同位素的丰度比; n 为原子数目。
（四）、亚稳离子： 质量数为m 1的离子离开离子源到达质量分析器之前，其中部分发生裂解失去中性碎片（Δm ）而变成低质量的m 2 ，由于部分动能被中性碎片带走，所以这种离子的能量比在离子源中产生的m 2的能量要小，这种离子称为亚稳离子，用m*表示 。
由于亚稳离子的能量 比 在离子源中直接产生的m 2的能量要小，因此亚稳离子 比 在离子源中产生的m 2偏转更大，从而形成亚稳离子峰。
化学实验中的常见质谱分析方法
化学实验中的常见质谱分析方法在化学实验中，质谱分析方法被广泛应用于物质的鉴定、结构分析以及反应机理的研究等方面。
通过质谱仪器的测量，我们可以获得物质分子的质量信息和碎片离子的相对丰度，从而推断出物质的分子结构、化学组成和性质等重要信息。
本文将介绍几种常见的质谱分析方法及其原理，并讨论其在化学实验中的应用。
一、质谱分析方法1. 电子轰击离子化质谱法（EI-MS）电子轰击离子化质谱法是最常用的质谱分析方法之一。
其原理是在真空条件下，将待分析样品通过电子轰击使其产生离子化，然后通过质谱仪器进行质量分析。
通过测量生成的离子的质量-荷比（m/z）比值，可以确定分子离子的质量，并推断出物质的结构。
该方法具有高灵敏度和分辨率高的优点，适用于大多数有机化合物的分析。
2. 化学电离质谱法（CI-MS）化学电离质谱法是一种常用的质谱分析方法，其主要特点是在质谱仪器中加入高速气流，通过化学反应的方式将待分析样品转化为离子。
相比于电子轰击离子化质谱法，化学电离质谱法可以将样品中的非挥发性化合物转化为易挥发的离子，从而提高分析的灵敏度。
该方法广泛应用于药物代谢、天然产物分析和农药残留等领域。
3. 电喷雾质谱法（ESI-MS）电喷雾质谱法是一种常见的离子化技术，其原理是通过电场作用将液相样品转化为气相离子。
在电喷雾过程中，待分析样品溶解于溶剂中，并通过高电压加速离子化。
该方法适用于极性和中性化合物的分析，特别是在生物医药领域中，常用于蛋白质和核酸的质谱分析。
二、质谱分析在化学实验中的应用1. 化合物的鉴定与结构分析质谱分析在化合物的鉴定与结构分析中具有不可替代的作用。
通过测量待分析样品的质谱图谱，包括分子离子峰和碎片峰等信息，我们可以推断出有机化合物的分子式、结构以及它们之间的关系。
这对于新合成化合物的鉴定、天然产物的结构分析以及有机反应的机理研究等方面具有重要意义。
2. 反应过程的在线监测质谱分析方法还可以应用于反应过程的在线监测。
质谱法
质谱仪
样品导入/离子源系统
电子轰击电离源（EI）
质谱仪
样品导入/离子源系统
化学电离源（CI） + +
气体分子 试样分子 电子
+
准分子离子 (M+1)+;(M+17) +;(M+29) +;
CH CH 4 e CH 4 2 e 4 CH 5 CH 3 CH CH 4 CH 3 H 4 C 2 H 5 H 2
CH 5 MH CH 4 MH2 ( M 1离子 ) C 2 H 5 MH C 2 H 6 M ( M 1离子 )
质谱仪
• 样品导入/离子源系统
快原子轰击离子源（FAB） 离子轰击离子源
二次离子质谱（SIMS） 中性离子质谱（SNMS）
质谱仪
单聚焦磁场分析器
方向聚焦：相同质荷比，入射方向不同的离子会聚； 分辨率不高
质谱仪
双聚焦磁场分析器
方向聚焦：相同质荷 比，入射方向不同的 离子会聚； 能量聚焦：相同质荷 比，速度（能量）不 同的离子会聚； 质量相同，能量不同 的离子通过电场和磁 场时，均产生能量色 散；两种作用大小相 等，方向相反时互补 实现双聚焦。 + S1 离子源 S2 收集器 磁场
真空系统
质谱的真空系统由两级真空机组成，包括前级 真空泵、高真空泵、真空管道、真空阀门、真 空规等部件。
真空系统
真空系统
真空测量
热导规或热偶规 离子规 包括真空阀门、管道、吸附阱等
其他真空部件
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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.激光
1.单聚焦 2.双聚焦 3.飞行时间 4.四极杆
牡丹江大学化学工程系
质谱法
学习内容
二、特点及应用：
1、质谱分析法的特点： 质谱是定性鉴定与研究分子结构的有效方法。主要特点是： （1）灵敏度高，样品用量少：目前有机质谱仪的绝对灵敏 度可达5 pg（pg为10－12 g），有微克量级的样品即可得到 分析结果。 （2）分析速度快：扫描1～1000u①一般仅需1～几秒，最 快可达1/1000秒，因此，可实现色谱-质谱在线联接。 （3）测定对象广：不仅可测气体、液体，凡是在室温下具 有10－7Pa蒸气压的固体，如低熔点金属（如锌等）及高分 子化合物（如多肽等）都可测定。
牡丹江大学化学工程系
质谱法
学习内容
三、质谱仪组成与基本构造
质谱分析仪示意图 牡丹江大学化学工程系
质谱法
学习内容
质谱仪由离子化、质量分离和离子检测等三部分组成。 1、离子源 2、质量分析器 3、离子检测器和记录器
牡丹江大学化学工程系
质谱法
学习内容
四、质谱仪的主要性能指标
1．分辨率 分辨率表示仪器分开两个相邻质量的能力，通常用R=M/△M表示。M /△M是指仪器记录质量分别为M与M+△M的谱线时能够辩认出质量差△M的最小 值。在实际测量中并不一定要求两个峰完全分开，一般规定强度相近的相邻 两峰间谷高小于两峰高的10%作为基本分开的标志 。
牡丹江大学化学工程系
质谱法
学ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ内容
2．质谱表 把原始质谱图数据加以归纳，列成以质荷比为序的表 格形式。 3．八峰值 由化合物质谱表中选出八个相对强峰，以相对峰强为 序编成八峰值，作为该化合物的质谱特征，用于定性鉴别。未知 物，可利用八峰值查找八峰值索引（eight peak index of mass spectra）定性。用八峰值定性时应注意，由于质谱受实验条件影 响较大，同一化合物质谱八峰值可能含有明显差异。 4．元素表（element list） 高分辨质谱仪可测得分子离子及其 它各离子的精密质量，经计算机运算、对比，可给出分子式及其 他各种离子的可能化学组成。质谱表中，具有这些内容时称为元 素表。
2．质量范围 质谱仪的质量范围是指仪器所能测量的离子质荷比范围。如果离 子只带一个电荷，可测的质荷比范围实际上就是可测的分子量或原子量范围， 有机质谱仪的质量范围一般从几十到几千。
3．灵敏度 有机质谱仪常采用绝对灵敏度，它表示对于一个样品在一定分辨率 情况下，产生具有一定信噪比的分子离子峰所需要的样品量。
牡丹江大学化学工程系
质谱法
学习目标
1. 能够说出什么叫质谱 2．能够说出质谱仪特点及应用 3．能够说出质谱分析基本原理 4．能够说出质谱仪组成基本构造
牡丹江大学化学工程系
质谱法
学习要点
1．质谱仪特点及应用
2．质谱分析基本原理
牡丹江大学化学工程系
质谱法
学习内容
一、 质谱分析原理
进样系统 离子源 质量分析器 检测器
牡丹江大学化学工程系
质谱法
学习内容
五、质谱的表达方式
质谱的表示方式很多，除用紫外记录器记录的原始质谱 图外，常见的是经过计算机处理后的棒图及质谱表。其他尚 有八峰值及元素表（高分辨质谱）等表示方式。现以多巴胺 为例说明：
图9-9 多巴胺的质谱
牡丹江大学化学工程系
质谱法
学习内容
1．棒图 多巴胺的原始质谱经计算机处理后，获得的棒 图如图9-9。 棒图中，横座标表示质荷比（m/z），其数值一般由定 标器或内参比物定出来。纵座标表示离子丰度-即离子数 目的多少。表示离子丰度的方法有两种，即相对丰度和 绝对丰度。 相对丰度，又称相对强度，是以质谱中最强峰的高度定 为100%，并将此峰称为基峰（base peak）。然后，以 此最强峰去除其他各峰的高度，所得的分峰即为其他离 子的相对丰度。
牡丹江大学化学工程系
质谱法
学习内容
2、质谱法的应用： （1）求准确的分子量：由高分辨质谱获得分子离子峰的质量， 可测出精确的分子量。 （2）鉴定化合物：如果事先可估计出样品的结构，用同一装 置，同样操作条件测定标准样品及未知样品，比较它们的谱图 可进行鉴定。 （3）推测未知物的结构：从离子碎片获得的信息可推测分子 结构。 （4）测定分子中Cl、Br等的原子数：同位素含量比较多的元 素（Cl、Br等），可通过同位素峰强度比及其分布特征推算出 这些原子的数目。
牡丹江大学化学工程系