1.质谱基本原理
质谱分析1
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，适合 于能量分散较小的 离子源。
24
单聚焦分析器：假定离子的初始能量为零。实际初始能量不 为零且各不相同。具有相同质荷比的离子，其初始能量不同 通过质量分析器后也不能完全聚焦在一起。
离子能量分散对分辨率的影响
25
2. 双聚焦质量分析器
22
1. 单聚焦质量分析器
依据离子在磁场的运动行为，将不同质量的离子分开 进入分析器前，加速离子的动能为：
1 2 mv zV 2
进入分析器后，在磁场H作用下，改作圆周运动，只有离心力与
向心力相等时，离子才能飞出弯曲区，即按曲线轨迹飞行。
f离 ＝ f向
m v2 Hzv R
2 2
23
m H r 质谱方程式： z 2V
常用离子源：电子轰击电离源（EI）、化学电离源（CI）、场致 电离源（ FI ）、场解析电离源（ FD ）、快原子轰击电离源（ FA
B）、激光解析电离源（LD）、电喷雾电离源（ESI）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； 软源：离子化能量低，产生的碎片少，谱图简单，可得到分子 离子峰，即得到分子量信息。
12
水平方向：灯丝与阳极间 (70V 电压 )
—高能电子 — 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。
加速 聚焦 加速
特 点：
使用最广泛，谱库最完整；电离效率 高；结构简单，操作方便；但分子离 子峰强度较弱或不出现 ( 因电离能量 最高)。
质谱分析法
离 子
C•+ D+
§7-3
质谱分析法应用
通过解析质谱图可以推断化合物的相对分子质量， 确定化学式和结构式。已知化合物的质谱解析较易， 而未知物的的解析比较困难。
根据质谱图上的分子离子峰的m/z可以准确地 确定该化合物的相对分子质量。除同位素峰外，分 子离子峰一定是质谱图上质量数最大的峰，位于质 谱图的最右端。但是若分子离子峰稳定性差、很弱 或不存在，无法识别分子离子峰。
(2)固定R，B，连续改变加速电压U，电场扫描法。
固定R，U，连续改变磁场强度B，磁场扫描法。
检测器和记录系统
检测器的作用原理：
有质量分析器出射的离子，具有一定的能量，轰击电 子倍增管发射出二次电子，电子在电场的作用下，多次撞 击倍增极，最后可以检测到10-17A的微弱电流，经放大器 放大后，用记录仪快速记录到光敏记录纸上，或用计算机 处理结果。
质量分析器
质量分析器的作用：
将离子源产生的离子按m/z的大小分离聚焦。
质量分析器的种类：
1.单聚焦质量分析器 2.双聚焦质量分析器
3.飞行时间质量分析器
4.四极质量分析器
质量分析器原理
正离子被电位差为800~8000V的负高压电场 加速，加速后离子的动能 :
1 m 2 zU 2
m:离子质量 :离子的速度 z:离子所带的电荷数 U:加速电压
检测器的种类：
电子倍增管、法拉第筒、照相板、闪烁计数器等
§7-2
质谱图和主要离子峰
一、质谱图与质谱表
以质荷比m/z为 横坐标，离子强 度为纵坐标来表 示质谱数据。以 质谱中最强峰的 高度为100%。最 强峰称为基峰。
质谱表是用表格形式表示质谱数据，准确给出m/z值和相对强度。
质谱的原理及质谱仪的各主要部件以及作用。
质谱的原理及质谱仪的各主要部件以及作用。
答：①高真空系统：由旋转泵和扩散泵串联组成；保证质谱仪的金羊系统，李子园，质量分析器。
检测器等大道一定真空度。
真空度过低，会造成离子散射和参与气体分子碰撞，引起能量的变化，本底增高和记忆效应，使谱图变得复杂，干扰离子源的调节，
②进样导入系统：高校重复的将样品导入离子源并不引起真空度下降。
③离子源：将导入的样品离子转化为离子，并使其具有一定的能量；
④质量分析器：依据不同方式将离子源中形成的离子按质荷比进行分离的装置；得到按质合比大小顺序排列的质谱图。
⑤离子检测器：接受分离的离子进行离子计数并转换成电压信号放大输出，经计算机采集和处理，得到按不同质荷比排列和对应离子丰度的质谱图。
质谱基础知识汇总(1)
质谱基础知识汇总质谱，物质的分子在高真空下，经物理作用或化学反应等途径形成带电粒子，某些带电粒子可进一步断裂，形成离子，每一离子的质量与所带电荷的比称为质荷比（m∕z, 曾用m∕e）,不同质荷比的离子经质量分离器一一分离后，由检测器测定每一离子的质荷比及相对强度，由此得出的谱图称为质谱。
不同离子的概念1、分子离子分子被电子束轰击失去一个电子形成的离子称为分子离子。
分子离子用疗表示。
分子离子是一个游离基离子。
在质谱图中与分子离子相对应的峰为分子离子峰。
分子离子峰的质荷比就是化合物的相对分子质量，所以，用质谱法可测分子量。
2、同位素离子含有同位素的离子称为同位素离子。
在质谱图上，与同位素离子相对应的峰称为同位素离子峰。
3、碎片离子分子离子在电离室中进一步发生键断裂生成的离子称为碎片离子。
4、重排离子经重排裂解产生的离子称为重排离子。
其结构并非原来分子的结构单元。
在重排反应中，化学键的断裂和生成同时发生，并丢失中性分子或碎片。
5、奇电子离子与偶电子离子具有未配对电子的离子为奇电子离子。
这样的离子同时也是自由基，具有较高的反应活性。
无未配对电子的离子为偶电子离子。
6、多电荷离子分子中带有不止一个电荷的离子称为多电荷离子。
当离子带有多电荷离子时，其质核比下降，因此可以利用常规的四极质量分析器来检测大分子量化合物。
7、亚稳离子从离子源出口到检测器之间产生的离子。
即在飞行过程中发生裂解的母离子。
由于母离子中途已经裂解生成某种离子和中性碎片，记录器中只能记录这种离子，也称这种离子为亚稳离子，由它形成的质谱峰为亚稳峰。
8、准分子离子比分子量多或少1质量单位的离子称为准分子离子，如：(M+H) + , (M-H)+o其不含未配对电子，结构上比较稳定。
分子离子峰1、分子离子峰强度分子离子是质谱图中最有价值的信息，它不但是测定化合物分子量的依据，而且可以推测化合物的分子式，用高分辨质谱可以直接测定化合物的分子式。
一般来讲，从分子中失去的电子应该是分子中束缚最弱的电子，如双键或叁键的π电子，杂原子上的非键电子。
质谱法1
15 H 3C 71 71 H3C 57 H3C 43 H3C 29 H3C 15 CH3
29 CH2
分子离子峰
同位素离子峰
而其相对强度之比I17/I16=0.011。而在丁烷(C4H10)中，出现 一个13C的几率是甲烷的4倍，则分子离子峰m/z = 59、58的强度 之比I59/I58 = 4×0.011 =0.044；
同位素M+1峰及M+2峰贡献的计算 a. 分子中只含C、H、O原子 （M+1）%=M+1/M×100%=1.12nc%≈1.1nc % （M+2）%=M+2/M×100%=(0.006nc2 + 0.20nc) % b. 分子中只含C、H、O、N、S、F、I、P，而不含Cl、 Br、Si原子 （M+1）%=(1.1nc+0.36nN+0.80nS ) % （M+2）%=(0.006nc2 + 0.20nO+4.44nS ) % c. 分子中含Cl 、Br原子 （M+2）%=(31.98nCl+ 97.28nBr ) % ≈(100/3nCl + 100nBr ) %
如何鉴别分子离子峰？ 1)原则上除同位素峰外，分子离子峰是最高质量的峰。 2) Ｎ律 由Ｃ、Ｈ、Ｏ、X（卤素）组成的有机化合物，Ｍ一定是偶数。 由Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎ组成的有机化合物，Ｎ奇数，Ｍ奇数。 由Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎ组成的有机化合物，Ｎ偶数，Ｍ偶数。 3) 与邻近的峰相差是否合理 分子离子不可能裂解出三个以上的氢原子和小于一个甲基的 基团，故分子离子峰的左面不可能出现小于 3 ～ 14 个质量单 位的峰。 4）EI源中，当电子轰击电压(70 eV)降低，强度不增加的峰不 是分子离子峰。
质谱分析法概述和原理1
1
9.1 概述
9.1.1质谱分析法 质谱法是通过将样品转化为运动的气态离
子并按质荷比(M/Z)大小进行分离并记录其 信息的分析方法．所得结果以图谱表达，即 所谓的质谱图．根据质谱图提供的信息可以 进行多种有机物及无机物的定性和定量分析、 复杂化合物的结构分析、样品中各种同位素 比的测定及固体表面的结构和组成分析等．
特点：分辨率高 (>150,000)
eE mv 2 , eV 1 mv 2
Re
2
Re
2V E
mv 2 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
(方向焦面)
(能量焦面)
32
❖能量聚焦
双聚焦质量分析器是将一静电场分析器置
于离子源和磁分离器之间．当质量为m、电 荷为e的离子通过一个与其飞行方向垂直的 强度为E的电场时，则要受到一个F＝eE的
3
9.1 概述
9.1.2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：分析石油 1960年代：研究GC-MS联用技术 1970年代：商品GC-MS出现，计算机引入， GC-MS技术基本成熟。 1980年代：大气压电离的LC-MS出现 1990年代：基质辅助激光解吸飞行时间 质谱 仪出现，质谱技术大量用于生物医 药领域，出现“生物质谱”概念。
依次通过出口狭缝
28
2）原理：
R
29
结论： 1 离子的m/z大，偏转半径也大，通过磁场
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。
质谱基本原理
质谱基本原理质谱（Mass Spectrometry，MS）是一种用于分析化合物分子结构和确定化合物分子量的重要分析技术。
它通过将化合物分子转化为离子，然后根据离子的质量和电荷比进行分析，从而得到化合物的质谱图谱。
质谱技术在化学、生物、药学等领域具有广泛的应用，是一种非常重要的分析手段。
质谱的基本原理可以简单地概括为离子化、分离、检测和数据处理四个步骤。
首先，样品中的化合物分子被转化为离子，这一过程通常通过电离源完成。
常用的电离源包括电子轰击电离源、化学电离源和电喷雾电离源等。
不同的电离源适用于不同类型的化合物，选择合适的电离源对于获得准确的质谱数据至关重要。
接下来，离子经过质谱仪中的分析部分，根据其质荷比（m/z）进行分离。
质谱仪通常包括离子源、质量分析器和检测器。
质量分析器的种类有多种，包括飞行时间质谱仪、四级杆质谱仪和离子阱质谱仪等。
这些质谱仪能够根据离子的质荷比进行高效分离，从而得到高质量的质谱数据。
在检测部分，分离后的离子被检测器检测到，并转化为电信号。
这些信号随后被转化为质谱图谱，显示出离子的质荷比和相对丰度。
通过分析质谱图谱，可以得到化合物的分子量、结构信息以及相对丰度等重要数据。
最后，得到的质谱数据需要进行处理和解释。
数据处理包括质谱图谱的峰识别、质谱数据的校正和质谱图谱的解释等步骤。
这些步骤需要借助专业的质谱数据处理软件进行，以确保得到准确可靠的结果。
总的来说，质谱的基本原理是将化合物分子转化为离子，然后根据离子的质量和电荷比进行分析，最终得到化合物的质谱数据。
质谱技术在化学、生物、药学等领域具有广泛的应用，对于研究化合物的结构和性质具有重要意义。
随着质谱技术的不断发展，相信它将在更多领域展现出强大的应用潜力。
质谱1
加速后离子的动能 : (1/2)m (1/2)mυ 2= e V （ 1）
m：正离子质量 υ ：正离子速度 e ：单位电荷电量 V ：加速电压
在磁场存在下，带电离子按曲线轨迹飞行； 在磁场存在下，带电离子按曲线轨迹飞行； 离心力 =向心力； 向心力； m υ2 / r = H e υ (2) r: 分离管半径 H: 磁场强度 m：正离子质量 υ ：正离子速度
质谱仪需要在高真空下工作：离子源（ 质谱仪需要在高真空下工作：离子源（10-3 ∼10 -5 Pa ） 质量分析器（10 -6 Pa ） 质量分析器（ 原因 (1) 大量氧会烧坏离子源的灯丝； 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； 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，谱图复杂 引起额外的离子－分子反应，改变裂解模型， 化。
第四章
质
谱(MS)
(Mass spectrometry)
质谱法(mass spectroscopy, MS) 是利 谱法(mass 用电磁学原理对电荷分子和亚分子碎片依 用电磁学原理对电荷分子和亚分子碎片依 其质荷比进行分离和分析的方法。 其质荷比进行分离和分析的方法。而质谱 (mass spectrum) 是指所记录的这些碎片的 相对丰度按其质荷比(m/z) 的分布曲线。 相对丰度按其质荷比(m/z) 的分布曲线。
二、准分子离子
分子离子得到一个氢形成[M+1] 分子离子得到一个氢形成[M+1]+峰，失去一个 形成[M称为准分子离子峰。 氢，形成[M-1]+峰，称为准分子离子峰。准分 子离子不含未配对的电子，结构比较稳定， 子离子不含未配对的电子，结构比较稳定， 常用软电离技术产生。 常用软电离技术产生。
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TRACE QUANTITATION TOOL (LC/MS application note 15; 5ppb onion sample)
Operator: VARIAN Date: 3/10/2003 1:27 PM
Overlaid Chromatogram Plots
File: c:\varianws\data\11 mars matrice oi001.xms Sample: MRM matrice oignon Scan Range: 1 - 1392 Time Range: 0.04 - 11.98 min. Sample Notes: 11 mars matrice oignon
MECOPROP
MECOPROP
5 MCounts 30 20 10 0 MCounts 10.0 7.5 RIC 3 11 mars matrice oi.xms 1200 CENTROID FILTERED
0 MCounts 1.5 1.0 0.5 0.0 MCounts 2.0 1.5 1.0
•时间分离质谱
• 离子阱质量分析器（IT） • 飞行时间质量分析器（TOF）：质量范围宽，扫描速度 快，灵敏度高 • 傅立叶变换离子回旋共振质谱仪（FT-MS） ：分辨率极 高，分析灵敏度高
四极杆和离子阱均属于四极电场原理
41
四极杆质量分析器
42
离子源
RF/DC
mabove m mbelow
X+,X-
•离子阱质谱仪：分辨率高，线性低，准高分辨质谱仪，用于判断质 谱峰带的电荷数
•四极杆质谱仪：分辨力低，线性好，不属于高分辨质谱仪
17
扫描时间
• 色谱峰的数据点数目和峰宽以及扫描时间有关 • 较短的扫描时间，可以获得良好的峰型，但是不利于信 号采集
• 较长的扫描时间，有助于信号采集，但是峰型不好
• 峰型和信号，二者需折衷考虑
9
基本原理（以四极杆质谱为例）
离子源
RF/DC
mabove m mbelow
X+,X-
RF/DC
离子源
质量分析器
检测器
四极杆作为质量过滤器
10
2、技术指标
11
质量范围
质量范围是质谱仪所能测定的离子质荷比的范围 质荷比：m/z 质量单位：amu或u，Da或D
12
质量范围
不同仪器：
四极杆：4000Da 离子阱质谱：4000Da 磁质谱：10000Da 傅立叶变换离子回旋共振质谱仪（FT-MS） 50000 Da 飞行时间质谱：无上限
50
0 40 90 (m a i i ) Re se rp i nlb ne 140 190 240
53
LC/MS/MS
一级MS，ESI
二级MS，ESI 子离子扫描
54
TQ vs. SQ
Overlaid Chromatogram Plots
File: c:\varianws\data\11 mars matrice oi.xms Sample: SIM matrice oignon Scan Range: 1 - 1392 Time Range: 0.04 - 11.98 min. Sample Notes: 11 mars matrice oignon
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2000左右。10000以上时称高分辨。 16 FT-MS分辨力可达2百万。
分辨率
不同仪器： •磁质谱，飞行时间质谱仪，傅立叶变换离子回旋共振质谱仪：分辨 率、线性和稳定性好，属高分辨质谱仪
18
高斯分布的色谱峰
理想的高斯峰应有35个数据点
100.00
80.00
60.00
40.00
20.00
0.00 3.90
4.00
4.10
4.20
4.30
4.40
4.50
19
高斯分布的色谱峰
同一个色谱峰，但数据点减半
100.00
80.00
60.00
40.00
20.00
0.00 3.90
4.00
4.10
GC
只能分析 20%的挥发性物质 通常在高温下分析，要求样 品必须具有热稳定性 使用毛细管柱可以获得很 高的柱效 流动相只用来带动样品，不 参与分离作用 分析样品分子量一般小于 500 amu
31
4、离子源
32
离子源
——将待分析样品电离，得到带有样品信息的离子
固体样品
液体样品
气体样品
转化成固体
转化成溶液
数学定义：
m1 m1 RP Δm m 2 m1……(1)
15
m1和m2代表两个相邻峰的质量数
m RP Δm
……(2) m代表某一峰的质量，△m代表半峰宽
质量数为28的三种分子组成的精确质量
组成 CO N2 C2H4 整数质量 28 28 28 精确质量 27.994914 28.006158 28.031299
转化成气体
根据待分析物 的化学性质
根据待分析物 的化学性质
33
MALDI
APCI
APPI
ESI
CI
EI
离子源
•GC • EI：电子电离源，最常用的气相离子源，有标准谱库 • CI：化学电离源，可获得准分子离子。PCI，NCI •LC • ESI：电喷雾源，最常用的液相离子源，适用于极性较强的化 合物，可用于热不稳定化和物的分析 • APCI：大气压化学电离源，适用于中等极性或弱极性的小分 子量化合物，尤其是含杂原子的化合物，不适合热不稳定或 在溶液中容易电离的化合物 • APPI：大气压光电离源，适用于弱极性的化合物，如多环芳 烃等 • MALDI ：基质辅助激光解吸电离，适合于分析生物大分子 ， 主要与TOF联用
• 需要三个四极杆 ( 三级四极杆)
离子阱， MS/MS是时间串联
Q1
Q2
Q3
仅 195通过
仅RF电压—所有 离子通过——Ar 碰撞解离
扫描100-195 子离子
51
串联质谱仪
样品导入 喷雾室 - 样品雾化
，离子化，去溶剂
毛细管，取样锥、四极预杆 – 传输离子，从大气压到高
一级四极杆 –
过滤母离子
RF/DC
离子源
质量分析器
检测器
四极杆作为质量过滤器
43
双聚焦质量分析器
44
离子阱质量分析器
45
飞行时间质量分析器
46
6、检测器
47
高能转换打拿极检测器
48
一体化的检测器
Q3
Multiplier PS
+/- 5 kv
49
7、串联质谱仪
50
串联质谱仪
穿越式四极杆，MS/MS 是空间串联
4.20
4.30
4.40
4.50
20
7个数据点
100.00
80.00
60.00
40.00
20.00
0.00 3.90
4.00
4.10
4.20
4.30
4.40
4.50
21
5个数据点
100.00
80.00
60.00
40.00
20.00
0.00 3.90
4.00
4.10
4.20
4.30
4.40
4.50
基本原理
质谱：称量离子质量的工具
12 units
Number of counts
8
9
10 11 12 13 14 15 16
8
mass
基本原理
•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 进行定性和定量的一种方法
•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 •经检测器检测之后可以得到样品的质谱图
34
EI：电子离子源
35
ESI：电喷雾源
36
ESI ：电喷雾源四Leabharlann 预杆干燥气喷雾针装置
毛细管
喷雾室
37
APCI：大气压化学电离源
38
APPI：大气压光电离源
39
5、质量分析器
40
质量分析器
——将离子源产生的离子按m/z顺序分开并排列成谱
•空间分离质谱：
• 四极杆质量分析器 • 双聚焦分析器：分辨率高，但扫描速度慢，操作、调整 比较困难，价格高
RIC 3 11 mars matrice oi001.xms 1200 CENTROID FILTERED
2,4-D 来自基质较强的背景干扰
RIC 4 11 mars matrice oi.xms 1200 CENTROID FILTERED
2,4-D
RIC 4 11 mars matrice oi001.xms 1200 CENTROID FILTERED
4
基本原理
质谱：称量离子质量的工具
12 units 12 units
5
基本原理
质谱：称量离子质量的工具
12 units 12 units
8
9
10 11 12 13 14 15 16
6
基本原理
质谱：称量离子质量的工具
12 units 14 units
8
9
10 11 12 13 14 15 16
7
22
数据点－错误结果
35 30 25 20 15 10 5 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 samples accross peak