第八章 质谱分析
质谱分析课件
质谱分析课件质谱分析课件质谱分析是一种基于质谱仪的分析技术，广泛应用于化学、生物、环境等领域。
它通过测量样品中离子的质量和相对丰度，获得样品的化学组成和结构信息。
本文将介绍质谱分析的基本原理、仪器构成以及应用领域。
一、基本原理质谱分析的基本原理是将样品中的分子或原子离子化，然后通过质谱仪对离子进行分析。
离子化的方法有多种，常见的有电子轰击离子源和化学离子源。
电子轰击离子源是利用高能电子轰击样品分子，使其电离形成离子；化学离子源是利用化学反应将样品分子转化为离子。
离子化后，离子被加速器加速，然后通过质量分析器进行分离和检测。
二、仪器构成质谱仪由离子源、质量分析器和检测器组成。
离子源负责将样品中的分子或原子离子化，常见的离子源有电子轰击离子源和化学离子源。
质量分析器负责对离子进行分离，常见的质量分析器有磁扇形质量分析器、四极质量分析器和飞行时间质量分析器等。
检测器负责检测离子的信号，并将信号转化为电信号输出。
三、应用领域质谱分析在化学、生物、环境等领域有着广泛的应用。
1. 化学领域质谱分析在化学领域中被广泛应用于物质的结构分析和组成分析。
通过质谱分析，可以确定有机物的分子结构和分子量，从而帮助化学家进行合成和鉴定。
此外，质谱分析还可以用于分析无机物和金属离子，有助于研究其性质和反应机理。
2. 生物领域质谱分析在生物领域中的应用非常广泛。
它可以用于蛋白质组学研究，通过质谱分析可以鉴定蛋白质的氨基酸序列和修饰，从而揭示蛋白质的功能和调控机制。
此外，质谱分析还可以用于代谢组学研究，通过分析代谢产物的质谱图谱，可以了解生物体内代谢途径的变化和代谢产物的积累情况。
3. 环境领域质谱分析在环境领域中被广泛应用于环境污染物的监测和分析。
通过质谱分析，可以对大气、水体和土壤中的有机污染物和无机污染物进行定性和定量分析，从而评估环境的污染程度和污染源。
此外，质谱分析还可以用于环境样品的溯源和污染物的迁移转化研究。
四、总结质谱分析是一种重要的分析技术，具有高灵敏度、高分辨率和高特异性等优点。
质谱分析法.ppt
X
e
(快)
X
e
(热)
X
e
(快)
X
e
(热)
优点：无需进行加热气化，属于软电离方式；特别适合分析高极性、大 相对分子量、难挥发和热稳定性差的样品；既能得到强的分子离子或准 分子离子峰，也能得到较多的碎片离子峰。 缺点：重现性较差，检测灵敏度低
稳定化合物电离 缺点：不适合化合物结构鉴定；
阳极
+ +
++
+ +
++ +
++ + +
d<1mm 阴极
快原子轰击离子源（fast atom bombardment ionization source;FAB） 由电场使Xe原子电离并加速，产生快速离子，通过快原子枪产生电
荷交换得快速原子，快原子束轰击涂在金属板上的样品，使样品离子化。
缺点：重现性较差；不适合于难挥发、热不稳定的化合物
场致电离源（FI）
是采用强电场把冷电极附近的样品分子的电子拉出去，形成离子。电 场的两电极距离很近（d<1mm），施加电压为几千伏甚至上万伏稳定直流 电压。
场电离：将气体通过电场电离； 场解析：将固体样品涂在发射体表面使之电离
优点：分子离子峰强； 碎片离子峰少； 适用于较大分子量和热不
应用：质谱法测定的对象包括同位素、无机物、有机化合物、生物大 分子以及聚合物。广泛应用于化学、生物化学、生物医学、医药学、 生命科学以及工、农、林业、地质、石油、环保、公安国防等领域。
二、质谱仪及其工作原理
进样系统
离子源
质量分析器
检测器
第八章 质谱分析
4、 离子检测器(detector)
三种检测方法： （1）直接电测法 用金属电极直接接收离子流，时间常数较大，为1s左右， 不适于快速分析，测量的线性较好，结构简单； （2）二次效应电测法 使离子引起二次效应，产生二次电子或光子，然后用倍增 管或电学方法记录离子流。时间常数远小于1s，适用于快速 分析，但需要校正 （3）照相记录法 多应用于高频火花源质谱中，检测微量固体组分。
• 可用于大分子的分析（几十万原子量单位），在 生命科学中用途很广；
GCT(Micromass UK)
• 质谱计：时间飞行质谱
• 质量范围：3000/2000(8kV 加速电压)
• 分辨率：5000(FWHM)
• 灵敏度：电子轰击离子化， 进样1pg六氯苯，抽提质 量数m/z 283.8102，使用 ±20mu的质量窗口，测得 信噪比29:1。
M
-e
. M
+
A+ + B C. + D
+
质谱法的主要作用是：
（1）准确测定物质的分子量
（2）根据碎片特征进行化合物的结构分析
质谱仪的发展史 1912年: 世界第一台质谱装置 40年代: 质谱仪用于同位素测定 50年代： 分析石油 60年代： 研究GC-MS联用技术 70年代： 计算机引入 至 今： 广泛应用于各领域 应用领域： 原子能工业、石油化工、电子、医药、食品、材料、农业 科学、核物理、电子与离子物理、同位素地质学、有机化学、 生物化学、地球化学、临床医学、考古、环境监测、空间探索 …… 对于高分子材料： ——无法直接测量，可通过软电离方法测定其主体结构和各种 添加剂的化学结构。
扫描速度快，灵敏度高
Finnigan Trace 2000 GC/MS(Thermo USA)
质谱分析原理
质谱分析原理
质谱分析是一种常用的分析技术，用于确定样品中未知化合物的结构和组成。
其原理是利用样品中化合物分子的转化为气态离子，并通过粒子加速器的作用将这些离子分离开来，然后利用质谱仪分离、检测和记录这些离子。
以下是质谱分析的原理和步骤。
1.样品制备：将待分析的样品转化为气体态或溶解在溶剂中。
这可以通过挥发性的方法使其转化为气体，或通过溶解和稀释使其溶解在溶剂中。
2.电离：将样品中的分子转化为气态离子。
常用的电离方法包
括电子轰击、化学电离和电喷雾。
3.质量分析：通过质谱仪分离和分析产生的离子。
质谱仪通常
包括离子源、分离装置和检测器。
离子源将离子引入仪器中，分离装置利用离子质量-荷质比的差异，分离不同质量的离子，最后检测器检测并记录这些离子。
4.数据分析：对质谱数据进行解读和分析。
根据离子的比例、
峰形和峰的位置，可以确定物质的质量、分子结构和相对丰度。
质谱分析的原理基于质量-荷质比的概念，即离子的质量与其
电荷之比。
通过质谱仪的分离装置，可以根据离子在磁场中的运动轨迹的不同，将离子按质量分离开来。
而不同化合物的分子在电离过程中会生成不同的离子，这样就可以根据离子的质量和相对丰度来确定样品中的化合物种类和含量。
质谱分析在许多领域都有广泛的应用，如医药、环境监测、食品安全等。
它可以提供高灵敏度、高分辨率和快速的结果，对于复杂样品的分析具有独特的优势。
因此，质谱分析在科学研究和实际应用中发挥着重要作用。
质谱分析原理
质谱分析原理质谱分析是一种用来确定化合物分子结构和组成的重要方法。
它通过测量分子或原子离子的质量和相对丰度，从而得到样品的质谱图，进而推断出化合物的结构和组成。
质谱分析在化学、生物、药学、环境科学等领域都有着广泛的应用。
质谱分析的基本原理是将样品中的化合物转化为气态离子，然后通过质谱仪进行分析。
首先，样品中的化合物被加热或者化学反应，产生气态离子。
然后，这些离子被加速器加速，并进入质谱仪的质子飞行管。
在飞行管中，离子按照其质量-电荷比被分离并加速，最终到达检测器。
检测器会记录下不同质量-电荷比的离子的相对丰度，形成质谱图。
质谱图是质谱分析的结果，它是质谱仪输出的一个图形，横轴表示质荷比，纵轴表示相对丰度。
通过观察质谱图，可以得到样品中的化合物的分子量、分子结构、碳氢比等信息。
根据质谱图的特征峰，可以推断出样品中的化合物的种类和含量。
质谱分析的原理基于离子的质量-电荷比。
不同的化合物由于其分子结构和组成不同，其离子的质量-电荷比也不同。
因此，质谱分析可以通过测量离子的质量-电荷比来区分不同的化合物。
通过比对标准物质的质谱图，可以确定未知物质的组成和结构。
质谱分析的原理还包括离子化方法、质谱仪的结构和工作原理等方面。
离子化方法包括电子轰击离子化、化学离子化、电喷雾离子化等。
不同的离子化方法适用于不同类型的样品。
质谱仪的结构包括离子源、质子飞行管、检测器等部分，每个部分都有着特定的功能。
质谱仪的工作原理是基于离子在电场中运动的原理，通过加速和分离离子来得到质谱图。
总的来说，质谱分析原理是基于离子的质量-电荷比来确定化合物的结构和组成。
通过测量离子的质量-电荷比，得到质谱图，从而推断出样品中的化合物的信息。
质谱分析在化学、生物、药学等领域有着广泛的应用，是一种非常重要的分析方法。
质谱的图谱分析
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离子流强度有两种不同的表示方法:
（1）绝对强度
是将所有离子峰的离子流强度相加作为 总离子流，用各离子峰的离子强度除以总 离子流，得出各离子流占总离子流的百分 数
（2）相对强度
以质谱峰中最强峰作为100％，称为基 峰（该离子的丰度最大、最稳定），然后 用各种峰的离子流强度除以基峰的离子流 强度，所得的百分数就是相对强度。
度的同位素。 亚稳峰 m*
离子在质谱仪的无场漂移区中分解而形成的峰。 母离子 在任一反应中发生分解的离子。 子离子 离子碎裂反应产生的离子。
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基峰 谱图中表现为最高峰度离子的峰。
负离子
通过电子捕获及电离时形成离子对等机理产生的。含电负 性原子 F、Cl、O、N等的化合物产生负离子的产率较高。
谱图中有较多的碎片离子，能提供丰富的结构信息。 灵敏度高，能检测纳克级样品。 重复性好。相对于其他电离技术，EI的重复性最好。
EI法的缺点：
70eV的轰击电子能量较高，使某些化合物的分子离子检测 不到，造成分子量测定的困难。
EI法要求样品先气化然后才能电离，受热易分解，或者是 不能气化的物质都不适宜用电子轰击法电离。
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2．离子特征丢失与化合物的类型
质谱高质量端离子峰是由分子离子失去碎片形成的。从分 子离子失去的碎片，可以确定化合物中含有哪些取代基
M-1 -H 醛类（一些醚类和胺类）
M-15 -CH3 甲基取代
M-18 -H2O 醇类
M-28 -C2H4, CO, N2 失C2H4(McLafferty重排)，失CO （从酯环酮脱下）
若分子中含C9，则其余元素的原子量总和为13212×9=24。由N、O、H原子量推导出可能的分子 式1. C9H24 2.C9H10N 3. C9H8O
质谱分析法 ppt课件
化合物中含有Cl或Br时，可以利用M与M+2比例 来确定分子离子峰。 对卤素有机物，F、I单一同位素 35Cl, 37Cl 3:1 79Br, 81Br 1:1 对于多个Cl、Br化合物，有非常强的M+2，M+4， M+6同位素 离子峰，使用（a+b）n. a:轻质同位素丰度 b： 重质同位素丰度 n:同种卤原子的个数 n=3 （a+b）3=a3+3a2b+3ab2+b3 a=3 b=1 =33+3× 32 × 1 + 3× 3 × 1 2+1 =27+27+9+1 M: M+2: M+4: M+6, 27: 27: 9: 1
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2）同位素离子峰
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3)碎片离子峰
在高能量电子源轰击情况下，分子离 子处于激发状态，原子间的一些键进一 步断裂，产生质量数较低的碎片，获取 分子结构的相关信息。
4）亚稳离子峰
离子离开电离室到达收集器之前的过程 中，发生分解而形成低质量的离子所产生的 峰。
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2．照相板
曝光量则由时间或电量控制。利用谱线的 位置与黑度，对元素进行定性和定量分析。 主要用于火花源双聚焦质谱仪中，不需 要记录离子流强度和电子设备，灵敏度高， 但精度低，要先抽真空。
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3．电子倍增器
工作原理与光电倍增管相似。 多用于气相与有机质谱中。优点：灵敏度 高，测定速度快 但：增益会逐渐下降。
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《质谱分析的原理与方法》PPT课件
分子离子和碎片离子之间的质量差
氮规则：在分子中只含C,H,O,S,X元素时，相对 分子质量Mr为偶数；若分子中除上述元素外还 含有N，则含奇数个N时相对分子质量Mr为奇数， 含偶数个N时相对分子质量Mr为偶数。
[氮规则] 当分子中含有偶数个氮原子或不含氮原子时，分子量应为偶数； 当分子中含有奇数个氮原子时，分子量应为奇数。
b、羧酸酯羰基碳上的裂解有两种类型，其强 峰（有时为基准峰）通常来源于此；
c、由于McLafferty重排，甲酯可形成m/z=74, 乙酯可形成m/z=88的基准峰；
d、二元羧酸及其甲酯形成强的M峰，其强度随 两个羧基的接近程度增大而减弱。二元酸酯 出现由于羰基碳裂解失去两个羧基的M-90峰。
胺
特征：a、脂肪开链胺的M峰很弱，或者消失； 脂环胺及芳胺M峰明显；含奇数个N的胺其M 峰质量为奇数；低级脂肪胺芳香胺可能出现 M-1峰（失去·H)；
酚和芳香醇的特征：
a、和其他芳香化合物一样，酚和芳香醇的M峰 很强，酚的M峰往往是它的基准峰；
b、苯酚的M-1峰不强，而甲苯酚和苄醇的M-1 峰很强，因为产生了稳定的鎓离子；
c、自苯酚可失去CO 、HCO。
卤化物
特征： a、脂肪族卤化物M峰不明显，芳香族的明显； b、氯化物和溴化物的同位素峰非常特征； c、卤化物质谱中通常有明显的X、M-X、M-
质谱的应用
例：某化合物的质谱数据：M=181，PM%=100% P(M+1)%=14.68% P(M+2)%=0.97%
查[贝诺表]
分子式
M+1
M+2
(1) C13H9O
14.23
1.14
(2) C13H11N 14.61
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a 烷烃化合物断裂多在C-C之间发生，且易发生在支链上：
b 烯烃多在双键旁的第二个键上开裂：
c 苯的最强峰为M+，芳香族化合物将先失去取代基，再形成苯甲 离子：
~ ~
~
~
d 含C=O键化合物的开裂多在与其相邻的键上：
e 对含杂原子的分子，断裂的键位顺序为α 位、β 位和γ 位：
R—X
共振稳定化离子
Heater
Water Vapor
HEN Nebulizer
Heated Gas
Dry Aerosol
Water Vapor
Nebulizer Gas
Sample Flow In
Makeup Gas
Sweep Gas Out
对于蒸汽压低的样品进行衍生化后进样
例如：葡萄糖变成三甲基硅醚的衍生物
CH2OH O HO CH2OSiMe3 HO OH Me3SiO O OSiMe3 OH
碎片飞行路径
亚稳离子峰的形成过程 其中所有M1+碎片的m/z仍相同，只是到达质量分析器时的 动能不同，即偏转不同，因而形成宽峰！
分子离子峰和碎片离子峰的识别和解析，对有机分 子的定性分析十分重要。可以通过选择不同离子源来 获得不同的信息。 下图是不同离子源下麻黄碱的质谱图。
化学电离源 麻黄碱
分子离子峰 电子轰击源
结构：喷嘴，雾化气，干燥气 原理：喷雾 蒸发 电压
喷雾Байду номын сангаас尖电 压
电场方向
小孔板电 压
喷雾针
带 电 液 滴
溶 剂 挥 发
样 品 离 子
小孔板
图2-1 样品在ESI接口中的离子化过程
特点： 1 适用于强极性，大分子量的样品分析 如肽，蛋白质，糖等 2 产生的离子带有多电荷 3 主要用于液相色谱质谱联用仪
（4）离子阱分析器 Ion Trap Analyzer
特点： 结构简单 灵敏度高 适于小型联用仪器（GC-MS）
（5）飞行时间分析器 （Time of Flight Analyzer）
• 特点：
• 仪器结构简单,不需要磁场、电场等； • 扫描速度快，可在10-5 s内观察到整段图谱； • 无聚焦狭缝，灵敏度很高； • 可用于大分子的分析（几十万原子量单位），在 生命科学中用途很广；
分子离子
碎片离子
重排裂解 碰撞裂解
1、分子离子峰
ABCD+为分子离子峰，m/z即为分子的分子量。对于 有机物，杂原子S，O，P，N等上的未共用电子(n电子) 对最易失去，其次是π电子，再其次是σ 电子。
2、碎片离子峰
因分子发生键的断裂只需要十几电子伏特的能量， 而电子轰击的能量为70eV，因而会产生更小的碎片离子 峰。
进样系统(inlet system) 离子源(ion source) 质量分析器（mass analyzer） 检测器（detecter） 真空系统（Vacuum system）
1、进样系统 气体——直接导入或用气相色谱进样 液体——加热汽化或雾化进样 固体——用直接进样探头
进样系统
Sweep Gas In
质谱法是一种按照离子的质核比（m/z）大小对离子进行
分离和测定，并排列成谱图的方法。
质谱法的主要作用是： （1）准确测定物质的分子量 （2）根据碎片特征进行化合物的结构分析 ——分析时，首先将分子离子化，然后利用离子在 电场或磁场中运动的性质，把离子按质核比（m/z） 大小排列成谱，此即为质谱。
质谱法分类： 单聚焦质谱 有机质谱 双聚焦质谱 按用途分 无机质谱 同位素质谱 飞行时间质谱 回旋共振质谱 气质联用 按联用 液质联用 方式分 质质联用 按原理分 四极质谱
化学电离与电子轰击源质谱图比较
8.4 质谱定性分析
1、分子量确定
根据分子离子峰质荷比可确定分子量，通常分子离子峰位于 质谱图最右边，但由于分子离子的稳定性及重排等，质谱图上 质荷比最大的峰有时并不一定是分子离子峰。那么，如何辩认分 子离子峰呢？
解析质谱图的一些规律和经验方法： 1）原则上除同位素峰外，分子离子峰是最高质量的峰。但要注 意“醚、胺、脂的(M+H)+峰”及“芳醛、醇等的(M-H)+峰”。
~
~
R++X• ~ ~
3、重排离子峰
原子或基团经重排后再开裂而形成一种特殊的碎片离子，称 重排离子。如醇分子离子经脱水后重排可产生新的重排离子峰 。
4、亚稳离子峰
质量数为m1 的多个带电离子，其中部分失去中性碎片 ∆ m而 变成m2(此时m1能量变小，在磁场中有更大的偏转)从而形成亚稳 离子峰m*，此时可将此峰看成m1和m2的“混合峰”，即形成“ 宽峰”，极易识别。且满足下式：
第八章
质谱分析法
Mass Spectrometry，MS
主要内容
• • • • • • 8.1 概述 8.2 质谱技术基本原理 8.3 离子的类型 8.4 质谱定性分析及图谱解析 8.5 质谱定量分析 8.6 气相色谱-质谱联用技术
8.1 概述
质谱仪的发展史 1912年: 世界第一台质谱装置 40年代: 质谱仪用于同位素测定 50年代： 分析石油 60年代： 研究GC-MS联用技术 70年代： 计算机引入 至 今： 广泛应用于各领域 应用领域： 原子能工业、石油化工、电子、医药、食品、材料、农业 科学、核物理、电子与离子物理、同位素地质学、有机化学、 生物化学、地球化学、临床医学、考古、环境监测、空间探索 …… 对于高分子材料： ——无法直接测量，可通过软电离方法测定其主体结构和各种 添加剂的化学结构
( m2 ) 2 m* = m1
此公式可用于寻找裂解途径(通过母离子m1与子离子m2的关系)
5、同位素峰
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，由这些同位素所形成的峰称之为同位素峰。
中性 碎片 中性 碎片
xM1+ M yM1+
-∆E
wM1+
-∆E
zM2+
mM2+
质 量 分 析 器
生成的气体离子再与样品分子M反应：
（3）快原子轰击(fast atom bombardment
FAB)
——高能量的Xe原子轰击涂在 靶上的样品，溅射出离子流。 ——适合于高极性、大分子量、 低蒸汽压、热稳定性差的样品。 FAB一般用作磁式质谱的离子 源。
（4）电喷雾源 (electronspray ionization ESI)
4、 离子检测器(detector)
三种检测方法：
（1）直接电测法 用金属电极直接接收离子流，时间常数较大，为1s左右， 不适于快速分析，测量的线性较好，结构简单； （2）二次效应电测法 使离子引起二次效应，产生二次电子或光子，然后用倍增 管或电学方法记录离子流。时间常数远小于1s，适用于快速 分析，但需要校正 （3）照相记录法 多应用于高频火花源质谱中，检测微量固体组分。
2）分子离子峰应符合“氮律”。在C、H、O组成的化合 物中，分子离子峰的质量数一定是偶数；在含C、H、O、 N化合物中，含偶数个N的分子量为偶数，含奇数个N的分 子量为奇数。 3）分子离子峰与邻近峰的质量差是否合理。有机分子失 去碎片大小是有规律的： 如失去H、CH3、H2O、C2H5…….，因而质谱图中可看 到M-1，M-15，M-18， M-28等峰，而不可能出现M-3，M14，M-24等峰，如出现这样的峰，则该峰一定不是分子离 子峰。 4）EI 源中，当电子轰击电压降低，强度不增加的峰不是 分子离子峰。
1 2 zV = mv 2
(1)
5、加速离子进入一个强度为H的磁场，发生偏转， 半径 r 为：
mv r= zH
将（1）（2）合并：
(2)
m Hr = Z 2V
2 2
(3)
当 r 为仪器设置不变时，改变加速电压或磁场强度， 则不同m/z的离子依次通过狭缝到达检测器，形成 质量谱，简称质谱。
二、质谱仪的组成
5、 真空系统
离子源的真空度应达到 10-3-10-5 Pa， 质量分析器应达到 10-6 Pa。
一般采用机械泵预抽真空，再用扩散泵+分子 涡轮泵连续工作。
三、质谱图
——以质荷比m/z为横座标，以对基峰的相对强度为纵座标所构 成的谱图，称之为质谱图。
所谓基峰，就是指最强离子峰，规定相对强度为100%。
3、质量分析器(mass analyzer)
（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) （5） 飞行时间分析器(time of flight） （6） 富立叶变换离子回旋共振 （Fourier tranform ion cyclotron resonance）
• 横坐标：质荷比 (m/z) • ——由于分子或离子碎片大多只带一个正电荷， m/z=质量数，如-CH3离子的质量数(m/z)为15； • 纵坐标：离子强度，主要指相对强度 • ——一般规定是最强峰为100，其余各峰均相对于 最强峰标识。
8.3 离子的类型
分子在离子源中可产生各种电离，即同一分子可产生多种 离子峰：分子离子峰、同位素离子峰、碎片离子峰、重排离子 峰、亚稳离子峰等。 设有机化合物由A ， B ， C和D组成，当蒸汽分子进入离子 源，受到电子轰击可能发生下列过程而形成各种类型的离子：
2EM Re = Ee
对于动能不同的离子，通过调节电场能， 达到聚焦的目的。 双聚焦分析器的特点：分辨率高
（3）四极杆分析器 (quadrupole analyzer)
直流电压Vdc 交流电压Vrf 频率为射频区