分析——质谱法
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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。
质谱分析法
1.3-0.13Pa
(2) 直接探针进样：高沸点液体及固体 探针杆通常是一根规格为25cm×6mm i.d.，末端有一装样
品的黄金杯(坩埚)，将探针杆通过真空闭锁系统引入样品。
优点： •引入样品量小，样品蒸 汽压可以很低； •可以分析复杂有机物； •应用更广泛。
(3) 色谱进样：利用气相（GC-MS）和液相色谱（HPLCMS）等的分离能力，进行多组份复杂混合物分析。
7.1.3 历史
1913年：Thomson使用MS报道了Ne是由22Ne和24Ne两种同位素组成；随 后，同位素分析开始发展。
30年代末：由于石油工业的发展，需要测定油的成份。通常用蒸馏的 方法先分离这些烃类混合物，然后再分别测定其折光率的方法 来分析它们。这通常要花数天时间。
40年代初：开始将MS用于石油工业中烃（有机物）的分析，并大大缩 短了分析时间。
7.1.2 应用
质谱是应用最为广泛的方法之一，可以提供以下信息： （1）样品元素组成； （2）无机、有机及生物分子的结构--结构不同，分子或
原子碎片不同(质荷比不同) （3）复杂混合物的定性定量分析--与色谱方法联用(GC-
MS)； （4）固体表面结构和组成分析--激光烧蚀等离子体-质
谱联用； （5）样品中原子的同位素比。
下图。
过程：强电场(电极间距0.5-2mm)→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→阳极排出 并加速进入磁场。
*量子隧道效应(Quantum mechanical tunneling)：分子电子被微针“ 萃出”，分子本身很少发生振动或转动，因而分子不过多碎裂。
电极要求：电极尖锐，使用微碳针(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。
(2) 直接探针进样：高沸点液体及固体 探针杆通常是一根规格为25cm×6mm i.d.，末端有一装样
品的黄金杯(坩埚)，将探针杆通过真空闭锁系统引入样品。
优点： •引入样品量小，样品蒸 汽压可以很低； •可以分析复杂有机物； •应用更广泛。
(3) 色谱进样：利用气相（GC-MS）和液相色谱（HPLCMS）等的分离能力，进行多组份复杂混合物分析。
7.1.3 历史
1913年：Thomson使用MS报道了Ne是由22Ne和24Ne两种同位素组成；随 后，同位素分析开始发展。
30年代末：由于石油工业的发展，需要测定油的成份。通常用蒸馏的 方法先分离这些烃类混合物，然后再分别测定其折光率的方法 来分析它们。这通常要花数天时间。
40年代初：开始将MS用于石油工业中烃（有机物）的分析，并大大缩 短了分析时间。
7.1.2 应用
质谱是应用最为广泛的方法之一，可以提供以下信息： （1）样品元素组成； （2）无机、有机及生物分子的结构--结构不同，分子或
原子碎片不同(质荷比不同) （3）复杂混合物的定性定量分析--与色谱方法联用(GC-
MS)； （4）固体表面结构和组成分析--激光烧蚀等离子体-质
谱联用； （5）样品中原子的同位素比。
下图。
过程：强电场(电极间距0.5-2mm)→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→阳极排出 并加速进入磁场。
*量子隧道效应(Quantum mechanical tunneling)：分子电子被微针“ 萃出”，分子本身很少发生振动或转动，因而分子不过多碎裂。
电极要求：电极尖锐，使用微碳针(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。
质谱分析
化学电离源
14-2 质谱仪器原理
化学电离源
14-2 质谱仪器原理
化学电离源
14-2 质谱仪器原理
场致电离源
14-2 质谱仪器原理
质量分析器
1 2 zU m 2
m Hz R
2
2
m H R z 2U
2
磁分析器质谱方程式 H 为外加磁场强度 U 为加速电压 R 为轨道半径
14-2 质谱仪器原理
14-1 质谱分析概述
历史：
（1）1813年：Thomson使用MS报道了Ne是由22Ne和
24Ne两种同位素组成；随后，同位素分析开始发展
。
（2）在30年代末：由于石油工业的发展，需要测
定油的成份。通常用蒸馏的方法先分离这些烃类混 合物，然后再分别测定其折光率的方法来分 析它 们。这通常要花数天时间。 （3）40年代初：开始将MS用于石油工业中烃的分
图11 谱图
化合物C8H8O的质
14-7 气相色谱-质谱联用
GC 具有分离复杂混合物的能力，定量易定性难；而MS多用于纯物质
定性分析。二者有机结合，可提供复杂混合物定性定量极为有效的 工具。
将两种或以上的方法结合起来的技术称之为联用技术。如GC-MS， LC-MS，CE（毛细管电泳）-MS，GC-FTIR，MS-MS等。
14-5 离子的类型 重排素离子峰
质谱图示例
甲基异丁基甲酮
质谱图示例
甲基异丁基甲酮
返回
质谱图示例
甲基异丁基甲酮
返回
质谱图示例
甲基异丁基甲酮
返回
质谱图示例
甲基异丁基甲酮
返回
14-6 质谱定性分析及谱图解析
1 相对分子量的测定
14-2 质谱仪器原理
化学电离源
14-2 质谱仪器原理
化学电离源
14-2 质谱仪器原理
场致电离源
14-2 质谱仪器原理
质量分析器
1 2 zU m 2
m Hz R
2
2
m H R z 2U
2
磁分析器质谱方程式 H 为外加磁场强度 U 为加速电压 R 为轨道半径
14-2 质谱仪器原理
14-1 质谱分析概述
历史：
（1）1813年：Thomson使用MS报道了Ne是由22Ne和
24Ne两种同位素组成；随后，同位素分析开始发展
。
（2）在30年代末：由于石油工业的发展，需要测
定油的成份。通常用蒸馏的方法先分离这些烃类混 合物，然后再分别测定其折光率的方法来分 析它 们。这通常要花数天时间。 （3）40年代初：开始将MS用于石油工业中烃的分
图11 谱图
化合物C8H8O的质
14-7 气相色谱-质谱联用
GC 具有分离复杂混合物的能力，定量易定性难；而MS多用于纯物质
定性分析。二者有机结合，可提供复杂混合物定性定量极为有效的 工具。
将两种或以上的方法结合起来的技术称之为联用技术。如GC-MS， LC-MS，CE（毛细管电泳）-MS，GC-FTIR，MS-MS等。
14-5 离子的类型 重排素离子峰
质谱图示例
甲基异丁基甲酮
质谱图示例
甲基异丁基甲酮
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质谱图示例
甲基异丁基甲酮
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质谱图示例
甲基异丁基甲酮
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质谱图示例
甲基异丁基甲酮
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14-6 质谱定性分析及谱图解析
1 相对分子量的测定
质谱分析法Massspectrometry
图14.2直接探针进样系统
电离源(室) 将引入的样品转化成为碎片离子的装置。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、离子喷雾源和热喷雾离子源等。
第二节 质谱峰和主要离子峰
图14.7 质谱图
一、质谱图
以荷质比m/z为横座标，以对基峰(最强离子峰，规定相对强度为100%)相对强度为纵座标所构成的谱图，称之为质谱图。
二、质谱峰主要离子峰
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：A,B,C,D+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等上的未共用电子对最易失去，其次是电子，再其次是电子。
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。 进样系统 对进样系统的要求：重复性、不引起真空度降低。 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。如图14.1所示。注入样品(10-100g)—贮样器(0.5L-3L)—抽真空(10-2 Pa)并加热—样品蒸汽分子(压力陡度)—漏隙—高真空离子源。
分子离子峰
01
分子受电子束轰击后失去一个电子而生成的离子
02
称为分子离子,在质谱图上由M所形成的峰称为分
第十四章质谱分析法
无机质谱仪
① 火花源双聚焦质谱仪。 ②感应耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）。 ③二次离子质谱仪（SIMS） 同位素质谱仪。 气体分析质谱仪。主要有呼气质谱仪，氦质 谱检漏仪等。
22
从质谱仪所用的质量分析器的不同，把质谱仪分为 双聚焦质谱仪，四极杆质谱仪，飞行时间质谱仪， 离子阱质谱仪，傅立叶变换质谱仪等。 质谱分析法主要是通过对样品的离子的质荷比的分 析而实现对样品进行定性和定量的一种方法。因此， 质谱仪都必须有电离装置把样品电离为离子，有质 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，由于有机样品,无机样 品和同位素样品等具有不同形态、性质和不同的分 析要求,所以，所用的电离装置、质量分析装置和检 测装置有所不同。但是，不管是哪种类型的质谱仪， 其基本组成是相同的。都包括真空系统、进样系统、 离子源、质量分析器、离子检测器及计算机自动控 23 制和数据处理系统。
离子源的作用使样品离子化，并使离子汇聚成具 有一定形状和能量的离子束。它是质谱仪的心脏。 离子源的结构和性质对质谱仪的分辨率、灵敏度 影响很大 使物质电离的方法很多： 电子轰击，化学电离、火花电离、ICP离子源等。
有机物分析 无机物分析
最常用的是电子轰击离子源
35
将引入的样品转化成为碎片离子的装置。根据样品
M
M e M 2e
M—分子
M —分子离子 M + 表示正离子，·表示不成对的单电子
化学键可以断裂，形成碎片离子，其进一 步断裂，形成各种质荷比不同的离子
17
各种正离子受到800~8000V的高压电场加 速，加速后的动能等于离子的位能
质谱法简介—质谱法基本原理(分析化学课件)
质谱法基本原理
三、离子的主要类型
1.分子离子 样品分子失去一个电子而形成的离子称为分子离子 。所产生的峰称为分子离子峰或称母峰，一般用符 号M+·表示。其中“+”代表正离子，“· ”代表不成 对电子。
M + e- → M+·+ 2e❖ 分子离子峰的m/z就是该分子的分子量。
质谱法基本原理 分子离子峰的特点：
亚稳离子峰的特点是： m1
①强度很弱，仅为m1峰的1%-3%。 ②峰形很钝，一般可跨2-5个质量单位。
③亚稳离子的质荷比一般都不是整数。
质谱法基本原理
由亚稳离子峰可以确定母子关系，推测某些离子间的裂 解规律。例如，对氨基回香醚
108 2 94.8 123
80 2 59.2
108
证明裂解过程为 .
21
质谱的表示方法
❖ 解析：(1) m/z=210，分子离子峰；
❖ (2)不饱和度为10；
❖ (3)质谱图上出现苯环的系列峰m/z51，77，说明有苯环存在； ❖ (4)m/z105 m/z77 的断裂过程 ❖ (5) M m/z105正好是分子离子峰质量的一半，故具有对称结构。
❖ 其结构为：
22
质谱法基本原理
❖ 质谱法的主要用途有： ❖ 1.测定相对分子质量； ❖ 2.鉴定化合物的分子式； ❖ 3.推测未知物结构； ❖ 4.测定分子中Cl、Br等原子； ❖ 5.与色谱联机后用于多组分的定性与定量。
质谱的表示方法 ❖ 重点：质谱图的解析 ❖ 难点：质谱图的解析
15
质谱的表示方法 质谱的表示方法主要有两种，分别是列表法和谱图法
质谱的表示方法 例2. 确定分子量
23
质谱的表示方法 ❖ 解：最大荷质比m/z为102，下一个荷质比的峰m/z
大专本科分析化学第十六章质谱法
3.快原子轰击源
（fast atom bombardment ionization source，FAB）
• 气体在电离室依靠放电产生离子，高能氩离子经电荷交 换得到高能氩原子流，氩原子打在样品上产生样品离子。 样品置于涂有底物（如甘油）的靶上。靶材为铜，原子 氩打在样品上使其电离后进入真空，并在电场作用下进
离子阱质量分析器
离子阱由一环形电极 上下各一端罩电极构成
• 以端罩电极接地，在环电极上施以变化的射频电压，此时
处于阱中具有合适的m/z的离子将在环中指定的轨道上稳
定旋转，若增加该电压，则较重离子转至指定稳定轨道， 而轻些的离子将偏出轨道并与环电极发生碰撞。当电离源 产生的离子由上端小孔进入阱中后，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。
入分析器。
质量分析器
+
+
原子束 + + + 快原子枪 样品靶 二次离子束
快原子轰击质谱示意图
FAB工作原理
FAቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ源的优缺点 • 优点：
（1）广泛应用的软电离技术，易得到较强的分子离子或准 分子离子，由此获得化合物分子量的信息。
（2）在离子化过程中样品无需加热汽化，离子化能力强，
对强极性、 难汽化的化合物也能电离，故适合于热 不稳定、强极性分子、生物分子及配合物的分析。
状和能量的离子束进入质量分析器。
电离模式 • 硬电离方法：能给样品较大能量的电离方法。
• 软电离方法：给样品较小能量的电离方法，适用于易破
裂或易电离的样品。
1.电子轰击源（electron impact source，EI）
组成
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品为经改良QuEChERS方法提取的小 麦和玉米。使用DART分析几组霉菌毒 素,大部分毒素有很强的离子化效率。
良好的精密度和准确度(%CV和误差 %均 <10%)。此外,80%所测化合物
最低校正限(LCL)在50到 150 μg/kg之 的最低检测限均达到5 ng/mL或更低,
间。采用同位素13C标记稀释技术进行 完全能支持药物开发研究。实验中
02 应用
原理
1 谷物中多种霉
把在大气压下以接地电位操作的
菌毒素的测定
DART离子源,直接安装在API 4000
DART与基于Orbitrap(静电场轨道阱)技 串联质谱上,将血浆样品直接导入 术的(超)高分辨质谱相结合,已在多种霉 DART-MS/MS系统中进行分析。所
菌毒素的快速定量分析中得到应用,样 测生理体液中各种化合物均获得了高通量源自选几4百种药物残留
5
DART结合精确质量TOF质谱快速确证石膏板中的含硫化合物
石膏墙板也叫石膏板、灰板或干墙(drywall)。最近关于“中国进口的石膏墙 板质量纠纷”在美愈演愈烈。美国消费品 安全委员会说,已经接到大约1500个 投诉报告,涉及数十亿美元的赔偿投诉。 投诉者称,他们所居住新房子上的中 国制石膏墙板散发出类似臭鸡蛋味儿的含硫气体,腐蚀电缆铜线和金属管道, 并且时常使人出现头痛、喉咙痛等症状。为此,美国太平洋大学的太平洋质 谱实验室受委托应急检测了中美两国生产的石膏板,分析采用DART和精确质 量TOF质谱,TOF分辨率为7000。样品未 经萃取或任何化学前处理,直接放置 于DART源和质谱接口处。结果显示,在 室温下,美国和中国生产的石膏板没 有显著区别,都没有含硫化合物离子存在 。当DART快速升温至250o C时,中 国产石膏板明显释放出臭味。质谱鉴定, 中国石膏板含有的硫化物是美国产 品的46倍。其中含有的组分包括 S2-(63.9440 Da)、 SO2-(63.9615 Da)、 SO3-、S2O-、S3-、 S4-等。
实时直接分析质谱 法的原理及应用
01 原理
用电场和磁场将运动的离子 (带电荷的原子、分子或分子 碎片，有分子离子、同位素 离子、碎片离子、重排离子、 多电荷离子、亚稳离子、负 离子和离子-分子相互作用产 生的离子)按它们的质荷比分 离后进行检测的方法
1.谷物中多种霉菌毒素的测定 2.定量测定血浆中的药物小分子 3.食品包装添加剂的快速鉴定 4.高通量筛选几百种药物残留 5.DART结合精确质量TOF质谱快 速确证石膏板中的含硫化合物
定量分析,添加500 μg/kg 时获得了良好 的回收率(100-108%)和重现性(RSD
对明显影响分析性能的实验条件进
5.4-6.9%)。用基质匹配校正进行定量 行了优化和限定。DART获取数据
分析,回收率和重现性也分别为84-118% 速度非常快(3-5秒)、成本低,将在生
和7.9-12.0% (RSD)。通过分析小麦/玉 米有证标准物质(CRM)验证了DART-
物基质的定量药物分析中发挥重要
Orbitrap 质谱所得数据的准确性。所测 作用。
结果与用超高效液相色谱-飞行时间质
谱(UHPLC-TOF)_方法所得文献值完全 一致。
2
定量测定血浆中的药物小分子
食品包装添加剂的
3 快速鉴定
美国FDA利用DART串联三联 四极杆质谱,分析鉴定了二十 种包装材料中的13种常见塑 料添加剂和抗氧化剂。尽管 DART定量分析方法还在进一 步完善,其定性能力和分析速 度、自动化和操作简便性方 面,已远远优于常用的裂解色 谱-质谱方法。
谢谢观看 THANKS
食品及农产品中兽药、农药及 毒素类有毒有害物质残留分析 对灵敏度、重现性与选择性的 要求非常高,Fernández 等开发 了穿透性-DART快速、重现、 通量分析杀虫剂处理过的纱布 的方法。该方法采用固定的样 品支架,DART气流穿过纱布并 直接脱附/离子化纱布上的杀虫 剂,自动化程度高,重现性好。