仪器分析-质谱法
《仪器分析》第十八章 质谱法
成加和物产生新的带电荷的离子。
样品分子不离解，无碎片离子，特别适合于热 不稳定的生物大分子。 获得一组分子离子电荷呈正态分布的质谱图
电喷雾质谱图中
存在多电荷离子， 使 离 子 的 m/z 减 小，从而使m值 很大的离子出现 在质谱图中，可 测定生物大分子 的分子量。
210-15Mol 样品
样系统。
一般质谱仪都配有前两种进样系统以适应不 同的样品需要。
间歇式进样系统
直接探针进样系统
电离源 离子源是质谱仪的心脏
将进样系统引入的样品分子转化成离子。
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。
类型：电子电离源、化学电离源、场电离源、快速 原子轰击源及电喷雾电离源等，其中以电子电离源 及电喷雾电离源应用广泛。
改变射频频率则可实现质量扫描，使不同质荷比的
离子依次到达检测器。
传输效率较高，入射离子的动能或角发散影 响不大；
可以快速地进行全扫描，而且制作工艺简单，
仪器紧凑，常用在需要快速扫描的GC-MS联 用及空间卫星上进行分析。 准确度和精密度低于磁偏转型质量分析器。
离子回旋共振质量分析器又称傅立叶变换质谱仪
分子离子和准分子离子峰强 碎片离子很丰富
适合热不稳定，难挥发样品
溶解样品的液体也被电离使质谱图复杂化，但这
种可知背景容易克服
电喷雾电离源（electro spray ionization，ESI）
小股样品溶液从毛细管尖口喷出，毛细管末端
与围绕毛细管的圆筒状电极之间加以3-6KV电压。 液体呈雾状，极小的雾滴表面电荷密度较高。溶 剂（水-甲醇）被干燥的气体携带穿过喷雾而蒸发 后，液滴表面的电荷密度增加。至临界点（瑞利
仪器分析实验报告
仪器分析实验报告引言：仪器分析是现代科学研究中重要的一环，它通过使用精密的仪器设备，结合相应的分析技术，对物质的成分、结构和性质进行准确而全面的研究与分析。
本实验旨在通过对某种物质的全面分析，展示仪器分析的应用及其重要性。
一、实验目的本实验的主要目的是利用多种常用仪器设备进行物质分析，包括质谱仪、红外光谱仪、核磁共振仪等，以便全面了解目标物质的结构和组分。
二、实验原理1. 质谱分析质谱分析是一种利用质谱仪分析目标物质的化学成分和结构的方法。
它通过将物质分子中的粒子进行电离，并根据其质量-电荷比进行区别和测量。
通过分析质谱图，可以判断样品的分子量、它的含量等。
2. 红外光谱分析红外光谱分析基于物质吸收不同波长的红外辐射的特性。
通过红外光谱仪，可以分析物质中的化学键类型，识别功能团，从而研究物质的结构和性质。
3. 核磁共振分析核磁共振分析利用物质中原子核的共振吸收来研究物质的结构和组成。
该方法通过让样品在强磁场中受到长度和频率固定的射频脉冲照射，从而获得样品吸收的一维、二维、多维数据，用于分析分子间的连接关系、原子间的距离和角度，以及确定各原子之间的化学环境等。
三、实验过程1. 样品制备选取目标物质，并采取适当的方法进行样品制备，以保证样品的纯度和适配性。
2. 质谱分析将样品注入质谱仪进行分析，获取质谱图。
根据质谱图的峰位置和峰强度，可以初步判断样品的分子量和组成。
3. 红外光谱分析将样品放入红外光谱仪，检测物质吸收红外辐射的情况。
比对样品的吸收峰位和峰形，可以初步推断物质中的化学键类型和官能团。
4. 核磁共振分析将样品放入核磁共振仪，利用核磁共振吸收信号进行分析。
通过解析核磁共振谱图，可以进一步推断样品的结构和力学性质，例如化学环境、原子位移等。
四、实验结果与分析根据实验所得的数据，我们得到了目标物质的质谱图、红外光谱图和核磁共振谱图。
通过对谱图的解析和比对，我们初步确定了样品的组分、化学键类型、官能团等重要信息。
仪器分析[第十六章质谱分析法]山东大学期末考试知识点复习
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第十六章质谱分析法1．平均质量、标称质量和精确质量质谱分析法是通过将被测样品分子产生气态离子，按质荷比(m/z)的不同进行分离和检测，用于分子结构鉴定的一种分析方法。
在质质谱仪主要测量以原子质量单位(u)表示的化合物的相对分子质量Mr谱法中使用三种不同的质量概念：平均质量、标称质量和精确质量。
平均分子质量由化学组成的平均原子质量计算而得，仅在大分子的质谱分析中有一定的意义；标称分子质量由在自然界中最大丰度同位素的标称原子质量计算而得；精确分子质量是用自然界中最大丰度同位素的精确原子质量计算而得。
精确原子质量是以12C同位素的质量12．000 O为基准而确定的。
表16—1。
2．质谱仪器的基本组成各种类型质谱仪的基本组成是相同的，主要包括进样系统、离子源、质量分析器、检测器和真空系统。
3．离子源离子源的功能是提供能量将待分析样品电离，得到带有样品信息的离子。
常见的有电子轰丰离子源(EI)、化学离子源(CI)、场解吸源(FD)、快原子轰击离子源(FAB)、电喷雾离子源(ES) 和基质辅助激光解吸电离(MALDI)等。
标准质谱图库是以电子轰击为离子源获得的。
各种离子源的主要特点见表16—2。
4．质量分析器质谱仪中将不同质荷比的离子分离的部分称为质量分析器。
用于有机质谱仪的质量分析器有双聚焦分析器、四极杆分析器、离子阱分析器、飞行时间分析器和回旋共振分析器等。
各种类型质量分析器的比较见表1 6—3。
5．相对丰度以质谱中最强峰的高度定为100％，将此峰称为基峰，以此峰高度除以其他各峰的高度，所得的分数即为各离子的相对丰度(relative abundance，RA)，又称为相对强度(relative intensity，RI)。
6．分子离子分子失去一个电子形成的离子称为分子离子(molecular ion，M+)。
分子离子峰一般为质谱图中质荷比(m／z)最大的峰，由于分子离子峰的稳定性不同，质谱图中质荷比(m/z)最大的峰不一定就是分子离子峰。
仪器分析之串联质谱
仪器分析之串联质谱串联质谱是一种先进的仪器分析技术，主要用于物质的结构鉴定、分析和定量测定。
它将两种或多种质谱仪相连，在不同质荷比区域进行质谱分析，从而得到更加详细和准确的分析结果。
串联质谱由质谱仪、离子源和质谱分析器三部分组成。
首先，样品通过离子源产生离子化的气态分子或离子。
然后，离子经过质谱分析器，按照质荷比对离子进行分离、筛选和定量测定。
最后，质谱仪记录和分析结果，生成质谱图。
串联质谱的主要优点是可进行多级质谱分析，可以对复杂的样品进行高效、准确的测定。
它还能提供更高的质谱分辨率和灵敏度，减少干扰物的影响。
此外，串联质谱可以通过选择离子反应的方式，对化合物的特定离子进行选择性检测，大大增加了分析的准确性和可靠性。
串联质谱的应用非常广泛。
在生物医药领域，串联质谱可用于药物代谢和药物中残留物的分析。
在环境领域，它可用于水和大气中污染物的监测和定量分析。
在食品安全领域，串联质谱可用于检测食品中的农药残留和毒素。
同时，在化学合成和新材料领域也有广泛的应用。
在串联质谱中，有两种常用的质谱分析方法，即电子轰击碎裂质谱（EI-MS）和电喷雾质谱（ESI-MS）。
EI-MS是一种常见的质谱技术，适用于小分子化合物的分析。
在EI-MS中，样品通过电子束轰击产生离子，然后通过质谱分析器进行质荷比的分离和筛选。
ESI-MS则适用于大分子化合物的分析，它将样品通过电喷雾产生离子，再进行质谱分析。
除了常规的EI-MS和ESI-MS之外，串联质谱还有其他一些特殊的质谱技术，如飞行时间质谱（TOF-MS）和离子阱质谱（IT-MS）。
TOF-MS具有极高的质谱分辨率和灵敏度，适用于快速分析。
IT-MS则可进行多阶段质谱分析，可以充分利用质谱分析仪的空间，提供更高的分析能力。
在实际应用中，为了提高串联质谱的性能，常常需要结合其他分析技术，如气相色谱（GC）和液相色谱（LC）。
GC-MS-MS和LC-MS-MS是常见的串联质谱技术组合，它们可以充分发挥GC和LC的分离能力，使得对复杂样品的分析更加准确和可靠。
仪器分析方法比较
仪器分析方法比较常见的仪器分析方法包括原子吸收光谱法（AAS）、紫外可见光谱法（UV-Vis）、红外光谱法（IR）、质谱法（MS）和色谱法（GC、HPLC）。
下面对这些方法进行比较。
1.原子吸收光谱法（AAS）是一种常用的金属元素分析方法。
这种方法可以测定许多金属元素的浓度，具有高灵敏度和高选择性。
然而，AAS 只适用于金属元素的分析，不适用于其他类型的化学物质。
2. 紫外可见光谱法（UV-Vis）是一种非常常用的分析方法，用于测量物质的吸光度。
这种方法适用于有机化合物和无机化合物的分析，可以测量样品的浓度、化学键的结构和化合物的稳定性。
UV-Vis具有灵敏度高、分辨率好和操作简便等优点。
3.红外光谱法（IR）可以用来确定化学物质的功能基团和结构。
这种方法测量物质对红外辐射的吸收情况，因为每个化学物质都有特定的吸收峰，所以可以根据吸收峰的位置和强度来推断化合物的结构。
IR具有高灵敏度和高分辨率。
4.质谱法（MS）是目前最常用的分子结构分析方法之一、质谱仪可以测量化合物离子的质量和相对丰度，从而确定化学物质的分子量和分子结构。
质谱法适用于分析有机和无机化合物，具有高分辨率和高灵敏度。
5.色谱法（GC、HPLC）是一种广泛应用的分离和分析方法，用于分离复杂混合物中的化合物。
气相色谱法（GC）适用于分析气体和挥发性液体的化合物，液相色谱法（HPLC）适用于分析非挥发性化合物。
色谱法具有高分离效率、高分辨率和高灵敏度。
综上所述，不同的仪器分析方法具有不同的优点和适用范围。
在实际应用中，需要根据样品的性质和分析目的选择合适的方法。
例如，对于金属元素的分析，可以选择AAS；对于有机化合物的浓度测定，可以选择UV-Vis或HPLC；对于化合物结构的确定，可以选择IR或MS。
此外，对于复杂样品的分析，也可以采用多种方法的组合，以获得更准确的结果。
仪器分析-质谱图解析.
3、m/z 57为M-17离子，m/z 29为M-45 离子，同时产生m/z 45（COOH）离子峰， 说明化合物可能含有羧基
4、m/z 29为乙基碎片离子峰，说明化合物可能含有乙基
H2 O H3C C C OH
m/z=74
H3C
H2 C
O C m/z=57
分子结构的推导
■ 计算分子的不饱和度推测分子结构
一价原三 子价 数原子数
U四价原 - 子2数
2
1
■ 根据碎片离子的质量及所符合的化学通式，推测离子可能 对应的特征结构或官能团
■ 结合相对分子质量、不饱和度和碎片离子结构及官能团等 信息，合并可能的结构单元，搭建完整分子结构
■ 核对主要碎片，检查是否符合裂解机理。 结合其他分析方法最终确定化合物结构
相对丰度 （%）
100 80 60 40 20
m/z
43 O
71
断裂
H7C3 C
58
99
Rearrangement
β异裂
86
113
40
60
80
100 120
4壬酮的质谱图（M=142）
C5H1 1
1、酮类化合物分子离子 峰较强。
2、α裂解（优先失去大 基团）
烷系列：29＋14 n
142(M+·) 3、γ-氢重排
未知化合物质谱图分析
CH2
某化合物C10H4
HH CH2
结构式：
1、计算不饱和度U=4， 2、分子离子峰m/z=134较大，结合不饱和度，说明该化合物含有苯环
3、m/z=91为（M-43）碎片离子峰，说明化合物可能失去C3H7+为烷基苯，m/z=65是 其进一步丢失乙炔分子产生的碎片离子峰。
现代仪器分析方法
现代仪器分析方法
现代仪器分析方法包括：
1. 液相色谱法（HPLC）：用于分离和测定液体和溶液中的化学成分。
2. 气相色谱法（GC）：用于分离和测定气体和挥发性液体中的化学成分。
3. 质谱法（MS）：用于确定化合物的分子式、结构和质量。
可以与色谱法结合使用，例如气相色谱-质谱联用（GC-MS）。
4. 原子吸收光谱法（AAS）：用于测定金属元素的含量和浓度。
5. 荧光光谱法：测量物质在吸收紫外或可见光后放射出的荧光。
6. 红外光谱法（IR）：用于确定物质中的官能团和分子结构。
7. 核磁共振光谱法（NMR）：用于确定物质的分子结构和官能团。
8. X射线衍射法（XRD）：用于确定物质的结晶结构。
9. 表面分析技术（如扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM））：用于观察和分析材料的表面形貌和结构。
10. 热分析技术（如差示扫描量热仪（DSC）和热重分析（TGA））：用于测量材料在不同温度下的热稳定性和热性质。
这些现代仪器分析方法在科学研究、环境监测、食品安全、制药和化工等领域广泛应用。
第8章-质谱法
8.2.1 质谱仪基本组成
质谱仪能产生离子，并将这离子按 m/e 比进行记录仪器。
质谱仪由五大部分:进样系统、离子源、质量分析器、检测记 录系统、真空系统组成。
大气
真空系统
样品入口
离子源
质量分析器
检测器
数据系统
1、真空系统
质谱仪离子源、质量分析器、检测器必须处于高真空状态，若 真空度过低，则：
①大量氧会烧坏离子源灯丝； ②本底增加，干扰质谱图； ③引起额外离子一分子反应，改变裂解模型，质谱复杂化。 ④用作加速离子的几千伏高压会引起放电。 ⑤干扰离子源中电子束正常调节等。
(7)基质辅助激光解析离子源
Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization (MALDI)
MALDI的原理是用激光照射样品与基质形成的共结晶薄膜，基质从激光中吸 收能量传递给生物分子，而电离过程中将质子转移到生物分子或从生物分子得 到质子，而使生物分子电离的过程。因此它是一种软电离技术，适用于混合物 及生物大分子的测定。 MALDI常用的基质有2，5二羟基苯甲酸、芥子酸、烟酸、α-氰基-4-羟基肉桂酸等
强电场诱发样品电离。由电压梯度为 107-108V/cm的两个尖细电极组成。 价电子的量子轨道效应发生电离
FI形成的离子主要是分子 离子，碎片离子少，可提 供信息少，常与电子轰击 配合作用。
（4）场解析电离源 Field Desorption（FD）
FD中，样品溶在溶剂中，滴在场发射丝上，或将发射丝浸入溶 液中，待溶剂挥发后，将场发射丝插入离子源，在强电场作用 下，样品不经气化即被电离。
3、灵敏度
绝对灵敏度： 仪器可以检测到最小样品量。
离子源10-3~10-5 Pa，质量分析器10-6 Pa
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例：要鉴别N+2（m/z为28.006）和CO+（m/z为27.995） 两个峰，仪器的分辨率至少是多少? 在某质谱仪上测得 一质谱峰中心位置为245 u，峰高5％处的峰宽为0.52 u， 可否满足上述要求？
解：要分辨N+2和CO+，要求质谱仪分辨率至少为：
Rneed
27.995 28.006 27.995
质量分析器
—将不同碎片按质荷比m/z分开
磁分析器（单聚焦：低分辨、双聚焦：高分辨） 飞行时间分析器：高分辨 四极滤质器：低分辨 离子阱分析器：准高分辨 傅立叶离子回旋共振分析器：最高分辨
单聚焦型磁分析器（1）
B
U
灯丝
Uze 1 mv2 2
S1
正极 样品
Bzev
真空泵
mv2 r
S2
接收器
m B2r2e z 2U
置
率较低，一般为
5000。
静电分析器 （+）
双聚焦型磁分析器
磁分析器
（-）
能量分散
zeE mv2 2 1 mv2 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。
计算机
放大器和射频 发生器（附加
射频电压）
特点：结构简单、性价比高，适合于色谱联用。质量范围<6000 u，灵敏度较四级杆高。一个离子阱即可实现多级串联质谱。
傅立叶离子回旋共振分析器（FTICR）
线性调频脉冲共振（吸收能量）
mv2 r
Bzev
v r
Bze m
c
接收电极
接收电极 相电流记录FI质谱图
飞行时间分析器TOE（1）
电子接受极 栅极
离子检测器
试样 气流
灯丝
脉冲电压 抽真空
Uze
mv2 2
v
2Uze m
1/ 2
t
L v
t
L
1 v1
1 v2
L
m / z1 m / z2
2U
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。
合适的基质才获得到较好的离子产率，因此常称为基质辅 助激光解吸电离（MALDI）。特别适合于飞行时间质谱 仪（TOF），属于软电离技术，比较适合分析生物大分子， 如肽、蛋白质、核酸等。得到的质谱主要是分子离子，准 分子离子、少量碎片离子和多电荷离子。
激光解吸源（2）
关于基质
极性化合物（溶解样品） 芳香环（吸收激光） 易结晶（均匀分散样品）
相邻两峰的峰谷峰高10%时，可用 R m1 /m2 m1
表示分辨率；实际可由任意单峰测定： R m / W0.05
分辨率主要由质量分析器类型决定，但 亦受离子源影响。 分辨率大小决定质谱仪的价格。 低分辨（R500）质谱仪即可满足一般 测定；高分辨（R>104）质谱仪可用于质 量数的准确测定。
离子束 优点：工作稳定可靠，结构 信息丰富，且有标准质谱图
M e M• 2e
磁铁
M1、M
2
可以检索。
缺点：不适于极性大，热不 稳定的化合物，且对有些化 合物得不到分子离子。
有机化合物的电离电位约10 ev，多余能量通过化学键的断裂消除，产生大量碎片离子
化学电离源（CI）
工作气体以CH4为例
MALDI的特点
质量数上限可达50万 高敏度，可测至10-12~10-15 mol 软电离，可用于分析混合物 基质背景易干扰质量数1000以内的物质分析 可能会导致分析物分解
无机样品离子源
火花
ICP 特点：元素分析灵敏度高，可分析复杂样品（60 种元素）、谱图简单、线性范围宽，广泛应用于 水分析，血液中微量元素分析，食品分析及同位 素比测定等。
12.00000g / mol12C 6.022141023 原子/ mol12C
1.66054 10 24
g
非精确测量时，常用质量数（质子和中子数目总和）
表示。无机质谱质量数测定范围通常为2250，有机 质谱一般可达数千。（大分子如何测定？）
19-1-2 质谱仪的主要性能指标（2）
分辨率：指质谱仪分开相邻质量数离子的能力。当等强度
电离源（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）
电子轰击源（EI）
电子束 70ev
气态 样品 分子
灯丝
最经典的硬源，适用于易挥 发有机样品（M<1000）的电 聚焦电极 离，是GC-MS必备离子源。
CH4
e
CH •4
2e
CH4
CH
5
CH•3
与EI主体部件公用， 工作过程中需引入大
CH•4
CH
பைடு நூலகம்
3
H•
CH4
C
2
H
5
H2
量反应气体，使其先
CH5
MH
CH4
MH
2
(M
1离 子)
可继续分裂
C
2
H
5
MH
C2H6
M (M
1离 子)
试样
电离后与再试样分子 发生离子分子反应， 从而使试样分子电离
类似的有采用高能Cs+的快离子轰击源（FIB）
激光解吸源（1）
利用一定波长的脉冲式激光照射样品使样品电离。被分析 的样品置于涂有基质（ 2,5二羟基苯甲酸、芥子酸、烟酸、 α-氰基-4-羟基肉桂酸等）的样品靶上，激光照射到样品靶 上，基质分子吸收激光能量，与样品分子一起蒸发到气相 并使样品分子电离。
离子阱检测器（ITA）
端罩电极 环形电极
离子源
Z0 r0
r0
2Z
2 0
电子倍增管
上下端罩（End cap） 与左右环电极（Ring electrode）构成可变电 场（前者接地，后者施 以射频电压）某一符 合条件的m/z离子在阱 内稳定存留引入电子 倍增管进行测定。
放大器和射频 发生器（基本
射频电压）
约翰·芬恩
田中耕一
2002年Nobel Prize
质谱法的应用
同位素分析 无机元素的定性、定量分析 有机化合物的结构分析（有机四大波谱之一，应与
NMR、IR、UV相结合）、定性和定量分析（混合物 的分析需与色谱法联用） 生物大分子的分子量、结构分析
质谱法的特点
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。 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。 分析速度快并可实现多组分同时测定。 与其它仪器相比，仪器结构复杂，价格昂贵，使用及维修比较 困难。对样品有破坏性。
r固定，U或B不变，连续改变B或U可使不同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。
离子源
单聚焦型磁分析器（2）
单聚焦质量分析器
只是将m/z 相同而
入射方向不同的离
泵
子聚焦到一点（或
称实现了方向聚
离 焦）。 但对于m/z
子 检
相同而动能（或速
测 度）不同的离子不
装 能聚焦，故其分辨
质量分析器 10-6 pa
提供能量，使 样品成为气态 离子，并在电 场作用下加速
将不同m/z的 离子分离（类 似光谱法中的 单色器）
检测器
19-1-2 质谱仪的主要性能指标（1）
质量测定范围：指质谱仪所能够进行分析的样品的相 对分子质量（或原子质量）范围，通常采用原子质量 单位u进行度量。
1u
1 12
可以分析复杂有机物 应用更广泛
离子源（1）
—质谱仪的心脏
气相源：先蒸发再激发，适于沸点低于500C、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，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。
直接探针进样
色谱进样（色谱法中介绍）
间歇式进样
气体 入口
低沸点易挥 发液体引入
隔垫
中等蒸气 压固体
炉
1-3 L 贮存器
小孔
计量 体积
加热套 真空
离子源
将挥发性低的试样转化为高挥发性衍生物亦可使用该进样系统
直接探针进样
—高沸点液体及固体
真空 25cm6mm
离子 化室
加热丝
优点：
引入样品量小，样品
蒸气压可以很低
特点：电离能小，质谱峰数少，图谱简单，准分子离子峰大，可提供分 子量这一种要信息；对含很强吸电子基团，负离子灵敏。
EI与CI
M
Scan EI
benzopheno ne