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1、质谱分析质谱分析MASS MASS SPECTROMETRYSPECTROMETRY(MS)(MS)目录目录一、质谱仪器原理质谱仪器原理二、质谱仪种类二、质谱仪种类三、三、质谱图及质谱图及离子峰的主要类型离子峰的主要类型四、质谱解析的应用四、质谱解析的应用一、质谱仪器原理质谱仪器原理 基本原理基本原理 使所研究的混合物或单体形成离子，然后使形成的离子按质荷比m/z进行分离。一、质谱仪器原理质谱仪器原理仪器组成及其原理仪器组成及其原理 仪器组成仪器组成 MS仪器一般由进样系统、电离源、质量分析器、真空系统和检测系统构成。为了避免离子损失，凡有样品分子及离子存在和通过的地方，必须处于真空状态。一、

2、质谱仪器原理质谱仪器原理 仪器原理仪器原理 1 1真空系统真空系统 质谱仪的离子源、质谱分析器及检测器必须处于高真空状态（离子源的真空度应达103105Pa，质量分析器应达106Pa），若真空度低，则：（i）大量氧会烧坏离子源的灯丝；（ii）会使本底增高，干扰质谱图；（iii）引起额外的离子-分子反应，改变裂解模型，使质谱解释复杂化；（iv）干扰离子源中电子束的正常调节；（v）用作加速离子的几千伏高压会引起放电，等等。通常采用机械泵预抽真空，然后用扩散泵高效率连续抽气。一、质谱仪器原理质谱仪器原理2进样系统进样系统 此装置适用于气体及沸点不高，易挥发的液体，贮存器为玻璃或上釉不锈钢制成，抽低真

3、空（1Pa），并加热至150，试样以微量注射器注入，在贮存器内立即汽化成蒸汽分子，然后由于压力梯度，通过漏孔以分子流形式渗透入高真空的离子源中。一、质谱仪器原理质谱仪器原理2进样系统进样系统 此装置适用于高沸点液体、固体，可用探针杆直接进样。调节加热温度，使试样汽化成蒸汽。此方法可将微克量级甚至更少试样送入电离室。探针杆中试样的温度可冷却至约100，或在数秒钟内加热到较高温度（如300左右）。一、质谱仪器原理质谱仪器原理3离子源（离子源（ion source)被分析的气体或蒸汽气体或蒸汽首先进入仪器的离子源，转化为离子。使分子电离的手段有很多。最常用的电子轰击离子源。下面是电子轰击离子源结构示

4、意图（EI）图1.3 电子轰击离子源阴极：发射电子正极正极负极负极直流电压直流电压70V，使，使电子加速电子加速施加适当的电压，使多余电子施加适当的电压，使多余电子被捕集被捕集控制进入电离室的电子流控制进入电离室的电子流施加正电压，排斥正离子，施加正电压，排斥正离子，使之排出离子室使之排出离子室 总之，离子源的作用将试样分子或原子转化为正离子，使之加速聚焦为离子束，总之，离子源的作用将试样分子或原子转化为正离子，使之加速聚焦为离子束，此离子束通过狭缝进入质量分析器。此离子束通过狭缝进入质量分析器。软电离技术软电离技术 由于电子轰击的能量远远超过普通化学键键能，过剩的能量引起分子多个健的断裂，生

5、成许多碎片离子，由此可以供一些重要的官能团信息，但对有机物中相对分子质量大，极性大，难汽化，热稳定性差的化合物，在加热和电子轰击下，分子易碎裂，难于给出完整的分子离子信息，这是EI（电子轰击离子源）的局限性。解决办法解决办法化学电离源（化学电离源（CI）场致电离源场致电离源（FI）场解析电离源（场解析电离源（FD）快原子轰击电离源（快原子轰击电离源（FAB）（1 1）化学电离源（）化学电离源（CICI）在离子源充满一定压强的反应气体如甲烷，异丁烷等，用高能量的电子轰击反应气体使之电离，电离后的反应分子再与试样分子碰撞发生分子离子反应形成准分子离子QM+和少数碎片离子。离子源离子源反应气体反应气

6、体高能量电子轰击高能量电子轰击反应气体电离反应气体电离试样分子试样分子分子离子反应分子离子反应QMQM+少数少数碎片离子碎片离子（1 1）化学电离源（）化学电离源（CICI）现以甲烷作为反应气为例，说明化学电离的过程。在电子轰击下，甲烷首先被电离：现以甲烷作为反应气为例，说明化学电离的过程。在电子轰击下，甲烷首先被电离：CH4+CH4+CH3+CH2+CH+C+H+甲烷离子与分子进行反应，生成加合离子：CH4+CH4 CH5+CH3 CH3+CH4 C2H5+H2 加合离子与样品分子反应：CH5+XHXH2+CH4 C2H5+XHX+C2H6（1 1）化学电离源（）化学电离源（CICI）生成的

7、XH2+和X+比样品分子多一个H或少一个H，可表示为(M1)+，称为准分子离子准分子离子。事实上，以甲烷作为反应气，除(M1)+之外，还可能出现(M17)+，(M29)+等离子，同时还出现大量的碎片离子。EIEI得不到分子离子样品，改用得不到分子离子样品，改用CICI可得到准分子离子，可推断相对可得到准分子离子，可推断相对分子质量分子质量碎片峰较少，易于解释碎片峰较少，易于解释CICI得到的质谱不是标准质谱，所以不得到的质谱不是标准质谱，所以不能进行库检索能进行库检索。不适用分析难挥发，热不稳定，极性不适用分析难挥发，热不稳定，极性较大有机物较大有机物化学电离源化学电离源（CICI）优优点点缺

8、缺点点（2 2）场致电离源（）场致电离源（FI FI）场致电离源是利用强电场利用强电场诱发样品分子电离。它由两个尖细的电极组成，在相距很近（d1mm）的阳极和阴极之间，施加7 00010 000V的稳定直流电压，在阳极的尖端附近产生107108V/cm的强电场，依靠这个强电场把尖端附近纳米处的分子中的电子拉出来，使之形成正离子，然后通过一系列静电静电透镜聚焦成束透镜聚焦成束，并加速到质量分析器中去。优点：分子离子峰清楚，碎片峰弱，易测相对分子质量优点：分子离子峰清楚，碎片峰弱，易测相对分子质量缺点：缺乏分子结构信息缺点：缺乏分子结构信息使用复合离子源，例如电子轰击使用复合离子源，例如电子轰击场

9、致电离复合源，电子场致电离复合源，电子轰击轰击化学电离复合源等。化学电离复合源等。（3 3）场解析电离源（）场解析电离源（FDFD）将液体或固体试样溶解在适当溶剂中，并滴加在特制的FD发射丝上，发射丝由直径约10m的钨丝及在丝上用真空活化的方法制成的微针形碳刷组成。发射丝通电加热使其上的试样分子解吸下来并在加热丝附近的高压静电场（电场梯度为107108V/cm）的作用下被电离形成分子离子，其电离原理与场致电离相同。解吸所需能量远低于气化所需能量，故有机化合物不会发生热分解，因为试样不需气化而可直接得到分子离子，因此即使是热稳定性差的试样仍可得到很好的分子离子峰，在FD源中分子中的CC键一般不断

10、裂，因而很少生成碎片离子。（4 4）快原子轰击离子源（）快原子轰击离子源（FABFAB）利用中性原子轰击试样导致有机物分子电离而获得质谱的一种软电离技术。技术。将氩先电离成将氩先电离成Ar+获得高动能获得高动能电场电场加速加速通过电荷交通过电荷交换室换室中和成高能中性中和成高能中性 原子流原子流发生能量交换，使之电离，溅射出形成离子流发生能量交换，使之电离，溅射出形成离子流不需汽化（4 4）快原子轰击离子源（）快原子轰击离子源（FABFAB）优点：有较强的分子离子峰 较丰富信息结构 不需将试样汽化，可在室温下进行 试样用量少，可回收 适合相对分子质量大，低蒸汽压，热稳定性差的试样。例如：低聚糖

11、，肽类、核苷酸及有机金属化合物等的分析。4.质量分析器质量分析器 作用作用：将不同碎片按质荷比m/z分开。原理：原理：主要部分是一对电磁铁(常用扇形),当离子源中产生的离子束(通常是正离子束)经加速电场加速后,以一定的速度进入垂直于离子运动方向的均匀磁场时,正离子在磁场施加的向心力的作用下,改变运动方向。(磁场不改变离子的运动磁场不改变离子的运动速度速度)作圆周运动，作圆周运动，运动运动轨道半径与运动速度、轨道半径与运动速度、磁场强度、离子的质荷磁场强度、离子的质荷比有关比有关设离子的电荷为z,质量为m,加速电场的电压为U,进入磁场时的运动速度为v,则 如果磁场强度为B,运动轨道半径为R,则由

12、于离子作圆周运动的离心力等于磁场力，因此：合并上述两式，可得：mv2/R=Bzv(1/2)mv2=z Um/z=(B2R2)/2U离子在磁场中的轨道半径R取决于：m/z、B、U磁分析器质谱方程式磁分析器质谱方程式是设计质谱仪器的主要依据。m2v2/R2=B2z2称为磁分析器质谱方程称为磁分析器质谱方程，是设计质谱仪的主要依据。m/z=(B2R2)/2U若若B,R固定，固定，m/z仅仅与与U有关有关调节调节U若若U,R固定，固定，m/z仅仅与与B有关有关调节调节B使使具有不同的具有不同的m/z离子到达检测器离子到达检测器而得到质谱图而得到质谱图5.离子检测器离子检测器 常以电子倍增器检测离子流。

13、电子倍增器种类很多，其工作原理如下图所示。一定能量的离子轰击阴极导致电子发射，电子在电场的作用下，依次轰击下一级电极而被放大，电子倍增器的放大倍数一般在105108。特点：实现高灵敏度、快速测定。图图 电子倍增器电子倍增器阴阴极阳极阳极二、质谱仪种类质谱仪种类静态：双聚焦质谱仪（恒定电磁场）动态：四级滤质器 离子阱质谱 飞行时间质谱计（变化电磁场）（1）双聚焦质谱仪双聚焦质谱仪单聚焦质谱仪：在离子束以一定角度分散进入磁场的情况，如果磁场安排得当，一方面离子按质荷比大小分离开来，另一方面，相同质荷比、不同角度的离子在到达检测器时又会重新聚起来，称为方向聚焦（只包括一个磁场），故称为单聚焦质谱仪。

14、缺点缺点质荷比相同，能量（速率）不同的离子质荷比相同，能量（速率）不同的离子不可聚焦，分辨率会大大降低不可聚焦，分辨率会大大降低。6.2.4 6.2.4 质谱仪主要性能指标质谱仪主要性能指标（1）分辨率 分辨率是指仪器对质量非常接近质量非常接近的两种离子的分辨能力。一般定义是：对两个相等强度的相邻峰，当两峰间的峰谷不大于其峰高10%时，则认为两峰已经分开，其分辨率：（6.7）其中其中m m1 1、m m2 2为质量数，且为质量数，且m m1 1m m2 2，故在两峰质量，故在两峰质量数较小时，要求仪器分辨率越大。数较小时，要求仪器分辨率越大。图6.7质谱仪10%峰谷分辨率峰谷高度 h/10峰高

15、峰高h 为了消除离子能量分散对分辨率的影响，通常在扇型磁场前附加一个扇型电场即静电分析器即静电分析器，扇型电场是同心圆筒一部分，进入电场的离子受到一个静电力的作用，改做圆周运动，离子所受电场力与离子所受电场力与离子运动的离心离子运动的离心力平衡，即：E扇形电场强度，m离子质量，z离子电荷，离子速度，Re离子在电场中轨道半径。将 与 合并得(6.6)一般轨道一般轨道R R是固定的，对质荷比相同的离子，改变电场强度是固定的，对质荷比相同的离子，改变电场强度E E的大小，可以得到不同速度的离子。的大小，可以得到不同速度的离子。对于质荷比相同，静电分析器是一个能量对于质荷比相同，静电分析器是一个能量（

16、速度）分析器。（速度）分析器。双聚焦双聚焦质谱仪质谱仪静电分析器静电分析器 ：速度（能：速度（能量）分离器量）分离器磁分析器：磁分析器：方向分离器方向分离器能量与方能量与方向双聚焦向双聚焦双聚焦质谱仪双聚焦质谱仪电场：一对弯曲的电极板，在其上施加直流电位，产生静电场 把电场和磁场配合使用，使电场产生的能量色散与磁场产生的能量色散数值相等而方向相反，就可实现能量聚焦，在加上磁场本身具有的方向聚焦作用，这样就实现了能量和方向的双聚焦。（2 2）四极滤质普仪）四极滤质普仪组成：仪器由四根截面为双曲面或圆形的棒状电极组成，两组电极之间施加一定的直流电压和频率为射频范围的交流电压。原理：碎片离子的共振频率与四支电极的频率相同时，才可通过电极孔隙到达检测器，改变扫描频率可使不同质荷比的离子通过。特点：体积小、重量轻，操作方便。（3 3）离子阱质谱仪）离子阱质谱仪组成：组成：由一个双曲面表面的中心圆环电极和上下两个端电极间形成一个空腔。原理：原理：在环形电极和端电极之间施加直流电压和高频电压，在适当条件由离子源注入特定的m/z的离子在阱内稳定区，其轨道振幅保持一定大小，并可长时间留在阱内，反之不稳定