质谱分析-2013课件

质谱分析概论1质谱法原理

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）大小进行分离记录的分析方法。所获得结果即为质谱图（亦称质谱）。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。

质谱仪早期主要用于原子量的测定和定量测定某些复杂碳氢混合物中的各组分等。1960年以后，才开始用于复杂化合物的鉴定和结构分析。实验证明，质谱法是研究有机化合物结构的有力工具。2质谱法原理

例：单聚焦质谱仪

通过进样系统，使微摩尔或更少的试样蒸发，并让其慢慢地进入电离室，电离室内的压力约为10-3Pa。由热灯丝流向阳极的电子流，将气态样品的原子或分子电离成正、负离子（但一般分析正离子)，在狭缝A处，以微小的负电压将正负离子分开，此后，3质谱法原理借助于A、B间几百至几千伏的电压，将正离子加速，使准直于狭缝刀的正离子流，通过狭缝B进入真空度高达10-5Pa的质量分析器中，根据离子质荷比的不同，其偏转角度也不同，质荷比大的偏转角度小，质荷比小的偏转角度大，从而使质量数不同的离子在此得到分离。若改变粒子的速度或磁场强度，就可将不同质量数的粒子依次焦聚在出射狭缝上。通过出射狭缝的离子流，将落在一收集极上，这一离子流经放大后，即可进行记录，并得到质谱图。质谱图上信号的强度，与达到收集极上的离子数目成正比。

4质谱法原理特点：高灵敏度：可测定10-9~10-16克分子的生物活性物质；快速：数分种内即可完成测定；能同时提供样品的分子量和结构信息；即可以用于定性分析，也可以用于定量分析；能有效地与各种色谱联用，如GC/MS，HPLC/MS，LC/MS及CZE/MS等，用于复杂体系分析。这些特点其他分离技术和分析技术难以达到。5质谱技术发展史1813年：Thomson使用MS报道了Ne是由22Ne和24N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用于石油工业中烃的分析，并大大缩短了分析时间。6质谱技术发展史50年代初：质谱仪器开始商品化，并广泛用于各类有机物的结构分析。同时质谱方法与NMR，IR等方法结合成为分子结构分析的最有效的手段。

80年代：非挥发性或热不稳定分子的分析进一步促进了MS的发展；90年代：由于生物分析的需要，一些新的离子化方法得到快速发展；目前一些仪器联用技术如GC-MS，HPLC-MS，GC-MS-MS，ICP-MS等正大行其道。7质谱仪分类分类：同位素质谱仪：主要用以测定同位素丰度，对测量准确度、精密度与丰度灵敏度的要求较高。采用同位素稀释法可进行定量分析。

无机质谱仪：主要用以进行无机物分析。按照不同的用途，还可细分为气体分析质谱仪、火花源固体分析质谱仪、质谱检漏仪等等。

8质谱仪分类有机质谱仪：主要用以进行有机物结构分析。低分辨仪器可满足多数定性（含结构判断）、定量分析的要求；高分辨仪器可精确测定分子量，有利于结构剖析。多数仪器可与色谱仪联用，先进仪器则可实现质谱-质谱联用。生物质谱仪：主要用以进行生物大分子质量与结构分析。可对分子量高达几十万的生物大分子进行快速（几分钟一个样品）、精确（0.01%）和高灵敏度（10-15-10-18mol）的测定。9第一节质谱仪工作原理和性能指标

一、工作原理

质谱仪是利用电磁学原理，使带电的样品离子按质荷比进行分离的装置。离子电离后经加速进入磁场中，其动能与加速电压及电荷z有关，即

zeU=1/2m2其中z为电荷数，e为元电荷（e=1.60×10-19C），U为加速电压，m为离子的质量，为离子被加速后的运动速度。

具有速度

的带电粒子进入质谱分析器的电磁场中，根据所选择的分离方式，最终实现各种离子按m/z进行分离。10第一节质谱仪工作原理和性能指标根据质量分析器的工作原理，可以将质谱仪分为动态仪器和静态仪器两大类。在静态仪器中用稳定的电磁场，按空间位置将m/z不同的离子分开，如单聚焦和双聚焦质谱仪。在动态仪器中采用变化的电磁场，按时间不同来区分m/z不同的离子，如飞行时间和四极滤质器式的质谱仪。二、主要性能指标（1）质量测定范围

质谱仪的质量测定范围表示质谱仪所能进行分析的11第一节质谱仪工作原理和性能指标样品的相对原子质量（或相对分子质量）范围，通常采用原子质量单位（u）进行度量。测定气体用的质谱仪，一般质量测定范围在2～100，而有机质谱仪一般可达几千，现代质谱仪甚至可以研究相对分子量达几十万的生化样品。12第一节质谱仪工作原理和性能指标2.分辨本领

所谓分辨本领，是指质谱仪分开相邻质量数离子的能力。即：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，认为两峰已经分开，其分辨率为：R=m1/（m2-m1）=m1/Δm其中m1、m2为质量数，且m1<m2，故在两峰质量数较小时，要求仪器分辨率越大。13分辨率（resolution）/分辨本领

两个相邻的质谱峰之一的质量数与两者质量数之差的比值，规定为仪器的分辨率，用R表示。/质谱仪分开相邻质量数离子的能力。即：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，认为两峰已经分开，其分辨率为：

R=m1/（m2-m1）=m1/Δm

其中m1、m2为质量数，且m1<m2，故在两峰质量数较小时，要求仪器分辨率越大。1415设两个相邻峰的质量数分别为M1和M2，两峰质量数之差为ΔM，则分辨率R=M2（或1）/M2-M1=M/ΔM（1）如M1=500，M2=501，两峰刚好完全分开，则R=500/501-500=500如M1=500.0，M2=500.1，则R=500.0/500.1-500.0=5,000如M1=500.00，M2=500.01，则R=500.01-500.00=50,000这就是说,仪器的分辨率为500时,只能分开在整数位有差别的相邻两峰;分辨率为5,000时,则能分开相差0.1个原子质量单位的相邻两峰;分辨率为50,000时,质量精度可达到0.01。显然，当用分辨率为50，000的仪器测定质量数为200附近的两个峰时，质量数的精确度就更高些。这可代入式（1）计算出来：50，000=200/ΔM，

16ΔM=200/50，000=0.004,即可把200.00和200.004的两个峰刚好完全分开,但是,当用同样分辨率的仪器测定质量数为1,000附近的两个峰,质量精确度则降为ΔM=1,000/50,000=0.02,虽然也是准确到小数第二位,但是最高只能精确到0.02原子质量单位(amu)。双聚焦磁质谱仪的分辨率为10，000-100，000。傅立叶变换离子回旋共振质谱仪的分辨率可达1000，000。17

在实际工作中，有时很难找到相邻的且峰高相等的两个峰，同时峰谷又为峰高的10%。在这种情况下，可任选一单峰，测其峰高5%处的峰宽W0.05，即可当作上式中的Δm，此时的分辨率定义为

R=m/W0.05

如果该峰是高斯型的，上述两式计算结果是一样的。质谱仪的分辨本领由几个因素决定：（1）离子通道的半径；（2）加速器与收集器狭缝宽度；（3）离子源的性质。18第一节质谱仪工作原理和性能指标19第一节质谱仪工作原理和性能指标3.灵敏度

质谱仪的灵敏度有绝对灵敏度、相对灵敏度和分析灵敏度等几种表示方法。

绝对灵敏度是指仪器可以检测到的最小样品量；

相对灵敏度是指仪器可以同时检测的大组分与小组分含量之比；

分析灵敏度则是指输入仪器的样品量与仪器输出的信号之比。20第二节质谱仪的基本结构

质谱仪是通过对样品电离后产生的具有不同的m/z

的离子来进行分离分析的。质谱仪包括进样系统、电离系统、质量分析系统和检测系统。为了获得离子的良好分析，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。

21第二节质谱仪的基本结构质谱仪框图如下：22第二节质谱仪的基本结构Agilent7500系列ICP-MS23第二节质谱仪的基本结构ThermoOptek---VGPQExCellICP-MS24第三节真空系统

质谱仪的离子产生及经过系统必须处于高真空状态（离子源真空度应达1.3×10-4-1.3×10-5Pa，质量分析器中应达1.3×10-6Pa）。

若真空度过低，则会造成离子源灯丝损坏，本底增高、副反应过多，从而使图谱复杂化、干扰离子源的调节、加速极放电等问题。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。2526第四节

进样系统进样系统目的是高效重复地将样品引入到离子源中并且不能造成真空度的降低。常用的进样装置有三种类型：间歇式进样系统、直接探针进样、色谱进样系统（GC-MS、HPLC-MS）和高频感藕等离子体进样系统（ICP-MS）等。27第四节

进样系统间歇式进样：适于气体、沸点低且易挥发的液体、中等蒸汽压固体。如图所示。注入样品(10-100g)—贮样器(0.5L-3L)—抽真空(10-2Torr)并加热—样品蒸汽分子(压力陡度)—漏隙—高真空离子源。28第四节

进样系统直接探针进样：高沸点液体及固体探针杆通常是一根规格为25cm6mmi.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，如图所示。优点：1）引入样品量小，样品蒸汽压可以很低；2）可以分析复杂有机物；3）应用更广泛。29第四节

进样系统色谱进样：利用气相和液相色谱的分离能力，与质谱仪联用，进行多组份复杂混合物分析。30第四节

进样系统ThermoOptek---VGPQExCellICP-MS卡式进样系统31第四节

进样系统

卡式进样系统具有极好的抗腐蚀性和快速冲洗特征。由惰性多聚物材料构成的喷雾室以圆锥壮撞击球设计，以降低记忆效应。雾化室由一个Peltier半导体制冷装置冷却和精确的温度控制，具有极高的稳定性和最少的多原子离子形成。带有蓝宝石、氧化铝和铂制喷射管的半可拆式管矩。

32第五节电离源

电离源的功能是将进样系统引入的气态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。通常称能给样品较大能量的的电离方法为硬电离方法，而给样品较小能量的电离方法为软电离方法，后一种方法适用于易破裂或易电离的样品。33第五节电离源

使物质电离的方法很多，如电子轰击、化学电离、火花电离、场致电离、光致电离等。（1）电子轰击源

电子轰击法是通用的电离法，是使用高能电子束从试样分子中撞出一个电子而产生正离子，即M+eM++2e式中M为待测分子，M+为分子离子或母体离子。34第五节电离源

右图是典型的电子轰击源的示意图。在离子源内，用电加热锑或钨的灯丝到2000℃，产生高速电子束，其能量为10～7OeV。当气态试样由分子漏入孔进入电离室时，高速电子与分子发生碰撞，若电子的能量大于试样分子的电离电位，将导致试样分子的电离：M＋e(高速)→M＋+2e（低速)当电子轰击源具有足够的能量时(一般为7OeV)，有机分子35第五节电离源不仅可能失去一个电子形成分子离子，而且有可能进一步发生键的断裂，形成大量的各种低质量数的碎片正离子和中性自由基，这些碎片离子可用于有机化合物的结构鉴定。点击图标播放动画特点：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）。36第五节电离源（2）化学电离源在质谱中可以获得样品的重要信息之一是其相对分子质量。但经电子轰击产生的M+峰，往往不存在或其强度很低。必须采用比较温和的电离方法，其中之一就是化学电离法。化学电离法是通过离子

-分子反应来进行，而不是用强电子束进行电离。离子（为区别于其它离子，称为试剂离子）与试样分子按一定方式进行反应，转移一个质子给试样或由试样移去一个H+或电子，试样则变成带+1电荷的离子。37第五节电离源化学电离源一般在1.3102～1.3103Pa（现已发展为大气压下化学电离技术）压强下工作，其中充满甲烷CH4。首先用高能电子，使CH4电离产生CH5+和C2H5+，即：

CH4+eCH4+·+2eCH4+·CH3++H·

CH4+·和CH3+很快与大量存在的CH4分子起反应，即：CH4+·+CH4CH5++CH3·

CH3++CH4C2H5++H238第五节电离源CH5+和C2H5+不与中性甲烷进一步反应，一旦小量样品（试样与甲烷之比为11000）导入离子源，试样分子（SH）发生下列反应：CH5++SHSH2++CH4C2H5++SHS++C2H6SH2+

和S+然后可能碎裂，产生质谱。由（M+H）或（M-H）离子很容易测得其相对分子质量。特点：电离能小，质谱峰数少，图谱简单；准分子离子

(M+1)+峰大,可提供分子量这一种要信息。39第五节电离源（3）场离子源

应用强电场可以诱发样品电离。场电离源由电压梯度约为107-108V·cm-1的两个尖细电极组成。流经电极之间的样品分子由于价电子的量子隧道效应而发生电离。电离后被阳极排斥出离子室并加速经过隧道进入质量分析器。

场离子化是一种温和的技术，产生的碎片很少。碎片通常是由热分解或电极附近的分子-离子碰撞反应产生的主要为分子离子和（M+1）离子，结构分析中，往往最好同时获得场离子化源或化学离解源产生的质谱图和用电子轰击源的质谱图，而获得相对分子质量及分子结构的信息。40第五节电离源（4）火花源

对于金属合金或离子型残渣之类的非挥发性无机试样，必须使用不同于上述离子化源的火花源。火花源类似于发射光谱中的激发源。向一对电极施加约30kV脉冲射频电压，电极在高压火花作用下产生局部高热，使试样仅靠蒸发作用产生原子或简单的离子，经适当加速后进行质量分析。（5）高频感耦等离子体（ICP）41第五节电离源

(6).快原子轰击质谱（FAB-MS）：

在离子源进样探头尖端放置样品和液体基质（如甘油）使样品溶解或悬浮其中，一束惰性气体原子被原子枪先电离为带正电荷离子束，经电场加速后，与一束中性原子碰撞，发生电荷交换成一束快速原子。由于快速原子流轰击样品，使样品和基质离子溅入空间而进入质谱分析仪。4243离子源的工作原理电喷雾离子源结构电喷雾离子源工作原理44第五节电离源(7).电喷雾源(ElectronsprayIonization，ESI)

主要应用于液相色谱-质谱联用仪。它的主要部件是一个多层套管组成的电喷雾喷咀。最内层是液相色谱流出物，外层是喷射气，喷射气常采用大流量的氮气，其作用是使喷出的液体容易分散成微滴。另外，在喷嘴的斜前方还有一个补助气喷咀，补助气的作用是使微滴的溶剂快速蒸发。在微滴蒸发过程中表面电荷密度逐渐增大，当增大到某个临界值时，离子就可以从表面蒸发出来。离子产生后，借助于喷咀与锥孔之间的电压，穿过取样孔进入分析器45第五节电离源电喷雾电离源是一种软电离方式，即便是分子量大，稳定性差的化合物，也不会在电离过程中发生分解，它适合于分析极性强的大分子有机化合物，如蛋白质、肽、糖等。电喷雾电离源的最大特点是容易形成多电荷离子。

46离子蒸发机理毛细管含离子的液滴随着液滴蒸发，电场离子从液滴表面蒸+4Kv增加，离子向液滴表发面移动。47离子蒸发过程溶剂由泵输送，从不锈钢毛细管流出，由于它带有3-4Kv高电压，与对应极之间产生强电场，使溶剂在毛细管出口发生喷雾，产生带强电荷的液体，这一现象称为电喷雾。随着液体微粒中溶剂蒸发，离子向表面移动，表面的离子密度越来越大，最终逸出表面，蒸发出空间48ESI方法的原理及特点离子的形成：当表面带有大量电荷的精细液珠向下游移动时，溶剂迅速挥发，液珠表面积不断缩小，电荷密度增高。当此情况达到Rayleigh极限时，液珠会分裂成更小的液珠。在质量和电荷再分配后，更小的液珠进入稳定态，然后再重复蒸发、电荷过剩和液珠分裂。在整个过程的某个阶段，分析物可以单电荷或多电荷离子的形式进入气相。49ESI方法的原理及特点电喷雾：常见的电喷雾喷嘴是内径0.1mm的金属毛细管。当在它上面施加3—8kV的电压时，由于毛细管的顶端很窄，形成的电场强度可高达106V/m。当流速为0.5——5μl/min的LC流出物溢出金属毛细管时,会形成扇状喷雾。它是细小的液珠和溶剂蒸气的混合体。由于高压电场的作用，溶液中带某种电荷的溶质会向液体表面移动，使液珠表面该种电荷过剩。50离子的输送离子的输送：大气压条件下形成的离子，在电位差的驱使下（当然也有压力差的作用），通过取样孔进入质谱真空区（见示意图）。离子流通过一个加热的金属毛细管，进入第一个降压区，在毛细管的出口处形成超声速喷射流。由于分析物带电荷并且动量大，可通过下游处于低电位的锥形分离器的小孔，进入第二降压区，经聚焦后进入质谱。而与分析物离子一同穿过毛细管的少量的溶剂，由于呈中性而且动量小，则在第一和第二降压区被抽走。ParticulateMatteraccumulationduetoknife-edgevortexCone-actsasaphysicalbarrier

KeepsheatedtransfertubefacecleanESI51第五节电离源52ESI方法和特点（1）ESI对质谱分析的重要贡献之一是产生大量的多电荷离子。质谱是测定质荷比。在ESI以前的电离技术主要是产生单电荷离子，所测得的值即是离子的质量。普遍使用的四极矩质谱的质荷比测量范围一般在3000以下。磁质谱的测量范围一般在5000以下。由于产生多电荷离子，离子的质量数落在一般的四极矩的测量范围之内，因此对于分子量在几万以上的生物大分子，传统的质谱是不可企及的。ESI技术的出现使质谱在这方面的应用有了根本的改观。（2）在ESI过程，几乎没有任何外能输给化合物，因此ESI是迄今为止最为柔和的电离方法。ESI-MS谱图主要给出与准分子离子有关的信息，例如（在单电荷离子的情况下）MH+，

MNa+，（M）nH+，[M-H]-，[M-Na]-，[（M）n-H]-等，很少给出化合物碎片。这不利于化合物结构推导。为了克服此不足，ESI常与MS-MS联用。53质荷与分子量的关系ESI-MS既可分析大分子，也可以分析小分子。对于分子量在1000Da以下的小分子会产生[M+H]或[M-H]离子。选择相应的正负离子进行检测，就可以得到物质的分子量，而分子量高达20000Da的大分子在ESI-MS中生成一系列多电荷离子，通过数据处理系统能够得到样品的分子量。

M+nHm——————=——nz

电荷数为18，m/z=942.7M=18X942.7-18=16950.5马心肌红蛋白54第五节电离源55第五节电离源56第五节电离源57第五节电离源58第五节电离源59第五节电离源(8).大气压化学电离源(AtmosphericpressurechemicalIonization,APCI)结构与电喷雾源大致相同，不同之处在于APCI喷咀的下游放置一个针状放电电极，通过放电电极的高压放电，使空气中某些中性分子电离，产生H3O+，N2+，O2+和O+等离子，溶剂分子也会被电离，这些离子与分析物分子进行离子-分子反应，使分析物分子离子化，这些反应过程包括由质子转移和电荷交换产生正离子，质子脱离和电子捕获产生负离子等。

60第五节电离源大气压化学电离源主要用来分析中等极性的化合物。有些分析物由于结构和极性方面的原因，用ESI不能产生足够强的离子，可以采用APCI方式增加离子产率，可以认为APCI是ESI的补充。APCI主要产生的是单电荷离子，所以分析的化合物分子量一般小于1000Da。用这种电离源得到的质谱很少有碎片离子，主要是准分子离子。61第五节电离源HPLC-MS62第五节电离源63第五节电离源9)激光解吸源（LaserDescription，LD）

激光解吸源是利用一定波长的脉冲式激光照射样品使样品电离的一种电离方式。被分析的样品置于涂有基质的样品靶上,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。激光电离源需要有合适的基质才能得到较好的离子产率。因此，这种电离源通常称为基质辅助激光解吸电离(MatrixAssistedLaserDescriptionIonization,简称MALDI)。

ALDI特别适合于飞行时间质谱仪(TOF),组成MALDI-TOF。

64第五节电离源基质辅助激光解吸飞行时间质谱技术

MATRIX-ASSISTEDLASERDESORPTIONIONIZATIONTIME-OF-FLIGHTTECHNOLOGY65

分子离子形成：混合样品在真空下受激光辐照下，基质吸收激光能量，并转变成基质的电子激发能，瞬时使基质由固态转化成气态，形成基质离子。而中性样品与基质离子，质子及金属阳离子之间的碰撞过程中，发生了样品的离子化，从而产生了质子化分子，阳离子化分子或多聚体离子。66第五节电离源

基质的作用是吸收激光的能量并使被测定分子分离成单分子状态，使其发生解吸电离。选择基质时，要求样品应能均匀地分散于基质中，基质应能为样品提供质子。基质选择是得到优质图谱的关键。样品制备，基质溶液配置及两者混合后能共同结晶为最好的操作条件，这些因素对灵敏度和分辨率有着明显的影响。67第五节电离源常用基质

基质激发波长(nm)性质

烟酸266

芥子酸337,355耐杂质，适合于混合物阿魏酸337耐杂质，适合于混合物2,5-二羟基苯甲酸(DHB)337,355耐杂质DHB+10%5-甲氧基水杨酸337355用于质量大于20000Daa-氰基-4-羟基肉桂酸337,355多电荷分子离子碎片4-羟基吡啶甲酸337355用于低聚核苷酸琥珀酸2.94,10.668第五节电离源主要用途：蛋白质组学，蛋白质结构与序列分析，生物大分子活性物质鉴定和DNA序列分析1.蛋白质和多肽的分析：分子量测定、肽谱测定、肽序列测定、巯基和二硫键定位、蛋白质翻译后修饰生物分子相互作用及非共价复合物。2.多糖结构测定3.寡核苷酸和核酸的分析4.抗肿瘤药物筛选5.微生物鉴定6.医用材料的分析检测

69第五节电离源

MALDI的适应范围

MALDI可用于测定多肽，蛋白，糖蛋白，DNA片段，多糖及其它生物技术产品。MALDI的特点是准分子离子峰很强，几乎无碎片离子，因此可直接分析蛋白质酶解后产生的多肽混合物。另一特点是对样品中杂质的耐受量很大，当液体色谱分离蛋白质时，往往把盐留在样品中，若这些盐的量在基质的5%以下，可不影响蛋白质的发射，因而往往可省去脱盐的实验步骤，大大缩短分析时间。7071第五节电离源

MALDI-TOFMS分析模型：

线性分析模型高分辨率线性分析模型反射分析模型高分辨率反射分析模型72第五节电离源延迟引出（DelayExtraction）为了提高分辨率，在MALDI-TOFMS上引进了一项新技术，称“延迟引出”，其原理简述如下：当靶电极与引出电极处于相同电位时，两极电极处于相同电位时，两极之间形成一个无场区，被解吸的离子在无场区中运动，经过一段延迟时间后，初始速度高的离子离靶近，然靶后以脉冲方式在瞬间使靶与引出电极处于不同电位，由此产生的电场把离子引出，经聚焦透镜后，飞离离子源。离靶近的离子比离靶远的离子得到更大的加速，因而得到更大的动能，选择适当地的延迟时间及控制靶与引出电位差，可有效地补偿离子初始动能的分散，从而显著提高MALDI-TOF质谱仪的分辨率。

73延迟引出（DelayExtraction）飞行距离约为1米的线性TOF质谱计的分辨率可达2000-3000。这一项技术与离子反射期联合使用可使MALDI-TOF质谱计的分辨率超过10，000。747576Sampleplate7778源后分解（PostSourceDecay,PSD)在线性模型下，因为先前离子和该先前离子所产生的碎片离子飞行时间相同，因此不能做PSD。只有在反射模式下，由于离子反射有筛选动能的特性，才能实现PSD。

先前离子Mp在MALDI-TOF仪器的无场区发生单分子分解反应

MpMf++Mn其中Mf+为碎片离子，Mn为中性离子。

Mf+较先抵达检测器，Mp较后抵达检测器碎片离子不会象其先前离子更深入进入反射区的延迟场，而是较早地离开反射区，比未经碎裂的先前离子更快地进入检测器。7980CID化学诱导裂解81第五节电离源

飞行距离约为1米的线性TOF质谱计的分辨率可达2000-3000。这一项技术与离子反射期联合使用可使MALDI-TOF质谱计的分辨率超过10，000。影响因素：激光波长pH溶剂82

600

800

1000

1200

1400

1600m/z266nm355nm532nm

LaserWavelengthEffectsDesArg1BradykininAngiotensinI-BagCellPeptide1-8

PulsedNd:YAGlaser~2mWat10Hz266,355,532nmwavelengthsOpticsnotoptimizedforIR-MALDIWavelengthdependencebutnotshownhere83

200

22

400

600

800Mass(m/z)LGAGGYFL-EnkA2L5R6-Enk123545432110pmolmix,+ion10pmolmix,-ion1pmolmix,-ion,PBS(pH7)1pmolmix,-ion,TRIS(pH9)

IonModeandpHEffects

+ionmode“contaminants”

HxCy(air,storagecont,vacuum)

Mx+(air,storagecont,solvents)ablatedSiclusters

analyte

supressionbelow800m/z

noadvantageoverMALDI!!-ionmodew/orw/obufferingcontaminantsaspH

84

600

800

1000

1200

1400

1600Mass(m/z)

Methanol,6daysDryair,6days

SolventEffectsinStorageandSamplingDesArg1BradykininAngiotensinI-BagCellPeptide1-8

Hydrophobicitydecreasesw/storage(contactangleanalysis)Methanolstorage“preserves”surface(DIOS-MSanalysis)Substrate

DropletContactAngle85第六节质量分析器

质谱仪的质量分析器位于离子源和检测器之间，依据不同方式将样品离子按质荷比m/z

分开。质量分析器的主要类型有：磁分析器、飞行时间分析器、四极滤质器、离子捕获分析器和离子回旋共振分析器等。86第六节质量分析器（1）磁分析器

最常用的分析器类型之一就是扇形磁分析器。离子束经加速后飞入磁极间的弯曲区，由于磁场作用，飞行轨道发生弯曲（如右图所示），此时离子受到磁场施加的向心力Bze作用，并且离子的离心力m2·r-1也同时存在，当两力平衡时，离子才能飞出弯曲区，即：Bze=m2/r87第六节质量分析器其中B为磁感应强度，ze为电荷，为运动速度，m为质量，r为曲率半径。调整后可得：

=Bzer/m

m/z=B2r2e/2U

通过改变B、r、U这三个参数中的任一个并保持其余两个不变的方法来获得质谱图。现代质谱仪一般是保持U、r不变，通过电磁铁扫描磁场而获得质谱图，故r即是扇形磁场的曲率半径，而使用感光板记录的质谱仪中，B、U一定，r变化的。88第六节质量分析器

仅用一个扇形磁场进行质量分析的质谱仪称为单聚焦质谱仪，设计良好的单聚焦质谱仪分辨率可达5000。若要求分辨率大于5000，则需要双聚焦质谱仪。一般商品化双聚焦质谱仪的分辨率可达150,000；质量测定准确度可达0.03g；即对于相对分子质量为600的化合物可测至误差士0.0002u。89第六节质量分析器

单聚焦质量分析器只是将m/z相同而入射方向不同的离子聚焦到一点（或称实现了方向聚焦）。但对于m/z相同而动能（或速度）不同的离子不能聚焦，故其分辨率较低，一般为5000。

90第六节质量分析器91第六节质量分析器（2）飞行时间分析器这种分析器的离子分离是非磁方式达到的，因为从离子源飞出的离子动能基本一致，在飞出离子源后进入一长约1m的无场漂移管，在离子加速后的速度为：

此离子达到无场漂移管另一端的时间为：

t=L/

故对于具有不同m/z的离子，到达终点的时间差：

92第六节质量分析器

由此可见，t

取决于m/z

的平方根之差。因为连续电离和加速将导致检测器的连续输出而无法获得有用信息，所以TOF是以大约10KHz的频率进行电子脉冲轰击法产生正离子，随即用一具有相同频率的脉冲加速电场加速，被加速的粒子按不同的（m/z）1/2的时间经漂移管到达收集极上，并馈入一个水平扫描与电场脉冲频率一致的示波器上，从而得到质谱图。9394第六节质量分析器（3）四质器极滤

四极滤质器由四根平行的金属杆组成，其排布见右图所示。被加速的离子束穿过对准四根极杆之间空间的准直小孔。通过在四极上加上直流电压U和射频电压Vcost，在极间形成一个射频场，离子进入此射频场后，会受到电场力作用，只有合适m/z的离子才会通过稳定的振荡进人检测器。只要改变U和V并保持U/V比值恒定时，可以实现不同m/z的检测。

9596第六节质量分析器1Torr10l/s10-2TorrQ1Q3Q210-6Torr10-3Torr97第六节质量分析器

四极滤质器9899第六节质量分析器四极滤质器分辨率和m/z范围与磁分析器大体相同,其极限分辨率可达2000，典型的约为700。其主要优点是传输效率较高，入射离子的动能或角发散影响不大；其次是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。(4)离子阱检测器

离子阱是一种通过电场或磁场将气相离子控制并贮存一段时间的装置。离子阱由一环形电极再加上下各一的端罩电极构成。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100第六节质量分析器

将在阱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。当一组由电离源(化学电离源或电子轰击源)产生的离子由上端小孔中进人阱中后，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。这种离子阱结构简单、成本低且易于操作，已用于GC-MS联用装置用于m/z200~2000的分子分析。101第六节质量分析器102ESI离子阱(IT)质谱仪103104105第六节质量分析器(5)离子回旋共振分析器过程：处于磁场B中离子——回旋离子——吸收与B垂直的电场能量——当离子能量和吸收能量相等——共振——切断交变电场——回旋离子在电极上产生感应电流——感应电流衰减——记录该信号——通过Fourier变换将时域图转换为频域图(质谱图)。106第六节质量分析器特点：可用于分子反应动力学研究、扫描速度快，可与GC联用、分辨率高、分析质量大、但仪器昂贵。在上述部件中，离子源的结构与性能对分析效果的影响极大，有人称之为质谱仪器的心脏，它与质量分析器、离子检测器皆为质谱仪器的关键部件。107第七节质谱图及其应用检测与记录

质谱仪常用的检测器有法拉第杯(Faraday杯)、电子倍增器及闪烁计数器、照相底片等。现代质谱仪一般都采用较高性能的计算机对产生的信号进行快速接收与处理，同时通过计算机可以对仪器条件等进行严格的监控，从而使精密度和灵敏度都有一定程度的提高。

108第七节质谱图及其应用1）Faraday

杯下图是Faraday杯结构原理图特点：可检测10-15A的离子流，但不适于高加速电压下的离子检测。109第七节质谱图及其应用2）电子倍增器：类似于光电倍增管，可测10-18A电流。但有质量歧视效应。3）闪烁计数器：记录离子的数目。110第七节质谱图及其应用一、质谱图与质谱表质谱法的主要应用是鉴定复杂分子并阐述其结构，确定元素的同位素及分布等。一般的质谱给出的数据有两种形式：一是棒图即质谱图，另一个为表格即质谱表。

质谱图是以质荷比（m/z）为横坐标，相对强度为纵坐标构成。一般将原始质谱图上最强的离子峰为基峰并定为相对强度为100%，其它离子峰以对基峰的相对百分值表示。

质谱表是用表格形式表示的质谱数据。质谱表中有两项即质荷比和相对强度。从质谱图上可以直观地观察整个111第七节质谱图及其应用分子的质谱全貌，而质谱表则可以准确地给出精确的m/z值及相对强度值，有助于进一步分析。112第七节质谱图及其应用二、离子峰分子在离子源中可以产生各种电离，即同一种分子可以产生多种离子峰，主要的有分子离子峰、碎片离子峰、亚稳离子峰和同位素离子峰等。（一）分子离子峰试样分子在高能电子撞击下产生正离子，即；

M+eM++2e式中M为待测分子，M+为分子离子或母体离子。113第七节质谱图及其应用几乎所有的有机分子都可以产生可以辨认的分子离子峰。有些分子如芳香环分子可产生较大的分子离子峰，而高分子量的脂肪醇、醚及胺等则产生较小的分子离子峰。若不考虑同位素的影响，分子离子应该具有最高质量。（二）碎片离子峰

分子离子产生后可能具有较高的能量，将会通过进一步碎裂或重排而释放能量，碎裂后产生的离子形成的峰称为碎片离子峰。有机化合物受高能作用时产生各种形式的分裂，一般强度最大的质谱峰相应于最稳定的碎片离子。通过各种114第七节质谱图及其应用碎片离子相对峰高的分析，有可能获得整个分子结构的信息。因为M+可能进一步断裂或重排，因此要准确地进行定性分析最好与标准谱图进行比较。（三）亚稳离子峰

若质量为m1的离子在离开离子源受电场加速后，在进入质量分析器之前，由于碰撞等原因很容易进一步分裂失去中性碎片而形成质量m2的离子，即

m1m2+△m由于一部分能量被中性碎片带走，此时的m2离子比在离子源中形成的m2离子能量小故将在磁场中产生更大的偏转，115第七节质谱图及其应用观察到的m/z较小。这种峰称为亚稳离子峰，用m*表示。它的表观质量m*与m1、m2的关系是：

m*=（m2）2/m1式中m1为母离子的质量，m2为子离子的质量。

亚稳离子峰由于其具有离子峰宽大（约2~5个质量单位）、相对强度低、m/z不为整数等特点，很容易从质谱图中观察。

通过亚稳离子峰可以获得有关裂解信息，通过对m*峰观察和测量，可找到相关母离子的质量与子离子的质量m2从而确定裂解途径。116第七节质谱图及其应用（四）同位素离子峰

有些元素具有天然存在的稳定同位素，所以在质谱图上出现一些M+1，M+2的峰，由这些同位素形成的离子峰称为同位素离子峰。

在一般有机分子鉴定时，可以通过同位素峰统计分布来确定其元素组成，分子离子的同位素离子峰相对强度之比符合一定的统计规律。

例如，在CH4的质谱图中，有其分子离子峰m/z=17、16，而其相对强度之比I17/I16=0.011。而在丁烷中,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=4×0.011×13=0.044；同样，在丁烷中117第七节质谱图及其应用

出现一个M+2（m/z）同位素峰的几率为6×0.011×0.011×12=0.0007；即I59/I58=0.0007，非常小，故在丁烷质谱图中一般看不到（M+2）+峰。118第七节质谱图及其应用（五）重排离子峰

在两个或两个以上键的断裂过程中，某些原子或基团从一个位置转移到另一个位置所生成的离子，称为重排离子。质谱图上相应的峰为重排离子峰。转移的基团常常是氢原子重排的类型很多，其中最常见的一种是麦氏重排。这种重排形式可以归纳如下：119第七节质谱图及其应用

可以发生这类重排的化合物有:酮、醛、酸、醋和其它含羰基的化合物，含P=O，＞S=O的化合物以及烯烃类和苯类化合物等。发生这类重排所需的结构特征是分子中有一个双键以及在位置上有氢原子。120第七节质谱图及其应用121第七节质谱图及其应用三、断裂方式及有机化合物的断裂图象

当电子轰击能量在50~70eV时，分子离子进一步分裂成各种不同m/z

的碎片离子。碎片离子峰的相对丰度与分子中键的相对强度、断裂产物的稳定性及原子或基团的空间排列有关。其中断裂产物的稳定性常常是主要因素。由于碎片离子峰，特别是相对丰度大的碎片离子峰与分子结构有密切的关系，所以，掌握有机分子的裂解方式和规律，熟悉碎片离子和碎片游离基的结构，了解有机化合物的断裂图象，对确定分子的结构是非常重要。122第七节质谱图及其应用（一）断裂方式有机化合物的断裂方式有三种类型：

均裂、异裂和半异裂。

均裂：一个键的两个电子裂开，每个碎片上各保留一个电子。即：123第七节质谱图及其应用

异裂：一个键的两个电子裂开后，两个电子都归属于其中某一个碎片，即：半异裂：离子化键的开裂，即：124第七节质谱图及其应用（二）重要有机化合物的断裂规律和断裂图象1.脂肪族化合物

（1）饱和烃类直链烷烃分子离子，首先通过半异裂失去一个烷基游离基并形成正离子，随后连续脱去28个质量单位（CH2=CH2）：在质谱图上，得到实验式是

CnH2n+1(即m/z29、43、

57、…)的系列峰。此外，在断裂过程中，由于125第七节质谱图及其应用

伴随失去一分子氢，故可在各比碎片离子峰低二个质量单位处出现一些链烯的小峰；从而在质谱图上得到实验式是CnH2n-1（即m/z27、41、55…)的另一系列峰。在CnH2n-1的系列峰中，一般m/z43、57峰的相对强度较大。分子离子峰的强度则随其相对分子质量的增加而下降，但仍可见。右图为癸烷的质谱图。126第七节质谱图及其应用

支链烷烃的断裂，容易发生在被取代的碳原子上。这是由于在正碳离子中，稳定性顺序如下：通常，分支处的长碳链将最易以游离基形式首先脱出。右图为2，2—二甲基庚烷的质谱图。在图中看不到分子离子峰。由于在分支处分子离127第七节质谱图及其应用子脱去游离基的顺序是：所以，在相应生成的碎片离子峰中，强度大小顺序为：128第七节质谱图及其应用

熟悉碳氢化合物的质谱图是十分重要的。因为在许多脂肪族化合物的质谱中，除了不同官能团产生的峰外，同时也出现与烃类相同的断裂模型。（2）羧酸、酯和酰胺

羧酸、酯和酰胺容易发生开裂，产生酰基阳离子或另一种离子：129第七节质谱图及其应用在羧酸和伯酰胺中，主要是1断裂，产生m/z45（HO—C≡O+）和m/z44（H2N—C≡O+）的离子。在酯和仲、叔酰胺中，主要发生2断裂。当有-氢存在时，能发生麦氏重排，失掉一个中性碎片，产生一个奇电子的正离子。

130第七节质谱图及其应用在酸、酯中得到的奇电子的正离子的m/z值符合60+14n，而酰胺符合59+14n。（3）醛和酮

醛和酮的分子离子峰均是强峰。醛和酮容易发生开裂，产生酰基阳离子。131第七节质谱图及其应用通常，R1、R2中较大者容易失去。但是，醛上的氢不易失去，常常产生m/z29的强碎片离子峰。酮则产生经验式为CnH2n+1CO+（m/z43、57、71…)的碎片离子峰。这种碎片离子峰的m/z与CnH2n+1+离子一样，故需用高分辨质谱仪才能区分它们。132第七节质谱图及其应用

当有-氢存在时，醛和酮均能发生麦氏重排，产生m/z

符合44+14n的碎片离子。例如，甲基正丙基酮的重排峰为m/z58，正丁醛为m/z

44。（4）醇、醚和胺醇、醚和胺容易发生断裂，形成m/z符合31+14n的正离子或m/z符合30+14n的亚胺正离子，构成质谱图上的主要强峰。例如：133第七节质谱图及其应用

醚类化合物除可发生断裂外，也能发生断裂。例如134第七节质谱图及其应用

醇、醚和胺的分子离子峰都很弱，尤其是长链脂肪醇，容易发生1，3或1，4脱水，形成（M-18）峰。此峰容易被误认为醇、醚等的分子离子峰。（5）卤化物

卤化物容易发生C-X键断裂，正电荷可以留在卤原子上，也可留在烷基上。135第七节质谱图及其应用卤化物有类似于醇的脱水过程，脱去HX：此外，卤化物可发生开裂，形成卤正离子：136第七节质谱图及其应用（二）芳香族化合物芳香族化合物有电子系统，因而能形成稳定的分子离子。在质谱图上，它们的分子离子峰有时就是基峰。此外，由于芳香族化合物非常稳定，常常容易在离子源中失去第二个电子，形成双电荷离子。在芳香族化合物的质谱中，常常出现m/z符合CnHn+

的系列峰(m/z78、65、52、39)和（或)m/z

77、76、64、63、51、50、38、37的系列峰，后者是由于前者失去一个或两个氢后形成的。这两组系列峰可以用来鉴定芳香化合物。芳香族化合物可以发生相对于苯环的开裂。烷基137第七节质谱图及其应用芳烃的这种断裂，产生m/z

91的基峰，进一步失去乙炔，产生m/z

65的正离子：当环的位上的碳被取代时，基峰就变成91+14n。芳香醚发生断裂后，产生的正离子为：138第七节质谱图及其应用正离子不稳定，失去CO后，生成m/z65离子。硝基化合物首先经历一个重排，然后失去NO，产生与芳香醚同样类型的离子，最后生成m/z65离子：139第七节质谱图及其应用芳香醛、酮和酯类化合物发生断裂后，产生m/z

105的然后进一步失去CO，生成m/z

77的苯基阳离子：140第七节质谱图及其应用

芳香化合物也可发生断裂，生成m/z

77的苯基阳离子，然后进一步失去CH3≡CH3生成m/Z51（C4H3+）离子：141第七节质谱图及其应用四、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并不一定是分子离子峰。那么，如何辩认分子离子峰呢？

利用化学结构来判断分子离子峰强度：各类化合物分子离子峰稳定性顺序为：芳香环（芳香、杂环）>脂环>硫醚、硫酮>共轭烯烃>直链烷烃>酰胺>酮>醛>胺>脂>醚>羧酸>支链烃>腈>伯醇>叔醇>缩醛142第七节质谱图及其应用

利用经验规律：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、酰、胺腈和胺醇的(M+H)+峰”及“芳醛、醇或含氮化合物等的(M-H)+峰”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——不符合上述规律者必不是分子离子峰。143第七节质谱图及其应用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，M-14，M-24等峰，如出现这样的峰，则该峰一定不是分子离子峰。

质量差为(4-13)、19-25、37、38、50-53、65-66…的不是分子离子峰，当差值为14=CH2时应小心，这表明可能有待测物的同系物存在。4）根据断裂方式判断分子离子峰：如醇的分子离子峰通常看不到，但经常看到最高质量的两峰相差3个质量单位的峰（M-CH3峰和M-H2O峰）。

144第七节质谱图及其应用通过改变仪器实验条件来检验：1）降低电子流电压——增加分子离子峰强度（当电子轰击电压降低，强度不增加的峰不是分子离子峰）。2）采用化学电离源、场离子或场解吸源等电离方法；3）制备易挥发的衍生物，如通过甲基化、乙酰基化、甲酯化、三甲基硅醚化、水解氧化或还原等方法将样品制备成适当的衍生物后再测定。145第七节质谱图及其应用2、化学式的确定高分辨质谱：a)可分辨质荷比相差很小的分子离子或碎片离子。如CO和N2分子离子的m/z均为28，但其准确质荷比分别为28.0040和27.9949，高分辨质谱可以识别它们。b)低分辨质谱则不能分辨m/z相差很小的碎片离子，如CO和N2。通常通过同位素相对丰度法来确定分子的化学式。146第七节质谱图及其应用

对于含有Cl,Br,S等同位素天然丰度较高的化合物，其同位素离子峰相对强度可由（a+b)n展开式计算，其中a、b分别为该元素轻重同位素的相对丰度，n

为分子中该元素的原子个数。CH3Cl：因为，a=3,b=1,n=1,因此(3+1)1=3+1

即m/z50(M):m/z52(M+2)=3:1CH2Cl2：因为，a=3,b=1,n=2,因此(3+1)2=9+6+1,

即m/z84(M):m/z86(M+2):m/z88(M+4)=9:6:1CHCl3：因为a=3,b=1,n=3,因此，147第七节质谱图及其应用(3+1)3=27+27+9+1

即m/z118(M):m/z120(M+2):m/z122(M+4):m/z124(M+6)=27:27:9:1对于含有两种或以上的杂原子，则以（a1+b1)n1•(a2+b2)n2•……表示。ClCH2Br:(3+1)1(1+1)1=3+4+1(35Cl,37Cl;79Br,81Br)

即：m/z128(M):m/z130(M+2):m/z132(M+4)=3:4:1

148第七节质谱图及其应用3、结构签定：a)根据质谱图，找出分子离子峰、碎片离子峰、亚稳离子峰、m/z、相对峰高等质谱信息，根据各类化合物的裂规律，重组整个分子结构。b)采用与标准谱库对照的方法.149第七节质谱图及其应用五、质谱定量分析利用质谱离子流强度与离子数目成正比进行定量。1、同位素测定：元素同位素测定和分子同位素测定。

a）C6D6纯度测定：由C6D6+，C6D5H+，C6D4H2+，C6D3H3+等的相对强度确定。b）同位素标记：用稳定同位素来标记化合物，用它作示踪来测定在化学反应或生物反应中该化合物的最终去向，研究反应机理。如酯的水解机理就是用将酯基用18O来标记，然后只要示踪18O是在水解生成的烷醇中，还是在酸中。若在烷醇中则是酰氧断裂；反之则是烷氧断裂。150第七节质谱图及其应用c）同位素年代测定：通过36Ar与40Ar的强度比求出40Ar(由40K经1.3109a衰变而来)含量，再据半衰期求出其年代。2、无机痕量分析：ICP-MS（无机质谱）151第八节质谱联用技术色谱质谱联用仪示意图供气系统气相色谱主机连接系统质谱检测仪152第八节质谱联用技术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