1、7 7 質譜法質譜法質譜法概述質譜法概述質譜根本原理及儀器質譜根本原理及儀器質譜圖及離子類型質譜圖及離子類型質譜運用及解析質譜運用及解析7.1 7.1 質譜法概述質譜法概述1. 1. 質譜儀的開展簡史質譜儀的開展簡史 19121912年：年： 世界第一臺質譜安裝世界第一臺質譜安裝 19401940年代年代: : 質譜儀用于同位素測定質譜儀用于同位素測定 19501950年代：年代：MSMS商品化廣泛用于有機物構造商品化廣泛用于有機物構造分析分析 19601960年代：研討年代：研討GC-MSGC-MS聯用技術聯用技術 19801980年代：研討年代：研討LC-MSLC-MS聯用技術聯用技術 1

2、9901990年代：生物分析的需求，新的離子化年代：生物分析的需求，新的離子化方法方法 2 2 質譜分析法質譜分析法 將樣品轉化為運動的氣態離子并按質荷將樣品轉化為運動的氣態離子并按質荷比比m/zm/z大小進展分別、檢測并記錄的一大小進展分別、檢測并記錄的一種分析方法種分析方法 質譜分析所獲得的結果即離子的相對含量與質荷比之間的關系圖就稱為質譜圖亦稱質譜3 3 質譜中的常用術語：質譜中的常用術語：3)3)質荷比：是指離子的質量與所帶電荷數之比，用質荷比：是指離子的質量與所帶電荷數之比，用m/zm/z表示。表示。m m為組成離子的各元素的原子的標稱原子質為組成離子的各元素的原子的標稱原子質量之和

3、，如量之和，如H 1H 1； C 12C 12，13 13 ；N 14N 14，1515； O 16O 16，1717，1818；Cl 35Cl 35，3737等，這與平常所用的基于不同同位等，這與平常所用的基于不同同位素的豐度而得到的平均原子量不同素的豐度而得到的平均原子量不同1)1)基峰：質譜圖上強度最大的峰，其強度規定為基峰：質譜圖上強度最大的峰，其強度規定為1001002)2)相對豐度相對豐度(relative abundance(relative abundance，RA)RA)：也稱相對強：也稱相對強度度(relative intendity,RI)(relative intend

4、ity,RI)，是相對于質譜圖上最，是相對于質譜圖上最頂峰即基峰的相對百分數頂峰即基峰的相對百分數4) 4) 質量的概念：質量的概念：原子的標稱質量：原子核中質子數目和中子數目原子的標稱質量：原子核中質子數目和中子數目之和之和原子的準確質量：以原子的準確質量：以12C12C為基準的相對原子質量為基準的相對原子質量原子的平均質量：化學組成一樣的原子的平均相原子的平均質量：化學組成一樣的原子的平均相對原子質量對原子質量 低分辨質譜儀給出的是離子的標稱質量，而高分辨質譜儀給出的是離子的準確質量4 4 質譜儀的分類質譜儀的分類 按用途分：有機質譜；無機質譜；同位素質譜按用途分：有機質譜；無機質譜；同位

5、素質譜 按原理分：單聚焦質譜；雙聚焦質譜；四極質按原理分：單聚焦質譜；雙聚焦質譜；四極質譜；飛行時間質譜；盤旋共振質譜譜；飛行時間質譜；盤旋共振質譜 按聯用方式分：氣質聯用；液質聯用；質質聯按聯用方式分：氣質聯用；液質聯用；質質聯用用1) 1) 它是至今獨一可以確定分子質量的方法它是至今獨一可以確定分子質量的方法, ,在高分在高分辨率質譜儀中可以準確測定質量辨率質譜儀中可以準確測定質量2) 2) 質譜法的靈敏度極高質譜法的靈敏度極高, ,鑒定的最小量可達鑒定的最小量可達10-10g,10-10g,檢出限可達檢出限可達10-14g10-14g3) 3) 樣品元素組成樣品元素組成 4) 4) 無機

6、、有機及生物分析的構造無機、有機及生物分析的構造 - - 構造不同，構造不同，分子或原子碎片不同分子或原子碎片不同( (質荷比不同質荷比不同) ) 5) 5) 復雜混合物的定性定量分析復雜混合物的定性定量分析 - - 與色譜方法聯與色譜方法聯用用(GC-MS;LC-MS) (GC-MS;LC-MS) 6) 6) 樣品中原子的同位素比樣品中原子的同位素比 5 5 特點及運用特點及運用7.2 7.2 質譜法原理及儀器質譜法原理及儀器一一 質譜分析法原理質譜分析法原理 將樣品轉化為運動的帶電氣態離子碎片，然后將樣品轉化為運動的帶電氣態離子碎片，然后按質荷比按質荷比(m/z)(m/z)大小分別并記錄的

7、分析方法大小分別并記錄的分析方法 進樣系統進樣系統離子源離子源質量分析器質量分析器檢測器檢測器1.1.氣體分散氣體分散2.2.直接進樣直接進樣3.3.氣相色譜氣相色譜1.1.電子轟擊電子轟擊2.2.化學電離化學電離3.3.場致電離場致電離4.4.激光激光 1. 1.單聚焦單聚焦 2.2.雙聚焦雙聚焦 3.3.飛行時間飛行時間 4.4.四極桿四極桿 二二 儀器組成儀器組成 按質量分析器按質量分析器 ( 或者磁場種類或者磁場種類 ) 可分為靜態可分為靜態儀器和動態儀器，即穩定電磁場儀器和動態儀器，即穩定電磁場(單聚焦及雙單聚焦及雙聚焦質譜儀聚焦質譜儀)和變化電磁場和變化電磁場(飛行時間和四極桿飛行

8、時間和四極桿質譜儀質譜儀) MS儀器普通由真空系統、進樣系統、電離源、儀器普通由真空系統、進樣系統、電離源、質量分析器和檢測系統構成質量分析器和檢測系統構成1. 1. 真空系統真空系統 質譜儀中一切部分均要處高度真空的條件下質譜儀中一切部分均要處高度真空的條件下(10-(10-4-10-6Pa), 4-10-6Pa), 其作用是減少離子碰撞損失。真空度過低，其作用是減少離子碰撞損失。真空度過低，將會引起：將會引起： a)a)大量氧會燒壞離子源燈絲大量氧會燒壞離子源燈絲 b)b)引起其它分子離子反響，使質譜圖復雜化引起其它分子離子反響，使質譜圖復雜化 c)c)干擾離子源正常調理干擾離子源正常調理

9、 d)d)用作加速離子的幾千伏高壓會引起放電用作加速離子的幾千伏高壓會引起放電 普通質譜儀都采用機械泵預抽空后，再用高效率普通質譜儀都采用機械泵預抽空后，再用高效率分散泵延續地運轉以堅持真空?，F代質譜儀采用分子泵分散泵延續地運轉以堅持真空。現代質譜儀采用分子泵可獲得更高的真空度可獲得更高的真空度2. 2. 進樣系統進樣系統 對進樣系統的要求：反復性、不引起真空度降低對進樣系統的要求：反復性、不引起真空度降低 1間接進樣間接進樣 適于氣體、沸點低且易揮發的液體、中等蒸汽適于氣體、沸點低且易揮發的液體、中等蒸汽壓固體。注入樣品壓固體。注入樣品(10-100g)貯樣器貯樣器(1-3L)抽抽真空真空(

10、1Pa)并加熱并加熱1500C樣品蒸汽分子樣品蒸汽分子(壓力梯壓力梯度度)漏隙漏隙高真空離子源高真空離子源2 2 直接探針進樣直接探針進樣 適于高沸點液體及固體樣品適于高沸點液體及固體樣品 探針桿通常是一根規格為探針桿通常是一根規格為25cm6mmi.d.,前端有一包容前端有一包容樣品的陶瓷小凹槽，當探針插入或拉出時，斜置的封鎖樣品的陶瓷小凹槽，當探針插入或拉出時，斜置的封鎖閥就可將真空體系與外界大氣隔絕，通電發熱，使樣品閥就可將真空體系與外界大氣隔絕，通電發熱，使樣品蒸發，對熱穩定的有機化合物普通可加熱到蒸發，對熱穩定的有機化合物普通可加熱到2003000C而不分解，通?？煞治龇菢O性分子的分

11、子量可達而不分解，通?？煞治龇菢O性分子的分子量可達1000u，中等極性分子量達，中等極性分子量達300u優點：優點：1)引入樣品量小，引入樣品量小， 樣品蒸汽壓可以很低樣品蒸汽壓可以很低2)可以分析復雜有機物可以分析復雜有機物3)運用更廣泛運用更廣泛3 3 色譜進樣：利用氣相和液相色譜的分別才色譜進樣：利用氣相和液相色譜的分別才干，進展多組份復雜混合物分析干，進展多組份復雜混合物分析3 3 電離源電離源( (室室) ) 將引入的樣品轉化為正離子，并使將引入的樣品轉化為正離子，并使之加速，聚焦為離子束的安裝。由于離之加速，聚焦為離子束的安裝。由于離子化所需求的能量隨分子不同差別很大，子化所需求的

12、能量隨分子不同差別很大，因此，對于不同的分子應選擇不同的離因此，對于不同的分子應選擇不同的離解方法解方法 根據樣品離子化方式和電離源能量高低，通常可將電離源分為：根據樣品離子化方式和電離源能量高低，通常可將電離源分為：氣相源：先蒸發再激發，適于沸點低于氣相源：先蒸發再激發，適于沸點低于500oC、對熱穩定的樣品、對熱穩定的樣品的離子化，包括電子轟擊源、化學電離源、場電離源、火花源的離子化，包括電子轟擊源、化學電離源、場電離源、火花源解吸源：固態或液態樣品不需求揮發而直接被轉化為氣相，適用解吸源：固態或液態樣品不需求揮發而直接被轉化為氣相，適用于分子量高達于分子量高達105的非揮發性或熱不穩定性

13、樣品的離子化。包的非揮發性或熱不穩定性樣品的離子化。包括場解吸源、快原子轟擊源、激光解吸源、離子噴霧源和大氣括場解吸源、快原子轟擊源、激光解吸源、離子噴霧源和大氣壓化學熱噴霧電離源壓化學熱噴霧電離源 等等硬源：離子化能量高，伴有化學鍵的斷裂，譜硬源：離子化能量高，伴有化學鍵的斷裂，譜圖復雜，可得到分子官能團的信息，如電子圖復雜，可得到分子官能團的信息，如電子轟擊，快原子轟擊轟擊，快原子轟擊軟源：離子化能量低，產生的碎片少，譜圖簡軟源：離子化能量低，產生的碎片少，譜圖簡單，可得到分子量信息，如化學電離源，場單，可得到分子量信息，如化學電離源，場電離源，場解吸電離源，激光解吸電離源，電離源，場解吸

14、電離源，激光解吸電離源，電噴霧電離源，大氣壓化學熱噴霧電離電噴霧電離源，大氣壓化學熱噴霧電離源源 1 1電子轟擊源電子轟擊源 EIEI 電子轟擊法是通用的電離法，是電子轟擊法是通用的電離法，是運用高能電子束從試樣分子中撞出一運用高能電子束從試樣分子中撞出一個電子而產生正離子，即個電子而產生正離子，即 M + e M + e M+2e M+2e 式中式中M M為待測分子，為待測分子，M+M+為分子離子或為分子離子或母體離子母體離子程度方向：加熱燈絲與陽程度方向：加熱燈絲與陽極間極間( (加直流電壓加直流電壓70V) 70V) 高能電子束高能電子束沖擊樣品沖擊樣品正離子正離子垂直方向：垂直方向：G

15、3-G4G3-G4加速電極加速電極( (低電壓低電壓)- )- 較小動能較小動能 - - -狹縫準直狹縫準直G4-G5G4-G5加速加速電極電極( (高電壓高電壓)- )- 較高動較高動能能 - - 狹縫進一步準直狹縫進一步準直 - - - 離子進入質量分析器離子進入質量分析器 EIEI特點特點1 1 運用最廣泛，譜庫最完好運用最廣泛，譜庫最完好2 2 電離效率高電離效率高3 3 構造簡單，操作方便構造簡單，操作方便4 4 分子離子峰很弱或不出現：由于電子能量高分子離子峰很弱或不出現：由于電子能量高達達70 eV70 eV，而大多數有機化合物的電離電位約，而大多數有機化合物的電離電位約為為7-

16、10 eV7-10 eV，因此除生成分子離子外，還要進，因此除生成分子離子外，還要進一步斷裂成碎片離子，約有一步斷裂成碎片離子，約有10-20%10-20%的有機化的有機化合物相對質量較大，極性大，難氣化，熱合物相對質量較大，極性大，難氣化，熱穩定性差的化合物電離時短少分子離子峰穩定性差的化合物電離時短少分子離子峰 2 2化學電離源化學電離源 (CI)(CI) 原理：高能量的電子轟擊反響氣體使之電離，電原理：高能量的電子轟擊反響氣體使之電離，電離后的反響分子再與試樣分子碰撞發生分子離子離后的反響分子再與試樣分子碰撞發生分子離子反響構成準分子離子和少數碎片離子反響構成準分子離子和少數碎片離子 作

17、用過程：樣品分子在接受電子轟擊前，被一種作用過程：樣品分子在接受電子轟擊前，被一種反響氣反響氣( (通常是甲烷通常是甲烷) )稀釋，稀釋比例約為稀釋，稀釋比例約為103:1103:1，因此樣品分子與電子的碰撞幾率極小，所生成的因此樣品分子與電子的碰撞幾率極小，所生成的分子離子主要由反響氣分子組成分子離子主要由反響氣分子組成 4741 這樣就構成了一系列準分子離子QM+而出現(M+1)+，(M-1)+，(M+17)+，(M+29)+等質譜峰+54+2524 CH + MMH +CH C H +M MH +C H 產生M + 1峰+542+2526 CH + M(MH) +CH +H C H +M

18、 (MH) +C H 產生M - 1峰+55+2525 CH + M(MCH ) C H +M (MC H )產生M + 17峰產生M + 29峰進入電離源的樣品分子進入電離源的樣品分子R-CH3R-CH3大部分與大部分與CH5+CH5+碰撞產生碰撞產生(M+1)+(M+1)+離子；小部分與離子；小部分與C2H5+C2H5+反響，生成反響，生成(M-1)+(M-1)+離子離子；極微小部分發生復合反響：；極微小部分發生復合反響： 質子化反響質子化反響復合反響復合反響 CI CI特點：特點：1 1 準分子離子峰即準分子離子峰即(M+1)+(M+1)+峰很強，可提供相對分子質量峰很強，可提供相對分子

19、質量這一重要信息，從而可以推斷出相對分子質量這一重要信息，從而可以推斷出相對分子質量 2 2 碎片峰較少，譜圖簡單，由于電離樣品分子的不是高碎片峰較少，譜圖簡單，由于電離樣品分子的不是高能電子流，而是能量較低的二次離子，鍵斷裂的能夠能電子流，而是能量較低的二次離子，鍵斷裂的能夠性較小，峰的數目隨之減少性較小，峰的數目隨之減少3 3 運用運用CICI時需求將試樣氣化后進入離子源，因此不適用時需求將試樣氣化后進入離子源，因此不適用于難揮發，熱不穩定或極性較大的有機物分析于難揮發，熱不穩定或極性較大的有機物分析3 3 場電離源場電離源 (FI)(FI) 運用強電場運用強電場( (電壓梯度電壓梯度10

20、7-108V/cm)107-108V/cm)誘導樣品電誘導樣品電離離過程：強電場過程：強電場分子電子的量子隧道效應分子電子的量子隧道效應* * 分子熱分解或碰撞分子熱分解或碰撞帶正電荷的碎片離子帶正電荷的碎片離子陽陽極排斥出并加速進入質量分析器極排斥出并加速進入質量分析器 r2.5m1mm 量子隧道效應量子隧道效應: :就是依托強電場就是依托強電場(10-7-10-8Vcm-1)(10-7-10-8Vcm-1)把尖端附近把尖端附近納米處的分子中的電子拉出來，或者說電子在強電場作用下要由納米處的分子中的電子拉出來，或者說電子在強電場作用下要由陰極向陽極挪動，從而脫離樣品分子，構成正離子陰極向陽極

21、挪動，從而脫離樣品分子，構成正離子 電極要求：電極為一鋒利的葉片或金屬絲曲率半徑電極要求：電極為一鋒利的葉片或金屬絲曲率半徑2.5m2.5m，其上長滿微針，故稱金屬胡須發射器。運用微碳針其上長滿微針，故稱金屬胡須發射器。運用微碳針 ( (1m1m，W W絲上的苯基腈裂解生成絲上的苯基腈裂解生成) ) 構成多尖陳列電極可提高電離效率構成多尖陳列電極可提高電離效率 FI FI特點：場致電離源的能量約為特點：場致電離源的能量約為12eV12eV，因此分子離子峰強度，因此分子離子峰強度很大，也很清楚，碎片峰較少也較弱，利于相對分子質量的測定，很大，也很清楚，碎片峰較少也較弱，利于相對分子質量的測定，缺

22、乏分子構造信息缺乏分子構造信息4 4場解吸源場解吸源 (FD) (FD) 類似于場電離源，它也有一個外表長滿“ 胡須(長0.01mm)的陽極發射器(Emitter) 過程：樣品溶液涂于發射器外表通電加熱蒸發除溶劑解吸樣品分子強電場分子電離奔向陰極引入質量分析器 特點：特別適于非揮發性且分子量高的樣品，譜圖最為簡單解吸所需的能量遠低于氣化所需的能量，所以有機化合物不會發生熱分解；離子源的任務溫度略高于室溫，分子離子幾乎不具有過剩的能量，因此根本上不斷裂，分子離子峰的強度比FI強 5 5 火花源火花源 (Spark) (Spark) 針對金屬合金或離子殘渣樣品等非揮發性無機物的針對金屬合金或離子殘

23、渣樣品等非揮發性無機物的分析，類似于分析，類似于AESAES中的激發光源中的激發光源 過程：過程： 30kV 30kV 脈沖電壓脈沖電壓 - - 火花火花 - - 部分高部分高熱熱 - - 樣品元素蒸發樣品元素蒸發 - - 原子或離子原子或離子 - - 經加經加速進入質量分析器進展分別速進入質量分析器進展分別 特點：對于幾乎一切元素的靈敏度較高，可特點：對于幾乎一切元素的靈敏度較高，可達達10-910-9；可以對極復雜樣品進展元素分析，信息比；可以對極復雜樣品進展元素分析，信息比較簡單，普通線性呼應范圍都比較寬，規范核準比較簡單，普通線性呼應范圍都比較寬，規范核準比較容易。但由于儀器設備價錢高

24、昂，操作復雜，限較容易。但由于儀器設備價錢高昂，操作復雜，限制了運用范圍制了運用范圍 6 6 快原子轟擊快原子轟擊(FAB) (FAB) 過程：高速電子過程：高速電子惰性氣體電離惰性氣體電離Ar+Ar+電場電場加速加速高能高能Ar+Ar+電荷交換室電荷交換室高能高能ArAr原原子子撞擊涂有樣品的金屬板撞擊涂有樣品的金屬板能量轉移給樣能量轉移給樣品分子品分子電離電離引入質量分析器引入質量分析器 底物：實驗時通常預先將試樣和底物調和并涂在底物：實驗時通常預先將試樣和底物調和并涂在金屬靶常用銅靶上。常用的底物有甘油、金屬靶常用銅靶上。常用的底物有甘油、硫代甘油、三乙醇胺等，性能良好的底物應是硫代甘油

25、、三乙醇胺等，性能良好的底物應是相對分子質量小、沸點高、對試樣的質譜干擾相對分子質量小、沸點高、對試樣的質譜干擾小等小等 FABFAB特點：無需氣化，整個過程可在室溫下進展，特點：無需氣化，整個過程可在室溫下進展，有較強的分子離子峰，適宜于高極性，大相對有較強的分子離子峰，適宜于高極性，大相對分子質量，低蒸氣壓，熱穩定性差的試樣，試分子質量，低蒸氣壓，熱穩定性差的試樣，試樣用量少并可回收樣用量少并可回收(7) (7) 電噴霧電離源電噴霧電離源ESI)ESI) 電噴霧電離源主要運用于LC-MS聯用，它是LC和MS之間的接口安裝，又是電離源 原理：主要部件是兩層套管組成的電噴霧噴嘴，內層是LC流出

26、物，外層是霧化氣常用氮氣，噴嘴上加電壓，在霧化的同時，樣品電離，構成帶有高電荷微粒的霧，再運用N2氣簾阻撓中性的溶劑分子，只讓樣品離子在電壓梯度下進入質量分析器 特點：適用于強極性，大分子量的樣品分特點：適用于強極性，大分子量的樣品分析如肽，蛋白質，糖等；產生的離子帶有析如肽，蛋白質，糖等；產生的離子帶有多電荷；主要用于液相色譜質譜聯用儀多電荷；主要用于液相色譜質譜聯用儀(8) (8) 大氣壓化學電離源大氣壓化學電離源APCI)APCI)原理：構造和電噴霧電離源類似，不同在原理：構造和電噴霧電離源類似，不同在于噴嘴下放一針狀放電電極，經過它的高于噴嘴下放一針狀放電電極，經過它的高壓放電，使空氣

27、中某些分子產生壓放電，使空氣中某些分子產生H3O+, H3O+, N2+,O2+,O+N2+,O2+,O+離子，這些離子再和分析物分離子，這些離子再和分析物分子發生分子離子反響使它們離子化，構成子發生分子離子反響使它們離子化，構成質子轉移，加成物等準分子離子質子轉移，加成物等準分子離子特點：特點：APCIAPCI主要產生的是單電荷離子，所主要產生的是單電荷離子，所分析的化合物的相對分子量通常小于分析的化合物的相對分子量通常小于10001000(9) (9) 激光解吸源激光解吸源LD)LD)原理：利用一定波長的脈沖激光照射樣品，使原理：利用一定波長的脈沖激光照射樣品，使樣品電離。被分析物質放在涂

28、有基質的靶上，樣品電離。被分析物質放在涂有基質的靶上，激光于極短時間照射，基質吸收能量并且把能激光于極短時間照射，基質吸收能量并且把能量傳給被分析物質，和它們一同蒸發到氣相并量傳給被分析物質，和它們一同蒸發到氣相并使樣品分子電離使樣品分子電離特點：也稱為基質輔助激光解吸電離源特點：也稱為基質輔助激光解吸電離源MALDIMALDI，屬于軟電離技術，特別適宜飛行時間質譜，屬于軟電離技術，特別適宜飛行時間質譜儀儀TOFTOF，激光電離源必需有適宜基質才干有，激光電離源必需有適宜基質才干有好的離子產率，常用基質有好的離子產率，常用基質有2 2，5 5二羥基苯甲酸二羥基苯甲酸，芥子酸，煙酸等，適宜分析生

29、物大分子，芥子酸，煙酸等，適宜分析生物大分子4 4 質量分析器質量分析器 作用：將不同離子碎片按質荷比作用：將不同離子碎片按質荷比 m/z 分開，分開，將一樣將一樣m/z的離子聚集在一同，組成質譜的離子聚集在一同，組成質譜 質量分析器類型：磁分析器、飛行時間、四極質量分析器類型：磁分析器、飛行時間、四極桿、離子捕獲等桿、離子捕獲等 1 1 磁分析器磁分析器原理：主要部分是一對電磁鐵原理：主要部分是一對電磁鐵( (常用扇形常用扇形),),當離子源中當離子源中產生的離子束產生的離子束( (通常是正離子束通常是正離子束) )經加速電場加速后經加速電場加速后, ,以以一定的速度進入垂直于離子運動方向的

30、均勻磁場時一定的速度進入垂直于離子運動方向的均勻磁場時, ,正正離子在磁場施加的向心力的作用下離子在磁場施加的向心力的作用下, ,改動運動方改動運動方向向( (磁場不改動離子磁場不改動離子的運動速度的運動速度) )作圓周作圓周運動，運動軌道半徑運動，運動軌道半徑與運動速度、磁場強與運動速度、磁場強度、離子的質荷比有度、離子的質荷比有關關設離子的電荷為設離子的電荷為z,z,質量為質量為m,m,加速電場的電壓為加速電場的電壓為U,U,進入磁進入磁場時的運動速度為場時的運動速度為v,v,那么那么 212zUmv假設磁場強度為假設磁場強度為H,H,運動軌道半徑為運動軌道半徑為R,R,那么由于離子作圓那

31、么由于離子作圓周運動的離心力等于磁場力，因此：周運動的離心力等于磁場力，因此： 2mvHzvR 經過延續改動H、R、U這三個參數中的任一個并堅持其他兩個不變的方法,就可以使不同質荷比的離子順序到達檢測器產生信號而獲得質譜圖 合并上述兩式，可得：合并上述兩式，可得：222mH RzU磁分析器質譜方程式磁分析器質譜方程式 (a) (a)固定固定H H和和U U，改動，改動R R，即經過挪動檢測器，即經過挪動檢測器狹縫位置來搜集不同狹縫位置來搜集不同R R處的離子或以感光板照相處的離子或以感光板照相技術記錄的不同技術記錄的不同m/zm/z的離子得到色譜圖的離子得到色譜圖 (b)(b)現代質譜儀通常是

32、堅持現代質譜儀通常是堅持R R不變，經過掃不變，經過掃描電場描電場U U或磁場或磁場H H，使不同，使不同m/zm/z離子依次經過固定離子依次經過固定狹縫來獲得質譜圖狹縫來獲得質譜圖原理：以一定發散角度和能量原理：以一定發散角度和能量/ /速度的離子，進入速度的離子，進入質量分析器后，一方面會使離子束按質荷比的大質量分析器后，一方面會使離子束按質荷比的大小分別順序到達檢測器；另一方面能量小分別順序到達檢測器；另一方面能量/ /速度速度一樣的，角度不同的一樣質荷比離子，以一樣的一樣的，角度不同的一樣質荷比離子，以一樣的半徑半徑R=mv/zHR=mv/zH到達檢測器即重新會聚起來，到達檢測器即重新

33、會聚起來，成為方向聚焦；能量成為方向聚焦；能量/ /速度不同的一樣質荷比離子速度不同的一樣質荷比離子那么以不同的半徑到達檢測器，無法聚焦那么以不同的半徑到達檢測器，無法聚焦 特點：聚焦方向，無法聚焦能量，故其分辨率較特點：聚焦方向，無法聚焦能量，故其分辨率較低，普通為低，普通為5000 5000 1單聚焦質量分析器單聚焦質量分析器能量一樣，方能量一樣，方向不同的離子向不同的離子半徑一樣半徑一樣能量不同，方能量不同，方向不同的離子向不同的離子半徑不同半徑不同2雙聚焦質量分析器雙聚焦質量分析器 原理：為抑制動能或速度原理：為抑制動能或速度“分散的問題，即實現所謂分散的問題，即實現所謂的的“速度聚焦

34、，在離子源和磁分析器之間加一靜電分速度聚焦，在離子源和磁分析器之間加一靜電分析器，質量一樣能量不同的離子經過電場后會產生能量析器，質量一樣能量不同的離子經過電場后會產生能量色散不同能量以不同半徑運動，磁場對不同能量的色散不同能量以不同半徑運動，磁場對不同能量的離子也能產生能量色散，假設能使電場和磁場對于能量離子也能產生能量色散，假設能使電場和磁場對于能量產生的色散相互補償大小相等，方向相反，就能實產生的色散相互補償大小相等，方向相反，就能實現能量聚焦現能量聚焦 磁場對離子的作器具有磁場對離子的作器具有可逆性：由某一方向進可逆性：由某一方向進入磁場的質量一樣的離入磁場的質量一樣的離子，進入磁場后

35、，會以子，進入磁場后，會以一定能量順序分開；反一定能量順序分開；反之，從相反方向進入磁之，從相反方向進入磁場的以一定能量順序陳場的以一定能量順序陳列的質量一樣的離子，列的質量一樣的離子，經過磁場后會聚集在一經過磁場后會聚集在一同同 特點：普通商品化雙聚焦質譜儀的分辨率可特點：普通商品化雙聚焦質譜儀的分辨率可達達150000150000，質量測定準確度可達，質量測定準確度可達0.03gg-10.03gg-1，即對于相對分子質量為，即對于相對分子質量為600600的化合物可測至誤差上的化合物可測至誤差上0.0002u0.0002u 2 2飛行時間分析器飛行時間分析器 這種分析器的離子分別是非磁方式

36、到達的，由于從離子源飛出的離子動能根本一致，在飛出離子源后進入一長約1m的無場漂移管，在離子加速后的速度為： 此離子到達無場漂移管另一端的時間為： t = L/ 故對于具有不同m/z的離子，到達終點的時間不一樣： mzUvzUmv222 由此可見，t 取決于m/z的平方根之差 由于延續電離和加速將導致檢測器的延續輸出而無法獲得有用信息由于按時間分別，所以TOF是以大約10KHz的頻率進展電子脈沖轟擊法產生正離子，隨即用一具有一樣頻率的脈沖加速電場加速，被加速的粒子按不同的m/z1/2的時間經漂移管到達搜集極上，并饋入一個程度掃描與電場脈沖頻率一致的示波器上，從而得到質譜圖 特點：特點： A)儀

37、器構造簡單儀器構造簡單,操作容易操作容易,不需求磁場、電場等不需求磁場、電場等 B)無聚焦狹縫，靈敏度很高無聚焦狹縫，靈敏度很高 C)可用于大分子的分析幾十萬原子量單位可用于大分子的分析幾十萬原子量單位 D)掃描速度快掃描速度快(1000幅幅/s)，可用于研討快速反響或與，可用于研討快速反響或與GC聯用聯用 E)分辨率比磁分析器稍差，受飛行間隔的限制分辨率比磁分析器稍差，受飛行間隔的限制 3 3四極濾質器四極濾質器 過程：又稱為四極桿質量分析器，由四根截面為雙曲面或圓形的平行桿組成，對角的電極為一組，用導線相聯，電位相等，兩組電極間加上一定的直流電壓和頻率為射頻范圍的交流電壓 當高速運動的離子

38、束穿過準直小孔進入四極桿當高速運動的離子束穿過準直小孔進入四極桿之間的空間時，在高頻電場的作用下發生振蕩，之間的空間時，在高頻電場的作用下發生振蕩，在一定的電壓和頻率下，只需一種質荷比的離子在一定的電壓和頻率下，只需一種質荷比的離子會構成穩定的振蕩經過四極桿到達檢測器，其他會構成穩定的振蕩經過四極桿到達檢測器，其他離子那么因振幅不斷增大，撞在電極上而被過濾離子那么因振幅不斷增大，撞在電極上而被過濾掉掉 假設使交流電壓的頻率不變，延續的改動直流假設使交流電壓的頻率不變，延續的改動直流和交流電壓的大小堅持他們的比例不變電和交流電壓的大小堅持他們的比例不變電壓掃描或堅持電壓不變延續的改動交流電壓的壓

39、掃描或堅持電壓不變延續的改動交流電壓的頻率頻率掃描，就可使不同質荷比的離子依頻率頻率掃描，就可使不同質荷比的離子依次到達檢測器次到達檢測器 特點：分辨率比磁分析器略低特點：分辨率比磁分析器略低(max.2000); (max.2000); m/zm/z范圍與磁分析器相當；傳輸效率較范圍與磁分析器相當；傳輸效率較高；掃描速度快，可用于高；掃描速度快，可用于GC-MS GC-MS 聯用儀聯用儀 4 4離子阱離子阱 過程：上下端罩電極與左右環電極構成可變電場構成阱，當直流電壓和射頻電壓一定時，只需特定m/z的離子能在阱中指定的軌道上穩定旋轉，并可長時間留在阱內，其它離子將偏出軌道并與環電極發生碰撞而

40、消逝 當一組由電離源當一組由電離源( (化學電離源或電子轟擊源化學電離源或電子轟擊源) )產生的離子由上端小孔中進人阱中后，射頻電產生的離子由上端小孔中進人阱中后，射頻電壓開場掃描，墮入阱中離子的軌道那么會依次壓開場掃描，墮入阱中離子的軌道那么會依次發生變化而從底端分開環電極腔，從而被檢測發生變化而從底端分開環電極腔，從而被檢測器檢測器檢測 特點：構造簡單、易于操作、特點：構造簡單、易于操作、GCGCMSMS聯用可聯用可用于用于m/z 200-2000 m/z 200-2000 的分子分析的分子分析5 5 檢測與記錄檢測與記錄 質譜儀常用的檢測器有法拉第杯杯和質譜儀其質譜儀常用的檢測器有法拉第

41、杯杯和質譜儀其他部分堅持一定電位差以便捕獲離子產生電流放大、他部分堅持一定電位差以便捕獲離子產生電流放大、電子倍增器及閃爍計數器、照相底片等電子倍增器及閃爍計數器、照相底片等 現代質譜儀普通都采用較高性能的計算機對產生的現代質譜儀普通都采用較高性能的計算機對產生的信號進展快速接納與處置，同時經過計算機可以對儀信號進展快速接納與處置，同時經過計算機可以對儀器條件等進展嚴厲的監控，從而使精細度和靈敏度都器條件等進展嚴厲的監控，從而使精細度和靈敏度都有一定程度的提高有一定程度的提高 三三 質譜儀的主要性能目的質譜儀的主要性能目的1 1 質量測定范圍質量測定范圍 1 1質譜儀的質量測定范圍表示質譜儀所

42、能進質譜儀的質量測定范圍表示質譜儀所能進展分析的樣品的相對原子質量或相對分子質展分析的樣品的相對原子質量或相對分子質量范圍，通常采用原子質量單位量范圍，通常采用原子質量單位u u進展進展度量度量 2 2測定氣體用的質譜儀，普通質量測定范圍測定氣體用的質譜儀，普通質量測定范圍在在2 2100100，而有機質譜儀普通可達幾千，現代，而有機質譜儀普通可達幾千，現代質譜儀甚至可以研討相對分子量達幾十萬的生質譜儀甚至可以研討相對分子量達幾十萬的生化樣品化樣品 3 3運用電噴霧離子源，由于構成多電荷運用電噴霧離子源，由于構成多電荷離子，可以測定的分子量可以到達離子，可以測定的分子量可以到達10000010

43、0000 4 4四極桿分析器質量范圍不大于四極桿分析器質量范圍不大于30003000；而飛行時間分析器可以到達幾十萬。對于而飛行時間分析器可以到達幾十萬。對于GC-MSGC-MS，分子量普通不超越，分子量普通不超越500500，而，而LC-MSLC-MS由于分析對象經常是生物大分子，質量范由于分析對象經常是生物大分子，質量范圍寬圍寬 5 5總之質量范圍和離子源，分析器種類總之質量范圍和離子源，分析器種類以及分析對象有關以及分析對象有關 所謂分辨身手，是指質譜儀分開所謂分辨身手，是指質譜儀分開相鄰質量數離子的才干相鄰質量數離子的才干, ,即：即： 對兩個相等強度的相鄰峰，當兩對兩個相等強度的相鄰

44、峰，當兩峰間的峰谷不大于其峰高峰間的峰谷不大于其峰高10%10%時，以時，以為兩峰曾經分開，其分辨率為：為兩峰曾經分開，其分辨率為： 其中其中m1m1、m2m2為質量數，且為質量數，且m1m2m1 共軛烯共軛烯 烯烯 脂環脂環 羰基化合物羰基化合物 直鏈直鏈碳氫化合物碳氫化合物 醚醚 脂脂 胺胺 酸酸 醇醇 支鏈烴支鏈烴1)1)碳數較多，碳鏈較長和有鏈分支的分子，碳數較多，碳鏈較長和有鏈分支的分子，分裂幾率高，其分子離子峰的穩定性低分裂幾率高，其分子離子峰的穩定性低2)2)具有具有鍵的芳香族化合物和共軛鏈烯分子鍵的芳香族化合物和共軛鏈烯分子離子穩定，分子離子峰大離子穩定，分子離子峰大3)3)在

45、同系物中，相對分子質量越大那么越容在同系物中，相對分子質量越大那么越容易發生化學鍵的斷裂所以分子離子峰相對強易發生化學鍵的斷裂所以分子離子峰相對強度越小度越小如何識別分子離子峰？如何識別分子離子峰？ 首先在高質荷比區假定分子離子峰，首先在高質荷比區假定分子離子峰，判別分子離子峰與相鄰碎片離子峰的關判別分子離子峰與相鄰碎片離子峰的關系能否合理，然后判別能否符合氮律。系能否合理，然后判別能否符合氮律。存在同位素峰時，會有質量高存在同位素峰時，會有質量高1 12 2個單個單位的峰，但這種峰的強度普通很弱或很位的峰，但這種峰的強度普通很弱或很容易區分容易區分一一) ) 高分辨質譜：可分辨質荷比相差很小

46、的高分辨質譜：可分辨質荷比相差很小的分子離子或碎片離子。如分子離子或碎片離子。如COCO和和N2N2分子離子的分子離子的m/zm/z均為均為2828，但其準確質荷比分別為，但其準確質荷比分別為28.004028.0040和和27.994927.9949，高分辨質譜可以識別它們，高分辨質譜可以識別它們二二) ) 低分辨質譜低分辨質譜: :那么不能分辨那么不能分辨m/zm/z相差很小相差很小的碎片離子，如的碎片離子，如COCO和和N2N2。通常經過同位素相對。通常經過同位素相對豐度法來確定分子的化學式豐度法來確定分子的化學式二二 化學式確實定化學式確實定1 1 常見同位素的天然豐度表常見同位素的天

47、然豐度表3:11:1從豐度表可以得到的信息：從豐度表可以得到的信息：1 1常見同位素的準確質量，天然豐度及不同常見同位素的準確質量，天然豐度及不同同位素間的豐度比同位素間的豐度比2 2對于含一個同位素原子的分子，比如含一對于含一個同位素原子的分子，比如含一個個ClCl原子的原子的CH3ClCH3Cl分子，重同位素與輕同位素分子，重同位素與輕同位素的強度比就等于各自的豐度比的強度比就等于各自的豐度比1 1：3,WHY? 3,WHY? 由于：假設該化合物含有四個分子的話，由于：假設該化合物含有四個分子的話，其中其中3 3個分子中個分子中ClCl原子為原子為35Cl35Cl，一個分子中，一個分子中C

48、lCl原子為原子為37Cl37Cl；又由于質譜峰的強度對應于該種；又由于質譜峰的強度對應于該種離子數目的多少，所以該化合物的分子離子峰離子數目的多少，所以該化合物的分子離子峰就比其重同位素峰的強度高就比其重同位素峰的強度高3 3倍，所以在含一倍，所以在含一個個ClCl的化合物中，的化合物中，M+2/MM+2/M就約為就約為1 1：3 33 3從表可以看出，從表可以看出，34S34S、37Cl37Cl、81Br81Br對對M+2M+2峰有較峰有較大奉獻；對于大奉獻；對于C C、H H、O O、N N組成的化合物，組成的化合物，M+1M+1峰主要峰主要是是13C13C、15N15N的奉獻，的奉獻，

49、M+2M+2峰主要是峰主要是2 2個個13C13C同時出現和同時出現和18O18O的奉獻，因此不同的分子式，其的奉獻，因此不同的分子式，其(M+1)/M(M+1)/M和和(M+2)/M(M+2)/M的百分比不同，只需用質譜法測出分子離子的百分比不同，只需用質譜法測出分子離子峰及其同位素峰的相對強度，就能根據其峰及其同位素峰的相對強度，就能根據其(M+1)/M(M+1)/M和和(M+2)/M(M+2)/M的百分比推測分子式的百分比推測分子式1 1不含不含Cl, Br, SCl, Br, S等高豐度同位素等高豐度同位素 對于一個對于一個CwHxNyOzCwHxNyOz的化合物，離子峰相對強的化合物

50、，離子峰相對強度與其中各元素的天然豐度及存在個數成正比，度與其中各元素的天然豐度及存在個數成正比，其同位素離子峰其同位素離子峰(M+l)+(M+l)+、(M+2)+(M+2)+與分子離子峰與分子離子峰M+M+的強度之比為的強度之比為 2 同位素相對豐度法同位素相對豐度法%100)76.9904. 0()63.9937. 0()98.99015. 0()9 .981 . 1(%1zyxwIIMM%10076.992 . 076.9904. 063.99037. 098.99015. 09 .981 . 121%22222zzyxwIIMM)%37.01.1(%1ywIIMM%2.0200)1.1

51、(%22zwIIMM 忽略忽略2H,17O2H,17O影響，那么上述二式略為影響，那么上述二式略為利用準確測定的利用準確測定的(M+1)/M(M+1)/M，(M+2)/M(M+2)/M，可從貝農，可從貝農表中查出最能夠的化學式，再結合氮律及其他表中查出最能夠的化學式，再結合氮律及其他規那么，確定化學式規那么，確定化學式貝農表：計算分子量貝農表：計算分子量500500，含有碳氫氧氮的各，含有碳氫氧氮的各種能夠的組合式的同位素豐度比，這些組合式種能夠的組合式的同位素豐度比，這些組合式并不一定就是分子式。暫且把這些組合式當成并不一定就是分子式。暫且把這些組合式當成分子式看，根據對四種元素組合式的同位

52、素豐分子式看，根據對四種元素組合式的同位素豐度計算的結果，貝農在表中列出了各種組合式度計算的結果，貝農在表中列出了各種組合式的的M+1/MM+1/M和和(M+2/M)(M+2/M)的數值，均以百分數表的數值，均以百分數表示示 2 2對于含有對于含有ClCl或或BrBr高豐度同位素的化高豐度同位素的化合物，其同位素離子峰相對強度可由合物，其同位素離子峰相對強度可由a+b)na+b)n展開式計算，其中展開式計算，其中a a、b b分別為該分別為該元素輕重同位素的相對豐度，元素輕重同位素的相對豐度，n n為分子中為分子中該元素的原子個數該元素的原子個數ClCl：a=3; b=1a=3; b=1Br:

53、 a=1; b=1Br: a=1; b=11 1CH3ClCH3Cl的分子離子的分子離子CH3Cl+,35Cl/37Cl=100/32.5=3/1CH3Cl+,35Cl/37Cl=100/32.5=3/1，所以，所以a=3,b=1,n=1, (a+b)n=3+1a=3,b=1,n=1, (a+b)n=3+1，因此，因此CH3Cl+CH3Cl+的質譜的質譜圖上出現圖上出現m/zm/z為為5050和和52(52(即即M M、M+2)M+2)的雙峰，強度比為的雙峰，強度比為3:13:12 2CHCl3CHCl3的分子離子的分子離子CHCl3+CHCl3+，a=3,b=1,n=3, a=3,b=1,n

54、=3, (a+b)n=(a+b)3=a3+3a2b+3ab2+b3=27+27+9+1(a+b)n=(a+b)3=a3+3a2b+3ab2+b3=27+27+9+1，因此質，因此質譜圖上出現譜圖上出現m/zm/z為為118118、120120、122122和和124124即即M M、M+2M+2、M+4M+4、M+6M+6組成的四連峰，其強度比為組成的四連峰，其強度比為27:27:9:127:27:9:13 3如化合物中同時含有氯和溴的同位素，那么如化合物中同時含有氯和溴的同位素，那么用用(a+b)m(c+d)n(a+b)m(c+d)n的展開式的系數推算的展開式的系數推算例如某分子中含有例如某

55、分子中含有ClCl和和BrBr各一個，那么各一個，那么35Cl79Br35Cl79Br為為M M峰峰, , 35Cl81Br35Cl81Br為為M+2M+2峰峰,37Cl79Br,37Cl79Br為為M+2M+2峰峰,37Cl81Br,37Cl81Br為為M+4M+4峰峰, ,其強度比可如下推算：其強度比可如下推算： 由于由于35Cl/37Cl=100/32.5=3/1,79Br/81Br=100/97.9=1/1, 35Cl/37Cl=100/32.5=3/1,79Br/81Br=100/97.9=1/1, 所以所以 a=3a=3，b=1b=1，m=1m=1，c=1c=1，d=1d=1，n=

56、1 n=1 (a+b)m(c+d)n=(a+b)1(c+d)1=ac+ad+bc+bd=3+4+1(a+b)m(c+d)n=(a+b)1(c+d)1=ac+ad+bc+bd=3+4+1因此其因此其M M、M M2 2和和M M4 4峰的強度比為峰的強度比為3:4:13:4:1 對于只含C、H、O、N組成的化合物，根據測定的同位素峰的相對強度可以經過查表推測分子的組成 假設分子中含有S、P、F、Cl、Br、I、M代表金屬元素等元素，應從分子量中減去這些元素的原子量以及這些元素對M+2/M; M+1/M的奉獻后再查閱Beynon表 先在譜圖最右端找分子離子峰，假設高質荷比峰延續有先在譜圖最右端找分

57、子離子峰，假設高質荷比峰延續有24個，個，闡明存在同位素峰或闡明存在同位素峰或M+1峰以及峰以及M-1峰，由譜圖或譜表讀出同位素峰，由譜圖或譜表讀出同位素的相對強度，然后根據同位素的相對強度比就可判別能否含有的相對強度，然后根據同位素的相對強度比就可判別能否含有Cl, Br, S 等同位素，假設等同位素，假設M+2/M的值接近的值接近32.4闡明含有闡明含有Cl原子，假設原子，假設M+2/M的值接近的值接近97.9闡明含有闡明含有Br原子，假設原子，假設M+2/M的值接近的值接近4.4闡闡明含有明含有S原子原子 利用貝農表查分子式時，要先扣除利用貝農表查分子式時，要先扣除Cl, Br, S的質

58、量，并扣除它們對的質量，并扣除它們對同位素峰強度比值的奉獻，同位素峰強度比值的奉獻，Cl, Br,扣除扣除M+2/M；S扣除扣除M+2/M和和M+1/M。經校正后的分子量和同位素強度比值可用貝農表來確。經校正后的分子量和同位素強度比值可用貝農表來確定定CHON的數目；也可利用公式推算的數目；也可利用公式推算CON的數目，最后根據分子的數目，最后根據分子量扣除了量扣除了Cl, Br, S和和CON的質量，也就是經過校正后的質量計的質量，也就是經過校正后的質量計算算H的數目的數目如何利用同位素相對豐度法推導化合物的分子式如何利用同位素相對豐度法推導化合物的分子式例例: :質譜測得質譜測得A A、B

59、 B、C C三種化合物的分子離子峰的三種化合物的分子離子峰的m/zm/z均均為為150150，其，其(M+1)(M+1)、(M+2)(M+2)相對于相對于M+M+的強度百分比分別如的強度百分比分別如下下, ,要求查要求查BeynonBeynon表，推測其分子式。表，推測其分子式。 A. m/z B. m/z C. m/zA. m/z B. m/z C. m/z 151(M+1) 10.0 151(M+1) 5.6 151(M+1) 10.8 151(M+1) 10.0 151(M+1) 5.6 151(M+1) 10.8 152(M+2) 0.8 152(M+2) 98.0 152(M+2)

60、5.0 152(M+2) 0.8 152(M+2) 98.0 152(M+2) 5.0解：解：A A由由A A的的M+1M+1、M+2M+2的強度比判別，分子中應該的強度比判別，分子中應該沒有沒有 S S、ClCl、BrBr等同位素存在，等同位素存在，BeynonBeynon表中，相對分表中，相對分子質量為子質量為150150的分子式共有的分子式共有2929個，其中個，其中(M+1)/M(M+1)/M的百分的百分比在比在9 91111的分子式有的分子式有7 7個：個： 分子式 (M+1)/M (M+2)/M1. C7H10N4 9.25 0.382. C8H8NO2 9.23 0.783. C