第十二章

質譜分析法12.1.1

概述12.1.2質譜儀與質譜分析原理12.1.3質譜儀類型12.1.4主要離子源12.1.5質量分析器12.1.6質譜聯用儀器12.1.7質譜性能指標第一節質譜儀類型及構成massspectrometry，MSKindsofmassspectrometer2023/2/612.1.1概述

相對分子質量精確測定與化合物結構分析的重要工具；第一臺質譜儀：1912年；早期應用：相對原子質量、同位素等的測量；現代：有機化合物結構鑒定的重要工具；特殊性：聯用技術，相對分子質量測定。M+(M–R2)+(M–R3)+(M–R1)+發展過程：

20世紀40年代：高分辨率質譜儀出現，有機化合物結構分析；

20世紀60年代末：色譜-質譜聯用儀出現，有機混合物分離分析；促進天然有機化合物結構分析的發展；

20世紀90年代：基質輔助激光解吸電離源、電噴霧電離源、大氣壓化學電離源，開創了質譜技術研究生物大分子的新領域。

2002年由于“發明了用于生物大分子的電噴霧離子化和基質輔助激光解吸離子化質譜分析法”，美國科學家約翰·芬恩與日本科學家田中耕一共享該年度諾貝爾化學獎。

原理與結構儀器原理圖進樣系統離子源質量分析器檢測器真空系統進樣裝置氣體擴散；插入式直接進樣桿：適用于有一定揮發性的固體或高沸點液體試樣；色譜作為進樣裝置。離子源離子源的功能是提供能量將待分析試樣電離，組成由不同質荷比（m/z）離子組成的離子束。++++:R1:R2:R3:R4:e+M+(M-R2)+(M-R3)+MassSpectrum(M-R1)+質量分析器特點對比檢測器（1）電子倍增管15～18級；可測出10-17A微弱電流。（2）渠道式電子倍增器陣列12.1.3質譜儀的類型1.無機質譜儀火花源雙聚焦質譜儀（SSMS），電感應耦合等離子體質譜儀（ICP-MS）和二次離子質譜儀（SIMS）等。

2.同位素質譜儀

小型低分辨同位素質譜儀：輕元素(H，C，S等)大型高分辨的同位素質譜儀：重元素(U，Pu，Pb等)3.有機質譜儀

——用途最廣的質譜儀4.生物質譜儀

電噴霧電離質譜儀（ESI-MS），基質輔助激光解吸電離質譜儀（MALDI-MS），快原子轟擊質譜儀（FAB-MS），離子噴霧電離質譜儀（ISI-MS），大氣壓電離質譜儀（API-MS）等。

12.1.4主要離子源一、電子轟擊離子源ElectronIonization(EI)源應用最廣，標準譜圖。++++:R1:R2:R3:R4:e+M+(M–R2)+(M–R3)+MassSpectrum(M–R1)+EI源的特點：電離效率高，靈敏度高；應用最廣，標準質譜圖基本都是采用EI源得到的；穩定，操作方便，電子流強度可精密控制；結構簡單，控溫方便。EI源：可變的離子化能量

(10～240eV)

對于易電離的物質降低電子能量，而對于難電離的物質則加大電子能量（常用70eV）。電子能量電子能量分子離子增加碎片離子增加化學電離源反應過程：

CH4+e→CH4+·+2eCH4+·→CH3++H·

CH4+和CH3+很快與大量存在的CH4分子起反應，即

CH4+·+CH4→CH5++CH3·CH3++CH4→C2H5++H2

CH5+和C2H5+不與中性甲烷進一步反應，與試樣分子(XH)

CH5++XH→XH?CH5+→XH2+

?CH4M+17C2H5+＋XH→XH?C2H5+→X+

?C2H6M+29化學電離法可以大大簡化質譜，若采用酸性比CH5+更弱的C4H9+（異丁烷）、NH4+（氨）的試劑離子，則可更進一步簡化。

化學電離源（CI）與電子轟擊電離源(EI)質譜圖對比三、快原子電離源（FAB）a.氬氣離子，加速、碰撞，電荷和能量轉移高能原子束。b.高能粒子打在置于涂有非揮發性底物靶上的試樣分子使其電離。

不加熱汽化，特別適合于相對分子質量大，難揮發或熱穩定性差的試樣分析，例如肽類、低聚糖、天然抗生素。有較強的準分子離子峰和較豐富的碎片離子信息。

四、電噴霧電離源（ESI）軟電離方式，易形成多電荷離子[M+nH]n+。

特別適合于分析極性強熱穩定性差的大分子，如蛋白質、肽、糖等。液相色譜-質譜聯用接口。電噴霧電離源（ESI）：LC-MS結構流程電噴霧電離電噴霧產生多電荷離子，相對分子質量M計算：選相鄰峰，電荷n，n+1m1=(M+n)/2m2=(M+n+1)/(n+1)計算結果如表。不適用于非極性化合物電噴霧電離-多電荷離子七、場電離源（FI）與場解吸源（FD）電壓：7~10kV；d<1mm；強電場將分子中拉出一個電子；分子離子峰強；碎片離子峰少；不適合化合物結構鑒定。陽極+++++++++++++陰極d<1mm場電離源（FI）與電子轟擊電離源(EI)質譜圖對比場解吸源(FD)化學電離源(CI)電子轟擊電離源(EI)質譜圖對比主要離子源特點對比12.1.5質量分析器在磁場存在下，帶電離子按曲線軌跡飛行；

離心力=向心力；m

2/R=B0zV曲率半徑：

R=m

/（

zB0）質譜方程式：m/z=B02R2/(2V)離子在磁場中的軌道半徑R取決于：m/z

，B0

，V。改變加速電壓V，可以使不同m/z

的離子進入檢測器。加速后離子的動能：(1/2)m

2=zV

=[(2V)/(m/z)]1/2一、單聚焦磁場分析器方向聚焦：相同質荷比，入射方向不同的離子會聚；分辨率不高缺少能量聚焦。二、雙聚焦分析器方向聚焦：

相同質荷比，入射方向不同的離子會聚；能量聚焦：

相同質荷比，速度(能量)不同的離子會聚。

質量相同，能量不同的離子通過電場和磁場時，均產生能量色散；兩種作用大小相等，方向相反時互補實現雙聚焦。雙聚焦分析器三、四極桿質量分析器離子在場的作用下產生振動，如果質量為m，電荷為z的離子進入四極場，運動方程是

保持Vdc/Vrf不變(直流電壓/射頻電壓振幅)，改變Vrf值。對應于一個Vrf值，四極場只允許一種質荷比的離子通過。特點：分辨率較高，分析速度極快（適合聯用儀器）；缺點：準確度和精密度低于雙聚焦型。四極桿質量分析器四極桿質量分析器五、飛行時間質量分析器離子以速度v進入自由空間（漂移區），假定離子在漂移區飛行的時間為t，漂移區長度為L，則特點：質量范圍寬，掃描速率快，不需電場和磁場。分辨率低：原因在于離子進入漂移管前的時間分散、空間分散和能量分散。能量相同，質量越大，達到接收器的時間越長。t=L(m/2zV)1/2

六、

離子阱質量分析器環電極和上下兩端蓋電極，均為繞z軸旋轉的雙曲面，并滿足：r20=2Z20

r0為環形電極的最小半徑，Z0為兩個端蓋電極間的最短距離。直流電壓U和射頻電壓Vrf加在環電極和端蓋電極之間。在穩定區內的離子，軌道振幅一定，可以長時間留在阱內。一定質量的離子，在一定的U和Vrf下，可以處在穩定區。如果在引出電極上加負電壓，可以將離子從阱內引出，U和射頻電壓Vrf加在環電極和端蓋電極之間。離子阱質量分析器七、傅里葉變換離子回旋共振質量分析器（Fouriertransformioncyclotronresonanceanalyzer,FTICR）三對相互垂直的平行板電極組成，置于高真空和由超導磁體產生的強磁場中。

第一對電極：捕集極，與磁場方向垂直，加有適當正電壓，其目的是延長離子在室內滯留時間；

第二對電極：發射極，用于發射射頻脈沖；

第三對電極：接收極，用來接收離子產生的信號。

傅里葉變換離子回旋共振質量分析器離子(m/z)進入磁感應強度為B的磁場中，作圓周運動，離心力和磁場力相平衡，即：或離子的回旋頻率c與離子的m/z成線性關系。B固定后，測得c，可獲得離子的質量。

得

外加一射頻輻射，當頻率等于離子共振頻率，離子吸收能量而改變圓周運動的軌道，沿阿基米德螺線加速。射頻輻射消失，出現圖（C）運動，在上下極板之間產生感應電流信號(復合信號)，需傅里葉轉換。傅里葉變換離子回旋共振質量分析器特點FT-MS的優點：（1）儀器的分辨率極高，可超過1×106；（2）而且在高分辨率下不影響靈敏度（雙聚焦分析器為提高分辨率必須降低靈敏度）；（3）FT-MS的測量精度非常好，能達到百萬分之幾；（4）具有多級質譜功能，可以和任何離子源相聯，擴寬了儀器功能。掃描速率快，性能穩定可靠，質量范圍寬等優點。需要很高的超導磁場，需要液氦，售價和運行費用較高。

質量分析器特點對比12.1.6質譜聯用儀器質譜：純物質的結構分析色譜：化合物分離色譜-質譜聯用：共同優點類型：GC-MS；GC-IR；LC-MS；CZE-MS（毛細管電泳-質譜）困難點：載氣(或流動液)的分離；出峰時間監測；儀器小型化；關鍵點：接口技術。一、GC-MS聯用儀器試樣試樣

58901.0DEG/MINHEWLETTPACKARDHEWLETTPACKARD5972AMassSelectiveDetectorDCBA

ABCD氣相色譜(GC)質譜分離鑒定BACDADBCMSGC-MS中的分子分離器填充柱色譜需要分子分離器分離載氣,濃縮試樣分子。毛細管色譜柱可直接與質譜聯結。

分子分離器類型：

微孔玻璃式、半透膜式和噴射式三種。噴射式分子分離器：

由一對同軸收縮型噴嘴構成，噴嘴被封在一真空室中。可做成多級。色譜-質譜聯用儀的三維譜圖色譜-四極質譜聯用儀儀器結構色譜-四極桿質譜儀結構示意圖儀器與結構色譜-飛行時間質譜聯用儀二、LC-MS聯用儀器發展比GC-MS晚，20世紀80年代中期實用化。主要問題：溶劑去除。LC流速：0.5～數mL

真空泵抽氣速度100L

熱不穩定，揮發度低，生物分子電離。關鍵：特殊接口與電離源技術（提出有27種）實際應用：熱噴霧，80年代較多應用，后被APCI取代快原子轟擊大氣壓化學電離：

APCI

電噴霧電離：ESI1.電噴霧電離接口裂解++++++++++-----++++++++++-----++++++--++++++--蒸發++電荷液滴試樣離子準分子離子分析離子

溶劑離子/中性離子對++++++++--其他離子電噴霧電離：毛細管加電壓3～６kV，液滴表面電荷密度增加到臨界點，靜電場的排斥力大于表面張力，液滴越來越小。電噴霧電離流出液在高電場下形成帶電噴霧，在電場力作用下穿過氣簾。氣簾的作用：霧化；蒸發溶劑；阻止中性溶劑分子。電噴霧電離分子不裂解，產生多電荷離子，相對分子質量M計算：選相鄰峰，電荷n，n+1m1=(M+n)/2m2=(M+n+1)/(n+1)計算結果如表。不適用于非極性化合物電噴霧電離-多電荷離子大氣壓化學電離（APCI）熱噴霧(100～120C)+化學電離；適用于熱穩定化合物分析。大氣壓化學電離（APCI）毛細管大功率加熱器HPLC入口Corona放電針蒸發器霧化氣+++++++++++++++++++++++大氣壓化學電離

（APCI）

LC-APCI-MS

分析譜圖2.離子阱質量分析器

特定m/z離子在阱內一定軌道上穩定旋轉，改變端電極電壓，不同m/z離子飛出阱到達檢測器。3.LC-MS(離子阱)聯用儀器結構示意圖LC-MS(四極桿)聯用儀器結構示意圖三、毛細管電泳-質譜聯用儀器與液相色譜-質譜聯用儀的原理基本相同。三個問題：1.幾十

kV的電壓，緩沖溶液，安全；2.毛細管電泳流速1L/min，直接連接，破壞層流；3.進樣量很小（fmol），需要高靈敏度。接口：電噴霧ESI。CE-ES-MS聯用儀器接口示意圖CE-ES-MS聯用儀器結構示意圖四、ICP-MS聯用儀器（無機質譜）ICP具有很高的原子化效率，可分析眾多元素。ICP-MS聯用儀接口示意圖ICP-MS聯用儀器特點1.試樣在大氣壓下送入系統；2.試樣在高溫下進行完全汽化和分解；3.試樣原子化、離子化比例高；4.大多數元素產生的是單電荷離子；5.離子能量分散很小；6.ICP不需要真空的離子源；7.離子源處于低電位，可配置簡單的質量分析器。缺點：高溫，需特殊材料；離子源氣壓高。五、MS-MS聯用儀器（多級質譜）1.MS-MS聯用的作用

得到更多的分子離子和碎片離子的結構信息。早期：主要將亞穩離子作為一種研究對象。亞穩離子：指離子源出來的離子，不穩定，前進過程中發生了分解，丟掉一個中性碎片后生成的新離子。母子關系結構研究20世紀80年代：軟電離技術（ESI，APCI，FAB，MALDI等），基本上都只有準分子離子，沒有結構信息，更需要串聯質譜法得到結構信息。MS-MS與GC-MS比較MS與

MS-MS

聯用儀

分析結果對比2.MS-MS聯用的主要串聯方式（1）空間串聯碰撞活化室將前級質譜儀選定的離子打碎，由后一級質譜儀分析。扇形磁場(B)電場(E)串聯方式：BEB；EBE；BEBE四極桿串聯方式：三級Q-Q-Q混合型串聯方式：BE-Q；Q-TOF；EBE-TOF(飛行時間)MS活化MS選擇分析MS-MS聯用方式示意圖BE型BEB型Q-Q-Q型三級四極質譜儀混合型MS-MS聯用方式示意圖BEQQ組合QEB組合（2）時間串聯MS活化MS前一時刻選定-離子，在分析器內打碎后，后一時刻再進行分析。

兩類：離子阱質譜儀；回旋共振質譜儀時間上進行選擇。無論是哪種方式的串聯，都必須有碰撞活化室，從第一級MS分離出來的特定離子，經碰撞活化后，再經第二級MS進行質量分析，取得更多的信息。

3.碰撞活化分解軟電離：準分子離子峰，碎片很少，缺結構信息。準分子離子“打碎”碎片離子質譜分析串聯質譜：碰撞活化、碰撞誘導分解(Collisionactivateddissociation,CAD；CollisionInduceddissociation,CID)技術把離子“打碎”。磁式質譜儀：離子加速電壓超過1000V，高能CAD方式四極桿，離子阱：不超過100V，低能CID。Ar

碰撞室離子能量EMS1MS24.MS-MS串聯質譜工作方式和主要信息（1）三級四極(Q-Q-Q)的工作方式和信息Q1：四級桿用于質量分離Q2：四極桿用于碰撞活化(CID)Q3：四極桿用于質量分離主要工作方式有四種主要工作方式：a子離子掃描：MS1選定-質量，CID碎裂，MS2掃描得子離子譜。b母離子掃描：MS2選定一子離子，MS1掃描，得到的是能產生選定子離子的那些離子，即母離子譜。c中性丟失譜掃描：MS1和MS2同時掃描。保持固定的質量差，只有滿足相差固定質量的離子才得到檢測。d多離子反應監測：MS1選擇一個或幾個特定離子，碰撞碎裂,由其子離子中選出一特定離子，只有同時滿足MS1和MS2選定的一對離子時,才有信號產生。

(2)離子阱質譜儀MS-MS工作方式和信息

A階段：打開電子門，基礎電壓置于低質量的截止值，使所有的離子被阱集,利用輔助射頻電壓拋射掉所有高于被分析母離子的離子。B階段：增加基頻電壓，拋掉低于被分析母離子的離子。收集即將碰撞活化的離子。C階段：利用加在端電極上的輔助射頻電壓激發母離子，使其與阱內本底氣體碰撞，D階段：掃描基頻電壓,拋射并接收所有CID過程形成的子離子，獲得子離子譜。多級子離子譜，還可以提供母離子譜,中性丟失譜和多反應監測（MRM）。

(3)FT質譜儀MS-MS工作方式和信息

FTMS的掃描方式：快速掃頻脈沖對所有離子“同時”激發。

MS-MS功能的FTMS：其快速掃頻脈沖可以選擇性的留下頻率“缺口”，用頻率“缺口”選擇性的留下欲分析的母離子，其他離子被激發并拋射到接收極。使母離子受激，使其運動半徑增大又控制其軌道不要與接收極相撞。此時母離子在室內與本底氣體或碰撞氣體碰撞產生子離子。再改變射頻頻率接收子離子。還可由子離子譜中選一個離子再做子離子譜。離子損失很少，FTMS可以做到5~6級子離子譜。

(4)飛行時間質譜儀的源后裂解

離子在飛行過程中如果發生裂解，新產生的離子仍然以母離子速度飛行。因此在直線形漂移管中觀測不到新生成的離子。采用帶有反射器的漂移管；新生成的離子與其母離子動能不同，可在反射器中被分開。這種操作方式稱為源后裂解（Postsourcedecomposition，PSD）。通過PSD操作可以得到結構信息，可以認為反射型TOFMS也具有MS-MS功能。TOF-TOF串聯質譜儀已經出現。12.1.7質譜儀性能指標1.質量范圍質譜儀所能夠進行分析的試樣的相對原子質量（或相對分子質量）范圍。通常采用原子質量單位（unifiedatomicmassunit，符號u）進行度量。原子質量單位是由12C來定義的，即一個處于基態的12C中性原子的質量的1/12，即質量范圍:質量范圍是質譜儀所能測定的離子質荷比的范圍。GC-MS：質量范圍達到800即可。LC-MS：質量范圍要寬。對于單電荷離子，質量范圍實際上就是可以測定的相對分子質量范圍。對于電噴霧源，形成的多電荷離子，盡管質量范圍只有幾千，但可以測定的相對分子質量可達10萬以上。質量范圍的大小取決于質量分析器。四極桿分析器的質量范圍上限一般在1000左右，也有的可達3000，而飛行時間質量分析器可達幾十萬。

2.分辨率

定義1：將相鄰兩個質量分開的能力。常用R表示：

兩峰分開是指兩峰間的“峰谷”是峰高的10%(每個提供5%)

定義2：質量為M的質譜峰其峰高50%處的峰寬（半峰寬）為ΔM。則分辨率為分辨率單聚焦：5000雙聚焦：50000離子