质谱原理及使用说课讲解.ppt

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1、质谱原理及使用 从二十世纪六十年代开始，质谱从二十世纪六十年代开始，质谱法更加普遍地应用到有机化学和生物法更加普遍地应用到有机化学和生物化学领域。化学家们认识到由于质谱化学领域。化学家们认识到由于质谱法独特的电离过程及分离方式，从中法独特的电离过程及分离方式，从中获得的信息是具有化学本性，直接与获得的信息是具有化学本性，直接与其结构相关的，可以用它来阐明各种其结构相关的，可以用它来阐明各种物质的分子结构。正是由于这些因素物质的分子结构。正是由于这些因素，质谱仪成为多数研究室及分析实验，质谱仪成为多数研究室及分析实验室的标准仪器之一。室的标准仪器之一。7-l 质谱仪质谱仪 (一一)质谱仪的工作原

2、理质谱仪的工作原理 质谱仪是利用电磁学原理，使带电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。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，其动能离子电离后经加速进入磁场中，其动能与加速电压及电荷与加速电压及电荷Z有关，即有关，即。其中其中z为电荷数，为电荷数，e为元电荷为元电荷（e=1.6010-19C），），U为加速电压，为加速电压，m为离子的质量，为离子的质量，为离子被加速后的运为离子被加速后的运动速度。具有速度动速度。具有速度的带电粒子进入质的带电粒子进入质谱分析器的电磁场中，根据所选择的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分

3、离方式，最终实现各种离子按mz进行分离。进行分离。（二）质谱仪的主要性能指标（二）质谱仪的主要性能指标 1质量测定范围质量测定范围 质谱仪的质量测定范围表示质谱仪质谱仪的质量测定范围表示质谱仪所能够进行分析样品的相对原子质量（所能够进行分析样品的相对原子质量（或相对分子质量）范围，通常采用原子或相对分子质量）范围，通常采用原子质量单位（质量单位（unified atomic mass unit，符号符号u）进行度量。原子质量单位是由）进行度量。原子质量单位是由12C来定义的，即一个处于基态的来定义的，即一个处于基态的12C中中性原子的质量的性原子的质量的1/12，即，即=1.6605410-2

4、4g/12C原子=1.6605410-27kg/12C原子 而在非精确测量物质的场合，常而在非精确测量物质的场合，常采用原子核中所含质子和中子的总数采用原子核中所含质子和中子的总数即即质量数质量数来表示质量的大小，其数值来表示质量的大小，其数值等于其相对质量数的整数。等于其相对质量数的整数。测定气体用的质谱仪，一般质量测定气体用的质谱仪，一般质量测定范围在测定范围在2100，而有机质谱仪一，而有机质谱仪一般可达几千。现代质谱仪甚至可以研般可达几千。现代质谱仪甚至可以研究相对分子质量达几十万的生化样品究相对分子质量达几十万的生化样品。2分辨本领分辨本领 所谓分辨本领，是指质谱仪分开相所谓分辨本领

5、，是指质谱仪分开相邻质量数离子的能力，一般定义是：对邻质量数离子的能力，一般定义是：对两个相等强度的相邻峰，当两峰间的峰两个相等强度的相邻峰，当两峰间的峰谷不大于其峰高谷不大于其峰高10时，则认为两峰已时，则认为两峰已经分开，其分辨率经分开，其分辨率 其中其中m1、m2为质量数，而且规定为质量数，而且规定m1m2，故在两峰质量数较小时，要求，故在两峰质量数较小时，要求仪器分辨率越大。仪器分辨率越大。而在实际工作中，有时很难找到相而在实际工作中，有时很难找到相邻的且峰高相等的两个峰，同时峰谷又邻的且峰高相等的两个峰，同时峰谷又为峰高的为峰高的10。在这种情况下，可任选。在这种情况下，可任选一单峰

6、，测其峰高一单峰，测其峰高5处的峰宽处的峰宽W0.05即即可当作上式中的可当作上式中的m，此时分辨率定义，此时分辨率定义为为:R=m/W0.05 如果该峰是高斯型的，上述两式计如果该峰是高斯型的，上述两式计算结果是一样的。算结果是一样的。【例例211】要鉴别要鉴别N+2（m/z为为28006）和）和CO+（m/z为为27995）两个峰，）两个峰，仪器的分辨率至少是多少仪器的分辨率至少是多少?在某质谱仪上在某质谱仪上测得一质谱峰中心位置为测得一质谱峰中心位置为245u，峰高，峰高5处的峰宽为处的峰宽为0.52u，可否满足上述要求？，可否满足上述要求？解解:要分辨要分辨N+2和和CO+，要求质谱仪

7、，要求质谱仪分辨率至少为：分辨率至少为：质谱仪的分辨率：质谱仪的分辨率：Rsp=245/0.52=471 RspRneed，故不能满足要求故不能满足要求。质谱仪的分辨本领由几个因素决定：质谱仪的分辨本领由几个因素决定：1）、离子通道的半径；）、离子通道的半径；2）、加速器与收集器狭缝宽度；）、加速器与收集器狭缝宽度；3）、离子源的性质。）、离子源的性质。质谱仪的分辨本领几乎决定了仪质谱仪的分辨本领几乎决定了仪器的价格。分辨率在器的价格。分辨率在500左右的质谱左右的质谱仪可以满足一般有机分析的要求，此仪可以满足一般有机分析的要求，此类仪器的质量分析器一般是四极滤质类仪器的质量分析器一般是四极滤

8、质器、离子阱等，仪器价格相对较低。器、离子阱等，仪器价格相对较低。若要进行准确的同位素质量及有若要进行准确的同位素质量及有机分子质量的准确测定，则需要使用机分子质量的准确测定，则需要使用分辨率大于分辨率大于10000的高分辨率质谱仪，的高分辨率质谱仪，这类质谱仪一般采用双聚焦磁式质量这类质谱仪一般采用双聚焦磁式质量分析器。目前这种仪器分辨率可达分析器。目前这种仪器分辨率可达100000，当然其价格也将会是低分辨，当然其价格也将会是低分辨率仪器的率仪器的4倍以上。倍以上。3灵敏度灵敏度 质谱仪的灵敏度有质谱仪的灵敏度有绝对灵敏度、相绝对灵敏度、相对灵敏度和分析灵敏度对灵敏度和分析灵敏度等几种表示

9、方法。等几种表示方法。绝对灵敏度绝对灵敏度是指仪器可以检测到是指仪器可以检测到的最小样品量；的最小样品量；相对灵敏度是相对灵敏度是指仪器指仪器可以同时检测的大组分与小组分含量可以同时检测的大组分与小组分含量之比；之比；分析灵敏度分析灵敏度则指输入仪器的样则指输入仪器的样品量与仪器输出的信号之比。品量与仪器输出的信号之比。（三）质谱仪的基本结构 质谱仪是通过对样品电离后产生的质谱仪是通过对样品电离后产生的具有不同具有不同mz的离子来进行分离分析的的离子来进行分离分析的。质谱仪须有。质谱仪须有进样系统、电离系统、质进样系统、电离系统、质量分析器和检测系统量分析器和检测系统。为了获得离子的。为了获得

10、离子的良好分析，必须避免离子损失，因此凡良好分析，必须避免离子损失，因此凡有样品分子及离子存在和通过的地方，有样品分子及离子存在和通过的地方，必须处于必须处于真空状态。真空状态。1真空系统真空系统 质谱仪的离子产生及经过系统必须质谱仪的离子产生及经过系统必须处于高真空状态（离子源真空度应达处于高真空状态（离子源真空度应达l310-4l310-5Pa，质量分析器中应达，质量分析器中应达l310-6Pa）。若真空度过低，则会造成）。若真空度过低，则会造成离子源灯丝损坏、本底增高、到反应过多，离子源灯丝损坏、本底增高、到反应过多，从而使图谱复杂化、干扰离子源的调节、从而使图谱复杂化、干扰离子源的调节

11、、加速极放电等问题。一般质谱仪都采用机加速极放电等问题。一般质谱仪都采用机械泵预抽真空后，再用高效率扩散泵连续械泵预抽真空后，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。泵可获得更高的真空度。2进样系统进样系统 进样系统的目的是高效重复地将样品进样系统的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引入到离子源中并且不能造成真空度的降低。目前常用的进样装置有三种类型：低。目前常用的进样装置有三种类型：间间歇式进样系统、直接探针进样及色谱进样歇式进样系统、直接探针进样及色谱进样系统。系统。一般质谱仪都配有前两种进样

12、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，有关色谱进样系以适应不同的样品需要，有关色谱进样系统将在专门章节介绍。统将在专门章节介绍。（l）间歇式进样系统）间歇式进样系统 该系统可用于气体、液体和中等蒸气该系统可用于气体、液体和中等蒸气压的固体样品进样，典型的设计如下图所压的固体样品进样，典型的设计如下图所示。示。通过可拆卸式的试样管将少量（通过可拆卸式的试样管将少量（10 100g）固体和液体试样引入试样贮存器）固体和液体试样引入试样贮存器中，由于进样系统的低压强及贮存器的加中，由于进样系统的低压强及贮存器的加热装置，使试样保持气态。实际上试样最热装置，使试样保持气态。实际上试样

13、最好在操作温度下具有好在操作温度下具有1.30.13Pa的蒸气压的蒸气压。由于进样系统的压强比离子源的由于进样系统的压强比离子源的压强要大，样品离子可以通过分子漏压强要大，样品离子可以通过分子漏隙（通常是带有一个小针孔的玻璃或隙（通常是带有一个小针孔的玻璃或金属膜）以分子流的形式渗透过高真金属膜）以分子流的形式渗透过高真空的离子源中。空的离子源中。（2）直接探针进样对那些在）直接探针进样对那些在间歇式进样系统的条件下无法变间歇式进样系统的条件下无法变成气体的固体、热敏性固体及非成气体的固体、热敏性固体及非挥发性液体试样，可直接引入到挥发性液体试样，可直接引入到离子源中，下图所示为一直接引离子源

14、中，下图所示为一直接引入系统。入系统。3电离源电离源 电离源的功能是将进样系统引入的气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。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电离方法通常称能给样品较大能量的电离方法叫叫硬电离方法硬电离方法，而给样品较小能量的电离，而给样品较小能量的电离方法叫方法叫软电离方法软电离方法，后一种方法适用于易，后一种方法适用于易破裂或易电离的样品。破裂或易电离的样品。离子源是质谱仪的离子源

15、是质谱仪的心脏心脏，可以将离可以将离子源看作是比较高级的反应器，其中样子源看作是比较高级的反应器，其中样品发生一系列的特征降解反应，分解作品发生一系列的特征降解反应，分解作用在很短时间（用在很短时间（1s）内发生，所以）内发生，所以可以快速获得质谱。可以快速获得质谱。许多方法可以将气态分子变成离子许多方法可以将气态分子变成离子，它们已被应用到质谱法研究中，下表，它们已被应用到质谱法研究中，下表列出了各种离子源的基本特征。列出了各种离子源的基本特征。（l）电子轰击源）电子轰击源 电子轰击法是通用的电离法，是使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用高能电子束从试样分子

16、中撞出一个电子而产生正离子，即子而产生正离子，即 Me M+2e 式式中中M为为待待测测分分子子，M+为为分分子子离离子子或或母体离子母体离子。电电子子束束产产生生各各种种能能态态的的M+，若若产产生生的的分分子子离离子子带带有有较较大大的的内内能能（转转动动能能、振振动动能能和和电电子子跃跃迁迁能能），可可以以通通过过碎碎裂裂反应而消去，如反应而消去，如 M+1 M+3 M+M+2 M+4 式中式中M+1，M+2为较低质量的离子为较低质量的离子 而有些分子离子由于形成时而有些分子离子由于形成时获能不足，难以发生碎裂作用，获能不足，难以发生碎裂作用，而可能以分子离子被检测到。下而可能以分子离子

17、被检测到。下图所示为一电子轰击源的示意图图所示为一电子轰击源的示意图。在灯丝和阳极之间加入约在灯丝和阳极之间加入约70V电压，获得轰击能量为电压，获得轰击能量为70eV的电的电子束（一般分子中共价键电离电位子束（一般分子中共价键电离电位约约10eV），它与进样系统引入气），它与进样系统引入气体束发生碰撞而产生正离子。体束发生碰撞而产生正离子。正离子在第一加速电极和反射极间正离子在第一加速电极和反射极间的微小电位差作用下通过第一加速电极的微小电位差作用下通过第一加速电极狭缝，至质量分析器电极狭缝，而第一狭缝，至质量分析器电极狭缝，而第一加速极与第二加速极之间的高电位使正加速极与第二加速极之间的高

18、电位使正离子获得其最后速度，经过狭缝进一步离子获得其最后速度，经过狭缝进一步准直后进入质量分析器。准直后进入质量分析器。（2）化学电离源）化学电离源 在质谱中可以获得样品的重要在质谱中可以获得样品的重要电子轰击产生的电子轰击产生的M+峰，往往不存在峰，往往不存在或其或其强度很低强度很低。必须采用比较温和。必须采用比较温和的电离方法，其中之一就是化学电的电离方法，其中之一就是化学电离法。离法。化化学学电电离离法法是是通通过过离离子子分分子子反反应应来来进进行行，而而不不是是用用强强电电子子束束进进行行电电离离。离离子子（为为区区别别于于其其它它离离子子，称称为为试试剂剂离离子子）与与试试样样分分

19、子子按按下下列列方方式式进进行行反反应应，转转移移一一个个质质子子给给试试样样或或由由试试样样移移去去一一个个H+或或电电子，试样则变成带子，试样则变成带+l电荷的离子。电荷的离子。化学电离源一般在化学电离源一般在 1.31021.3103Pa压强下工作（现已发展压强下工作（现已发展出大气压下化学电离技术），其中出大气压下化学电离技术），其中充满充满 CH4，首先用高能电子进行电，首先用高能电子进行电离产生离产生CH5+和和C2H5+，即，即 CH4 e CH4+2e CH4+CH3+H CH4+和和CH3+很很快快与与大大量量存存在在的的CH4分分子子起起反应，即反应，即 CH4+CH4 C

20、H5+CH3 CH3+CH4 C2H5+H2 CH5+和和C2H5+不与中性甲烷进一步反应不与中性甲烷进一步反应一旦小量样品（试样与甲烷之比为一旦小量样品（试样与甲烷之比为1:1000）导入离子源，试样分子（导入离子源，试样分子（SH）发生下列反）发生下列反应：应：CH5+SH SH2+CH4 C2H5+SH S+C2H6 SH2+和和S+然后可能碎裂，产生质谱。然后可能碎裂，产生质谱。由由(M+H)或或(M-H)离子很容易测得其离子很容易测得其相对分子质量。相对分子质量。化学电离法可以大大简化质谱，若化学电离法可以大大简化质谱，若采用酸性比采用酸性比C2H5+更弱的更弱的C4H9+（由异丁（

21、由异丁烷）、烷）、NH4+（由氨）、（由氨）、H30+（由水）（由水）的试剂离子则可更进一步简化的试剂离子则可更进一步简化。（3）场离子源）场离子源 应用强电场可以诱发样品电离。场应用强电场可以诱发样品电离。场电电离离源源由由电电压压梯梯度度约约为为10107 710108 8V Vcmcm-1-1的的两个尖细电极组成。两个尖细电极组成。流经电极之间的样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生电离。电离后被阳极排斥出离子室并加速经过狭缝进入质量分析器。加速经过狭缝进入质量分析器。阳极前端必须非常尖锐才能达到阳极前端

22、必须非常尖锐才能达到电离所要求的电压梯度，通常采用经电离所要求的电压梯度，通常采用经过特殊处理的电极，在电极表面制造过特殊处理的电极，在电极表面制造出一些微碳针（出一些微碳针（1m1m），大量的微），大量的微碳针电极称为多尖陈列电极，在这种碳针电极称为多尖陈列电极，在这种电极上的电离效率比普通电极高几个电极上的电离效率比普通电极高几个数量级。数量级。场离子化是一种温和的技术，产生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的碎片很少。碎片通常是由热分解或电极附近的分子一离子碰撞反应产生的，极附近的分子一离子碰撞反应产生的，主要为分子离子和（主要为分子离子和（Ml）离子。结构

23、）离子。结构分析中，往往最好同时获得场离子化源分析中，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击源的质谱图，而获得相对分子质量及分子结构的信息。分子结构的信息。（4）火花源）火花源 对于金属合金或离子型残渣之类的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。述离子化源的火花源。火花源类似于发火花源类似于发射光谱中的激发源。射光谱中的激发源。向一对电极施加约向一对电极施加约 30 kV30 kV脉冲射频电压，电极在高压火花脉冲射频电压，电

24、极在高压火花作用下产生局部高热，使试样仅靠蒸发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，经适当加作用产生原子或简单的离子，经适当加速后进行质量分析。火花源具有一些优速后进行质量分析。火花源具有一些优点：点：对于几乎所有元素的灵敏度较高，对于几乎所有元素的灵敏度较高，可达可达1010-9-9；可以对极复杂样品进行元素；可以对极复杂样品进行元素分析，对于某个试样已经可以同时测定分析，对于某个试样已经可以同时测定6O6O种不同元素；信息比较简单，虽然存种不同元素；信息比较简单，虽然存在同位素及形成多电荷离子因素，但质在同位素及形成多电荷离子因素，但质谱仍然比原子发射光谱法的光谱要简

25、单谱仍然比原子发射光谱法的光谱要简单得多；一般线性响应范围都比较宽，标得多；一般线性响应范围都比较宽，标准核准比较容易。但由于仪器设备价格准核准比较容易。但由于仪器设备价格高昂，操作复杂，限制了使用范围。高昂，操作复杂，限制了使用范围。4质量分析器质量分析器 质谱仪的质量分析器位于离子源和检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测器之间，依据不同方式将样品离子按质荷比荷比mz分开。质量分析器的主要类型分开。质量分析器的主要类型有：有：磁分析器、飞行时间分析器、四极滤磁分析器、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质器、离子捕获分析器和离子回旋共

26、振分析器等。析器等。随着微电子技术的发展，也可以随着微电子技术的发展，也可以采用这些分析器的变型。采用这些分析器的变型。（l）磁分析器）磁分析器 最常用的分析器类型之一就是扇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，飞行极间的弯曲区，由于磁场作用，飞行轨道发生弯曲，见图轨道发生弯曲，见图217。此此时时离离子子受受到到磁磁场场施施加加的的向向心心力力Bze作作用用，且且离离子子的的离离心心力力m2r-1也也同同时时存存在在，r为为离离子子圆圆周周运运动动的的半半径径。只只有有在在上上述述两两力力平平衡衡时时，离离子子

27、才才能能飞飞出弯曲区，即出弯曲区，即 Bze=m2/r 其其中中B为为磁磁感感应应强强度度，ze为为电电荷荷，为为运运动动速速度度，m为为质质量量，r为为曲曲率率半半径。调整后，可得径。调整后，可得 =Bzer/m ,zeU=1/2m2 例例 21-2试计算在曲率半径为试计算在曲率半径为10cm的的1.2T的磁场中，一个质量数为的磁场中，一个质量数为100的一价正的一价正离子所需的加速电压是多少？离子所需的加速电压是多少？解解:据方程（上式）据方程（上式）=6.94103V 仅用一个扇形磁场进行质量分析的谱仪称仅用一个扇形磁场进行质量分析的谱仪称为为单聚焦质谱仪单聚焦质谱仪，设计良好的单聚焦谱

28、仪分辨，设计良好的单聚焦谱仪分辨率可达率可达50005000。若要求分辨率大于若要求分辨率大于50005000则需要则需要双聚焦质谱双聚焦质谱仪仪。单聚焦质谱仪中影响分辨率提高的两个主。单聚焦质谱仪中影响分辨率提高的两个主要因素是离子束离开离子枪时的角分散和动能要因素是离子束离开离子枪时的角分散和动能分散，因为各种离子是在电离室不同区域形成分散，因为各种离子是在电离室不同区域形成的。为了校正这些分散，通常在磁场前加一个的。为了校正这些分散，通常在磁场前加一个静电分析器（静电分析器（Elctrostatic AnalyzerElctrostatic Analyzer，ESAESA），这种设备由）

29、，这种设备由两个扇形圆筒组成，向外电极两个扇形圆筒组成，向外电极加上正电压，内电极为负压（见图加上正电压，内电极为负压（见图21-821-8）。）。一般商品化双聚焦一般商品化双聚焦质谱仪质谱仪的分辨率的分辨率可达可达150000150000，质质量量测测定准确度可达定准确度可达0.03g0.03gg g-1-1，即即对对于于相相对对分分子子质质量量为为600600的的化化合合物可物可测测至至误误差上差上000002u0002u。（2）飞行时间分析器）飞行时间分析器 （Time of Flight，TOF）这这种种分分析析器器的的离离子子分分离离是是用用非非磁磁方方式式达达到到的的，因因为为从从

30、离离子子源源飞飞出出的的离离子子动动能能基基本本一一致致，在在飞飞出出离离子子源源后后进进入入一一长长约约lm的的无无场场漂漂移移管管，在在离离子子加加速速后后的速度为：的速度为：此此离离子子达达到到无无场场漂漂移移管管另另一一端端的的时时间间为为 t=L/故对于具有不同故对于具有不同mz的离子，的离子，到达终点的时间差到达终点的时间差 由此可见，由此可见，t取决于取决于mz的平方根之差。的平方根之差。因为连续电离和加速将导致检测器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，所以的连续输出而无法获得有用信息，所以TOF是以大约是以大约10kHZ的频率进行电子脉的频率进行电子脉冲

31、轰击法产生正离子，随即用一具有相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，被加速的同频率的脉冲加速电场加速，被加速的粒子按不同的的粒子按不同的的 时间经漂移管到时间经漂移管到达收集极上，并馈入一个水平扫描频率达收集极上，并馈入一个水平扫描频率与电场脉冲频率一致的示波器上，从而与电场脉冲频率一致的示波器上，从而得到质谱图。用这种仪器，每秒钟可以得到质谱图。用这种仪器，每秒钟可以得到多达得到多达1000幅的质谱。幅的质谱。(3)四极滤质器四极滤质器 (Quadrupole Mass Filter)四极滤质器由四根平行的金四极滤质器由四根平行的金属杆组成，其排布见图属杆组成，其排布

32、见图21-9所示。所示。理想的四杆为双曲线，但常用的是理想的四杆为双曲线，但常用的是四支圆柱形金属杆，被加速的离子四支圆柱形金属杆，被加速的离子束穿过对准四根极杆之间空间的准束穿过对准四根极杆之间空间的准直小孔。直小孔。通过在四极上加上直流电压通过在四极上加上直流电压U和射和射频电压频电压Vcost，在极间形成一个射频场，在极间形成一个射频场，正电极电压为，正电极电压为UVcost，负电极负电极为为-(UVcost).离子进入此射频场后，离子进入此射频场后，会受到电场力作用，只有合适会受到电场力作用，只有合适mz的离的离子才会通过稳定的振荡进入检测器。只子才会通过稳定的振荡进入检测器。只要改变

33、要改变U和和V并保持并保持UV比值恒定时，比值恒定时，可以实现不同可以实现不同mz的检测。的检测。四极滤质器分辨率和四极滤质器分辨率和mz范围与范围与磁分析器大体相同，其极限分辨率可磁分析器大体相同，其极限分辨率可达达2000，典型的约为，典型的约为700。其主要优。其主要优点是传输效率较高，入射离子的动能点是传输效率较高，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，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仪器紧凑，常用在需要快速扫描的GCMS联用及空间卫星上进行分析。联用及空间卫星上进行分析。（4）离子阱

34、检测器）离子阱检测器 离子阱是一种通过电场或磁场将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。气相离子控制并贮存一段时间的装置。已有多种形式的离子阱使用，但常见已有多种形式的离子阱使用，但常见的有两种形式：一种是后面要讲到的的有两种形式：一种是后面要讲到的离子回旋共振技术，另一种是下述的离子回旋共振技术，另一种是下述的较简单的离子阱。较简单的离子阱。下图是离子阱的一种典型构造下图是离子阱的一种典型构造及示意图，由一环形电极再加上下及示意图，由一环形电极再加上下各一的端罩电极构成。以端罩电极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接地，在环电极上施以变化的射

35、频电压，此时处于阱中具有合适的电压，此时处于阱中具有合适的m/z加的离子将在环中指定的轨道上稳加的离子将在环中指定的轨道上稳定旋转，若增加该电压，则较重离定旋转，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。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）产生的离子由上端或电子轰击源）产生的离子由上端小孔中进入阱中后，射频电压开始小孔中进入阱中后，射频电压开始扫描，陷入阱中离子的轨道则会依扫描，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，次发生变化而从底端离开环电极

36、腔，从而被检测器检测。这种离子阱结从而被检测器检测。这种离子阱结构简单、成本低且易于操作，已用构简单、成本低且易于操作，已用于于GCMS联用装置用于联用装置用于mZ 2002000的分子分析。的分子分析。（5）离子回旋共振分析器）离子回旋共振分析器 （Iic Cyclotron Resonance，ICR）当一气相离子进入或产生于一当一气相离子进入或产生于一个强磁场中时，离子将沿与磁场垂个强磁场中时，离子将沿与磁场垂直的环形路径运动，称之为回旋，直的环形路径运动，称之为回旋，其频率其频率c可用下式表示：可用下式表示：回旋频率只与回旋频率只与mz的倒数有关。的倒数有关。增加运动速度时，离子回旋半

37、径亦相增加运动速度时，离子回旋半径亦相应增加。应增加。回旋的离子可以从与其匹配的回旋的离子可以从与其匹配的交变电场中吸收能量（发生共振）。交变电场中吸收能量（发生共振）。当在回族器外加上这种电场，离子吸当在回族器外加上这种电场，离子吸收能量后速度加快，随之回旋半径逐收能量后速度加快，随之回旋半径逐步增大；停止电场后，离子运动半径步增大；停止电场后，离子运动半径又变为常数。又变为常数。当图当图21-11中为一组中为一组mz相同相同的离子时，合适的频率将使这些离子的离子时，合适的频率将使这些离子一起共振而发生能量变化，其他一起共振而发生能量变化，其他mz离子则不受影响。离子则不受影响。由于共振离子

38、的回旋可以产生由于共振离子的回旋可以产生称之为相电流的信号，相电流可以称之为相电流的信号，相电流可以在停止交变电场后观察到。将图中在停止交变电场后观察到。将图中开关置于开关置于2位时，离子回旋在两极位时，离子回旋在两极之间产生电容电流之间产生电容电流,电流大小与离电流大小与离子数有关，频率由共振离子的子数有关，频率由共振离子的m/z决定。在已知磁场决定。在已知磁场B存在时通过不存在时通过不同频率扫描同频率扫描,可以获得不同可以获得不同mz的的信息。信息。感应产生的相电流由于共振离感应产生的相电流由于共振离子在回旋时不断碰撞而失去能量并子在回旋时不断碰撞而失去能量并归于热平衡状态而逐步消失，这个

39、归于热平衡状态而逐步消失，这个过程的周期一般在过程的周期一般在0.110s之间之间,相相电流的衰减信号与电流的衰减信号与Fourier变换变换NMR中的自由感应衰减信号（中的自由感应衰减信号（FID Signal）类似。）类似。5 检测与记录检测与记录 质质谱谱仪仪常常用用的的检检测测器器有有法法拉拉第第杯杯(Faraday Cup)、电电子子倍倍增增器器及及闪闪烁烁计计数器、照相底片等。数器、照相底片等。Faraday杯是其中最简单的一种，杯是其中最简单的一种，其结构如图其结构如图21-12所示。所示。Faraday杯与杯与质谱仪的其它部分保持一定电位差以质谱仪的其它部分保持一定电位差以便捕

40、获离子，当离子经过一个或多个便捕获离子，当离子经过一个或多个抑制栅极进入杯中时，将产生电流，抑制栅极进入杯中时，将产生电流，经转换成电压后进行放大记录。经转换成电压后进行放大记录。Faraday杯的优点是简单可靠，杯的优点是简单可靠，配以合适的放大器可以检测配以合适的放大器可以检测10-15A的离子流。但的离子流。但Faraday杯只适用于加杯只适用于加速电压速电压1kV的质谱仪，因为更高的的质谱仪，因为更高的加速电压使产生能量较大的离子流，加速电压使产生能量较大的离子流，这样离子流轰击入口狭缝或抑制栅这样离子流轰击入口狭缝或抑制栅极时会产生大量二次电子甚至二次极时会产生大量二次电子甚至二次离

41、子，从而影响信号检测。离子，从而影响信号检测。7-2 质谱图及其应用质谱图及其应用（）质谱图与质谱表（）质谱图与质谱表 质谱法的主要应用是鉴定复杂质谱法的主要应用是鉴定复杂分子并阐明其结构、确定元素的同分子并阐明其结构、确定元素的同位素质量及分布等。一般质谱给出位素质量及分布等。一般质谱给出的数据有两种形式：一是棒图及质的数据有两种形式：一是棒图及质谱图，另一个为表格即质谱表。谱图，另一个为表格即质谱表。质谱图是以质荷比质谱图是以质荷比(m/z)(m/z)为横坐为横坐标、相对强度为纵坐标构成，一般标、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定为将原始质谱图上最强的离子峰定为基峰并定

42、为相对强度基峰并定为相对强度1O01O0，其它离，其它离子峰以对基峰的相对百分值表示。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谱数据，质谱表中有两项即质荷比及相对强度。从质谱图上可以很直及相对强度。从质谱图上可以很直观地观察到整个分子的质谱全貌，观地观察到整个分子的质谱全貌，而质谱表则可以准确地给出精确的而质谱表则可以准确地给出精确的m mz z值及相对强度值，有助于进一值及相对强度值，有助于进一步分析。步分析。丙 酸 的 质 谱 表。（二）分子离子峰、碎片离子峰、亚稳（二）分子离子峰、碎片离子峰、亚稳离子峰及其应用离子峰

43、及其应用 质谱信号十分丰富。分子在离子质谱信号十分丰富。分子在离子源中可以产生各种电离，即同一种分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，其中比较主子可以产生多种离子峰，其中比较主要的有分子离子峰、同位素离子峰、要的有分子离子峰、同位素离子峰、碎片离子峰、重排离子峰、亚稳离子碎片离子峰、重排离子峰、亚稳离子峰等。峰等。M e M+2e M+称为分子离子或母离子称为分子离子或母离子(parrent ion）。）。1 1分子离子峰分子离子峰 试样分子在高能电子撞击下产生试样分子在高能电子撞击下产生正离子，即正离子，即 分子离子的质量对应于中性分分子离子的质量对应于中性分子的质量，这对

44、解释未知质谱十分重子的质量，这对解释未知质谱十分重要。要。几乎所有的有机分子都可以产生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芳香环分子可产生较大的分子离子峰，而高分子量的烃、脂肪醇、醚及胺，而高分子量的烃、脂肪醇、醚及胺等则产生较小的分子离子峰。等则产生较小的分子离子峰。若不考虑同位素的影响，分子若不考虑同位素的影响，分子离子应该具有最高质量。离子应该具有最高质量。分子中若分子中若含有偶数个氮原子，则相对分子质含有偶数个氮原子，则相对分子质量将是偶数；反之，将是奇数。这量将是偶数；反之，将是奇数。这就是所谓的

45、就是所谓的“氮律氮律”。正确地解释正确地解释分子离子峰十分重要，在有机化学分子离子峰十分重要，在有机化学及波谱分析课程中将有较详细的介及波谱分析课程中将有较详细的介绍绍。2 2碎片离子峰碎片离子峰 分子离子产生后可能具有较高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。形成的峰称为碎片离子峰。有机化合物受高能作用时会产生各有机化合物受高能作用时会产生各种形式的分裂，一般强度最大的质谱峰种形式的分裂，一般强度最大的质谱峰相应于最稳定的碎片离子，通过各种碎相应于最稳定的碎片离

46、子，通过各种碎片离子相对峰高的分析，有可能获得整片离子相对峰高的分析，有可能获得整个分子结构的信息。但由此获得的分子个分子结构的信息。但由此获得的分子拼接结构并不总是合理的，因为碎片离拼接结构并不总是合理的，因为碎片离子并不是只由子并不是只由M+一次碎裂产生，而且可一次碎裂产生，而且可能会由进一步断裂或重排产生，因此要能会由进一步断裂或重排产生，因此要准确地进行定性分析最好与标准图谱进准确地进行定性分析最好与标准图谱进行比较。行比较。有机化合物断裂方式很多，也比较有机化合物断裂方式很多，也比较复杂，但仍有几条经验规律可以应用。复杂，但仍有几条经验规律可以应用。有机化合物中，有机化合物中，CC键

47、不如键不如C H键稳定，因此烷烃的断裂一般发生在键稳定，因此烷烃的断裂一般发生在CC键之间，且较易发生在支链上。键之间，且较易发生在支链上。形成正离子稳定性的顺序是三级二级形成正离子稳定性的顺序是三级二级一级，如一级，如2，2一二甲基丁烷，可以一二甲基丁烷，可以预期在高能离子源中断裂发生在带支链预期在高能离子源中断裂发生在带支链的碳原子周围。形成较稳定的的碳原子周围。形成较稳定的mz=71或或mz=57的离子的离子。在烃烷质谱中在烃烷质谱中 C3H5+、C3H7+、C4H7+、C4H9+（mz依次为依次为41，43，55和和57）占优势，在）占优势，在mz57区出现区出现峰的相对强度随峰的相对

48、强度随mz增大而减小，而增大而减小，而且会出现一系列且会出现一系列mz相差相差14的离子峰的离子峰，这是由于碎裂下来，这是由于碎裂下来CH2的结果。的结果。在含有杂原子的饱和脂肪族化合在含有杂原子的饱和脂肪族化合物质谱中，由于物质谱中，由于杂原子的定位作用，杂原子的定位作用，断断裂将发生在杂原子周围。对于含有电负裂将发生在杂原子周围。对于含有电负性较强的杂原子如性较强的杂原子如Cl、Br等，发生以下等，发生以下反应：反应：RX R+X 而可以通过共振形成正电荷稳定化而可以通过共振形成正电荷稳定化的离子时，可发生以下反应的离子时，可发生以下反应:烯烃多在双键旁的第二个键上断裂，丙烯烃多在双键旁的

49、第二个键上断裂，丙烯型共振结构对含有双键的碎片有着明显的烯型共振结构对含有双键的碎片有着明显的稳定作用，但因重排效应，有时很难对长链稳定作用，但因重排效应，有时很难对长链烯烃进行定性分析。烯烃进行定性分析。CH3-CH=CH CH3 CHCH=C+H 含有含有 C0的化合物通常在与其相的化合物通常在与其相邻的键上断裂，正电荷保留在含邻的键上断裂，正电荷保留在含 C0的碎片上：的碎片上：苯是芳香化合物中最简单的化合物，其苯是芳香化合物中最简单的化合物，其图谱中图谱中M+通常是最强峰。在取代的芳香化合通常是最强峰。在取代的芳香化合物中将优先失去取代基形成苯甲离子，而后物中将优先失去取代基形成苯甲离

50、子，而后进一步形成草嗡离子：进一步形成草嗡离子：因此在苯环上的邻、间、对位取代很难因此在苯环上的邻、间、对位取代很难通过质谱法来进行鉴定。通过质谱法来进行鉴定。3亚稳离子峰亚稳离子峰 若质量为若质量为m1的离子在离开离的离子在离开离子源受电场加速后，在进入质量子源受电场加速后，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容易进一步分裂失去中性碎片而形成质量为形成质量为m2的离子，的离子，即即m1m2+m，由于一部分能量，由于一部分能量被中性碎片带走，此时的被中性碎片带走，此时的m2离子离子比在离子源中形成的比在离子源中形成的m2离子能量离子能量