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质谱分析法是什么？

质谱分析法是一种通过制备、分离和检测气相离子来鉴定化合物的分析技术，其核心原理是利用电场和磁场将运动的离子按质荷比(质量-电荷比)进行分离和检测，从而获得化合物的分子量、化学结构等信息。

利用电磁学原理，质谱分析法将待测样品分子解离成具有不同质量的离子，然后按其质荷比(m/z)的大小依次排列收集成质谱。根据质谱中的分子离子峰(M+)可以获得样品分子的相对分子质量信息；根据各离子峰(分子离子峰、同位素离子峰、碎片离子峰、亚稳离子峰、重排离子峰等)及其相对强度和氮数规则，可以确定化合物的分子式;根据各离子峰及物质化学键的断裂规律可以进行定性分析和结构分析；根据组分质谱峰的峰高与浓度间的线性关系可以进行定量分析。

质谱法，可以确定分子式的方法。根据碎片特征进行化合物的结构分析，将待测物质置于离子源中电离形成带电离子，让离子加速并通过磁场或电场后，离子将按质荷比(m/z)大小分离，形成质谱图，依据质谱线的位置和质谱线的相对强度建立的分析方法，其能够准确测定物质的分子量。

质谱分析的特点

• 灵敏度高，样品用量少

检测限可达10^-9-10^-11；

• 响应时间短，分析速度快

一至几秒，易于实现与气相和液相色谱联用，自动化程度高；

• 信息量大

能得到大量的结构信息和样品分子的相对分子质量，还可测定分子式；

• 应用范围广

同位素，无机成分，有机结构分析；气体，液体，固体。

质谱分析的组成

由真空系统、进样系统、离子源或电离室、质量分析器、离子检测器组成。

• 真空系统

为质谱仪的进样系统、离子源、质量分析器、检测器提供所需的真空环境。真空系统可以减少离子碰撞损失，若真空度低，大量氧会烧坏离子源的灯丝，会使本底增高，干扰质谱图，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，干扰离子源中电子束的正常调节，用作加速离子的几千伏高压会引起放电等。

质谱计必须在高真空下才能工作。用以取得所需真空度的阀泵系统，一般由前级泵(常用机械泵)和油扩散泵或分子涡轮泵等组成。扩散泵能使离子源保持在10-10毫米汞柱的真空度。有时在分析器中还有一只扩散泵，能维持10-10毫米汞柱的真空度。

• 进样系统(样品注入系统)

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。

(1)间歇式进样系统

气体及低沸点、易挥发的液体。

(2)直接探针进样

高沸点的液体、固体。

(3)色谱进样系统

有机化合物。

进样系统可分直接注入、气相色谱、液相色谱、气体扩散四种方法。固体样品通过直接进样杆将样品注入，加热使固体样品转为气体分子。对不纯的样品可经气相或液相色谱预先分离后，通过接口引入。液相色谱－质谱接口有传动带接口、直接液体接口和热喷雾接口。热喷雾接口是新提出的一种软电离方法，能适用于高极性反相溶剂和低挥发性的样品。样品由极性缓冲溶液以每分钟1-2毫升流速通过一毛细管。控制毛细管温度，使溶液接近出口处时，蒸发成细小的喷射流喷出。微小液滴还保留有残余的正负电荷，并与待测物形成带有电解质或溶剂特征的加合离子而进入质谱仪。

• 离子源(或电离室)

将被分析的样品电离成离子并被加速和聚焦。使样品电离产生带电粒子(离子)束的装置。应用最广的电离方法是电子轰击法，其他还有化学电离、光致电离、场致电离、激光电离、火花电离、表面电离、X 射线电离、场解吸电离和快原子轰击电离等。其中场解吸和快原子轰击特别适合测定挥发性小和对热不稳定的化合物。离子源的作用是使试样中的原子、分子电离成离子，其性能影响质谱仪的灵敏度和分辨率本领。

电子轰击离子源EI

(1)原理

汽化后的样品分子进入离子源中，受到炽热灯丝发射的高能电子束轰击，生成包括正离子在内的各种碎片，其中在推斥电极的作用下离开离子源，进入加速区被加速和聚集成离子束。而阴离子，中性碎片被真空系统抽走，不进入加速区。

(2)优点

①非选择性电离，只要样品能气化即可，电离效率高；

②应用最广，重现性好，标准的质谱图基本上都是采用EI源得到的；

③灵敏度高，所得碎片离子多，质谱图提供丰富的结构信息，是化合物的“指纹图谱”；

④稳定性高，操作简便。

(3)缺点

①样品必须能气化，不适宜分析难挥发热敏性的物质；

②有的有机化合物在EI下分子离子不稳定，易破裂，得不到相对分子质量的信息。

(4)应用

主要用于受热稳定，易挥发样品的分析。

化学电离源CI

(1)原理

化学电离是利用低压样品气与高压的反应气，在高能电子流轰击下，发生离子-分子反应来进行。反应气在具有一定能量的电子流的作用下电离或裂解。生成的离子和反应气分子进一步反应或与样品分子发生离子-分子反应，通过质子交换使样品分子电离。

(2)优点

①属于软电离方式，准分子离子峰强度大，便于利用(M+H)+或(M-H)+峰准确推断相对分子质量，即易确定分子量和定量分析；

②易获得有关化合物基团的信息③适宜作多离子检测。

(3)缺点

①CI图谱与实验条件有关，不同仪器获得的CI图谱不能比较或检索，因此，一般不能制作标准图谱；

②碎片离子少，缺少样品的结构信息；

③样品需要加热汽化后进行离子化，故不适合于热不稳定难挥发物质的分析。

(4)应用

主要适合于受热稳定，易挥发样品的分析。

快原子轰击源FAB

(1)原理

将试样溶解在粘稠的基质中，目的是减少轰击时对样品的破坏，再将其涂布在铜金属靶上。用经加速获得较大动能的惰性气体对准靶轰击，使样品分子蒸发和电离，产生的离子在电场作用下进入质量分析器。

(2)优点

①广泛应用的软电离技术，易得到较强的分子离子或准分子离子，由此易获得化合物相对分子质量的信息；

②在离子化过程中样品无需加热汽化，离子化能力强，对强极性，难汽化化合物也能电离，故适合于热不稳定，强极性分子，生物分子及配合物的分析。

(3)缺点

重现性差，对于非极性化合物，灵敏度低，且基质在低质量数产生较多干扰峰。

(4)应用

适合于分析分子量大，难汽化，热稳定性差的样品。

电喷雾离子化源ESI

(1)原理

被测试样在电喷雾喷嘴外层喷射气的作用下分散成雾状液滴，并在针尖电极的作用下使雾状液滴带上电荷，在液滴蒸发过程中表面电荷密度逐渐增大，当达到某个临界值时，液滴发生裂分，产生单电荷或多电荷离子。离子产生后，借助于喷嘴与锥孔之间的电压，经由锥形分离器和离子透镜组成的聚焦单元进行聚焦后，穿过取样孔进入质量分析器。

(2)特点

①它是一种软电离技术，离子化效率高；有正，负离子模式供选择；

②主要给出准分子离子峰；

③适用于极性分子和分子量较大的化合物的分析检测。

大气压化学离子化源APCI

(1)原理

样品溶液由具有雾化器套管的毛细管端流出，被氮气流雾化，通过加热管时被汽化，在加热套管端用电晕放电针进行电晕尖端放电，溶剂分子被电离形成溶剂离子，然后这些溶剂离子和雾化气与气态的样品分子发生离子-分子反应，得到样品分子的准分子离子。

(2)特点

①主要产生单电荷离子，被分析化合物的分子量一般小于1000Da；

②得到的碎片离子少，主要是准分子离子；

③通常用于分析具有一定挥发性的中等极性和弱极性的小分子化合物；

④与ESI相比，APCI对溶剂选择，流速和添加物的依赖性小。

大气压光喷雾离子化APPI

(1)原理

弱极性及非极性有机物在接受了光子作用后可能发生光电离成为离子。

(2)特点

①APCI可以离子化的化合物APPI也适用，但APPI对电离弱极性甚至非极性化合物有更大优势，且可检测分子量小于100的化合物；

②APPI对磷酸盐也有很好的耐受性，更易于LC或CE联用；

③基质效应对APPI的影响小；

④APPI与ESI或APCI联用可扩大检测的极限范围。

(3)注意

这几种电子源的缩写，看到缩写就要知道是哪种电子源，还有这几个电子源最好列个表对比着记忆，有共性，也有差异。

• 质量分析器

将离子束按质荷比进行分离的装置。依据不同方式将样品离子按照质荷比(m/z)分开得到质荷比(m/z)大小顺序排列的质谱图。它的结构有单聚焦、双聚焦、四极矩、飞行时间和摆线等，可分为静态分析器和动态分析器两类。

单聚焦质量分析器

(1)原理

离子在离子源中被加速后，经狭缝进入磁场，受磁场作用而做匀速圆周运动。对于H固定时，不同质荷比m/z的离子具有不同的运动半径，可能一定的质荷比m/z顺序彼此分开，即经过分析器后可实现质量分离作用：质量色散，方向聚焦。

(2)优点

结构简单，体积小，操作方便；

(3)缺点

分辨率低，不能满足有机物分析要求。

双聚焦质量分析器

(1)组成

静电分析器与磁场分析器作用：质量色散，方向聚焦，能量聚焦。

(2)说明

磁质量分析器分为单聚焦与双聚焦两种，可以看看单聚焦和双聚焦的质谱方程的推导过程。

四极杆质量分析器(四极滤质器)

(1)原理

由四根平行棒状电极组成，被加速的离子束在棒状电极平行的轴上聚焦，对于给定的电流和射频电压，只有特定质荷比的离子才会稳定的震荡进入检测器。将直流电压和射频电压以固定的斜率变化，可以实现质谱的扫描功能。

(2)优点

①传输效率高，入射离子的功能或角发散影响不大；

②可以快速的进行全扫描，有利于色谱联用，常用在色谱和质谱联用仪器；

③制作工艺简单，仪器紧凑。

(3)缺点

①分辨率低于双聚焦质量分析器；

②质量范围较窄；

③不能提供亚稳离子信息。

离子阱质量分析器(Trap)

(1)原理

离子源产生的电离子由离子阱上端小孔进入阱中后，射频电压开始扫描，陷入阱中的离子的轨道则会依次发生变化而从底端离开环电极腔，进入检测器被检测。

(2)特点

结构小巧，灵敏度高。

飞行质量分析器(TOF，Time of Flight)

(1)原理

获得相同能量的离子在无场的空间漂移，不同质量的离子，其速度不同，行经同一距离后到达检测器的时间不同，从而获得分离。

(2)特点

①检测离子的质荷比范围非常宽；

②特别适合于与基质辅助激光解吸电离源联用；

③扫描速度快，适合研究极快过程；

④灵敏度高，仪器简单。

• 离子检测器

接收由质量分析器分离的离子进行离子计数并转换成电压信号放大输出，经计算机采集和处理，得到按不同质荷比(m/z)值排列和对应离子丰度的质谱图。这一过程对检测器的性能有着苛刻的要求，包括高灵敏度、快速响应，以及一系列如高放大倍数、低噪声、宽动态范围、信号稳定性、长寿命和易保存等特性。根据这些特点和应用需求，离子检测器大致可分为无增益式和增益式两种类型。这里所提及的“增益”，特指检测器自身的性能提升，而非外部放大电路的增益效果。

无增益式离子检测器

(1)其核心部件是检测离子电荷的电极以及后端的信号放大电路。这些电极通常被称为法拉第电极，其形状可能为板状或杯状，统称为法拉第板或法拉第杯。

(2)此类检测器并不放大离子信号，而是简单地将离子电流或电荷感应收集起来。

(3)其工作原理仅与离子电荷数相关，对质量无选择性，且不受增益值变动的影响，从而确保了定量的准确性。

(4)尽管其灵敏度略逊于增益式检测器，但通过搭配后端的高性能信号放大电路，其检测灵敏度可以显著提升。

增益式离子检测器

(1)电荷检测器

①当离子被法拉第电极直接收集时，其电荷会直接流入放大电路。若采用非接触方式检测离子，那么当离子靠近法拉第电极时，会在放大电路中产生相应的感应电流。

②在电荷检测器中，法拉第电极后端的反阻抗放大器负责将电流转化为电压，并对信号进行放大。只有当放大后的信号电压超过噪声水平时，该信号才能被有效辨认并记录下来。在噪声中，热噪声是主要成分，其等效输入电压可以通过功率频谱密度来计算。

③其中，飞为玻尔兹曼常量，T为电阻的热力学温度，R为电阻。若要将噪声转换为均方根电压，需引入频宽，公式为V= 4kRTAf。降低噪声的方法包括增加测量时间或提高测量次(N)，且每增加一次测量，噪声降低的数量级为1/√N。例如，重复测量4次可将噪声降低至原来的1/2，而测量25次则可降至原来的1/5。

(2)感应电荷检测器(电流检测器)

①利用感应原理设计的电荷检测器，常用于傅里叶变换质谱法。

②通常包含一个金属圆管或电极平板作为检测板，与真空腔体外的放大器相连。在测量过程中，离子束通过金属圆管或检测板产生感应电流信号。这些微小的电流信号由运算放大器放大，从而转换为可测量的电压信号。

③放大器内部采用低噪声结型场效应晶体管，其闸极类似于水龙头的开关，用于控制N型结型场效应晶体管的空乏区大小，进而调节从源极到漏极的电流强度。感应电极板与闸极相连，通过闸极控制放大离子电流信号所产生的电压大小。

④为了进一步提高信噪比，通常采用运算放大器构建差分放大器，利用共模抑制比来消除同相位的干扰信号，并放大相位差180度的感应电流信号。在FTMS中，电荷检测器负责收集离子移动产生的时域信号，经过傅里叶变换转换为频域信号后，进一步计算出质荷比。

质谱分析法的核心知识点

• 质谱的表示方法

质谱一般可用线谱或表谱两种方法表示，常用线谱；线谱上的各条直线表示一个离子峰，横坐标为质荷比m/z，纵坐标为离子的相对强度(相对丰度)，一般将原始质谱图上最强的离子峰定为基峰并定为相对强度100%，其他离子峰以对基峰的相对百分值表示。能够很直观地观察到整个分子的质谱全貌；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及相对强度，对定量计算较直观。

• 质谱仪的分辨率

分辨率(R)指质谱仪能区别邻近两个质谱峰的能力，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。

• 质谱图中主要离子峰的类型

分子离子峰、同位素离子峰、碎片离子峰、亚稳离子峰、重排离子峰。

• 相对分子质量的测定

分子离子峰的m/z相当于该化合物的相对分子质量。一般除同位素离子峰外，分子离子峰是质谱图中最大质荷比的峰，位于质谱图的最右端。

• 确认分子离子峰的方法

(1)分子离子峰必须符合氮数规则：有机化合物含有偶数个氮原子或不含氮原子，分子离子峰的m/z一定是偶数;含奇数个氮原子，分子离子峰的m/z一定是奇数；

(2)分子离子峰与相邻离子峰的质量差应合理，如，不可能出现比分子离子峰质量小4-13个质量单位的峰；

(3)当化合物中含S、Br、Cl时，可利用M+(M2+)+等同位素离子峰的比例来确认分子离子峰；

(4)改变质谱仪的操作条件，提高分子离子峰的相对强度。

※采用化学电离源或降低电子轰击源电压可获得较强的M+峰。

• 气相色谱-质谱联用仪

(1)质谱

纯物质结构分析。

(2)色谱

化合物分离，定性能力差。

(3)色谱-质谱联用

共同优点，GC-MS、LC-MS、CE-MS，色谱是质谱的进样及分离系统，质谱是色谱的检测器。

(4)主要问题

接口技术，除去色谱中大量的流动相分子。

(5)适用范围

适用于挥发度低、难气化、极性强、相对分子质量大及热稳定性差的样品。

• 无损检测定义

无损检测技术即非破坏性检测，就是在不破坏待测物质原来的状态、化学性质等前提下，为获取与待测物的品质有关的内容、性质或成分等物理、化学情报所采用的检查方法。

• 有机化合物的质谱解析程序

(1)由质谱高的质荷比值端确定分子离子峰，确定相对分子质量，并从分子离子峰的强弱判断化合物的类型及是否含有氯、溴、硫等元素。

(2)分子离子峰的丰度，反应化合物的稳定性，用于推测化合物可能的类别。

(3)根据同位素丰度或高分辨质谱仪数据确定分子离子和重要的碎片离子元素组成，并确定可能分子式。

(4)由分子式计算化合物的不饱和度，确定化合物中双键和芳环的数目。

(5)研究质谱的概貌，判断分子性质，对化合物类型进行归属。

(6)根据重要的低质量离子系列。高质量端离子和失去的中性碎片的信息，并参考其他光谱数据，列出可能的分子结构。

(7)根据标准化合物的质谱图及其他信息，进行筛选验证，确定化合物的组成。

• 有机化合物中在离子源中有可能形成哪些离子类型

分子离子、同位素离子、碎片离子、多电荷离子、亚稳离子。解析质谱图时主要关注分子离子、同位素离子、碎片离子。

• 从这些离子的质谱中可以得到什么信息

(1)由分子离子可以得到分子量；

(2)在高分辨质谱中可直接获得分子式，对于低分辨质谱，可以结合同位素离子峰来推断分子式；

(3)碎片离子根据其裂解规律获得有关分子结构，推导可能的结构式并进行验证。

• 质谱中的主要离子

(1)分子离子

化合物分子通过某种电离方式，失去一个外层价电子而形成带正电荷的离子称为分子离子。相应的质谱分成为分子离子峰。

分子离子峰的确认：

①除同位素峰外，分子离子峰位于质谱图中质荷比最高的位置；

②分子离子峰的质量必须符合氮律。有机化合物中不含氮或含偶数个氮的化合物，则分子离子峰质荷比一定是偶数，含奇数个氮的化合物分子离子峰质荷比一定是奇数；

③分子离子峰与其相邻质荷比较小的碎片离子的质量差应合理，即Δm应合理；

④分子离子峰的强弱与实验条件无关，改变质谱仪的操作条件，可提高分子离子峰的相对强度；

⑤考虑准分子离子峰M+1和M-1峰。

碎片离子(fragment ion)：分子离子通过进一步碎裂或重排而释放能量，破裂后产生的离子为碎片离子，相应的质谱峰称为碎片离子峰。

(2)亚稳离子

质量为m1的离子离开离子源进入质量分析器，由于碰撞等原因，在飞行过程中进一步裂解失去中性碎片而形成低质量的离子，一部分能量被中性碎片带走，此时的离子比在离子源中形成的m2+离子能量小，且很不稳定，这种离子称为亚稳离子。强度低，峰型钝，亚稳离子的质荷比一般都是非整数值。

(3)同位素离子

有些元素具有一定自然丰度的同位素，在质谱图上会出现M+1,M+2峰，由这些同位素形成的离子峰称为同位素离子峰。