《仪器分析》第十八章 质谱法

质谱法一、概述质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷比的测定来进行分析的一种分析方法。

被分析的样品首先要离子化，然后利用不同离子在电场或磁场中运动行为的不同，将离子按质荷比（m/z）分开而得到质谱，通过样品的质谱和相关信息，可以得到样品的定性定量结果。

从J.J. Thomson制成第一台质谱仪（1912年），到现在已有九十多年了，早期的质谱仪主要是用来进行同位素测定和无机元素分析，二十世纪四十年代以后开始用于有机物分析，六十年代出现了气相色谱-质谱联用仪，使质谱仪的应用领域大大扩展，开始成为有机物分析的重要仪器。

计算机的应用又使质谱分析法发生了飞跃变化，使其技术更加成熟，使用更加方便。

八十年代以后又出现了一些新的质谱技术，如快原子轰击离子源，基质辅助激光解吸电离源，电喷雾电离源，大气压化学电离源，以及随之而来的比较成熟的液相色谱-质谱联用仪，感应耦合等离子体质谱仪，富立叶变换质谱仪等。

这些新的电离技术和新的质谱仪使质谱分析又取得了长足进展。

目前质谱分析法已广泛地应用于化学、化工、材料、环境、地质、能源、药物、刑侦、生命科学、运动医学等各个领域。

二、质谱仪器质谱仪种类非常多，工作原理和应用范围也有很大的不同。

从应用角度，质谱仪可以分为下面几类：1、有机质谱仪由于应用特点不同又分为：1）气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）。

在这类仪器中，由于质谱仪工作原理不同，又有气相色谱-四极质谱仪，气相色谱-飞行时间质谱仪，气相色谱-离子阱质谱仪等。

2）液相色谱-质谱联用仪（LC-MS）。

同样，有液相色谱-四器极质谱仪，液相色谱-离子阱质谱仪，液相色谱-飞行时间质谱仪，以及各种各样的液相色谱-质谱-质谱联用仪。

3）其他有机质谱仪基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪（MALDI-TOFMS）富立叶变换质谱仪（FT-MS）2、无机质谱仪1）火花源双聚焦质谱仪2）感应耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）3）二次离子质谱仪（SIMS）3、同位素质谱仪。

第九章质谱法一．教学内容1.质谱分析法的基本概念、发展概况及特点2.由质谱仪器结合质谱法的基本质谱仪的工作流程各主要部件的基本结构、基本原理及性能掌握联用技术3.质谱峰的类型、离子碎裂途径及有机化合物的质谱4.质谱法的图谱解析及基本应用二．重点与难点1．各种离子源的基本原理、特点及适应性2．各种重量分析器的基本结构、分析原理、特点及适用性3．各类离子的碎裂机理及规律4．质谱法的基本应用（分子量、分子式、结构式的确定）三．教学要求1．较好地掌握质谱分析法的基本基本2．掌握掌握仪的基本结构、工作流程及性能指标3．在较深入掌握单、双聚焦质量分析器的基础上，比较其它质量分析器的基本原理及特点4．一般了建质谱联用技术5．掌握简单图谱的解析，进行较简单化合物分子量、分子式及结构式的分析四．学时安排3学时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。

第一节质谱仪一、质谱仪的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z e U = 1/2 mν2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，ν为离子被加速后的运动速度。

具有速度ν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。

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。

仪器分析-质谱法仪器分析——质谱法质谱法是将被测物质离⼦化，按离⼦的质荷⽐分离，测量各种离⼦谱峰的强度⽽实现分析⽬的的⼀种分析⽅法。

质量是物质的固有特征之⼀，不同的物质有不同的质量谱——质谱，利⽤这⼀性质，可以进⾏定性分析（包括分⼦质量和相关结构信息）；谱峰强度也与它代表的化合物含量有关，可以⽤于定量分析。

质谱仪⼀般由四部分组成：进样系统——按电离⽅式的需要，将样品送⼊离⼦源的适当部位；离⼦源——⽤来使样品分⼦电离⽣成离⼦，并使⽣成的离⼦会聚成有⼀定能量和⼏何形状的离⼦束；质量分析器——利⽤电磁场（包括磁场、磁场和电场的组合、⾼频电场、和⾼频脉冲电场等）的作⽤将来⾃离⼦源的离⼦束中不同质荷⽐的离⼦按空间位置，时间先后或运动轨道稳定与否等形式进⾏分离；检测器——⽤来接受、检测和记录被分离后的离⼦信号。

⼀般情况下，进样系统将待测物在不破坏系统真空的情况下导⼊离⼦源（10-6～10-8mmHg），离⼦化后由质量分析器分离再检测；计算机系统对仪器进⾏控制、采集和处理数据，并可将质谱图与数据库中的谱图进⾏⽐较。

⼀、进样系统和接⼝技术将样品导⼊质谱仪可分为直接进样和通过接⼝两种⽅式实现。

1.直接进样在室温和常压下，⽓态或液态样品可通过⼀个可调喷⼝装置以中性流的形式导⼊离⼦源。

吸附在固体上或溶解在液体中的挥发性物质可通过顶空分析器进⾏富集，利⽤吸附柱捕集，再采⽤程序升温的⽅式使之解吸，经⽑细管导⼊质谱仪。

对于固体样品，常⽤进样杆直接导⼊。

将样品置于进样杆顶部的⼩坩埚中，通过在离⼦源附近的真空环境中加热的⽅式导⼊样品，或者可通过在离⼦化室中将样品从⼀可迅速加热的⾦属丝上解吸或者使⽤激光辅助解吸的⽅式进⾏。

这种⽅法可与电⼦轰击电离、化学电离以及场电离结合，适⽤于热稳定性差或者难挥发物的分析。

⽬前质谱进样系统发展较快的是多种液相⾊谱/质谱联⽤的接⼝技术，⽤以将⾊谱流出物导⼊质谱，经离⼦化后供质谱分析。

主要技术包括各种喷雾技术（电喷雾，热喷雾和离⼦喷雾）；传送装置（粒⼦束）和粒⼦诱导解吸（快原⼦轰击）等。

质谱技术的分类及应用质谱技术是细菌分类与鉴定的传统手段之一。

是目前正在兴起的技术，尤其在厌氧菌、分枝杆菌、奴卡菌和部分真菌的鉴定中有重要作用。

质谱法的原理、应用仪器及基本技术。

见本书第十八章。

一、质谱技术在微生物分类和鉴定中的应用（一）气相色谱技术气相色谱技术通过分析细菌的代谢产物，如挥发性酸和醇来鉴别细菌。

尤其细菌代谢产生的长链脂肪酸的不同是细菌分类的依据之一。

其技术关键如下：1.用标准化的方法和指定的培养基来培养被鉴定菌，这与细菌的代谢产物关系重大。

2.代谢产物的提取与分离技术的标准化。

如检测脂肪酸应先用氢氧化钠皂化，使之释放至水溶液中，经甲醇甲基化，使成为挥发性的脂肪酸甲酯，再用有机溶媒提取，经氢氧化钠洗净，才能检测。

检测非挥发性脂肪酸应先行甲酯化，再用氯仿提取。

3.测定时应制备一系列的标准液，由此取得测定数据。

4.细菌的鉴定需借助于计算机分析检测数据并与已知菌的脂肪酸数据相比较。

鉴定结果的可靠性决定于数据库的丰富程度。

5.鉴定菌与模式菌的数据相同才可确定菌种。

（二）液相色谱技术细菌的代谢产物中的脂肪酸碳链过长（超过30个碳）则不能用气相色谱技术，而应用液相色谱技术。

对鉴定分枝杆菌、奴卡菌等特别有用。

现以分枝杆菌为例提出其技术关键为，取菌体用氢氧化钠皂化，用盐酸酸化后与对-溴苯酰（pbromophenylacyl）反应，进样色谱柱。

色谱柱用C18作固定相，乙腈-氯仿为流动相进行检测。

仪器分析的数据经计算机处理，绘出图谱，与已知菌的数据和图谱比较而得出鉴定结果。

二、新型质谱技术的应用（一）SELDI-TOF-MS和电喷雾炙谱（ESI-MS）SELDI-TOF-MS是蛋白质组学分析的重要手段，分析微生物的氨基酸、肽和蛋白的组成可进行微生物的鉴定和分型。

（二）变性高压液相质谱（dHPLC）其特点是一种高通量筛查DNA序列的技术。

PCR扩增产物在变性和复性过程中因序列的差异形成同源双链和异源双链。

仪器分析——质谱法质谱法是将被测物质离子化，按离子的质荷比分离，测量各种离子谱峰的强度而实现分析目的的一种分析方法。

质量是物质的固有特征之一，不同的物质有不同的质量谱——质谱，利用这一性质，可以进行定性分析（包括分子质量和相关结构信息）；谱峰强度也与它代表的化合物含量有关，可以用于定量分析。

质谱仪一般由四部分组成：进样系统——按电离方式的需要，将样品送入离子源的适当部位；离子源——用来使样品分子电离生成离子，并使生成的离子会聚成有一定能量和几何形状的离子束；质量分析器——利用电磁场（包括磁场、磁场和电场的组合、高频电场、和高频脉冲电场等）的作用将来自离子源的离子束中不同质荷比的离子按空间位置，时间先后或运动轨道稳定与否等形式进行分离；检测器——用来接受、检测和记录被分离后的离子信号。

一般情况下，进样系统将待测物在不破坏系统真空的情况下导入离子源（10-6～10-8mmHg），离子化后由质量分析器分离再检测；计算机系统对仪器进行控制、采集和处理数据，并可将质谱图与数据库中的谱图进行比较。

一、进样系统和接口技术将样品导入质谱仪可分为直接进样和通过接口两种方式实现。

1.直接进样在室温和常压下，气态或液态样品可通过一个可调喷口装置以中性流的形式导入离子源。

吸附在固体上或溶解在液体中的挥发性物质可通过顶空分析器进行富集，利用吸附柱捕集，再采用程序升温的方式使之解吸，经毛细管导入质谱仪。

对于固体样品，常用进样杆直接导入。

将样品置于进样杆顶部的小坩埚中，通过在离子源附近的真空环境中加热的方式导入样品，或者可通过在离子化室中将样品从一可迅速加热的金属丝上解吸或者使用激光辅助解吸的方式进行。

这种方法可与电子轰击电离、化学电离以及场电离结合，适用于热稳定性差或者难挥发物的分析。

目前质谱进样系统发展较快的是多种液相色谱/质谱联用的接口技术，用以将色谱流出物导入质谱，经离子化后供质谱分析。

主要技术包括各种喷雾技术（电喷雾，热喷雾和离子喷雾）；传送装置（粒子束）和粒子诱导解吸（快原子轰击）等。