结构分析－质谱法
Mass Spectrometry
讲授人：夏炎
Tel,23508794
E-mail,nkxiayan@nankai.edu.cn
第一章 引言
第二章 质谱仪
第三章 电离技术与离子源
第四章 质量分析器与亚稳离子
第五章 分子离子
第六章 碎片离子
第七章 常见有机化合物质谱特征
内容,
?F,W,McLafferty,F,Ture?ek,Interpretation of Mass
Spectra,4th Ed,University Science Books,Mill Valley,
1994
?R,M,Silverstein,F,X,Webster,Spectrometric
Identification of Organic Compounds,6th Ed,John
Wiley & Sons,Inc.,1998
?宁永成，有机化合物结构鉴定与有机波谱学，第二
版，科学出版社，北京,2001
?陈耀祖，涂亚平，有机质谱原理及应用，第一版，
科学出版社，北京,2001
参考书
第一章 序言
?1.1 什么是质谱法？
? 样品分子在高真空环境受到高速电子流或强电场作
用，失去外层电子后发生化学键断裂生成各种碎片
离子，然后在磁场中得到分离后加以收集和记录，
从所得到的质谱图推断结构的方法。
?1.2 质谱仪的功能
? 使样品变成分子离子；
? 通过电场使离子加速；
? 按质荷比分离离子；
? 将离子流变成电信号，收集记录。
1.3 质谱的沿革与发展
四次诺贝尔奖回顾：
? 1、阳极射线管和 Thomson实验
-
+
图 1-1 阳极射线管
图 1-2 Thomson 质谱仪示意图
A.气体入口； B,阳极； C,放电管； D,去抽空泵； E,阴极； F.磁屏蔽
G.冷却水套； H.绝缘体； I,电场引线； J.照相感光检测器
本世纪初，英国学
者 J,J,
Thomson(获 1906诺
贝尔物理奖 )利用
低压放电离子源所
产生的具有高速度
的正电荷离子束，
通过一组电场和磁
场，不同质荷比的
正电荷离子按不同
质量而发生半径不
同的抛物线轨道偏
转，依次达到检测
器，在感光板上被
记录下来。
? 2,1919年,F.W,Aston制成第一台速度聚焦磁质谱
仪。获 1922年诺贝尔奖。
图 1-3 Aston 质谱仪
? 1917年,电喷雾物理现象被发现（并非为了质谱）；
? 1918年,Dempster 180° 磁扇面方向聚焦质谱仪；
? 1935年,马陶赫 (Marttauch)和赫佐格 (R,Herzog)根据他们
的双聚焦理论，研制出双聚焦质谱仪 ；
? 1940年,尼尔 (Nier)设计出单聚焦磁质谱仪，又于 1960年设
计并制成了一台小型的双聚焦质谱仪；
? 1942年，第一台商品质谱仪；
? 1953年,由鲍尔 (Paul)和斯坦威德尔 (Steinwedel)提出四极
滤质器 ；
? 1953年,由威雷 (Wiley)和麦克劳伦斯 (Mclarens)设计出飞行
时间质谱仪原型 ；
1954年 英格拉姆 (Inghram)和海登 (Hayden)报道的
Tandem系统，即串联的质谱系统 (MS/MS)；
1955年 Wiley & Mclarens 飞行时间质谱仪；
1960 ’s 开发 GC/MS；
60’s-70’s 大气压电离源被发现，但未被广泛应用；
70’s-80’s 开始 广泛研究 LC/MS；
1974年后 回旋共振质谱仪；
1979年 传送带式 LC/MS接口成为商业产品；
1982年 离子束 LC/MS接口出现；
1984年 第一台电喷雾质谱仪宣告诞生；
1988年 电喷雾质谱仪首次应用于蛋白质分析 ……
? 3,1989年,Hens G,Dohmelt和 W,Paul,因离子阱
（ Ion trap)的应用获诺贝尔物理奖。
? 4,2002年,J,B,Penn 和田中耕一因电喷雾电离
（ electron spray ionization,ESI）质谱和基质辅助
激光解吸电离 (matrix-assisted laser desorption
ionization,MALDI)质谱获诺贝尔化学奖。
美国科学家约翰 ?
芬恩，获 2002年
诺贝尔化学奖
日本科学家田中
耕一，获 2002年
诺贝尔化学奖
使生物大分子相互完整地分离，同时也被电离 。
对成团的生物大
分子施加强电场
用软激光轰击成
团的生物大分子
芬恩的电喷雾质谱技术 （ ESI）
原理图
田中耕一的软激光解吸附质谱技术
原理图
解决了“看清”生物大分子
“是谁”的问题
1.4 我国有机质谱概况与进展
50年代，同位素分析；
有机质谱 70年代零星开展；
80年代，有机质谱快速发展成立质谱学会；
四个专业组：同位素质谱、无机质谱、有机质谱、质谱
仪器；
有机质谱主要在结构分析、气相离子化学、色质联用技
术等方面发展；
近年来，随着生命科学的发展，有机质谱也跨入生物质
谱的范畴。
3、唯一能直接获得分子量及分子式的谱学方法
1.5 质谱的特点
1、特征性强
保留值不能作为鉴定标准。
2、灵敏度高
10-15 ~10-16 g,所有谱中灵敏度最高的。
1.6 质谱仪器的主要指标
质量范围,仪器所检测的质荷比范围。对单电荷离子即为
离子的质量范围；对多电荷离子，所检测的离子质量则扩展
到离子电荷数相应的倍数。
灵敏度 (sensitivity),出峰强度与所用样品量之间
的关系；或对选定的样品在一定分辨率下产生一定信噪比
的分子离子峰所需的样品量。
分辨率 (resolution)：
R10%= aM/b?M（实际）
?M 为可分辨的两峰
的质量差 ； a为相邻两
峰的中心距离； b为峰
高 5%处的峰宽。
R= M/?M,M为可分辨
的两峰的平均质量。
对于 FT-ICR及 TOF,R= M/?M M为所测峰的质量； ?M为该
峰半高宽所对应的质量数。
1.7 质谱的表征
?1、棒图
2、数据列表
1.8 一些基本概念
? 1) 分子离子 (molecular ion)
? 2) 准分子离子 (quasi–molecular ion)
? 3) 碎片离子 (fragment ion)
? 4) 重排离子 (rearrangement ion)
? 5) 母离子和子离子 (parent ion and daughter
ion)
? 6) 亚稳离子 (metastable ion)
? 7) 奇电子离子 (odd-electron ion)和偶电子离
子 (even-electron ion)
? 8) 多电荷离子 (multiply-charged ion)
? 9) 同位素离子 (isotopic ion)
第二章 质谱仪
图 2-1 质谱仪的分析系统方框图
Vacuum
System
Sample
Inlet Detector
Data
System
Mass
Analyser
Ionisation
Method
Atmosphere
EI;CI;FAB;FI/
FD;,ESI/APCI;
MALDI； ICP
Magnetic
Sector;
Quadrupole;
IonTrap;
ToF;
FT-ICR
DIP;
GCMS;
LCMS;
CEMS etc.
2.1 分析系统
2.1.1 质量分析器 (Mass Analyser)
图 2-2 带电子轰击 (EI)源的单聚焦磁扇面质谱仪
? 一个质量为 m,电荷价态为 Z的离子经过加速电压 V加速后，
获得动能 Z V,并以速度 v运动，则：
mv Z v B
r = ( 2 - 3 )
2
m rB
Z v= ( 2 - 4 )
Z V = 12 mv 2 ( 2 - 2 )
(2-1)
(2-2)
(2-3)
被加速的离子进入磁场，受洛伦兹力的影响，作圆周运
动，有：
B为磁分析器的磁场强度。整理（ 2-2），消去 v，可得：
v 2 Z Vm2 =
m
Z =
2 2r B
2V ( 2 - 5 )
(2-4)
(2-5)
整理得：
由（ 2-1）：
方程 (2-5) 中的 r是一个定值（入口和出口间的夹角和扇面半
径是固定不变的）。因此，某个具有特定质荷比 (m/Z)的离子能
否通过磁场，就只与磁场强度 B和加速电压 V有关。由此可知，
可以通过固定 B和 V这两个参数中的一个，改变其中的另一个来
操纵分析系统，使不同 m/Z的离子能顺利地通过分析器的磁场，
从而达到分析被加速的离子束的目的。也就是说，单聚焦磁分
析器为质量分析器。
2.3 进样系统
2.3.1 冷入口系统 （ Cold inlet system）
2.3.2 直接插入式进样系统 (Direct insertion
probe,DIP) 回缩装置
装样品的孔洞
空心玻璃嘴
金属杆
2.2 检测器
电子倍增器；光电倍增器
2.3.3 动态连续进样系统
色谱（气相，液相）、电泳、流动注射等
2.4 真空系统
平均自由程：
一个气体分子或粒子的平均自由程是它和其他粒子相互
作用或碰撞前所经历的平均路程 (距离 )。 近似为：
L ＝ 5.09/P (2-4)
某粒子的平均自由程 L与由该种粒子所处的压强 (mmHg)
P成反比。为避免粒子间的相互碰撞和作用，就要维持
尽可能低的压强，得到较大的平均自由程。所以，提供
高真空度是十分必要的 。
各种真空泵：
旋转泵 （ Rotary pumps）
分子涡轮泵（ Turbomolecular pumps）
扩散泵 （ Diffusion pumps）
离子泵 （ Ion pumps）
升华泵 （ Sublimation pumps）
高真空的重要性,
? (1)避免离子间碰撞, 提供一个合适的平均自由程, 减轻离
子分子反应 （ 化学电离源时是个例外 ）, M+ + G → M +
G+（ G是一些永久性的气体, 氧, 二氧化碳等 ） 。
? (2) 能帮助样品挥发, 避免或减轻样品的热解； （ 离子源
一般在 200° 下工作 ）
? (3)能保证离子源灯丝 (发射电子束 )工作正常, 不至烧毁；
? (4) 能最大限度的降低, 本底, 谱 。
? (5) 能有效地控制, 散射, 效应 。
? (6) 可消除或减少, 记忆, 效应和内壁表面的极化效应 。
The Vacuum system is the cornerstone
of any MS.
Ideal vacuum system is:
High Performance
Quick
Clean
Idiot Proof
Mass Spectrometry
讲授人：夏炎
Tel,23508794
E-mail,nkxiayan@nankai.edu.cn
第一章 引言
第二章 质谱仪
第三章 电离技术与离子源
第四章 质量分析器与亚稳离子
第五章 分子离子
第六章 碎片离子
第七章 常见有机化合物质谱特征
内容,
?F,W,McLafferty,F,Ture?ek,Interpretation of Mass
Spectra,4th Ed,University Science Books,Mill Valley,
1994
?R,M,Silverstein,F,X,Webster,Spectrometric
Identification of Organic Compounds,6th Ed,John
Wiley & Sons,Inc.,1998
?宁永成，有机化合物结构鉴定与有机波谱学，第二
版，科学出版社，北京,2001
?陈耀祖，涂亚平，有机质谱原理及应用，第一版，
科学出版社，北京,2001
参考书
第一章 序言
?1.1 什么是质谱法？
? 样品分子在高真空环境受到高速电子流或强电场作
用，失去外层电子后发生化学键断裂生成各种碎片
离子，然后在磁场中得到分离后加以收集和记录，
从所得到的质谱图推断结构的方法。
?1.2 质谱仪的功能
? 使样品变成分子离子；
? 通过电场使离子加速；
? 按质荷比分离离子；
? 将离子流变成电信号，收集记录。
1.3 质谱的沿革与发展
四次诺贝尔奖回顾：
? 1、阳极射线管和 Thomson实验
-
+
图 1-1 阳极射线管
图 1-2 Thomson 质谱仪示意图
A.气体入口； B,阳极； C,放电管； D,去抽空泵； E,阴极； F.磁屏蔽
G.冷却水套； H.绝缘体； I,电场引线； J.照相感光检测器
本世纪初，英国学
者 J,J,
Thomson(获 1906诺
贝尔物理奖 )利用
低压放电离子源所
产生的具有高速度
的正电荷离子束，
通过一组电场和磁
场，不同质荷比的
正电荷离子按不同
质量而发生半径不
同的抛物线轨道偏
转，依次达到检测
器，在感光板上被
记录下来。
? 2,1919年,F.W,Aston制成第一台速度聚焦磁质谱
仪。获 1922年诺贝尔奖。
图 1-3 Aston 质谱仪
? 1917年,电喷雾物理现象被发现（并非为了质谱）；
? 1918年,Dempster 180° 磁扇面方向聚焦质谱仪；
? 1935年,马陶赫 (Marttauch)和赫佐格 (R,Herzog)根据他们
的双聚焦理论，研制出双聚焦质谱仪 ；
? 1940年,尼尔 (Nier)设计出单聚焦磁质谱仪，又于 1960年设
计并制成了一台小型的双聚焦质谱仪；
? 1942年，第一台商品质谱仪；
? 1953年,由鲍尔 (Paul)和斯坦威德尔 (Steinwedel)提出四极
滤质器 ；
? 1953年,由威雷 (Wiley)和麦克劳伦斯 (Mclarens)设计出飞行
时间质谱仪原型 ；
1954年 英格拉姆 (Inghram)和海登 (Hayden)报道的
Tandem系统，即串联的质谱系统 (MS/MS)；
1955年 Wiley & Mclarens 飞行时间质谱仪；
1960 ’s 开发 GC/MS；
60’s-70’s 大气压电离源被发现，但未被广泛应用；
70’s-80’s 开始 广泛研究 LC/MS；
1974年后 回旋共振质谱仪；
1979年 传送带式 LC/MS接口成为商业产品；
1982年 离子束 LC/MS接口出现；
1984年 第一台电喷雾质谱仪宣告诞生；
1988年 电喷雾质谱仪首次应用于蛋白质分析 ……
? 3,1989年,Hens G,Dohmelt和 W,Paul,因离子阱
（ Ion trap)的应用获诺贝尔物理奖。
? 4,2002年,J,B,Penn 和田中耕一因电喷雾电离
（ electron spray ionization,ESI）质谱和基质辅助
激光解吸电离 (matrix-assisted laser desorption
ionization,MALDI)质谱获诺贝尔化学奖。
美国科学家约翰 ?
芬恩，获 2002年
诺贝尔化学奖
日本科学家田中
耕一，获 2002年
诺贝尔化学奖
使生物大分子相互完整地分离，同时也被电离 。
对成团的生物大
分子施加强电场
用软激光轰击成
团的生物大分子
芬恩的电喷雾质谱技术 （ ESI）
原理图
田中耕一的软激光解吸附质谱技术
原理图
解决了“看清”生物大分子
“是谁”的问题
1.4 我国有机质谱概况与进展
50年代，同位素分析；
有机质谱 70年代零星开展；
80年代，有机质谱快速发展成立质谱学会；
四个专业组：同位素质谱、无机质谱、有机质谱、质谱
仪器；
有机质谱主要在结构分析、气相离子化学、色质联用技
术等方面发展；
近年来，随着生命科学的发展，有机质谱也跨入生物质
谱的范畴。
3、唯一能直接获得分子量及分子式的谱学方法
1.5 质谱的特点
1、特征性强
保留值不能作为鉴定标准。
2、灵敏度高
10-15 ~10-16 g,所有谱中灵敏度最高的。
1.6 质谱仪器的主要指标
质量范围,仪器所检测的质荷比范围。对单电荷离子即为
离子的质量范围；对多电荷离子，所检测的离子质量则扩展
到离子电荷数相应的倍数。
灵敏度 (sensitivity),出峰强度与所用样品量之间
的关系；或对选定的样品在一定分辨率下产生一定信噪比
的分子离子峰所需的样品量。
分辨率 (resolution)：
R10%= aM/b?M（实际）
?M 为可分辨的两峰
的质量差 ； a为相邻两
峰的中心距离； b为峰
高 5%处的峰宽。
R= M/?M,M为可分辨
的两峰的平均质量。
对于 FT-ICR及 TOF,R= M/?M M为所测峰的质量； ?M为该
峰半高宽所对应的质量数。
1.7 质谱的表征
?1、棒图
2、数据列表
1.8 一些基本概念
? 1) 分子离子 (molecular ion)
? 2) 准分子离子 (quasi–molecular ion)
? 3) 碎片离子 (fragment ion)
? 4) 重排离子 (rearrangement ion)
? 5) 母离子和子离子 (parent ion and daughter
ion)
? 6) 亚稳离子 (metastable ion)
? 7) 奇电子离子 (odd-electron ion)和偶电子离
子 (even-electron ion)
? 8) 多电荷离子 (multiply-charged ion)
? 9) 同位素离子 (isotopic ion)
第二章 质谱仪
图 2-1 质谱仪的分析系统方框图
Vacuum
System
Sample
Inlet Detector
Data
System
Mass
Analyser
Ionisation
Method
Atmosphere
EI;CI;FAB;FI/
FD;,ESI/APCI;
MALDI； ICP
Magnetic
Sector;
Quadrupole;
IonTrap;
ToF;
FT-ICR
DIP;
GCMS;
LCMS;
CEMS etc.
2.1 分析系统
2.1.1 质量分析器 (Mass Analyser)
图 2-2 带电子轰击 (EI)源的单聚焦磁扇面质谱仪
? 一个质量为 m,电荷价态为 Z的离子经过加速电压 V加速后，
获得动能 Z V,并以速度 v运动，则：
mv Z v B
r = ( 2 - 3 )
2
m rB
Z v= ( 2 - 4 )
Z V = 12 mv 2 ( 2 - 2 )
(2-1)
(2-2)
(2-3)
被加速的离子进入磁场，受洛伦兹力的影响，作圆周运
动，有：
B为磁分析器的磁场强度。整理（ 2-2），消去 v，可得：
v 2 Z Vm2 =
m
Z =
2 2r B
2V ( 2 - 5 )
(2-4)
(2-5)
整理得：
由（ 2-1）：
方程 (2-5) 中的 r是一个定值（入口和出口间的夹角和扇面半
径是固定不变的）。因此，某个具有特定质荷比 (m/Z)的离子能
否通过磁场，就只与磁场强度 B和加速电压 V有关。由此可知，
可以通过固定 B和 V这两个参数中的一个，改变其中的另一个来
操纵分析系统，使不同 m/Z的离子能顺利地通过分析器的磁场，
从而达到分析被加速的离子束的目的。也就是说，单聚焦磁分
析器为质量分析器。
2.3 进样系统
2.3.1 冷入口系统 （ Cold inlet system）
2.3.2 直接插入式进样系统 (Direct insertion
probe,DIP) 回缩装置
装样品的孔洞
空心玻璃嘴
金属杆
2.2 检测器
电子倍增器；光电倍增器
2.3.3 动态连续进样系统
色谱（气相，液相）、电泳、流动注射等
2.4 真空系统
平均自由程：
一个气体分子或粒子的平均自由程是它和其他粒子相互
作用或碰撞前所经历的平均路程 (距离 )。 近似为：
L ＝ 5.09/P (2-4)
某粒子的平均自由程 L与由该种粒子所处的压强 (mmHg)
P成反比。为避免粒子间的相互碰撞和作用，就要维持
尽可能低的压强，得到较大的平均自由程。所以，提供
高真空度是十分必要的 。
各种真空泵：
旋转泵 （ Rotary pumps）
分子涡轮泵（ Turbomolecular pumps）
扩散泵 （ Diffusion pumps）
离子泵 （ Ion pumps）
升华泵 （ Sublimation pumps）
高真空的重要性,
? (1)避免离子间碰撞, 提供一个合适的平均自由程, 减轻离
子分子反应 （ 化学电离源时是个例外 ）, M+ + G → M +
G+（ G是一些永久性的气体, 氧, 二氧化碳等 ） 。
? (2) 能帮助样品挥发, 避免或减轻样品的热解； （ 离子源
一般在 200° 下工作 ）
? (3)能保证离子源灯丝 (发射电子束 )工作正常, 不至烧毁；
? (4) 能最大限度的降低, 本底, 谱 。
? (5) 能有效地控制, 散射, 效应 。
? (6) 可消除或减少, 记忆, 效应和内壁表面的极化效应 。
The Vacuum system is the cornerstone
of any MS.
Ideal vacuum system is:
High Performance
Quick
Clean
Idiot Proof
