第三章：质谱
§ 3.1 质谱 /质谱基础
§ 3.2 质谱 /质谱仪器
§ 3.3 质谱 /质谱应用
§ 3.1 质谱 /质谱基础
根据不同的需要，将各种类型的质量分析器以不同的方式
联结起来，提供更为强大的质谱分析功能，解决气相离子的各
种问题。
一、基本概念
1、质谱 /质谱与色谱 /质谱串联技术的比较
串联的概念是一致的。
色谱 /质谱：中性混合物的分离分析。
质谱 /质谱：对纯物质，分别研究分子离子和碎片离子，结构结构信息。
对混合物，分别研究各个不同的分子离子，具有部分分离能力，
各个物质的结构信息。
M 1,M 2,M 3
M 1,
+
M 2
+
,M 3
+
M 1M
2M 3
M 1
+
M 2
+
M 3
+
M 1 x +,M 1 y +
M 1,M 2,M 3
M 1,M 2,M 3 …
M 1 x +,M 1 y + …离
子
源
离子源
碰撞室
分离 鉴定
进
样
口
GC
MS 1
MS
MS 2
2、质量分析器串联方式
?空间上的串联 (tandem in space)
将同类型种或不同类型的质量分析器依次联结在一起。
a) 同种类型的质量分析器串联
扇形磁场、扇形静电场串联质谱。
四极杆串联质谱。
飞行时间串联质谱。
b) 混合型串联质谱 (hybrid mass spectrometry)
扇形磁场、扇形电场和四极杆串联。
扇形磁场、扇形电场和飞行时间质谱串联。
四极杆和飞行时间质谱串联。
离子阱和飞行时间质谱串联。
?时间上的串联 (tandem in time)
在同一质量分析器上，在不同时间里，依次实现离子的选取、离子的碰撞诱
导解离 (或碰撞活化解离 )、离子的分析，时间上的串联。
离子阱质谱仪。
离子回旋共振质谱仪。
3、质谱仪内离子分解的方式
? 亚稳分解 (Metastable Decomposition,MD)
? 碰撞诱导解离 (Collisional Induced Dissociation,CID)或碰撞活化解离
(Collisional Activation Dissociation,CAD)
? 表面诱导解离 (Surface Induced Dissociation,SID)
? 黑体红外辐射解离 (Blackbody Infra-Red Dissociation,BIRD)
? 光解离 (Photo-Dissociation,PD)
a) 红外多光子解离 (Infra-Red Multi-Photon Dissociation,IRMPD)
b) 紫外光解离 (Ulta-Violet Photon Dissociation,UVPD)
? 电子捕获解离 (Electron Capture Dissociation,ECD)
二、质谱 /质谱中离子的能量分布
质谱中的三种类型离子，对于电磁质谱来说，离子源内产生的离子：
稳定离子 离子寿命大于 10?s,分解速率小于 105，正常离子峰。
不稳定离子，离子寿命小于 1?s,分解速率大于 106，检测不到。
亚稳离子,离子寿命介于 1-10?s,分解速率在 105到 106之间，亚稳峰。
1、亚稳离子
分解过程中不专与任何其它粒子 (包括
中性分子, 离子, 电子或光子 )进行能量交
换, 分解的驱动主要是沉积在离子上的略高
于分解反应临界能的内能, 分解速率在
105~106之间 。
主要出现在扇形电磁质谱和飞行时间质
谱中 。
电磁质谱中亚稳离子的内能和寿命的关
系见右图和下图：
A+
B+
Ea
10-6< ? < 10-5s
[A+]?
反应坐标
内
能
电磁质谱中的亚稳分解一般发生在无场区中进行, BE或 EB型质谱仪中, 有第
一无场区 (IFFR),第二无场区 (2FFR)和第三无场区 (3FFR),可采用联动扫描方式分
析 。
飞行时间质谱亚稳分解发生在飞行管无场区中, 通过源后分解技术 (Post
Source Delay,PSD) 测定 。
亚稳离子分解能量示意图
I
II
B+
III
Ea E
i
Eb
A+
2,内能分布及离子结构对离子分解的影响
? 基本原理
设有两个离子 A+和 B+,它们分解的临界能分别为 Ea和 Eb,它们之间相互转化的
临界能为 Ei,当离子内能分别处于 I,II和 III区时, 离子会以不同的形式存在, 在质
谱仪也将检测到不同的离子 。
I：稳定的 A+离子。
II,A+可以异构化为 B+,但在质谱上
表观测到的是, 同一离子, (质
荷比相同 ),实际上是 A+和 B+的
混合离子 。
III：过剩内能不太大，发生亚稳分
解反应。
IV,A+和 B+离子的混合物的分解，
产生各自的碎片。
?详细分析
A+为初始离子, B+为 A+的异构体：
(a),Ei高于 Ea和 Eb
A1以下：内能较低时 (不高于亚稳离子分解的临
界能 EA)，稳定的 A+离子。
A1~A2,A+的亚稳分解。
A2~A3,A+分解，产生其碎片离子。
A3以上,A+可以异构化为 B+，但 B+离子在该内
能处，离子的态密度很小，反应速率很
小，两种异构体是可以区分的。
(b),Ei低于 Ea和 Eb
B1以下：稳定离子,A+或 A+和 B+的混合离子。
B1~B2,A+异构化为 B+,B+亚稳分解。
B2~B4,B+分解，产生其碎片离子。
B4以上,A+和 B+混合离子分解，产生混合碎片
离子，各离子的份额与其内能值有关。
亚稳分解谱上,B+占优势； CID谱上，
A+的比例增加，在质谱分解的时间范
围内,A+和 B+不能建立快速的平衡，
因此 MI和 CID谱上，有一定的区别。
(c),Ei远低于 Ea和 Eb
B1以下,A+和 B+混合物的稳定离子，因两者间
非常容易转化。
B1~B4,A+和 B+混合物的分解。
A+和 B+无法区分。
(d),Ea高于 Ei高于 Eb
小于 Ei时：稳定的 A+离子。
C1~C2,A+以亚稳的速度转化为 B+后分解，
得到 B+离子的碎片。
C2以上, A+转化为 B+后再分解，得到 B+离子
的碎片离子。
2
1
C
3,碰撞诱导解离过程中的能量转换
对于内能较小的稳定离子, 进行 MS/MS实验时, 需要为该离子提供能量, 使其
内能超过该离子分解的临界能 。
具有一定动能的前体离子与中性气体碰撞, 在发生的非弹性碰撞中, 离子的部
分动能转化为内能 。 转化而来的内能与离子的动能以及碰撞气体的反应截面有关 。
? 碰撞能量表示方式
?高能：千 eV数量级 。 磁质谱, 飞行时间串联质谱等 。
?中能：百 eV数量级 。 四极杆质谱等 。
?低能：十 eV数量级 。 离子阱质谱等 。
此处指实验室坐标下的能量，用离子运动的动能 Elab表示。
实际上, 决定碰撞能量转换的是质心坐标能量 Ecm,二者的关系：
pg
g
mm
mEE
?? la bcm
mg,碰撞气体质量
mp,离子质量
合适的内能分布产生有价值的 MS/MS谱图, 需选择合适的 Ecm：
Elab大者, 选取小的 mg,如 He,Ne等 。
Elab小者, 选取大的 mg,如 N2,Ar 或 Xe等 。
?例：在磁质谱中, m/z200的离子经 6keV的电压加速后与 He碰撞时, 计算 Ecm;
在四极杆质谱仪中, m/z200离子的动能为 100eV,与 Ar碰撞, 计算 Ecm。
pg
gla bcm
mm
mEE
??
mg,碰撞气体质量
mp,离子质量
磁质谱
四极杆
eV592 0 02 26 0 0 0pg gl a bcm ??????? mm mEE
eV1620040 40100pg gl a bcm ??????? mm mEE
电子轰击,Ecm≈Elab 因为电子质量非常小,mp相对于 mg可以忽略不计。
?碰撞能量向内能的转化
碰撞过程遵守能量和动量守衡原理 。
离子运动的动能 Ecm,碰撞过程中转化为内能 Q,但 Ecm不是全部转化为
Q,而是部分转化 。 单次碰撞的转化效率与离子的碰撞截面, 气体的碰撞截
面有关 。
E
Q
E?
E0
E0r
M1+ ? M2+ + M3
动位移
反应坐标
内
能
?例：正丁基苯分子离子断裂反应碰撞能转化为内能的效率
左：化学电离正丁基苯方法产生正丁基苯分子离子，采用不同电荷交换能力的化学电
离试剂，生成的 M+?具有相对确定的内能值。
内能越高,I91/92越大，越易生成 m/z91。 m/z91离子的生成是键断裂反应，“疏松
型”过渡态，高内能时有利于该反应。
m/z92离子的生成是六元环重排反应，“紧密型”过渡态，低内能时有利。
右：正丁基苯分子离子在不同 Elab和 Ecm条件下 CID谱图。与左图相似。
当 I91/92=1.4时，右图 Ecm = 3.7eV，
左图 内能 = 3.2eV。
即 Ecm = 3.7eV 内能 = 3.2eV。
此时,Ecm转化为内能的效率为 3.2/3.7=86%。
H
+
.
+
H
+
,H
H
+
m / z9 1
m / z9 2
.
?
r H
内能
同理：
当 I91/92=2.7时，右图 Ecm = 9eV，
左图 内能 = 4.6eV。
即 Ecm = 9eV 内能 = 4.6eV。
此时,Ecm转化为内能的效率为 4.6/9 = 50%。
在高的碰撞能 Ecm下，离子从碰撞中转化而来的内能较高，碰撞能转化
为内能的效率下降。
?能量转化的影响因素
CID实验时，需要得到较合适前体离子的内能分布，从而获得信息丰富的谱图。
影响因素,? Ecm越大，转化的内能越高。
? 碰撞气体压力，提高压力，有利于前体离子内能的积累。
原因：当提高碰撞气压力时，碰撞机率增加。
前体离子多次碰撞，每一次均获得一定量内能，积累出分解所需的内能。
前体离子分解的离子进一步与碰撞气碰撞，子离子获得分解所需的内能，
继续分解。
Mp+ Mp+* Mp+** 产物
Mp+ Mf1+ Mf2+ ……
N N
NN
碰撞气压力下，碎片离子的产率与靶气密度、碰撞截面和碰撞室的长度对入射离
子强度和出口离子强度的关系式：
LneII ?Dpf ??
If, 产物离子强度
Ip：进入碰撞室前体离子强度，即在没有碰撞气时主束离子的强度
nD,碰撞气的数密度
?：碰撞截面
L,碰撞室长度。
由此公式可以计算碰撞截面 ?，与结构密切相关的一个参数。
CID谱反映的是稳定离子的结构，碰撞过程中，离子从碰撞能中获得能量，
使其激发到较高的振动能级上，达到其导异构化或分解所需要的能量，两者是一
个竞争的反应。但只要异构化临界能不是太小，则前体离子直接分解的速度一般
大于异构化的速率，因此前体离子会主要以直接分解的反应途径分解，同时可能
伴有异构化离子的分解。所以，在大多数情况下，对于不同的离子 A+和 B+，具有
不同的 CID谱，这为利用 MS/MS研究离子结构奠定了基础。
值得指出的是，具有相同的 CID谱的离子不一定具有相同的结构，如在异构
化临界能很低时，初始的前体离子与其异构化离子在 CID谱上是不能区分的，这
种情况虽然不是很普遍，但应给予注意。相反，具有相同结构的离子，一定有相
同的 CID谱。
与亚稳分解相比,CID谱中离子的反应通道更多，分子离子的 CID谱与其常
规的 EI谱很相似，主要是由于碰撞可以获得更多的内能，使前体离子分解。
亚稳谱研究的离子，其内能分布在一个很窄的范围，只有少量的反应通道，
分解的产物离子种类少。
若两个离子结构相同，则其 MI和 CID谱均应相同，若两个离子结构不同，
其 CID谱很可能不同，但其 MI谱不一定不同。因为 MI谱中研究的是内能相对较高
的离子，在分解之前，很可能会发生异构化，其谱图是一个包含异构化离子在内
的离子分解的混合谱图。 CID相对于 MI而言，选取的是内能低的离子，大部分保
持其初始结构，有很好的可区别性。
4,光解离中的能量转换
AB+ AB+* AB+ + h? 荧光发射
AB+ AB+* A+ + B 直接解离
AB+ AB+* AB+** A+ + B 预解离
h?
h?
h?
?紫外光解离
使用紫外光如 193nm解离，能量较高，可以
将处于电子基态的离子跃迁到各激发态上。然后
进行解离，这是一种高内能的解离过程。其结果
与高能碰撞有相似之处。
激发后的离子分解经历以下主要过程：
光解离：
? 无须碰撞气。
? 解离效率相对较高。
? 相对高能量，丰富的碎片离子。
? 产生多次裂解，不利。
光解离：
? 无须碰撞气。
? 解离效率相对较高。
? 专一裂解性。
? 产生多次裂解，不利。
?红外多光子解离
AB+ AB+* A+ + B 直接解离nh?
用红外光 (如 10.6?m)照射离子，离子吸
收多个红外光子的 能量，使内能提高。由于
所用的红外光子的能量在振动能级的水平，
吸收的光子的能量主要使离子的振动能级激
发，达到或超过离子分解的临界能，从而产
生碎片离子。这是一种低能的过程。其结果
与某些低能碰撞有相似之处。
激发后的离子分解经历以下主要过程：多光子吸收过程
§ 3.2 质谱 /质谱仪器
一,BE或 EB型 电磁场 双聚焦质 谱仪
三个无场区 I,II,III(1FFR,2FFR,3FFR)。
?狭缝，主狭缝。
亚稳分解发生在三个无场区。
反几何型正几何型
1,亚稳离子分析
? 常归扫描质谱的亚稳离子峰
在常规的质谱分析谱图上, 有时会在非整数质量数处出现峰较宽, 强度
不大的峰, 这些峰为亚稳峰, 其来源为某些分解速度为 105~106的离子, 在
离开离子源于无场区内分解所产生, 其质量数不出现, 真实, 的 m/z位臵,
而在质谱图上出现, 表观, m/z位臵 。
在常规的质谱图能够观察到亚稳峰的仪器：
单聚焦质谱仪：亚稳分解发生在磁场前面的无场区
正臵双聚焦 EB质谱仪：亚稳分解发生磁场前面的无场区，即第二无场区。
2
:,
)2(
)1(
2
1
2
2
2
2
er
k
V
B
k
z
m
v
r
mv
B z ev
mvz eV
?
?
?
?
其中
并整理后得消去以上两式中的
???
??
稳定离子 M+?和稳定的碎片离子 (离子源中产生的 )M1+遵守的基本方程：
其中：
m, M+? 的质量
V, 加速电压
v, 离子运动速度
B, 磁场强度
r, 离子动行半径
该方程对于稳定的 M1+离子也适用，只需将 m换成 m1即可，公式如下。
三种不同类型的离子, 稳定离子 (M+?)、不稳定离子 (M+?)和亚稳离子 (M+?*)：
稳定离子 M+? 不分解,检测到 M+?。
不稳定离子 M+? M1+ + M2? 离子源内分解，产生 M1+，检测到 M1+。
亚稳离子 M+?* M1+ + M2? 无场区内分解，产生 M1+*，检测到“表观质量”
。
2,
221 erk
VBkzm ?? 其中
亚稳离子 M+?*在场区飞行时发生分解, 产生 M1+*和 M2。 M1+*和 M2具有与 M+?相同
的运动速度, 但 M1+*的动能仅为 m1v2/2。
M+?*经加速电压加速后所得能量 zeV,亚稳分解的 M1+*离子的加速电场能为
m1/mzeV。 m1+ m2= m,由 M1+*和 M2来分配 M+*的能量, 即 m1/mzeV+ m2/meV= zeV。
)1()2(
2
1
2
12
1
11
2
11
1
??
m
mz eVvm
vmz eV
m
m
?
?亚稳 M
1+*：
m
er
k
m
m
m
V
B
k
z
m
V
Ber
mz
m
2
,*
*
2
22
1
2
222
1
??
?
? 或
若要 M1+*通过磁场，其在磁场中也需做半径为 r的圆周运动，此时 M1+*也应
符合电磁场质谱的基本方程：
VBkzm
21 ?正常 M1 +：
此式表明, 在磁场前无场区 M+?*分解所产生的 M1+*,将
在质量数为 m12/m的位臵出现质谱图中, 该数值为, 表观质量
”, 该离子的, 真实质量, 为 m1,表观质量比真实质量小 。
亚稳离子分解反应时, 部分内能转换成动能, 亚稳离子
的峰具有不同程度的扩散, 导致峰变宽, 变弱, 其质心位臵
不易准确判定 。
?例：邻硝基甲苯和对硝基甲苯准分子离子的亚稳分解
N O- m / z 9 0m / z 1 3 6
*
- N O 2 C H
2
.+.+
N O 2
C H 2
59
5.5913690* 221 ??? mmm
60
59.5
83
6.821 3 61 0 6* 221 ??? mmm
82
82.6
- N O 2
C H 2N O 2
m / z1 0 6
*
- N O C H
2O
+
.+
m / z1 3 6
亚稳实验证实邻硝基甲苯和对硝基甲苯的准分子离子峰失去硝基和亚硝
基的机理是不一致的。
? 离子动能谱 (Ion Kinetic Energy Spectrum,IKES)和质量分析离子动能
谱 (Mass Analyzed Ion Kinetic Energy Spectrum,MIKES)
前者在正臵几何型 EB上实现，后者在反臵几何型 BE上实现，均将磁场
设为回定值，扫描静电场，分别得到碎片离子找前体离子和前体离子找碎片
离子的功能。后者还可以将磁场前面加一个碰撞室，对前体离子加以碰撞，
实现所谓的 CID-MIKES，对于研究离子结构非常有用。
反几何型正几何型
a) IKES：正臵几何质谱
对于稳定的离子 M+,其通过静电分析器的条件为：
e
r
r
e
r
VEv
eE
r
mvmveV
2:
,
2
1 22
?
??
得消去
静电场必须与加速电压保持一定的关系,
才能使得从离子源中出来的稳定离子通过静电
场 。 只要保持了这种关系, 所有稳定的离子所
获得的动能会使得其通过静电场, 此时的静电
场只起到一个离子能量的聚焦作用, 不能起到
分离子的作用 。 在常规的扫描中, 加速电压固
定, 静电场也随之固定 。
不含 m
第一无场区亚稳分解：
C2C1
*
C
B2B1
*
B
A2A1
*
A
21
*
MMM
MMM
MMM
MMM
??
??
??
??
??
??
??
??
对于稳定的 m+,其动能为 mv2/2=eV，恰好能够通过静电场。
而对于 M+*,其动能亦为 mv2/2=eV,但在第一无场区分解后,
M1+所具有的动能为 m1v2/2= m1/meV,小于 M+* 的动能,该离子
不能够通过静电场, 所以检测不到该离子 。 其它的亚稳离子
与该离子相同 。
E1能够使第一无场区发生的亚稳分解，碎片离子和前体离子之间满足 m1/m=E1
的所有离子都能通过静电场，如果将检测器臵于静电场后面，则检测到的是 一组 离
子。
向下扫描静电场，可使具有不同 m1/m值的亚稳分解一组离子依次通过静电场，
得到 IKES。
也可以将磁场设定某一固定值，只允许某组特定动量的离子通过，则在电场扫
描时，分析的离子不仅满足 m1/m=E1,而且还要满足 m12/m=表观质量。这样使得分析
结果更清楚。
加速
电压 时间
第 1无场区离子源 静电场
动
能
M+
Mf+
电场电压 E，正常离子 M+ 通过。
电场电压 E1，降低电场强度可使 M1+ 通过。 E1=m1/mE。
m 2 / m 1 =
m 2 / m 1 =
m / z 1 5m / z 3 0
m / z 3 9m / z 7 8
*
*
3 0 / 1 5 = 2
7 8 / 3 9 = 2
C H 3 +C 2 H 6 +
C 3 H 3 +C 6 H 6 +
b) MIKES：反臵几何质谱
21* MMM ?? ??第 2无场区亚稳分解：
第 2无场区碰撞诱导分解：
前面讨论的结论仍然有效：
令磁场只允许通过 M+*,该离子在第 2无场区中发生亚稳分解，扫描静电场，使亚稳
分解产生的离子 M1+,M2+,M3+等依次通过静电场，得到 MIKES。
在第 2无场区中安装碰撞室，可利用磁场选择各种稳定离子 M+或亚稳离子 M+*，碰撞
室内充入氦气或氩气，通过碰撞，可使 M+分解成多种碎片离子，再结电场扫描得到 CID-
MIKES。最简单的 MS/MS。
加速
电压 时间
第 1无场区离子源 静电场
动
能
M+ M+
M1+
第 2无场区磁场
静电场
磁场
碰
撞
室
电场电压 E1，降低电场强度可使 M1+ 通过
。
E1=m1/mE。
电场电压 E，正常离子 M+ 通过。
21N* MMM ?? ??
双电荷离子的 MIKES，略
n-十六碳烷 M+?的 MIKES
有关公式的推导,M+* M1+ + M2
?动能 p 动量
稳定离子 M+和亚稳离子 M+*, eV (2m?)1/2
离子源中产生的稳定离子 M1+, eV (2m1?)1/2
亚稳分解得到的 M1+, m1/meV
为使亚稳分解的 M1+通过静电场，静电场场强应下降到 E1
E1 = m1/mE 基本公式
m1= mE1/E 由此公式得到碎片离子质量。
?常用联动扫描质谱检测亚稳离子
M+* M1+ + M2
? 动能 p 动量
稳定离子 M+和亚稳离子 M+*,eV (2m?)1/2 = (2m·eV)1/2
亚稳分解得到的 M1+,m1/m·eV (2m1?)1/2 = (2m12/m·eV)1/2
若能够使稳定离子 M+通过静电场所需的电场强度设为 E，则为了使亚稳分解
的 M1+ 能够通过静电场，静电场强度应下降到 E1,且：
a) B/E联动扫描
亚稳分解发生在第一无场区,EB和 BE型质谱仪均适用，得到前体离子找碎片
离子质谱。
设在第一无场区内发生如下亚稳分解反应，而且仪器的加速电压 V保持不变，
则各种离子的有关物理量如下：
)1(11 ???EEmm ?
能够使稳定离子 M+通过磁场所需的磁场强度设为 B，则为了使亚稳分解的
M1+ 能够通过磁场，磁场强度应变到 B1，且：
(1)和 (2)比较得：
)2(
)2(
)2(
1
2
1
2
12
1
11 ???
m
m
m eV
eVmm
p
p
B
B ???
)3(:
1
1
111
???
E
B
E
B
E
E
B
B
m
m
?
??
即
(3)式表明，磁场强度 B与静电场强度 E之比，对母离子和子离子均为常数。
B/E联动扫描的实现方式：在加速电压为 V,静电场电压为 E,扫描磁场强度 B,找
到 M+后, 保持加速电压不变, 并使静电场电压与加速电压脱离固定关系 。 锁定
B/E关系, 然后将磁场和静电场均降为最小值, 令 B/E为常数联合向高场方向扫描
,从而得到母离子的各种碎片离子峰 。 子离子的质量可从以下两式求出：
EEmBBm 1111 ?? 或
B/E联动扫描的优点是第一无场区由前体离子找碎片离子的最佳亚稳测
定方法。扫描过程中，离子源状态下变，质量范围宽，亚稳峰形窄，分辨
本领高。
目前的仪器，厂商都备有 B/E联动扫描的操作软件，计算系统与主机联
机操作，可得到 B/E联动扫措谱。
此方法的特点是先找到 M+，称主束离子，然后利用固定的 B/E的关系找到
其不同的子离子 M1+，这种方式是典型的“母” (主束离子 M+)找“子” (碎片离
子 M1+)联合扫描方式。
正如 IKES一样，联动扫描可能得到的不是纯粹的“子离子”。因为即使
是不同的亚稳分解，但如果其碎片离子 M1+和前体离子 M+的 m1/m比值相同，则
在联动扫描过程中，不同质量数的 M1+离子均能通过电场和磁场，从而得到是
混合离子峰。但一般情况下，纯化合物中，同时发生具有 m1/m相同比值的亚稳
分解反应的可能性不大，因此该方法是一个可靠地进行“母”和“子”关系证
明的有效手段。
同时被扫描，得到相同的峰，从峰的
位臵不能区分二反应，但实际上峰形
可能不同，见亚稳离子的峰形。
m 2 / m 1 =
m 2 / m 1 =
m / z 1 5m / z 3 0
m / z 3 9m / z 7 8
*
*
3 0 / 1 5 = 2
7 8 / 3 9 = 2
C H 3 +C 2 H 6 +
C 3 H 3 +C 6 H 6 +
a) B2/E联动扫描
亚稳分解发生在第一无场区,EB和 BE型质谱仪均适用，得到由碎片离子找前
体离子的质谱峰。
设在第一无场区内发生如下亚稳分解反应，而且仪器的加速电压 V保持不变，
则正常扫描时，各种离子的有关物理量如下：
M+* M1+ + M2
? 动能 p 动量
稳定离子 M+和亚稳离子 M+*, eV (2m?)1/2 = (2m·eV)1/2
离子源中产生的稳定离子 M1+, eV (2m1?)1/2 = (2m1·eV)1/2
正常扫描条件下，若仪器处在 M1+通过静电场各磁场状态，得到 M1+的主束离子。
现假设主束离子 M1+是由 M+*在第一无场区经亚稳分解而产生，为了使该 M+*通过
静电场和磁场，需要提高静电场的强度和磁场的强度。
对于静电场，需提高到 E1：
)1(1
1
???EEmm ?
现假设主束离子 M1+是由 M+*在第一无场区经亚稳分解而产生，为了使该 M+*通过
静电场和磁场，需要提高静电场的强度和磁场的强度。
对于静电场，需提高到 E1：
联立 (1)和 (2)得：
)1(1
1
???EEmm ?
对于磁场，需要提高到，
)2(
)(
)2(
)2(
1
2
2
1
2
1
12
1
1
2
1
11
???
m
m
B
B
m
m
m
m
p
p
B
B
?
???
?
?
)3(
:
2
1
2
1
1
1
2
2
1
???
E
B
E
B
m
m
E
E
B
B
?
??
则
(3)式表明，亚稳断裂碎片离子 M1+的 B2/E比值和等质量的正常碎片离子的 B2/E 相等。
B2/E扫描的实现方式：在加速电压最高档 V，静电场电压为相应值 E，调节磁场强度
为 B，找到正常碎片离子 M1+，然后使加速电压 V固定不变，断开加速电压和静电场
电压间的常规关系，锁定 B2/E的比值，将磁场强度及静电场电压下降到最低值，然后
按 B2/E值从小至大扫描，得到 M1+的全部可能的母离子。
母离子的质量可从下页两式求出：
此方法的特点是先找到 M1+，称主束离子，然后利用固定的 B2/E的关系找到其不
同的母离子 M+，这种方式是典型的“子” (主束离子 M1+)找“母” (亚稳母离子 M+)联
合扫描方式。
B2/E联合扫描是第 I无场区由子找母的一种校好的方法，离子源状态不变，质量
范围较宽，但分辨本领不高，因涉及到 B2的控制，电子上实现起来不易准确。
同样，厂商备有 B2/E联动扫描的操作软件，将计算系统与主机联机操作，可得到
B2/E联动扫描谱图。
121
2
11,mB
Bmm
E
Em ?? 或
?亚稳分解和碰撞诱导解离反应的动能释放
亚稳离子的内能在分解反应临
界能上一个很窄的范围内, 因而
MI谱反映的是离子的终态结构,
而这个结构不一定是其初始结构,
有可能存在异构化的离子, 从而使
分析的亚稳离子成为混合离子 。
亚稳谱是质谱中惟一能够较好
地限定离子内能的 (最低分解阈值
以上 0~0.5)和寿命 (1~10?s)技术 。
碰撞诱导解离通过碰撞为稳定
的离子提供内能, 其前体的内能较
小, 不易异构化, 从而应具有明确
的结构 。
前体离子 Mp+在分解过程中，会将非固
定化能和逆活化能以动能的形式放出，称动
能释放。动能释放与离子结构有关，动能释
放导致质谱峰变宽。
Ea
Q
E?
E0
E0r
Mp+
动位移
反应坐标
内
能
Te
Mf+ + Mn0
EMI
E? T?
M1+ M2+ + M3
动能释放,T = T? + Te
动能释放的计算公式：
?
其中,m1,m2,m3 分别为产物离子前体离子 M1+,碎片离子 M1+和中性碎片 M3的质量，
d 为亚稳峰的半高宽度,V是加速电压。
?
用于 IKES和 MIKES中计算,?E为从亚稳获的 M1+和从离子源中生成的 M1+峰半高
宽之差，单位为弗。
动能释放改变峰宽和峰形，改变程度取决于动能释放的大小。
当 T很小时，峰较窄，峰形接近高斯型，简单的键断裂，逆活化能很小，主要
来自于非固定化能，一般小于 0.05eV。
332
221
%50 16 mm
eVdmT ?
2
32
21
%50 )(16 E
E
mm
eVmT ??
在质心坐标系中，亚稳离子分解导致碎片离子在各个方向有均等的速度，
该速度附加在离子的原来飞行速度之上，形成合速度。
附加速度在垂直于离子飞行方向速度分量，使离子偏离管道中心。
附加速度较小时：当在离子到达检测器之前，离子偏离中心的距离未超过
管道的半径时，各个离子均能够被检测器检测到，此时的附加速度仅仅使峰宽
加大，峰形呈高斯形。
附加速度较大时，由于部分离子偏离中心的距离超过管道半径，这部分离
子不能够被检测到，呈平顶形。
附加速度很大时，更多的离子偏加大，以致于在垂直于飞行方向的离子大
部分不能够被检测到，呈碟形。
M+
M1+ M2
-?v
M1+M2
?v
M1+ M2
M2 M1++
-?vvr
v0
?v
vr
v0
+
离子管道
v0
离子管道
v0
离子管道
v0
离子管道
v0
检
测
器
检
测
器
检
测
器
检
测
器
40 60 80 100 120 140 160
0
20
40
60
80
100
162
147
105
119
91
Relativ
e Abund
ance
m/z
O
+
.
1 6 2
1 4 7
1 0 5
C
2
H
4
C H
3
C O
+
O
+
-
+ +
- +
( a) ( b )
?例 3-甲基 -4-苯基 -2-丁酮的质谱
从常规的 EI质谱图上，可以看到，分子离子发生了 [M-15]+的断裂，但从该质谱
图上不能判断 CH3的失去是发生在 ?碳上，还是 ?碳上，还是这两种方式同时发生。
通过亚稳分解方法可以很容易得到答案。不仅可以找出第一级断裂，还可以找到第
二级和第三级断裂。结果示于下图。
2、串联双聚焦磁质谱仪
EBE型双聚焦串联质谱仪
高分辨质谱仪
高分辨 IKES。
BEB型双聚焦串联质谱仪
中华人民共和
国，教育部，
武汉大学，中
国唯一的一台
ZAB-3F。
高分辨 IKES，高分辨 MIKES
中性化再电离 (NR)和碰撞诱导解离电离 (CIDI)
? NR,碰撞室 1中充入碰撞气 N，进行电荷交换反应碰撞气离子和中性 M，离
子经偏转电极除去，中性碎片继续前进,碰撞室 2内充入氧化性气体 R，中性
碎片与其碰撞时氧化 产生正离子。
? CIDI：碰撞室 1中没有碰撞气，亚稳分解离子和中性碎片，离子被偏转掉，
亚稳中性碎片继续前进，碰撞室 2同前面一样，来稳中性碎片碰撞时被电离。
偏转电极 质量分析
碰撞室2
再电离中性化
质量选择
+/-
碰撞室1
eRMRM
NMNM
11
11
??? ???
?? ???
??
????
eRMRM
MMM
33
32
*
1
??? ???
?? ??
??
????
Frank Condon 碰撞电离
M1+· M1+·
M1 M1
NEV(M1+·) < IE(M1)NEV(M1+·) = IE(M1)
(a) (b)
(a) 离子和中性粒子几何结构相似，离子被中性化后能够生成稳定的中性分
子,NR实验能够观察到复原的 M1+·。
(b) 离子和中性粒子几何结构相差很大，离子被还原后生成振动激发态的中
性粒子，其能量已达到中性粒子 M1·的碎裂反应的临界能,NR谱中得不
到复原的 M1+·。
用于气相离子化学研究，比如进行中性化 -再电离和碰撞诱导解离等。
ZAB-4F串联双聚焦质谱仪 (EBEB)
二、四极杆串联质谱仪
优点：
? 碎片离子分辨高，第二级四极杆可以达到单质量分辨。
? 高的碰撞效率，比在双聚焦磁质谱仪中高 20~100倍，有利提高
灵敏度。
? 消除伪峰,(相对于磁质谱而言 )。
QO QO Q1
Q3
Q2
Q1和 Q3：正常的四极杆质量分析器。
Q2：四、六、八极杆等，其上只加射
频电压，可防止碰撞散射。八极杆对
散射的抑制作用最强。目前，商品仪
器多用八极杆。
弯曲的八极杆：防止中性碎片进入
Q3，提高灵敏度。
方式 Q1 Q2 Q3 谱图
单级质谱仪 所有 m/e通过 无碰撞气所有离子通过 a 扫描 m/e 常规质谱图 (CI,EI,ESI等）
前体离子方式 扫描 m/e 碰撞气
b
所有离子通过 选择 m/e
由碎片离子找到前
体离子谱
碎片离子方式 选择 m/e 碰撞气
b
所有离子通过
① 扫描 m/e或② Q1每通过
1个离子，可同时选择几
个碎片离子 c
由前体离子找到碎
片离子谱
中性丢失方式 (联
合扫描 ) 扫描 m/e
碰撞气 b
所有离子通过
与 Q1保持同样速度扫描
m/e，保持恒定质量数差 M
前体离子的中性丢
失谱
四极杆串联质谱操作功能
a 或 Q1扫描,Q3使所 m/e通过。
b 如无碰撞气时则得到单分子分解的亚稳谱
c 选择离子监测 (SIM)
单级质谱仪
前体离子方式
碎片离子方式
中性丢失方式 (联合扫描 )
中性获得方式 (联合扫描，当在
碰撞室放臵反性气体时Q2
碰撞室Q1 Q3
四极质谱分辨率不太高，但较容易实现单位质量分辨，在进行质谱 /质谱分
析时，碎片离子也比较容易得到单位质量分辨。这比扇形磁质谱仪的 MIKES或
CID-MIKES给出更高的分辨率，因磁质谱仪的静电场的分辨本领不强，所以子
离子分辨率不高。
四极质谱 /质谱的碰撞电压可调性强是其另一个优点，可以做能量分辨碰撞
诱导解离谱以利于结构分析。
0 10 20 30 40 50
0
20
40
60
80
100
N H
O
O 2 N
H
+
m / z 1 8 1
m/ z 43
m/ z 139
I
on/
T
ot
al
ion
/
%
C ollis ional energy / eV (Lab f ram e)
N H 2
O
O 2 N
m / z 1 8 1
+
m / z 1 3 9
N H 3
O 2 N
+
C H 3 C O
+i
m / z 4 3
r H
N H 2
O
O 2 N
H
m / z 1 8 1
+
三、飞行时间质谱 /质谱
基质辅助激光解吸电离 (MALDI)或激光解吸电离 (LDI)虽然是一促软电离方
法, 但在对于某些类别的化合物, 电离过程中有一定的内能沉积, 使得电离的离
子离开离子源后, 经过加速电压的加速进入无场飞行区后, 仍会有一定程度的分
解, 产生亚稳分解的子离子 。
飞行时间质谱仪的加速电压一般为 20~30kV,离子获得 20~30keV的动能, 此
值比扇形磁质谱 (6~8kV)的要高, 但飞行时间质谱分析的对象一般分子量较大,
所以, 离子飞行速度与扇形磁质谱的离子飞行速度相当 。 飞行时间质量分析器的
长度约在 0.5~2m之间, 也和磁质谱的尺度相当 。 因此, 飞行时间质谱上的亚稳
离子分解与磁质谱有许多相似之处 。
飞行时间质量分析器上实现亚稳分析的技术是源后分解 (PSD)技术, 该技术
对生物分子的结构分析价值非常高 。
PSD技术是由德国科学家 R,Kaufmann及其合作者首先推出并应用于分析肽序
列 。
线性飞行时间质量分析器不能实现 PSD功能, 必须要用反射式飞行时间质量
分析器 。
1、源后解离技术 (Post Source Delay,PSD)
?离子的飞行行为
不同飞行时间质量分析器离子运动的方式：
? 直射式，检测区无电场。
? 直射式，检测区加静电场，电场强度较小，不足以使离子反射回来。
? 反射式，直射端施加电场，其电场强度可使离子按一定角度反射回来，检
测器臵于反射轨道上。
活化区域 样品活化表面 /样品 离子源内活化加速区内 /边缘 源后活化 真空
活化过程
过剩能来自于电离：光子 -
分子直接相互作用、固态
活化、温度效应
多次低能或中能碰撞 高能碰撞 (与残余气体 )
时间范围 ps-ns ns-?s ?s-ms
离开表面距离 0 <200 ?m >加速区
在 MALDI中导致离子不稳定和源后分解的活化过程
? 亚稳离子的 来源
在 MALDI探头表面激光脉冲 1?s 后基质
和肽离子密度分布的快照。
上图：纯基质样品 2,5-二羟基苯甲酸 (DHB)
下图：基质 DHB中加入 Substance P
加速区内离子的分解 --碰撞活化过程
基质分子较小，质量经，激光照射后
产生的离子和中性分子速度快，在样品离
子前面形成气体云 (denser cloud) 。当施
加加速电压后，样品离子加速，通过该气
体云，产生多次离子 -分子碰撞，从而使样
品分子获得能量，形成亚稳离子，在飞行
区发生亚稳分解。
无场漂移区内肽的单分子分解速率与加速场强的关系
加速电场越强，样品与气体云碰撞能量越大，内能越高，分解越快。
一般的 TOF质谱仪，场强 ~10kV/cm。
若采用 DE技术，则分解速率减小 5倍，减小亚稳离子的分解。 DE可以提高分辨
率，可以提高 PSD信噪比，从而改善灵敏度。
加速场梯度对离子分解的影响
角动量测量实验
在离子探头表面 100?m处，压力达到 1mbar，还足够导致离子的分解。
实验上测定的加速区的气体云的密度
L1:第一飞行区 L2,第二飞行区
d1:第一反射区 d2,第二反射区
? PSD仪器原理
Mp+ Mf+ + Mn
动能,Mp+,mE
Mf+,mfE/m
在第一无场区飞行区某
处产生的碎片离子 Mf+,将以
与前体离子 Mp+几乎相同的
速度继续飞行进入反射区 。
Mf+带有较低的动能, 因此,
与其前体离子相比, 进入反
射场的深度相对较浅, 从而
较早地离开反射区, 比未裂
解的前体离子更快地到达检
测器 。
为了记录所有碎片离子完整的质谱，反射器的电压必须逐步降低。设 Vf为碎
片离子 Mf+的电压,VR为反射极板上电压。当 Vf=VR时。 Mf+被反射回来，就能检
测。只要有足够范围的 VR值，就能检测到全范围的 PSD碎片离子，这样便可获得
PSD亚稳分析质谱图。
大多数的反射场的线性动态范围有限，这导致并不是所有的碎片离子都能到
达检测器，一张完整的 PSD谱需要改变不同 VR值，分若干次采集，然后拼接而
成。
PSD谱的质量校正：
对于线性 TOF，不考虑仪器的静电加速场和减速场的影响，正常的离子的飞行
时间与质量的平方根为线性关系,可能进行两点校正或最小二阶乘拟合方法校正。
对于 PSD来说，飞行时间和质量的关系比较复杂，没有解析的数学函数，而且
影响因素多达 10几个，因此，用 3次多项式进行拟合，为了进行拟合，需要至少 4 个
已知质量的峰，进行最小二阶乘多项式拟合
对于绝大多数的 PSD分析，均可得到较高的精度。
2/1bmat ??
3P S D2P S DP S DP S D dtctbtam ????
前体离子的选择：离子门技术 (“ion gate”)或束消除技术 (“beam blanking?)
定义一个质量窗口，只有在符合质量窗口的离子通过时间段里，离子门的偏转
电压关闭，而其它时间通过设臵偏转电压，使所有的离子全部偏转掉，从而实现前
体离子的选择。
两个前提条件：
离子门的是一个高的电压降,PSD要求离子门必而以非常高的速率时行电压的
开关的转换。
离子消除设备必须具有足够高的空间分辨力，保证只对感兴趣的离子起作用。
离子门位臵需要考虑前体离子的位臵依赖弥散和离子门位臵形成的 PSD离子高的传
输率。
从前体离子弥散的角度：距离子源越远越好，因为不同质量的离子已经较好的
分开了，时间门容易从其中选择所需离子。
从 PSD离子传输的角度,PSD离子对残留的边缘场十分敏感，离子门最好放臵
于未形成 PSD离子的位臵，同时，为了得到更长的亚稳分解时间，离子门应越靠近
离子源越好。
离子门分辨率 (选择性 )
单边计算：
?M=2.2u(半高半宽 )
M/?M =580(半高半宽 )
M/?M=290(半高全宽 )
?M=2.2u(上升质量 ),10%?90%
M/?M=512(选择性 )
Off
On
当离子门工作时,m/z1281强度
降到 10%以下,m/z1270不受影
响。
蛋白质研究的有力手段
两个 TOF相联，由于 TOF的加速电压可达 20~30kV，这对于碰撞诱导
解离来说，能量太高，因此需要在一级 TOP处设臵减速透镜，以使主束离
子具有合适的速度进行碰撞，碰撞后的离子经过第二离子源重新加速，聚
焦后进入第二级 TOF，为提高分辨率，第二级 TOF为反射式。
主束离子尽管经过减速，但 TOF-TOF仍属于高能碰撞 (0~3kV)，产生的
碎片离子仍可能具有较高的内能，在第二级分析过程中发生亚稳分解，这
对 TOF-TOF分析是不利的，需要对其加以抑制 (metastable suppressor)
2、飞行时间 /飞行时间质谱 (TOF-TOF Mass Spectrometry)
4700 TOF-TOF
200Hz
Nd:YAG laser
ion beam directed to
collision cell for
improved sensitivity
Source 1
with
Delayed
Extraction
evens the
initial ion
velocities
200 laser shots per
second,more
information in a shorter
period of time
precursor ion
selected using the
timed ion selector
ions of lower or higher mass
are deflected based on mass
of selected precursor
4700 TOF/TOF? Optics
The collision energy is adjustable
from 1KeV to 3KeV,Ions are then
pulsed from the second source for
superior MS/MS sensitivity
the ions are slowed
prior to entering the
collision cell for more
complete fragmentation
controllable collision
pressure for optimal
fragmentation
Gas connections
for up to four
collision gases
4700 TOF/TOF? Optics
The collision energy is adjustable
from 1KeV to 3KeV,Ions are then
pulsed from the second source for
superior MS/MS sensitivity
the ions are slowed
prior to entering the
collision cell for more
complete fragmentation
controllable collision
pressure for optimal
fragmentation
Gas connections
for up to four
collision gases
4700 TOF/TOF? Optics
Controlled Ion Fragmentation on the 4700
? Control of laser intensity,gas on or gas off
option
? Control of collision energy (0 ~ 3 keV)
? Control of collision gas pressure with a choice
of up to four different collision gases
? All controls available in both manual and
automated
? TOF/TOF has no theoretical mass limit for
precursor selection
m/z
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Inte
nsit
y
0
10000
20000
30000
40000
y
14
y
13
y
9
y
6
y
7
y
8
y
5
y
4
y
3
y
1
y
2
y
10
y
11
y
14F
m/z
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Inte
nsit
y
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
y
14
y
13
y
9
y
6
y
7
y
8
y
5
y
4
y
3
y
1
y
2
y
10
y
11
y
12
F
Glu1 Fibrinopeptide B
EGVNDNEEGFFSAR
“No Gas”
“Gas On”
m/z
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
In
te
ns
ity
(G
as
O
n)
-In
te
ns
ity
(G
as
O
ff)
-12000
-10000
-8000
-6000
-4000
-2000
0
2000
4000
6000
8000
10000
Fragment ions "Lost"
Fragment ions Gained
y
14
y
13
y
9
y
6
y
7
y
8
y
10
y
11
y
12
I(Gas Off)=40000
v
10
w
11a
w
7a w
12a
w
8a
w
9a
F
y
1
No Gas Gas
Internal 40 72
Immonium 6 8
N-Term 21 18
High Eng 1 11
C-Term 30 32
Total 98 141
Sum of
Intensities
Number
of Peaks
四、傅立叶变换离子回旋共振质谱 (Fourier Transform Ion
Cyclotron Resonance Mass Spectrometry,FTICRMS)
性质 FTICRMS 扇形磁质谱仪 (非杂化型 )
分辨率 母离子
50,000~200,000典型
2,000,000可得到
5,000典型
10,000可得到
子离子 10,000~100,000 1000典型
精度
母离子 低的 ppm (外部校正 )亚 ppm (内部校正 ) 低的 ppm (内部校正 )
子离子 低的 ppm (外部校正 )亚 ppm (内部校正 ) 10~100ppm
MS/MS/MS 多种提供能量的方式 需配臵更多的电场或磁场
灵敏度
(ESI)
宽扫，低分辨
窄扫，高分辨
宽扫，高分辨
低的 Femtomole
低的 Femtomole
低的 Femtomole
低于 Femtomole
Picomole
不可能
LC/MS >1个谱 /秒，高分辨和高灵敏 不易实现高分辨
MALDI 连用容易，高分辨和高灵敏 少见
校正 外部，内部，非常稳定 内部校正，稳定
离子 -分子反应 可以 不可以
FT-ICR-MS性能
Quench Ionize Excite
time
DetectSelect
Collision
Gas
Pulse
Fragmentation and
Pumping Delay
FTMS MS/MS 脉冲序列
FTICRMS的质谱 /质谱是时间序列的串联，与离子阱相似。
母离子获取能量进而分解的方式很多：
?碰撞诱导解离 (SORI-CID)。
?红外多光子解离 (IRMPD)。
?紫外光解离 (UVPD)。
?电子捕获解离 (ECD)。
?黑体红外辐射解离 (BIRD) 。
1、持续非共振辐射 -碰撞诱导解离法 (Sustained Off-Resonance
Irradiation – Collisional Induced Dissociation,SORI-CID)
引入脉冲 N2，当 Cell中的压力达到 10-6Torr时，施加一非共振射频 (RF)给离子加
速。该射频一般设定在低于感兴趣的前体离子的回旋频率 1000Hz左右。当回旋频率
与射频相位接近相同时，离子获得能量并使其回旋半径加大。从另一方面，当二者
的相位相差 180o时，离子向回旋池中心运动，回旋半径减小。这样的循环发生每秒发
生几百次，某些循环会使离子回旋加快，与氮气碰撞获得一个小的能量，并转化为
内能。每次碰撞，离子只能得到一个很小内能，但这样的碰撞发生千百次，最终使
离子积累到足够高的内能进而分解。
由于离子的内能是逐步积累升高的，该内能将遍及全部离子，进而离子以低能
碎裂途径分解。
上述过程中，只有回旋频率接近于 RF的频率的离子才能被激发，该离子的碎片
离子不具要类似的回旋频率，它们不会被进一步的激发，也不能与氮气碰撞获得内
能，进而得以冷却成稳定的离子。所以，碎片离子一旦形成，便会在回旋池中得到
冷却，不会进一步发生碎裂反应。
SORI-CID是一个低能的碰撞诱导解离反应，但不产生多次断裂反应，精度高。
Time evolution of ion cyclotron radius (left)
and ion xy trajectory (right) for each of three
ICR techniques for ion multiple activation
based on repeated single-frequency dipolar
excitation for collision-induced dissociation
(CID),In sustained off-resonance irradiation
(SORI) (Gauthier et al.,1991),ions of a
selected m/z ratio are alternately excited and
de-excited due to the difference between the
excitation frequency and the ion cyclotron
frequency,In very low energy (VLE) CID
(Boeringet al.,1992),ions are alternately
excited and de-excited by resonant
excitation whose phase alternates bimodally
between 0oand 180o,In multiple excitation
for collisional activation (MECA) (Lee et
al.,1993),ions are resonantly excited and
then allowed to relax by collisions,
(Reproduced,with permission,from (Guan
and Marshall,1996).)
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- CO + H
蛋白质断裂的碎片离子定义：
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
r.i.
100 200 300 400 500 m/z
506.2730
254.1618
175.1192
157.1084
*
*
*
*
* = calibrant ions
Frag.
b1
y1
b2
y4
calc.
157.1084
175.1196
254.1611
506.2728
obsrvd
157.1084
175.1192
254.1618
506.2730
error (ppm)
0.0
2.3
2.8
0.4
SORI-MS/MS of Bradykinin Using QUIC Calibration
Application of CHEF for MS/MS/MS
Full ESI Spectrum
Isolation of Angiotensin I 3+
SORI of 3+
Isolation of b5+
SORI of b5+
b4+
b2+
Angiotensin I (3+)
Angiotensin II (2+)
Angiotensin I (2+)Angiotensin II (3+)
200 300 400 500 700 800600 900 1000 m/z
b5+
b5+
2、红外多光子解离 (Infrared Multiphoton Dissociation,IRMPD)
离子回旋池的端盖上有一小孔, 可以允许激光进入回旋池 。 仪器配备一个 25W
的 CO2红外激光器 。 一般用 8~10W。 离子最后获得足够的能量进行分解 。 正象 SORI
一样, 离子对光子的多次吸收产生离子内能的积累, 这是一个慢过程, 而且内能遍
布于整个离子, 离子的分解经低能过程进行 。 然而 IRMPD离子裂解的专一性不如
SORI-CID。 其原因是后者
分解得到的碎片离子会被
冷却, 不进一步发生分解
,而前者如果激光一直打
开, 则碎片离子也可以吸
收光子积累内能进一步发
生一个低内能的分解 。 这
会导致丰富的碎裂谱 。
IRMPD不需要碰撞气激发
离子 。 这可加快分析扫描
采集的速度, 这对 LC/MS
非常重要 。
150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 m/z
1000 1200 1400 m/z
Bee venom melittin,IRMPD with Pulsed Gas
M.W,= 2845 Da
[M+2H]2+
[M+3H]3+
[M+4H]4+
b2
b3 b4 b5
b6 b7
b8
b9
b10
G-I-G-A-V-L-K-V-L-T-T-G-L-P-A-L-I-S-W-I-K-R-K-R-Q-Q
y3 y4
y8
y9 y
10
y11
y12
y13
y14
y15
y16
y17 y18 y19 y
20 y21
3、电子捕获解离 (Electron Capture Dissociation )
? 灯丝设臵在端极上用以产生零动能电子，灯丝电流可以用脉冲和连续方
式提供。
? 产生的电子象离子一样被捕集在池中，并以与正离子相反的方向运动。
? 引入脉冲气体，以冷却电子。
? 随着电子在池中的运动，它与离子发生碰撞，一些离子的质子与电子结
合成中性的氢原子。快速提供产生较高的能量以使离子分解。
? 这种分解常常发生在能量的随机分布之前，可以观察到经一步注入的能
量引起高能碎裂的反应途径。
? 在碎裂反应过程中，中性氢原子既可以保留在离子上也可以离去。由于
该氢原子是否留在离子上有是十分确定，因此，对离子的同位素的分布
产生一种“歪斜”的影响。这会对分析鉴定造成一定的困难。
? 由于高能的缘故,ECD谱上主要产生 c和 z系列离子。
400 600 800 1000 1200 1400 m/z
Remaining +2 Parent Ion After ECD
c10
c6 c7
c8 c9
c5
C Sequence Ions in the ECD Spectrum of Substance P
698
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 m/z
2435
1700 1900 2100 2300 2500 2700 m/z
c25
C21 c22 c23
c24
C15
C18
C12
C11
C10C7C6
z24
z23z20z19
z17z16
z14
z12
z9
z5
z3
C and Z Sequence Ions in the ECD Spectrum of Melittin
4、表面碰撞诱导解离 (Surface Induced Dissociation,SID)
? 1990年,SID建立。
? 不需要碰撞气，离子进入阱后再被加速至阱壁或内臵在分析池的探头，
发生碰撞，碰撞能转化为离子内能。
? 碰撞表面采用含硅或碳氟化合物的涂布材料的单分子层。
? 解离效率最高达 65％。关键是控制好离子动能，动能转化为内能的效率
一般在 12％一 35％，加上离子阈值动能，生成特定的离子。
? 适合大分子分析，因为碰撞过程中还会产生涂布材料的小分子离子，影
响低质量范围离子分析。
? 解离效率低尚需提高。
5、三种裂解方法内能分布之比较
? SORI-CID
每次碰撞加入到离子的能量为 0 ~ 0.3 eV。
? IRMPD
10.6 ?m的 CO2红 外激光的光子能量为 0.12eV。
? ECD
只能估计，气相中铵离子与电子反应生成氨气与氢原子，气相热化学的
计算结果约为 5eV。蛋白质和肽的多电荷离子比这里估算的要低些。如果蛋
白质和肽离子有较多的电荷，电子将有更深的热阱 (相对于铵离子 )。
五、杂化型质谱 /质谱 (Tandem MS/MS)
1、扇形电场磁场杂化质谱 /质谱
扇形电场磁场 -四极杆 (Sector-Q)
扇形电场磁场 -飞行时间 (Sector-TOF)
扇形电场磁场 -离子阱 (Sector-Ion Trap)
2、四极杆 -飞行时间 (Q-TOF)
3、四极杆 -离子阱 (Q-Ion Trap)
4,Ion Trap - TOF
7070EQ示意图
? 扇形电场磁场 -四极杆 (Sector-Q)质谱仪
1、扇形电场磁场杂化质谱 /质谱
hybrid sector-oa TOF,AutoSpec-TOF”
high energy MALDI Tandem TOF
? 扇形电场磁场 -飞行时间 (Sector-TOF)质谱仪
? 扇形电场磁场 -离子阱 (Sector - Ion Trap)质谱仪
MAT 900XL-Trap
中国唯一的一台
中国计量科学院
Quadrupole Triplet
Differential Pumping Baffle
Entrance (Source) SlitFocusing Quadrupole
Quadrupole Lens
DF - Lens
Y - Deflector Plates
1 m
Focal Plane with PATRIC Detector
(permanently mounted underneath point detector)
Point Detector with
Exit (Detector) Slit,
Conversion Dynode
and SEM
X/Y Focusing Lenses
Deceleration LensesTransfer Octapole
Final Detector
Ion Source
ESAMagnet
Quadrupole IonTrap
以上三种类型的杂化串联质谱仪,Q,TOF,IT都是设计用来检
测前面碰撞诱导解离产生的子离子，它们均能较容易实现子离子 的单
位质量分辨，而且它们对产生离子的传输率高，提高灵敏度。
此外,Q,TOF,IT质量分析器的造价比磁场或电场低，因此，在
杂化型串联磁质谱仪上比较常见。
磁质谱，几 keV，离子阱,~10eV,进入离子阱前需减速，电漂移技术解
决此问题。
提供两种碰撞区域：
? 八极杆区 (全质量范围 MS/MS)
? 离子阱 (2/3质量范围的前体离子 )
宽的动态范围
? 阱内只有前体离子
较小的离子 -分子反应的干扰
? 阱内无水分子
2、四极杆 -飞行时间 (Q-TOF)
Q-TOF串联的优势：
? 对蛋白质，灵敏度增加 5倍
? 分辨率
反射式 (V型 ) 10,000(FWHW)
折射式 (W型 ) 20,000(FWHW)
? 质量测定精度
MS扫描 < 5ppm
MS/MS扫描 <10ppm
? 质量范围
>m/z1300
? 可以选择的电离方式
ESI
MALDI
APCI
I II
TRANSFER
OPTICS
HEXAPOLE
COLLISIONAL CELL
TOF-MS
QUADRUPOLE
RESOLVING
LASER
DETECTOR
REFLECTRON
REMOVEABLE
SAMPLING CONE
Z SPRY
ION SOURCE
QUADRUPOLE
RESOLVING
REFLECTRON
TOF-MS
DETECTOR
EXTRACTION
CONE
HEXAPOLE
COLLISIONAL CELL
TRANSFER
OPTICS
I II
?元素组成分析
某未知混合物的 HPLC-MS分析，使用准确质量进行。
Hydroxyestrone
C18H22O3
Calculated mass [MH]+ = 287.1647
Error = 0.9mmu (3.1ppm)
?-Estradiol 3-thylether
C19H26O
Calculated mass [MH]+ = 287.2011
Error = 0.2mmu (0.7ppm)
两个表观质量相同的化合物的区分
3、四极杆 -离子阱 (Q-Ion Trap或 Q-Trap)质谱仪
Q-TRAP型串联质谱仪原理示意图
QTRAP型的主要扫描功能特点及开发应用
? MS MS3功能（子离子扫描,PROS）
? 母离子扫描功能 (PRES)；中性丢失扫描功能 (NLS)
? LC-MS LC-MS3功能； MRM 扫描功能
?增强型全扫描 (EMS)；增强型子离子扫描功能 (EPI)
?增强分辨率的 Q3功能
?IDA,MS及 MS/MS自动切换扫描功能
?克服 3D离子阱质量截止 1/3效应
某化合物的开
环断裂过程
m/z7
0
Q-TRAP与 LCQ之 MS2结果比较
MS2,QTRAP
[M+H]+
MS2,LCQ
[M+H]+
§ 3.3 质谱 /质谱应用
1、有机小分子应用
?碎裂反应机理研究
? 例：邻、间、对苯二酚双电荷离子离子的分解
化合物 反应通道 产物离子 T/eV R/nm
o-C6H4(OH)2
(A) C6H5O++COH+
3.6 0.40
m-C6H4(OH)2 3.5 0.42
p-C6H4(OH)2 3.6 0.41
o-C6H4(OH)2 (B) C6H3O++H3O+ 2.8 0.52
o-C6H4(OH)2 (C) C5H3++HCOOH2+ 0.9 >1.00
苯二酚双电荷离子 [C6H6O2]2+电荷分离反应
邻
间
对
邻、间、对苯二酚双电荷离子的 MIKES
[C6H6O2]2+ C5H5O+ + COH+ (A)
[C6H6O2]2+ C6H3O+ + H3O+ (B)
[C6H6O2]2+ C5H3+ + HCOOH2+ (C)
OCH O ++ OH O ++
反应( A ) 的过滤态 反应( B ) 的过滤态
化合物 反应通道 产物离子 T/eV R/nm
o-C6H4(OH)2
(D) C5H3+ + COH+
3.0 0.49
m-C6H4(OH)2 3.0 0.49
p-C6H4(OH)2 3.0 0.49
o-C6H4(OH)2
(E) C5HO+ +CH3+
2.3 0.62
m-C6H4(OH)2 2.3 0.62
p-C6H4(OH)2 2.3 0.62
苯二酚失水双电荷离子 [C6H4O2]2+的电荷分离反应
邻
间
对
邻、间、对苯二酚失水双电荷离子 [C6H4O]2+的
MIKES
[C6H4O]2+ C5H3+ + COH+ (D)
[C6H4O]2+ C5OH+ + CH3+ (E)
C H 3 C C C C C O H+ +
过滤态
?例：质子化乙醇及其类似离子的结构
质子化乙醇离子的碎裂产物主要是 C2H5+和 H3O+，同位素标记表明，质
子的位臵有混乱化倾向。同位素标记结果见下表。
产物 C2H5OD2+ C2H5OH2+ CH3CD2OH2+ CH3CD2OHD+ C2H5+/D2O
H3O+ 21/29 35/29 16/11 18/29
H2DO+ 48/57 28/14 52/57 49/51 47/57
HD2O+ 32/14 48/57 12/14 32/34 35/14
D3O+ 24/29 3/3
C2H5+ 48/5 4/5 42/5
C2H4D+ 29/48 27/48 8/14 35/48
C2H3D2+ 23/48 70/48 65/67 24/48
C2H2D3+ 19/48 26/29
C2HD4+ 27/48
C2D5+ 55/5
同位素标记的乙醇的 MH+离子的 CID谱 (实验值 /计算值 )
第一列 C2H5OD2+与最后一列 C2H5+/D2O(来自于 C2H5+与 D2O加合 )结果相同，
表明 C2H5OD2+离子的分解经历 [C2H5/H2O]+复合物中性体。
+C 2 H 5 O H 2
+
[ C 2 H 5
+
/ H 2 O ] C 2 H 5
+
H 2 O
C 2 H 4 H
+
H 2 O
[ C 2 H 4 / H 3 O
+
] C 2 H 4 H 3 O
+
..,,.,
+
提出的反应机理
在这两个复合物中间体互相转变的过程中
，氧和两个碳原子上的氢便在一定程度上丧失
其位臵区别。
相互转变活化能低于生成 C2H5+和 H3O+的临
界。
裂解速度很快，两个异构体间不能达到平
衡转化状态，因此观察到的同位素分布与平衡
状态 (理论计算值 )的不同。
?甾族衍生物的特殊重排过程
3,20二氨孕甾烷。 EI谱：产生 CH3CH=NH2+(m/z44)，显然系重排产生，而且与
3,20位有关，还存在失去 NH3+的反应过程。
氘交换后 CID实验，发现 17位上的 D2N=CHCH3发生了远程迁移，到 3位上，
形成离子 -中性复合物中间体，失去 CH3CH=ND,然后通过 i断裂失去 ND3。
氘代 3,20二氨孕甾烷消除 CH3CH=ND和 ND3的反应机理
D 2 N,
.,
D
+
.
..
.
D 2 N
N D 2
+,
D N
D 3 N
.
+ C H 3 C H N D
+
?离子结构研究
MS/MS是最主要的离子结构研究手段。
? 例,1,3-二羟基丙酮有关离子的结构分析
HOCH2-CO-CH2OH+? [C2H4O2]+? + CH2O
[C2H4O2]+?(m/z60)有独特的 MI和 CID谱，与其它组成相同的离子不同。
离子 45+ 43+ 42+ 41+ 32+ 31+ 30+ 29+
CH3CO2H+? 53 100 7.7 4.5 0 0.8 0 3.7
CH3= C(OH)2+? 47 36 100 10 0 10 1.3 18
HCO2CH3+? 3.5 0 0.8 2 100 54 9.5 27
HOCH2CHO+? 0.3 0.5 1.2 0.4 100 30 2.7 12
C2H4O2+?(未知 ) 2.0 2.2 100 4.0 3.0 3.6 1.1 3.7
几种 C2H4O2+?(m/z60)离子的 CID谱 (相对丰度 %)
[CH2=C=O+?/H2O]
乙烯酮分子离子与水分子的离子 -中性复合物中间体。
?CH3CH=OH+ 和 CH3OCH2+ 的质谱区分
在 QqQ质谱仪内，在 q中充入与上述两种离子反应的气体，如丁二烯或苯。不同
的离子会发生物征的反应，产生不同的离子，以此可以区分两种离子。
20 40 60 80 100
0
20
40
60
80
100
MH
+
CH
3
C H OH
+
Relatv
ie Abundance
m/z
20 40 60 80 100
0
20
40
60
80
100
91
MH
+
CH
3
OC H
2
+
Relatv
ie Abundance
m/z
CH3CH=OH+ 和 CH3OCH2+ 与苯的反应质谱
前者只发生质子交换反应，生成质子化的苯离子。
后者发生加合后再失去 CH3OH，生成 C7H7+，卓 鎓 离子。
2、生物分子应用
?生物大分子的 MS/MS
蛋白质组学，大量使用 MS/MS，进行蛋白质的序列分析。（略）
?氨基酸和多肽分子
电荷在 N端：产生 An,Bn,Cn
电荷在 C端：产和 Xn,Yn,Zn
重要的离子,Bn,酰基离子结构，失去 CO碎片，放热反应。
Yn酰基键断裂产生的离子。
肽或其衍生物 中性丢失 B2离子组成 T0.5/eV
H-Gly-Leu-Gly-OH H-Gly-OH H-Gly-Leu- 0.49
H-Gly-Leu-NH2 NH3 H-Gly-Leu- 0.48
H-Ala-Ala-Gly-OH H-Gly-OH H-Ala-Ala- 0.57
H-Ala-Ala-Ala-Ome H-Ala-OH H-Ala-Ala- 0.54
H-Gly-Aly-Ala-OH H-Ala-OMe H-Ala-Ala- 0.51
H-Gly-Ala-Ala-OH H-Ala-OH H-Gly-Ala- 0.50
H-Gly-Ala-Gly-OH H-Gly-OH H-Gly-Ala- 0.50
H-Glyg-Ala- NH2 NH3 H-Gly-Ala- 0.53
H-Leu-Gly-Gly-OH H-Gly-OH H-Leu-Gly- 0.34
H-Leu-Gly-NH2 NH3 H-Leu-Gly- 0.38
B2离子失去 CO的动能释放
B2离子失去 CO的峰为平顶峰，表明动能释放很大，大约在 0.3~0.5eV，意味着
B2离子碎裂反应经历一个能量较高的过渡态，且有较高的逆活化能。
如果为开环结构，断裂掉 CO是简装的过程,T0.5应很小，所以表中的反应初
始物很可能具有环状结构。经过对已知样品的分析,B2离子被成功鉴定为 噁 唑酮结
构。分子轨道计算结果表明，过渡态具有开环结构。见下图：
反应坐标
势
能
0.88eV
HN
O O+
H C N H C H 2O C O+
+HC N H C H2O + C O0.61eV
噁 唑酮离子分解过滤态示意图
3、定量分析应用
SIM 单离子监测
(Single Ion Monitoring)
SRM 选择离子监测
(Select Reaction Monitoring)
R T, 1, 0 0 - 7, 0 0
1, 0 1, 5 2, 0 2, 5 3, 0 3, 5 4, 0 4, 5 5, 0 5, 5 6, 0 6, 5 7, 0
T i m e ( m i n )
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
R
e
l
a
t
i
ve
A
b
u
n
d
a
n
ce
R T, 3, 8 5
M A, 6 1 0 6 7
N L,
1, 0 9 E 4
T I C M S
P L _ S C H _ 3
1 1 _ 0, 7 Q 1 R
0, 5 _ 5 0 F g _
o n co l u m n
选择离子监测 SRM
H2O/MeOH gradient,0.05% formic,200 uL/min,50 x 2 mm C8
+ESI,SRM
50 femtograms on column
SRM m/z 311.2 ? 259.2
Collision energy 28V
Q1 resolution 0.7 Da FWHM
Q3 resolution 0.5 Da FWHM
242 244 246 248 250 252 254 256 258 260
m/z
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100 250.2
251.2
250.1
杂质
磺胺药物
~3000 resolution
Component separation
杂质存在下磺胺药物的分析
杂质存在下的磺胺药物分析
磺胺药物分析：选择不同的前体离子所得的产物离子谱图
m/z
120 140 160 180 200 220 240 260 280 300
Relat
ive
Abundan
ce
107.6
115.7
183.7
155.6
144.6
130.7 250.0172.6
118.5
157.8131.7
115.7
172.8 250.2130.6
144.6
116.6
146.6118.6
106.6
157.7131.6
161.0 189.8 207.9
183.8
107.5
155.6
166.7
182.7 250.1
单位质量分辨
高分辨分离
m/z 250.2
高分辨分离
m/z 250.1
*
*
*
Q1 设定只允许磺胺药物通过
Q1设定只允许杂质通过
§ 3.1 质谱 /质谱基础
§ 3.2 质谱 /质谱仪器
§ 3.3 质谱 /质谱应用
§ 3.1 质谱 /质谱基础
根据不同的需要，将各种类型的质量分析器以不同的方式
联结起来，提供更为强大的质谱分析功能，解决气相离子的各
种问题。
一、基本概念
1、质谱 /质谱与色谱 /质谱串联技术的比较
串联的概念是一致的。
色谱 /质谱：中性混合物的分离分析。
质谱 /质谱：对纯物质，分别研究分子离子和碎片离子，结构结构信息。
对混合物，分别研究各个不同的分子离子，具有部分分离能力，
各个物质的结构信息。
M 1,M 2,M 3
M 1,
+
M 2
+
,M 3
+
M 1M
2M 3
M 1
+
M 2
+
M 3
+
M 1 x +,M 1 y +
M 1,M 2,M 3
M 1,M 2,M 3 …
M 1 x +,M 1 y + …离
子
源
离子源
碰撞室
分离 鉴定
进
样
口
GC
MS 1
MS
MS 2
2、质量分析器串联方式
?空间上的串联 (tandem in space)
将同类型种或不同类型的质量分析器依次联结在一起。
a) 同种类型的质量分析器串联
扇形磁场、扇形静电场串联质谱。
四极杆串联质谱。
飞行时间串联质谱。
b) 混合型串联质谱 (hybrid mass spectrometry)
扇形磁场、扇形电场和四极杆串联。
扇形磁场、扇形电场和飞行时间质谱串联。
四极杆和飞行时间质谱串联。
离子阱和飞行时间质谱串联。
?时间上的串联 (tandem in time)
在同一质量分析器上，在不同时间里，依次实现离子的选取、离子的碰撞诱
导解离 (或碰撞活化解离 )、离子的分析，时间上的串联。
离子阱质谱仪。
离子回旋共振质谱仪。
3、质谱仪内离子分解的方式
? 亚稳分解 (Metastable Decomposition,MD)
? 碰撞诱导解离 (Collisional Induced Dissociation,CID)或碰撞活化解离
(Collisional Activation Dissociation,CAD)
? 表面诱导解离 (Surface Induced Dissociation,SID)
? 黑体红外辐射解离 (Blackbody Infra-Red Dissociation,BIRD)
? 光解离 (Photo-Dissociation,PD)
a) 红外多光子解离 (Infra-Red Multi-Photon Dissociation,IRMPD)
b) 紫外光解离 (Ulta-Violet Photon Dissociation,UVPD)
? 电子捕获解离 (Electron Capture Dissociation,ECD)
二、质谱 /质谱中离子的能量分布
质谱中的三种类型离子，对于电磁质谱来说，离子源内产生的离子：
稳定离子 离子寿命大于 10?s,分解速率小于 105，正常离子峰。
不稳定离子，离子寿命小于 1?s,分解速率大于 106，检测不到。
亚稳离子,离子寿命介于 1-10?s,分解速率在 105到 106之间，亚稳峰。
1、亚稳离子
分解过程中不专与任何其它粒子 (包括
中性分子, 离子, 电子或光子 )进行能量交
换, 分解的驱动主要是沉积在离子上的略高
于分解反应临界能的内能, 分解速率在
105~106之间 。
主要出现在扇形电磁质谱和飞行时间质
谱中 。
电磁质谱中亚稳离子的内能和寿命的关
系见右图和下图：
A+
B+
Ea
10-6< ? < 10-5s
[A+]?
反应坐标
内
能
电磁质谱中的亚稳分解一般发生在无场区中进行, BE或 EB型质谱仪中, 有第
一无场区 (IFFR),第二无场区 (2FFR)和第三无场区 (3FFR),可采用联动扫描方式分
析 。
飞行时间质谱亚稳分解发生在飞行管无场区中, 通过源后分解技术 (Post
Source Delay,PSD) 测定 。
亚稳离子分解能量示意图
I
II
B+
III
Ea E
i
Eb
A+
2,内能分布及离子结构对离子分解的影响
? 基本原理
设有两个离子 A+和 B+,它们分解的临界能分别为 Ea和 Eb,它们之间相互转化的
临界能为 Ei,当离子内能分别处于 I,II和 III区时, 离子会以不同的形式存在, 在质
谱仪也将检测到不同的离子 。
I：稳定的 A+离子。
II,A+可以异构化为 B+,但在质谱上
表观测到的是, 同一离子, (质
荷比相同 ),实际上是 A+和 B+的
混合离子 。
III：过剩内能不太大，发生亚稳分
解反应。
IV,A+和 B+离子的混合物的分解，
产生各自的碎片。
?详细分析
A+为初始离子, B+为 A+的异构体：
(a),Ei高于 Ea和 Eb
A1以下：内能较低时 (不高于亚稳离子分解的临
界能 EA)，稳定的 A+离子。
A1~A2,A+的亚稳分解。
A2~A3,A+分解，产生其碎片离子。
A3以上,A+可以异构化为 B+，但 B+离子在该内
能处，离子的态密度很小，反应速率很
小，两种异构体是可以区分的。
(b),Ei低于 Ea和 Eb
B1以下：稳定离子,A+或 A+和 B+的混合离子。
B1~B2,A+异构化为 B+,B+亚稳分解。
B2~B4,B+分解，产生其碎片离子。
B4以上,A+和 B+混合离子分解，产生混合碎片
离子，各离子的份额与其内能值有关。
亚稳分解谱上,B+占优势； CID谱上，
A+的比例增加，在质谱分解的时间范
围内,A+和 B+不能建立快速的平衡，
因此 MI和 CID谱上，有一定的区别。
(c),Ei远低于 Ea和 Eb
B1以下,A+和 B+混合物的稳定离子，因两者间
非常容易转化。
B1~B4,A+和 B+混合物的分解。
A+和 B+无法区分。
(d),Ea高于 Ei高于 Eb
小于 Ei时：稳定的 A+离子。
C1~C2,A+以亚稳的速度转化为 B+后分解，
得到 B+离子的碎片。
C2以上, A+转化为 B+后再分解，得到 B+离子
的碎片离子。
2
1
C
3,碰撞诱导解离过程中的能量转换
对于内能较小的稳定离子, 进行 MS/MS实验时, 需要为该离子提供能量, 使其
内能超过该离子分解的临界能 。
具有一定动能的前体离子与中性气体碰撞, 在发生的非弹性碰撞中, 离子的部
分动能转化为内能 。 转化而来的内能与离子的动能以及碰撞气体的反应截面有关 。
? 碰撞能量表示方式
?高能：千 eV数量级 。 磁质谱, 飞行时间串联质谱等 。
?中能：百 eV数量级 。 四极杆质谱等 。
?低能：十 eV数量级 。 离子阱质谱等 。
此处指实验室坐标下的能量，用离子运动的动能 Elab表示。
实际上, 决定碰撞能量转换的是质心坐标能量 Ecm,二者的关系：
pg
g
mm
mEE
?? la bcm
mg,碰撞气体质量
mp,离子质量
合适的内能分布产生有价值的 MS/MS谱图, 需选择合适的 Ecm：
Elab大者, 选取小的 mg,如 He,Ne等 。
Elab小者, 选取大的 mg,如 N2,Ar 或 Xe等 。
?例：在磁质谱中, m/z200的离子经 6keV的电压加速后与 He碰撞时, 计算 Ecm;
在四极杆质谱仪中, m/z200离子的动能为 100eV,与 Ar碰撞, 计算 Ecm。
pg
gla bcm
mm
mEE
??
mg,碰撞气体质量
mp,离子质量
磁质谱
四极杆
eV592 0 02 26 0 0 0pg gl a bcm ??????? mm mEE
eV1620040 40100pg gl a bcm ??????? mm mEE
电子轰击,Ecm≈Elab 因为电子质量非常小,mp相对于 mg可以忽略不计。
?碰撞能量向内能的转化
碰撞过程遵守能量和动量守衡原理 。
离子运动的动能 Ecm,碰撞过程中转化为内能 Q,但 Ecm不是全部转化为
Q,而是部分转化 。 单次碰撞的转化效率与离子的碰撞截面, 气体的碰撞截
面有关 。
E
Q
E?
E0
E0r
M1+ ? M2+ + M3
动位移
反应坐标
内
能
?例：正丁基苯分子离子断裂反应碰撞能转化为内能的效率
左：化学电离正丁基苯方法产生正丁基苯分子离子，采用不同电荷交换能力的化学电
离试剂，生成的 M+?具有相对确定的内能值。
内能越高,I91/92越大，越易生成 m/z91。 m/z91离子的生成是键断裂反应，“疏松
型”过渡态，高内能时有利于该反应。
m/z92离子的生成是六元环重排反应，“紧密型”过渡态，低内能时有利。
右：正丁基苯分子离子在不同 Elab和 Ecm条件下 CID谱图。与左图相似。
当 I91/92=1.4时，右图 Ecm = 3.7eV，
左图 内能 = 3.2eV。
即 Ecm = 3.7eV 内能 = 3.2eV。
此时,Ecm转化为内能的效率为 3.2/3.7=86%。
H
+
.
+
H
+
,H
H
+
m / z9 1
m / z9 2
.
?
r H
内能
同理：
当 I91/92=2.7时，右图 Ecm = 9eV，
左图 内能 = 4.6eV。
即 Ecm = 9eV 内能 = 4.6eV。
此时,Ecm转化为内能的效率为 4.6/9 = 50%。
在高的碰撞能 Ecm下，离子从碰撞中转化而来的内能较高，碰撞能转化
为内能的效率下降。
?能量转化的影响因素
CID实验时，需要得到较合适前体离子的内能分布，从而获得信息丰富的谱图。
影响因素,? Ecm越大，转化的内能越高。
? 碰撞气体压力，提高压力，有利于前体离子内能的积累。
原因：当提高碰撞气压力时，碰撞机率增加。
前体离子多次碰撞，每一次均获得一定量内能，积累出分解所需的内能。
前体离子分解的离子进一步与碰撞气碰撞，子离子获得分解所需的内能，
继续分解。
Mp+ Mp+* Mp+** 产物
Mp+ Mf1+ Mf2+ ……
N N
NN
碰撞气压力下，碎片离子的产率与靶气密度、碰撞截面和碰撞室的长度对入射离
子强度和出口离子强度的关系式：
LneII ?Dpf ??
If, 产物离子强度
Ip：进入碰撞室前体离子强度，即在没有碰撞气时主束离子的强度
nD,碰撞气的数密度
?：碰撞截面
L,碰撞室长度。
由此公式可以计算碰撞截面 ?，与结构密切相关的一个参数。
CID谱反映的是稳定离子的结构，碰撞过程中，离子从碰撞能中获得能量，
使其激发到较高的振动能级上，达到其导异构化或分解所需要的能量，两者是一
个竞争的反应。但只要异构化临界能不是太小，则前体离子直接分解的速度一般
大于异构化的速率，因此前体离子会主要以直接分解的反应途径分解，同时可能
伴有异构化离子的分解。所以，在大多数情况下，对于不同的离子 A+和 B+，具有
不同的 CID谱，这为利用 MS/MS研究离子结构奠定了基础。
值得指出的是，具有相同的 CID谱的离子不一定具有相同的结构，如在异构
化临界能很低时，初始的前体离子与其异构化离子在 CID谱上是不能区分的，这
种情况虽然不是很普遍，但应给予注意。相反，具有相同结构的离子，一定有相
同的 CID谱。
与亚稳分解相比,CID谱中离子的反应通道更多，分子离子的 CID谱与其常
规的 EI谱很相似，主要是由于碰撞可以获得更多的内能，使前体离子分解。
亚稳谱研究的离子，其内能分布在一个很窄的范围，只有少量的反应通道，
分解的产物离子种类少。
若两个离子结构相同，则其 MI和 CID谱均应相同，若两个离子结构不同，
其 CID谱很可能不同，但其 MI谱不一定不同。因为 MI谱中研究的是内能相对较高
的离子，在分解之前，很可能会发生异构化，其谱图是一个包含异构化离子在内
的离子分解的混合谱图。 CID相对于 MI而言，选取的是内能低的离子，大部分保
持其初始结构，有很好的可区别性。
4,光解离中的能量转换
AB+ AB+* AB+ + h? 荧光发射
AB+ AB+* A+ + B 直接解离
AB+ AB+* AB+** A+ + B 预解离
h?
h?
h?
?紫外光解离
使用紫外光如 193nm解离，能量较高，可以
将处于电子基态的离子跃迁到各激发态上。然后
进行解离，这是一种高内能的解离过程。其结果
与高能碰撞有相似之处。
激发后的离子分解经历以下主要过程：
光解离：
? 无须碰撞气。
? 解离效率相对较高。
? 相对高能量，丰富的碎片离子。
? 产生多次裂解，不利。
光解离：
? 无须碰撞气。
? 解离效率相对较高。
? 专一裂解性。
? 产生多次裂解，不利。
?红外多光子解离
AB+ AB+* A+ + B 直接解离nh?
用红外光 (如 10.6?m)照射离子，离子吸
收多个红外光子的 能量，使内能提高。由于
所用的红外光子的能量在振动能级的水平，
吸收的光子的能量主要使离子的振动能级激
发，达到或超过离子分解的临界能，从而产
生碎片离子。这是一种低能的过程。其结果
与某些低能碰撞有相似之处。
激发后的离子分解经历以下主要过程：多光子吸收过程
§ 3.2 质谱 /质谱仪器
一,BE或 EB型 电磁场 双聚焦质 谱仪
三个无场区 I,II,III(1FFR,2FFR,3FFR)。
?狭缝，主狭缝。
亚稳分解发生在三个无场区。
反几何型正几何型
1,亚稳离子分析
? 常归扫描质谱的亚稳离子峰
在常规的质谱分析谱图上, 有时会在非整数质量数处出现峰较宽, 强度
不大的峰, 这些峰为亚稳峰, 其来源为某些分解速度为 105~106的离子, 在
离开离子源于无场区内分解所产生, 其质量数不出现, 真实, 的 m/z位臵,
而在质谱图上出现, 表观, m/z位臵 。
在常规的质谱图能够观察到亚稳峰的仪器：
单聚焦质谱仪：亚稳分解发生在磁场前面的无场区
正臵双聚焦 EB质谱仪：亚稳分解发生磁场前面的无场区，即第二无场区。
2
:,
)2(
)1(
2
1
2
2
2
2
er
k
V
B
k
z
m
v
r
mv
B z ev
mvz eV
?
?
?
?
其中
并整理后得消去以上两式中的
???
??
稳定离子 M+?和稳定的碎片离子 (离子源中产生的 )M1+遵守的基本方程：
其中：
m, M+? 的质量
V, 加速电压
v, 离子运动速度
B, 磁场强度
r, 离子动行半径
该方程对于稳定的 M1+离子也适用，只需将 m换成 m1即可，公式如下。
三种不同类型的离子, 稳定离子 (M+?)、不稳定离子 (M+?)和亚稳离子 (M+?*)：
稳定离子 M+? 不分解,检测到 M+?。
不稳定离子 M+? M1+ + M2? 离子源内分解，产生 M1+，检测到 M1+。
亚稳离子 M+?* M1+ + M2? 无场区内分解，产生 M1+*，检测到“表观质量”
。
2,
221 erk
VBkzm ?? 其中
亚稳离子 M+?*在场区飞行时发生分解, 产生 M1+*和 M2。 M1+*和 M2具有与 M+?相同
的运动速度, 但 M1+*的动能仅为 m1v2/2。
M+?*经加速电压加速后所得能量 zeV,亚稳分解的 M1+*离子的加速电场能为
m1/mzeV。 m1+ m2= m,由 M1+*和 M2来分配 M+*的能量, 即 m1/mzeV+ m2/meV= zeV。
)1()2(
2
1
2
12
1
11
2
11
1
??
m
mz eVvm
vmz eV
m
m
?
?亚稳 M
1+*：
m
er
k
m
m
m
V
B
k
z
m
V
Ber
mz
m
2
,*
*
2
22
1
2
222
1
??
?
? 或
若要 M1+*通过磁场，其在磁场中也需做半径为 r的圆周运动，此时 M1+*也应
符合电磁场质谱的基本方程：
VBkzm
21 ?正常 M1 +：
此式表明, 在磁场前无场区 M+?*分解所产生的 M1+*,将
在质量数为 m12/m的位臵出现质谱图中, 该数值为, 表观质量
”, 该离子的, 真实质量, 为 m1,表观质量比真实质量小 。
亚稳离子分解反应时, 部分内能转换成动能, 亚稳离子
的峰具有不同程度的扩散, 导致峰变宽, 变弱, 其质心位臵
不易准确判定 。
?例：邻硝基甲苯和对硝基甲苯准分子离子的亚稳分解
N O- m / z 9 0m / z 1 3 6
*
- N O 2 C H
2
.+.+
N O 2
C H 2
59
5.5913690* 221 ??? mmm
60
59.5
83
6.821 3 61 0 6* 221 ??? mmm
82
82.6
- N O 2
C H 2N O 2
m / z1 0 6
*
- N O C H
2O
+
.+
m / z1 3 6
亚稳实验证实邻硝基甲苯和对硝基甲苯的准分子离子峰失去硝基和亚硝
基的机理是不一致的。
? 离子动能谱 (Ion Kinetic Energy Spectrum,IKES)和质量分析离子动能
谱 (Mass Analyzed Ion Kinetic Energy Spectrum,MIKES)
前者在正臵几何型 EB上实现，后者在反臵几何型 BE上实现，均将磁场
设为回定值，扫描静电场，分别得到碎片离子找前体离子和前体离子找碎片
离子的功能。后者还可以将磁场前面加一个碰撞室，对前体离子加以碰撞，
实现所谓的 CID-MIKES，对于研究离子结构非常有用。
反几何型正几何型
a) IKES：正臵几何质谱
对于稳定的离子 M+,其通过静电分析器的条件为：
e
r
r
e
r
VEv
eE
r
mvmveV
2:
,
2
1 22
?
??
得消去
静电场必须与加速电压保持一定的关系,
才能使得从离子源中出来的稳定离子通过静电
场 。 只要保持了这种关系, 所有稳定的离子所
获得的动能会使得其通过静电场, 此时的静电
场只起到一个离子能量的聚焦作用, 不能起到
分离子的作用 。 在常规的扫描中, 加速电压固
定, 静电场也随之固定 。
不含 m
第一无场区亚稳分解：
C2C1
*
C
B2B1
*
B
A2A1
*
A
21
*
MMM
MMM
MMM
MMM
??
??
??
??
??
??
??
??
对于稳定的 m+,其动能为 mv2/2=eV，恰好能够通过静电场。
而对于 M+*,其动能亦为 mv2/2=eV,但在第一无场区分解后,
M1+所具有的动能为 m1v2/2= m1/meV,小于 M+* 的动能,该离子
不能够通过静电场, 所以检测不到该离子 。 其它的亚稳离子
与该离子相同 。
E1能够使第一无场区发生的亚稳分解，碎片离子和前体离子之间满足 m1/m=E1
的所有离子都能通过静电场，如果将检测器臵于静电场后面，则检测到的是 一组 离
子。
向下扫描静电场，可使具有不同 m1/m值的亚稳分解一组离子依次通过静电场，
得到 IKES。
也可以将磁场设定某一固定值，只允许某组特定动量的离子通过，则在电场扫
描时，分析的离子不仅满足 m1/m=E1,而且还要满足 m12/m=表观质量。这样使得分析
结果更清楚。
加速
电压 时间
第 1无场区离子源 静电场
动
能
M+
Mf+
电场电压 E，正常离子 M+ 通过。
电场电压 E1，降低电场强度可使 M1+ 通过。 E1=m1/mE。
m 2 / m 1 =
m 2 / m 1 =
m / z 1 5m / z 3 0
m / z 3 9m / z 7 8
*
*
3 0 / 1 5 = 2
7 8 / 3 9 = 2
C H 3 +C 2 H 6 +
C 3 H 3 +C 6 H 6 +
b) MIKES：反臵几何质谱
21* MMM ?? ??第 2无场区亚稳分解：
第 2无场区碰撞诱导分解：
前面讨论的结论仍然有效：
令磁场只允许通过 M+*,该离子在第 2无场区中发生亚稳分解，扫描静电场，使亚稳
分解产生的离子 M1+,M2+,M3+等依次通过静电场，得到 MIKES。
在第 2无场区中安装碰撞室，可利用磁场选择各种稳定离子 M+或亚稳离子 M+*，碰撞
室内充入氦气或氩气，通过碰撞，可使 M+分解成多种碎片离子，再结电场扫描得到 CID-
MIKES。最简单的 MS/MS。
加速
电压 时间
第 1无场区离子源 静电场
动
能
M+ M+
M1+
第 2无场区磁场
静电场
磁场
碰
撞
室
电场电压 E1，降低电场强度可使 M1+ 通过
。
E1=m1/mE。
电场电压 E，正常离子 M+ 通过。
21N* MMM ?? ??
双电荷离子的 MIKES，略
n-十六碳烷 M+?的 MIKES
有关公式的推导,M+* M1+ + M2
?动能 p 动量
稳定离子 M+和亚稳离子 M+*, eV (2m?)1/2
离子源中产生的稳定离子 M1+, eV (2m1?)1/2
亚稳分解得到的 M1+, m1/meV
为使亚稳分解的 M1+通过静电场，静电场场强应下降到 E1
E1 = m1/mE 基本公式
m1= mE1/E 由此公式得到碎片离子质量。
?常用联动扫描质谱检测亚稳离子
M+* M1+ + M2
? 动能 p 动量
稳定离子 M+和亚稳离子 M+*,eV (2m?)1/2 = (2m·eV)1/2
亚稳分解得到的 M1+,m1/m·eV (2m1?)1/2 = (2m12/m·eV)1/2
若能够使稳定离子 M+通过静电场所需的电场强度设为 E，则为了使亚稳分解
的 M1+ 能够通过静电场，静电场强度应下降到 E1,且：
a) B/E联动扫描
亚稳分解发生在第一无场区,EB和 BE型质谱仪均适用，得到前体离子找碎片
离子质谱。
设在第一无场区内发生如下亚稳分解反应，而且仪器的加速电压 V保持不变，
则各种离子的有关物理量如下：
)1(11 ???EEmm ?
能够使稳定离子 M+通过磁场所需的磁场强度设为 B，则为了使亚稳分解的
M1+ 能够通过磁场，磁场强度应变到 B1，且：
(1)和 (2)比较得：
)2(
)2(
)2(
1
2
1
2
12
1
11 ???
m
m
m eV
eVmm
p
p
B
B ???
)3(:
1
1
111
???
E
B
E
B
E
E
B
B
m
m
?
??
即
(3)式表明，磁场强度 B与静电场强度 E之比，对母离子和子离子均为常数。
B/E联动扫描的实现方式：在加速电压为 V,静电场电压为 E,扫描磁场强度 B,找
到 M+后, 保持加速电压不变, 并使静电场电压与加速电压脱离固定关系 。 锁定
B/E关系, 然后将磁场和静电场均降为最小值, 令 B/E为常数联合向高场方向扫描
,从而得到母离子的各种碎片离子峰 。 子离子的质量可从以下两式求出：
EEmBBm 1111 ?? 或
B/E联动扫描的优点是第一无场区由前体离子找碎片离子的最佳亚稳测
定方法。扫描过程中，离子源状态下变，质量范围宽，亚稳峰形窄，分辨
本领高。
目前的仪器，厂商都备有 B/E联动扫描的操作软件，计算系统与主机联
机操作，可得到 B/E联动扫措谱。
此方法的特点是先找到 M+，称主束离子，然后利用固定的 B/E的关系找到
其不同的子离子 M1+，这种方式是典型的“母” (主束离子 M+)找“子” (碎片离
子 M1+)联合扫描方式。
正如 IKES一样，联动扫描可能得到的不是纯粹的“子离子”。因为即使
是不同的亚稳分解，但如果其碎片离子 M1+和前体离子 M+的 m1/m比值相同，则
在联动扫描过程中，不同质量数的 M1+离子均能通过电场和磁场，从而得到是
混合离子峰。但一般情况下，纯化合物中，同时发生具有 m1/m相同比值的亚稳
分解反应的可能性不大，因此该方法是一个可靠地进行“母”和“子”关系证
明的有效手段。
同时被扫描，得到相同的峰，从峰的
位臵不能区分二反应，但实际上峰形
可能不同，见亚稳离子的峰形。
m 2 / m 1 =
m 2 / m 1 =
m / z 1 5m / z 3 0
m / z 3 9m / z 7 8
*
*
3 0 / 1 5 = 2
7 8 / 3 9 = 2
C H 3 +C 2 H 6 +
C 3 H 3 +C 6 H 6 +
a) B2/E联动扫描
亚稳分解发生在第一无场区,EB和 BE型质谱仪均适用，得到由碎片离子找前
体离子的质谱峰。
设在第一无场区内发生如下亚稳分解反应，而且仪器的加速电压 V保持不变，
则正常扫描时，各种离子的有关物理量如下：
M+* M1+ + M2
? 动能 p 动量
稳定离子 M+和亚稳离子 M+*, eV (2m?)1/2 = (2m·eV)1/2
离子源中产生的稳定离子 M1+, eV (2m1?)1/2 = (2m1·eV)1/2
正常扫描条件下，若仪器处在 M1+通过静电场各磁场状态，得到 M1+的主束离子。
现假设主束离子 M1+是由 M+*在第一无场区经亚稳分解而产生，为了使该 M+*通过
静电场和磁场，需要提高静电场的强度和磁场的强度。
对于静电场，需提高到 E1：
)1(1
1
???EEmm ?
现假设主束离子 M1+是由 M+*在第一无场区经亚稳分解而产生，为了使该 M+*通过
静电场和磁场，需要提高静电场的强度和磁场的强度。
对于静电场，需提高到 E1：
联立 (1)和 (2)得：
)1(1
1
???EEmm ?
对于磁场，需要提高到，
)2(
)(
)2(
)2(
1
2
2
1
2
1
12
1
1
2
1
11
???
m
m
B
B
m
m
m
m
p
p
B
B
?
???
?
?
)3(
:
2
1
2
1
1
1
2
2
1
???
E
B
E
B
m
m
E
E
B
B
?
??
则
(3)式表明，亚稳断裂碎片离子 M1+的 B2/E比值和等质量的正常碎片离子的 B2/E 相等。
B2/E扫描的实现方式：在加速电压最高档 V，静电场电压为相应值 E，调节磁场强度
为 B，找到正常碎片离子 M1+，然后使加速电压 V固定不变，断开加速电压和静电场
电压间的常规关系，锁定 B2/E的比值，将磁场强度及静电场电压下降到最低值，然后
按 B2/E值从小至大扫描，得到 M1+的全部可能的母离子。
母离子的质量可从下页两式求出：
此方法的特点是先找到 M1+，称主束离子，然后利用固定的 B2/E的关系找到其不
同的母离子 M+，这种方式是典型的“子” (主束离子 M1+)找“母” (亚稳母离子 M+)联
合扫描方式。
B2/E联合扫描是第 I无场区由子找母的一种校好的方法，离子源状态不变，质量
范围较宽，但分辨本领不高，因涉及到 B2的控制，电子上实现起来不易准确。
同样，厂商备有 B2/E联动扫描的操作软件，将计算系统与主机联机操作，可得到
B2/E联动扫描谱图。
121
2
11,mB
Bmm
E
Em ?? 或
?亚稳分解和碰撞诱导解离反应的动能释放
亚稳离子的内能在分解反应临
界能上一个很窄的范围内, 因而
MI谱反映的是离子的终态结构,
而这个结构不一定是其初始结构,
有可能存在异构化的离子, 从而使
分析的亚稳离子成为混合离子 。
亚稳谱是质谱中惟一能够较好
地限定离子内能的 (最低分解阈值
以上 0~0.5)和寿命 (1~10?s)技术 。
碰撞诱导解离通过碰撞为稳定
的离子提供内能, 其前体的内能较
小, 不易异构化, 从而应具有明确
的结构 。
前体离子 Mp+在分解过程中，会将非固
定化能和逆活化能以动能的形式放出，称动
能释放。动能释放与离子结构有关，动能释
放导致质谱峰变宽。
Ea
Q
E?
E0
E0r
Mp+
动位移
反应坐标
内
能
Te
Mf+ + Mn0
EMI
E? T?
M1+ M2+ + M3
动能释放,T = T? + Te
动能释放的计算公式：
?
其中,m1,m2,m3 分别为产物离子前体离子 M1+,碎片离子 M1+和中性碎片 M3的质量，
d 为亚稳峰的半高宽度,V是加速电压。
?
用于 IKES和 MIKES中计算,?E为从亚稳获的 M1+和从离子源中生成的 M1+峰半高
宽之差，单位为弗。
动能释放改变峰宽和峰形，改变程度取决于动能释放的大小。
当 T很小时，峰较窄，峰形接近高斯型，简单的键断裂，逆活化能很小，主要
来自于非固定化能，一般小于 0.05eV。
332
221
%50 16 mm
eVdmT ?
2
32
21
%50 )(16 E
E
mm
eVmT ??
在质心坐标系中，亚稳离子分解导致碎片离子在各个方向有均等的速度，
该速度附加在离子的原来飞行速度之上，形成合速度。
附加速度在垂直于离子飞行方向速度分量，使离子偏离管道中心。
附加速度较小时：当在离子到达检测器之前，离子偏离中心的距离未超过
管道的半径时，各个离子均能够被检测器检测到，此时的附加速度仅仅使峰宽
加大，峰形呈高斯形。
附加速度较大时，由于部分离子偏离中心的距离超过管道半径，这部分离
子不能够被检测到，呈平顶形。
附加速度很大时，更多的离子偏加大，以致于在垂直于飞行方向的离子大
部分不能够被检测到，呈碟形。
M+
M1+ M2
-?v
M1+M2
?v
M1+ M2
M2 M1++
-?vvr
v0
?v
vr
v0
+
离子管道
v0
离子管道
v0
离子管道
v0
离子管道
v0
检
测
器
检
测
器
检
测
器
检
测
器
40 60 80 100 120 140 160
0
20
40
60
80
100
162
147
105
119
91
Relativ
e Abund
ance
m/z
O
+
.
1 6 2
1 4 7
1 0 5
C
2
H
4
C H
3
C O
+
O
+
-
+ +
- +
( a) ( b )
?例 3-甲基 -4-苯基 -2-丁酮的质谱
从常规的 EI质谱图上，可以看到，分子离子发生了 [M-15]+的断裂，但从该质谱
图上不能判断 CH3的失去是发生在 ?碳上，还是 ?碳上，还是这两种方式同时发生。
通过亚稳分解方法可以很容易得到答案。不仅可以找出第一级断裂，还可以找到第
二级和第三级断裂。结果示于下图。
2、串联双聚焦磁质谱仪
EBE型双聚焦串联质谱仪
高分辨质谱仪
高分辨 IKES。
BEB型双聚焦串联质谱仪
中华人民共和
国，教育部，
武汉大学，中
国唯一的一台
ZAB-3F。
高分辨 IKES，高分辨 MIKES
中性化再电离 (NR)和碰撞诱导解离电离 (CIDI)
? NR,碰撞室 1中充入碰撞气 N，进行电荷交换反应碰撞气离子和中性 M，离
子经偏转电极除去，中性碎片继续前进,碰撞室 2内充入氧化性气体 R，中性
碎片与其碰撞时氧化 产生正离子。
? CIDI：碰撞室 1中没有碰撞气，亚稳分解离子和中性碎片，离子被偏转掉，
亚稳中性碎片继续前进，碰撞室 2同前面一样，来稳中性碎片碰撞时被电离。
偏转电极 质量分析
碰撞室2
再电离中性化
质量选择
+/-
碰撞室1
eRMRM
NMNM
11
11
??? ???
?? ???
??
????
eRMRM
MMM
33
32
*
1
??? ???
?? ??
??
????
Frank Condon 碰撞电离
M1+· M1+·
M1 M1
NEV(M1+·) < IE(M1)NEV(M1+·) = IE(M1)
(a) (b)
(a) 离子和中性粒子几何结构相似，离子被中性化后能够生成稳定的中性分
子,NR实验能够观察到复原的 M1+·。
(b) 离子和中性粒子几何结构相差很大，离子被还原后生成振动激发态的中
性粒子，其能量已达到中性粒子 M1·的碎裂反应的临界能,NR谱中得不
到复原的 M1+·。
用于气相离子化学研究，比如进行中性化 -再电离和碰撞诱导解离等。
ZAB-4F串联双聚焦质谱仪 (EBEB)
二、四极杆串联质谱仪
优点：
? 碎片离子分辨高，第二级四极杆可以达到单质量分辨。
? 高的碰撞效率，比在双聚焦磁质谱仪中高 20~100倍，有利提高
灵敏度。
? 消除伪峰,(相对于磁质谱而言 )。
QO QO Q1
Q3
Q2
Q1和 Q3：正常的四极杆质量分析器。
Q2：四、六、八极杆等，其上只加射
频电压，可防止碰撞散射。八极杆对
散射的抑制作用最强。目前，商品仪
器多用八极杆。
弯曲的八极杆：防止中性碎片进入
Q3，提高灵敏度。
方式 Q1 Q2 Q3 谱图
单级质谱仪 所有 m/e通过 无碰撞气所有离子通过 a 扫描 m/e 常规质谱图 (CI,EI,ESI等）
前体离子方式 扫描 m/e 碰撞气
b
所有离子通过 选择 m/e
由碎片离子找到前
体离子谱
碎片离子方式 选择 m/e 碰撞气
b
所有离子通过
① 扫描 m/e或② Q1每通过
1个离子，可同时选择几
个碎片离子 c
由前体离子找到碎
片离子谱
中性丢失方式 (联
合扫描 ) 扫描 m/e
碰撞气 b
所有离子通过
与 Q1保持同样速度扫描
m/e，保持恒定质量数差 M
前体离子的中性丢
失谱
四极杆串联质谱操作功能
a 或 Q1扫描,Q3使所 m/e通过。
b 如无碰撞气时则得到单分子分解的亚稳谱
c 选择离子监测 (SIM)
单级质谱仪
前体离子方式
碎片离子方式
中性丢失方式 (联合扫描 )
中性获得方式 (联合扫描，当在
碰撞室放臵反性气体时Q2
碰撞室Q1 Q3
四极质谱分辨率不太高，但较容易实现单位质量分辨，在进行质谱 /质谱分
析时，碎片离子也比较容易得到单位质量分辨。这比扇形磁质谱仪的 MIKES或
CID-MIKES给出更高的分辨率，因磁质谱仪的静电场的分辨本领不强，所以子
离子分辨率不高。
四极质谱 /质谱的碰撞电压可调性强是其另一个优点，可以做能量分辨碰撞
诱导解离谱以利于结构分析。
0 10 20 30 40 50
0
20
40
60
80
100
N H
O
O 2 N
H
+
m / z 1 8 1
m/ z 43
m/ z 139
I
on/
T
ot
al
ion
/
%
C ollis ional energy / eV (Lab f ram e)
N H 2
O
O 2 N
m / z 1 8 1
+
m / z 1 3 9
N H 3
O 2 N
+
C H 3 C O
+i
m / z 4 3
r H
N H 2
O
O 2 N
H
m / z 1 8 1
+
三、飞行时间质谱 /质谱
基质辅助激光解吸电离 (MALDI)或激光解吸电离 (LDI)虽然是一促软电离方
法, 但在对于某些类别的化合物, 电离过程中有一定的内能沉积, 使得电离的离
子离开离子源后, 经过加速电压的加速进入无场飞行区后, 仍会有一定程度的分
解, 产生亚稳分解的子离子 。
飞行时间质谱仪的加速电压一般为 20~30kV,离子获得 20~30keV的动能, 此
值比扇形磁质谱 (6~8kV)的要高, 但飞行时间质谱分析的对象一般分子量较大,
所以, 离子飞行速度与扇形磁质谱的离子飞行速度相当 。 飞行时间质量分析器的
长度约在 0.5~2m之间, 也和磁质谱的尺度相当 。 因此, 飞行时间质谱上的亚稳
离子分解与磁质谱有许多相似之处 。
飞行时间质量分析器上实现亚稳分析的技术是源后分解 (PSD)技术, 该技术
对生物分子的结构分析价值非常高 。
PSD技术是由德国科学家 R,Kaufmann及其合作者首先推出并应用于分析肽序
列 。
线性飞行时间质量分析器不能实现 PSD功能, 必须要用反射式飞行时间质量
分析器 。
1、源后解离技术 (Post Source Delay,PSD)
?离子的飞行行为
不同飞行时间质量分析器离子运动的方式：
? 直射式，检测区无电场。
? 直射式，检测区加静电场，电场强度较小，不足以使离子反射回来。
? 反射式，直射端施加电场，其电场强度可使离子按一定角度反射回来，检
测器臵于反射轨道上。
活化区域 样品活化表面 /样品 离子源内活化加速区内 /边缘 源后活化 真空
活化过程
过剩能来自于电离：光子 -
分子直接相互作用、固态
活化、温度效应
多次低能或中能碰撞 高能碰撞 (与残余气体 )
时间范围 ps-ns ns-?s ?s-ms
离开表面距离 0 <200 ?m >加速区
在 MALDI中导致离子不稳定和源后分解的活化过程
? 亚稳离子的 来源
在 MALDI探头表面激光脉冲 1?s 后基质
和肽离子密度分布的快照。
上图：纯基质样品 2,5-二羟基苯甲酸 (DHB)
下图：基质 DHB中加入 Substance P
加速区内离子的分解 --碰撞活化过程
基质分子较小，质量经，激光照射后
产生的离子和中性分子速度快，在样品离
子前面形成气体云 (denser cloud) 。当施
加加速电压后，样品离子加速，通过该气
体云，产生多次离子 -分子碰撞，从而使样
品分子获得能量，形成亚稳离子，在飞行
区发生亚稳分解。
无场漂移区内肽的单分子分解速率与加速场强的关系
加速电场越强，样品与气体云碰撞能量越大，内能越高，分解越快。
一般的 TOF质谱仪，场强 ~10kV/cm。
若采用 DE技术，则分解速率减小 5倍，减小亚稳离子的分解。 DE可以提高分辨
率，可以提高 PSD信噪比，从而改善灵敏度。
加速场梯度对离子分解的影响
角动量测量实验
在离子探头表面 100?m处，压力达到 1mbar，还足够导致离子的分解。
实验上测定的加速区的气体云的密度
L1:第一飞行区 L2,第二飞行区
d1:第一反射区 d2,第二反射区
? PSD仪器原理
Mp+ Mf+ + Mn
动能,Mp+,mE
Mf+,mfE/m
在第一无场区飞行区某
处产生的碎片离子 Mf+,将以
与前体离子 Mp+几乎相同的
速度继续飞行进入反射区 。
Mf+带有较低的动能, 因此,
与其前体离子相比, 进入反
射场的深度相对较浅, 从而
较早地离开反射区, 比未裂
解的前体离子更快地到达检
测器 。
为了记录所有碎片离子完整的质谱，反射器的电压必须逐步降低。设 Vf为碎
片离子 Mf+的电压,VR为反射极板上电压。当 Vf=VR时。 Mf+被反射回来，就能检
测。只要有足够范围的 VR值，就能检测到全范围的 PSD碎片离子，这样便可获得
PSD亚稳分析质谱图。
大多数的反射场的线性动态范围有限，这导致并不是所有的碎片离子都能到
达检测器，一张完整的 PSD谱需要改变不同 VR值，分若干次采集，然后拼接而
成。
PSD谱的质量校正：
对于线性 TOF，不考虑仪器的静电加速场和减速场的影响，正常的离子的飞行
时间与质量的平方根为线性关系,可能进行两点校正或最小二阶乘拟合方法校正。
对于 PSD来说，飞行时间和质量的关系比较复杂，没有解析的数学函数，而且
影响因素多达 10几个，因此，用 3次多项式进行拟合，为了进行拟合，需要至少 4 个
已知质量的峰，进行最小二阶乘多项式拟合
对于绝大多数的 PSD分析，均可得到较高的精度。
2/1bmat ??
3P S D2P S DP S DP S D dtctbtam ????
前体离子的选择：离子门技术 (“ion gate”)或束消除技术 (“beam blanking?)
定义一个质量窗口，只有在符合质量窗口的离子通过时间段里，离子门的偏转
电压关闭，而其它时间通过设臵偏转电压，使所有的离子全部偏转掉，从而实现前
体离子的选择。
两个前提条件：
离子门的是一个高的电压降,PSD要求离子门必而以非常高的速率时行电压的
开关的转换。
离子消除设备必须具有足够高的空间分辨力，保证只对感兴趣的离子起作用。
离子门位臵需要考虑前体离子的位臵依赖弥散和离子门位臵形成的 PSD离子高的传
输率。
从前体离子弥散的角度：距离子源越远越好，因为不同质量的离子已经较好的
分开了，时间门容易从其中选择所需离子。
从 PSD离子传输的角度,PSD离子对残留的边缘场十分敏感，离子门最好放臵
于未形成 PSD离子的位臵，同时，为了得到更长的亚稳分解时间，离子门应越靠近
离子源越好。
离子门分辨率 (选择性 )
单边计算：
?M=2.2u(半高半宽 )
M/?M =580(半高半宽 )
M/?M=290(半高全宽 )
?M=2.2u(上升质量 ),10%?90%
M/?M=512(选择性 )
Off
On
当离子门工作时,m/z1281强度
降到 10%以下,m/z1270不受影
响。
蛋白质研究的有力手段
两个 TOF相联，由于 TOF的加速电压可达 20~30kV，这对于碰撞诱导
解离来说，能量太高，因此需要在一级 TOP处设臵减速透镜，以使主束离
子具有合适的速度进行碰撞，碰撞后的离子经过第二离子源重新加速，聚
焦后进入第二级 TOF，为提高分辨率，第二级 TOF为反射式。
主束离子尽管经过减速，但 TOF-TOF仍属于高能碰撞 (0~3kV)，产生的
碎片离子仍可能具有较高的内能，在第二级分析过程中发生亚稳分解，这
对 TOF-TOF分析是不利的，需要对其加以抑制 (metastable suppressor)
2、飞行时间 /飞行时间质谱 (TOF-TOF Mass Spectrometry)
4700 TOF-TOF
200Hz
Nd:YAG laser
ion beam directed to
collision cell for
improved sensitivity
Source 1
with
Delayed
Extraction
evens the
initial ion
velocities
200 laser shots per
second,more
information in a shorter
period of time
precursor ion
selected using the
timed ion selector
ions of lower or higher mass
are deflected based on mass
of selected precursor
4700 TOF/TOF? Optics
The collision energy is adjustable
from 1KeV to 3KeV,Ions are then
pulsed from the second source for
superior MS/MS sensitivity
the ions are slowed
prior to entering the
collision cell for more
complete fragmentation
controllable collision
pressure for optimal
fragmentation
Gas connections
for up to four
collision gases
4700 TOF/TOF? Optics
The collision energy is adjustable
from 1KeV to 3KeV,Ions are then
pulsed from the second source for
superior MS/MS sensitivity
the ions are slowed
prior to entering the
collision cell for more
complete fragmentation
controllable collision
pressure for optimal
fragmentation
Gas connections
for up to four
collision gases
4700 TOF/TOF? Optics
Controlled Ion Fragmentation on the 4700
? Control of laser intensity,gas on or gas off
option
? Control of collision energy (0 ~ 3 keV)
? Control of collision gas pressure with a choice
of up to four different collision gases
? All controls available in both manual and
automated
? TOF/TOF has no theoretical mass limit for
precursor selection
m/z
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Inte
nsit
y
0
10000
20000
30000
40000
y
14
y
13
y
9
y
6
y
7
y
8
y
5
y
4
y
3
y
1
y
2
y
10
y
11
y
14F
m/z
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Inte
nsit
y
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
y
14
y
13
y
9
y
6
y
7
y
8
y
5
y
4
y
3
y
1
y
2
y
10
y
11
y
12
F
Glu1 Fibrinopeptide B
EGVNDNEEGFFSAR
“No Gas”
“Gas On”
m/z
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
In
te
ns
ity
(G
as
O
n)
-In
te
ns
ity
(G
as
O
ff)
-12000
-10000
-8000
-6000
-4000
-2000
0
2000
4000
6000
8000
10000
Fragment ions "Lost"
Fragment ions Gained
y
14
y
13
y
9
y
6
y
7
y
8
y
10
y
11
y
12
I(Gas Off)=40000
v
10
w
11a
w
7a w
12a
w
8a
w
9a
F
y
1
No Gas Gas
Internal 40 72
Immonium 6 8
N-Term 21 18
High Eng 1 11
C-Term 30 32
Total 98 141
Sum of
Intensities
Number
of Peaks
四、傅立叶变换离子回旋共振质谱 (Fourier Transform Ion
Cyclotron Resonance Mass Spectrometry,FTICRMS)
性质 FTICRMS 扇形磁质谱仪 (非杂化型 )
分辨率 母离子
50,000~200,000典型
2,000,000可得到
5,000典型
10,000可得到
子离子 10,000~100,000 1000典型
精度
母离子 低的 ppm (外部校正 )亚 ppm (内部校正 ) 低的 ppm (内部校正 )
子离子 低的 ppm (外部校正 )亚 ppm (内部校正 ) 10~100ppm
MS/MS/MS 多种提供能量的方式 需配臵更多的电场或磁场
灵敏度
(ESI)
宽扫，低分辨
窄扫，高分辨
宽扫，高分辨
低的 Femtomole
低的 Femtomole
低的 Femtomole
低于 Femtomole
Picomole
不可能
LC/MS >1个谱 /秒，高分辨和高灵敏 不易实现高分辨
MALDI 连用容易，高分辨和高灵敏 少见
校正 外部，内部，非常稳定 内部校正，稳定
离子 -分子反应 可以 不可以
FT-ICR-MS性能
Quench Ionize Excite
time
DetectSelect
Collision
Gas
Pulse
Fragmentation and
Pumping Delay
FTMS MS/MS 脉冲序列
FTICRMS的质谱 /质谱是时间序列的串联，与离子阱相似。
母离子获取能量进而分解的方式很多：
?碰撞诱导解离 (SORI-CID)。
?红外多光子解离 (IRMPD)。
?紫外光解离 (UVPD)。
?电子捕获解离 (ECD)。
?黑体红外辐射解离 (BIRD) 。
1、持续非共振辐射 -碰撞诱导解离法 (Sustained Off-Resonance
Irradiation – Collisional Induced Dissociation,SORI-CID)
引入脉冲 N2，当 Cell中的压力达到 10-6Torr时，施加一非共振射频 (RF)给离子加
速。该射频一般设定在低于感兴趣的前体离子的回旋频率 1000Hz左右。当回旋频率
与射频相位接近相同时，离子获得能量并使其回旋半径加大。从另一方面，当二者
的相位相差 180o时，离子向回旋池中心运动，回旋半径减小。这样的循环发生每秒发
生几百次，某些循环会使离子回旋加快，与氮气碰撞获得一个小的能量，并转化为
内能。每次碰撞，离子只能得到一个很小内能，但这样的碰撞发生千百次，最终使
离子积累到足够高的内能进而分解。
由于离子的内能是逐步积累升高的，该内能将遍及全部离子，进而离子以低能
碎裂途径分解。
上述过程中，只有回旋频率接近于 RF的频率的离子才能被激发，该离子的碎片
离子不具要类似的回旋频率，它们不会被进一步的激发，也不能与氮气碰撞获得内
能，进而得以冷却成稳定的离子。所以，碎片离子一旦形成，便会在回旋池中得到
冷却，不会进一步发生碎裂反应。
SORI-CID是一个低能的碰撞诱导解离反应，但不产生多次断裂反应，精度高。
Time evolution of ion cyclotron radius (left)
and ion xy trajectory (right) for each of three
ICR techniques for ion multiple activation
based on repeated single-frequency dipolar
excitation for collision-induced dissociation
(CID),In sustained off-resonance irradiation
(SORI) (Gauthier et al.,1991),ions of a
selected m/z ratio are alternately excited and
de-excited due to the difference between the
excitation frequency and the ion cyclotron
frequency,In very low energy (VLE) CID
(Boeringet al.,1992),ions are alternately
excited and de-excited by resonant
excitation whose phase alternates bimodally
between 0oand 180o,In multiple excitation
for collisional activation (MECA) (Lee et
al.,1993),ions are resonantly excited and
then allowed to relax by collisions,
(Reproduced,with permission,from (Guan
and Marshall,1996).)
Click to add text
- CO + H
蛋白质断裂的碎片离子定义：
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
r.i.
100 200 300 400 500 m/z
506.2730
254.1618
175.1192
157.1084
*
*
*
*
* = calibrant ions
Frag.
b1
y1
b2
y4
calc.
157.1084
175.1196
254.1611
506.2728
obsrvd
157.1084
175.1192
254.1618
506.2730
error (ppm)
0.0
2.3
2.8
0.4
SORI-MS/MS of Bradykinin Using QUIC Calibration
Application of CHEF for MS/MS/MS
Full ESI Spectrum
Isolation of Angiotensin I 3+
SORI of 3+
Isolation of b5+
SORI of b5+
b4+
b2+
Angiotensin I (3+)
Angiotensin II (2+)
Angiotensin I (2+)Angiotensin II (3+)
200 300 400 500 700 800600 900 1000 m/z
b5+
b5+
2、红外多光子解离 (Infrared Multiphoton Dissociation,IRMPD)
离子回旋池的端盖上有一小孔, 可以允许激光进入回旋池 。 仪器配备一个 25W
的 CO2红外激光器 。 一般用 8~10W。 离子最后获得足够的能量进行分解 。 正象 SORI
一样, 离子对光子的多次吸收产生离子内能的积累, 这是一个慢过程, 而且内能遍
布于整个离子, 离子的分解经低能过程进行 。 然而 IRMPD离子裂解的专一性不如
SORI-CID。 其原因是后者
分解得到的碎片离子会被
冷却, 不进一步发生分解
,而前者如果激光一直打
开, 则碎片离子也可以吸
收光子积累内能进一步发
生一个低内能的分解 。 这
会导致丰富的碎裂谱 。
IRMPD不需要碰撞气激发
离子 。 这可加快分析扫描
采集的速度, 这对 LC/MS
非常重要 。
150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 m/z
1000 1200 1400 m/z
Bee venom melittin,IRMPD with Pulsed Gas
M.W,= 2845 Da
[M+2H]2+
[M+3H]3+
[M+4H]4+
b2
b3 b4 b5
b6 b7
b8
b9
b10
G-I-G-A-V-L-K-V-L-T-T-G-L-P-A-L-I-S-W-I-K-R-K-R-Q-Q
y3 y4
y8
y9 y
10
y11
y12
y13
y14
y15
y16
y17 y18 y19 y
20 y21
3、电子捕获解离 (Electron Capture Dissociation )
? 灯丝设臵在端极上用以产生零动能电子，灯丝电流可以用脉冲和连续方
式提供。
? 产生的电子象离子一样被捕集在池中，并以与正离子相反的方向运动。
? 引入脉冲气体，以冷却电子。
? 随着电子在池中的运动，它与离子发生碰撞，一些离子的质子与电子结
合成中性的氢原子。快速提供产生较高的能量以使离子分解。
? 这种分解常常发生在能量的随机分布之前，可以观察到经一步注入的能
量引起高能碎裂的反应途径。
? 在碎裂反应过程中，中性氢原子既可以保留在离子上也可以离去。由于
该氢原子是否留在离子上有是十分确定，因此，对离子的同位素的分布
产生一种“歪斜”的影响。这会对分析鉴定造成一定的困难。
? 由于高能的缘故,ECD谱上主要产生 c和 z系列离子。
400 600 800 1000 1200 1400 m/z
Remaining +2 Parent Ion After ECD
c10
c6 c7
c8 c9
c5
C Sequence Ions in the ECD Spectrum of Substance P
698
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 m/z
2435
1700 1900 2100 2300 2500 2700 m/z
c25
C21 c22 c23
c24
C15
C18
C12
C11
C10C7C6
z24
z23z20z19
z17z16
z14
z12
z9
z5
z3
C and Z Sequence Ions in the ECD Spectrum of Melittin
4、表面碰撞诱导解离 (Surface Induced Dissociation,SID)
? 1990年,SID建立。
? 不需要碰撞气，离子进入阱后再被加速至阱壁或内臵在分析池的探头，
发生碰撞，碰撞能转化为离子内能。
? 碰撞表面采用含硅或碳氟化合物的涂布材料的单分子层。
? 解离效率最高达 65％。关键是控制好离子动能，动能转化为内能的效率
一般在 12％一 35％，加上离子阈值动能，生成特定的离子。
? 适合大分子分析，因为碰撞过程中还会产生涂布材料的小分子离子，影
响低质量范围离子分析。
? 解离效率低尚需提高。
5、三种裂解方法内能分布之比较
? SORI-CID
每次碰撞加入到离子的能量为 0 ~ 0.3 eV。
? IRMPD
10.6 ?m的 CO2红 外激光的光子能量为 0.12eV。
? ECD
只能估计，气相中铵离子与电子反应生成氨气与氢原子，气相热化学的
计算结果约为 5eV。蛋白质和肽的多电荷离子比这里估算的要低些。如果蛋
白质和肽离子有较多的电荷，电子将有更深的热阱 (相对于铵离子 )。
五、杂化型质谱 /质谱 (Tandem MS/MS)
1、扇形电场磁场杂化质谱 /质谱
扇形电场磁场 -四极杆 (Sector-Q)
扇形电场磁场 -飞行时间 (Sector-TOF)
扇形电场磁场 -离子阱 (Sector-Ion Trap)
2、四极杆 -飞行时间 (Q-TOF)
3、四极杆 -离子阱 (Q-Ion Trap)
4,Ion Trap - TOF
7070EQ示意图
? 扇形电场磁场 -四极杆 (Sector-Q)质谱仪
1、扇形电场磁场杂化质谱 /质谱
hybrid sector-oa TOF,AutoSpec-TOF”
high energy MALDI Tandem TOF
? 扇形电场磁场 -飞行时间 (Sector-TOF)质谱仪
? 扇形电场磁场 -离子阱 (Sector - Ion Trap)质谱仪
MAT 900XL-Trap
中国唯一的一台
中国计量科学院
Quadrupole Triplet
Differential Pumping Baffle
Entrance (Source) SlitFocusing Quadrupole
Quadrupole Lens
DF - Lens
Y - Deflector Plates
1 m
Focal Plane with PATRIC Detector
(permanently mounted underneath point detector)
Point Detector with
Exit (Detector) Slit,
Conversion Dynode
and SEM
X/Y Focusing Lenses
Deceleration LensesTransfer Octapole
Final Detector
Ion Source
ESAMagnet
Quadrupole IonTrap
以上三种类型的杂化串联质谱仪,Q,TOF,IT都是设计用来检
测前面碰撞诱导解离产生的子离子，它们均能较容易实现子离子 的单
位质量分辨，而且它们对产生离子的传输率高，提高灵敏度。
此外,Q,TOF,IT质量分析器的造价比磁场或电场低，因此，在
杂化型串联磁质谱仪上比较常见。
磁质谱，几 keV，离子阱,~10eV,进入离子阱前需减速，电漂移技术解
决此问题。
提供两种碰撞区域：
? 八极杆区 (全质量范围 MS/MS)
? 离子阱 (2/3质量范围的前体离子 )
宽的动态范围
? 阱内只有前体离子
较小的离子 -分子反应的干扰
? 阱内无水分子
2、四极杆 -飞行时间 (Q-TOF)
Q-TOF串联的优势：
? 对蛋白质，灵敏度增加 5倍
? 分辨率
反射式 (V型 ) 10,000(FWHW)
折射式 (W型 ) 20,000(FWHW)
? 质量测定精度
MS扫描 < 5ppm
MS/MS扫描 <10ppm
? 质量范围
>m/z1300
? 可以选择的电离方式
ESI
MALDI
APCI
I II
TRANSFER
OPTICS
HEXAPOLE
COLLISIONAL CELL
TOF-MS
QUADRUPOLE
RESOLVING
LASER
DETECTOR
REFLECTRON
REMOVEABLE
SAMPLING CONE
Z SPRY
ION SOURCE
QUADRUPOLE
RESOLVING
REFLECTRON
TOF-MS
DETECTOR
EXTRACTION
CONE
HEXAPOLE
COLLISIONAL CELL
TRANSFER
OPTICS
I II
?元素组成分析
某未知混合物的 HPLC-MS分析，使用准确质量进行。
Hydroxyestrone
C18H22O3
Calculated mass [MH]+ = 287.1647
Error = 0.9mmu (3.1ppm)
?-Estradiol 3-thylether
C19H26O
Calculated mass [MH]+ = 287.2011
Error = 0.2mmu (0.7ppm)
两个表观质量相同的化合物的区分
3、四极杆 -离子阱 (Q-Ion Trap或 Q-Trap)质谱仪
Q-TRAP型串联质谱仪原理示意图
QTRAP型的主要扫描功能特点及开发应用
? MS MS3功能（子离子扫描,PROS）
? 母离子扫描功能 (PRES)；中性丢失扫描功能 (NLS)
? LC-MS LC-MS3功能； MRM 扫描功能
?增强型全扫描 (EMS)；增强型子离子扫描功能 (EPI)
?增强分辨率的 Q3功能
?IDA,MS及 MS/MS自动切换扫描功能
?克服 3D离子阱质量截止 1/3效应
某化合物的开
环断裂过程
m/z7
0
Q-TRAP与 LCQ之 MS2结果比较
MS2,QTRAP
[M+H]+
MS2,LCQ
[M+H]+
§ 3.3 质谱 /质谱应用
1、有机小分子应用
?碎裂反应机理研究
? 例：邻、间、对苯二酚双电荷离子离子的分解
化合物 反应通道 产物离子 T/eV R/nm
o-C6H4(OH)2
(A) C6H5O++COH+
3.6 0.40
m-C6H4(OH)2 3.5 0.42
p-C6H4(OH)2 3.6 0.41
o-C6H4(OH)2 (B) C6H3O++H3O+ 2.8 0.52
o-C6H4(OH)2 (C) C5H3++HCOOH2+ 0.9 >1.00
苯二酚双电荷离子 [C6H6O2]2+电荷分离反应
邻
间
对
邻、间、对苯二酚双电荷离子的 MIKES
[C6H6O2]2+ C5H5O+ + COH+ (A)
[C6H6O2]2+ C6H3O+ + H3O+ (B)
[C6H6O2]2+ C5H3+ + HCOOH2+ (C)
OCH O ++ OH O ++
反应( A ) 的过滤态 反应( B ) 的过滤态
化合物 反应通道 产物离子 T/eV R/nm
o-C6H4(OH)2
(D) C5H3+ + COH+
3.0 0.49
m-C6H4(OH)2 3.0 0.49
p-C6H4(OH)2 3.0 0.49
o-C6H4(OH)2
(E) C5HO+ +CH3+
2.3 0.62
m-C6H4(OH)2 2.3 0.62
p-C6H4(OH)2 2.3 0.62
苯二酚失水双电荷离子 [C6H4O2]2+的电荷分离反应
邻
间
对
邻、间、对苯二酚失水双电荷离子 [C6H4O]2+的
MIKES
[C6H4O]2+ C5H3+ + COH+ (D)
[C6H4O]2+ C5OH+ + CH3+ (E)
C H 3 C C C C C O H+ +
过滤态
?例：质子化乙醇及其类似离子的结构
质子化乙醇离子的碎裂产物主要是 C2H5+和 H3O+，同位素标记表明，质
子的位臵有混乱化倾向。同位素标记结果见下表。
产物 C2H5OD2+ C2H5OH2+ CH3CD2OH2+ CH3CD2OHD+ C2H5+/D2O
H3O+ 21/29 35/29 16/11 18/29
H2DO+ 48/57 28/14 52/57 49/51 47/57
HD2O+ 32/14 48/57 12/14 32/34 35/14
D3O+ 24/29 3/3
C2H5+ 48/5 4/5 42/5
C2H4D+ 29/48 27/48 8/14 35/48
C2H3D2+ 23/48 70/48 65/67 24/48
C2H2D3+ 19/48 26/29
C2HD4+ 27/48
C2D5+ 55/5
同位素标记的乙醇的 MH+离子的 CID谱 (实验值 /计算值 )
第一列 C2H5OD2+与最后一列 C2H5+/D2O(来自于 C2H5+与 D2O加合 )结果相同，
表明 C2H5OD2+离子的分解经历 [C2H5/H2O]+复合物中性体。
+C 2 H 5 O H 2
+
[ C 2 H 5
+
/ H 2 O ] C 2 H 5
+
H 2 O
C 2 H 4 H
+
H 2 O
[ C 2 H 4 / H 3 O
+
] C 2 H 4 H 3 O
+
..,,.,
+
提出的反应机理
在这两个复合物中间体互相转变的过程中
，氧和两个碳原子上的氢便在一定程度上丧失
其位臵区别。
相互转变活化能低于生成 C2H5+和 H3O+的临
界。
裂解速度很快，两个异构体间不能达到平
衡转化状态，因此观察到的同位素分布与平衡
状态 (理论计算值 )的不同。
?甾族衍生物的特殊重排过程
3,20二氨孕甾烷。 EI谱：产生 CH3CH=NH2+(m/z44)，显然系重排产生，而且与
3,20位有关，还存在失去 NH3+的反应过程。
氘交换后 CID实验，发现 17位上的 D2N=CHCH3发生了远程迁移，到 3位上，
形成离子 -中性复合物中间体，失去 CH3CH=ND,然后通过 i断裂失去 ND3。
氘代 3,20二氨孕甾烷消除 CH3CH=ND和 ND3的反应机理
D 2 N,
.,
D
+
.
..
.
D 2 N
N D 2
+,
D N
D 3 N
.
+ C H 3 C H N D
+
?离子结构研究
MS/MS是最主要的离子结构研究手段。
? 例,1,3-二羟基丙酮有关离子的结构分析
HOCH2-CO-CH2OH+? [C2H4O2]+? + CH2O
[C2H4O2]+?(m/z60)有独特的 MI和 CID谱，与其它组成相同的离子不同。
离子 45+ 43+ 42+ 41+ 32+ 31+ 30+ 29+
CH3CO2H+? 53 100 7.7 4.5 0 0.8 0 3.7
CH3= C(OH)2+? 47 36 100 10 0 10 1.3 18
HCO2CH3+? 3.5 0 0.8 2 100 54 9.5 27
HOCH2CHO+? 0.3 0.5 1.2 0.4 100 30 2.7 12
C2H4O2+?(未知 ) 2.0 2.2 100 4.0 3.0 3.6 1.1 3.7
几种 C2H4O2+?(m/z60)离子的 CID谱 (相对丰度 %)
[CH2=C=O+?/H2O]
乙烯酮分子离子与水分子的离子 -中性复合物中间体。
?CH3CH=OH+ 和 CH3OCH2+ 的质谱区分
在 QqQ质谱仪内，在 q中充入与上述两种离子反应的气体，如丁二烯或苯。不同
的离子会发生物征的反应，产生不同的离子，以此可以区分两种离子。
20 40 60 80 100
0
20
40
60
80
100
MH
+
CH
3
C H OH
+
Relatv
ie Abundance
m/z
20 40 60 80 100
0
20
40
60
80
100
91
MH
+
CH
3
OC H
2
+
Relatv
ie Abundance
m/z
CH3CH=OH+ 和 CH3OCH2+ 与苯的反应质谱
前者只发生质子交换反应，生成质子化的苯离子。
后者发生加合后再失去 CH3OH，生成 C7H7+，卓 鎓 离子。
2、生物分子应用
?生物大分子的 MS/MS
蛋白质组学，大量使用 MS/MS，进行蛋白质的序列分析。（略）
?氨基酸和多肽分子
电荷在 N端：产生 An,Bn,Cn
电荷在 C端：产和 Xn,Yn,Zn
重要的离子,Bn,酰基离子结构，失去 CO碎片，放热反应。
Yn酰基键断裂产生的离子。
肽或其衍生物 中性丢失 B2离子组成 T0.5/eV
H-Gly-Leu-Gly-OH H-Gly-OH H-Gly-Leu- 0.49
H-Gly-Leu-NH2 NH3 H-Gly-Leu- 0.48
H-Ala-Ala-Gly-OH H-Gly-OH H-Ala-Ala- 0.57
H-Ala-Ala-Ala-Ome H-Ala-OH H-Ala-Ala- 0.54
H-Gly-Aly-Ala-OH H-Ala-OMe H-Ala-Ala- 0.51
H-Gly-Ala-Ala-OH H-Ala-OH H-Gly-Ala- 0.50
H-Gly-Ala-Gly-OH H-Gly-OH H-Gly-Ala- 0.50
H-Glyg-Ala- NH2 NH3 H-Gly-Ala- 0.53
H-Leu-Gly-Gly-OH H-Gly-OH H-Leu-Gly- 0.34
H-Leu-Gly-NH2 NH3 H-Leu-Gly- 0.38
B2离子失去 CO的动能释放
B2离子失去 CO的峰为平顶峰，表明动能释放很大，大约在 0.3~0.5eV，意味着
B2离子碎裂反应经历一个能量较高的过渡态，且有较高的逆活化能。
如果为开环结构，断裂掉 CO是简装的过程,T0.5应很小，所以表中的反应初
始物很可能具有环状结构。经过对已知样品的分析,B2离子被成功鉴定为 噁 唑酮结
构。分子轨道计算结果表明，过渡态具有开环结构。见下图：
反应坐标
势
能
0.88eV
HN
O O+
H C N H C H 2O C O+
+HC N H C H2O + C O0.61eV
噁 唑酮离子分解过滤态示意图
3、定量分析应用
SIM 单离子监测
(Single Ion Monitoring)
SRM 选择离子监测
(Select Reaction Monitoring)
R T, 1, 0 0 - 7, 0 0
1, 0 1, 5 2, 0 2, 5 3, 0 3, 5 4, 0 4, 5 5, 0 5, 5 6, 0 6, 5 7, 0
T i m e ( m i n )
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
R
e
l
a
t
i
ve
A
b
u
n
d
a
n
ce
R T, 3, 8 5
M A, 6 1 0 6 7
N L,
1, 0 9 E 4
T I C M S
P L _ S C H _ 3
1 1 _ 0, 7 Q 1 R
0, 5 _ 5 0 F g _
o n co l u m n
选择离子监测 SRM
H2O/MeOH gradient,0.05% formic,200 uL/min,50 x 2 mm C8
+ESI,SRM
50 femtograms on column
SRM m/z 311.2 ? 259.2
Collision energy 28V
Q1 resolution 0.7 Da FWHM
Q3 resolution 0.5 Da FWHM
242 244 246 248 250 252 254 256 258 260
m/z
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100 250.2
251.2
250.1
杂质
磺胺药物
~3000 resolution
Component separation
杂质存在下磺胺药物的分析
杂质存在下的磺胺药物分析
磺胺药物分析：选择不同的前体离子所得的产物离子谱图
m/z
120 140 160 180 200 220 240 260 280 300
Relat
ive
Abundan
ce
107.6
115.7
183.7
155.6
144.6
130.7 250.0172.6
118.5
157.8131.7
115.7
172.8 250.2130.6
144.6
116.6
146.6118.6
106.6
157.7131.6
161.0 189.8 207.9
183.8
107.5
155.6
166.7
182.7 250.1
单位质量分辨
高分辨分离
m/z 250.2
高分辨分离
m/z 250.1
*
*
*
Q1 设定只允许磺胺药物通过
Q1设定只允许杂质通过
