《有机质谱分析》

1、有机质谱分析 基本技术简介 质谱是什么? 质谱是一种测定各种物质的原子、分子 质量的分析方法。 质量是物质的固有特性之一，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；质谱谱峰的强度也与它 代表的化合物的含量有关，利用这一点，可 以进行定量分析。 质谱分析法是化学领域中非常重要的一种分 析方法，这是一项测量离子质量和强度的技术， 它通过测定分子质量和相应的离子电荷（质荷比 m/z）实现样品中分子结构的分析。 英国物理学家J.J.Thomson（1906年诺贝尔物 理学奖获得者）在上世纪初即开展了正电荷离子 束的物理学研究，并于1910年研制了世界上第一 台质谱仪。 Thom

2、son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，这时不同质荷比的正电 荷离子按不同质量发生曲率不同的抛物 线轨道偏转，依次到达检测器，在感光 干板上被记录下来，从而发明了质谱法。 质谱分析法发展到今天，已在许多科学研究 及生产领域发挥十分重要的作用。 根据发展历程和使用的学科领域不同，可 把质谱分成： 同位素质谱 无机质谱 有机质谱 生物质谱等几大类 同位素质谱同位素质谱 实际上，质谱分析是从同位素分析开始的，这 方面的工作包括发现元素的新的同位素及测定同位 素含量两个方面。 英国物理学家F.W.Aston，长期从事同位素和 质谱的研究。他首次制成了聚焦性能较

3、高的质谱仪， 并用此来对许多元素的同位素及其丰度进行测量， 从而肯定了同位素的普遍存在。同时根据对同位素 的研究，他还提出了元素质量的整数法则。因此他 荣获了1922年的诺贝尔化学奖。 早期的质谱分析工作集中于元素的天然同位 素发现及丰度测定。这方面的数据积累为确立目 前通用的以12C为基准的原子质量单位体系提供了 基础。这是质谱对物理学和化学的一大贡献。 目前这方面的分析、研究工作已基本结束， 同位素分析集中到特定环境下的同位素含量测定 上。质谱是同位素地质学研究的重要工具，通过 测定地质样品（岩石、矿物、化石等）中某些同 位素的含量，可确定其形成年代，为地质学及考 古工作提供可靠的信息。

4、用质谱分析同位素标记化合物也是研究有机 反应历程以及生物体的新陈代谢机理，特别是人 体内的代谢过程的有效方法。 无机质谱无机质谱 包括无机物的定性、定量及材料的表面分 析等。用火花源质谱分析法，原则上可测定周 期表上从氢到铀的全部元素，检测灵敏度可达 (10-1210-13)g。 无机质谱分析的另一个重要领域是对固体 样品进行“立体”分析，包括微区分析、表面 分析、纵深分析、逐层分析等。 有机质谱有机质谱 它是针对有机物的质谱分析方法，与核磁共 振谱、红外光谱、紫外光谱一起被称为有机结构 分析的“四大谱”。 有机质谱研究的真正兴起是在上世纪50年代 以后，主要朝着两方面发展，其一是研究有机物

5、离子裂解机理，另一方面是运用质谱推导有机分 子结构。 有机质谱分析虽起步较晚，但发展十分迅 速，它已成为当前质谱学研究中的主要分支， 是有机化合物结构和成分分析的主要工具。 与其它“三大谱”相比，它提供了有机化 合物最直观的特征信息，即分子量及官能团碎 片结构信息。在某些情况下，这些信息足以确 定一个有机化合物的结构。 在高分辨条件下，将质谱信号通过计算机运算， 可以获知其元素组成，因此，质谱仪还具有元素分 析的功能，广泛应用于各种有机化合物的结构分析。 同时，由于与分离型仪器（气相色谱仪、液相色谱 仪等）实现了联用，质谱可以直接分析混合有机物， 成为复杂混合物成分分析的最有效工具。这些混合

6、物包括天然产物、食品、药物、代谢产物、污染物 等等。它们的组分可多至数百个甚至上千个，含量 也可千差万别，用别的方法分析这类样品所耗费的 时间，代价为人们难以承受，有时则根本不可能进 行，而用色谱质谱联用法则可能在较短的时间内 很方便地进行。因此，它的问世，被认为是分析化 学中的一个里程碑。 在有机质谱应用方面，1985年英国萨塞克斯大 学(University of Sussex)的波谱学家H.W.Kroto与美国 莱斯大 学(Rice University)两名教授R.E.Smalley和 R.F.Curl合作研究，利用质谱仪发现碳元素可以形成 由60个或70个 碳原子构成的有笼状结构的C

7、60和C70 分子，这一发现引起 科学界特别是物理学和化学界 的强烈反响，成为上世纪后半叶的重大科学发现之 一。11年后，三位科学家因为发现C60并提出其分子 结构模型而荣获1996年诺贝尔化学奖。 生物质谱生物质谱 随着科学技术的进步，特别是1988年以后，科 学家们研究出了电喷雾电离质谱(ESI)和基质辅助激 光解析电离飞行时间质谱(MALDI-TOF)，开创了有 机质谱分析研究生物大分子的新领域。 2002年诺贝尔化学奖分别表彰了两项成果，一 项是美国科学家约翰芬恩与日本科学家田中耕一发 明了对生物大分子进行确认和结构分析的方法和发 明了对生物大分子的质谱分析法，他们两人共享 2002年

8、诺贝尔化学奖一半的奖金；另一项是瑞士科 学家库尔特 维特里希发明了利用核磁共振技术测 定溶液中生物大分子三维结构的方法，他获得了 2002年诺贝尔化学奖另一半的奖金。 用质谱技术分析研究糖、核酸、多肽、蛋 白质，这方面的许多成功的研究工作都标志着 质谱作为一种生化分析方法将占据重要的地位， 有机质谱已跨出了近代结构化学和分析化学领 域而进入了生命科学的范畴，生物质谱正在成 为质谱研究中的一个热点。 同位素质谱和无机质谱是质谱中的小分支， 前者主要在与放射性同位素有关的部门应用， 后者主要在矿产、地质、冶金、半导体材料和 原子能工业中应用。 生物质谱则是一个全新的领域，尚需作进 一步探讨研究。

9、相对而言，有机质谱是质谱中的最大分支， 不仅应用学科领域广泛、部门多，而且仪器数 量很大。 据不完全统计，上世纪80年代，我国每年引进 有机质谱仪器30多台，90年代每年引进50多台，进 入新世纪后，每年更是超过100 台。从事这项工作 的人数也很多，目前我国从事有机质谱分析研究工 作的专职科技人员近3000人。可以这样说，一切与 有机化学有关联的学科与部门，诸如生物化学、生 命科学、化工、医药、试剂、轻工、食品、商检、 林业、农药、石油、地质、公安、法检、航天、国 防、环境监测、致癌物质和兴奋剂检测等，都要装 备有机质谱仪。 因此，本课程将以介绍有机质谱的工作原理、 实验仪器和图谱解析为主，

10、希望能给大家今后的学 习、工作有所帮助。 有机质谱方法原理 有机质谱分析的方法原理是：将被测物质分子电 离成各种不同质荷比m/z的带电粒子，然后在电场、 磁场或电与磁的组合场的作用下，使这些带电粒子按 质荷比大小在空间或时间上产生分离，并测量离子峰 的强度，以此获得化合物的分子量及其它有关结构信 息。 农药DDE质谱图 由仪器直接纪录下来的质谱图是一系列尖 峰，为了简化谱图，常用棒图表示。其横坐标 为质荷比(m/z)，纵坐标为离子峰的强度。 在质谱学中，质量是以12C的1/12为一个单位， 记作amu或u。 在12C的1/12定义中，12C=12.0000000， 1H=1.0078246，

11、13C=13.0033554， 14N=14.0030738，15N=15.0001088， 16O=15.9949141，18O=17.9991616， 19F=18.9984082，32S=31.9720727， 35Cl=34.9888531，37Cl=36.9659034。 在有机质谱中，每个质量峰都是由一定数量的 C、H、O、N、S、Cl等元素组成，因此每个质量 峰有它的质量，高分辨有机质谱仪可以精确地测 出一个质量峰的质量到小数点后45位。 我们称构成一个质量峰的各元素中质子和中子 数的总和为质量数，或者以原子质量单位计算的 接近整数的数，例如O2=32，H2O=18，并以此来 表

12、示质量。 质谱中的纵坐标可以是以电压，长度，电子 数为单位，也可以是无量纲的相对比值，通常用 归一化的相对比值。 有机化合物分子失去一个或数个电子，形成正离子； 获得一个或数个电子就形成负离子。 失去或得到一个电子形成的正离子或负离子叫单电荷离 子； 失去或得到数个电子形成的正离子或负离子叫多电荷离 子。 在质谱分析过程中，产生正离子的机会要比负离子 多，一般情况下都取正离子进行分析，特殊情况下也作 负离子分析（如分析有机氯农药等）。 分子失去一个电子所形成的正离子称为分子离子，它的质荷 比值即代表了试样分子所对应的分子量数值。 分子得到一个质子所形成的正离子称为准分子离子。 分子离子有可能进

13、一步转化，由分子离子碎裂产生的离子称 碎片离子，而伴有原子或原子团转移的碎裂过程所产生的离子 称重排离子。 有机质谱中，通常是把13C、2H、17O、15N、37Cl等低丰度同位 素参与组成的分子离子称为同位素离子。 DDE质谱图中，m/z316为DDE的分子离子峰， m/z318、320、322为它的同位素峰，其它低质量的 离子为碎片离子峰，均由m/z318 进一步碎裂所形成 质谱是化合物固有的特性之一，不同的化合物除 一些异构体之外，有不同的质谱，利用这个性质可以 进行定性分析。有机质谱定性分析就是根据一张质谱 给出的信息确定被分析化合物的分子量、分子式，并 力求获得结构式。 质谱峰的强度

14、与它代表的化合物的含量成正比， 混合物的质谱，是各成份的质谱的算术加和谱，利用 这一点，可以进行定量分析。 有机质谱仪器构成 数据系统 进样装置离子源质量分析器离子检测器 真空系统 离子源离子源检测器检测器质量分析器质量分析器 离子源（离子的产生） 为了获得一个化合物的质谱，首先应将样品分子变成 带电粒子正离子或负离子，离子源就是使中性分子电离 成离子的装置。 在多数情况下，离子源还需完成第二个任务，就是将 离子引出、加速和聚焦，使离子束具有一定的几何形状和 一定的能量。 常用的几种离子源有： 电子轰击型离子源(Electron ImpactEI源) 化学电离源(Chemical Ioniza

15、tionCI源) 快原子轰击源（Fast Atom BombardmentFAB源） 大气压电离源(Atmospheric Pressure IonizationAPI源) 电子轰击型离子源(Electron ImpactEI源) A+ M B+ C+ . . . . . . M -e 这是一种试样分子经电子流轰击电离成离子的方法，是有 机质谱中应用最广的常规型离子源。 EI源能够获得广泛应用的原因是： 电离效率高(确保质谱仪具有很高的灵敏度)， 能量分散小(确保质谱仪有较高的分辨本领)， 结构简单， 操作简便， 可给出化合物的“指纹”信息， 可作质量校准。 一般有机化合物的电离电位约为10电

16、子伏特，当以大 于这个能量的电子轰击化合物分子时，会使化合物分子处 于激发态，可能使分子电离为离子，也可能发生断裂产生 碎片离子。 正是这些断裂和化合物的结构有关，在一定能量的 电子轰击下，可以得到该化合物具有特征性的“指纹”信 息。 电子能量对质谱有很大的影响，通常采用降低电 离电压(电子能量)的方法，以求获得较强的分子离子 峰。但这时离子的绝对强度大大下降灵敏度急剧下 降，有时仍然没有分子离子峰。正因为如此，国际上 采用70eV的质谱为标准谱，在70eV下电离效率达到最 大值。 电子轰击源尽管有上述多种优点，但它存在二 个严重缺点： 样品必须汽化为分子状态导入电离盒，方可实 现电离。这对于

17、热不稳定性物质或不易挥发性物 质是不适用的。 大多数情况下，找不到分子离子峰，不利于确 定分子量。 为了弥补EI源的不足，发展了其它类型离子 源。 化学电离源(Chemical IonizationCI源) 化学电离源需要一种反应物，最常用的是甲烷，当甲烷(CH4)和样品一起导入 密封性良好的电离盒时，CH4分子首先被灯丝发射的电子轰击电离，而由于样 品的分压很小，所以很少可能直接被电离。 在高能量的电子轰击下，CH4分子被电离 CH4 + e CH4+ + 2e CH4+ CH3+ + H 离子CH4+和CH3+与周围大量的CH4分子产生分子离子反应： CH4+ + CH4 CH5+ + C

18、H3 CH3+ + CH4 C2H5+ + H2 然后，这些正离子与样品分子碰撞，使样品分子电离。绝大多数样品分子 与CH5+碰撞，发生分子离子反应产生(M+1)离子： M + CH5+ (M+1)+ + CH4 还可能出现其他形式的分子离子反应。 M + C2H5+ (M+29)+ M + C3H5+ (M+41)+ 电子流首先使反应气如甲烷、氢气、氨气等离 子化，然后这些反应气离子再与试样分子发生分子 离子反应，使试样分子离子化。在此过程中没有 发生像EI源那样强烈的能量交换，因而样品的碎片 峰少，与分子有关的峰很强，是EI源的一个补充。 这种电离方式又称为软电离技术。 CI源的优点： 可

19、得到准分子离子峰，便于确定化合物的分子量。 CI谱中有定性价值的碎片峰往往比EI谱还要强,更宜于做选 择离子检测（可提高检测灵敏度23个数量级）。 对某些化合物（如卤代物、硝基化合物），CI源的负离子比 正离子强，可作负离子检测（选择性电离）。 CI源的缺点： 样品仍需汽化，对热不稳定和不易挥发的化合物仍然不适用。 碎片峰少，缺乏EI源的碎片谱的“指纹”信息。 CI谱随反应气的不同，离子源结构、温度、压力的不同以及 电子能量的不同而变化。因而CI谱没有标准谱可供参考。 快原子轰击源（Fast Atom BombardmentFAB源） 将快速Ar原子(或Xe原子)轰击涂敷有某种底 物的靶面上的

20、试样，使试样分子离子化的方法。 适用于分析高分子、热不稳定或强极性化合 物如肽、糖类、维生素、抗菌素等。 这种电离方式得到的离子除分子离子、准分 子离子或(M-1)+离子之外，还有一些碎片离子， 可以帮助解析结构。 大气压电离源(Atmospheric Pressure IonizationAPI源) 主要用作液相色谱质谱联用接口，或者作高纯度气体中 的微量杂质的测定。 大气压电离源是将毫居里级的63Ni放射源放在一个箔上， 置于大气压下。当液相色谱的流出物通过时，产生一系列分子 离子反应，使样品分子电离。大气压区域产生的离子通过直 径25m的小孔进入质谱仪离子源的透镜系统从而进行质谱测 定。

21、 API源的特点是样品不需要经过汽化，液相色谱流出物不 经过加热，有利于热不稳定和不挥发性物质的分析。 其它类型的离子源 解析化学电离源(Desorption Chemical IonizationDCI源) 场致电离和场解电离源(Field Ionization and Field Desorption IonizationFI和FD源) 电喷雾电离源（Electrospray IonizationESI源） 基质辅助激光解析电离源（Matrix-assisted laser desorption ionizationMALDI源） 分别用于不同样品的质谱测定。 电喷雾电离源（Electro

22、spray IonizationESI源） 质量分析器（滤质器，离子的分离） 质量分析器的作用是使从离子源过来的离子获得质量 色散，也就是说使离子按质荷比值（m/z）大小进行分离和 排列。 分离离子的原理与质量分析器的种类有关，常见的质 量分析器有： 磁场质量分析器 四极质量分析器 离子阱质量分析器 飞行时间质量分析器 傅立叶变换离子回旋共振质量分析器 磁场质量分析器 磁场质量分析器由分析管（半径为R）、磁铁等组 成。在离子源内生成的质量为m，电荷为z的离子，在 加速电压U的作用下，以速度V进入强度为B的均匀磁场， 受到与离子运动方向和磁场方向垂直的力，沿着曲率半 径为r的轨道运动。 离子的质

23、荷比（m/z）与各参数的关系可由下式表 示： m/z=Kr2B2/U 只有适当质荷比（m/z）的离子，其对应的r与分析 管的半径R相同,才能进入检测器。当B或U连续扫描时， 各不同质量数所对应的离子束依次通过收集狭缝，进入 检测器而测得整个质谱。 四极质量分析器 四极质量分析器由四根平行的极杆组成，相对的两杆 连在一起构成两对电极。在两对电极上分别加上直流电压U 和高频电压Vcost（是高频电压角频率，t是时间），在 电极包围的空间产生双曲型电场。 在特定的四极场中，某一质荷比的离子能作稳定的振 荡，通过四极场而被接收，其它质荷比的离子则被滤掉。 因此，在保持直流电压(U)和射频电压(V)振幅

24、比值恒定而连 续改变它们的值时(扫描)，不同质荷比的离子依次通过四极 场而实现质量分离。 离子阱质量分析器 这是一种三维空间旋转对称四极质量分析器， 最早于1953年由W. Poul提出技术原理，他也因此而 获得了1989年诺贝尔物理学奖。 这种分析器的独特之处是离子束可以“储存” 在由上顶盖、环形电极和下尾盖所组成的内部空间 “陷阱”内。当射频增加时，低质量数至高质量数 的离子依次变得不稳定而穿过下尾盖被检测，从而 实现质量分离。 飞行时间质量分析器 以脉冲方式产生的离子进入无场区后，不同质 荷比的离子漂移速度不同，因而到达检测器的时间 不同从而实现质量分离。 这种质量分析器的特点是质量分析

25、范围原理上 不受限制，主要用于生物大分子方面的结构测定。 TDC/ADC Memory e Fast Clock STOPPED RUNNING 飞行时间质量分析器 t, S 30 傅立叶变换离子回旋共振质量分析器 这是一种离子被捕集在被称为捕集极、发射极和接收 极的六面体形状的分析池内作回旋运动的质量分析器。在 高真空及超导强磁场下，不同的质荷比的离子对应着相应 的回旋频率。 用发射极上的射频频率来扫描时，离子就产生回旋共 振，使回旋半径逐渐扩大而被接收极检测，此时所得到的 各种频率衰减的余弦波叠加的时间域信号，再经计算机作 快速傅立叶变换处理后，得到常规质谱图的质量分析器。 检测器（离子的

26、检测） 由离子收集器、放大器及记录器所构成。 常用的有法拉第筒接收器、电子倍增器以及光电 倍增管。前者精确度高，而后者因有较高的灵敏度而 被普遍采用。 真空系统 真空系统一般包括： 低真空前级泵（机械泵） 高真空泵(扩散泵和分子涡轮泵较常用) 真空测量仪表和真空阀件、管路等。 机械泵机械泵扩散泵扩散泵 分子涡轮泵分子涡轮泵 真空系统是质谱仪器的重要组成部分，因为它涉及到许多 部件的工作原理： 离子源中发射电子的灯丝（如EI源、CI源等）在氧气较多的 情况下会烧毁，因而要求灯丝必须在高真空状态下工作。 高气压会干扰离子源中电子束的正常调节，还会引起高达数 千伏特的离子加速电压放电，导致损坏电离室

27、和高压供电线路。 高真空还有利于样品的挥发，减少本底的干扰，避免在电离 室内发生分子离子反应，减少图谱的复杂性。 生成的离子在运动中也必须有一定的分子自由程，否则离子 间的相互作用会引起离子偏转而到不了收集器。 总而言之，在质谱测定过程中，凡是有样品分子和离子通 过或存在的地方都必须抽成高真空，压力要求为10-410-6Pa。 计算机控制和数据处理系统 计算机是现代质谱仪器不可缺少的一部分，由接口、 计算机、软件构成。它不仅用作数据采集、存储、处理、 检索和仪器的自动控制，而且还拓宽了质谱仪的功能。 主要功能有： 调谐程序 一般质谱仪都设有自动调谐程序，可以自动调整 仪器的灵敏度、分辨力在最佳

28、状态，并进行质量数的 校正。 数据采集程序 控制仪器的工作参数，进行扫描方式选择（正常全扫 描、选择离子扫描）和色谱条件控制等。 选择离子扫描可提高灵敏度，比正常全扫描高23个 数量级。原因是：一方面采集的本底较低，另一方面，由 于只对少数几个特征离子峰进行反复扫描，收集到的信息 量较多。在正常全扫描中，当记录某一个质量峰时，其余 峰均被偏转掉，这些信息就被浪费了。例如在正常全扫描 中，若以3s扫0300个质量峰，则每个质量占有的时间仅 有0.01s，若在3s内仅记录3个特征离子峰，每个特征离子 峰得到的信息量约为正常全扫描的100倍。 数据处理程序 完成质量校正、归一化质谱、质量色谱图、质谱

29、 峰本底扣除、元素组成表、定量运算等。 谱库检索程序 有机质谱仪都备有NIST或NBS标准质谱的谱库。 利用谱库检索程序可以帮助你快速地在标准谱库中找 到与试样质谱最相似的谱图作参考，简化谱图解析的 工作。 诊断程序 在仪器调谐过程中设置和监测各种电压，或检查仪 器故障部位，有助于仪器的运转和维修。 分辨本领（分辨力） 分辨本领（分辨力）是指仪器对相邻 两质谱峰的区分能力。相邻等高的两个峰， 其峰谷不大于峰的10%时，就定义为可以 区分。当两个峰的峰谷等于峰高的10%时， 分辨本领R等于两峰质量的平均值与质量 差的比值，即 R=m/m 分辨本领在3万以上的称高分辨仪器， 1万到3万的称中分辨仪

30、器。低分辨仪器的 分辨本领在几百到几千。 主要技术指标 灵敏度与信噪比 灵敏度是表示仪器出峰(或信号)的强度与样品用量 的关系。如果用的样品量少而出的峰强度大就说明灵 敏度高。 测定灵敏度的方法有很多，一般用的直接进样灵 敏度测定方法是：在固定分辨本领的情况下，直接进 入微克量级的样品(胆固醇或硬脂酸甲酯)，看其分子离 子峰（m/z386或m/z298）的强度与噪声的比值即信/噪 比值，用S/N表示，噪声指基线的强度。 质谱仪的最高灵敏度可达fg级。 质量范围 仪器可以测定的最小到最大质量数。 目前高分辨仪器可达到的质量数是2千多1万多。 但这些高值都是在降低加速电压的情况下得到的，所以 一般

31、应注意在仪器加速电压最高档时的质量范围。对磁 式质谱仪，加速电压降低，质量范围可增大，但能量分 散也增大，分辨本领会降低，灵敏度也下降。 质量精度 利用质谱仪定性分析时，质量精度是一个很重要的 性能指标。 在低分辨质谱仪中，仪器的质量指示标尺精度不应 低于0.4质量数。 高分辨质谱计给出离子的精确质量，相对精度一般 在110ppm。计算方式如下： (m1-m0)/m 式中，m1 实测质量；m0 质量真值；m m0的质量 数。 联用技术 有机质谱仪和其它分析仪器相比较的一个显著特点 是它可以和其它某些仪器联机(GC/MS，LC/MS等)，也 可以同其它质谱联机(MS/MS)。这不仅可以集中二种以

32、 上分析方法的长处，弥补单一分析方法的不足，还能产 生一些新的分析测试功能，大大拓展了质谱仪的应用范 围。 联用技术的应用起到了一种特殊的作用，满足了灵 敏度高、鉴别能力强、分析速度快和分析范围广的要求, 是现代分析化学中最重要的一种分析技术。 联用技术是有机质谱分析中的一个重要方面，正不 断得到完善和发展。 气相色谱质谱联用(GC/MS) 气相色谱仪(GC)最早出现于1952年，它对混合物中 的各组分具有高效分离作用。但是，GC主要用于定量分 析，严格说来难以做定性分析。这是因为GC是利用保留 时间来定性，而不同色谱仪，不同色谱条件(如固定相、 柱长、柱内径、载气流量、压力和柱温等)，同一种

33、成份 样品的保留时间也不相同，因此气相色谱难以作确切的定 性。 而质谱仪(MS)则具有灵敏度高，定性能力强的特点， 它可以确定化合物的分子量、分子式甚至官能团。但是一 般的质谱仪只能对单一组分才能给出良好的定性，对混合 物是无能为力的，且进行定量分析也较复杂。 气相色谱质谱联用仪(GC/MS) 将气相色谱质谱这两种方法实现联用，可以最大程度 发挥各自的特点： 气相色谱仪是质谱仪理想的“进样器”，试样经色谱分离 后以纯物质进入质谱仪，使质谱仪的定性能力得到发挥。可 以分析复杂组分的样品。 质谱仪是气相色谱仪的理想的“检测器”。色谱仪所用的 检测器如氢焰电离检测器(FID)、热导检测器(TCD)、

34、电子捕 获检测器(ECD)等，都有局限性，而质谱仪能检出几乎全部 化合物，灵敏度又很高。更重要的是能提供样品结构信息， 有很强的定性能力。 要实现气相色谱仪和质谱仪器联用，主要解决的问题是 气压问题 。 液相色谱质谱联用(LC/MS) 与气相色谱同质谱联用相比，液相色谱同质谱联用的 难度大得多。因为液相色谱分离试样时，用了大量的溶剂 作载液，如果直接将液相色谱流出物送入质谱仪器，则远 远超过质谱仪器真空系统所能承受的范围，而且还会导致 混乱的质谱数据。 目前，比较普遍采用的接口叫电喷雾接口(Electrospray IonizationESI源 )，这种接口本身就可以使样品电离。它 的工作原理

35、是首先将液相色谱柱分离后的流出液汽化，然 后通过毛细管探头喷口喷出，使之形成细雾滴。如果流出 物中含有电解质，试样可在电喷雾过程中直接电离。 这种仪器特别适合强极性、大分子量化合物的分析。 质谱质谱联用(MS/MS) 质谱质谱联用(MS/MS)是二十世纪七十年代后期出现的 一种新兴技术。 它的基本原理是既用质谱仪做混合物样品的分离器，又用 质谱仪做组分的鉴定器。 混合物进入离子源电离，再经过质量分析器的质量分离， 离子按质量数的不同而分开，然后选择需要分析鉴定的离子作 为母离子进入碰撞室，经碰撞活化使其进一步断裂，产生的子 离子再经过第二个分析器分离。 可以选定一种离子通过，也可以采用扫描方式

36、，使所有不 同m/z的离子通过，经检测记录即可得到质谱/质谱图。如果采 用软电离离子源，得到的母离子多数为分子离子，即可采用这 个方法将各个母离子逐一经过碰撞诱导分解，得到各自的子离 子谱，这种谱对混合物的组成结构的分析是非常有用的。 MS/MS仪的出现打破了只有GC/MS或LC/MS才能对混合 物进行分析鉴定的观念，而且它比GC/MS更有优点： 一是灵敏度高，可对混合物中的痕量化合物进行分析。 二是无噪声干扰，在GC/MS中噪声来自柱流失、热解、 吸附、记忆效应、化学反应等，使谱图本底高而且不稳定， 无法扣除。而MS/MS因在质谱第一分析器分离以后，只选择 需要鉴定的离子进入碰撞室，最后又用

37、质谱作为鉴定器，因 而可以避免噪声干扰。 质谱质谱联用技术极大地提高分析检测的选择性，特 别适合复杂体系中痕量化合物的分析。 图谱解析 有机质谱是有机结构分析和有机成分分析不可缺 少的工具，它能直接提供有机化合物的分子量信息， 并由此测得有机化合物的元素组成即分子式，从质谱 裂解产生的碎片离子还可以推测分子中所含的官能团， 确定化合物的类型，推导骨架结构。 为了使推导过程正确，必须了解质谱裂解机理。 用质谱数据导出化合物的分子式 为了确定分子式，首先要在质谱图上辨认出分子离子峰 。 分子离子是试样分子失去或得到一个电子而形成的离子，它的 质荷比值却代表了试样分子所对应的分子量数值。 分子离子峰

38、应具有下列一般特性： (1) 最大性： 它既然只丢失一个电子，就应当是质谱图中m/z值最大的 峰(不计它右边的同位素峰)。 (2) 奇偶性： 由于所有稳定的有机分子都是偶电子的(没有未成对的孤 电子)，在丢失一个电子后，它依然保持了它的价态，只是成 为奇数电子了，因此它应当仍然符合N（氮）规律，即分子离 子峰一定是符合N规律的奇电子离子。 M N规律：对于同位素纯净的稳态分子，含有奇数N原 子的，分子量整数部分一定是奇数；不含N或含有偶数N 原子的，分子量的整数部分一定是偶数。 (3) 合理性： 它在高m/z区域应有合理的，通过丢失中性碎片(中性 分子或游离基)而产生的碎片峰。质量差414、2

39、125、37、 38等为不合理丢失。 如果符合以上这3个条件，它可能是分子离子峰，也 可能不是。但是如果有任何一条不符合，那么它一定不是 分子离子峰。 一旦确定了之后，就可对它的元素组成情况进 行推导，会出现两种情况，一种是有的高分辨数据 (测准到小数点以后第四位)；另一种是只有的低分 辨数据，它只保证数据的整数部分不错。 的高分辨m/z值实际上是精确的分子量。对于 绝大多数有机分子，它们所含的元素不外乎C、H、O、 N、S、Si、P和卤素等，由这些元素的任意组合所形成 的有机分子，其同位素纯净的精确分子量都有很特征的 分子量尾数，这直接反映了组成该分子的元素的种类和 数目，就可以把测量得到的

40、精确分子量换算成相应的分 子式。如：测得的精确的分子量为27.9949，则分子式 应为CO，28.0062为N2。 M M M M 假如无法得到的高分辨数据，就应当用分子离子 区域中同位素的统计分布来确定分子式，但实验要小心仔 细(例如消除本底干扰等)以测得各同位素比较准确的强度 值。因为强度和数目相对应，强度的相对值即反映各离子 数目的相对多少。如35Cl有同位素37Cl(35Cl:37Cl3:1), 若分 子中含有两个Cl元素，则分子离子区域应有M、M+2和 M+4三个同位素峰，且强度比应接近9:6:1。 M 六氯苯的同位素比六氯苯的同位素比 10012014016018020022024

41、0260280300320 m/z 0 100 % 284 282 286 288 290 Scan CI- 正确的正确的 同位素比同位素比 无碎片无碎片 六氯苯同位素比六氯苯同位素比 质量数质量数 (m/z) 理论丰度理论丰度TRACE MS plus 28252.1%52% 284100%100% 28679.9%80% 28834.1%34% 2908.2%8% 分子离子峰的强度(在总离子流中所占的分数) 和它本身的结构有密切的关系，它反映了在离子源中 的稳定性，它的强度指示该化合物可能属于那一类化 合物。如芳香族化合物有较强的分子离子峰，而醇类 化合物的分子离子峰往往很弱。 不易出现分

42、子离子峰的化合物，一般用： 降低电离电压 降低样品的汽化温度 制备易挥发的衍生物 用软电离技术如CI，FAB 等方法以获得化合物的分子离子峰。 M 有机质谱的碎裂机制 由质谱数据推导有机物分子结构的过程，形象地 说，就像用弹弓击碎了一个花瓶，再由一堆碎片来拼 凑复原花瓶的过程。为了拼凑过程工作顺利，最好能 了解花瓶碎裂的过程。类似地，为了使推导的分子结 构正确，必须了解质谱的裂解机理。 为阐述有机质谱的碎裂机制，必须先了解一些有机质 谱解析中的常用术语和符号。 分子离子区域：指分子离子峰及其各同位素峰，右 上角的符号表示它是奇电子的，并同时具有阳离子和游离 基的一些属性。 EE+离子系列：指偶

43、电子碎片离子系列，例如烷烃的15， 29，43，57，71.；饱和脂肪胺类的30，44，58，72.； 脂肪族醇醚类的31，45，59，73.等。这些离子系列明 确指示分子中的部分结构，在本例中可清楚分辨出烷基和 醚类的EE+系列峰。 M 离子：指奇电子离子。它较少形成系列，但应当 把质谱中少数碎片离子标记出来，因为它在结构鉴定 中有较大的重要性（可判断是否有中性碎片的丢失）。 基峰：质谱中强度最大的峰，以它作为其它各峰相对强 度的基准。 中性碎片的丢失：指与高m/z区域一些碎片峰的m/z 值的差值，从可以丢失中性的游离基(形成偶电子离 子)，也可以丢失中性的分子(形成奇电子离子)。这些中性

44、碎片的丢失在高m/z区域有比较重要的鉴定价 OE OE M M 质谱碎裂反应的一般规律 (1) 碎裂反应是通过分子离子发生的，可表示为： A+ M B+ C+ . . . . . . 因为电子的电离过程远比化学键的碎裂过程要快，当 电子束轰击气相的中性分子时，非弹性碰撞使一部分能量 转变为中性分子的内能，致使分子电离(丢失一个电子)，形 成的分子离子有一部分过剩的能量，用于进一步的碎裂反 应。 M (2) 丢失这个电子的难易程度将按照n，并不是任意 的。即当分子中有n电子时，由于它的电离电位最低，所 以主要丢失的就是n电子，这时阳离子自由基 即“定域” 在该n电子原来所处的位置上；如果没有n电

45、子，而有电 子，它的电离电位比n电子高，但比电子低，所以这时将 丢失分子轨道上的一个电子， 即定域在轨道上，如果 是共轭系，也将观测到 的离域现象；如果n，电子都没 有(例如烷烃)，则只能丢失电子，由于各键上的电子 的电离电位很接近，因此， 这时将可能出现在分子的各 种位置上了。 (3) 阳离子自由基 的碎裂过程既可以由自由基引发， 也可以由正电荷引发。 (4) 可以用一些最基本的质谱碎裂机制来描述各种各样 的碎裂过程，就像有机化学中用有限的一些反应机制来描 述千万种具体的有机反应一样。 M 一些最基本的质谱碎裂机制 碎裂：这是指由游离基引发的，由游离基重新组成新键 而在位导致碎裂的过程，例如

46、： R1 R2 O O+ O+ R1 R2 + R2 + R1 即酮的碎裂使它的质谱显示R1CO+和R2CO+这些碎片 离子。上式中“鱼钩”箭头 表示一个电子的转移过程。 i过程(i碎裂)：这是由正电荷(阳离子)引发的碎裂过程，它 涉及两个电子的转移，仍以酮类为例： 与碎裂比较，这里的完全箭头 表示两个电子的转移， 从而导致正电荷位置的迁移，于是观测到的将是R1+和R2+ 离子，而不是碎裂过程所观测的R1CO+和R2CO+离子。 R1 R2 O O i R1+ R2 + 过程：这是当键断裂形成阳离子自由基时发生的碎裂过 程，例如： 当分子结构中存在叉链时，过程将优先在叉链处碎裂， 因为这样形成

47、的碎片阳离子通过超共轭而具有较好的稳定性， 这一规律也适用于环烷烃，当它带有烷基取代基时，在取代 基所在位置优先碎裂。 （戊烷） -e () + + M H CH 3 + + 以上由分子离子 (一定是 离子)通过、i、碎裂， 断开一个键而形成初级碎片离子的过程可小结为： i EE+ + R (奇电子离子) （偶电子离子） （游离基） 即它们的初级离子碎片都是偶电子离子，脱去的游离基 不能被质谱仪检测到。 MOE OE rH过程：这是指氢的重排过程，最常见的这类重排是通过六 员环过渡态的McLafferty重排，它可以一般地表示为： 式中，Q、X、Y、Z均为普通有机化合物中常见的几种 元素如碳、

48、氧、硫等。这种重排的条件是分子中存在系， 例如苯环、双键等。 XR Q Y Z H R Q X H Y Z + rH 影响质谱碎裂反应的因素 因为有机质谱反应是有机离子在气相发生的单分子反应， 它和中性有机分子的热解、光解、乃至溶液中的反应多少有 类似的地方，因此下列影响质谱反应方向的因素，是有机化 学工作者必须熟悉的。 产物的稳定性：质谱反应的产物包括带电荷的和EE+ 离子以及中性的游离基和分子，这些产物的稳定性是影响反 应方向的重要因素。 立体化学因素：这主要是因为反应过程中的过渡态往往有 一定的立体化学方面的要求，如在McLafferty重排中，要求 形成六员环过渡态，凡不能满足这一要求

49、的许多含系的化 合物，就不能发生这一反应。 键的活泼性：当产生的产物离子有相近的稳定性时，键的 活泼性就可能成为决定碎裂反应方向的因素。 OE 质谱分析的主要目的之一是未知物的结构鉴定，质谱图 能提供未知物的分子量、元素组成及其它有关结构信息。 根据质谱的碎裂机制可对这些结构信息进行解析来推断分 子结构，可按下列程序进行解析。 1.对分子离子区的分析 (1)确定分子离子峰，并注意分子离子峰和基峰的相对强 度比，以判断分子离子的稳定性，从而判断未知物的类型， 如芳烃、烷烃、醇类等。 (2)确定分子式，即利用同位素峰的丰度比数据，确定有 否含硫、氯、溴等特征同位素的元素及确定分子式，也可 用高分辨

50、质谱法测定分子式。 (3)根据分子式计算环和双键(r+db)的总数。 用质谱等方法确定了未知物的分子式后，可通过 下式计算分子式中含有的环和双键(r+db)的总数。 r+db=(2n+2+t-m)/2 式中，n分子中4价元素的数目，t3价元素的数目， m1价元素的数目，不计2价元素的数目。r+db有时 又称为“不饱和度”或“双键当量”。 2. 对碎片离子区的分析 (1) 找出主要离子峰（一般指相对强度大于3%者），分析这 些主要离子碎片的归属。 (2) 注意分子离子有何重要碎片丢失，并依此推测结构及裂 解类型。 (3) 注意有哪些重要的离子，并据此推测结构类型。 (4) 注意重要离子质荷比的奇

51、偶数，并据此帮助判断裂解类 型：单纯裂解或重排裂解。由此可进一步了解官能团及骨 架结构。 3.结构式的推定和验证 (1)由分子离子峰和主要碎片离子峰，推断未知物所 具有的特征官能团和基本骨架，列出它们可能的元素 组成。 (2)用标样比对或配合红外光谱、紫外光谱、核磁共 振谱和化学方法等，验证其结构式。 在实际的未知物鉴定问题中，光用一种结构分析 手段是很难确定未知结构的，必须用多种技术综合考 虑，下面举一个简单的例子来说明质谱在农药未知物 鉴定中的应用。 在作某未知农药分析时，得到如下一张质谱图， 试确定该农药的结构。 解析过程如下： 1.从上图可以看出该未知农药有很强的分子离子峰(m/z 282)，可能为芳香族化合物。 2