基本原理与质谱仪

1、第九章第九章质谱法质谱法一、质谱分析原理一、质谱分析原理二、仪器与结构二、仪器与结构三、联用仪器三、联用仪器 第一节第一节 基本原理与质谱仪基本原理与质谱仪第一节 质谱分析原理质谱分析原理 物质-离子束-电场加速-飞入磁场-飞行轨道发生弯曲。 离子受到两种作用力： 磁场施加的向心力向心力BzU 离子的离心力离心力m2r-1，当两力平衡时，离子才能飞出弯曲区。BzUrmv/2即：偏转半径和质荷比有关即：偏转半径和质荷比有关 质谱仪是利用电磁学原理电磁学原理，使带电带电的样品离子样品离子按质荷比质荷比进行分离的装置。 动能： QU= z e U = 1/2 m 2其中z为电荷数，e为原电荷（e=1

2、.6010-19C），U为加速电压，m为离子的质量， 为离子被加速后的运动速度。 具有速度具有速度 的带电粒子进入质谱分析器的电磁场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进行分离进行分离。二、仪器与结构二、仪器与结构联用仪器（联用仪器（ THE GC/MS PROCESS ）SampleSample 58901.0 DEG/MINHEWLETTPACKARDHEWLETT PACKARD5972AMass Selective DetectorDCBA ABCDGas Chromatograph (GC)Ma

3、ss Spectrometer (MS)SeparationIdentificationBACD进样系统离子源质量分析器检测器1.气体扩散2.直接进样3.气相色谱1.电子轰击2.化学电离3.场致电离4.激光 1.单聚焦 2.双聚焦 3.飞行时间 4.四极杆 质谱仪器质谱仪器 质谱仪的离子产生及经过系统必须处于高真空状态。高真空状态。 若真空度过低，则会造成离子源灯丝损坏、本底增高、副反应过多，从而使图谱复杂化等问题。 1、真空系统、真空系统2、进样系统、进样系统 进样系统进样系统目的是高效重复地将样品引入到电离电离室室中并且不能造成真空度的降低。 常用的进样装置有三种类型：间歇式进样系统间歇式

4、进样系统、直接探针进样直接探针进样、色谱进样系统色谱进样系统（GC-MSGC-MS、HPLC-MSHPLC-MS）和高频电感藕合等离子体进样系统和高频电感藕合等离子体进样系统（ICP-MSICP-MS）等。 功能功能:将进样系统引入的气态样品分子转化成离子。 根据能量的差异分为：硬电离方法硬电离方法：较大能量软电离方法软电离方法：较小能量 后一种方法适用于易破裂或易电离的样品。3.离子源离子源电离室原理与结构电离室原理与结构 热灯丝流向阳极的电子流，将气态样品的原子或分子电离成正、负离子（但一般正、负离子（但一般分析正离子分析正离子) )， 然后进入真空度高达10-5Pa的质量分析器中。质量分

5、析器中。电子轰击电子轰击化学电离化学电离火花电离火花电离场致电离场致电离电喷雾电喷雾激光解析电离激光解析电离电离源（1）电子轰击源）电子轰击源 （EI） 电子轰击法是通用的电离法电离法，是使用高能电子束高能电子束从试样分子中撞出一个电子而产生正离子，即 M + e M+ + 2e 式中M为待测分子，M+为分子离子或母体离子。 分子离子：分子失去电子成为正离子。 在离子源内，用电加热锑或钨的灯丝到2000，产生高速电子束，其能量为1070 eV。当气态试样进入电离室时，高速电子与分子发生碰撞，若电子的能量大于试样分子的电离电位，将导致试样分子的电离： Me(高速高速) M + 2e （低速低速)

6、 当电子轰击源具有足够的能量时，有机分子不仅可能失去一个电子形成分子离子，而且有可能进一步发生键的进一步发生键的断裂断裂。（2）化学电离源）化学电离源 （CI） 在质谱中可以获得样品的重要信息之一是其相对相对分子质量分子质量。但经电子轰击产生的分子离子峰（M+），往往不存在或其强度很低往往不存在或其强度很低。必须采用比较温和的电离方法，其中之一就是化学电离法。 化学电离法是通过 离子离子 - 分子反应分子反应 来进行，而不是用强电子束进行电离。 在离子源内充满一定压强的反应气体，如甲烷、氨气等。 （1）用高能量的电子轰击反应气体使之发生电离； （2）电离后的反应分子再与试样分子发生碰撞，形成准

7、分子离子峰QM+和少量碎片离子。 以CH4为例 CH4+e CH4+2e CH4+ CH3+H CH4+和CH3+很快与大量存在的CH4分子起反应，即： CH4+ CH4 CH5+ CH3 CH3+ CH4 C2H5+H2 CH5+和试样分子（M）发生下列反应： CH5+ M MH+ +CH4 产生（产生（M+1）峰）峰 CH5+ M （M-H）+ +CH4 +H2 产生（产生（M-1）峰）峰特点：1、由（由（M+H）或（或（M-H）离子很容易测得其相对分子质量离子很容易测得其相对分子质量。2、分子离子峰最强，便于推导相对分子质量，碎片峰较少，谱图简单，易于解释。（3）电喷雾电离源（）电喷雾电

8、离源（ESI） 主要应用于LC-MS。它是LC和MS之间的接口装置，又是电离源。主要部件是两层套管组成的电喷雾喷嘴。内层是LC流出物，外层是雾化气（常用氮气）。喷嘴上加电压（正，负都可以）。通过调节极性可以得到正或负离子质谱。 这是软电离质谱。（4）场离子源场离子源 用强电场强电场可以诱发样品电离。 场电离源由电压梯度电压梯度约为107-108Vcm-1的两个尖细电极组成。依靠电场把电子拉出来，使之发生电离。 场离子化是一种温和的技术场离子化是一种温和的技术，产生的碎片很少产生的碎片很少。碎片通常是由热分解或电极附近的分子-离子碰撞反应产生的主要为分子离子和（分子离子和（M+1M+1）离子离子

9、，结构分析中，往往最好同时获得场离子化源或化学离解源场离子化源或化学离解源产生的质谱图和用电子轰击源电子轰击源的质谱图，而获得相对分子质量及分子结构的信息。4 4、质量分析器、质量分析器 根据离子质荷比的不同质荷比的不同，其偏转角度也不同，质荷比大的偏转角度小，质荷比小的偏转角度大，从而使质量数不同的离子在此得到分离。在磁场存在下，带电离子按曲线轨迹飞行；在磁场存在下，带电离子按曲线轨迹飞行；在磁场中受磁场在磁场中受磁场力力= =离心力；离心力；离子在磁场中的轨道半径离子在磁场中的轨道半径r取决于：取决于： m/z 、 B、 U改变加速电压改变加速电压U, 可以使不同可以使不同m/e 的离子进

10、入检测器。的离子进入检测器。质谱分辨率质谱分辨率 = M / M （分辨率与选定分子质量有关分辨率与选定分子质量有关）加速后离子的动能加速后离子的动能 :质量分析器原理质量分析器原理zUmv221z电荷数,V加速电压UrBzmrmvzUBmm2222 若改变粒子的速度或磁场强改变粒子的速度或磁场强度度，就可将不同质量数的粒子依次聚焦在出射狭缝上。通过出射狭缝的离子流，将落在一收集极上，这一离子流经放大后，即可进行记录，并得到质谱图。 质谱图上信号的强度，与达到收集极上的离子数目成正比。 磁分析器磁分析器飞行时间分析器飞行时间分析器四极滤质器四极滤质器离子肼捕获分析器离子肼捕获分析器离子回旋共振

11、分析器离子回旋共振分析器质量分析器质量分析器（1）磁分析器）磁分析器 最常用的分析器类型之一就是扇形磁分析器。 离子束经加速后飞入磁极间的弯曲区，由于磁场作用，飞行轨道发生弯曲（如右图所示），此时离子受到磁场施加的向心力向心力Bze作用，并且离子的离离心力心力m2r-1也同时存在，当两力平衡时，离子才能飞出弯曲区，即： Bz = m 2/r 仅用一个扇形磁场进行质量分析的质谱仪称为单聚焦质谱仪（聚焦质量），设计良好的单聚焦质谱仪分辨率可达5000。 若要求分辨率大于5000，则需要双聚焦质谱仪（聚焦能量）。一般商品化双聚焦质谱仪的分辨率可达150,000；质量测定准确度可达0.03g ；即对于

12、相对分子质量为600的化合物可测至误差 士0.002u。R=600/0. 004=150000（2）飞行时间分析器）飞行时间分析器 这种分析器的离子分离是 非磁方式非磁方式达到的，在飞出离在飞出离子源后进入一长约子源后进入一长约1m的无场漂移管的无场漂移管，在离子加速后的速度为： 此离子达到无场漂移管另一端的时间为： t = L/ 故对于具有不同m/z的离子，到达终点的时间差： mzUvzUmv222 由此可见， t 取决于 m/z 的平方根之差。1.质量分析器不需要电场和磁场，只需要直线漂移空间，因此仪器构造简单。2.不存在聚焦狭缝，因此灵敏度高。3.测定的质量范围取决于飞行时间。 （3）四

13、极滤质器）四极滤质器 通过在四极上加上直流电压U和射频电压Vcost，在极间形成一个射频场，离子进入此射频场后，会受到电场力作用，只有合只有合适适m/z的离子才会通过稳定的振的离子才会通过稳定的振荡进人检测器荡进人检测器。只要改变U和V并保持U/V比值恒定时，可以实现不同m/z的检测。 四极滤质器四极滤质器 (4)(4)离子阱检测器离子阱检测器 由一对环形电极再加上下各一的端罩电极（接地）构成。 离子阱是一种通过电场或磁场通过电场或磁场将气相离子控制并贮存一段时间的装置。在环电极上施以变化的射频电压，此时处于阱中具有合适的m/z 的离子将在阱中指定的轨道上稳定旋转，不稳态的离子将偏出轨道并与环

14、电极发生碰撞而离开环电极腔，从而被检测器检测。这种离子阱结构简单、成本低易于操作，已用于LC-MS联用装置用于m/z 200 2000的分子分析。5. 检测与记录检测与记录 质谱仪常用的检测器有法拉第杯（杯和质谱仪其他部分保持一定电位差以便捕获离子产生电流放大）、电子倍增器及闪烁计数器、照相底片等。 现代质谱仪一般都采用较高性能的计算机对产生的信号进行快速接收与处理，同时通过计算机可以对仪器条件等进行严格的监控，从而使精密度和灵敏度都有一定程度的提高。 一、分子离子峰一、分子离子峰二、同位素离子峰二、同位素离子峰三、三、碎片离子峰碎片离子峰第二节第二节 离子峰的主要类型离子峰的主要类型一、分子

15、离子峰一、分子离子峰 分子电离一个电子形成的离子所产生的峰。分子电离一个电子形成的离子所产生的峰。分子离子的质量与化合物的分子量相等。分子离子的质量与化合物的分子量相等。 有机化合物分子离子有机化合物分子离子峰的稳定性顺序：峰的稳定性顺序：芳香化合物共轭链烯芳香化合物共轭链烯烯烃脂环化合物直链烯烃脂环化合物直链烷烃酮胺酯醚烷烃酮胺酯醚酸支链烷烃醇酸支链烷烃醇M=130质谱图上质荷比最大的峰质谱图上质荷比最大的峰一定一定为分子离子峰吗？为分子离子峰吗？分子离子峰的特点分子离子峰的特点： 一般质谱图上一般质谱图上质荷比最大的峰为质荷比最大的峰为分子离子峰；有例分子离子峰；有例外。外。 形成分子离子

16、形成分子离子需要的能量最低，需要的能量最低，一般约电子伏一般约电子伏特。特。如何确定分子离子峰？如何确定分子离子峰？律律u由，组成的有机化合物，由，组成的有机化合物，一定是偶数。一定是偶数。u由，组成的有机化合物，由，组成的有机化合物，奇数，奇数，奇数。奇数。u由，组成的有机化合物，由，组成的有机化合物，偶数，偶数，偶数。偶数。 分子离子峰与相邻峰的质量差必须合理。分子离子峰与相邻峰的质量差必须合理。13C+1H4=17 M+14=17 M+112C+2H+1H3=17 M+13=17 M+113C+2H+1H3=18 M+23=18 M+2同位素峰同位素峰分子离子峰分子离子峰二、同位素离子峰

17、（二、同位素离子峰（M+1峰）峰）由于同位素的存在，可以看到比分子离子峰大一个质量单由于同位素的存在，可以看到比分子离子峰大一个质量单位的峰；有时还可以观察到位的峰；有时还可以观察到M+2，M+3。；。；1615m/z RA13.1121.0133.9149.2158516100171.1m/z例如：例如：CH4 M=1612C+1H4=164=16 M三三、碎片离子峰碎片离子峰 一般有机化合物的电离能为一般有机化合物的电离能为713电子伏特，质谱中常用电子伏特，质谱中常用的电离电压为的电离电压为70电子伏特，使结构裂解，产生各种电子伏特，使结构裂解，产生各种“碎片碎片”离离子。子。H3CCH

18、2CH2CH2CH2CH315712957434357297115H3CCH2CH2CH2CH2CH3H3CCH2CH2CH2CH2CH3H3CCH2CH2CH2CH2CH3H3CCH2CH2CH2CH2CH3CH3CH2CH2CH2CH2CH31529435771正己烷正己烷碎片离子峰碎片离子峰m/z15294357859911314271正癸烷正癸烷M=1422914141414141414四四、亚稳离子峰亚稳离子峰 若质量为m1的离子在离开离子源受电场加速后，在进入质量分析器之前，由于碰撞碰撞等原因很容易进一步分裂进一步分裂失去中性碎片而形成质量m2的离子，即 m1(母离子母离子) m2

19、 (子离子子离子) + m 由于一部分能量被中性碎片带走，此时的m2离子比在离子源中形成的m2离子能量小故将在磁场中产生更大的偏转产生更大的偏转，观察到的m/z 较小。这种峰称为亚稳离子峰亚稳离子峰，用m*表示。它的表观质量m*与m1、m2的关系是： m* = （ m2 ）2 / m1式中m1为母离子的质量， m2为子离子的质量。 亚稳离子峰由于其具有离子峰宽大（约亚稳离子峰由于其具有离子峰宽大（约25个质量单位个质量单位）、相对强度低、）、相对强度低、m/z不为整数等特点，很容易从质谱图中不为整数等特点，很容易从质谱图中观察观察。 通过亚稳离子峰可以获得有关裂解信息，通过对m*峰观察和测量，

20、可找到相关母离子的质量与子离子的质量m2从而确定裂解途径裂解途径。五、重排离子峰五、重排离子峰 在两个或两个以上键的断裂过程中，某些原子或基团从一个位置转移到另一个位置一个位置转移到另一个位置所生成的离子，称为重排重排离子离子。质谱图上相应的峰为重排离子峰重排离子峰。转移的基团常常是氢原子重排的类型很多，其中最常见的一种是麦氏重排麦氏重排。这种重排形式可以归纳如下： 这类重排所需的结构特征是分子中有一个双键以及在位置上有氢原子。一、一、 有机分子的裂解有机分子的裂解二、二、断裂断裂三、三、断裂断裂四、四、重排断裂重排断裂第三节第三节 有机分子裂解类型有机分子裂解类型 断裂方式断裂方式 均裂均裂

21、：一个键的两个电子裂开，每个碎片上各保留一个电子。 X Y X +Y 异裂异裂 ：一个键的两个电子裂开后，两个电子都归属于其中某一个碎片。 X Y X+Y 半异裂半异裂 ：离子化键的开裂 X Y X + +Y 当有机化合物蒸气分子进入离子源受到电子轰击时，按当有机化合物蒸气分子进入离子源受到电子轰击时，按下列方式形成各种类型离子（分子碎片）：下列方式形成各种类型离子（分子碎片）：ABCD + e - ABCD+ + 2e - 分子离子分子离子 BCD + A + B + A + CD + AB + A + B + ABCD+ D + C + AB + CD + C + D +碎片离子一、一、

22、有机分子裂解有机分子裂解二、二、断裂断裂ABBA+H3CCH2CH2CH2CH2CH315712957434357297115H3CCH2CH2CH2CH2CH3H3CCH2CH2CH2CH2CH3H3CCH2CH2CH2CH2CH3H3CCH2CH2CH2CH2CH3CH3CH2CH2CH2CH2CH31529435771正己烷正己烷在质谱图上，饱和烷烃的离子峰的实验式是 CnH+ 2n+1(即m/z 29、43、57等）三、三、断裂断裂BAZAZ+BRCH2OHRCH2OH +RCH2ORRCH2OR+RCH2NR2RCH2NR2+RCH2SRRCH2SR+H3CCH2CH2CHCH3OH

23、CHCH3OHH3C CH2CH2m /z=45(M -43)H3C CH2CH2CCH3OHHm/z=87(M-1)H3C CH2CH2CHOHCH3m/z=73(M-15)m/z203040506080907045(M-43)55M-(H2O+CH3)73(M-CH3)88(M )M-170(M-H2O)20 30 4050 6070 80 90 1004357m/z100(M )712972H2CCCH2OCH2H3CCH3H2CCOH3CCH2CH2CH3-m/z=57(75%)CCH2OCH2CH3H2CH3C-m/z=71(48%)H2C CCH2OCH2H3CCH320 30 4

24、0506070 80 90 1002945m /z11027735987102(M )OCH2CH3HCH2CCH3H3CCH3OCH2CH3HCCH3CH2CH3OCH2HCH2CCH3H3Cm /z=73m /z=87204050 6070 80 90 1004357m /z1007129120 130110128(M )30858658COCH2H2CCH2CH2CH3H2CH3C57854371CHCHCHCZHR1R2R3R4CHCHR3R4HCCZHR1R2麦氏重排（麦氏重排（MclaffertyMclafferty rearrangement) rearrangement)麦氏重

25、排条件：麦氏重排条件：含有含有C=O， C=N，C=S及碳碳双键及碳碳双键与双键相连的链上有与双键相连的链上有 碳，并在碳，并在 碳有碳有H原子（原子（ 氢）氢）六圆环过度，六圆环过度，H 转移到杂原子上，同时转移到杂原子上，同时 键发生断裂，键发生断裂，生成一个中性分子和一个自由基阳离子生成一个中性分子和一个自由基阳离子四、重排断裂四、重排断裂一、一、饱合烃的质谱图饱合烃的质谱图二、二、芳烃的质谱图芳烃的质谱图三、三、醇和酚的质谱图醇和酚的质谱图四、四、 醚的质谱图醚的质谱图五、五、 醛、酮的质谱图醛、酮的质谱图六、六、 其他化合物的质谱图其他化合物的质谱图第四节第四节 质谱图与结构解析质谱

26、图与结构解析(1)直链烷烃直链烷烃1615m/zmethaneM=16一、饱合烃的质谱图一、饱合烃的质谱图1008090100605030204070020406080100120140160180200% OF BASE PEAK1030507090110130150170190210220230C2C3C4 C5C6C7m/z=29m/z=43m/z=57m/z=71m/z=8599113 127141 155169183 197C8C9C10C11C12C13C14C16CH3(CH2)14CH3Mm/z=226n-HexadecaneMW 226m/z15294357859911314

27、271正癸烷正癸烷v分子离子：分子离子：C1(100%)， C10(6%)， C16(小小)， C45(0)v有有m/z ：29，43，57，71，CnH2n+1 系列峰系列峰(断裂断裂)v有有m/z ：27，41，55，69，CnH2n-1 系列峰系列峰 C2H5+（ m/z =29） C2H3+（ m/z =27）+H2(2)支链烷烃支链烷烃20406080100120140160180200103050709011013015017019021022023010080901006050302040700% OF BASE PEAKC3m/z=43C4m/z=57C5m/z=71C8m/z

28、=85C6m/z=99C7113C9C10C12C16M 15M5-MethylpentadecaneCH3(CH2)3CH(CH2)9CH3CH385 16914157(3)环烷烃环烷烃M=84Cyclohexane84(M )56(C4H8+)41(C3H5+)1008090100605030204070% OF BASE PEAK02040608010010305070901100M=9898(M )1008090100605030204070% OF BASE PEAK02040608010010305070901108369554129MethylCyclohexaneCH3m/z=

29、98m/z=83134(M )1008090100605030204070% OF BASE PEAK02040608010010305070901109177925139120 130 14065CH2CH2CH2CH3二、芳烃的质谱图二、芳烃的质谱图CH2CH2CH2CH3CH2m/z=91m/z=91m/z=65m/z=39m/z=134HCCHHCCHCH2CH2CH3H2CCH2CHHCH3CH2HHm/z=92CH2HCCH3CH2CH2CH2CH3m/z=77m/z=134m/z=51HCCHC4H9R2CR1R3OH- R3R2CR1OHm /z: 31,59,73,RHCHC

30、H2OHRHCCH2OHH-H2ORHCCH2RHCCH2(C H2)n(C H2)n(C H2)n(C H2)no r三、醇和酚的质谱图三、醇和酚的质谱图RHCHCH2CH2CH2O+HH2C CH2-H2OM - (Alkene + H2O) M-46H2C CH R-RHCHHCCH2CH2O+HCH3H2CHC-H2O-CH3H2C CH R M-60HCCH2H2CCHHH2CRH2CCH2-CH2CHH2CRM-761008090100605030204070% OF BASE PEAKCH2OHM - (H2O and CH2 CH2)M - (H2O and CH3)M - H

31、2OM - 11-PenTanol MW88CH3(CH2)3 CH2OH314060801001201401030507090110130150020100809010060503020407020406080100120140% OF BASE PEAK1030507090110130150M - (H2O and CH3)M - H2OM - CH3M - 1M2 -PenTanol MW88OHCH3(CH2)2CH3HC4545M - (H2O andCH2 CH2)0100809010060503020407020406080100120140% OF BASE PEAK10305

32、07090110130150M - (H2O andCH2 CH2)M - (H2O and CH3)M - CH3M - H2OOHCH3CH2CH3C59CH32-Methyl-2-butanol MW88059CH2OHHOH-m/z=108m/z=107-COHH-H2HHHHHm/z=79m/z=77H2CCH2HOHCH2CH2H2O-H2COHOHCH2OH2O-OHm/z=94OHHHH- COH - CHOm/z=66m/z=65CH2CH3OHCH2OH-CH3m /z 107 (100% )CHCH3OHm /z 121 (3.5% )- H100809010060503

33、0204070020406080100120140% OF BASE PEAK1030507090110130150o-Ethylphenol122(M)M-CH3MM-H2OC6H51008090100605030204070020406080100120140% OF BASE PEAK1030507090110130150CH3CH257M-CH3CH2M-CH3MEthyl sec-butyl etherMW 10273298757H3CCHOHCH3CH2HCCH3OCH2CH345297387102四、四、 醚的质谱图醚的质谱图020406080100120140160180200

34、507090110130150170190210220 23010080901006050302040700% OF BASE PEAKC6H5ClCM M+1M+2M+3M+4p-Chlorobenzophenone216(M) 100.0217(M+1) 19.28218(M+2) 33.99219(M+3) 6.21220(M+4) 0.98OC OCl1030ClCO五、五、 醛、酮的质谱图醛、酮的质谱图55M0204060801001030507090422769108090100605030204070% OF BASE PEAK098O1008090100605030204070% OF BASE PEAK57M-CH2CH2M-H2OMMW 1424060801001201401030507090110130150020M-1M-44M-43CH3(CH2)7CHO44OCh3(CH2)4CO (small) 99CH3(CH2)4 71CH3(CH)3 57CH3(CH2)2 43CH3CH2 29CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 C OH45 CO2H59(small) CH2CO2H73 (CH2)2CO2H87 (CH2)3CO2H1008090