波谱分析第六章

1、 第六章第六章 质谱法质谱法(Mass Spectrometry, MS)6.1 仪器及原理仪器及原理6.2 质谱裂解表示法质谱裂解表示法6.3 裂解方式及机理裂解方式及机理6.4 质谱中离子的类型质谱中离子的类型6.5 各类化合物的质谱图各类化合物的质谱图6.6 质谱的解析质谱的解析 概述概述一、方法概述一、方法概述 以某种方式使有机化合物的分子以某种方式使有机化合物的分子电离电离、碎裂碎裂，然，然后按照离子的后按照离子的质荷比质荷比（m/z）大小把生成的各种离子）大小把生成的各种离子分离分离，检测它们的，检测它们的强度强度，并将其排列成谱，这种研究，并将其排列成谱，这种研究物质的方法称作质

2、谱法。物质的方法称作质谱法。撞击 得到高速电子流 气态分子 阳离子 顺序谱图 质量分析器定性结构 定量分析导入导入按质荷比按质荷比m/e峰强度峰强度峰位置峰位置Example:CH3-CH2-CH3 + e- CH3-CH2-CH3+ + 2e- 441 amu44 zmCH3-CH2-CH3 + e- CH3-CH2-CH3+ + 3e- 222 amu44 zm1、1913年：年：Thomson使用使用MS发现了发现了Ne是由是由22Ne和和24Ne两种同位素组成两种同位素组成,随后同位素分析开始发展。随后同位素分析开始发展。2、20世纪世纪30年代末至年代末至40年代：由于石油工业的发展

3、，年代：由于石油工业的发展，需要测定油的成份。通常用蒸馏的方法先分离这些烃需要测定油的成份。通常用蒸馏的方法先分离这些烃类混合物，然后再利用分别测定其折光率的方法来分类混合物，然后再利用分别测定其折光率的方法来分析它们。这通常要花数天时间。将析它们。这通常要花数天时间。将MS用于石油工业用于石油工业中烃的分析，可以大大缩短分析时间。中烃的分析，可以大大缩短分析时间。二、发展历史二、发展历史3、50年代初：质谱仪器开始商品化，并广泛用于各类年代初：质谱仪器开始商品化，并广泛用于各类有机物的结构分析；同时质谱方法与有机物的结构分析；同时质谱方法与NMR、IR等方等方法结合成为分子结构分析的最有效的

4、手段。法结合成为分子结构分析的最有效的手段。4、60年代：出现了气相色谱年代：出现了气相色谱-质谱联用仪，使质谱仪的质谱联用仪，使质谱仪的应用应用 领域大大扩展，开始成为有机物分析的重要仪领域大大扩展，开始成为有机物分析的重要仪器；计算机的应用又使质谱分析法发生了飞跃变化器；计算机的应用又使质谱分析法发生了飞跃变化。5、90年代：由于生物分析的需要，一些新的离子化年代：由于生物分析的需要，一些新的离子化方法得到快速发展方法得到快速发展:快原子轰击离子源，基质辅助激快原子轰击离子源，基质辅助激光解吸电离源，电喷雾电离源等。光解吸电离源，电喷雾电离源等。 6、目前：出现了比较成熟的液相色谱目前：出

5、现了比较成熟的液相色谱-质谱联用仪，质谱联用仪，感应耦合等离子体质谱仪，傅立叶变换质谱仪等。质感应耦合等离子体质谱仪，傅立叶变换质谱仪等。质谱分析法已广泛地应用于化学、化工、材料、环境、谱分析法已广泛地应用于化学、化工、材料、环境、地质、能源、药物、刑侦、生命科学、运动医学等各地质、能源、药物、刑侦、生命科学、运动医学等各个领域。个领域。三、质谱分析法特点三、质谱分析法特点1 1、信息量大，、信息量大， 应用范围广，无机物、有机物；液体、应用范围广，无机物、有机物；液体、气体、固体气体、固体2 2、 分析速度快，灵敏度高；分析速度快，灵敏度高；3 3、 能同时提供有机样品的精确相对分子量、元素

6、组成能同时提供有机样品的精确相对分子量、元素组成，碳骨架及官能团结构信息；自动对照、检索，碳骨架及官能团结构信息；自动对照、检索4 4、 仪器结构复杂，价格昂贵，使用及维修比较困难；仪器结构复杂，价格昂贵，使用及维修比较困难；5 5、 样品被破坏，无法回收。样品被破坏，无法回收。质谱图：棒图质谱图：棒图纵坐标：离子的相对强度纵坐标：离子的相对强度 横坐标：质荷比横坐标：质荷比 m/z100 5080 100 120 m/z128(M+)2729414355577199113l 质谱不属波谱范围质谱不属波谱范围l 质谱图与电磁波的波长和分子内某种物理量的改质谱图与电磁波的波长和分子内某种物理量的

7、改变无关变无关l 质谱是分子离子及碎片离子的质量与其相对强度质谱是分子离子及碎片离子的质量与其相对强度的谱的谱, 谱图与分子结构有关谱图与分子结构有关 注意点注意点6.1 仪器及原理仪器及原理6.1.1 质谱仪质谱仪 质谱仪是通过对样品电离后产生的具有不同的质谱仪是通过对样品电离后产生的具有不同的 m/z 的离子来进行分离分析的。的离子来进行分离分析的。 质谱仪包括质谱仪包括进样进样系统、系统、电离电离系统、系统、质量分析质量分析系统系统 和和检测检测系统系统。 为了获得离子的良好分离和分析效果，避免离子为了获得离子的良好分离和分析效果，避免离子损失，凡有样品分子及离子存在和通过的地方，必损失

8、，凡有样品分子及离子存在和通过的地方，必须处于须处于真空真空状态。状态。多接收器电感耦合等离子体质谱多接收器电感耦合等离子体质谱Nu plasma基质辅助激光解吸附飞行时间质谱（基质辅助激光解吸附飞行时间质谱（MALDI-TOF-MS）四极杆四极杆-飞行时间串联质谱（飞行时间串联质谱（Bio-TOF Q）离子阱电喷雾质谱（离子阱电喷雾质谱（Ion Trap Electro-Spray Mass Spectrometry）进样系统进样系统离子离子源源质量分析质量分析器器检测器检测器1.气体扩散气体扩散2.直接进样直接进样3.色谱进样色谱进样1.电子轰击电子轰击2.化学电离化学电离3.场电离场电离

9、4.激光激光 1.单聚焦单聚焦 2.双聚焦双聚焦 3.飞行时间飞行时间4.四极杆四极杆 显示显示真空系统真空系统二、质谱仪各部分的工作原理二、质谱仪各部分的工作原理1、真空系统、真空系统 质谱仪的离子产生及经过系统必须处于高真空状态（质谱仪的离子产生及经过系统必须处于高真空状态（离子源真空度应达离子源真空度应达1.310-41.310-5Pa，质量分析器，质量分析器中应达中应达1.310-6Pa）。其作用是减少离子碰撞损失。）。其作用是减少离子碰撞损失。真空度过低，将会引起：真空度过低，将会引起： a）大量氧会烧坏离子源灯丝；）大量氧会烧坏离子源灯丝； b）引起其它分子离子反应，使质谱图复杂化

10、；）引起其它分子离子反应，使质谱图复杂化； c）用作加速离子的几千伏高压会引起放电。）用作加速离子的几千伏高压会引起放电。 2、进样系统、进样系统 进样系统的作用是高效重复地将样品引入到离子进样系统的作用是高效重复地将样品引入到离子源中，并且不能造成真空度的降低。源中，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、直接常用的进样装置有三种类型：间歇式进样、直接探针进样、色谱进样系统（探针进样、色谱进样系统（GC-MS、HPLC-MS）和）和高频感藕等离子体进样系统（高频感藕等离子体进样系统（ICP-MS）等。）等。a) 间歇式进样：适于气体、沸点低且易挥发的液体、间歇式进样

11、：适于气体、沸点低且易挥发的液体、中等蒸汽压固体。如图所示。注入样品中等蒸汽压固体。如图所示。注入样品(10-100 g)贮样器贮样器(0.5L-3L)抽真空抽真空(10-2 Torr)并加热并加热样品蒸汽样品蒸汽分子分子(压力陡度压力陡度)漏隙漏隙高真空离子源。高真空离子源。优点：优点： 引入样品量小引入样品量小(g)，样品蒸汽压可以很样品蒸汽压可以很低；低；b） 直接探针进样：高沸点液体及固体直接探针进样：高沸点液体及固体 探针杆通常是一根规格为探针杆通常是一根规格为25cm 6mm，末端有一末端有一装样品的黄金杯装样品的黄金杯(坩埚坩埚)，将探针杆通过真空闭锁系统，将探针杆通过真空闭锁系

12、统引入样品，如图所示。引入样品，如图所示。c) 色谱进样：色谱进样： 利用气相和液相色谱的分离能力，与质谱仪联用，进利用气相和液相色谱的分离能力，与质谱仪联用，进行多组份复杂混合物分析。行多组份复杂混合物分析。外部能量外部能量AB+, ABC+, CD+, A+, B+, C+, D+ABCD+ABCD碎片离子碎片离子分子离子分子离子分子结构分子结构 离子离子电离室原理与结构电离室原理与结构分类（按样品离子化方式分类（按样品离子化方式)：气相源：先蒸发再激发，适于沸点低于气相源：先蒸发再激发，适于沸点低于500oC、对热稳、对热稳定的样品的离子化，包括电子轰击源、化学电离源、场定的样品的离子化

13、，包括电子轰击源、化学电离源、场电离源、火花源；电离源、火花源；解吸源：固态或液态样品不需要挥发而直接被转化为气解吸源：固态或液态样品不需要挥发而直接被转化为气相，适用于分子量高达相，适用于分子量高达105的非挥发性或热不稳定性样的非挥发性或热不稳定性样品的离子化。包括场解吸源、快原子轰击源、激光解吸品的离子化。包括场解吸源、快原子轰击源、激光解吸源、离子喷雾源和热喷雾离子源等。源、离子喷雾源和热喷雾离子源等。分类（按电离源能量高低）：分类（按电离源能量高低）：硬源：离子化能量高，伴有化学键的断裂，谱图复杂硬源：离子化能量高，伴有化学键的断裂，谱图复杂，可得到分子官能团的信息；，可得到分子官能

14、团的信息；软源：离子化能量低，产生的碎片少，谱图简单，可软源：离子化能量低，产生的碎片少，谱图简单，可得到分子量信息。因此，可据分子电离所需能量不同得到分子量信息。因此，可据分子电离所需能量不同可选择不同电离源。可选择不同电离源。1）电子轰击源）电子轰击源(electron impact source, EI) 电子轰击法是通用的电离法，是使用高能电子束从试电子轰击法是通用的电离法，是使用高能电子束从试样分子中撞出一个电子而产生正离子，即样分子中撞出一个电子而产生正离子，即ee2MM式中式中M为待测分子，为待测分子，M+为分子离子或母体离子。为分子离子或母体离子。 当电子轰击源具有足够的能量时

15、当电子轰击源具有足够的能量时(一般为一般为70eV)，有，有机物的分子不仅可能失去一个电子形成分子离子，而机物的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断裂，形成大量的各种低质且有可能进一步发生键的断裂，形成大量的各种低质量数的碎片正离子和中性自由基，这些碎片离子可用量数的碎片正离子和中性自由基，这些碎片离子可用于有机化合物的结构鉴定。于有机化合物的结构鉴定。优点：优点：1）结构简单，稳定，电离效率高，易于实现；）结构简单，稳定，电离效率高，易于实现；2）质谱图再现性好，便于计算机检索及比较；）质谱图再现性好，便于计算机检索及比较；3）离子碎片多，可提供较多的分子结构信息

16、。）离子碎片多，可提供较多的分子结构信息。缺点：缺点：当样品分子稳定性不高时，分子离子峰的强度低，甚当样品分子稳定性不高时，分子离子峰的强度低，甚至不存在分子离子峰。至不存在分子离子峰。 化学电离法是通过离子化学电离法是通过离子-分子反应来进行，而不分子反应来进行，而不是用强电子束进行电离。离子与试样分子按一定方式是用强电子束进行电离。离子与试样分子按一定方式进行反应，转移一个质子给试样或由试样移去一个电进行反应，转移一个质子给试样或由试样移去一个电子，试样则变成带子，试样则变成带+1电荷的离子。电荷的离子。2）化学电离源）化学电离源(chemical ionization, CI) 在质谱中

17、可以获得样品的重要信息之一是其相对在质谱中可以获得样品的重要信息之一是其相对分子质量。但某些物质的分子经电子轰击产生的分子质量。但某些物质的分子经电子轰击产生的M+峰，往往不存在或其强度很低。必须采用比较温和的峰，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。电离方法，其中之一就是化学电离法。化学电离源一般在化学电离源一般在1.3 1021.3 103Pa （现已发展为大（现已发展为大气压下化学电离技术）压强下工作，其中充满甲烷气压下化学电离技术）压强下工作，其中充满甲烷CH4，首先用高能电子，使，首先用高能电子，使CH4电离产生电离产生CH5+和和C2H5+，即

18、：，即： CH4 + e CH4+ + 2e CH4+ CH3+ + H CH4+和和CH3+很快与大量存在的很快与大量存在的CH4分子起反应，即：分子起反应，即： CH4+ + CH4 CH5+ + CH3 CH3+ + CH4 C2H5+ + H2 CH5+和和C2H5+不与中性甲烷进一步反应，一旦小量样品不与中性甲烷进一步反应，一旦小量样品（试样与甲烷之比为（试样与甲烷之比为1 1000）导入离子源，试样分子）导入离子源，试样分子（RH） 发生下列反应：发生下列反应： CH5+ + RH RH2+ + CH4 C2H5+ RH R+ + C2H6 RH2+ 和和R+ 可能再碎裂，产生质谱

19、。可能再碎裂，产生质谱。由由(M+1)或或(M-1)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。优点：优点：1）准分子离子峰强度高，便于推算分子量；）准分子离子峰强度高，便于推算分子量；2）用于色质联用仪器上，载气不必除去，可作为反）用于色质联用仪器上，载气不必除去，可作为反应气体；应气体；3）反映异构体的差别较）反映异构体的差别较EI谱要好些。谱要好些。缺点：缺点：碎片离子峰少，强度低。碎片离子峰少，强度低。化学电离源化学电离源电子轰击源电子轰击源麻黄碱麻黄碱化学电离与电子轰击源质谱图比较化学电离与电子轰击源质谱图比较分子离子峰分子离子峰3） 场电离场电离 (Field io

20、nization, FI)和场解析和场解析(Field desorption, FD) 应用应用强电场强电场(电压梯度电压梯度107-108V/cm)诱导样品电离诱导样品电离过程：强电场过程：强电场分子电子的分子电子的量子隧道效应量子隧道效应* * 分子分子热分解或碰撞热分解或碰撞带正电荷的碎片离子带正电荷的碎片离子阳极排斥出阳极排斥出并加速进入磁场。并加速进入磁场。 r1m1mm 量子隧道效应量子隧道效应(Quantum mechanical tunneling): 分子分子中的中的电子电子被被微针微针“萃出萃出”，分子本身很少发生振动或，分子本身很少发生振动或转动，因而分子不过多碎裂。转动

21、，因而分子不过多碎裂。 电极要求电极要求：电极尖锐，使用微碳针：电极尖锐，使用微碳针（1m，W丝上丝上的苯基腈裂解生成的苯基腈裂解生成) 构成多尖陈列电极可提高电离效构成多尖陈列电极可提高电离效率。率。 FI特点特点：分子离子峰很清楚，碎片峰较弱，：分子离子峰很清楚，碎片峰较弱，利于相利于相对分子质量对分子质量的测定，的测定，缺乏分子结构缺乏分子结构信息。信息。 类似于场电离源，它也有一个表面长满类似于场电离源，它也有一个表面长满“ 胡须胡须”(长长0.01mm)的阳极发射器的阳极发射器(Emitter)。 过程过程：样品溶液涂于发射器表面：样品溶液涂于发射器表面 -蒸发除溶剂蒸发除溶剂解解吸

22、样品分子吸样品分子强电场强电场分子电离分子电离奔向阴极奔向阴极引入磁场。引入磁场。 特点特点：特别适于：特别适于非挥发性且分子量高的离子峰和非挥发性且分子量高的离子峰和准分子离子峰准分子离子峰，谱图最为简单（，谱图最为简单（解吸解吸所需的能量远所需的能量远低于低于气化气化所需的能量，所以有机化合物所需的能量，所以有机化合物不会发生热不会发生热分解分解；很多键不用断裂仍可以得到分子离子峰）。；很多键不用断裂仍可以得到分子离子峰）。 场解析场解析(Field desorption, FD) EIFIFD4）二次离子质谱）二次离子质谱(secondary ion mass spectrometry,

23、 SIMS)和和 快原子轰击快原子轰击(Fast atom bombardment, FAB) 一定能量的离子打到固体表面会引起表面原子、分一定能量的离子打到固体表面会引起表面原子、分子或原子团的二次发射，即离子溅射。溅射的粒子子或原子团的二次发射，即离子溅射。溅射的粒子一般以中性为主，其中有一部分带有正、负电荷，一般以中性为主，其中有一部分带有正、负电荷，这就是二次离子。利用质量分析器接收分析二次离这就是二次离子。利用质量分析器接收分析二次离子就得到二次离子质谱。子就得到二次离子质谱。 样品表面被高能聚焦样品表面被高能聚焦的一次离子轰击时，的一次离子轰击时，一次离子注入被分析一次离子注入被分

24、析样品，把动能传递给样品，把动能传递给固体原子，通过层叠固体原子，通过层叠碰撞，引起中性粒子碰撞，引起中性粒子和带正负电荷的二次和带正负电荷的二次离子发生溅射，根据离子发生溅射，根据溅射的二次离子信号溅射的二次离子信号，对被轰击样品的表，对被轰击样品的表面和内部元素分布特面和内部元素分布特征进行分析。征进行分析。 快原子轰击过程：高速电子快原子轰击过程：高速电子惰性气体电离惰性气体电离电电场加速场加速高速原子离子束高速原子离子束撞击涂有样品的金属撞击涂有样品的金属板板能量转移给样品分子能量转移给样品分子电离电离引入磁场分引入磁场分离离 Xe或或Ar SIMS和和FAB特点特点：无需气化，整个过

25、程可在室温下：无需气化，整个过程可在室温下进行，有进行，有较强的分子离子峰较强的分子离子峰，适合于，适合于高极性，大相高极性，大相对分子质量，低蒸气压，热稳定性差对分子质量，低蒸气压，热稳定性差的试样，试样的试样，试样用量少用量少并并可回收。可回收。5) 基质辅助激光解吸电离离子源（基质辅助激光解吸电离离子源（MALDI） 用激光照射样品与基质形成的共结晶薄膜，基质用激光照射样品与基质形成的共结晶薄膜，基质从激光中吸收能量传递给生物分子，而电离过程中将从激光中吸收能量传递给生物分子，而电离过程中将质子转移到生物分子或从生物分子得到质子，而使生质子转移到生物分子或从生物分子得到质子，而使生物分子

26、电离的过程。因此它是一种软电离技术，适用物分子电离的过程。因此它是一种软电离技术，适用于混合物及于混合物及生物大分子生物大分子的测定。的测定。 飞行时间质量分析器（飞行时间质量分析器（TOF）, TOF的原理是离子在的原理是离子在电场作用下加速飞过飞行管道，根据到达检测器的飞电场作用下加速飞过飞行管道，根据到达检测器的飞行时间不同而被检测即测定离子的质荷比（行时间不同而被检测即测定离子的质荷比（M/Z）与）与离子的飞行时间成正比离子的飞行时间成正比 ，检测离子。，检测离子。 将样品分散在基质分子中并形成晶体。当用激光照射将样品分散在基质分子中并形成晶体。当用激光照射晶体时，基质从激光中吸收能量

27、，样品解吸附，基质晶体时，基质从激光中吸收能量，样品解吸附，基质-样品之间发生电荷转移使得样品分子电离，电离的样样品之间发生电荷转移使得样品分子电离，电离的样品在电场作用下飞过真空的飞行管，根据到达检测器品在电场作用下飞过真空的飞行管，根据到达检测器的飞行时间不同而被检测，即通过离子的质量电荷之的飞行时间不同而被检测，即通过离子的质量电荷之比（比（m/z）与离子的飞行时间成正比来分析离子，并测）与离子的飞行时间成正比来分析离子，并测得样品分子的分子量。例如，检测得样品分子的分子量。例如，检测DNA样品时，样品时，DNA离子按其质量大小先后通过检测器，离子按其质量大小先后通过检测器，DNA片段越

28、短，片段越短，越早到达检测器。越早到达检测器。 6） 火花源火花源 (Spark) 针对针对金属合金金属合金或或离子残渣样品离子残渣样品等等非挥发性无机物非挥发性无机物的的分析，类似于分析，类似于AES（原子发射光谱）中的激发光源。（原子发射光谱）中的激发光源。 过程过程： 30kV 脉冲电压脉冲电压 - 火花火花 - 样品局部高热样品局部高热 - 元元素素蒸发蒸发 - 原子或离子原子或离子 - 经加速进入磁场进行分离。经加速进入磁场进行分离。 特点特点：对于几乎所有元素的：对于几乎所有元素的灵敏度较高灵敏度较高，可达，可达10-9；可以对可以对极复杂样品极复杂样品进行元素分析，信息比较简单，

29、一进行元素分析，信息比较简单，一般般线性响应范围线性响应范围都比较都比较宽宽，标准核准比较容易。但由，标准核准比较容易。但由于仪器设备价格高昂，操作复杂，限制了使用范围。于仪器设备价格高昂，操作复杂，限制了使用范围。 7） 锎锎-252等离子体解析电离源（等离子体解析电离源（PDI） 252Cf原子衰变时裂解成两个几乎在同一直线上，原子衰变时裂解成两个几乎在同一直线上，方向相反的两个碎片离子，方向相反的两个碎片离子，142Ba18+和和106Tc22+，其中一，其中一个飞向飞行时间质谱仪的个飞向飞行时间质谱仪的“开始检测器开始检测器”，另一个飞，另一个飞向反方向，打在沉积在金属箔上的样品，样品

30、温度瞬向反方向，打在沉积在金属箔上的样品，样品温度瞬间升高，化合物来不及分解就从样品表面挥发电离，间升高，化合物来不及分解就从样品表面挥发电离，形成分子离子。分子离子沿着打在样品上的高能快速形成分子离子。分子离子沿着打在样品上的高能快速重离子的飞行方向继续飞行，最后打在重离子的飞行方向继续飞行，最后打在“停止停止”检测检测器上。两个检测器接收信号的时间差即为分子离子单器上。两个检测器接收信号的时间差即为分子离子单位飞行时间，可转换成分子离子的质量。用于分析相位飞行时间，可转换成分子离子的质量。用于分析相对分子质量高的多肽和蛋白质样品。对分子质量高的多肽和蛋白质样品。8) 热喷雾电离热喷雾电离(

31、thermal spray,TSP)和电喷雾电离和电喷雾电离 (Electro spray ionizatin, ESI)样品质量分析器+1挥发裂分21, 2准分子离子电喷雾电离电喷雾电离Electron spray Ionization，ESI 离子源类型原 理特 点电子轰击源 EI采用高能电子束冲击样品，产生电子和分子离子M+，M+继续受到电子轰击而引起化学键的断裂或分子重排，瞬间产生多种离子。相对质量较大，极性大，难气化，热稳定性差的化合物难给出完整的分子离子信息，使用最广泛，谱库最完整；电离效率高；结构简单，操作方便。化学电离源CI高能量的电子轰击反应气体使之电离，电离后的反应分子再与

32、试样分子碰撞发生分子离子反应形成准分子离子和少数碎片离子。可以推断出相对分子质量，碎片峰较少，谱图简单，不适用于难挥发，热不稳定或极性较大的有机物分析。场致电离源FI强电场量子隧道效应形成正离子分子热分解或碰撞正电荷的碎片离子阳极排斥出加速进入磁场。分子离子峰很清楚，碎片峰较弱，利于相对分子质量的测定，缺乏分子结构信息。场解吸源FD样品溶液涂于发射器表面 -蒸发除溶剂强电场分子电离奔向阴极引入磁场。 非挥发性且分子量高的离子峰和准分子离子峰，谱图最为简单。火花源Spark30kV 脉冲电压 - 火花 - 样品局部高热 - 元素受热蒸发 - 原子或离子 - 经加速进入磁场进行分离。所有元素的灵敏

33、度较高，极复杂样品，线性响应范围都比较宽，标准核准比较容易。仪器设备价格高昂，操作复杂，非挥发性无机物。快原子轰击 FAB高速电子惰性气体电离电场加速高速原子离子束撞击涂有样品的金属板能量转移给样品分子电离引入磁场分离。无需气化，较强的分子离子峰，高极性，大相对分子质量，低蒸气压，热稳定性差的试样，试样用量少并可回收。4. 质量分析器质量分析器加速后离子的动能加速后离子的动能 :(1/2)m 2= e V = (2V)/(m/e)1/2（1）磁分析器（单聚焦分析器）磁分析器（单聚焦分析器） 离子束经离子束经加速加速后飞入磁后飞入磁极间的弯曲区，由于磁极间的弯曲区，由于磁场作用，飞行轨道发生场作

34、用，飞行轨道发生弯曲，此时离子受到弯曲，此时离子受到磁磁场施加的向心力场施加的向心力Bz 作作用，并且离子的用，并且离子的离心力离心力m 2r-1也同时存在，当也同时存在，当两力平衡时，离子才能两力平衡时，离子才能飞出弯曲区，即：飞出弯曲区，即： Bz = m 2/r 其中其中B为磁感应强度，为磁感应强度，z为电荷，为电荷， 为运动速度，为运动速度，m为为质量，质量，r为曲率半径。调整后可得为曲率半径。调整后可得m/z =B2r2/2 V V：离子的加速电压：离子的加速电压a)固定固定B和和V ，改变，改变r，通过，通过移动检测器狭缝位置移动检测器狭缝位置来来收集不同收集不同r处的离子或以处的

35、离子或以感光板照相技术感光板照相技术记录的不同记录的不同m/z的离子的离子质谱仪（质谱仪（mass spectrograph）。）。b)现代质谱仪通常是现代质谱仪通常是保持保持r不变不变，通过扫描电场，通过扫描电场V或或磁场磁场B，使不同，使不同m/z离子离子依次通过固定狭缝依次通过固定狭缝来获得质来获得质谱图谱图质谱计（质谱计（Mass Spectrometer)。 单聚焦质量分析器单聚焦质量分析器:只是将只是将m/z相同相同而而入射方向不同入射方向不同的的离子聚焦到一点离子聚焦到一点(R2=2Vm/zH2; R=mv/zH)。 但对于但对于m/z相同而动能相同而动能(或速度或速度)不同的离

36、子不同的离子不能聚焦不能聚焦，故其分辨率较低，一般为故其分辨率较低，一般为5000。 123452）双聚焦质量分析器）双聚焦质量分析器 进入离子源的离子进入离子源的离子初始能量不为零且能量各不相同初始能量不为零且能量各不相同，在加速过程中所处位置不同，经加速后的离子能，在加速过程中所处位置不同，经加速后的离子能量也不相同，量也不相同，运动半径差异（运动半径差异（r=mv2/zE），），难以完难以完全聚集。全聚集。 解决办法：加一解决办法：加一静电场静电场Ee，实现，实现能量分散能量分散：对于动：对于动能不同的离子，通过调节电场能，使离子进入磁场能不同的离子，通过调节电场能，使离子进入磁场时有相

37、同的能量，从而达到聚焦的目的。时有相同的能量，从而达到聚焦的目的。 特点：一般商品化双聚焦质谱仪的分辨率可达特点：一般商品化双聚焦质谱仪的分辨率可达150000，质量测定准确度可达，质量测定准确度可达0.03gg-1，即对于相，即对于相对分子质量为对分子质量为600的化合物可测至误差上的化合物可测至误差上0.0002u。箭头长短一样箭头长短一样代表能量一样代表能量一样3）四极质谱分析器）四极质谱分析器(Quadrupole mass filter)过程：在两个相对应的极杆之间加上电压过程：在两个相对应的极杆之间加上电压(V+Ucos t)，在另两个相对应的极杆上加电压，在另两个相对应的极杆上加

38、电压-(V+Ucos t)。其中。其中V 和和U分别为直流电压、交流电压，与前述双聚焦仪分别为直流电压、交流电压，与前述双聚焦仪的静电分析器类似，离子进入可变电场后，只有具合的静电分析器类似，离子进入可变电场后，只有具合适的曲率半径的离子可以通过中心小孔到达检测器。适的曲率半径的离子可以通过中心小孔到达检测器。 改变改变V和和 U并保持并保持V/ U比值一定，可实现不同比值一定，可实现不同m/e离子离子的检测。的检测。特点：分辨率比磁分析器略低特点：分辨率比磁分析器略低(R1000); m/e范围与磁范围与磁分析器相当；传输效率比较高；扫描速度快，可用于分析器相当；传输效率比较高；扫描速度快，

39、可用于GC-MS 联用仪。联用仪。四极杆质四极杆质量分离器量分离器4）飞行时间质量分析器）飞行时间质量分析器(Time of flight, TOF)返回过过 程：不同荷电碎片在飞出离子源的速度（动能）程：不同荷电碎片在飞出离子源的速度（动能）基本一致。某离子在到达无场漂移管前端时，其速度基本一致。某离子在到达无场漂移管前端时，其速度大小为：大小为：2)2(mzVv 21)2(zVmLvLt到达无场漂移管末端的时间为：到达无场漂移管末端的时间为：VzmzmLtvvLt2)/()/()11(2121不同离子通过同一长度为不同离子通过同一长度为L的无场漂移管，所需时间的无场漂移管，所需时间相差：相

40、差：由于不同由于不同m/e的离子，其飞出漂移管的时间不同，因的离子，其飞出漂移管的时间不同，因而实现了离子的分离。因为连续电离和加速使检测器而实现了离子的分离。因为连续电离和加速使检测器产生连续输出而不能得到有效信息，因此实际工作中产生连续输出而不能得到有效信息，因此实际工作中常采用相同频率的电子脉冲电离和脉冲电场加速，被常采用相同频率的电子脉冲电离和脉冲电场加速，被加速的粒子经不同的时间到收集极上，并反馈到示波加速的粒子经不同的时间到收集极上，并反馈到示波器上记录，从而得到质谱图。器上记录，从而得到质谱图。特特 点：扫描速度快点：扫描速度快(1000幅幅/s)，可用于研究快速反应，可用于研究

41、快速反应或与或与GC联用；可用于高质量离子分析；体积小，操联用；可用于高质量离子分析；体积小，操作容易；分辨率比磁分析器稍差。作容易；分辨率比磁分析器稍差。5）离子阱质量分析器）离子阱质量分析器(Ion trap analyzer) 过程：过程： 上下端罩上下端罩(End cap)与左右环电极与左右环电极(Ring electrode)构构成可变电场成可变电场(前者接地，后者施以射频电压前者接地，后者施以射频电压)带电带电离子在一定轨道上旋转离子在一定轨道上旋转改变电压改变电压可使相同可使相同m/e离子依次离开进入电子倍增器而分离。离子依次离开进入电子倍增器而分离。特点：特点： 结构简单、易于

42、操作、结构简单、易于操作、GC-MS联用可用于联用可用于m/e200-2000的分子分析。的分子分析。离子阱的横截面图离子阱的横截面图6）傅立叶变换离子回旋共振分析器）傅立叶变换离子回旋共振分析器(Fourier transform Ion cyclotron resonance, FT-ICR)过程：过程： 处于磁场处于磁场B中离子中离子回旋离子回旋离子吸收与吸收与B垂直垂直的电场能量的电场能量当离子能量和吸收能量相等当离子能量和吸收能量相等共振共振切断交变电场切断交变电场回旋离子在电极上产生感应电回旋离子在电极上产生感应电流流感应电流衰减感应电流衰减记录该信号记录该信号通过通过Fourie

43、r变换将时域图转换为频域图变换将时域图转换为频域图(质谱图质谱图)。特点：特点： 可用于分子反应动力学研究、扫描速度快，可与可用于分子反应动力学研究、扫描速度快，可与GC 联用、分辨率高、分析质量大、但仪器昂贵。联用、分辨率高、分析质量大、但仪器昂贵。分析器类型原理RM其它特点单聚焦将m/z 相同（能量相同）而入射方向不同的离子聚焦到一点5000几千笨重；灵敏度较低双聚焦将m/z 相同而入射方向和能量不同的离子聚焦到一点。150000几千笨重；灵敏度较低飞行时间由于不同 m/z 的离子，其飞出漂移管的时间不同，因而实现了离子的分离。分辨率比磁分析器稍差几十万扫描速度快；体积小；操作容易；无需电

44、，磁场；灵敏度很高四极杆在两个相对的极杆之间加正电压，在另两个相对的极杆上加负压。与前述双聚焦仪的静电分析器类似，离子进入可变电场后，只有具合适的曲率半径的离子可以通过中心小孔到达检测器。500左右；max.20001000扫描速度快，体积小，重量轻；灵敏度比磁式高离子阱上下端罩与左右环电极 构成可变电场带电离子在一定轨道上旋转改变电压可使相同 m/z 离子依次离开。500左右m/z200-2000结构简单、易于操作；灵敏度高5、检测器、检测器 包括电检测器包括电检测器(Faraday 杯杯)、电子倍增器、闪烁计、电子倍增器、闪烁计数器、微通道板等数器、微通道板等1) Faraday 杯杯下图

45、是下图是Faraday杯结构原理图杯结构原理图特点：可检测特点：可检测10-15A的离子流，但不适于高加速电压的离子流，但不适于高加速电压下的离子检测。下的离子检测。一定能量的离子轰击阴极导致电子发射，电子在一定能量的离子轰击阴极导致电子发射，电子在电场的作用下，依次轰击下一级电极而被放大，电场的作用下，依次轰击下一级电极而被放大，电子倍增器的放大倍数一般在电子倍增器的放大倍数一般在105108 2）电子倍增器：类似于光电倍增管，可测）电子倍增器：类似于光电倍增管，可测10-18A电电流。流。3）闪烁计数器：记录离子的数目。）闪烁计数器：记录离子的数目。4）微通道板：一块）微通道板：一块MCP

46、上约有上百万微通道，二次上约有上百万微通道，二次电子可以通道壁上碰撞倍增放大。电子可以通道壁上碰撞倍增放大。 6.1.2 质谱仪的主要性能指标质谱仪的主要性能指标1、质量测定范围、质量测定范围 1）质谱仪的）质谱仪的质量测定范围质量测定范围表示质谱仪所能进行分析的表示质谱仪所能进行分析的样品的样品的相对原子质量相对原子质量（或（或相对分子质量相对分子质量）范围）范围，通，通常采用原子质量单位（常采用原子质量单位（u）进行度量。）进行度量。2）测定气体用的质谱仪，一般质量测定范围在）测定气体用的质谱仪，一般质量测定范围在2100，而有机质谱仪一般可达几千，现代质谱仪甚至可，而有机质谱仪一般可达几

47、千，现代质谱仪甚至可以研究相对分子量达几十万的生化样品。以研究相对分子量达几十万的生化样品。 3）使用电喷雾离子源，由于形成）使用电喷雾离子源，由于形成多电荷离子多电荷离子，可以，可以测定的分子量能够达到测定的分子量能够达到100000。 4）四极杆分析器质量范围不大于）四极杆分析器质量范围不大于3000；而飞行时间；而飞行时间分析器可以达到几十万。对于分析器可以达到几十万。对于GC-MS，分子量一般，分子量一般不超过不超过500，而，而LC-MS由于分析对象常常是生物大由于分析对象常常是生物大分子，质量范围宽好。分子，质量范围宽好。 5）质量范围质量范围与与离子源离子源，分析器种类分析器种类

48、以及以及分析对象分析对象有有关。关。是指质谱仪分开是指质谱仪分开相邻质量数离相邻质量数离子子的能力。即：对两个相等强的能力。即：对两个相等强度的相邻峰，当两峰间的度的相邻峰，当两峰间的峰谷峰谷不大于其不大于其峰高峰高10%时，认为两时，认为两峰已经分开，其分辨率为：峰已经分开，其分辨率为： 其中其中m1、m2为质量数，且为质量数，且m1O、SN、C；对于周期表中同一行元素，这种倾向平行于对于周期表中同一行元素，这种倾向平行于Y诱导诱导效应。效应。 偶电子的裂解反应占优势的是产生偶电子的裂解反应占优势的是产生EE离子和中性分离子和中性分子的反应，所产生的子的反应，所产生的EE离子还可进一步因电荷

49、诱导而离子还可进一步因电荷诱导而裂解成裂解成m/z较小的较小的EE离子。如：离子。如： 羰基的羰基的裂解和裂解和i裂解反应是相互竞争的，一般情况裂解反应是相互竞争的，一般情况下，下， 裂解反应趋势更大，因为正碳酰裂解反应趋势更大，因为正碳酰鎓离子更稳鎓离子更稳定。定。硝基化合物中，由于硝基有强的电负性，出现明显硝基化合物中，由于硝基有强的电负性，出现明显的的i断裂碎片：断裂碎片：芳香族硝基化合物相应的芳香族硝基化合物相应的i断裂大为减少。断裂大为减少。烃基正离子也可能相继发生烃基正离子也可能相继发生i断裂：断裂：含杂原子的化合物更普遍的是发生含杂原子的化合物更普遍的是发生“均裂均裂”为特征为特

50、征的的开裂。开裂。这是由于杂原子的吸电子性强，使这是由于杂原子的吸电子性强，使CC之间的键之间的键更弱一些的缘故。更弱一些的缘故。总结：含有以双键连结的杂原子化合物的总结：含有以双键连结的杂原子化合物的单纯开裂单纯开裂 由于杂原子上由于杂原子上P电子与电子与C发生共轭而致稳的原因，这类发生共轭而致稳的原因，这类化合物容易发生化合物容易发生开裂（要注意这里的开裂（要注意这里的开裂和前开裂和前面的位置），例如：面的位置），例如：二、重排开裂二、重排开裂 重排开裂在共价键断裂的同时，发生有氢原子的转移重排开裂在共价键断裂的同时，发生有氢原子的转移。一般有两个键发生断裂，少数情况下发生有碳骨架。一般有

51、两个键发生断裂，少数情况下发生有碳骨架重排。重排。 一般重排开裂前后离子电子奇偶性不发生变化。一般重排开裂前后离子电子奇偶性不发生变化。 由于离子的质量数的奇偶性与该离子所含电子数奇偶由于离子的质量数的奇偶性与该离子所含电子数奇偶性有一定的对应关系，我们就可以从质谱中母离子与性有一定的对应关系，我们就可以从质谱中母离子与子离子的质荷比奇偶性的变化中得知该裂解是简单开子离子的质荷比奇偶性的变化中得知该裂解是简单开裂还是重排开裂。裂还是重排开裂。 重排裂解是质谱反应中的重要部分，由它们产生的离重排裂解是质谱反应中的重要部分，由它们产生的离子，对于推断结构是很有价值的。子，对于推断结构是很有价值的。

52、（一）正电荷游离基中的游离基引发的重排反应（一）正电荷游离基中的游离基引发的重排反应1.-H重排到不饱和基团上并伴随发生重排到不饱和基团上并伴随发生CC断裂断裂 麦氏重排：凡是具有麦氏重排：凡是具有-H的化合物，经过六元环空间的化合物，经过六元环空间排列的过渡态，排列的过渡态，-H原子重排转移到带正电荷的杂原原子重排转移到带正电荷的杂原子上，接着发生烯丙基型子上，接着发生烯丙基型开裂，并消除一个中性分开裂，并消除一个中性分子。子。 这种在这种在碎裂之前先发生氢重排的过程在有机质谱中碎裂之前先发生氢重排的过程在有机质谱中是极为普遍的。是极为普遍的。 不但奇电子离子可以通过游离基引发，偶电子离子通

53、不但奇电子离子可以通过游离基引发，偶电子离子通过正电荷也可以引发；过正电荷也可以引发； 不但可以有上述六员环过渡状态，也可以有四员环过不但可以有上述六员环过渡状态，也可以有四员环过渡状态。渡状态。 氢重排之后的后续反应可以是氢重排之后的后续反应可以是也可以是也可以是 i 或甚至是或甚至是。 麦氏重排的条件：麦氏重排的条件：（1）含有重键。）含有重键。（2）与重键相连的）与重键相连的-C上有氢原子上有氢原子说明：说明： -H是通过一个在立体化学上有利的六元环过渡态转移是通过一个在立体化学上有利的六元环过渡态转移的。的。 最初的断裂没有使离子中任何一部分丢失，而只引起最初的断裂没有使离子中任何一部

54、分丢失，而只引起游离基中心位置改变。游离基中心位置改变。 新的游离基立即诱发一个新的游离基立即诱发一个断裂反应，导致处于羰基断裂反应，导致处于羰基CC位置的碳碳键断裂；位置的碳碳键断裂； 与此同时失去一个烯烃或其他中性分子，形成一个奇与此同时失去一个烯烃或其他中性分子，形成一个奇电子离子。电子离子。 在重排反应中也可能发生电荷转移。在重排反应中也可能发生电荷转移。 在离解过渡态中，分解的产物互相争夺电荷，占优势在离解过渡态中，分解的产物互相争夺电荷，占优势的离子产物应是电离能（的离子产物应是电离能（I）较低的碎片（）较低的碎片（Stevenson规则）。规则）。 可产生这样重排的化合物有含羰基

55、的衍生物、碳酸酯可产生这样重排的化合物有含羰基的衍生物、碳酸酯、磷酸酯、亚硫酸酯、亚胺、肟、腙、烯、炔、腈和、磷酸酯、亚硫酸酯、亚胺、肟、腙、烯、炔、腈和苯环化合物。苯环化合物。2.氢原子重排到饱和杂原子上并伴随邻键的断裂氢原子重排到饱和杂原子上并伴随邻键的断裂该裂解反应与一个饱和杂原子上的正电荷游离基有关。该裂解反应与一个饱和杂原子上的正电荷游离基有关。在下列反应中又是这个未成对电子与一个临近的、处于在下列反应中又是这个未成对电子与一个临近的、处于适当构型的氢原子形成一个新键，即一个氢原子转移到适当构型的氢原子形成一个新键，即一个氢原子转移到杂原子上。杂原子上。随后可能发生一个电荷定位引发的

56、反应，即杂原子的一随后可能发生一个电荷定位引发的反应，即杂原子的一个键断裂形成个键断裂形成(MHYR)离子。进一步的电荷定位引离子。进一步的电荷定位引发反应将通过相距杂原子发反应将通过相距杂原子2个或更多个键的键断裂，产个或更多个键的键断裂，产生次级产物。生次级产物。 在反应的第一步中转移的是哪一个氢原子，对于新形在反应的第一步中转移的是哪一个氢原子，对于新形成产物的影响不大。成产物的影响不大。 而且，由于产生的含杂原子的碎片是饱和的，它对电而且，由于产生的含杂原子的碎片是饱和的，它对电荷的争夺力很弱，就使得电荷转移更为普遍。电荷转荷的争夺力很弱，就使得电荷转移更为普遍。电荷转移反应对电负性原

57、子团有利。移反应对电负性原子团有利。 电离能较高的饱和小分子，如电离能较高的饱和小分子，如H2O、C2H4、CH3OH、H2S、HCl和和HBr，常以这种方式丢失。，常以这种方式丢失。 这种由于氢重排到饱和杂原子上，然后再使邻位键断这种由于氢重排到饱和杂原子上，然后再使邻位键断裂，经常是脱去一个小分子。脱去的小分子多是裂，经常是脱去一个小分子。脱去的小分子多是H2O、C2H4、CH3OH、H2S、HCl和和HBr 等。等。P259例子。例子。3.消除重排消除重排 消除重排：是随着基团的迁移同时消除小分子或自由消除重排：是随着基团的迁移同时消除小分子或自由基碎片，反应与氢重排相似，只中迁移的不是

58、氢而是基碎片，反应与氢重排相似，只中迁移的不是氢而是一种基团，也称一种基团，也称“非氢重排非氢重排”。在消除重排中，消除。在消除重排中，消除中性碎片通常是电离能较高的小分子或自由基，如中性碎片通常是电离能较高的小分子或自由基，如CO、CO2、CS2、SO2、HCN、CH3CN和和CH3等。等。4.置换反应（取代重排）置换反应（取代重排） 是一种非氢重排，在分子内部两个原子或基团（常常是一种非氢重排，在分子内部两个原子或基团（常常是带游离基的），能够相互作用，形成一个新键，与是带游离基的），能够相互作用，形成一个新键，与此同时，其中一个基团（或两者）的另一键断裂，在此同时，其中一个基团（或两者）

59、的另一键断裂，在置换的同时发生环化反应，在这一过程中会断掉一根置换的同时发生环化反应，在这一过程中会断掉一根键而形成新的键：键而形成新的键：（二）正电荷引发的重排反应（二）正电荷引发的重排反应 断裂产生的偶电子离子，若含不饱和键及断裂产生的偶电子离子，若含不饱和键及H，则，则H可通过四元环过渡态发生重排裂解。可通过四元环过渡态发生重排裂解。1.在伯、仲、叔碳原子上有在伯、仲、叔碳原子上有OH、NH2或或SH时，要发生时，要发生开裂，而产生的碎片离子如果能形成四元环过渡态开裂，而产生的碎片离子如果能形成四元环过渡态，就会发生下面重排：，就会发生下面重排：2.由醚、硫醚、仲胺和叔胺的单纯开裂产生的

60、鎓离由醚、硫醚、仲胺和叔胺的单纯开裂产生的鎓离子，如果含有乙基以上的烷基，会进一步重排而脱离子，如果含有乙基以上的烷基，会进一步重排而脱离链烯：链烯： 为实现这种重排，在氧原子上要有一个乙基或更大的基团，以为实现这种重排，在氧原子上要有一个乙基或更大的基团，以满足过渡态对空间的要求。满足过渡态对空间的要求。 类似的，各级醇都能得到类似的，各级醇都能得到m/z31的碎片离子。的碎片离子。 这种由于杂原子上正电荷的定位引发的这种由于杂原子上正电荷的定位引发的-H向杂原子的重排比向杂原子的重排比上述通过四元环过渡向饱和杂原子的重排更为普遍。上述通过四元环过渡向饱和杂原子的重排更为普遍。 偶电子离子也