MIA-10-质谱法

1、1第十章 质谱法Mass spectrometry, MS10.1 质谱和质谱仪10.2 分子离子峰和同位素峰簇10.3 碎片离子和重排离子10.4 谱图解析示例10.5 色质联用及波谱综合解析示例210.1.1 质谱310.1.2 质谱仪由以下四个系统构成：4离子源（ion sources）是质谱仪的“心脏” 。离子源是样品分子离子化的场所。质谱分析时离子源的选择至关重要。 离子源名称 Ionizing aqent 特 点 电子流轰击 electron impact, EI 高能电子流 常见，常产生各种离子 化学电离 chemical ionization, CI 反应气体离子 准分子离子峰

2、较明显，碎片峰较少 场致电离 field ionization, FI M峰很清楚，碎片峰较弱 场解析 field desorption, FD 高电场 可用于 EI、CI、FI 难以胜任的难挥发或热不稳定性样品的电离。M峰明显、碎片离子很少 快原子轰击 fast atom bombardment, FAB 高能中性原子流 不仅有较强的M，而且有较丰富的结构信息。已广泛用于低聚糖、肽类、核苷酸及金属有机化合物的分析 5离子源中进行的反应是颇复杂的，可能产生各种离子：离子源中进行的反应是颇复杂的，可能产生各种离子： 分子离子分子离子母（体）离子母（体）离子 由分子（原子）失去一个价电子形成。由分

3、子（原子）失去一个价电子形成。记为记为 M 或或M 碎片离子碎片离子 由分子离子进一步产生键的断裂而形成。由分子离子进一步产生键的断裂而形成。 重排离子重排离子 经重排反应产生经重排反应产生 ABC AC+ + B 亚稳离子亚稳离子 半衰期半衰期s 级，实际上在电离、裂解或重排过程中所产生的离子中总有一部分级，实际上在电离、裂解或重排过程中所产生的离子中总有一部分处于亚稳态。处于亚稳态。 复合离子复合离子 由碎片离子和中性分子碰撞由碎片离子和中性分子碰撞发生离子分子反应产生。发生离子分子反应产生。离子源处于高真空时，离子源处于高真空时，可忽略。可忽略。 多电荷离子多电荷离子 当轰击电子能量较大

4、时，分子一开始就可能失去了一个以上当轰击电子能量较大时，分子一开始就可能失去了一个以上 e-而产生。而产生。 负离子负离子 轰击电子进入分子的反键轨道产生，在轰击电子进入分子的反键轨道产生，在 MS 中产生负离子的几率极小。中产生负离子的几率极小。 以下只讨论分子离子碎片离子和重排离子，它们都是带一个正电荷的离子。以下只讨论分子离子碎片离子和重排离子，它们都是带一个正电荷的离子。另外，另外，在离子源中也会产生许多中性碎片，但在质谱中不出峰。在离子源中也会产生许多中性碎片，但在质谱中不出峰。 6 质量分析器质量分析器（mass analyzer）的功能是分离离子。不同化合物形成的离子）的功能是分

5、离离子。不同化合物形成的离子具有特征性， 这种特征性主要体现在离子的质量和电荷上， 质量分析器分离离具有特征性， 这种特征性主要体现在离子的质量和电荷上， 质量分析器分离离子的依据是离子的质荷比的差异。子的依据是离子的质荷比的差异。 单单聚聚焦焦质质谱谱仪仪 7将将离离子子在在电电场场中中加加速速，进进入入磁磁场场。受受磁磁场场作作用用作作园园周周运运动动，可可导导出出磁磁场场质质谱谱仪仪的的基基本本方方程程： V：加加速速电电压压 VRHem2/22 H：磁磁场场强强度度 R：离离子子运运动动曲曲线线半半径径 固固定定 V，改改变变 H，则则特特定定 m/e 的的离离子子运运动动曲曲率率半半

6、径径（R）正正好好等等于于仪仪器器的的固固定定轨轨道道半半径径时时，这这种种离离子子即即通通过过狭狭缝缝进进入入检检测测器器，有有规规则则地地改改变变 H（磁磁扫扫描描）可可使使不不同同 m/e的的离离子子顺顺序序进进入入检检测测器器，实实现现分分离离。 同同理理，固固定定 H ，改改变变 V，通通过过电电压压扫扫描描也也可可实实现现分分离离。 单单聚聚焦焦质质谱谱仪仪的的质质量量分分析析器器只只包包括括一一个个磁磁场场，它它利利用用磁磁场场引引起起的的质质量量色色散散作作用用，对对能能量量、质质量量相相同同而而进进入入磁磁场场时时方方向向不不同同的的离离子子进进行行方方向向聚聚焦焦。 8 如

7、果采用电场和磁场所组成的质量分析器， 不仅仍然可以实现方如果采用电场和磁场所组成的质量分析器， 不仅仍然可以实现方向聚焦，而且使向聚焦，而且使 m/e 相同、速度不同的离子也可聚集在一起（速度聚相同、速度不同的离子也可聚集在一起（速度聚焦或能量聚焦） ，则称为“双聚焦” 。焦或能量聚焦） ，则称为“双聚焦” 。双聚焦质谱仪双聚焦质谱仪的分辨率较高。的分辨率较高。 9四极杆质量分析器四极杆质量分析器是一种无磁铁分析器， 加在两对电极杆上的电压数值相是一种无磁铁分析器， 加在两对电极杆上的电压数值相等，方向相反。每个电压都具有直流（等，方向相反。每个电压都具有直流（u）和射频（）和射频（vcosw

8、t）两分量，在极杆）两分量，在极杆之间形成之间形成振荡电场振荡电场，在一定条件下，只有具有特定，在一定条件下，只有具有特定 m/e 的离子作“稳定振动”的离子作“稳定振动”最终到达检测器，其他的离子都作“不稳定振动” ，会撞击在极杆上而被“过最终到达检测器，其他的离子都作“不稳定振动” ，会撞击在极杆上而被“过滤”掉。滤”掉。 若射频频率不变连续改变若射频频率不变连续改变 u 和和 v（但要保持（但要保持 u/ v 为一常做） ，这种操作方为一常做） ，这种操作方式称为电压扫描。若保持电压不变而连续改变频率，则称为频率扫描。这两种式称为电压扫描。若保持电压不变而连续改变频率，则称为频率扫描。这

9、两种方式都可使方式都可使 m/e 不同的离子依次到达检测器，实现分离。不同的离子依次到达检测器，实现分离。 四极杆质谱仪核磁分析器体积小四极杆质谱仪核磁分析器体积小、重量轻，操作方便，扫描速度快，常用、重量轻，操作方便，扫描速度快，常用于于 GC-MS 联用。联用。 10 检测及记录系统检测及记录系统 质量分析器出来的离子流只有质量分析器出来的离子流只有 10-9-10-10A，通，通常用电子倍增管和前置放大器放大，并将电流转化为电压，经模数转常用电子倍增管和前置放大器放大，并将电流转化为电压，经模数转换，由计算机进行处理，给出质谱图和质谱数据。换，由计算机进行处理，给出质谱图和质谱数据。 纵

10、纵坐坐标标为为离离子子流流的的相相对对强强度度 （相相对对丰丰度度） ， 通通常常最最强强的的峰峰称称为为基基峰峰，其其强强度度定定为为 100%，其其余余的的峰峰以以基基峰峰为为基基础础确确定定其其相相对对强强度度。横横坐坐标标为为质质荷荷比比。一一条条直直线线代代表表一一个个峰峰（棒棒图图） ，也也可可以以表表格格的的形形式式给给出出质质谱谱数数据据。 11表表 1 甲苯的质谱甲苯的质谱 m/e 基峰相对强度/% m/e 基峰相对强度/% 30 4.4 63 8.6 39 5.3 65 11 45 3.9 91 100（基峰） 50 6.3 92 68（分子离子峰） 51 9.1 93 4

11、.9(M+1) 62 4.1 94 0.21(M+2) M 为为分分子子离离子子峰峰，M+1, M+2, , 一一般般由由较较重重的的同同位位素素引引起起，称称为为同同位位素素离离子子峰峰。质质谱谱中中分分子子离离子子（或或碎碎片片离离子子）往往往往不不是是单单一一的的，而而是是成成簇簇的的，称称为为同同位位素素峰峰簇簇（isotpic cluster） 。 1210.2.1 分子离子峰的判断分子离子峰给出分子量。分子离子峰给出分子量。将高分辨质谱精确测定的分子量和各种组合的分子式将高分辨质谱精确测定的分子量和各种组合的分子式的分子量的理论计算值比较，即可确定分子式。的分子量的理论计算值比较，

12、即可确定分子式。 184.1944m/e M 1939489.184 184.14633 NHCOHC2241122011 MS 中最高质量的离子不一定是分子离子。中最高质量的离子不一定是分子离子。 同位素峰同位素峰； 分子离子如果不稳定，质谱上就不会出现；分子离子如果不稳定，质谱上就不会出现； 有时分子离子一产生就与其他离子或分子碰撞，从而形成质量更高的离子；有时分子离子一产生就与其他离子或分子碰撞，从而形成质量更高的离子； 有时可能由于杂质混入而产生高质量的离子峰。有时可能由于杂质混入而产生高质量的离子峰。 13144. M+1 和和 M-1 峰峰 醚、酯、胺、酰胺形成的醚、酯、胺、酰胺形

13、成的M不稳定、但不稳定、但 M+1 峰却相当大。峰却相当大。 醛醛 确定分子离子（峰）的技术措施确定分子离子（峰）的技术措施 1. 测衍生物的测衍生物的 MS，看是否有对应的质量位移。，看是否有对应的质量位移。 2. EI 逐渐降低轰击电压，最后剩下来的峰很可能是逐渐降低轰击电压，最后剩下来的峰很可能是M峰。峰。 3. 应用软电离技术以获得较强的应用软电离技术以获得较强的M。 + R C O H H RC M1 O+ + O R +H R R O R + H M+1 M 1510.2.2 同位素离子峰簇利用同位素离子峰簇的相对丰度的差别可以确定未知物的分子式。利用同位素离子峰簇的相对丰度的差别

14、可以确定未知物的分子式。 1. 19F、31P、127I 不含同位素不含同位素 2. 若分子中只含若分子中只含 1 个个 C，由于，由于13C 的贡献，相对丰度比的贡献，相对丰度比%1 . 1M1M 分子中分子中 C 原子数原子数%1 . 1M1M 3. 若分子中含若分子中含 1 个个 Cl 31M2M 4. 若分子中含若分子中含 1 个个 Br 1M2M 5. 若分子中含若分子中含 1 个个 S %4 . 4M2M 16 例例1 1 151分子中含 1 个 N %4 . 9M1M分子中含 8 个 C 33M2M.1%分子中含 1 个 C1化合物分子式应为 C8 H6 NCl注注意意： 实实测

15、测的的同同位位素素离离子子峰峰簇簇的的相相对对强强度度与与按按自自然然丰丰度度计计算算的的结结果果有有些些差差异异。 17 碎碎片片离离子子系系由由分分子子离离子子断断裂裂产产生生，而而重重排排反反应应往往往往伴伴随随着着脱脱除除小小分分子子，也也与与键键的的断断裂裂有有关关。有有机机质质谱谱中中最最常常见见的的断断裂裂类类型型是是半半异异裂裂，即即已已离离子子化化的的键键的的断断裂裂。 1810.3.1 简单断裂1. 烷烃的断裂烷烃的断裂 3CH 33e33CHCHCHCHCH3 脂族碳链在“分支”处容易断裂，正电荷在取代较多的上。脂族碳链在“分支”处容易断裂，正电荷在取代较多的上。 +CH

16、3 R +CH2 HCR2 CR3 除了脱除除了脱除CH3外外，还有还有C2H5、 C3H7等等，从而形成从而形成 M-29、M-43 等碎片离子。等碎片离子。 最大烷基优先失去。最大烷基优先失去。 M M15 192. 断断 裂裂 是是 指指 与与 具具 有有 电电 荷荷 的的 官官 能能 团团 原原 子子 直直 接接 相相 连连 的的 键键 断断 裂裂 20 3. 断断裂裂是是指指 -碳碳和和 -碳碳原原子子之之间间的的键键断断裂裂，含含杂杂原原子子的的化化合合物物容容易易发发生生。其其规规律律是是杂杂原原子子上上不不成成对对电电子子与与 -碳碳原原子子形形成成一一个个新新键键，同同时时发

17、发生生 -断断裂裂失失去去一一个个自自由由基基。 2110.3.2 Mclafferty重排 Mclafferty 重重排排是是重重排排反反应应中中一一种种常常见见而而重重要要的的方方式式。凡凡具具有有双双键键和和-H 结结构构的的化化合合物物，如如醛醛、酮酮、羧羧酸酸、酯酯、酰酰胺胺、链链上上 C5以以上上的的烯烯烃烃及及侧侧链链芳芳烃烃等等均均可可发发生生。 22其其特特点点是是 经经六六员员环环过过渡渡，H 转转移移、生生成成新新双双键键、-断断裂裂脱脱除除一一中中性性碎碎片片，同同时时生生成成稳稳定定的的碳碳正正离离子子。 注注意意：1.分分子子离离子子的的断断裂裂是是比比较较复复杂杂

18、的的。 232. 碎碎片片离离子子常常进进一一步步断断裂裂，得得到到一一系系列列有有特特殊殊质质量量数数的的离离子子。 24 例例 1 1 甲甲基基异异丁丁基基酮酮 25 例例 2 2 某某化化合合物物相相对对分分子子量量为为 116。m/e 57(100)、43(27)、29(57) A. (CH3)2CHCO2C2H5 B. C2H5CO2(CH2)2CH3 C. CH3(CH2)2CO2CH3 三三个个都都是是酯酯，酯酯的的 断断裂裂特特征征，m/e 57 为为基基峰峰，即即（M59）离离子子特特征征。脱脱除除的的 59 的的中中性性碎碎片片应应为为 C3H7O m/e 43为+C3H726GC/MS 色色谱谱质质谱谱计计算算机机联联用用仪仪 “联联用用”的的关关键键是是色色谱谱仪仪和和质质谱谱仪仪之之间间的的“接接口口” 。GC/MS常常采采用用喷