分析化学第九章质谱法优秀课件

分析化学第九章质谱法第一页，共五十页，2022年，8月28日第九章质谱法

（MassSpectrometry,MS）

9.1质谱分析的基本原理9.2质谱仪9.3质谱中的离子类型9.4质谱分析法的应用第二页，共五十页，2022年，8月28日9.1质谱分析的基本原理9.1.1质谱分析的基本原理

1.质谱分析的一般过程

将样品导入离子源,在离子源内试样分子电离成带正荷的离子正离子进入加速盘及狭缝区加速、准直高速的正离子束射入质量分析器的磁场，不同质荷比（质量电荷比，m/z）的离子在磁场中发生偏转，按不同的方向运动而得以分离分离后的不同离子被离子检测器所检测和记录。第三页，共五十页，2022年，8月28日2.质谱分析的基本原理

离子的动能由离子源产生的离子，在离子加速区被加速后所获得的动能为：式中:

V:加速后离子运动速度U:加速电压（1-8KV）z:离子电荷数m:离子质量（1）第四页，共五十页，2022年，8月28日运动离子与磁场的相互作用离子以速度v进入质量分析器后，受磁场力的作用，在与磁场垂直的平面内，作匀速圆周运动。离子做圆周运动所需的向心力等于其在磁场中所受到的洛伦兹力，即：上两式中，H为磁场强度，R离子偏转半径。将前面(1)式代入(2)和(2’)，可得到(2)或(2’)(3)(3’)

磁场中离子运动半径R由离子质荷比m/z、离子室加速电压U、质量分析器磁场强度H

三者决定。第五页，共五十页，2022年，8月28日质谱信号的产生

当检测器位置固定（偏转半径R为确定值），且加速电压U和磁场强度H为一固定值时，只有质荷比m/z满足公式(3’)的离子可以通过质量分析器的狭缝到达检测器,产生与该离子质荷比对应的信号。改变离子源的加速电压U（电扫描）或质量分析器的磁场强度H（磁扫描），离子运动的轨道半径就发生变化，不同质荷比的离子就可以在不同的磁场强度下先后通过质量分析器的狭缝，被检测器所检测，得到按质荷比m/z从小到大排列的质谱，这就是质谱分析的原理。第六页，共五十页，2022年，8月28日9.1.2质谱图

质谱最常用表示方法是棒状图，即质谱图（massspectrum,MS）多巴胺的质谱图横坐标为质荷比m/z纵坐标表示离子丰度常用相对强度(相对丰度)表示选出最强峰作称为基峰（basepeak，图中m/z=124的峰）将基峰的高度定为100%其他峰的高度相对于基峰的高度为其他离子的相对强度。右侧常用M指代分子离子峰M+

[见左图中的M(153)]

m/z为30、36、51、77、123、124等许多丰度不等的离子峰是多巴胺的碎片离子峰。第七页，共五十页，2022年，8月28日9.2质谱仪9.2.1质谱仪的构成由进样系统、离子源、质量分析器、收集检测器、真空系统5个部分组成。第八页，共五十页，2022年，8月28日1．进样系统引入试样的方法可分为直接进样和色谱联用系统进样。

直接进样系统将气体、液体、固体试样，通过一定装置直接引入离子源的方法。又分为：

探针杆直接进样:用于沸点较高的液体和固体样品。探针杆长约25cm，杆尖带有一试样杯（试样探针），将探针杆的尖端插入质谱仪接近离子源后，加热升温，使样品气化为蒸气后被引入离子源。第九页，共五十页，2022年，8月28日间隙式进样

适用于气体或挥发性液体、固体试样。通过加热使试样管内的试样挥发至贮样器（真空度10-3Pa），用阀切换将贮样器内的气态试样，通过小孔以分子流形式漏入真空度更高（10-5Pa）的离子源。第十页，共五十页，2022年，8月28日色谱联用进样系统将气相、液相色谱的柱后流出物导入质谱的离子化器，经离子化后供质谱分析。其特点是可用于分析复杂试样的各种组分。毛细管气相色谱与质谱联用示意图气相色谱-质谱联用仪液相色谱-质谱联用系统第十一页，共五十页，2022年，8月28日离子源的功能将样品的中性分子电离成离子的装置。离子源性能决定了离子化效率，影响质谱仪灵敏度，而且决定分子裂解的方式和程度，也决定化合物质谱图的面貌。离子源的分类按离子化时试样的状态分气相离子源：样品以气体的形式离子化。气相离子源适合用于沸点低于500C的热稳定性化合物（分子量小于103）。解吸离子源：液态或固态试样不经挥发过程而直接离子化。适用于分子量较高、非挥发性或热稳定性差的试样。按离子源能量强弱分

硬离子源：离子化能量高，多产生质荷比小于分子离子的碎片离子，可得到分子官能团的信息；

软离子源：离子化能量低，样品分子被电离后主要以分子离子形式存在，其质谱图相对简单。

2．离子源第十二页，共五十页，2022年，8月28日中英文名称及缩写类型离子化试剂工作状态主要特点电子轰击电离（ElectronImpactIniozation，EI）气相高能电子真空硬离子源化学电离（ChemicalIonization，CI）气相试剂离子真空软离子源场电离（FieldIonization，FI）气相高电场软离子源，易得到分子离子峰场解吸（FieldDeporption，FD）解吸高电场真空软离子源，易得到分子离子峰快速原子轰击（FastAtomBombardment，FAB）解吸高能原子束真空软离子源，可同时生成正负离子，两种离子都可以用质谱进行分析二次离子质谱（SecondaryIonMS，SIMS）解吸高能离子束真空软离子源，采用液体基质负载样品质子化形成MH+离子基质辅助激光解吸电离（AtmosphericPressureMatrixAssistedLaserDesorptionIonization，MALDI）解吸激光束大气压软离子源，适于结构复杂、不易气化的生物大分子电喷雾电离（ElectrosprayIonization，ESI）--荷电微粒能量大气压软离子源，电离过程中产生多重质子化离子

质谱仪常用的几种离子源第十三页，共五十页，2022年，8月28日（1）电子轰击源（electronimpactionization,EI）通过电子束与气态的试样分子直接作用而导致分子电离甚至裂解。结构示意第十四页，共五十页，2022年，8月28日工作原理

在离子化室内，电加热灯丝产生电子，在灯丝（阴极）和阳极间加数十伏直流电压，电子加速形成高速电子束（能量为10～70eV），进入离子化区。样品以气态分子形式进入离子源，与高能电子在离子源中心碰撞，使分子离解形成正离子。推斥极和加速极之间的电场引导正离子穿过狭缝，进入离子加速区。在加速极高电压（数千伏）作用下，正离子获得一定速度，从狭缝射入质量分析器。特点分子离子的丰度低。电子轰击电离源的能量高，化合物分子被打掉一个电子形成分子离子后，会进一步发生化学键断裂和重排形成多种质荷比的碎片离子。典型的硬离子源，能提供有机化合物最丰富的结构信息有较好的重现性。第十五页，共五十页，2022年，8月28日（2）化学电离源（chemicalionization,CI）

装置和工作原理

化学电离源的装置与电子轰击源相似，但工作时需要向离子室引入一定压力（约102Pa）的甲烷、丙烷等反应气。反应气受电子流轰击电离：生成的CH4+和CH3+很快与大量存在的CH4分子起反应：

生成的加合离子CH5+和C2H5+与试样分子（SH）发生反应：所生成的SH+和S+离子可进一步碎裂，形成质谱。

特点通常得到准分子离子。若样品分子的质子亲和势大于反应气的质子亲和势，则生成[M+H]+，反之则生成[M-H]+。第十六页，共五十页，2022年，8月28日3．质量分析器（massanalyzer）是质谱仪中分离不同质荷比离子的部件。根据工作原理的不同，主要有磁质量分析器，飞行时间质量分析器，四极杆质量分析器，离子阱质量分析器和傅里叶转换质量分析器等。（1）磁偏转式分析器（magnetic-sectoranalyzer）利用外加磁场使得不同质荷比的离子在飞行过程中发生不同的角度偏转，使不同的离子得以分离。第十七页，共五十页，2022年，8月28日

双聚焦分析器是在离子源和磁场之间增加一个静电分析器，通过串联电场及磁场共同作用，在实现不同质荷比离子的按不同方向聚焦的同时，还能实现质荷比相同但速度不同的离子聚焦,因此双聚焦分析器的分辨可以高达100，000。双聚焦高分辨质谱仪

第十八页，共五十页，2022年，8月28日（2）飞行时间质量分析器（timeofflightmassanalyzer，TOF）

射入分析器后，进入一长约1m的无电场与磁场的漂移管，具有初速度为v的离子经过长度为L的漂移管所需的时间

t=L/v将离子的速度式代入,得到即：不同离子的飞行时间t由其质荷比的平方根所决定。原理不同质量的离子从离子源飞出时的动能基本一致，但因质量不同而有不同的速度v：第十九页，共五十页，2022年，8月28日特点分析器设备简单（不需要磁场和电场）扫描速度快（10-5-10-6s可记录整段质谱），灵敏度高质量范围宽（可达160000甚至更高），适合与研究快速反应以及与色谱的联用。飞行时间分析器与新型软离子源基质辅助激光解吸离子化源（MALDI）结合的质谱分析系统已成为生物大分子分析的强有力工具。气相色谱飞行时间质谱仪

第二十页，共五十页，2022年，8月28日四根截面呈双曲面或圆形的棒状电极,相对的两根为一组，两组电极上加直流电压和射频交流电压。在一定的直流电压、交流电压和交流频率下，只有符合一定质荷比m/z的离子能通过四极杆而达到检测器，而其他离子在运动过程中碰撞圆筒形电极而被“过滤”掉。当连续改变直流电压和交流电压大小或保持电压不变连续改变交流电的频率，就可以使不同质荷比m/z的依次达到检测器而得到质谱图。（3）四极杆质量分析器（quadrupolemassfilter）双曲面四极杆质量分析器第二十一页，共五十页，2022年，8月28日质谱常用质量分析器的分析性能比较a质量分析器精密度b分辨率m/z范围扫描速度磁分析器（magnetic-sectoranalyzer）<0.0005%(5×10-6)3000010000秒飞行时间（timeofflightmassanalyzer，TOF）0.02~0.2%(200×10-6)8000>300000毫秒四极杆（quadrupolemassfilter）0.01%(100×10-6)40004000秒离子阱（iontrapmassanalyzer）0.01%(100×10-6)40004000秒傅里叶转换离子回旋共振（Fouriertransformioncyclotronresonance,FT-ICR）<0.0005%(5×10-6)10000010000秒

a:以电喷雾为离子源；分析性能随仪器而异。b:括号中的数据为对应的分析物浓度。第二十二页，共五十页，2022年，8月28日4．离子检测器常用检测器有电子倍增管、法拉第杯、闪烁计数器等。

电子倍增管：工作原理与光电倍增管相似。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至可达105-108。电子倍增管一般是采用连续式的二次发射极。通常为漏斗状，材料为镀上一层半导体薄膜的玻璃所构成。

连续式电子倍增管示意图和实物照片

检测器产生的电信号经放大后，由计算机处理，即可得到质谱图。第二十三页，共五十页，2022年，8月28日5.真空系统为避免离子在飞行过程中与气体分子发生碰撞而产生干扰，质谱仪系统必须保持良好的真空状态：离子源，<10-5Pa质量分析器,<10-7Pa。普通机械真空泵（0.1Pa）无法达到上述要求质谱仪中多使用涡轮分子泵和机械真空泵配合使用：

涡轮分子泵直接与离子源或质量分析器相连抽气，抽出的气体再用机械泵排除出系统以外。第二十四页，共五十页，2022年，8月28日9.2.2质谱仪的主要性能指标

质谱仪性能主要有质量范围、分辨率和灵敏度。其中m1，m2为质量数，且m1＜m2

。故在两峰质量相差越小时，要求仪器分辨率越大。分辨率（resolution）表示质谱仪将两个相邻质量数离子分开的能力。定义：两个相等强度的相邻峰，当两峰间的峰谷为其峰高10%时，表示两峰正好能分辨，其分辨率R为：第二十五页，共五十页，2022年，8月28日按分辨率高低，有机质谱仪可以分为：低分辨率仪器（R≤10,000）中分辨率仪器（R=10,000-50,000）高分辨率仪器（R≥50,000）。其中：傅立叶变换回旋共振质谱仪分辨率可达:R=1000,000四极杆质谱仪和飞行时间质谱仪属于低分辨率质谱仪。第二十六页，共五十页，2022年，8月28日灵敏度（sensitivity）

灵敏度有绝对灵敏度、相对灵敏度和分析灵敏度之分。绝对灵敏度-仪器可以检测的最小试样量；相对灵敏度-质谱仪可以同时检测到的大组分与小组份的含量之比。分析灵敏度-输入仪器的试样量与仪器输出的信号之比。第二十七页，共五十页，2022年，8月28日9.3质谱中的离子类型在离子源尤其是能量较高的电子轰击离子源中，同一种分子可产生多种不同m/z的离子，因而在质谱图中显示出不止一种离子峰。以A、B、C、D

代表四种元素，化合物ABCD在离子源中可能发生以下离子化和裂解过程：第二十八页，共五十页，2022年，8月28日1．分子离子（molecularion）分子失去一个电子而得到的离子称为分子离子,表示为M+。分子离子峰所对应的m/z值即为分子的相对分子量几乎所有的有机分子都可以产生可辨别的分子离子

有机分子中，最容易失去电子的是杂原子上的孤对电子，其次是电子，再者是电子。所以，对于含O，N，S等杂原子的化合物，总是先在杂原子的孤对电子上失去一个电子，形成分子离子，如:

式中氧原子上的“

+”表示孤对电子失去一个电子生成的分子离子。第二十九页，共五十页，2022年，8月28日当含有双键而无杂原子的化合物，双键裂解而失去一个电子，生成分子离子的电荷在双键碳上，可以表示为：或当难以判断分子离子的电荷位置时，可以表示为，如第三十页，共五十页，2022年，8月28日2．碎片离子（fragmention）离子源中一些较高能量的分子离子，通过进一步碎裂释放能量后产生的离子称为碎片离子。质谱图中的基峰（强度最大的质谱峰）往往出现碎片离子峰中，它对应于最稳定的碎片离子。在有机化合物中，C-H键往往比C-C键稳定，所以烷烃的断裂一般发生在C-C键之间，且较容易发生在支链上，形成正离子的稳定性顺序是叔碳>仲碳>伯碳

右图为2，2-二甲基丁烷在高能离子源中可能的断裂形式，可以形成较为稳定的m/z=71和m/z=57的叔碳碎片离子。第三十一页，共五十页，2022年，8月28日3．亚稳离子峰（metastableion）具有一定运动速度的质量为m1的离子在离开离子源、进入质量分析器之前，因为碰撞等原因发生能量交换，而进一步分裂失去一中性碎片而形成质量为m2的离子，即由于一部分能量被质量为m的中性碎片带走，m2离子比在离子源中所形成的具有相同质量的离子能量小，它在磁场中产生较大的偏转，记录得到的峰m/z较小。这种峰被称为亚稳离子峰，用

m*表示，它的表观质量m*与m1、m2符合：第三十二页，共五十页，2022年，8月28日4．重排离子峰（rearrangemention）分子离子裂解为碎片离子过程中，通过原子或基团的重排后再开裂而形成的一种特殊碎片离子，称为重排离子如芳香族化合物的裂解，可以先失去取代基，再形成稳定的且具有代表性的m/z=91的卓鎓离子：第三十三页，共五十页，2022年，8月28日Mclafferty重排（麦氏重排）是有机化合物最为常见的典型重排裂解

当化合物中含有不饱和中心C=X（X为O、N、S、C）基团时，且与该基团相连的键上具有氢原子，该氢原子可以转移到X原子上并发生β键的断裂，脱去一个中性分子，重排的通式可表示为：

在酮、醛、链烯、酰胺、腈、酯、芳香族化合物、磷酸脂和亚硫酸酯的质谱上，都可以找到由麦氏重排产生的离子，例如：第三十四页，共五十页，2022年，8月28日5．同位素离子峰（isotopicion）有些元素有天然存在的稳定同位素。当化合物中含有这些元素时，它们的同位素就以一定的丰度出现在化合物中，因而在质谱图上出现同位素峰。几种常见元素同位素的质量及天然丰度a元素同位素质量天然丰度（%）元素同位素质量天然丰度（%）HCNOF1H2H(D)12C13C14N15N16O17O18O19F1.0078252.01410212.00000013.00335514.00307415.00010915.99491516.99913117.99915918.9984399.980.01598.901.0799.630.3799.760.040.20100.00PSClBrI31P32S33S34S35S35Cl37Cl79Br81Br127I30.97376331.97207232.97145933.96786835.96707934.96885336.96590378.91833680.916290126.904477100.0095.020.854.210.0275.5324.4750.5449.46100.00a:表中所列的同位素质量以12C=12.000000为标准。第三十五页，共五十页，2022年，8月28日如溴有两种同位素79Br和81Br，在自然界的丰度各为50.54%和49.46%（约1：1）。因此，在含有一个溴原子的有机物质谱图中，常会出现质量数差2但峰高比为1：1的溴同位素峰溴丙烷的质谱图中M和M+2的分子离子同位素峰第三十六页，共五十页，2022年，8月28日

含一个氯原子（同位素丰度比35Cl:37Cl约为3：1）的有机化合物质谱图中，常有质量数差2、峰高近似3：1的氯同位素离子峰M（64）和M+2（66），以及m/z＝49和m/z＝51的碎片离子峰。氯乙烷的质谱图第三十七页，共五十页，2022年，8月28日9.4质谱分析法的应用9.4.1有机物的定性和结构分析通过对质谱图的解析，可以对待分析物的进行定性分析或分子结构的鉴定。1.相对分子质量的确定根据分子离子峰的m/z值确定分子质量。分子离子峰的确定:除同位素峰外，分子离子峰应出现在质谱图的最高质量处。化合物分子离子峰的识别，一般可遵循以下几个原则:分子离子的质量数服从氮律不含氮元素的化合物，其分子离子峰的质量数是偶数含氮化合物，若分子内含奇数个氮原子，则质量是奇数；若含偶数个氮，则质量数为偶数。不符氮律的均不是分子离子峰。第三十八页，共五十页，2022年，8月28日

存在合理的碎片质量损失有机化合物离子化过程中，离子可因化学键断裂而丢失H、CH3、H2O、C2H4等中性碎片，相应出现M-1,M-15,M-18，M-28等碎片离子，但不可能出现M-3至M-14,M-21至M-24范围内的碎片峰。可根据分子离子峰的质量数与邻近峰的质量数之差是否符合上述规则来鉴别拟定的分子离子峰是否合理。

易从分子中脱去的常见中性碎片的质量数和结构

第三十九页，共五十页，2022年，8月28日对于电子轰击源，当降低电子轰击电压时，分子离子峰应该增强，否则就不是分子离子峰。

除以上三条原则外，还应注意:某些化合物会形成质子化离子峰(M+H)+（醚、酯、胺等）、去质子化离子峰(M-H)+（芳醛、醇等）、及缔合离子峰(M+R)+，如(M+NH3)+。此时应进行必要校正。对可能出现的多电荷离子也应注意。在确定有机化合物相对分子质量时，要根据化合物的具体情况加以辨别第四十页，共五十页，2022年，8月28日2.分子式的确定有机化合物的分子式，可通过高分辨质谱仪精确测定分子离子的分子量（精确至小数点后4-6位）后，来确定。拜诺（Beynon）等已经将C、H、O、N原子可能组合的分子式的精确质量数（精确到小数点后三位数字）编排成表“质量与同位素丰度表”。具体做法：用高分辨质谱仪确定化合物的准确相对分子量与

“质量与同位素丰度表”中的质量部分数据对照，确定分子式的可能范围结合其他有关结构的信息，推出待分析物的分子式。第四十一页，共五十页，2022年，8月28日解：设高分辨质谱测定误差是±0.006，所以所测分子离子质量的波动范围是。查阅Beynon表，质量数为150，小数部分在范围内的分子式有4个：例1：用高分辨质谱测得某纯有机物样品的分子离子质量数为150.1045，该化合物的红外光谱出现强羰基吸收峰（1730cm-1）。试利用Beynon表，确定该有机物的分子式。其中，第1和第3式含奇数N原子，与分子离子的质量数为偶数不相符。第2式的不饱和度U=0，是一饱和化合物，不含有羰基，与红外光谱测定不符。排除1，2，3后，所分析的化合物的分子式只可能是第4式，即为C10H14O。编号分子式精确质量1C3H12N5O2150.0990932C5H14N2O3150.1004353C8H12N3150.1031174C10H14O150.104459第四十二页，共五十页，2022年，8月28日解：由（IM+2/IM）%>4.44，说明可能有S，Cl，Br等元素；又：32.5>（IM+2/IM）%>4.44，说明化合物含有1个S，而不含Cl和Br，故扣除S的贡献，剩余质量=104-32=72（IM+1/IM）%=6.45-0.85=5.60（IM+2/IM）%=4.77-4.44=0.33查阅Beynon表，质量数为72的共有15种组合，与上述（IM+1/IM）%，（IM+2/IM）%接近的列于下表中。

例2：某有机化合物的分子量为104，（IM+1/IM）%=6.45，（IM+2/IM）%=4.77，试推测其化学结构式。经分析，只有C5H12的（IM+1/IM）%最为接近，所以该有机物的化学式可能是C5H12S。