仪器分析课件 第七章：MS

第七章质谱分析法MassSpectroscopyMS§7-1质谱分析概述一质谱分析的基本原理：是使所研究的混合物或单体形成离子，然后使形成的离子按质量，确切地讲按质荷比m/z，进行分离。二质谱法的应用对象：同位素、无机物、有机物、生物大分子及聚合物用途：确定分子量和分子式（最常用）、有机物的结构鉴定分类：质谱仪器法按其分析对象可分为：无机质谱仪(又称原子质谱)有机质谱仪(又称分子质谱)质谱仪器按其用途可分为：同位素质谱仪(测定同位素丰度)、无机质谱仪(测定无机化合物)、有机质谱仪(测定有机化合物)等。本章主要讨论有机质谱仪及其分析方法。1.样品用量少：10-9~10-14g，灵敏度最高，可达10-15mol.2.分析速度快3.四大谱中唯一可以确定分子量和分子式的方法且精确度可达小数点后3~6位.4.可提供结构信息5.可定性和定量分析6.便于联机使用

如GC-MS,LC-MS,MS-MS,TG-GC-MS等7.可分析固态、液态和气态样品

三质谱法的特点

撞击

得到高能粒子束

气态分子

阳离子

顺序谱图

质量分析器定性结构

定量分析质谱过程导入按质荷比m/e峰强度

峰位置离子在质量分析器中的运动：

离子在磁场中作弧形运动，其半径为：

三大系统：真空系统、电学系统、分析系统进样系统、离子源／电离室、质量分离器、离子检测器和记录系统。动态：质量分析器采用变化的电磁场，利用空间位置将m/e分开。静态：质量分析器采用稳定的电磁场，按照时间和空间区分m/e。§7-2质谱仪质谱仪正常工作的必要条件.

质谱仪的离子源、质量分析器及检测器必须处于高真空状态(离子源的真空度应达10-3～10-5Pa，质量分析器应达10-6Pa)，若真空度低，则(1)大量氧会烧坏离子源的灯丝；(2)会使背景增高，干扰质谱图；真空系统(3)引起额外的离子-分子反应，改变裂解模型，使质谱解释复杂化；(4)干扰离子源中电子束的正常调节；(5)用作加速离子的几千伏高压会引起放电，等等。

通常用机械泵预抽真空，然后用扩散泵高效率并连续地抽气。电学系统精度：1×10-61.质量测定范围：能够分析样品的相对原子（分子）质量范围。2.分辨本领（分辨率）：分开相邻质量数离子的能力两个相等强度的相邻峰，峰谷不大于其峰高10%时，两峰已经分开。R=m1/(m2-m1)=m1/⊿m（m1<m2)一、质谱仪主要性能指标

(1)、离子通道半径

(2)、加速器和收集器的狭缝宽度

(3)、离子源一般认为：R<104为低分辨率,R>104为高分辨率分析本领由下面这些因素决定3.灵敏度绝对灵敏度：可检测的最小样品量相对灵敏度：可同时检测的大小组分之比分析灵敏度：输入样品与仪器输出信号之比

样品进入电离室后，被热灯丝产生的电子流轰击，气态样品中的原子或离子被电离成正、负离子。离子被狭缝A、B加速进入磁场，而根据离子质荷比的差异，产生不同的偏转角，从而达到分离。改变A、B电压和外磁场，获得MS谱图。二、工作进程1.进样系统，作用：将试样引入离子源，进样方式主要有以下几种：

（1）间歇式进样：

适用于气体或挥发性液体（2）直接插入探针法适用于低挥发度样品，对易分解样品，通常使用衍生法转化为稳定化合物后分析。（3）色谱进样和毛细管电泳进样三、部件离子源的作用是将试样分子或原子转化为正离子，并使正离子加速、聚焦为离子束，此离子束通过狭缝而进入质量分析器,其性能影响质谱仪的灵敏度和分辨率。（1）电子轰击源（ElectronIonization,EI）：电加热La或W，2000℃其能量为10-70ev。高速电子与分子发生碰撞，若电子能量大于试样品分子的电离电位，将引致：M+e-(高速)→M＋.

+2e（低速）能量>70ev时，还发生进一步键的断裂，形成各种低质量碎片的正离子与中性自由基。用以有机化合物的结构鉴定。

2.离子源或电离室硬电离源：常得到不易辨认的分子离子峰,质谱中最常用的电离源

图7-1.电子轰击源示意图电子由直热式阴极(多用La丝制成)发射，在电离室a(正极)和阴极(负极)之间施加直流电压(70V)，使电子得到加速而进入电离室中。当这些电子轰击电离室中的气体(或蒸气)中的原子或分子时，该原子或分子就失去电子成为正离子(分子离子)：分子离子继续受到电子的轰击，使一些化学键断裂，或引起重排以瞬间速度裂解成多种碎片离了(正离子)。在电离室(正极)和加速电极(负极)之间施加一个加速电压(800～8000V)，使电离室中的正离子得到加速而进入质量分析器。

分子中各种化学键的键能最大为几十eV，电子轰击的能量远远超过普通化学键的键能，过剩的能量将引起分子多个键的断裂，生成许多碎片离子，由此提供分子结构的一些重要的官能团信息。但对有机物中相对分子质量较大、或极性大，难气化，热稳定性差的化合物。在加热和电子轰击下，分子易破碎，难于给出完整的分子离子信息，这是EI源的局限性。在离子源内充满一定压强的反应气体，如甲烷、异丁烷、氨气等等，用高能量的电子(100eV)轰击反应气体使之电离、电离后的反应分子再与试样分子碰撞发生分子离子反应形成准分子离子QM＋和少数碎片离子。以CH4作反应气体为例，以高能量电子轰击时，反应气体发生下述反应：

(2)化学电离源（ChemicalIonization,CI）

试样电离是由离子—分子反应产生的:以CH4为反应气，XH为试样5—500eV能量CH4+e-→CH4++CH3++CH2++C++H2++H+

CH4++CH3+90%CH4++CH4→CH5++·CH3CH3++CH4→C2H5++H2C2H5++XH→XH2++CH4C2H5++XH→XH2++C2H4C2H5++XH→X++C2H6生成的正离子再分解XH2+→X++H2XH2+→A++CX+→B++D样品可以是有机物、无机物，反应气除CH4外，可用H2、NH3、C3H8。即使是不稳定的有机化合物，也可以得到很强的分子离子峰，谱图简化，属于软电离源。在CI谱图中准分子离子往往是最强峰，便于从QM＋推断相对分子质量、碎片峰较少，谱图较简单，易于解释。使用CI源时需将试样气化后进入离子源，因此不适用于难挥发、热不稳定或极性较大的有机物分析。

无挥发性的无机样品如金属、半导体、矿物的离子化，利用30KV脉冲高频电压，进行火花放电。特点：电离效率高。能量分散大（使用双聚焦分析器）。不必进行定量校正，进行定性和半定量分析。（3）高频火花电离源

图7-场致电离源示意图(4)场致电离源(FI)图7-2场致电离源示意图场致离子化是利用强电场诱发样品分子电离。在相距很近的阳极和阴极之间，施加7000～10000V的稳定直流电压，在阳极的尖端附近产生107～108V·cm-1的强电场，依靠这个电场把尖端附近纳米处的分子中的电子拉出来，使之形成正离子，然后通过一系列静电透镜聚集成束，并加速到质量分析器中去。在场致电离的质谱图上，分子离子峰很清楚，碎片峰则较弱，这对相对分子质量测定是很有利的，但缺乏分子结构信息。为了弥补这个缺点，可以使用复合离子源，例如电子轰击-场致电离复合源，电子轰击-化学电离复合源等。图7-3.3，3-二甲基戊烷的质谱图。将液体或固体试样溶解在适当的溶剂中，并滴加在特制的FD发射丝上，发射丝由直径约10μm的钨丝及在丝上用真空活化的方法制成的微针形碳刷组成。发射丝通电加热使其上的试样分子解吸下来并在发射丝附近的高压静电场(电场梯度为107～108V·cm-1)的作用下被电离形成分子离子，其电离原理与场致电离相同。(5)场解析电离源(FD)解吸所需能量远低于气化所需能量，故有机化合物不会发生热分解，因为试样不需气化而可直接得到分子离子。因此即使是热稳定性差的试样仍可得到很好的分子离子峰，在FD源中分子中的C-C键一般不断裂，因而很少生成碎片离子。

它是利用一束中性原子轰击试样导致有机物分子电离而获得质谱的一种软电离技术。这种电离方法使用的“快原子”，通常是将惰性气体元素氩先电离成Ar＋离子，再经电场加速，使之具有很高的动能。然后通过一电荷交换室使氩的高能离子被中和成高能的中性原子流。中性原子流在离子源内轰击试样分子，此时与试样分子发生能量交换并使试样分子电离和溅射出来生成离子流。(6)快原子轰击离子源(FAB)（1）硬电离源和软电离源（电离程度）（2）气相离子源和解吸离子源气相离子源：先将样品气化再离子化，一般用于bp<500度，M<103,且对热稳定的化合物。如EI、CI、FI等。解吸离子源：将液体或固体试样直接变成气态离子，一般用于测定非挥发、热不稳定、相对分子质量大（105）的化合物。如FD、FAB、MALDI、SIMS等。电离源的分类

当此具有一定动能的正离子进入垂直于离子速度方向的均匀磁场(质量分析器)时，正离子在磁场力(洛仑兹力)的作用下，将改变运动方向(磁场不能改变离子的运动速度)作圆周运动。上式称为磁分析器质谱方程式，是设计质谱仪器的主要依据。因此只有在一定的U及H的条件下，某些具有一定质荷比m／z的正离子才能以运动半径为R的轨道到达检测器。3.质量分离器两种方式扫描：①固定加速电压，改变磁场强度H。磁扫②固定磁场强度，改变加速电压V，电扫。电扫描分辨率低，只适用于离子能量分散较小的离子源，电子轰击，化学电离。连续改变H(磁场扫描)，就可使具有不同m／z的离子顺序到达检测器发生信号而得到质谱图。图7-4单聚焦质谱仪示意图

方向(角度）聚焦和能量（速度）聚焦，可以与高频火花源这种能量分散大的离子源结合使用，进行固体微量分析，广泛应用于有机质谱中。分辨率高，可达几千至百万，价格昂贵，维护困难。（2）

双聚焦分离器图7-双聚焦分离器示意图图7-双聚焦分离器示意图图7-5双聚焦分离器示意图（1）法拉第筒改变入口狭缝的宽度，可以改变仪器的分辨本领。适用于低加速电压，加速电压>1KV时，将产生二次电子甚至二次离子，使峰形畸变。双接收器，可以检测M1、M2两束离子流，可以同时检测两种成分，以减少系统不稳造成的误差。4.离子检测器曝光量则由时间或电量控制。利用谱线的位置与黑度，对元素进行定性和定量分析。主要用于火花源双聚焦质谱仪中，不需要记录离子流强度和电子设备，灵敏度高，但精度低，要先抽真空。（2）照相板工作原理与光电倍增管相似。多用于气相与有机质谱中。

优点：灵敏度高，测定速度快但：增益会逐渐下降。（3）电子倍增器一、表示：质谱图和质谱表两种方法质朴图：横坐标是m/e，纵坐标是相对丰度相对丰度：原始质谱图上最强的离子峰为基峰，100%。其之离子峰以此基峰的相对百分值表示。质谱表：以表格的形式给出各峰的m/e和相对丰度。§7-3质谱图与质谱表质谱图分子离子峰、同位素、碎片、重排、亚稳和多电子离子峰等。1.分子离子峰：分子受电子撞击后，失去一个电子而生成带正电荷的离子分子离子或母离子M+e-→M＋+2e故：分子离子峰m/e数值，相当于该化合物的相对分子质量。①

位于质谱图的右端，因为m/e一般最大。②

相对强度取决于分子离子相对于裂解产物的稳定性。芳香环>共轭多烯>烯>环状化合物>羰基化合物>醚>酯>胺>酸>醇>高度分支的烃类二离子峰表示

图7-6谷氨酸的质谱图（a）电子轰击源,(b)场致电离源，(c)场解吸源在高能量电子源轰击情况下，分子离子处于激发状态，原子间的一些键进一步断裂，产生质量数较低的碎片，获取分子结构的相关信息。

3.碎片离子峰4.亚稳离子峰离子离开电离室到达收集器之前的过程中，发生分解而形成低质量的离子所产生的峰。（母离子与子离子）亚稳离子峰钝而小，一般要跨2～5个质量单位，其质荷比通常不是整数，故可利用这些特征加以区别。两个或两个以上键的断裂中，某些原子或基团从一个位置转移到另一个位置生成的离子。转移基团多为氢原子。①

分子中有一个双键②

在γ碳位置上有H原子③

酮，醛，酸，酯羰基化合物，烯烃类和含苯环等化合物。5.重排离子峰原子或原子团重排产生碎片离子峰的过程：γ—H通过六元环转移到电离的双键或杂原子上，同时发生键的断裂，失去1个中性分子和产生重排离子：非常稳定的分子，可能失去两个或两个以上的电子，出现多电荷峰，M/z可能是整数，也可能量分数说明化合物十分稳定如芳香类化合物6.多电荷离子峰以甲基异丁基甲酮为例说明形成上述各种离子的过程，甲基异丁基甲酮的质谱图如下。

图7-7.甲基异丁基甲酮的质谱图（1）分子离子(2)碎片离子(3)麦氏重排一、断裂方式：均裂：一个键两电子裂开，各碎片异裂：键两电子都归属于其中某一个碎片半异裂：离子化键开裂§7-4断裂方式及有机化合物的断裂图象（一）脂肪类化合物1．饱和烃类：对直链烷烃分子离子，先通过半异裂失去一个烷基游离基，形成正离子，后连续失去28个质量单位。（CH2=CH2）二、重要有机化合物的断裂规律和断裂图象在质谱图上①获得CnH2n+1(m/e,29,43,57…)②比碎片离子峰低两个质量单位处出现一些链烯小峰，得CnH2n-1(失去一分子H2，m/e，27，41，55…)③分子离子峰的强度随分子量增加而减小。④支链的断裂，易出现在被取代的碳原子上，稳定性为：丢失烃基最大原则。2.羧酸、酯、酰胺：容易发生α开裂，产生酰基阳离子或另一种离子。对酯和仲、叔酰胺，主要是α2断裂。有γ—H存在，发生麦氏重排，失去一个碎片，产生一个奇电子的正离子：对酸与酯，得到奇电子离子的m/e，符合60+14n，而酰胺符合59+14n，n:C数。

m/z=60m/z=59醛、酮2.芳香族化合物也可发生

断裂，生成M/Z=77的苯基阳离子3.苯环的碎片离子会依次失去乙炔分子4.带侧链的芳香族化合物存在

-H时会发生麦氏重排生成重排离子一、相对分子质量测定

1.分子离子峰的质荷比必须符合氮律。

2.若出现，应该位于图的右端,不一定是质荷比最高的峰。

3.当分子中含Cl、Br、S时，可根据的比列来确认分子离子峰4.对于非挥发或者热不稳定的化合物，采用软电离源可提高分子离子峰的强度。§7-5质谱法的应用1个Br:1个S:1个Cl:

图7-8乙基氯的质谱图

对于多个Cl、Br原子的化合物，有非常强的M+2，M+4，M+6同位素离子峰，使用（a+b）n.a:轻质同位素丰度，b：重质同位素丰度，n:同种卤原子的个数。

若含3个Cl则n=3,（a+b）3=a3+3a2b+3ab2+b3

a=3,b=1=33+3×32×1

+3×3

×12+1=27+27+9+1

M:M+2:M+4:M+6,27:27:9:1二、分子式的测定

（一）用高分辨质谱仪确定分子式

高分辨质谱仪可精确地测定分子离子或碎片离子的质荷比(误差可小于l0-5)，故可利用元素的精确质量及丰度比求算其元素组成。例如CO，C2H4，N