第8章分子质谱

第8章分子质谱法MassSpectroscopy本章内容及重点3、质谱的应用1、质谱仪的基本结构与原理※离子源及质量分析器的种类及特点2、质谱中离子峰的类型※分子离子峰、同位素离子峰及基峰的概念与特点※分子量与分子式测定的方法；分子离子峰的识别以及同位素峰强度的计算与应用一、质谱法的定义§8-1概述将样品转化为运动的气态离子并按离子的质荷比（m/z）大小进行分离记录得到谱图（质谱图或称为质谱），再根据谱图提供的信息进行物质的定性、定量、结构分析和样品中各种同位素比的测定以及固体表面的结构和组成分析等的分析方法。二、质谱法的突出特点（与核磁、红外、紫外相比）质谱法是唯一能同时提供分子量、分子式、分子骨架和官能团结构信息的方法灵敏度高，样品用量少通常只需微克级样品，检出限可达10-14g应用范围广分析速度快与计算机联用可以实现很多化合物结构的自动解析仪器价格昂贵、维修使用麻烦、样品被破坏、无法回收三、质谱法的应用（1）

测定样品的元素组成（2）无机、有机及生物分析的结构分析分子结构不同，得到的离子碎片不同(质荷比不同)（4）复杂混合物的定性定量分析（5）固体表面结构和组成分析（3）样品中各同位素含量及组成比分析（6）可以用于气体、液体和固体样品的分析-----与色谱方法联用(GC-MS)-----激光烧蚀等离子体---质谱联用四、质谱法的发展1813年：Thomson使用MS报道了Ne是由22Ne和24N两种同位素组成；随后，同位素分析开始发展。上世纪40年代初：开始将MS用于石油工业中烃的分析，大大缩短了分析时间。上世纪50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NMR、IR等方法结合成为分子结构分析的最有效的手段上世纪80年代：非挥发性或热不稳定分子的分析进一步促进了MS的发展上世纪90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；同时一些仪器联用技术如GC-MS，HPLC-MS，GC-MS-MS，ICP-MS等正大行其道1.质谱表——用表格表示质谱数据(峰的m/z值及相对强度)如：正丙烷的质谱表m/z值273951相对强度———五、质谱的表示方法2.质谱图以m/z为横坐标，离子相对强度（相对基峰——谱图中最强的离子峰，规定其相对强度为100%，或称为丰度）为纵坐标得到的谱图§8-2质谱仪及原理一、质谱的基本过程气态分子正离子加速导入质量分析器收集质谱图峰位置定性定结构峰强度定量分析高能粒子束按m/z大小二、质谱仪的组分部件进样系统离子源（电离室）质量分析（分离）器检测器记录仪真空系统二、质谱仪的组分部件质量分析器离子源进样系统三、质谱仪的主要部件1、进样系统（1）作用高效重复地将样品引入到离子源中并不造成系统真空度的降低（2）进样方式加热进样（间歇式进样）——用于气体及沸点低、易挥发液体和具有中等蒸气压的固体1.3-0.13Pa（加热）（一般为标准配置）三、质谱仪的主要部件——进样系统之进样方式直接（探针）进样——高沸点的试液、固体试样可用探针（通常是一根末端有一装样品的黄金杯(坩埚)的金属杆）或直接进样器送入离子源，调节温度使试样气化优点：1）引入样品量小，样品蒸汽压可以很低；2）可以分析复杂有机化合物；3）应用更广泛。（一般为标准配置）三、质谱仪的主要部件——进样系统之进样方式色谱(电泳)-质谱联用仪器中，经色谱(电泳)分离的组分通过接口元件直接导入离子源色谱进样离子化室标准进样专门用于PFK（全氟煤油）标准样品的进样系统三、质谱仪的主要部件2、离子源（电离室）（1）离子源的作用将进样系统引入的气态样品分子转化成离子（2）离子源的种类气相源解析源——试样先气化再离子化的方式适于沸点低于500oC的热稳定的化合物如电子轰击源(EI)、化学电离源(CI)、场电离源(FI)——试样(液体或固体)直接转化为气态离子的方式适用于分子量高达105的非挥发性或热不稳定性样品如场解吸源(FD)、快原子轰击源(FAB)、激光解吸源(LDI)、电喷雾电离源和大气压化学电离源（质谱仪的心脏）分类一三、质谱仪的主要部件——离子源硬电离源软电离源分类二能量高，如EI。伴有化学键的断裂，谱图复杂，可得到分子官能团的信息，但分子离子常较少离子化能量低，如场解吸源。产生的碎片少，谱图简单，可得到分子量信息。（3）

电子轰击源(ElectronImpact，EI)★EI的基本原理高速电子分子离子低速电子三、质谱仪的主要部件——离子源之EI★EI的基本结构灯丝温度达2000℃，产生高速电子束（能量为10～7OeV）电离效率高，灵敏度好，结构简单，操作方便，使用最广泛，谱库最完整；★EI的特点分子离子峰强度较弱或不出现（因电离能量最高），不适合分子量大热稳定性不好的物质优点缺点三、质谱仪的主要部件——离子源（4）

化学电离源(ChemicalIonization,CI)样品分子先被大量反应气(通常是甲烷)稀释，因此灯丝发出的高能电子首先是将反应气电离，然后反应气离子再与试样分子之间产生离子-分子反应，实现样品分子的电离★CI的基本原理样品分子（M－1离子）（M＋1离子）高能低能奇电子离子偶电子离子三、质谱仪的主要部件——离子源★CI的特点（5）

场电离源(Fieldionization,FI)——应用强电场诱发样品电离★FI的过程：★FI的特点：由电压梯度约为107-108V·cm-1的两个尖细电极组成。流经电极间的样品分子由于价电子的量子隧道效应而发生电离。电离后被阳极排斥出离子室并加速经过隧道进入质量分析器电离温和，碎片少，主要产生分子离子M+和(M+1)+峰。电离能小，质谱峰数少，图谱简单；准分子离子（M+1)+峰大,可提供分子量信息三、质谱仪的主要部件——离子源类似于场电离源，它也有一个表面长满“胡须”(长0.01mm)的阳极发射器(Emitter)。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★FD的过程：特别适于非挥发性、热不稳定、且分子量高达100000的物质的分析，分子离子峰和准分子离子峰强，谱图更为简单。★FD的特点：（6）

场解析电离源(Fielddesorption,FD)由EI、FI和FD电离源得到的质谱图EIFIFD三、质谱仪的主要部件——离子源（7）快原子轰击电离源

(Fastatombombardment,FAB)高速电子—惰性气体电离—电场加速—高速离子束—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。★FAB的基本过程：（8）激光解析电离源(Lasrdesorptionionization,LDI)

（9）火花源(Spark)和高频电感耦合等离子体（ICP）针对金属合金属或离子残渣样品等非挥发性无机物的分析，类似于AES中的激发光源★EAB的特点适于分子量高达10000以上的物质和热不稳定物质，分子离子峰强，谱图较为简单。三、质谱仪的主要部件——离子源三、质谱仪的主要部件3、质量分析器——质谱仪的主体（1）质量分析器的作用将离子源产生的离子按照质荷比m/z的大小分离，使符合条件的离子飞过分析器，不符合条件的离子即被过滤掉单聚焦质量分析器双聚焦质量分析器四极滤质器飞行时间分析器（2）常见质量分析器的种类磁分析器三、质谱仪的主要部件——质量分析器（3）单聚焦分离器(Magneticsectorspectrometer)：通过磁场来实现将离子按质荷比分离，内部主要为电磁铁★单聚焦分离器的基本原理：离子质量离子速度离子所带电荷加速电压各种正离子受到800~8000V的高压电场加速，加速后的动能等于离子的位能②加速后的离子进入磁场中，由于受到磁场的影响，离子作圆周运动（弧形运动），离子的向心力（磁场力）BZ和运动的离心力m2/R相等三、质谱仪的主要部件——质量分析器★单聚焦分离器的基本原理：磁场强度离子运动的轨道半径得：离子在磁场中的轨道半径R取决于：m/z、B

、U若B和U固定不变，则离子的m/z越大，运动半径越大，运动半径不同，各种离子按m/z的大小顺序分开三、质谱仪的主要部件——质量分析器固定加速电压U，连续改变磁场强度B，称为磁场扫描（m/z∝B2）固定磁场强度B，连续改变加速电压U，称为电场扫描（m/z∝1/U）无论什么扫描，m/z相同的离子汇聚成离子束，即方向聚焦（常用扫描方式）★单聚焦分离器的特点——结构简单，操作方便，分辨率低单聚焦质量分析器只是将m/z相同而入射方向不同的离子聚焦到一点（实现方向聚焦）；但对于m/z相同而动能（或速度）不同的离子不能聚焦，故其分辨率较低，一般为5000。

三、质谱仪的主要部件——质量分析器（4）双聚焦分析器（Doubpefocusingmassanalyzer）实现速度(能量)聚焦实现方向聚焦★结构：一个电场加一个磁场组成★原理：能量聚焦，方向聚焦，磁偏转★特点：高分辨率（高达150,000），操作复杂三、质谱仪的主要部件——质量分析器（5）四极滤质器(Quadrupolemassfilter)四极滤质器由四根平行的金属杆组成。被加速的离子束穿过对准四根极杆之间空间的准直小孔。通过在四极上加上直流电压U和射频电压Urf，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，只有合适m/z的离子才会通过稳定的振荡进人检测器只要改变U和Urf并保持U/Urf比值恒定时，可以实现不同m/z的检测。特点：分辨率比磁分析器略低(max.2000);m/z范围与磁分析器相当；传输效率较高；扫描速度快，可用于GC-MS联用仪。三、质谱仪的主要部件——质量分析器（6）飞行时间分析器(Timeofflight,TOF)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，其速度大小为：★过程：到达无场漂移管末端的时间为：不同离子通过同一长度为L的无场漂移管，所需时间相差：三、质谱仪的主要部件——质量分析器★TOF的过程：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。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达收集极上，并反馈到示波器上记录，从而得到质谱图。★TOF的特点：扫描速度快(1000幅/s)，可用于研究快速反应或与GC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三、质谱仪的主要部件4、检测器常用检测器：法拉第杯、电子倍增器、光电倍增管、闪烁计数器、照相底片等（1）Faraday杯可检测10-15A的离子流，但不适于高加速电压下的离子检测。特点类似光电倍增管，可测10-18A电流；但有质量歧视效应。（2）电子倍增器记录离子的数目。（3）闪烁计数器三、质谱仪的主要部件5、高真空系统（1）真空系统的设置目的降低背景、减少离子间或离子与分子间的碰撞保持进样系统、离子源、质量分析器及检测器处于一定的真空度下（2）真空系统的作用贮样器：10-3Pa离子源：10-4~10-5Pa（3）真空泵种类机械泵＋扩散泵分子泵质量分析器：10-6Pa左右四、质谱仪的性能指标1、分辨率（R）所谓分辨率，是指质谱仪分开相邻质量数离子的能力。（1）分辨率的计算★对两个相等强度的相邻峰，当两峰间的峰谷不大于其峰高10%时，认为两峰已经分开，

仪器分辨率为：其中m1、m2为质量数，且m1<m2★当找不到上述要求的两个峰时，则分辨率的计算式·为R=mw0.05相邻两峰中任意一个单峰的峰高5%处的峰宽五、质谱仪的性能指标（2）分辨率的影响因素离子通道的半径；离子源的性质加速器与收集器狭缝宽度加速电场及磁场的稳定性质量分析器的聚焦本领当前质谱仪的分辨率一般再500~500000之间2、质量测定范围

质谱仪的质量测定范围表示质谱仪所能进行分析的样品的相对原子质量（或相对分子质量）范围，质谱图中出现的离子峰种类：分子离子峰同位素离子峰碎片离子峰重排离子峰亚稳离子峰等质谱图中离子峰种类、数目及相对强度与分子结构密切相关，同时与仪器类型、实验条件相关基峰——谱图中最强的离子峰(相对强度规定为100%）§8-3分子质谱离子类型一、分子离子峰分子分子离子分子离子峰的m/z的数值等于该化合物的分子质量分子经电离源电离后失去一个电子而形成的带正电荷的奇电子离子（分子离子或母离子也可以用表示）在质谱图中对应的离子峰二、同位素离子峰有些元素具有天然存在的稳定同位素，所以在质谱图上出现一些M＋l、M＋2等的峰，由这些同位素形成的离子峰称为同位素离子峰。三、碎片离子峰分子离子进一步裂解后产生的离子峰质谱图中强度最大的质谱峰相应于最稳定的碎片离子

有机化合物中，C-C键不如C-H键稳定，因此烷烃的断裂一般发生在C-C键间，且较易发生在支链上，形成正离子稳定性的顺序是：三级＞二级＞一级

最大烷基优先失去原则m/z=57m/z=71——质谱解析分子结构的重要依据三、碎片离子峰

烯烃多在双键旁的第二个键上开裂：苯的最强峰为M+，芳香族化合物将先失去取代基，再形成苯甲离子

含杂原子的分子，断裂的键位顺序为位、位和位：R—X~R++X•共振稳定化离子四、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所生成的离子，称为重排离子。质谱图上相应的峰为重排离子峰．可以发生这类重排的化合物有：酮、醛、酸、酯和其它合羰基的化合物等．发生这类重排所需的结构特征是，分子中有一个双键以及在γ位置上有氢原子．麦氏重排五、亚稳离子峰质量为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，由于碰撞等原因很容易进一步分裂失去中性碎片而形成质量为m2的离子，即：M1

→m2+m，能量高能量低丢失碎片由于m2的能量小于m1

，在磁场中有更大的偏转，从而形成亚稳离子峰m*，该峰可以看成是m1和m2的“混合峰”，即形成“宽峰”，极易识别。且满足下式：§8-4质谱法的应用一、定性分析质谱是纯物质鉴定的最有力工具之一，可以用于相对分子质量测定、化学式确定、结构鉴定及定量分析等。1、标准谱图检索定性2、相对分子量测定从分子离子峰的m/z可准确地测定分子的相对分子质量一、定性分析——相对分子量测定（1）分子离子峰的识别利用化学结构来判断各类化合物分子离子峰稳定性顺序为：芳香环（芳香、杂环）>脂环>硫醚、硫酮>共轭烯烃>直链烷烃>酰胺>酮>醛>胺>脂>醚>羧酸>支链烃>腈>伯醇>叔醇>缩醛分子中存在长链、支链，含有-OH、-NR等极性基团时，分子离子峰通常看不到利用经验规律判断②其左边3~14或21~24个质量单位范围内一般无峰①原则上除同位素峰外它是最高质量的峰。但要注意某些样品会形成质子化离子(M＋H)+峰（醚，脂，胺等），去质子化离子(M－H)+峰（芳醛、醇等）及缔合离子(M＋R)+峰。一、定性分析——相对分子量测定（分子离子峰的识别）③分子离子峰均符合“氮律（氮规律）”氮规律

含有偶数(包括零)个N时，分子离子峰的m/z为偶数；含有奇数个N原子时，分子离子峰的m/z为奇数。——所有单电子离子峰均满足氮律凡不符合氮规律的离子峰一定不是分子离子峰④利用同位素峰强度比同位素13C2H17O18O15N33S34S37Cl81Br丰度(%)1.080.0160.040.200.370.784.4032.5098.0——分子离子峰与同位素峰相对强度之比与同位素丰度比相符分子中有一个Cl，则IM＋2/IM=1:3；分子中有一个Br，则IM+2/IM=1:1；分子中有一个硫S，则IM+2/IM=4.4%一、定性分析——相对分子量测定（分子离子峰的识别）通过改变实验及仪器条件来判别①采用CI、FI、FAB等软电离方法，分子离子峰强度增大；如采用EI源，降低电子能量至7-12eV，分子离子峰强度增大；②不用加入进样，改用直接进样，分子离子峰强度增大；降低加热或直接进样温度，分子离子峰强度增大；③对于强极性、难挥发、热不稳定化合物，制备易挥发的衍生物后再测定，分子离子峰强度增大。二、结构鉴定1、分子式的确定对于化合物CwHxNyOz，其同位素峰与分子离子峰的强度比为：——低分辨质谱仪上用忽略2H,17O的影响后利用计算值，查Beynon表（1）由同位素相对丰度法推导分子式二、结构鉴定——分子式的确定对于含有Cl，Br，S等同位素天然丰度较高的元素的化合物，其同位素离子峰相对强度一般较大，同位素离子强度之比符合：例如：(a+b)n展开式各项之比轻同位素的丰度重同位素的丰度同位素的个数对于分子式CH2Cl2对元素Cl来说，a=3,