丰鲁培训-质谱(GC-MS)培训讲义20170829

1几个概念2023/2/61原子电子离子自由基质谱离子原子2023/2/62电子乌克兰科学家首次捕获原子内部图像照片显示了碳原子电子云的几种组合方式2023/2/63电子云（铝原子）自由基2023/2/64细讲就偏题了……流行热词：自由基！自由基与离子2023/2/65自由基：是指化合物共价键发生均匀裂解而形成的具有不成对电子的原子或基团。在书写时，一般在原子符号或者原子团符号旁边加上一个“·”表示没有成对的电子。如氢自由基（H·，即氢原子）、氯自由基（Cl·，即氯原子）、甲基自由基（CH3·）。离子：是指化合物共价键不均匀裂解时，两原子间的共用电子对完全转移到其中的一个原子上，而形成了带正电和带负电的的稳定结构，这种断裂方式称之为键的异裂。质谱中的离子2023/2/66奇电子离子OE+·：带单电子的离子，如M+·,A+·,C+····

跟自由基很相像，自由基离子？？？

在质谱解析中，奇电子离子很重要，因质荷比较小的奇电子离子是由质荷比较大的奇电子离子裂解生成的。奇电子离子活性较大，不稳定，偶电子离子稳定。质谱中的离子2023/2/67偶电子离子EE+：带双电子（完整电子对）的离子，如B+,D+,E+,···偶电子离子m/z一般为奇数,若准分子离子为偶电子离子，则氮规律会“失灵”。奇电子离子活性较大，不稳定，偶电子离子稳定。2质谱中离子的形成

2023/2/68离子源（非气化）ESIAPCIMALDIFAB离子源（气化）EICIFINCI进样系统离子源质量分析器检测器1.气体扩散2.直接进样3.气相色谱1.电子轰击5.快原子轰击2.化学电离6.电喷雾3.场电离7.大气压化学4.基质辅助激光解析电离1.单聚焦2.双聚焦3.飞行时间4.四极杆质谱仪需要在高真空下工作：离子源（10-310-5Pa

）质量分析器（10-6Pa

）(1)大量氧会烧坏离子源的灯丝；(2)用作加速离子的几千伏高压会引起放电；(3)引起额外的离子－分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。2.1质谱仪全结构2023/2/692023/2/610

EI源应用最为广泛，它主要用于挥发性样品的电离。原理：由GC或直接进样杆进入的样品，以气体形式进入离子源，由灯丝发出的电子与样品分子发生碰撞使样品分子电离。特点：所有的标准质谱图都是在70eV下做出的。有机物分子可能被打掉一个电子形成分子离子，也可能会发生化学键的断裂形成碎片离子。2.2电子轰击电离

EI打个比方（EI）2023/2/611X√√X电子束样品分子举个例子（EI）2023/2/6122.3化学电离

CI/NCI2023/2/613++气体分子试样分子+准分子离子电子M+H,MH,M+17,M+29原理：CI源工作过程中要引进一种反应气体。气体经过电子轰击，产生离子，再与试样相互碰撞，产生准分子离子。特点：最强峰为准分子离子；谱图简单；不适用难挥发试样；打个比方（CI）2023/2/614试样分子+准分子离子M+H,MH,M+17,M+292.4场电离

FI2023/2/615特点：分子离子峰强；碎片离子峰少；不适合化合物结构鉴定；阳极+++++++++++++阴极d<1mm原理：当样品蒸汽接近或接触带高正电位的金属针时，在强电场的作用下发生电离。要求样品分子处于气态，灵敏度不高，应用逐渐减少。2.5电喷雾电离

ESI2023/2/6162.6大气压化学电离

APCI2023/2/6172.7基质辅助激光解析电离

MALDI2023/2/6182.8快原子轰击

FAB2023/2/6193离子的检测2023/2/620质量分析器分离并加以聚焦的离子束，按m/z的大小依次通过狭缝，到达收集器,

经接收放大后被记录。质量分析器离子源mmabovembelow检测器X+,X-RF/DCRF/DC单聚焦磁场分析器2023/2/621收集器离子源BS1S2磁场R方向聚焦；相同质荷比，入射方向不同的离子会聚；缺点：分辨率不高！双聚焦分析器2023/2/622离子源收集器磁场电场S1S2+-方向聚焦：相同质荷比，入射方向不同的离子会聚；能量聚焦：相同质荷比，速度(能量)不同的离子会聚；缺点：体积太大！

质量相同，能量不同的离子通过电场和磁场时，均产生能量色散；两种作用大小相等，方向相反时互补实现双聚焦；2023/2/623四极杆分析器

Quadrupole四极杆质谱结构简单，价廉，体积小，易操作，扫描速度快，适合于GC-MS,LC-MS。+四级杆检测器引入样品离子束-2023/2/624飞行时间分析器

TOFTOF-MS的核心部分是一个无场的离子漂移管：

加速后的离子具有相同的动能m/z小的离子，漂移运动的速度快，最先通过漂移管。m/z大的离子，漂移运动的速度慢，最后通过漂移管。适合于生物大分子。

分析室由三对平行的极板构成。磁力线沿z轴方向，离子的回旋运动垂直于z轴，在与x轴方向垂直的两极板上施加激发射频，在与y轴方向垂直的两极板上检测信号。傅立叶变换离子回旋共振FTICR2023/2/625离子阱分析器

Iontrap2023/2/626

特定m/z离子在阱内一定轨道上稳定旋转，改变端电极电压，不同m/z离子飞出阱到达检测器；4EI质谱仪全结构2023/2/627GC-MS为例只要在质谱图上确定了分子离子峰，就可获得被测物的分子量。所谓分子离子就是有机化合物分子受电子轰击后失去一个电子而形成的带正电荷的离子。由于有机分子的电子数都是偶数，所以单电荷的分子离子是一个自由基离子（奇电子离子）。5.1EI质谱特点EI源的质谱和其他软电离源质谱有很大的不同：2023/2/6285.2EI质谱图横坐标：质荷比（m/z）纵坐标：离子相对强度（%）。相对强度是把原始质谱图上最强的离子峰定为基峰，规定其相对强度为100%，其它离子峰以对基峰的相对百分值表示。2023/2/6295.3质谱中的离子

分子离子准分子离子同位素离子碎片离子重排离子母离子

子离子奇电子离子偶电子离子多电荷离子亚稳离子

2023/2/630

分子离子中的电荷位置：●若分子中含有杂原子，则分子易失去杂原子的未成键电子。●若分子中没有杂原子而有双键，则双键电子较易失去。●若分子中既没有杂原子也没有双键，其正电荷一般在分支碳原子上。电子云密度越大，越容易失去电子？？？杂原子：指有机化合物中，除含碳、氢原子外，还含有如氧、硫、氮等杂原子的化合物，常用“OSN”作标志。5.3.0定义

分子离子：在电子轰击下，有机物分子失去一个电子所形成的离子。

M+·,M-e→M+·2023/2/6311α断裂：自由基引发的断裂2i断裂：电荷引发（诱导效应）3断裂碎片离子：分子离子碎裂产生，广义上指除分子离子以外的所有离子。4环状化合物的裂解逆Diels-Alder反应（RDA）环己烯双键打开，同时引发两个α键断裂，形成两个新的双键。5.3.0定义2023/2/632经过重排，断裂一个以上化学键所生成的离子。麦氏重排重排离子：经过重排反应生成的离子。5.3.0定义2023/2/6335.3.0定义比分子量多(或少)1质量单位的离子，如(MH)+，(M-H)+除P、F、I外，组成有机化合物的常见的十几种元素中C、H、O、N、S、Cl、Br等都有同位素，因而在质谱图中会出现不同质量的同位素形成的峰，称为同位素离子峰。任何一个离子进一步裂解生成质荷比较小的离子，前者称为后者的母离子，后者称为前者的子离子。带有未配对电子的离子为奇电子离子，记做OE+；无未配对电子的离子为偶电子离子，记做EE+。一个分子丢失一个以上电子所形成的离子。从离子源出口到达检测器之前产生并记录下来的离子,其质量数不是整数，且峰宽度宽，丰度低。准分子离子同位素离子母离子子离子奇电子离子偶电子离子

多电荷离子

亚稳离子

2023/2/6342023/2/6

OE+.

奇电子离子或称自由基阳离子

EE+

偶电子离子或称阳离子

M+.

分子离子是一种奇电子离子

m*

亚稳离子

┐+.表示离子中电荷位置不一定

m/z质荷比,z所带的电荷为1时以m/e表示

RA相对强度(相对丰度)r重排

5.3.0定义

一个电子的转移；

一对电子的转移。35

rH

包括H转移的重排

σσ键的断裂，简单的键断裂

α-α断裂，游离基中心诱导的键断裂

β-β断裂，游离基中心诱导的键断裂

i-i断裂，电荷中心诱导的键断裂

IE电离能(电离电位)常用

符号

介绍5.3.1.1分子离子峰的特点2023/2/636一般质谱图上质荷比最大的峰为分子离子峰；有例外,由稳定性判断。形成分子离子需要的能量最低，一般约10电子伏特。

质谱图上质荷比最大的峰一定为分子离子峰吗？如何确定分子离子峰？5.3.1质谱中的离子-分子离子(1)Ｎ律由C，H，O组成的有机化合物，M一定是偶数。由C，H，O，N组成的有机化合物，N奇数，M奇数。由C，H，O，N组成的有机化合物，N偶数，M偶数。5.3.1.2分子离子峰的特点分子离子的判断

(2)分子离子峰与相邻峰的质量差必须合理（即第一丢失是否合理）第一丢失为4~14,21~25,33,37~38……通常是不合理丢失，相对应的最高分子峰不是分子离子峰。

第一丢失为14者，可能是同系物的混合物（如烷、有机酸、醇等）。

第一丢失为3时，可能是分支醇；一个失CH3，一个脱水，相差3。最高质量的碎片并不是M+。5.3.1质谱中的离子-分子离子1

2

3

151617

1819

20丢失

H.

H2H2+H.

.CH3O.

orNH2

OH.

H2O

F.

HF2023/2/637(1)制备挥发性衍生物(2)降低电离电压，增加进样量84848598988570ev12ev5.3.1.3分子离子的获得5.3.1质谱中的离子-分子离子2023/2/638m/zm/z3912792611491132791671491137157EICI（3）降低气化温度m/zm/zM206206T=160

CT=250

CM=390COOC8H17COOC8H17（4）采用软电离技术5.3.1质谱中的离子-分子离子2023/2/6395.3.1.4分子离子峰强度与结构的关系

当分子具有大的共轭体系时，分子离子稳定性高，含有π键的分子离子稳定性也较高，在各类化合物EI质谱中M+

稳定性次序大致如下：

芳香环（包括芳香杂环）>共轭烯>烯>脂环>硫醚，硫酮>酰胺>酮>醛>直链烷烃>醚>酯>胺>羧酸>腈>伯醇>仲醇>叔醇>高度支链烃5.3.1质谱中的离子-分子离子2023/2/6405.3.2质谱中的离子-同位素离子例如：CH4

M=1612C+1H×4=16M13C+1H×4=17M+112C+2H+1H×3=17M+113C+2H+1H×3=18M+2同位素峰分子离子峰

由于同位素的存在，可以看到比分子离子峰大一个质量单位的峰；有时还可以观察到M+2，M+3……1615m/zRA13.1121.0133.9149.2158516100171.1同位素离子：除P、F、I外，组成有机化合物的常见的十几种元素中C、H、O、N、S、Cl、Br等都有同位素，因而在质谱图中会出现不同质量的同位素形成的峰，称为同位素离子峰。2023/2/6412023/2/6425.3.2质谱中的离子-同位素离子贝农(Beynon)表

以M=150为例：化合物M+1M+2 化合物M+1M+2C6H14NOCl

8.150.49

C7H11N4

9.250.38C6H14O4

6.861.0

C8H6O3

8.360.95C7H2O4

7.751.06

C8H8NO2

9.230.78C7H4NO3

8.131.06

C8H11N2O

9.610.61

C7H6N2O2

8.500.72

C8H12N3

9.980.45C7H8N3O

8.880.5

C9H10O2

9.960.845.3.2质谱中的离子-同位素离子2023/2/643亚稳的意思是介于不稳定和稳定之间。如果是稳定的离子，在离子源生成之后可一直稳定的存在，直到被检测。如果是不稳定的离子，它在离子源内即以破裂成了别的离子。亚稳离子介于上述两种离子之间，是从离子源出口到检测器之间产生的离子。5.3.3质谱中的离子-亚稳离子m1+m2++N式中m1+：母离子

m2+：子离子

N：中性碎片，其质量为m1-m2亚稳离子：m*=m22m1特点①峰弱，强度仅为m峰的1%～3%。②峰钝，一般可跨2～5个质量单位。③m/e一般不是整数，与母离子和子离子有下述关系：亚稳离子：是指离子受电场加速后，在飞行途中碎裂而产生的离子，其对应的峰称为亚稳峰。亚稳离子峰可得到碎片离子之间的重要信息，对于推测结构由重大帮助。2023/2/644

一般有机化合物的电离能为7－13电子伏特，质谱中常用的电离电压为70电子伏特，使结构裂解，产生各种“碎片”离子。正己烷5.3.4质谱中的离子-碎片离子2023/2/6455.3.4质谱中的离子-碎片离子2023/2/6465.4质谱中的中性碎片2023/2/647IonPossiblylostgroupsPossibleinferenceM-15CH3M-16OAr-NO2,N+-O-,SulphoxideM-16NH2ArSO2NH2,-CONH2M-17OHM-17NH3M-18H2OAlcohol,Aldehyde,Ketone,etcM-19FFluoridesM-20HFFluoridesM-26C2H2AromatichydrocarbonM-27HCNAromaticnitriles,NitrogenheterocyclesM-28COQuinonesM-28C2H4Aromaticethylethers,Ethylesters,n-PropylketonesM-29CHOM-29C2H5Ethylketones,Ar-n-C3H7

M-30C2H6

M-30CH2OAromaticmethyletherM-30NOArNO2

M-31OCH3MethylesterM-32CH3OHMethylesterM-32S2023/2/6485.4质谱中的中性碎片IonPossiblylostGroupsPossibleinferenceM-33H2O+CH3

M-33HSThiolsM-34H2SThiolsM-41C3H5PropylesterM-42CH2COMethylketone,Aromaticacetate,ArNHCOCH3

M-42C3H6Butylketone,Aromaticpropylether,Ar-n-C4H9M-43C3H7Propylketone,Ar-n-C3H7M-43CH3COMethylketoneM-44CO2Ester,AnhydrideM-44C3H8M-45CO2HCarboxylicacidM-45OC2H5EthylesterM-46C2H5OHEthylesterM-46NO2Ar-NO2

M-48SOAromaticsulphoxideM-55C4H7ButylesterM-56C4H8Pentylketone,Ar-C5H11,ArO-C4H9

M-57C4H9ButylketoneM-57C2H5COEthylketoneM-58C4H10M-60CH3COOHAcetateM-79BrM-127I

当有机化合物蒸气分子进入离子源受到电子轰击时，按下列方式形成各种类型离子（分子碎片）：ABCD+e-

ABCD+

+2e-分子离子5.5质谱中有机分子的裂解BCD•

+A+

B•

+A+

CD•

+AB+

A

•

+B+

ABCD+

D•

+C+

AB•

+

CD+

C•

+D+碎片离子2023/2/649裂解的表示方法CH3CH2CH2OH；+R+

2）电子转移的表示：一个电子的转移；：一对电子的转移。1）离子正电荷位置的表示5.5质谱中有机分子的裂解2023/2/6505.5质谱中有机分子的裂解想象这样的场景：羊村分配一份公共财产：一粒花生或一只梨……或2023/2/651(1)均匀断裂（均裂：homolyticcleavage）：一对电子均分(2)非均匀断裂（异裂：heterolyticcleavage）：一对电子转移(3)半非均匀断裂（半异裂：hemiheterolyticcleavage）：一个电子转移键的断裂方式5.5质谱中有机分子的裂解分配公共财产的各种方法2023/2/6525.5质谱中有机分子的裂解1简单断裂分子离子断裂一个键，失去一个自由基形成阳离子的开裂叫简单开裂，包括σ-，i-，α-，β-断裂等。简单断裂反应的产物系分子中原已存在的结构单元。裂解类型位置不变无序的简单断裂重排2023/2/653

分子中σ键在电子轰击下，失去一个电子，随后分子开裂生成碎片离子和游离基。

σ断裂多发生于烷烃，以正己烷（C10H22）的简单开裂为例，得到一系列奇质量数的CnH2n+1的正离子。其他C—H、C—O、C—N、C—X（卤素）键的σ-断裂也均会产生相应的正离子和自由基。σ-断裂5.5.1-断裂+•+•机会均等孔融让梨2023/2/654正己烷5.5.1-断裂-断裂示例:正己烷2023/2/6555.4.2α-断裂（游离基中心诱导的键断裂）游离基对分子断裂的引发是由于电子的强烈成对倾向造成的。由游离基提供一个奇电子与邻接原子形成一个新键，与此同时，这个原子的另一个键断裂这种断裂通常称为α断裂。2023/2/656含杂原子的奇电子离子OE+.常常发生α-断裂（偶电子离子EE+很少发生）。α-键断裂，裂成一个R.自由基，含杂原子的碎片离子在质谱图中往往是基峰或重要的峰。5.5.2α-断裂①C－Y型（游离基中心定域于饱和杂原子）2023/2/657正癸胺与正癸烷的质谱差异很大，正癸胺的α-键断裂是主要的断裂方式，m/z30是基峰，σ-断裂变成次要的了，σ-断裂断裂的峰都较弱。

5.5.2α-断裂②C=Y型（游离基中心定域于不饱和杂原子）

酮

酸、酯、醛、酰胺等也可以发生α-键断裂。酮、醇、醚、胺等的分子离子有多个α-键，因此可发生多个α键断裂，而是去烷基游离基，在多个竞争的反应中，失去的烷基游离基愈大，反应愈有利，因而对应的产物离子丰度愈大。2023/2/6585.5.2α-断裂

醇类最多可有三种α-断裂，醚最多可有六种α-断裂方式，所以α-断裂是一个竞争过程，究竟哪一种占优势，一般遵循丢失最大烃基规则。例如2-己醇M=102，可以发生三种α-断裂：2023/2/6595.5.2α-断裂α-断裂示例:2-己醇α-断裂时，丢失最大烃基的可能性最大丢失最大烃基原则α-断裂示例:2-戊醇2023/2/6605.5.2α-断裂20306070405080901003044m/zCH3(CH2)9CH2NH2M=1575.5.2α-断裂α-断裂示例：正癸胺2023/2/6615.5.2α-断裂α-断裂示例：3-己酮2023/2/6625.5.2α-断裂α-断裂示例：2-乙基丁基醚2023/2/663

5.4.3i-断裂—电荷中心诱导的键的断裂

i-断裂反应的推动力是由于电荷中心吸引一对电子，造成单键的断裂，随着一对电子的转移，电荷中心也移到新的位置。偶电子离子i-断裂的特点如同奇电子离子，只有产物不同，它生成一个正离子和一个中性分子。

饱和烃在发生σ-裂解后产生的偶电子离子(EE+)可进一步发生诱导裂解。

2023/2/6645.5.3i-断裂i-断裂示例1：饱和烃2023/2/6655.5.3i-断裂

酮、醚化合物经过α-断裂后得到的偶电子离子(EE+)也进一步发生i-断裂。i-断裂示例2：酮和醚2023/2/666醇类化合物采用化学电离得到准分子离子（M+H）是偶电子离子(EE+)，又可以进一步发生i-断裂。i-断裂示例3：醇类5.5.3i-断裂2023/2/667

i断裂和断裂是相互竞争的反应。一般讲，i断裂的重要性小于断裂。断裂的大致顺序：NS、O、、RClBrIi断裂的大致顺序：卤素S、ON、C5.5.3i-断裂

含有双键化合物的奇电子离子(OE+.)容易发生β-断裂。①烯烃的β-断裂

与双键相连的是α键，紧挨着α键的是β键。由独电子引发，β键发生断裂，在α键处生成一个新键，产生一个自由基和一个阳离子，正电荷在双键一侧。2023/2/6685.5.3β-断裂②芳烃的β-断裂当芳烃具有烷基侧链时，相当于芳环双键的β位容易开裂，生成苄基离子。2023/2/669由于苄基离子容易扩环形成卓鎓的离子极稳定的缘故，m/z91是基峰，它进一步开裂的可能性较小，其开裂后的碎片m/z65，m/z39的峰都是弱峰。5.5.3β-断裂重排的特点重排同时涉及至少两根键的变化，在重排中既有键的断裂也有键的生成。重排产生了在原化合物中不存在的结构单元的离子。最常见的是脱离中性小分子的重排反应。脱离中性小分子所产生的重排离子是奇电子离子。脱离掉的中性小分子及所产生的重排离子均符合氮规则。从离子的质量数的奇、偶性可区分经简单断裂所产生的碎片离子和脱离中性小分子所产生的重排离子。5.5.5重排（两个或两个以上键的断裂）2023/2/670（1）环的断裂①饱和烃的断裂饱和环状化合物是比较稳定的，因为它断裂出一个碎片需要断裂两个键。例如环己烷的分子离子就很强。

环己烷的分子离子由独电子引发经α-断裂产生一个CH2=CH2中性分子和一个m/z56的奇电子离子（基峰）。

2023/2/6715.5.5重排（两个或两个以上键的断裂）

②不饱和环的断裂不饱和环的开裂遵循反狄尔斯-阿尔德反应（Retro-Diels-Alder-Reaction简称RDA）。当分子中存在含一根键的六员环时，可发生RAD反应。这种重排反应为：

环己烯的裂解途径是由独电子引发，经过两次α-断裂，即反狄-阿反应，形成一个中性分子和一个奇电子离子。2023/2/6725.5.5重排（两个或两个以上键的断裂）

反狄-阿反应（RDA）已很好的用于解释具有环己烯结构的各种化合物的裂解过程。它们也遵循stevenson规则，正电荷优先保留在较低电离电位的碎片上。

说明：该重排正好是Diels-Alder反应的逆反应；

含原双键的部分带正电荷的可能性大些；

当存在别的较易引发质谱反应的官能团时，RDA反应则可能不明显。2023/2/6735.5.5重排（两个或两个以上键的断裂）（2）McLafferty重排说明：D=E代表一个双键（或叁键）基团；

C可以是碳原子也可以是杂原子；

H是相对于不饱和键位置碳原子A上的氢原子。只要满足条件（不饱和基团及其氢的存在），发生麦式重排的几率较大。重排离子如仍满足条件，可再次发生该重排。麦式重排有生成两种离子的可能性，但含键的一侧带正电荷的可能性大些。

麦式重排可产生两种重排离子，其通式为：5.5.5重排（两个或两个以上键的断裂）2023/2/6745.5.5重排（两个或两个以上键的断裂）2023/2/6752023/2/6765.5.5重排（两个或两个以上键的断裂）2023/2/6775.5.5重排（两个或两个以上键的断裂）2023/2/6785.5.5重排（两个或两个以上键的断裂）2023/2/6795.6常见官能团的质谱裂解模式一、烷烃1）直链烷烃的质谱特点直链烷烃显示弱的分子离子峰。直链烷烃的质谱由一系列峰簇（CnH2n-1,CnH2n,CnH2n+1）组成，峰簇之间差14个质量单位。峰簇中CnH2n+1为最高峰。各峰簇的顶端形成一平滑曲线，最高点在C3或C4。比分子离子峰质量数低的下一个峰簇顶点是M-29，而有甲基分枝的烷烃将有M-15。直链烷烃2023/2/680有m/z：29，43，57，71，……CnH2n+1系列峰(σ—断裂)5.6常见官能团的质谱裂解模式直链烷烃2023/2/6812）分枝烷烃的质谱特点分枝烷烃的分子离子峰较直链烷烃降低。各峰簇顶点不再形成一平滑曲线。因在分枝处易断裂，其离子强度增强。在分枝处的断裂，伴随有失去单个氢的倾向，产生较强的CnH2n离子，有时可强于相应的CnH2n+1离子。5.6常见官能团的质谱裂解模式支链烷烃2023/2/682环烷烃3）环烷烃的质谱特点由于环的存在，伴随氢原子的失去，有较强的CnH2n-2峰。分子离子峰的强度相对增加。通常在环的支链处断开，给出CnH2n-1峰，也常环的碎化特征是失去C2H4（也可能失去C2H5）。5.6常见官能团的质谱裂解模式2023/2/6835.6常见官能团的质谱裂解模式环烷烃2023/2/6841）链状不饱和脂肪烃的质谱特点双键的引入，可增加分子离子峰的强度。仍形成间隔14质量单位的一系列峰簇，但峰簇内最高峰为