第十七章 质谱法

第十七章质谱法

利用离子化技术，将化合物分子转变成带电荷的离子，按其离子的质荷比（m/z）的大小依次排列而成的谱图称为质谱图，简称质谱（massspectrum;MS）。用质谱来进行成分和结构分析的方法称为质谱法（massspectroscopy）。第一节概述

generalization质谱法的特点应用范围广。可用于同位素分析、无机成分分析、有机结构分析。灵敏度高，检测限ng级10-9-10-12。样品用量少。一次分析仅需几微克甚至更少的样品。分析速度快。完成一次全谱扫描，一般仅需1至几秒，最快可达1/1000秒，可实现色谱-质谱的在线联用.准确度高：高分辩率可测至10-6u。（u=质子质量单位1.6605655×10-27kg）有机质谱法的用途

主要用于测分子量、分子式、定性鉴别及研究有机分子等。测定分子量：由高分辨率质谱获得分子离子峰的质量数，可测出精确的分子量。鉴定化合物：在相同的条件下测定未知样品并与谱库的谱图比较或与标准样品的谱图比较，可进行定性鉴别。推测结构：从分子离子峰、碎片离子峰等获得的信息推测分子结构。实现色谱-质谱、质谱-质谱联用。第二节质谱法的基本原理和质谱仪在减压条件下，对有机物质进行加热，使它变为气体分子，后在电离室用电子来轰击这些气体分子，使其电离成带电离子，大多数情况下带一正电荷，这些带正电荷的离子被加速电极加速，以一定速度进入质量分析器，在磁场下不同质荷比离子发生偏转，角度不同，低质量的离子比高质量的离子偏转角度大，这样就可按质荷比（m/z）的大小互相分开。依次到达检测器被检测，把这些讯号记录下来就成为质谱图。电离和加速室质谱仪基本构造由五部分组成：高真空系统、样品导入系统、离子源、质量分析器、离子检测器及数据处理系统(一)高真空系统

高真空系统是质谱仪正常工作的保障系统，离子的产生、分离及检测均是在高度真空状态下进行的。离子源、电场、和磁场分析器等都必须置高真空。真空度低，有空气、氧气，要影响灯的寿命；空气也会产生信号使本底高，无法测微量物质；真空度低，会产生额外的离子、分子反应，形成新的碎片离子。质谱仪的工作环境要求在10-2-10-5pa（二）样品导入系统进样系统是将样品传输到真空状态的离子源的装置对于气体和挥发性液体，样品可在减压下保持在贮存器中，后经分子漏孔扩散到离子源的电离室或通过针形阀控制流量，直接将气样送入离子源。液体样品可在减压下把液体样品加热气化，把蒸气贮存在一个瓶中，后经分子漏孔送入电离室。样品导入系统分为两类：直接进样和色谱联用导入样品（GC-MS、HPLC-MS等）。(三)离子源

离子源也叫离子化室。1.离子源的作用有两个方面：将被分析的样品电离成离子；把正离子引出，加速和聚焦。2.对有机物最常用的电离方法有：电子轰击源（EI）化学电离源（CI）场致电离源（FD）快速原子轰击离子源（FAB）电喷雾离子源（ESI）等电离和加速室1.电子轰击离子源（EI）

分子通常失去一个电子成为有一个不成对电子的正离子，称为分子离子：M+e（高速）→+2e(低速)

M-e→轰击电子使有机化合物失去一个电子所需的能量在10ev左右，当轰击电子具有较高的能量时（一般为70ev）,除使分子电离为分子离子外，还有多余的能量使分子离子发生化学键的断裂，形成各种低质量数的碎片离子和自由基.M表示分子，表示分子离子。

1.电子轰击

离子源（EI）ABCD+e→ABCD+·（分子离子）+2eABCD+·→A++BCD·→AB·+CD+→C·+D+或C++D·→AB++CD·→A·+B+或A++B·→BCD++A·质谱主要是研究带正电荷的离子谱。正离子以高速进入质量分析器，负离子、中性离子被推到低压的真空系统抽出。1.样品分子被打掉一个

电子形成分子离子。

2.分子离子进一步发生

化学键断裂形成碎片离子1.电子轰击离子源（EI）EI优点：重现性好，灵敏度高；碎片离子多，能提供丰富的结构信息；稳定，操作方便，方法成熟；应用最广，标准质谱图基本都是采用EI源得到的。EI缺点：对分子量大或稳定性差的样品，常常得不到分子离子峰；不适合于难挥发、热不稳定化合物的分析。2.化学电离源（CI）

离子室内的反应气（CH4、NH3、N2等;为样品的103~105倍）先电离，形成反应气离子，反应气离子和样品分子碰撞发生离子-分子反应，产生准分子离子。

反应气离子的形式

：

CH4+e→+2e→+

反应气离子形成加合离子：+CH4→·CH3+CH5+

反应气离子和样品分子M发生离子-分子反应：

CH5++M→CH4+MH+C2H5++M→C2H4+MH+

（MH+为准分子离子，M+1）生成的正离子还可能再分解。反应气CH4；样品MCH3++CH4→C2H5++H22.化学电离源（CI）优点：属于软电离方式，准分子离子峰强度大，通过准分子离子（M±1）确定分子量易获得有关化合物官能团的信息谱图简单；缺点：重现性较差；样品需要加热气化后进行离子化，故不适合于难挥发、热不稳定化合物的分析。++气体分子试样分子+准分子离子电子(M+1)+;(M+17)+;(M+29)+;3.快原子轰击离子源（FAB）

由电场使Xe原子电离并加速，产生快速离子，在直接通过Xe气室产生电荷交换得到快速原子：

Xe+（快）+Xe（热）→Xe（快）+Xe+（热）高动能的原子对样品进行轰击。优点：样品不需要加热气化，故适用于强极性、高分子量不挥发性或热不稳定的化合物的分析。属于软电离方式，可通过强度较高的准分子离子峰（M+1或M-1）得到样品分子量的信息。缺点：影响离子化效率的因素较多，图谱重现性差。（四）质量分析器（massanalyzer）作用：将离子源中形成的离子按质荷比(m/z)的差异进行分离。常用的质量分析器有磁分析器，四极杆分析器，三维四极离子阱分析器等。磁分析器分为单聚焦和双聚焦质量分析器两种1．单聚焦质量分析器（方向聚焦质量分析器）

1.概念：对离子束实现质量色散和方向聚焦的磁分析器。2.原理：

满足条件：m/z=(H2R2)/2V

R=mv/zH

加速离子（在离子源中被加速，具有一定能量）狭缝磁场磁场作用作匀速圆周运动m—离子质量；；z

—离子的电荷量；m/z—

离子质荷比；V—加速电压；H：磁场强度；v—离子的运动速度；R—离子的偏转半径（运动半径）；m/z=(H2R2)/2V

R=mv/zH

运动半径R由V、H和m/z三者决定的。当V和H均固定时，不同m/z的离子有不同的R，即磁场可将不同m的离子按m/z值的大小分成不同的离子束，即磁场的质量色散作用。磁场对能量及质量相同，但进入磁场时方向不同的离子具有方向聚焦作用。无论其进入磁场时的方向如何，经质量色散后均具有相同的运动半径R，故最终能被集中成一个离子束通过狭缝到达检测器—方向聚焦。当H固定时，不同mv/z的离子具有不同的R，这是磁场的能量色散作用。但如果m/z相同，v稍有差异的离子通过磁场后，由于R不同，则被发散（分散），这样会导致所有m/z相同的离子没有聚到一起，即不能对不同动能的离子实现聚焦，使仪器的分辨率降低，这即单聚焦质量分析器的缺点。单聚焦质量分析器的特点收集器离子源BS1S2磁场R

质量色散：方向聚焦：

相同质荷比，入射方向不同的离子会聚焦。不能实现能量聚焦，故分辨率不高磁场可将不同质量的离子按m/z的大小顺序分成不同的离子束——质量色散。2．双聚焦质量分析器质量色散：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；分辨率高。

扫描速度慢,操作困难，造价高。3、四极杆质量分析器（四极滤质器）在某一特定的射频电场内，只有一定的m/e离子沿z轴方向作无限的振幅运动，通过四极场要到达接收器，这些离子称为共振离子；而那些质量较低或较高的离子振幅过大，磁到四极杆上，与带电的极棒相碰而失去电荷，因而不能通过滤质器，这些离子称非共振离子，故改变电参数能使滤质器变为一个扫描式质谱仪，能连续传输不同m/z的离子，可记录完整的质谱。3、四极杆质量分析器优点：体积小，分辩率高（可达15000），扫描速度快，灵敏度高；离子传输频率高。不足之处：质量数范围不太宽，一般1000amu以内；分辨率低于双聚焦质量分析器；不能提供亚稳离子信息。（五）离子检测器

作用是将质量分析器分离后的不同质荷比的离子流的信号进行接收和检测。（1）电子倍增管：（2）微通道板检测器（六）、质谱仪的主要性能指标2.灵敏度：产生具有一定信噪比的分子离子峰所需的样品量3.质量范围：指质谱仪可测定的离子质量范围，单位为amu，四极杆质量分析器为10~1000。4.质量准确度：离子质量实测值M与理论值M0的相对误差。h/10hmm+m

分辨率M与M+M谱线相邻两峰峰谷高<10%基本分开标志分辨率小于1000的称为低分辨率质谱仪，分辨率大于10000的称为高分辨率质谱仪。1.分辨率：仪器分开相邻两质谱峰的能力R=M/M五、质谱表示方法

1.棒形图

1005080100120m/z128(M+)2729414355577199113纵坐标：离子的相对强度（相对丰度）;横坐标：质荷比m/z峰强度与分子离子或碎片离子出现的几率有关。峰强度大，表示该离子出现几率大，离子较稳定。质谱图中最强峰称为基峰。定性—棒位；定量—相对丰度五、质谱表示方法2.质谱表：计算机可打印出以离子质荷比为序的质谱表

3.峰形图：由质谱仪记录下来的峰形图，原始质谱图，一般用UV记录仪记录。第三节离子的主要类型

质谱中出现的主要离子有:分子离子，碎片离子，亚稳离子，同位素离子，多电荷离子及重排离子等。相应产生的峰为:分子离子峰，碎片离子峰，亚稳离子峰，同位素离子峰，多电荷离子峰及重排离子峰等。

（一）分子离子（molecularion）表示一对电子失去了一个电子，形成具有奇数个电子的正离子，当正电荷不清时，可用‘┓‘表示。

1．分子离子峰定义及表示方法分子通过某种电离方式，失去一个电子形成的离子即为分子离子，所产生的峰称为分子离子峰或母峰，用表示.

M+e→+2e（一）分子离子（molecularion）1．分子离子峰定义及表示方法

最易失去电子的是杂原子上n电子，依次为π电子和C-C键上的σ电子，最后是C-H键上的σ电子。（易）杂原子＞C=C＞C-C＞C-H（难）

如：R-C(=O)-R′失去n电子（9.8ev）；失去π电子（10.6ev）；失去σ电子（11.5ev，指C-Cσ电子）。

①奇数个电子②谱图最右端③确定分子量-eM2.分子离子峰的特点

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10ev。3．分子离子峰的强度芳环及含共轭双键结构的化合物有利于电荷分散，稳定，分子离子峰为强峰，有时为基峰；环状化合物也比较稳定，因为此类化合物至少要断2个键才能形成碎片，峰为中等强度；烷烃中，直链烷烃的最大，并随支链的增加而减弱，常在支链碳上断裂，支链越多的地方越易断裂；峰强度随同系物分子量增大而减小；含-OH，-NH2，-COOH，-SH等的化合物均能生成稳定的碎片离子，故很弱；高分支的烷类化合物和醇类的分子离子峰不易呈现。分子离子峰的稳定性顺序为：芳香族化合物>共轭链烯>脂环化合物>烯烃>硫化物＞直链烷烃>硫醇>酮>胺>酯>醚>酸>分支烷烃>醇。（二）、碎片离子（fragmention）M-e→初级碎片离子

次级碎片离子裂解裂解高丰度的碎片离子峰代表着分子中易于裂解的部分。正癸烷碎片离子峰例如：CH4

M=1612C+1H×4=16

M13C+1H×4=17M+112C+2H+1H×3=17M+113C+2H+1H×3=18M+2同位素峰分子离子峰（三）、同位素离子峰（isotopicion）

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……；由同位素贡献而产生的峰称为同位素峰，含有同位素的离子称为同位素离子

。1615m/zRA13.1121.0133.9149.2158516100171.11．常见的同位素丰度比

（以丰度最大的轻质同位素为100%计算而得）

2H、17O、18O、15N、33S的丰度小，34S、37Cl、81Br丰度较大。

如：79Br81Br35Cl37Cl10097.2810031.98

丰度比1：13：1产生M、M+2峰有一个Cl时，M：M+2=3：1产生M、M+2峰有一个Br时，M：M+2=1：1（强度比）2．重质同位素丰度的近似计算方法

重质同位素峰与丰度最大的轻质同位素峰的峰强比，用、…表示。其数值由同位素的丰度比及分子中此种元素原子数目决定。

①含1个Cl：M+2:M=32.0:1001:3

②含1个Br：M+2:M=97.3:1001:1可利用同位素峰强度比推断分子中是否含有

S、Cl、Br及原子的数目。

③分子中若含三个氯，如CHCl3，会出现M+2、M+4及M+6峰

m/z:118120122124

MM+2M+4M+6峰强比%：272791同位素强度可由二项式（a+b）n求出。a:轻质同位素的丰度比，b:重质同位素的丰度比，n:该元素的原子数目。CHCl3:(a+b)3=a3+3a2b+3ab2+b3=27+27+9+1（四）、亚稳离子(metastableion)稳定离子：在离子源中形成，在到达检测器时，都没有碎裂的离子；不稳定离子：如果某个离子在离子源中就已经发生碎裂，即为不稳定离子；亚稳离子：如果某个离子（m1+）在离子源形成，在脱离离子源后并在磁场分离前，在飞行中发生开裂而形成的低质量的离子（m2

），即这种飞行过程中发生裂解的离子称为亚稳离子。在磁场的作用下，这种离子的能量要比在离子源中产生的m2+

离子的小，所以这种离子在磁场中的偏转要比普通的m2+

离子大的多，在质谱图上将不出现在m2+

处，而是出现在比m2+低的地方。用m*表示，所产生的峰称为亚稳离子峰或亚稳峰。

亚稳离子峰的特点：峰弱，峰强度仅为m1+峰的1-3%；峰较钝而小，峰一般要跨到2-5个质量单位；质荷比通常不是整数。M1+（母离子）在离子源中裂解m2+(子离子)+中性碎片M1+（母离子）在飞行途中裂解M*(亚稳离子)+中性碎片离子源亚稳离子m1m2m*m/e

亚稳离子m*与母离子m1+、及子离子m2+离子的关系

由于能量的差异,对m*的检测位置和实际质量不一致。飞行途中二、阳离子的裂解类型（一）裂解的表示方法1、正电荷表示法正电荷用“+”或“”示。含偶数个电子的离子（EE）用“+”表示；含奇数个电子的离子（OE）用“”表示。正电荷一般在杂原子或不饱和化合物的π键上:正电荷的位置不清楚时，可用[]、[]+或或表示。

2.电子转移表示法以鱼钩“”表示一个电子的转移，以箭头“”表示一对电子的同向转移。（二）键的断裂方式①均裂：若R1>R2常见的化学键断裂方式有均裂、异裂和半均裂三种。（二）键的断裂方式

③半异裂已离子化键的开裂

或②异裂：分子失去一个电子——离子化。二、裂解类型简单裂解重排裂解复杂裂解双重重排裂解分为四种：(一)简单裂解（单纯开裂）

发生简单裂解时，仅一个键发生断裂，并脱去一个游离基，形成一个阳离子。简单裂解有以下几种情况：

（1）α-裂解：含有C=O的化合物，首先失去一个n电子形成分子离子，后在羰基与α-C原子之间发生裂解，称为α裂解。

OEEE++·R(一)简单裂解（单纯开裂）（2）β-裂解：含杂原子的化合物，裂解易发生在X-Cα-Cβ键上，称为β-裂解。烯烃、芳烃也易发生β-裂解。βα

单纯开裂的特点：仅一个键发生断裂。脱去一个游离基。母离子与子离子在质量奇偶性上呈相反关系。（不含N或含偶数个N）M=100游离基一般为奇数N律由C，H，O组成的有机化合物，一定是偶数。由C，H，O，N组成的有机化合物，N奇数，奇数由C，H，O，N组成的有机化合物，N偶数，偶数12C、16O、32S偶数质量偶数化合价偶数分子量1H、35Cl、31P奇数质量奇数化合价偶数分子量14N偶数质量奇数化合价偶数N偶数分子量奇数N奇数分子量CxHyOzCxHyOzNWy只能为偶数。即：H为偶数个。若w=奇数，则y=奇数。若w=偶数，则y=偶数。（二）重排裂解通过断裂两个或两个以上的化学键，脱去一个中性分子，结构重新排列（H或电子从一个原子转移到另一个原子上）的裂解过程，称为重排裂解。重排裂解得到的离子称为重排离子。重排原因：降低裂解所需要的能量，能产生稳定离子或脱掉稳定的中性分子。规律：含奇数个电子的离子重排裂解后产生的离子一定含奇数个电子。而含偶数个电子的离子（即正离子）重排裂解后产生的离子一定产生含偶数个电子。重排方式最重要的有Mclafferty重排和RDA裂解。

麦氏重排重排过程：

①具有γ-H和C=X；

②形成过渡六元环；

③β键开裂；

④有H的转移，脱去中性分子麦氏重排重排离子中性分子βγ条件：a.含有不饱和C=X（X为O、N、S、C）基团。b.与该基团相连的键上具有γ氢原子。重排开裂的特点：两个或两个以上的化学键发生断裂。脱去一个中性分子。母离子与子离子在质量奇偶性上呈一致关系。（不含N或含偶数个N）M=100中性分子一般为偶数。键断裂同时发生了重排。RDA裂解在具有双键的脂环化合物、生物碱、萜类，甾体和黄酮等质谱上，经常可以看到由这种重排产生的离子峰。

萜二烯-[1，8]（柠檬烯）DiclsAlder反应，即1，3-丁二烯和乙烯缩合产生的六元环烯化合物。在MS中出现的是它的逆反应，称RDA反应。即一个六元环烯化合物被裂解为一个双烯化合物和乙烯分子。环已烯条件:具有环已烯结构类型的化合物。重排:通过两次β开裂,生成一离子化的共轭双烯,脱去一个中性分子.第四节分子的裂解质谱主要用于测定分子量、分子式和作为光谱解析的佐证。一、分子式的确定

在质谱解析中，分子离子峰是测定分子量与确定分子式的主要依据。（一）分子离子峰的确认（二）相对分子量的测定（三）分子式的确定分子式的确定（一）分子离子峰的确认

一般质谱图上质荷比最大的峰为分子离子峰。①区分M+1，M+2②不稳定离子无1.分子离子稳定性：芳香族化合物>共轭链烯>脂环化合物>烯烃>直链烷烃>硫醇>酮>胺>酯>醚>酸>支链烷烃>醇含奇数e，含偶数e不是

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？四点内容③样品污染由C，H，O组成的有机化合物，一定是偶数。由C，H，O，N组成的有机化合物，N奇数，奇数由C，H，O，N组成的有机化合物，N偶数，偶数12C、16O、32S偶数质量偶数化合价偶数分子量1H、35Cl、31P奇数质量奇数化合价偶数分子量14N偶数质量奇数化合价偶数N偶数分子量奇数N奇数分子量CxHyOzCxHyOzNWy只能为偶数。即：H为偶数个。若w=奇数，则y=奇数。若w=偶数，则y=偶数。分子式的确定2.服从氮律(Ｎ律)分子式的确定如果在假定的分子离子峰与相邻离子间相差3-14个质量数间出现峰，则不是分子离子峰，如：M-1，可能失去一个H；

M-2，可能失去二个H；M-3，不可能失去3个H；故M-3至M-14间无意义。M-15，可能失去一个CH3；

M-16，可能失去一个O、NH2；M-17，可能失去一个OH、NH3；M-18，可能失去一个H2OM－19(F);M－26(C2H2);

M-27，可能失去HCN、H2C=CH

M-28，可能失去CO、H2C=CH2；M-29，可能失去CHO、C2H5

3.分子离子峰与相邻峰的质量差必须合理分子式的确定

醚、酯、胺、酰胺、氨基酸酯、氰化物等往往有M+1（杂原子捕获一个H所致）峰。同样有些分子（如醛、醇或含氮的化合物）易失去一个氢出现M-1峰。但M±1峰不符合N律。4．注意与M+1峰与M-1峰相区别：分子式的确定（二）相对分子量的测定

精密质荷比分子量。M=同位素加权平均值。

如三油酸甘油酯m/z为884，而质量为885.44多数情况下m/z与质量整数部分相等。分子离子峰确定后→分子的分子量（相对分子量）分子式的确定

（三）分子式的确定1.同位素丰度法——查表法查Beynon表，将质谱所得的M峰的质量数，（M+1）%及（M+2）%数据查Beynon表，即可得出分子式。2.高分辨质谱法高分辨质谱仪测定的分子量可精确至±0.006-±0.002，精确到小数后四位至六位。有机化合物的质谱1、分子离子峰较弱，随碳键增长，强度降低以至消失。

2、直链烷烃m/z相差14的CnH2n+1离子峰m/z=29,43,57,71…基峰C3H7+(m/z=43)或C4H9+(m/z=57）（峰总是很强），M-15峰一般不出现。3、在CnH2n+1峰两侧出现一系列“伴峰”。+1或-1、-2的小峰。

4、支链烷烃，分支处先裂解，优先失去最大的烷基，形成稳定的仲碳或叔碳阳离子（正离子稳定性顺序R3C+>R2C+H>C+H2>C+H3）。

（一）烷烃：C2H5+29,C3H7+43,C4H9+57,C5H11+71,C6H13+851.稳定、丰度大。2.有一系列CnH2n-1碎片：41+14n,n=0,1,2,…。3.容易发生β-裂解，生成具有共振结构的烯丙基正碳离子m/z41(C3H5+)，常为基峰，m/z=41峰为链烯的特征峰。+CH2–CH=CH2+R·失π电子

CH2=CH–CH2+m/z=41(二)链烯：4.如有r-H存在，易发生Melafferty重排。(二)链烯：5.环状稀烃能发生RDA裂解。1.稳定，峰强大。2.烷基取代苯易发生β-裂解，产生m/z91离子（C7H7+），在质谱图上是强峰且常是基峰，是烷基取代苯的重要特征。扩环β-开裂m/z91（

鎓离子）（三）芳烃：m/z91鎓离子可进一步裂解生成m/z65的环戊二烯及m/z39的环丙烯离子C3H3+m/z39C7H7+m/z91C5H5+m/z653.取代苯能发生α-裂解，产生m/z77的苯离子。C6H5+m/z77苯离子进一步裂解生成环丙烯离子及环丁二烯离子

4.具有r-氢的烷基取代苯，经Melafferty重排产生C7H8+重排离子（m/z92）。鎓离子C7H7+(m/z91)C6H5+(m/z77)C4H3+(m/z51)C3H3+(m/z39)烷基取代苯的特征离子C5H5+(m/z65)m/z92重排离子5.带有环己烯结构的芳烃也常发生RDA裂解。综上所述:1.很小，且随碳链的增长而减弱，以至消失。2.易发生β-裂解。β-裂解（四）饱和脂肪醇3.易发生脱水的消去反应，产生M-18离子（1，3或1，4脱水）。4.直链伯醇会出现含-OH碎片离子（m/z31，45，59……）、烷基离子（m/z29，43，57……CnH2n+1）及链烯离子（m/z27，41，55……CnH2n-1）。1.峰明显。2.易发生α-裂解，产生R+(Ar+)及M-1峰。均裂（五）醛和酮

M-1峰明显，甲醛M-1峰90%，芳醛更强异裂m/z29醛发生麦氏重排后产生m/z44CH2=CH-OH+·离子；产生3.具有γ-H能发生麦式重排。1.一元饱和脂肪酸及其酯的分子离子峰一般很弱，芳香酸及其酯类的分子离子峰强。2.易发生α-裂解。（六）酸和酯含有r氢的酸和酯易发生Mclafferty重排，若α碳上无取代基时，酸产生最特征的峰是m/z60的离子峰，甲酯为m/z74离子峰。

R′=Hm/z60R′=CH3