第十四章 质谱分析

第十四章质谱分析§14-1质谱分析概述§14-2质谱分析原理及质谱仪§14-3质谱图及离子峰的主要类型§14-4质谱应用及解析§14-5质谱定性定量分析§14-6

色谱－质谱联用技术

9/21/20231第二章气相色谱法教学目的及要求1、

理解质谱法原理及质谱仪主要部件功能。2、

了解质谱定性分析及图谱解析、定量分析方法。教学重点与难点:1、

质谱法原理及质谱仪主要部件功能。2、

质谱定性分析及图谱解析、定量分析方法。§14-1质谱分析概述

一、质谱仪的发展简史

1912年：世界第一台质谱装置

1940年代:质谱仪用于同位素测定

1950年代：MS商品化广泛用于有机物结构分析

1960年代：研究GC-MS联用技术

1980年代：研究LC-MS联用技术

1990年代：生物分析的需要，新的离子化方法

二、质谱分析法将样品转化为运动的气态离子并按质荷比（m/z）大小进行分离、检测并记录的一种分析方法。

质谱分析所获得的结果即离子的相对含量与质荷比之间的关系图就称为质谱图（亦称质谱）三、质谱中的常用术语：3)质荷比：是指离子的质量与所带电荷数之比，用m/z表示。m为组成离子的各元素的原子的标称原子质量之和，如H1；C12，13；N14，15；O16，17，18；Cl35，37等，这与平常所用的基于不同同位素的丰度而得到的平均原子量不同1)基峰：质谱图上强度最大的峰，其强度规定为1002)相对丰度(relativeabundance，RA)：也称相对强度(relativeintendity,RI)，是相对于质谱图上最高峰（即基峰）的相对百分数4)质量的概念：原子的标称质量：原子核中质子数目和中子数目之和原子的精确质量：以12C为基准的相对原子质量原子的平均质量：化学组成相同的原子的平均相对原子质量

低分辨质谱仪给出的是离子的标称质量，而高分辨质谱仪给出的是离子的精确质量四、质谱仪的分类按用途分：有机质谱；无机质谱；同位素质谱按原理分：单聚焦质谱；双聚焦质谱；四极滤质器；飞行时间质谱；离子阱质谱按联用方式分：气－质联用；液－质联用；质－质联用1)至今唯一可以确定分子质量的方法,高分辨率质谱仪能够准确测定质量2)质谱法的灵敏度极高,鉴定的最小量可达10-10g,检出限可达10-14g3)样品元素组成

4)无机、有机及生物分析的结构---结构不同，分子或原子碎片不同(质荷比不同)5)复杂混合物的定性定量分析

---与色谱方法联用6)样品中原子的同位素比

五、特点及应用§14-2质谱分析原理及质谱仪一、基本原理概述质谱分析是将样品转化为运动的带电气态离子碎片，于磁场中按质荷比(m/z)大小分离并记录的分析方法。其过程为可简单描述为：其中，z为电荷数，e为电子电荷，U为加速电压，m为碎片质量，V为电子运动速度。离子源轰击样品带电荷的碎片离子电场加速(zeU)

获得动能(1/2mV2)磁场分离(m/z)检测器记录二、仪器组成MS仪器一般由进样系统、电离源、质量分析器、真空系统和检测系统构成。为了避免离子损失，凡有样品分子及离子存在和通过的地方，必须处于真空状态。真空系统质谱仪中凡有样品分子及离子存在和通过的地方均要处于高度真空的条件下(10-3-10-6Pa),其作用是减少离子碰撞损失。真空度过低，将会引起：a）大量氧会烧坏离子源灯丝；b）引起其它分子离子反应，使质谱图复杂化；c）干扰离子源正常调节；d）用作加速离子的几千伏高压会引起放电。方法：采用机械泵预抽真空后，再用扩散泵连续地抽气以保持真空。(一)

进样系统作用：在不降低真空度的条件下，将样品分子引入到离子源中

间歇式进样系统

直接探针进样

色谱进样系统间歇式进样系统

a)间歇式进样：适于气体、沸点低且易挥发的液体、中等蒸汽压固体。如图所示。注入样品(10-100

g)—贮样器(1L-3L)—抽真空并加热—样品蒸汽分子(压力梯度)—漏隙—高真空离子源。1.3-0.13Pa（加热）

b)

直接探针进样：高沸点液体及固体探针杆末端有一装样品的坩埚，将探针杆通过真空闭锁系统引入样品，如图所示。优点：1）引入样品量小，样品蒸汽压可以很低；2）可以分析复杂有机物；3）应用更广泛。

c)色谱进样：利用气相和液相色谱的分离能力，与质谱仪联用，进行多组份复杂混合物分析。

3．离子源

作用：是将进样系统引入的气态样品分子转化成离子。对于不同的分子应选择不同的离解方法，通常称能给样品较大能量的电离方法为硬电离方法，而给样品较小能量的电离方法为软电离方法，后一种方法适用于易破裂或易电离的样品。

离子源是质谱仪的心脏，可以将离子源看作是比较高级的反应器，其中样品发生一系列的特征降解反应，分解作用在很短时间（～1μs）内发生，所以可以快速获得质谱。

1)

电子轰击源(ElectronImpact，EI)作用过程：采用高速(高能)电子束冲击样品，从而产生电子和分子离子M+，M+继续受到电子轰击而引起化学键的断裂或分子重排，瞬间产生多种离子。水平方向：阴极发射电子—灯丝与阳极间(70V电压)—高能电子

—冲击样品—正离子垂直方向：G3-G4加速电极(低电压)---较小动能---狭缝准直G4-G5加速电极(高电压)---较高动能---狭缝进一步准直--离子进入质量分析器。特点：使用最广泛，谱库最完整；电离效率高；结构简单，操作方便；但经电子轰击产生的M+峰，往往不存在或其强度很低。且对于相对分子质量较大或极性大，难气化，热稳定性差的有机化合物，在加热和电子轰击下，分子易破碎，难以给出完整的分子信息，这是EI源的局限性。2)化学电离源(ChemicalIonization,CI)

在质谱中可以获得样品的重要信息之一是其相对分子质量。但经电子轰击源轰击所产生的M+峰，往往不存在或其强度很低。必须采用比较温和的(软)电离方法，其中之一就是化学电离法化学电离法是通过离子一分子反应来进行，而不是用强电子束进行电离。

CI的作用过程：样品分子在承受电子轰击前，被一种反应气(通常是甲烷)稀释，稀释比例约为103:1，因此样品分子与电子的碰撞几率极小，所生成的样品分子离子主要由反应气分子组成。

CH4

＋e→CH4+·＋2eCH4+·→CH3++H·CH4+和CH3+很快与大量存在的CH4分子起反应，即

CH4+·＋CH4→CH5+

＋CH3·CH3+＋CH4→C2H5+＋H2

这样就形成了一系列准分子离子QM+而出现(M+1)+，(M-1)+，(M+17)+，(M+29)+等质谱峰产生M+1峰产生M-1峰产生M+17峰产生M+29峰质子化反应复合反应特点：电离能小，质谱峰数少，图谱简单；准分子离子(M+1)+峰大,可提供分子量这一种重要信息。不适用于难挥发、热不稳定或极性较大的有机物分析。

3）

场致电离源(Fieldionization,FI)

应用强电场可以诱发样品电离。场离子化是一种温和的技术。碎片通常是电极附近的分子一离子碰撞反应产生的。

过程：强电场(电极间距<1mm)—分子热分解或碰撞—带正电荷的碎片离子—阳极排出并加速进入磁场特点：电离温和，碎片少，主要产生分子离子M+和(M+1)+峰

4)

场解析电离源(Fielddesorption,FD)

类似于场电离源，它也有一个表面长满“胡须”(长0.01mm)(微针型碳刷)的阳极发射器.

过程：样品溶液涂于发射器表面---蒸发除溶剂（解析）—高压静电场—使样品电离形成分子电离

特点：特别适于非挥发性且分子量高的样品，谱图最为简单。EIFIFD

5)

快原子轰击(Fastatombombardment,FAB)

过程：惰性气体（氩）电离——电场加速，电荷交换——高速中性原子束——撞击涂有样品的金属板——能量转移给样品分子——样品电离——引入磁场分离。质量分析器铜针探头探针二次离子狭缝原子束样品层FAB：FAB特点：无需气化，整个过程可在室温下进行，有较强的分子离子峰，适合于高极性，大相对分子质量，低蒸气压，热稳定性差的试样，试样用量少并可回收原理：主要部分是一对电磁铁(常用扇形),当离子源中产生的离子束(通常是正离子束)经加速电场加速后,以一定的速度进入垂直于离子运动方向的均匀磁场时,正离子在磁场施加的向心力的作用下,改变运动方向(磁场不改变离子的运动速度)作圆周运动，运动轨道半径与运动速度、磁场强度、离子的质荷比有关4、质量分析器作用是将不同碎片按质荷比m/z分开。设离子的电荷为z,质量为m,加速电场的电压为U,进入磁场时的运动速度为v,则

如果磁场强度为B,运动轨道半径为R,则由于离子作圆周运动的离心力等于磁场力，因此：

合并上述两式，可得：磁分析器质谱方程式

mv2/R=

Bz

v(1/2)mv

2=zUm/z=(B2

R2)/2U离子在磁场中的轨道半径R取决于：m/z、B、U是设计质谱仪器的主要依据。

m2v2/R2=

B2z2

5、检测器

质谱仪常用的检测器有电子倍增器及闪烁计数器、照相底片等。

特点：实现高灵敏度、快速测定§14-3质谱图及离子峰的主要类型一、质谱图

质谱图是以质荷比(m/z)为横坐标、相对强度为纵坐标构成，将原始质谱图上最强的离子峰定为基峰并定为相对强度100％，其他离子峰以对基峰的相对百分值表示。二、离子峰的主要类型分子在离子源中可产生各种电离，即同一分子可产生多种离子峰：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。

设有机化合物由A，B，C和D组成，当蒸汽分子进入离子源，受到电子轰击可能发生下列过程而形成各种类型的离子：分子离子碎片离子重排裂解碰撞裂解

1．分子离子峰

分子受电子束轰击后失去一个电子而生成的离子M+称为分子离子,在质谱图上由M+所形成的峰称为分子离子峰.

分子离子的质量与化合物的分子量相等！几乎所有的有机分子都可以产生可以辨认的分子离子峰，正确地识别和解析分子离子峰十分重要。

M＋e→M+＋2eM+称为分子离子或母离子(parrention）。

有机化合物分子离子峰的稳定性顺序：芳香化合物＞共轭链烯＞烯烃＞脂环化合物＞直链烷烃＞酮＞胺＞酯＞醚＞酸＞支链烷烃＞醇．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。形成分子离子需要的能量最低，一般约１０电子伏特。

如何确定分子离子峰？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。分子离子峰与相邻峰的质量差必须合理。

——不符合上述规律者必不是分子离子峰

2．碎片离子峰

因分子发生键的断裂只需要约十电子伏特的能量，而电子轰击的能量为70eV，因而会产生质量数更小的碎片离子峰。

分子离子碎裂后产生的离子形成的峰称为碎片离子峰。有机化合物受高能作用时会产生各种形式的分裂，通过各种碎片离子的分析，有可能获得整个分子结构的信息。断裂方式可分为均裂、异裂和半异裂：烷烃化合物断裂多在C-C之间发生，且易发生在支链上：

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C=O键化合物的开裂多在与其相邻的键上：对含杂原子的分子，断裂的键位顺序为

位、

位和

位：~~R—XR++X•~共振稳定化离子~H碎片离子峰稳定性麦氏重排

3.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．转移的基团常常是氢原子．

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。重排的结构特征是，分子中有一个双键以及在γ位置上有氢原子．（麦氏重排）例如：CH4M=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4、同位素离子峰及应用

由于天然同位素的存在，因此在质谱图上出现M+1，M+2等峰，由这些同位素所形成的峰称之为同位素峰。在一般有机分子鉴定时，可以通过同位素峰的统计分布来确定其元素组成，同位素离子峰相对强度之比总是符合统计规律的。

一些常见的元素的天然丰度及丰度比如表14-1所示。（P407）

如在CH3Cl、C2H5Cl等分子中IM＋2／IM=32.5%,（1：3），而在含有一个溴原子的化合物中(M+2)+峰的相对强度几乎与M+峰的相等。（1：1）

在离子源中产生的大量离子中，有一部分处于亚稳态，这些亚稳态的离子在离开离子源受电场加速后，由于碰撞等原因很容易进一步分裂失去中性碎片而形成新的离子，这些从离子源出口到达检测器之前产生并记录下来的离子就称为亚稳离子。

5．亚稳离子峰

若质量为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+Δm，这种峰称为亚稳离子峰，用m*表示，它的表观质量m*与m1、m2的关系是：

m*＝（m2）2/m1

式中m1为母离子的质量，m2为子离子的质量。

亚稳离子峰由于其具有离子峰宽大（约2-5个质量单位）、相对强度低、m/z不为整数等特点，很容易从质谱图中观察。通过亚稳离子峰可以获得有关裂解信息，通过对m*峰观察和测量，可找到相关母离子的质量与子离子的质量m2从而确定裂解途径。

§14-4质谱应用及解析

一、常见有机化合物的质谱1、饱合烃的质谱图2、芳烃的质谱图3、醇和酚的质谱图4、醛、酮的质谱图(1)直链烷烃1、饱合烃的质谱图正癸烷分子离子峰：m/z=142有m/z：29，43，57，71，……CnH2n+1系列峰(σ—断裂)有m/z：27，41，55，69，……CnH2n-1系列峰

C2H5+（m/z=29）

C2H3+（m/z=27）

每隔14个质量单位出峰(2)支链烷烃：支链取代位置裂解3-乙基己烷质谱图29438571基峰2、芳烃的质谱图扩环麦氏重排

3、醇和酚的质谱图(M-18)+

醇

酚相对分子质量测定化学式确定结构鉴定谱图检索同位素测定无机物定量分析混合物定量分析定性定量§14-5质谱定性定量分析1、分子量确定根据分子离子峰质荷比可确定分子量，通常分子离子峰位于质谱图最右边，由于分子离子的稳定性及重排等，质谱图上质荷比最大的峰并不一定是分子离子峰。那么，如何辩认分子离子峰呢？a、利用化学结构来判断分子离子峰强度。

——各类化合物分子离子峰稳定性顺序b、利用经验规律：——分子离子峰应符合“氮律”一、质谱定性分析

c、分子离子峰与邻近峰的质量差是否合理。有机分子失去碎片大小是有规律的：如失去H、CH3、H2O、C2H5…，因而质谱图中可看到M-1，M-15，M-18，M-28等峰，而不可能出现M-3，M-14，M-24等峰，如出现这样的峰，则该峰一定不是分子离子峰。质量差为(4-13)、19-25、37、38、50-53、65-66…的不是分子离子峰，当差值为14=CH2时应小心，这表明可能有待测物的同系物存在。通过改变仪器实验条件来检验：

1）采用化学电离源、场离子或场解吸源等电离方法；

2）制备易挥发的衍生物，如通过甲基化、乙酰基化、甲酯化、氧化或还原等方法将样品制备成适当的衍生物后再测定。

2、化学式的确定（1）、高分辨质谱：可分辨质荷比相差很小的分子离子或碎片离子。如CO和N2分子离子的m/z均为28，但其准确质荷比分别为28.0040和27.9949，高分辨质谱可以识别它们。

（

2）、用同位素比求分子式同位素离子峰(M+1)+、(M+2)+与M的强度比可帮助判断某些元素（Cl,Br,S）是否存在：

M/M+2=3：1（分子中含有Cl）

M/M+2=1：1（分子中含有Br

）

3、结构鉴定：

a)根据质谱图，找出分子离子峰、碎片离子峰、亚稳离子峰、m/z、相对峰高等质谱信息，根据各类化合物的裂解规律，重组整个分子结构。

b)采用与标准谱库对照的方法.

由质谱数据推导有机物分子结构的过程，形象地说，如同用弹弓击碎一个瓷花瓶，再由一堆碎片来拼凑复原花瓶的过程。

44-43=1R’=H44-29=15R=CH3

例1某羰基化合物M=44，质谱图上给出两个强峰，m/z分别为29及43，试推测此化合物的结构。例2：推测化合物C8H8O2的结构。1.计算不饱和度

=1+8+1/2×(-8)=5

分子中可能有苯环、一个双键2.质谱中无m/z为91的峰，说明不是烷基取代苯;C2H3O2可能的结构：(A)(B)(C)(D)(A)3.质谱验证(B)105105(C)得不到m/z为105的碎片离子，可排除。(D)或(A)(B)4.结论C8H8O2的结构是4.谱图检索用质谱确定化合物的结构更快捷、直观的方法是计算机谱图检索，质谱仪的计算机数据系统存贮有大量已知化合物的标准谱图构成谱库，对于待测的有机物，只要在同样条件下测出其质谱图，然后用计算机按一定的程序与计算机内存的标准谱图对比，找出与其相似的化合物的名称、相对分子质量、分子式或结构式。二、质谱定量分析利用质谱离子峰强度与离子数目成正比进行定量，具体应用于同位素测定，无机化合物定量分析以及混合物的定量分析

1.同位素的测定1)同位素标记：用稳定同位素来标记化合物，用它作示踪来测定在化学反应或生物反应中该化合物的最终去向，研究反应机理。如酯的水解机理就是用将酯基用18O来标记，然后只要示踪18O是在水解生成的烷醇中，还是在酸中。若在烷醇中则是酰氧断裂；反之则是烷氧断裂2)同位素年代测定：通过36Ar与40Ar的强度比求出40Ar(由40K经1.3

109a衰变而来)含量，再据半衰期求出其年代利用质谱法进行混合物定量分析，要求样品纯度高，并且计算定量结果比较复杂，所以一般先利用色谱将混合物分离成各自组分的纯品，再引入质谱仪中进行分析，现在色谱－质谱联用技术已广泛用于混合物中组分的定性、定量分析。2.无机痕量分析电感耦合等离子光源引入质谱后（ICP－MS），使其在无机痕量分析中得到了广泛的应用3．混合物的定量分析

质谱法具有灵敏度高、定性能力强的特点，而色谱法具有分离效率高的特点，因此将这两种方法结合起来（称为联用技术），既发挥色谱的高分离能力，又发挥质谱的高鉴别能力，现在色谱－质谱联用技术已广泛用于混合物中组分的定性、定量分析色谱－质谱联用原理很简单，就是把质谱仪作为色谱仪的检测器，而把色谱仪作为质谱仪的进样器§14-6

色谱－质谱联用技术

色谱－质谱联用可得到如下信息

（1）总离子流色谱图