波谱分析-质谱法课件

第一章质谱法(MassSpectrometry,MS)§1.1概述§1.2质谱分析原理及质谱仪§1.3质谱图上离子的主要类型§1.4各类有机化合物的断裂规律及质谱图§1.5质谱法的应用

12/5/20231§1.1概述一、方法概述

以某种方式使有机化合物的分子电离、碎裂，然后按照离子的质荷比（m/z）大小把生成的各种离子分离，检测它们的强度，并将其排列成谱，这种研究物质的方法称作质谱法。12/5/2023212/5/202331、1913年：Thomson使用MS发现了Ne是由22Ne和24Ne两种同位素组成，随后，同位素分析开始发展。2、20世纪30年代末至40年代：由于石油工业的发展，需要测定油的成份。通常用蒸馏的方法先分离这些烃类混合物，然后再利用分别测定其折光率的方法来分析它们。这通常要花数天时间。将MS用于石油工业中烃的分析，可以大大缩短分析时间。3、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。4、60年代：出现了气相色谱-质谱联用仪，使质谱仪的应用领域大大扩展，开始成为有机物分析的重要仪器；计算机的应用又使质谱分析法发生了飞跃变化

二、发展历史12/5/202345、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，如快原子轰击离子源，基质辅助激光解吸电离源，电喷雾电离源，大气压化学电离源等。6、目前：出现了比较成熟的液相色谱-质谱联用仪，感应耦合等离子体质谱仪，富立叶变换质谱仪等。质谱分析法已广泛地应用于化学、化工、材料、环境、地质、能源、药物、刑侦、生命科学、运动医学等各个领域。

12/5/202351、

样品元素组成；2、物质的相对分子质量；3、物质的结构信息---结构不同，分子的碎片不同(质荷比不同)；4、复杂混合物的定性定量分析---与色谱方法联用(GC-MS)；5、样品中原子的同位素比。三、质谱图上提供的信息12/5/20236§1.2质谱分析原理及质谱仪一、质谱仪的基本结构

质谱仪是通过对样品电离后产生的具有不同的m/z的离子来进行分离分析的。质谱仪包括进样系统、电离系统、质量分析系统和检测系统。为了获得离子的良好分离和分析效果，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。12/5/20237Agilent7500系列ICP-MS12/5/20238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2.化学电离3.场致电离4.激光

1.单聚焦2.双聚焦3.飞行时间4.四极杆

显示真空系统12/5/20239二、质谱仪各部分的工作原理1、真空系统

质谱仪的离子产生及经过系统必须处于高真空状态（离子源真空度应达1.3×10-4～1.3×10-5Pa，质量分析器中应达1.3×10-6Pa）。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）用作加速离子的几千伏高压会引起放电。

一般质谱仪都采用机械泵预抽空后，再用高效率扩散泵连续地运行以保持真空。现代质谱仪采用分子泵可获得更高的真空度。12/5/2023102、进样系统

进样系统的作用是高效重复地将样品引入到离子源中，并且不能造成真空度的降低。常用的进样装置有三种类型：间歇式进样、直接探针进样、色谱进样系统（GC-MS、HPLC-MS）和高频感藕等离子体进样系统（ICP-MS）等。1）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。12/5/2023111.3-0.13Pa（加热）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(压力陡度)—漏隙—高真空离子源。12/5/2023122）

直接探针进样：高沸点液体及固体探针杆通常是一根规格为25cm6mm，末端有一装样品的黄金杯(坩埚)，将探针杆通过真空闭锁系统引入样品，如图所示。优点：引入样品量小，样品蒸汽压可以很低；12/5/2023133)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、电离源电离源的功能是将进样系统引入的气态样品分子转化成离子。由于离子化所需要的能量随分子不同差异很大，因此，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。使物质电离的方法很多，如电子轰击、化学电离、火花电离、场致电离、光致电离等。12/5/2023141）电子轰击源

电子轰击法是通用的电离法，是使用高能电子束从试样分子中撞出一个电子而产生正离子，即

式中M为待测分子，M+为分子离子或母体离子。12/5/202315

左图是典型的电子轰击源的示意图。在离子源内，用电加热锑或钨的灯丝到2000℃，产生高速电子束，其能量为10～7OeV。当气态试样由分子漏入孔进入电离室时，高速电子与分子发生碰撞，若电子的能量大于试样分子的电离电位，将导致试样分子的电离：

12/5/202316

当电子轰击源具有足够的能量时(一般为7OeV)，有机物的分子不仅可能失去一个电子形成分子离子，而且有可能进一步发生键的断裂，形成大量的各种低质量数的碎片正离子和中性自由基，这些碎片离子可用于有机化合物的结构鉴定。（2）化学电离源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。但某些物质的分子经电子轰击产生的M+峰，往往不存在或其强度很低。必须采用比较温和的电离方法，其中之一就是化学电离法。12/5/202317

化学电离法是通过离子-分子反应来进行，而不是用强电子束进行电离。离子与试样分子按一定方式进行反应，转移一个质子给试样或由试样移去一个电子，试样则变成带+1电荷的离子。化学电离源一般在1.3

102～1.3

103Pa（现已发展为大气压下化学电离技术）压强下工作，其中充满甲烷CH4。首先用高能电子，使CH4电离产生CH5+和C2H5+，即：

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

12/5/202318

CH5+和C2H5+不与中性甲烷进一步反应，一旦小量样品（试样与甲烷之比为1

1000）导入离子源，试样分子（RH）发生下列反应：CH5++RH

RH2++CH4

C2H5++RH

R++C2H6

RH2+和R+然后可能碎裂，产生质谱。由（M+H）或（M-H）离子很容易测得其相对分子质量。4、质量分析器

质谱仪的质量分析器位于离子源和检测器之间，依据不同方式将样品离子按质荷比m/z分开。质量分析器的主要类型有：磁分析器、飞行时间分析器、四极滤质器、离子捕获分析器和离子回旋共振分析器等。12/5/202319（1）磁分析器最常用的分析器类型之一就是扇形磁分析器。

离子束经加速后飞入磁极间的弯曲区，由于磁场作用，飞行轨道发生弯曲（如右图所示），此时离子受到磁场施加的向心力Bze

作用，并且离子的离心力m

2/r也同时存在，当两力平衡时，离子才能飞出弯曲区，即：

12/5/202320其中B为磁感应强度，ze为电荷，

为运动速度，m为质量，r为曲率半径。又因：调整后可得：12/5/202321通过改变B、r、U这三个参数中的任一个并保持其余两个不变即可将不同质荷比的离子分开。如保持B、U不变，离子的质和比与其运动半径的平方成正比；当磁场强度由低到高进行扫描时，最先到达检测器的是质荷比最小的离子。现代质谱仪一般是保持U、r不变，通过电磁铁扫描磁场而获得质谱图。12/5/202322（2）飞行时间分析器这种分析器的离子分离是以非磁方式达到的，因为从离子源飞出的离子动能基本一致，在飞出离子源后进入一长约1m的无场漂移管，在离子加速后的速度为：此离子达到无场漂移管另一端的时间为：12/5/202323故对于具有不同m/z的离子，到达终点的时间差：

由此可见，

t取决于m/z的平方根之差。12/5/2023245、检测与记录质谱仪常用的检测器有法拉第杯、电子倍增器及闪烁计数器、照相底片等。现代质谱仪一般都采用较高性能的计算机对产生的信号进行快速接收与处理，同时通过计算机可以对仪器条件等进行严格的监控，从而使精密度和灵敏度都有一定程度的提高。12/5/20232512/5/202326§1.3质谱图上离子的主要类型一、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。一般将原始质谱图上最强的离子峰为基峰并定为相对强度为100%，其它离子峰以对基峰的相对百分值表示。12/5/202327二、质谱图上离子峰的类型

分子在离子源中可以产生各种电离，即同一种分子可以产生多种离子峰，主要的有分子离子峰、碎片离子峰、亚稳离子峰和同位素离子峰等。1、分子离子峰试样分子在高能电子撞击下产生正离子，即；

M+为分子离子或母体离子。分子离子的质量与化合物的分子量相等。12/5/202328

几乎所有的有机分子都可以产生可以辨认的分子离子峰。有些分子如芳香环分子可产生较强的分子离子峰，而高分子量的脂肪醇、醚及胺等则产生较小的分子离子峰。若不考虑同位素的影响，分子离子应该具有最高质量。

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12/5/202329质谱图上质荷比最大的峰一定为分子离子峰吗？如何鉴别分子离子峰？12/5/202330a)Ｎ律由Ｃ、Ｈ、Ｏ、X（卤素）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。b)与邻近的峰相差是否合理

分子离子不可能裂解出三个以上的氢原子和小于一个甲基的基团，故分子离子峰的左面不可能出现小于3～14个质量单位的峰。2、碎片离子峰

分子离子产生后可能具有较高的能量，将会通过进一步碎裂或重排而释放能量，碎裂后产生的离子形成的峰称为碎片离子峰。12/5/202331有机化合物受高能作用时产生各种形式的分裂，一般强度最大的质谱峰相应于最稳定的碎片离子。通过各种碎片离子相对峰高的分析，有可能获得整个分子结构的信息。因为M+可能进一步断裂或重排，因此要准确地进行定性分析最好与标准谱图进行比较。烷烃化合物断裂多在C-C之间发生，且易发生在支链上：12/5/20233212/5/202333正癸烷12/5/202334烯烃多在双键旁的第一个键上开裂：

3、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m2的离子，即m1m2+△m由于一部分能量被中性碎片带走，此时的m2离子比在离子源中形成的m2离子能量小故将在磁场中产生更大的偏转，观察到的m/z较小。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。12/5/202335亚稳离子峰由于其具有离子峰宽（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。4、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+1，M+2，M+3的峰，由这些同位素形成的离子峰称为同位素离子峰。在一般有机分子鉴定时，可以通过同位素峰统计分布来确定其元素组成，分子离子的同位素离子峰相对强度之比符合一定的统计规律。

12/5/202336例如：CH4M=1612C+1H×4=16M13C+1H×4=17M+112C+2H+1H×3=17M+113C+2H+1H×3=18M+2分子离子峰同位素离子峰而其相对强度之比I17/I16=0.011。而在丁烷中，出现一个13C的几率是甲烷的4倍，则分子离子峰m/z=59、58的强度之比I59/I58=4×0.011=0.044；5、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的类型很多，其中最常见的一种是麦氏重排。这种重排形式可以归纳如下：

12/5/202337CHCHCHCZHR1R2R3R4CHCHR3R4HCCZHR1R2

可以发生这类重排的化合物有:酮、醛、酸、醋和其它含羰基的化合物，含P=O，＞S=O的化合物以及烯烃类和苯类化合物等。麦氏重排条件：含有C=O，C=N，C=S及碳碳双键；与双键相连的链上有碳，并在

碳有H原子（氢）；六圆环过度，

H转移到杂原子上，同时

键发生断裂，生成一个中性分子和一个自由基阳离子。12/5/202338BAHDR++HDRBA+

邻位效应

邻位效应发生的条件:苯环上有邻位取代基D为杂原子A原子上有H12/5/202339

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12/5/202340§1.4各类有机化合物的断裂规律及质谱图一、分子的离子化分子进行离子化时，电离点位最低的电子最容易失去，生成的正电荷和游离基就固定在失电子的位置上。失电子的顺序为：如丙酮：而σ电子的电离电位很接近，正电荷可以出现在分子中的各个位置上。12/5/202341二、断裂方式有机化合物的断裂方式有两种类型：均裂、异裂。

1、均裂：一个

键的两个电子裂开，每个碎片上各保留一个电子。即：

2、异裂：一个

键的两个电子裂开后，两个电子都归属于其中某一个碎片，即：12/5/202342三、分子离子的破碎1、化学键的强度（键能的大小）键类型C-CC-NC-OC-SC-HC-FC-ClC-BrO-H单键双键叁键3456078353046158893597482725354094853382844622、破碎产物的稳定性++++1）正碳离子的稳定性12/5/2023432）π电子对正电荷有稳定作用如苄基正离子、烯丙基正离子等。3）碳原子相邻的杂原子对正电荷有稳定作用12/5/202344四、重要有机化合物的断裂规律和断裂图象1、饱和烃类

直链烷烃分子离子，首先通过均裂失去一个烷基游离基并形成正离子，随后连续脱去28个质量单位（CH2=CH2）：在质谱图上，得到实验式是CnH2n+1(即m/z29、43、57、…)的系列峰。此外，在断裂过程中，由于伴随失去一分子氢，故可在各比碎片离子峰低二个质量单位处出现一些链烯的小峰；从而在质谱图上得到实验式是

CnH2n-1（即m/z27、41、55…)的另一系列峰。

12/5/202345在CnH2n+1的系列峰中，一般m/z43、57峰的相对强度较大。分子离子峰的强度则随其相对分子质量的增加而下降，但仍清晰可见。正癸烷12/5/20234612/5/2023471008090100605030204070020406080100120140160180200%

OF

BASE

PEAK1030507090110130150170190210220230C2C3C4

C5C6C7m/z=29m/z=43m/z=57m/z=71m/z=8599113127141155169183197C8C9C10C11C12C13C14C16CH3(CH2)14CH3Mm/z=226n-HexadecaneM

22612/5/202348

支链烷烃的断裂，容易发生在被取代碳原子上。这是由于在正碳离子中，稳定性顺序如下：

通常，分支处的长碳链将最易以游离基形式首先脱出。脱去游离基的顺序是：支链烷烃的分子离子峰明显下降，支化程度高的烷烃检测不到分子离子峰。++++12/5/20234920406080100120140160180200103050709011013015017019021022023010080901006050302040700%

OF

BASE

PEAKC3m/z=43C4m/z=57C5m/z=71C8m/z=85C6m/z=99C7113C9C10C12C16M15M5-MethylpentadecaneCH3(CH2)3CH(CH2)9CH3CH385

16914157-12/5/2023502、烯烃1）分子离子峰比同碳数的烷烃稍强；2）易发生烯丙基断裂，长链烯烃可发生麦氏重排；3）特征系列峰的通式为CnH2n-1；3、醇、酚、醚1）脂肪醇分子离子峰强度很低，因为容易失去一个H2O；醇容易发生

断裂，形成m/z符合31+14n的正离子；12/5/202351H3CCH2CH2CCH3OHHm/z=87(M-1)H3CCH2CH2CHCH3OHCHCH3OHH3CCH2CH2m/z=45(M-43)H3CCH2CH2CHOHCH3m/z=73(M-15)12/5/2023522）酚和芳香醇分子离子峰较强；易失去CO和CHO，生成M-28和M-29的碎片离子峰；OHHHH+OH+++CO3）醚分子离子峰强度较低，但比醇高；12/5/202353脂肪醚易发生以下断裂：

醚类化合物除可发生

断裂外，也能发生

断裂。例如

++++·12/5/202354OCH2CH3HCH2CCH3H3CCH3OCH2CH3HCCH3CH2CH3OCH2HCH2CCH3H3Cm/z=73m/z=8712/5/202355

芳香醚的分子离子峰较强ORO++4、醛和酮

醛和酮的分子离子峰均是强峰。醛和酮容易发生

开裂，产生酰基阳离子。

通常，R1、R2中较大者容易失去。但是，醛上的氢不易失去，常常产生m/z29的强碎片离子峰。12/5/202356

酮则产生经验式为CnH2n+1CO+（m/z43、57、71…)的碎片离子峰。这种碎片离子峰的m/z与CnH2n+1+离子一样。12/5/202357H2CCCH2OCH2H3CCH3H2CCOH3C[CH2CH2CH3]-m/z=57(75%)CCH2OCH2CH3H2C][H3C-m/z=71(48%)12/5/20235812/5/2023595、羧酸、酯和酰胺羧酸、酯和酰胺容易发生

开裂，产生酰基阳离子或另一种离子：

在羧酸和伯酰胺中，主要是

1断裂，产生m/z45（HO—C≡O+）和m/z44（H2N—C≡O+）的离子。在酯和仲、叔酰胺中，主要发生

2断裂。

12/5/202360

当有-氢存在时，能发生麦氏重排，失掉一个中性碎片，产生一个奇电子的正离子。

CHCHCHCZHR1R2R3R4CHCHR3R4HCCZHR1R2

在酸、酯中得到的奇电子的正离子的m/z值符合60+14n，而酰胺符合59+14n。12/5/202361

当有

-氢存在时，醛和酮均能发生麦氏重排，产生m/z符合44+14n的碎片离子。例如，甲基正丙基酮的重排峰为m/z58，正丁醛为m/z44。6、胺

胺容易发生

断裂，形成m/z符合30+14n的亚胺正离子，构成质谱图上的主要强峰。例如：+7、卤化物卤化物容易发生C-X键断裂，正电荷可以留在卤原子上，也可留在烷基上。12/5/202362卤化物有类似于醇的脱水过程，脱去HX：此外，卤化物可发生

开裂，形成卤正离子：12/5/2023638、芳香族化合物芳香族化合物有

电子系统，因而能形成稳定的分子离子。在质谱图上，它们的分子离子峰有时就是基峰。此外，由于芳香族化合物非常稳定，常常容易在离子源中失去第二个电子，形成双电荷离子。在芳香族化合物的质谱中，常常出现m/z符合CnHn+的系列峰(m/z78、65、52、39)和（或)m/z77、76、64、63、51、50、38、37的系列峰，后者是由于前者失去一个或两个氢后形成的。这两组系列峰可以用来鉴定芳香化合物。

12/5/20236412/5/202365

芳香族化合物可以发生相对于苯环的

开裂。烷基芳烃的这种断裂，产生m/z91的基峰，进一步失去乙炔，产生m/z65的正离子：

芳香醚发生

断裂后，产生的正离子为：12/5/202366

正离子不稳定，失去CO后，生成m/z65离子。硝基化合物首先经历一个重排，然后失去NO，产生与芳香醚同样类型的离子，最后生成m/z65离子：12/5/202367

芳香醛、酮和酯类化合物发生

断裂后，产生m/z105的

然后进一步失去CO，生成m/z77的苯基阳离子：12/5/202368

芳香化合物也可发生

断裂，生成m/z77的苯基阳离子，然后进一步失去CH≡CH生成m/Z51（C4H3+）离子：12/5/202369§1.5MS的应用一、分子式的确定1、利用同位素的丰度推导分子式（1）分子中氯、溴元素的识别氯、溴均有A+2的同位素，因而出现M+2峰。如果分子中只有一个卤素原子，则M与M+2的峰强度比为3：1和1：1。如分子中含有多个卤素原子，则间隔两个质量数的质谱峰强度比为（a+b)n的展开式各项之比。a和b分别是两种同位素的丰度比。12/5/202370如分子中既有氯也有溴，则用（a+b)n（c+d)m来计算。（2）分子中硫、硅元素的识别硫、硅也有A+2的同位素，但丰度较低，分别为4.2和3.4。其原子数目可用下式计算（取整数）：（3）分子中碳原子数目的确定碳有13C同位素，其丰度为1.1%，是A+1类同位素中丰度最大的，且碳是组成有机化合物最基本的元素。12/5/202371分子中碳原子数越多，13C出现的几率越高，M+1峰的高度也越高。2、利用Beynon表查阅可能的分子式Beynon等利用同位素丰度以及M、M+1、M+2离子峰的丰度比计算出可能的分子式（只含C、H、O、N），制成Beynon表。12/5/20237212/5/20237312/5/202374二、分子结构的推测根据分子式和质谱图推测分子结构1、根据分子式计算不饱和度n1、n3、n4分别是分子中一、三、四价元素原子的数目。C2H5NO、C6H6、C8H8O、C9H10O2、C8H19N2、根据质谱图确定分子量3、研究质谱图的概貌，判断分子离子的稳定性12/5/2023754、根据重要的低质量离子推测物质的类型5、与标准物质的质谱对照例1:根据以下MS图谱推测化合物的结构m/z1821057751相对强度25507510015017512/5/202376182：C13H12N、C13H10O、C13H26、C14H24105：C7H7N、C7H5O77：C6H5CO例2:根据以下MS图谱推测化合物的结构12/5/2023771）分子量为128，不含氮或含偶数个氮；2）出现43、57、71等峰，CnH2n+1或CnH2n+1CO，而无30、44等含氮的特征峰，可认为化合物不含氮；3）无苯基的特征峰；m/z128(M+)715743相对强度204060801001205885869911312/5/202378三、质谱的定量分析质谱检出的离子强度与离子数目成正比，通过离子强度可进行定量分析。4）58、86、100为麦氏重排峰，因而表明分子中有C=O；5）分子式为C8H16O；6）100的重排峰证明失去的是CH2=CH2，即有CH3CH2CH2C=O存在；7）86的重排峰证明失去的是CH2=CH-CH3，即有CH3CH2CH2CH2C=O或（CH3）2CHCH2C=O存在；8）化合物的结构为86的重排峰证明失去的是CH2=CH-CH3，即有CH3CH2CH2CH2COCH2CH2CH2CH3或CH3CH2CH2COCH2CH（CH3）212/5/202379第一章质谱分析一、选择题1．在离子源中用电子轰击有机物，使它失去电子成为分子离子，最容易失去的电子是：A：杂原子上的n电子B：双键上的Л电子C：C-C键上的σ电子D：C-H键上σ电子。2．在质谱仪中，质量分析作用原理是：A：离子的质荷比（m/e），与轨迹曲线半径（R），磁场强度（H）和加速度电压（V）有定量的关系B：固定H和V，（m/e）与R2成正比C：固定R和V，m/e与H成正比D：固定R和V，m/e与H2成正比E：固定R和H，m/e与V成反比3在质谱图中，被称为基峰或标准峰的是：A：一定是分子离子峰B：质荷比最