第十四章 质谱分析法 Mass spectrometry

质谱分析法原理和仪器

质谱峰和主要离子峰

质 谱 分 析 法 应 用

1. 质谱分析法的优点 :(1) 它是至今唯一可以确定分子质量的方法 , 在高分辨率质谱仪中能够准确测定质量 , 而且可以确定化合物的化学式和进行结构分析。(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 10-14g 。

2. 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：分析石油 1960 年代：研究 GC-MS 联用技术 1970 年代：计算机引入3. 质谱仪的分类 有机质谱仪：气 - 质 液 - 质 富变质谱仪 激光解吸飞行时间变质谱仪 无机质谱仪： ICP-MS 同位素质谱仪

一 质谱分析法原理1. 质谱图 质谱分析是用高速电子来撞击气态分子或原子 , 将电离后的正离子加速导入质量分析器 ,然后在磁场中按质荷比 (m/z) 大小进行收集和记录 , 及得到质谱图。根据质谱峰的位置进行物质的定性和结构分析 , 根据峰的强度进行定量分析。

第一节 质谱分析法原理和仪器

2. 原理 试样从进样器进入离子源 , 在离子源中产生正离子。正离子加速进入质量分析器 , 质量分析器将离子按质荷比大小不同进行分离。分离后的离子先后进入检测器，检测器得到离子信号，放大器将信号放大并记录在读出装置上。 试样在离子源内被气化、电离。用电子轰击法在 10-5Pa 高真空下 , 以 50100eV 能量的电子流轰击试样 , 有机物常常被击出一个电子 ,

形成带一个正电荷的正离子，称为分子离子 ( ) M+e- +2e-

在质谱仪中 , 各种正离子被电位差为 8008000V 的负高压电场加速 , 加速后的动能等于离子的位能 zU, 即 加速后的离子进入磁场中 , 由于受到磁场的作用 , 使离子作弧形运动 , 此时离子所受的向心力 Bz 和运动的离心力 m2/R 相等 , 得 :

M+

M+

zUm 2

21 Bz

Rm

2

离子质荷比与运动轨道曲线半径 R 的关系 :

或

质谱分析法的基本公式叫质谱方程式。若加速电压U 和磁场强度 B 都一定时，不同 m/z 的离子，由于运动的曲线半径不同，在质量分析器中彼此分开。

B RU

2

2zm =

2

BRU2

zm

= 2( )1/2

贰质谱仪器 通常有六部分组成：真空系统，进样系统，离子源，质量分析器，离子检测器，记录显示系统。（一）高真空系统 质谱仪中所有部分均要处高度真空的条件下(10-4-10-6Pa), 其作用是减少离子碰撞损失。真空度过低，将会引起：1) 大量氧会烧坏离子源灯丝2) 引起其它分子离子反应，使质谱图复杂化3)干扰离子源正常调节4) 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。（二） 进样系统 对进样系统的要求：重复性、不引起真空度降低。 1 间接进样 适于气体、沸点低且易挥发的液体、中等蒸汽压固体。如图 14.1 所示。注入样品 (10-100g)—贮样器 (0.5L-3L)—抽真空 (10-2 Pa) 并加热—样品蒸汽分子 ( 压力陡度 )—漏隙—高真空离子源。

图 14.1 进样系统

2 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 i.d.,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：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。3 色谱进样：利用气相和液相色谱的分离能力，进行多组份复杂混合物分析。

图 14.2直接探针进样系统

(三 ) 电离源 (室 ) 将引入的样品转化成为碎片离子的装置。根据样品离子化方式和电离源能量高低，通常可将电离源分为：气相源：先蒸发再激发，适于沸点低于 500oC、对热稳定的样品的离子化，包括电子轰击源、化学电离源、场电离源、火花源。解吸源：固态或液态样品不需要挥发而直接被转化为气相，适用于分子量高达 105 的非挥发性或热不稳定性样品的离子化。包括场解吸源、快原子轰击源、激光解吸源、离子喷雾源和热喷雾离子源等。

硬源：离子化能量高，伴有化学键的断裂，谱图复杂，可得到分子官能团的信息。软源：离子化能量低，产生的碎片少，谱图简单，可得到分子量信息。因此，可据分子电离所需能量不同可选择不同电离源。1. 电子轰击源 (Electron Bomb Ionization， 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，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：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；但分子离子峰强度较弱或不出现(因电离能量最高 ) 。

2. 化学电离源 (Chemical Ionization, CI) 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。进入电离源的分子 R-CH3 大部分与 C2H5+ 碰撞产生(M+1)+ 离子；小部分与 C2H5+反应，生成 (M-1)+ 离子：

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要信息。( 四 ) 质量分析器 作用：将不同碎片按荷质比 m/z 分开。质量分析器类型：磁分析器、飞行时间、四极杆、离子捕获、离子回旋等。磁分析器： 单聚焦型 (Magnetic sector spectrometer) ：仅用一个扇形磁场进行质量分析的质谱仪。

1 单聚焦分析器（ single focusing mass analyzer)

1) 结构：扇形磁场（可以是 1800 、 900 、 600 等 )

图 14.3单聚焦分析器

zeUmv21 2

B

U2zm =

2er

Bzev= mv2/r

2.双聚焦质量分析器 带电离子质量分析器，在磁场作用下，飞行轨道弯曲。当向心力 Bzev 与离心力 mv2/r 相等时，离子才能飞出磁场区，即，

当 B 、 r、 U三个参数中任两个保持不变而改变其中一个参数时，可得质谱图。现代质谱仪通常是保持 U 、r不变，通过扫描磁场来得到质谱图的。下图可更直观地看到单聚焦质量分析器的工作过程。

图 14.4单聚焦质量分析器

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，而对于 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 。2. 双聚焦型 (Double focusing spectrometer)

为克服动能或速度“分散”的问题，即实现所谓的“速度聚焦”，在离子源和磁分析器之间加一静电分析器（ ESA) ，如下图所示，于两个扇形电极板上加一直流电位 Ve ，离子通过时的曲率半径为 re=U/V ，即不同动能的离子 re 不同，换句话说，相同动能的离子的 re 相同 ---- 能量聚焦了。

双聚焦分析器（ Doubpe focusing mass analyzer)

图 14.5 双聚焦分析器

思考：为什么双聚焦仪比单聚焦仪有更高的分辨率？3. 四极滤质器 (Quadrupole mass filter)组成如：

图 14.6 四极滤质器

在两个相对的极杆之间加电压 (U+Vcost) ，在另两个相对的极杆上加 -( U+Vcost) 。与前述双聚焦仪的静电分析器类似，离子进入可变电场后，只有具合适的曲率半径的离子可以通过中心小孔而到达检测器。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。

(五 ) 检测器 包括 Faraday 杯、电子倍增器、闪烁计数器、照相低片等。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。2) 电子倍增器：类似于光电倍增管，可测 10-18A电流。但有质量歧视效应。3)闪烁计数器：记录离子的数目。

一、质谱图 以荷质比 m/z 为横座标，以对基峰 ( 最强离子峰，规定相对强度为 100%) 相对强度为纵座标所构成的谱图，称之为质谱图。

图 14.7 质谱图

第二节 质谱峰和主要离子峰

二、质谱峰主要离子峰 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： A,B,C,D+ 为分子离子峰， m/z 即为分子的分子量。对于有机物，杂原子 S， O， P ， N等上的未共用电子对最易失去，其次是电子，再其次是电子。

( 一 ) 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 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。 M + e- → +2e 分子离子峰的强弱顺序为：芳环共轭烯烯酮

直链烷烃醚酯胺酸醇高分子烃。

M+

M+

(二 ) 碎片离子峰 因分子发生键的断裂只需要十几电子伏特的能量，而电子轰击的能量为 70eV ，因而会产生质量数更小的碎片 , 称为碎片离子峰。

m/z 58 m/z43 m/z15 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。

CH3

C O+ -CH3 O+ CH3 C CO CH3+- CH3

(三 ) 同位素峰 由于天然同位素的存在，因此在质谱图上出现 , ， 等 , 其同位素峰叫做同位素离子峰 .对应的 m/z 为M+1 ，M+2,M+3. 其同位素类型用M,M+1,M+2表示 .人们通常把某元素的同位素占该元素的原子质量分数称为同位素丰度。

)1(M

)2(M )3(M

( 四 )重排离子峰 原子或基团经重排后再开裂而形成一种特殊的碎片离子，称重排离子。如醇分子离子经脱水后重排可产生新的重排离子峰。重排离子形成的机理：

HCH2

CH2 C

O

CH2

+ CH

CH2

2

H

+

H

C

O

2C H

+H

m/z72 m/z44

(五 ) 亚稳离子峰过程：质量数为 m1 的多个带电离子，其中部分失去中性碎片 m 而变成 m2 而形成亚稳离子峰 m*，此时可将此峰看成 m1 和 m2 的“混合峰”，因此形成“宽峰”，极易识别。且有下式：

此式可用于寻找裂解途径 ( 通过母离子 m1 与子离子m2 的关系 ) 。

1

22 )(*

mmm

内容有：分子量测定、化学式及结构式签定一 相对分子质量的测定 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，但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？

第三节 质谱分析法应用

      ( 一 ) 原则上除同位素峰外，分子离子峰是最高质量的峰。但要注意“醚、胺、脂的 (M+H)+ 峰”及“芳醛、醇等的 (M-H)+ 峰”。     (二 ) 分子离子峰应符合“氮律”。在 C 、 H 、 O 组成的化合物中，分子离子峰的质量数一定是偶数；在含C 、 H 、 O 、 N 化合物中，含 0 个或偶数个 N 的分子量为偶数，含奇数个 N 的分子量为奇数。     (三 ) 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。

 ( 四 )    EI 源中，当电子轰击电压降低，强度不增加的峰不是分子离子峰。二、化学式的确定 a) 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。 b) 低分辨质谱则不能分辨 m/z 相差很小的碎片离子，如 CO 和 N2 。通常通过同位素相对丰度法来确定分子的化学式。

对于含有 Cl, Br, S 等同位素天然丰度较高的化合物，其同位素离子峰相对强度可由（ a+b)n 展开式计算，其中 a 、 b 分别为该元素轻重同位素的相对丰度， n 为分子中该元素的原子个数。CH3Cl ：因为， a=3, b=1, n=1, 因此 (3+1)1=3+1 ， 即 m/z50(M):m/z52(M+2)=3:1

CH2Cl2 ：因为， a=3, b=1, n=2, 因此 (3+1)2=9+6+1,

即 m/z84(M):m/z86(M+2):m/z88(M+4)=9:6:1CHCl3 ：因为 a=3, b=1, n=3, 因此， (3+1)3=27+27+9+1 即 m/z118(M):m/z120(M+2):m/z122(M+4):m/z124(M+6)

=27:27:9:1

对于含有两种或以上的杂原子，则以（ a1+b1)n1•(a2+b2)n2 •……表示。ClCH2Br: (3+1)1(1+1)1=3+4+1

即： m/z128(M):m/z130(M+2):m/z132(M+4)=3:4:1

三、结构签定：多采用与标准谱库对照的方法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。

肆 质谱定量分析

( 一 ) 无机痕量分析(二 ) 同位素的测定(三 )混合物的定量分析

a)C6D6纯度测定：看 C6D6+ ， C6D5H+ ， C6D4H2

+ ， C6D3H3

+ 等的相对强度确定。b) 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。c) 同位素年代测定：通过 36Ar 与 40Ar 的强度比求出 40

Ar( 由 40K经 1.3109a衰变而来 )含量，再据半衰期求出其年代。

GC则具有分离复杂混合物的能力，定量易定性难；而MS多用于纯物质定性分析。二者有机结合，可提复杂混合物定性定量极为有效的工具。以上将两种或以上的方法结合起来的技术称之为联用技术。如 GC-MS， LC-MS， CE-MS， GC-FTIR，MS-MS等。 由于 MS要求高真空，因此与 MS联用，必须解决真空连结或＂接口＂问题。

第四节 色谱 / 质谱联用技术 (Hyphenated method)

图 14.8GC-MS

填充柱：载气 +样品 ------ 分子分离器 (He 被抽走，样品借惯性前进；真空度大大下降 )-----MS离子室毛细管柱：载气 +样品 ---- 进入电离室检测记录过程：经分离的各分子依次进入电离室 ---经总离子流检测器记录色谱图 ----总离子流图 (Total ion chromatogram, TIC)----- 某一组份离子流 ( 离子流峰 ) 一旦出现，立即触发MS开始扫描其质谱图。

二、 LC-MS

LC对分离热不稳定物质较 GC好， LC-MS 联用最主要的是要解决：如何有效除去大量流动相液体。早期使用“传动带技术”，现多采用“离子喷雾”或“电喷雾”技术。

习题1. 等摩尔的 CH4 和 CD4 的混合物与 CH2D2 有相同数目的 D 原子，但是 CH4 和 CD4混合物的质谱明显的不同于 CH2D2 是说明它们的质谱图。　 解： CH4 和 CD4 的混合物的质谱图如下：在 m/z16

和 m/z20 分别是 CH4 和 CD4 的分子离子峰；在 m/z17

和 22 相应出现它们的同位素离子峰 [M+1] 和 [M+2];CH4因失去１～３个Ｈ相应在 m/z15,14 和 13 出现低强度的碎片离子峰； CH 4因失去 1～ 3 个 D 相应的低强度离子峰分别为 18 、 16 和 14 。而 CH2D2 的分子离子峰m/z18,因失去 H 或Ｄ产生低强度的 m/z17,16,15,13碎片离子峰。

2. 化合物 A 和 B 分子离子峰为 m/z58 。在 NaOD 中以D2O 处理后，化合物Ａ在处出现一离子峰，而化合物B 在处出现一离子峰。试问何种类型的化合物在以 处理后，会产生此现象？ A 和 B 各为什么化合物？解 : 在碱性介质中经 D2O 处理后， A 的相对分子量增加 6 ， B增加 2 ，表示化合物 A 和 B 均有酸性氢在碱性中易离解，而被氘代，故相对分子量增加，可知A 和 B 均为带 α-羰基氢的化合物。 查 Beynon表，相对分子量为 58 ，而又带有氧原子的化合物有下列几种： CNO2 ， CH2N2O ， C2H2O2 ，C2H4NO ， C3H6O ，其中具有羰基氢的只有丙酮和丙醛：丙酮分子中有 6 个羰基氢，可以被 D取代，反应机理如下：故化合物 A 为丙酮。丙醛分子中有 2 个羰基氢可被氘取代，其反应机理类似于丙酮：故化合物B 为丙醛。

3.某化合物的质谱图如图所示，试推断其结构。

m/z解 从质谱图可以看出，出现的离子峰 m/z符合 CnH2n+1;并且相邻两峰的差为 14 ，即相差即相差一个 -CH2；最强离子峰 m/z 为 43 ，这是饱和直链烷烃的典型特征。故改化合物为 n-癸烷。

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

29

57

85 142

相对丰度%

11399

71

43

4.某未知化合物的质谱图如图所示。试推断其结构。

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

67

81 129

相对丰度%

m/z

解 从该化合物的质谱图上可以看出，分子离子峰 146 ，并出现了质量数相差 2 的几对离子峰： m/z 3537 、6769 、 7981 、 111113 、 127129 、和 146 148。由 m/z69=148 79，是失去一个溴原子产生的离子峰，以及 m/z 79 81 的等强度两对峰等，可以说明该化合物含有一个溴原子。由 m/z113=148 35 ，是失去一个氯原子产生的离子峰，以及 m/z 3537 这对离子峰，可知该化合物含有一个氯原子。由 m/z 129=148 19，是失去一个氟原子产生的离子峰，以及 m/z 31 为 C—F +，可知该化合物含有一个氟原子。

故该化合物为：

CCl F

H

Br

1 ，除同位素离子峰外，分子离子峰位于质谱图的 区，它是分子失去 生成的，故其质荷比是该化合物的 。2 ，在化合物 CH3Br的质谱图中， M和 M+2 峰的相对强度比为 。（南开大学 2001 年）3. 化合物 Br2HaC—CH2Br 中 Ha 质子裂分为 个峰，其峰强度的比值为 。（南开大学 2002 年）4. 质谱方程式是 ____，在固定磁场及外加电压的仪器中，随磁场曲率半径逐渐增大，质核比依次 _____排列。（南开大学 2003年）

5.某实验室有原子吸收分光广度计，极谱仪、紫外分光光度计、气相色谱仪、核磁共振仪和离子活度计，现有以下分析测试任务，请选用最适宜的分析仪器： A. 检测污泥中含有那些金属元素（ ）B. 测定工业原料丁醇中正丁醇的百分含量（ ）C.普查儿童头发中锌的含量（ ）D. 检测污水中氟的含量（ ）E. 检测有机化合物中无 S=O基团（ ）F.推断某有机化合物的结构（ ）（首都师范大学 1999年）

1.某化合物用一个具有固定狭缝和恒定加速电压的质谱仪进行分析，当磁场强度慢慢的增加时，则首先通过狭缝的是（ ） A质荷比最高的正离子 B 质荷比最低的正离子 C 质量最大的正离子 D质量最小的正离子2.某试样质谱图的M和M+2 峰强度的比值为 3:1,则分子中一定含有 ( ) A 一个溴原子 B 一个氯原子 C 两个溴原子 D 两个氯原子（南开大学 2001 年）

3. 下列化合物含 C 、 H 、 O 、 N 和 S ，试指出那一种化合物的分子离子峰为奇数（ ）A.C6H6 B.C8H2NO2 C.C4H2N6O D.C6H10O2S

4.某试样质谱图的 M 和 M+2 峰对比值为 1:1 ，则分子中一定含有（ ）A. 一个溴原子 B. 一个氧原子

C.两个氯原子 D.两个溴原子（南开大学 2003年）5. 在下列混合物中，质子化学位移（ δ）最小者是（ ） A 、 CH3Br B 、 CH4 C 、 CH3I D 、 CH3F

（首都师范大学 2002 年）

1. （ 2 分）以 CH3-CH2-Br 为例，其中什么氢核化学位移较小？什么氢核化学位移较大？2. （ 8 分）某化合物疑为庚酮– 3 或庚酮– 4 ，其 MS图如下，试根据 MS 图予以确认，并说明m/e71 和m/e43 两种离子的生成过程。

（首都师范大学 2001 年）

3.m/e 为 500 的离子，在分辨率为 1×104 的质谱仪上可与相差多少质量单位的离子分开？（ 首都师范大学 2002 年）