第五章：质谱

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1、第六章第六章 有机质谱有机质谱Organic Mass Spectroscopy优点：优点：1. 灵敏度高灵敏度高2. 测定分子量，确定分子式测定分子量，确定分子式3. 分析分析范围广（范围广（气体、液体、固体）气体、液体、固体）4. 各种联用技术各种联用技术5. 新的电离、检测技术新的电离、检测技术n6.1 概述n6.2 有机质谱中的裂解反应n6.3 有机化合物的质谱图n6.4 质谱图的解析n6.5 色质联用和串联质谱6.1 概述n6.1.1 质谱仪质谱仪n6.1.2 离子源离子源n6.1.3 质量分析器质量分析器n6.1.4 分子量分子量的的确定确定n6.1.5 分子式的分子式的确定确定真

2、空系统真空系统Vacuum System进样系统进样系统Sample Inlet检测器检测器Detector数据处理系统数据处理系统Data System质量分析器质量分析器Mass Analyser离子源离子源Ionization Source6.1.1 质谱仪的组成质谱仪的组成Components of any Mass Spectrometer进样系统进样系统离子源离子源质量分析器质量分析器检测器检测器6.1.2 离子源离子源（Ionization Source）电子轰击电离（电子轰击电离（electron impact ionization, EI）化学电离（化学电离（chemical

3、 ionization, CI）场电离（场电离（field ionization, FI）场解吸（场解吸（field desorption, FD）快原子轰击（快原子轰击（fast atom bombardment, FAB）基质辅助激光解吸电离基质辅助激光解吸电离（matrix-assisted laser desportion ionization, MALDI）电喷雾电离（电喷雾电离（electrospray ionization, ESI）大气压化学电离大气压化学电离（atmospheric pressure chemical ionization, APCI）离子源的作用是离子源的作

4、用是使样品分子转化为离子使样品分子转化为离子。6.1.2.1 电子轰击电离（电子轰击电离（electron impact ionization, EI）质谱中最常用的离子源，一般为质谱中最常用的离子源，一般为70eV的电子束，远大于大的电子束，远大于大多数有机化合物的电离电位（多数有机化合物的电离电位（715eV），会使相当多的分），会使相当多的分子离子进一步裂解，产生广义的碎片离子。子离子进一步裂解，产生广义的碎片离子。 Soft Ionization EventHard Ionization EventNETHard+Soft Events+FragmentsFragmentseeeeee

5、MMM+(Stable)M+*M+电子轰击分子示意图优点：优点：1）稳定）稳定, 质谱图再现性好，便于计算机检索及比较；质谱图再现性好，便于计算机检索及比较；2）离子碎片多，可提供较多的分子结构信息。）离子碎片多，可提供较多的分子结构信息。缺点：缺点：1）样品必须易于气化；）样品必须易于气化；2）当样品分子稳定性不高时，分子离子峰的强度低，甚）当样品分子稳定性不高时，分子离子峰的强度低，甚至不存在分子离子峰。至不存在分子离子峰。6.1.2.2 化学电离（化学电离（chemical ionization, CI）化学电离是通过离子化学电离是通过离子-分子反应来完成的。反应气体一般是分子反应来完成

6、的。反应气体一般是甲烷、异丁烷、氨等甲烷、异丁烷、氨等, 生成生成(M+H)+, (M-H)+, (M+NH4)+ 的准的准分子离子分子离子。优点：优点：准分子离子峰强度高，便于推算分子量；准分子离子峰强度高，便于推算分子量；缺点：缺点：1）只适用于易挥发、受热不分解的样品；）只适用于易挥发、受热不分解的样品；2）碎片离子峰少，强度低。）碎片离子峰少，强度低。例：例：CH4 + e CH4+ + 2e CH4+ + CH4 CH5+ + CH3 CH5+ + M CH4 + (M+H)+ CH5+ + M CH4 + (M-H)+ + H2化学电离（化学电离（chemical ionizati

7、on, CI）n样品气体和反应气体混合，进入电离室后，首先用电子轰击方法使反应气体电离，然后，反应气体与样品气体进行离子-分子反应使样品气体电离。CO2C8H17CO2C8H17149100 200 300 400100435771113167EIm/z0100113m/z0100 200 300 400149CI(CH4)261279391CI(CHMe3)100m/z0391100 200 300 400相对丰度/(%)相对丰度/(%)相对丰度/(%)(a)(b)(c)(a) EI源源 (b) CI源（甲烷）源（甲烷） (c) CI源（异丁烷）源（异丁烷）图2 邻苯二甲酸二辛酯的质谱图6.

8、1.2.3 场电离（场电离（field ionization, FI）和）和 场解吸（场解吸（field desorption, FD）场电离：是一种软电离技术。当样品蒸汽邻近或接触到带高场电离：是一种软电离技术。当样品蒸汽邻近或接触到带高正电位的金属针时，由于高曲率的针端产生很强的电位梯度，正电位的金属针时，由于高曲率的针端产生很强的电位梯度，样品分子可被电离。样品分子可被电离。优点：电离快速，适合于和气相色谱联机；优点：电离快速，适合于和气相色谱联机；缺点：要求样品汽化，灵敏度低。缺点：要求样品汽化，灵敏度低。场解吸：原理与场解吸：原理与FI相同，但样品是被沉积在电极上。相同，但样品是被沉

9、积在电极上。FD适用于难汽化的、热不稳定样品。适用于难汽化的、热不稳定样品。FD的准分子离子峰比的准分子离子峰比FI的强，质谱图比的强，质谱图比FI的还要简单。的还要简单。6.1.2.4 快原子轰击（快原子轰击（fast atom bombardment, FAB）FAB：是一种广泛应用的软电离技术。快原子轰击利用的重：是一种广泛应用的软电离技术。快原子轰击利用的重原子一般为原子一般为 He 或或 Ar。Ar+(高动能的高动能的) + Ar(热运动的热运动的) Ar(高动能的高动能的) + Ar+(热热运动的运动的)Ar+枪Ar+ArAr(6kV)碰撞室样品探头MS分析系统图1-5 FAB离子

10、源原理示意图FAB可完成连可完成连FD都有困难的、都有困难的、高极性、难汽化的化合物高极性、难汽化的化合物的电离。的电离。样品多调匀于基质（一般为甘油等）中。基质应具有流动性、样品多调匀于基质（一般为甘油等）中。基质应具有流动性、低蒸气压、化学惰性、电解质性和好的溶解性。低蒸气压、化学惰性、电解质性和好的溶解性。FAB得到的是准分子离子峰得到的是准分子离子峰(M+H)+;当分析极性样品（糖类），常加入当分析极性样品（糖类），常加入NaCl水溶液，得到水溶液，得到(M+Na)+离子峰。离子峰。6.1.2.5 基质辅助激光解吸电离基质辅助激光解吸电离 （matrix-assisted laser

11、desportion ionization, MALDI） 在一个微小的区域内，在极短的时间间隔，激光可对靶物在一个微小的区域内，在极短的时间间隔，激光可对靶物提供高的能量，对它们进行极快的加热，可以避免热敏感的化合提供高的能量，对它们进行极快的加热，可以避免热敏感的化合物加热分解物加热分解。MALDI的方法：将被分析化合物的溶液和某种基质溶液相混合。的方法：将被分析化合物的溶液和某种基质溶液相混合。蒸发掉溶剂，则被分析物质与基质形成晶体或半晶体。用一定波蒸发掉溶剂，则被分析物质与基质形成晶体或半晶体。用一定波长的脉冲式激光进行照射。基质分子能有效地吸收激光的能量，长的脉冲式激光进行照射。基质

12、分子能有效地吸收激光的能量，并间接地传给样品分子，从而得到电离。并间接地传给样品分子，从而得到电离。优点：优点：1）使一些难于电离的样品电离，且无明显的碎裂，从而得到）使一些难于电离的样品电离，且无明显的碎裂，从而得到完整的被分析化合物分子的电离产物；完整的被分析化合物分子的电离产物；2）特别适用于与飞行时间质谱相配（）特别适用于与飞行时间质谱相配（MALDI-TOFMS）。）。6.1.2.6 电喷雾电离（电喷雾电离（electrospray ionization, ESI）主要应用于高效液相色谱主要应用于高效液相色谱HPLC与质谱仪的联用。与质谱仪的联用。从雾化器套管的毛细管端喷出的带电液滴

13、，随着溶剂的不断快从雾化器套管的毛细管端喷出的带电液滴，随着溶剂的不断快速蒸发，液滴迅速变小，表面电荷密度不断增大。由于电荷间速蒸发，液滴迅速变小，表面电荷密度不断增大。由于电荷间的排斥作用，就会排出溶剂分子，得到样品的准分子离子。的排斥作用，就会排出溶剂分子，得到样品的准分子离子。NebulizerGasHeatHeatSolutionMakeup GasHigh VoltagePower SupplyIonsSamplingOrifice3)4)3) Field Evaporation4) Coulomb Explosion1) Desolvation2) Charge Accumulat

14、ion120Barrier Gas Flow(Differential Pumping)图1-6 ESI1-6 ESI源示意图源示意图 通常小分子得到带单电荷的准分子离子，而大分子则得到多种通常小分子得到带单电荷的准分子离子，而大分子则得到多种多电荷离子。检测质量可提高几十倍。多电荷离子。检测质量可提高几十倍。ESI是很软的电离方法，是很软的电离方法，通常无碎片离子峰，只有整体分子的峰，十分有利于生物大分通常无碎片离子峰，只有整体分子的峰，十分有利于生物大分子的质谱测定。子的质谱测定。 6.1.2.7 大气压化学电离大气压化学电离（atmospheric pressure chemical i

15、onization, APCI） ： 是由是由ESI源派生出来的，常压下电晕放电。源派生出来的，常压下电晕放电。 喷出的液滴先汽化，随后溶剂分子被电离，发生喷出的液滴先汽化，随后溶剂分子被电离，发生化学电离化学电离的的过程。过程。 要样品汽化，适用于弱极性的小分子化合物要样品汽化，适用于弱极性的小分子化合物(M1000)。辅助气体常压区MS104PaN2气帘用于喷雾的空气放电电极加热器LC图1-7 APCI1-7 APCI工作原理示意图工作原理示意图 6.1.3 质量分析器质量分析器磁质量分析器（磁质量分析器（Magnetic Sector Analyzer） 飞行时间质谱计飞行时间质谱计（t

16、ime of flight, TOF ）四极四极质量分析器（质量分析器（quadrupole mass analyzer）离子阱离子阱（ion trap）傅立叶变换离子回旋共振质谱计傅立叶变换离子回旋共振质谱计（Fourier transform ion cyclotron resonance, FT-ICR）质量分析器质量分析器 质量分析器的作用是将离子源中形成的离子按质荷比值的大小不同分开；n静态分析器 采用稳定不变的电磁场，按照空间位置把不同质量（m/e）的离子分开。单聚焦磁场分析器 双聚焦磁场分析器n动态分析器 采用变化的电磁场，按照时间或空间来区分质量不同的离子。 飞行时间质谱仪四极

17、滤质器6.1.3.1 磁质量分析器（磁质量分析器（Magnetic Sector Analyzer） 单聚焦（单聚焦（single-focusing）和双聚焦（和双聚焦（double-focusing）质量分析器质量分析器单聚焦单聚焦质量分析器使用扇型磁场质量分析器使用扇型磁场，结构简单，操作方便，结构简单，操作方便，但是分辨率低。但是分辨率低。双聚焦双聚焦质量分析器使用扇型电场及扇型磁场，分辨率高，质量分析器使用扇型电场及扇型磁场，分辨率高，其缺点是价格贵，操作和调整比较困难。其缺点是价格贵，操作和调整比较困难。电场加速后电场加速后 zV=(1/2)m2 ( z-电荷；V-电压； m-质量；

18、-速度)磁场中磁场中 Bz = m2/r (B-磁场强度；r-半径) 推出推出 m/z=B2r2/2V 扫描扫描B/V来获得质谱图来获得质谱图电分析器收集器（接显示装置和记录仪）加速区离子源EB磁分析器具有近似动能的离子束具有几乎相同动能的离子束6.1.3.2 飞行时间质谱计飞行时间质谱计（time of flight, TOF ）用一个脉冲将离子源中的离子瞬间引出，经加速电压加速，用一个脉冲将离子源中的离子瞬间引出，经加速电压加速，它们具有相同的动能进入漂移管，质荷比小的离子具有最它们具有相同的动能进入漂移管，质荷比小的离子具有最快的速度因而首先到达检测器，质荷比大的离子则最后到快的速度因而

19、首先到达检测器，质荷比大的离子则最后到达检测器。达检测器。Ion SourceDrift RegionDetectorReflection配离子反射镜的飞行时间质谱示意图配离子反射镜的飞行时间质谱示意图优点：优点：1）检测离子的质荷比范围非常宽；）检测离子的质荷比范围非常宽；2）特别适合于与脉冲产生离子的电离源（）特别适合于与脉冲产生离子的电离源（MALDI-TOF）；）；3）灵敏度高，适合于作串联质谱的第二级；）灵敏度高，适合于作串联质谱的第二级；4）扫描速度快，适合研究极快过程；）扫描速度快，适合研究极快过程；缺点：缺点：分辨率随质荷比的增加而降低。分辨率随质荷比的增加而降低。飞行时间质谱

20、计飞行时间质谱计（time of flight, TOF ）6.1.3.3 四极四极质量分析器（质量分析器（Quadrupole Mass Analyzer）+由四跟平行的棒状电极组成而得名。与由四跟平行的棒状电极组成而得名。与扇型磁场的质量扇型磁场的质量分析器的原理完全不同。分析器的原理完全不同。在一定在一定DC/VC作用下，具有一定作用下，具有一定m/z的离子能到达收集器，其的离子能到达收集器，其他离子被滤掉。他离子被滤掉。四极四极质量分析器（质量分析器（quadrupole mass analyzer）优点：优点：1）结构简单、容易操作、价格便宜；）结构简单、容易操作、价格便宜；2）仅用

21、电场而不用磁场，无磁滞现象，扫描速度快，适合）仅用电场而不用磁场，无磁滞现象，扫描速度快，适合与色谱联机；与色谱联机；3）操作时的真空度相对较低，特别适合与液相色谱联机。）操作时的真空度相对较低，特别适合与液相色谱联机。缺点：缺点：1）分辨率不高（）分辨率不高（R=103-104）；）；2）对较高质量的离子有质量歧视效应。）对较高质量的离子有质量歧视效应。6.1.3.4 离子阱离子阱（ion trap）离子阱离子阱与与四极四极质量分析器的原理类似，因此也称为四极离子阱质量分析器的原理类似，因此也称为四极离子阱（quadrupole ion trap）；或因其储存离子的性质而称为四极）；或因其储

22、存离子的性质而称为四极离子储存器（离子储存器（quadrupole ion storage, QUISTOR）。）。12634571离子束注入 2离子闸门 3，4端电极5环电极 6至电子倍增器 7双曲线表面图1-12 离子阱的结构示意图离子阱离子阱（ion trap）优点：优点：1）单一的离子阱可实现多极）单一的离子阱可实现多极“时间上时间上”的串联质谱；的串联质谱；2）结构简单、价格便宜，性能价格比高；）结构简单、价格便宜，性能价格比高；3）灵敏度高，较四极）灵敏度高，较四极质量分析器高达质量分析器高达10-10000倍倍；4）质量范围大，可达）质量范围大，可达6000。缺点：缺点：质谱与标

23、准谱有差别。质谱与标准谱有差别。6.1.3.5 傅立叶变换离子回旋共振质谱计傅立叶变换离子回旋共振质谱计 （Fourier transform ion cyclotron resonance, FT-ICR）通过同时激发分析时内的所有质荷比的离子，通过对检测信号通过同时激发分析时内的所有质荷比的离子，通过对检测信号进行傅立叶变换得到质谱图。进行傅立叶变换得到质谱图。ExcitePlatesBrtrt图6-13 6-13 离子回旋共振示意图优点：优点：1）分辨率极高，可达）分辨率极高，可达1 106，但不导致灵敏度下降；，但不导致灵敏度下降；2）可实现多极）可实现多极“时间上时间上”的串联质谱；

24、的串联质谱；3）灵敏度高、质量范围宽，速度快、性能可靠。）灵敏度高、质量范围宽，速度快、性能可靠。真空系统真空系统Vacuum System进样系统进样系统Sample Inlet检测器检测器Detector数据处理系统数据处理系统Data System质量分析器质量分析器Mass Analyser离子源离子源Ionization Source质谱仪的组成质谱仪的组成Components of any Mass Spectrometer质谱仪的主要性能指标质谱仪的主要性能指标1. 质量范围（质量范围（mass range） 质谱仪所能测定的离子质荷比的范围。质谱仪所能测定的离子质荷比的范围。

25、四极质谱：四极质谱： 1000以内以内 离子阱质谱：离子阱质谱： 6000 飞行时间质谱：飞行时间质谱： 无上限无上限2. 分辨率（分辨率（resolution） 分辨率分辨率R是指质荷比相邻的两质谱峰的分辨能力。是指质荷比相邻的两质谱峰的分辨能力。若近似等强度的质量分别为若近似等强度的质量分别为M1及及M2的两个相邻峰的两个相邻峰正好正好分开，则分开，则质谱仪的分辨率定义为：质谱仪的分辨率定义为：R = ; 式中式中 M = ; M = M2 -M1M MM1+M22国际上：国际上：1）R10%：两峰间的峰谷高度为峰高的：两峰间的峰谷高度为峰高的10%时的测定值；时的测定值；2）一般难以找到

26、两个质量峰等高，且重叠的谷高正好等于）一般难以找到两个质量峰等高，且重叠的谷高正好等于峰高的峰高的10%，则定义：，则定义：R = ; 式中式中 a为其中一峰的峰高为其中一峰的峰高5%处的峰宽处的峰宽; b为相邻两峰的中心距离为相邻两峰的中心距离M Mb a低分辨率质谱仪：低分辨率质谱仪： R 50 1）的分子离子峰所需的样品量。）的分子离子峰所需的样品量。3. 灵敏度（灵敏度（sensitivity）绝对灵敏度：仪器可检测的最小样品量相对灵敏度：仪器可同时检测大组分与小组分的含量之比。或进入仪器的样品量与仪器记录出的峰强度之比。 对于一定样品（如硬脂酸甲酯），在一定的分辨率情对于一定样品（如

27、硬脂酸甲酯），在一定的分辨率情况下，产生一定信噪比（如况下，产生一定信噪比（如S/N50 1）的分子离子峰所需）的分子离子峰所需的样品量。的样品量。质谱图质谱图横坐标：质荷比横坐标：质荷比 (m/z)纵坐标：纵坐标：相对丰度相对丰度(最强峰的强度定为最强峰的强度定为100%)1008060402020CCH3O7710577105 CO120(M+)5143406080100120m/z相对丰度/(%) 苯乙酮的质谱图 苯乙酮的质谱图苯乙酮的质谱图 6.1.4 分子量分子量的的确定确定6.1.4.1 分子离子峰分子离子峰(M+ )的辨认的辨认 1）最大质量数的峰可能是分子离子峰。）最大质量数的

28、峰可能是分子离子峰。 2）必须是奇电子离子。）必须是奇电子离子。 3）合理的中性碎片（小分子或自由基）的丢失。）合理的中性碎片（小分子或自由基）的丢失。M-3到到M-13、M-20到到M-25之内不可能有峰。之内不可能有峰。 氮规则氮规则 当化合物不含氮或含偶数个氮时，其分子量为偶数；当化合物不含氮或含偶数个氮时，其分子量为偶数； 当化合物含奇数个氮时，其分子量为奇数。当化合物含奇数个氮时，其分子量为奇数。6.1.4.2 分子离子峰的强度和化合物的结构的关系分子离子峰的强度和化合物的结构的关系 A. 各种化合物分子离子峰的相对强度。各种化合物分子离子峰的相对强度。 (1) 芳香化合物芳香化合物

29、 共轭多烯共轭多烯 脂环化合物脂环化合物 低分子量直链烷烃低分子量直链烷烃 某些含硫化合物。通常给出较强的分子离子峰。某些含硫化合物。通常给出较强的分子离子峰。 (2) 直链的酮、酯、酸、醛、酰胺、卤化物等通常显示分子直链的酮、酯、酸、醛、酰胺、卤化物等通常显示分子离子峰。离子峰。 (3) 脂肪醇、胺、腈、硝酸酯、硝酸酯、缩醛和多支链的化脂肪醇、胺、腈、硝酸酯、硝酸酯、缩醛和多支链的化合物通常没有分子离子峰。合物通常没有分子离子峰。B. 强度较弱的分子离子峰的确认。强度较弱的分子离子峰的确认。 (1) 降低电子能量（通常为降低电子能量（通常为70eV）。）。 (2) 采用软电离技术。采用软电离

30、技术。 (3) 样品化合物衍生化。样品化合物衍生化。6.1.5 分子式的分子式的确定确定 质谱观测到的分子量是精确的分子质量（质谱观测到的分子量是精确的分子质量（Exact Mass），是由组成分子的各种元素丰度最高的同位素的精），是由组成分子的各种元素丰度最高的同位素的精确质量计算出来的。确质量计算出来的。6.1.5.1 高分辨质谱法高分辨质谱法质荷比均为质荷比均为 28 的分子：的分子：CO: 27.9949 12.0000(12C)+15.9949(16O)N2: 28.0062 2x14.0031(14N)C2H4: 28.0312 2x12.0000(12C)+4x1.0078(1H

31、)http:/medlib.med.utah.edu/masspec/elcomp.htm从低分辨质谱数据（同位素峰簇各峰的强度比）推测从低分辨质谱数据（同位素峰簇各峰的强度比）推测元素组成：元素组成：从从M+1峰与峰与M峰强度的比值估算分子中峰强度的比值估算分子中含碳含碳的数目的数目 。%1 . 1)M( I) 1M( IAtomsCarbonofNumber 式中式中I(M+1)和和I(M)分别表示分别表示M+1峰和峰和M峰的相对强度峰的相对强度。由由C、H、N、O、S元素组成的化合物元素组成的化合物CxHyOzNuSv，其，其同同位素峰簇各峰的相对强度可近似表示为：位素峰簇各峰的相对强度

32、可近似表示为：I(M + 1 )I(M ) 1 0 01 .1 x + 0 .3 7 u + 0 .8 vI(M + 2 )I(M ) 1 0 0 1 .1 x22 0 0+ 0 .2 z + 4 .4 v6.1.5.2 低分辨质谱低分辨质谱-同位素丰度法同位素丰度法(a+b)n当分子中含有n个卤素原子，各种同位素相对丰度比为： 当分子中含有卤素氯、溴两种原子，则同位素相对丰度比为：(a+b)n(c+d)mm、n为氯、溴原子的数目；a、b为氯原子轻、重同位素的天然丰度; c、d为溴原子轻、重同位素的天然丰度质谱图质谱图横坐标：质荷比横坐标：质荷比 (m/z)纵坐标：纵坐标：相对丰度相对丰度(最

33、强峰的强度定为最强峰的强度定为100%)1008060402020CCH3O7710577105 CO120(M+)5143406080100120m/z相对丰度/(%) 苯乙酮的质谱图 苯乙酮的质谱图苯乙酮的质谱图 真空系统真空系统Vacuum System进样系统进样系统Sample Inlet检测器检测器Detector数据处理系统数据处理系统Data System质量分析器质量分析器Mass Analyser离子源离子源Ionization Source质谱仪的组成质谱仪的组成Components of any Mass Spectrometer6.1.2 离子源离子源（Ionizat

34、ion Source）电子轰击电离（电子轰击电离（electron impact ionization, EI）化学电离（化学电离（chemical ionization, CI）场电离（场电离（field ionization, FI）场解吸（场解吸（field desorption, FD）快原子轰击（快原子轰击（fast atom bombardment, FAB）基质辅助激光解吸电离基质辅助激光解吸电离（matrix-assisted laser desportion ionization, MALDI）电喷雾电离（电喷雾电离（electrospray ionization, ESI）

35、大气压化学电离大气压化学电离（atmospheric pressure chemical ionization, APCI）离子源的作用是离子源的作用是使样品分子转化为离子使样品分子转化为离子。6.1.3 质量分析器质量分析器磁质量分析器（磁质量分析器（Magnetic Sector Analyzer） 飞行时间质谱计飞行时间质谱计（time of flight, TOF ）四极四极质量分析器（质量分析器（quadrupole mass analyzer）离子阱离子阱（ion trap）傅立叶变换离子回旋共振质谱计傅立叶变换离子回旋共振质谱计（Fourier transform ion cyc

36、lotron resonance, FT-ICR）质量分析器质量分析器 质量分析器的作用是将离子源中形成的离子按质荷比值的大小不同分开；n静态分析器 采用稳定不变的电磁场，按照空间位置把不同质量（m/e）的离子分开。单聚焦磁场分析器 双聚焦磁场分析器n动态分析器 采用变化的电磁场，按照时间或空间来区分质量不同的离子。 飞行时间质谱仪四极滤质器质谱仪的主要性能指标质谱仪的主要性能指标1. 质量范围（质量范围（mass range） 质谱仪所能测定的离子质荷比的范围。质谱仪所能测定的离子质荷比的范围。 四极质谱：四极质谱： 1000以内以内 离子阱质谱：离子阱质谱： 6000 飞行时间质谱：飞行时

37、间质谱： 无上限无上限2. 分辨率（分辨率（resolution） 分辨率分辨率R是指质荷比相邻的两质谱峰的分辨能力。是指质荷比相邻的两质谱峰的分辨能力。若近似等强度的质量分别为若近似等强度的质量分别为M1及及M2的两个相邻峰的两个相邻峰正好正好分开，则分开，则质谱仪的分辨率定义为：质谱仪的分辨率定义为：R = ; 式中式中 M = ; M = M2 -M1M MM1+M22国际上：国际上：1）R10%：两峰间的峰谷高度为峰高的：两峰间的峰谷高度为峰高的10%时的测定值；时的测定值；2）一般难以找到两个质量峰等高，且重叠的谷高正好等于）一般难以找到两个质量峰等高，且重叠的谷高正好等于峰高的峰高

38、的10%，则定义：，则定义：R = ; 式中式中 a为其中一峰的峰高为其中一峰的峰高5%处的峰宽处的峰宽; b为相邻两峰的中心距离为相邻两峰的中心距离M Mb a低分辨率质谱仪：低分辨率质谱仪： R 50 1）的分子离子峰所需的样品量。）的分子离子峰所需的样品量。3. 灵敏度（灵敏度（sensitivity）绝对灵敏度：仪器可检测的最小样品量相对灵敏度：仪器可同时检测大组分与小组分的含量之比。或进入仪器的样品量与仪器记录出的峰强度之比。 对于一定样品（如硬脂酸甲酯），在一定的分辨率情对于一定样品（如硬脂酸甲酯），在一定的分辨率情况下，产生一定信噪比（如况下，产生一定信噪比（如S/N50 1）的

39、分子离子峰所需）的分子离子峰所需的样品量。的样品量。质谱图质谱图横坐标：质荷比横坐标：质荷比 (m/z)纵坐标：纵坐标：相对丰度相对丰度(最强峰的强度定为最强峰的强度定为100%)1008060402020CCH3O7710577105 CO120(M+)5143406080100120m/z相对丰度/(%) 苯乙酮的质谱图 苯乙酮的质谱图苯乙酮的质谱图 6.1.4 分子量分子量的的确定确定6.1.4.1 分子离子峰分子离子峰(M+ )的辨认的辨认 1）最大质量数的峰可能是分子离子峰。）最大质量数的峰可能是分子离子峰。 2）必须是奇电子离子。）必须是奇电子离子。 3）合理的中性碎片（小分子或自

40、由基）的丢失。）合理的中性碎片（小分子或自由基）的丢失。M-3到到M-13、M-20到到M-25之内不可能有峰。之内不可能有峰。 氮规则氮规则 当化合物不含氮或含偶数个氮时，其分子量为偶数；当化合物不含氮或含偶数个氮时，其分子量为偶数； 当化合物含奇数个氮时，其分子量为奇数。当化合物含奇数个氮时，其分子量为奇数。6.1.4.2 分子离子峰的强度和化合物的结构的关系分子离子峰的强度和化合物的结构的关系 A. 各种化合物分子离子峰的相对强度。各种化合物分子离子峰的相对强度。 (1) 芳香化合物芳香化合物 共轭多烯共轭多烯 脂环化合物脂环化合物 低分子量直链烷烃低分子量直链烷烃 某些含硫化合物。通常

41、给出较强的分子离子峰。某些含硫化合物。通常给出较强的分子离子峰。 (2) 直链的酮、酯、酸、醛、酰胺、卤化物等通常显示分子直链的酮、酯、酸、醛、酰胺、卤化物等通常显示分子离子峰。离子峰。 (3) 脂肪醇、胺、腈、硝酸酯、硝酸酯、缩醛和多支链的化脂肪醇、胺、腈、硝酸酯、硝酸酯、缩醛和多支链的化合物通常没有分子离子峰。合物通常没有分子离子峰。B. 强度较弱的分子离子峰的确认。强度较弱的分子离子峰的确认。 (1) 降低电子能量（通常为降低电子能量（通常为70eV）。）。 (2) 采用软电离技术。采用软电离技术。 (3) 样品化合物衍生化。样品化合物衍生化。6.1.5 分子式的分子式的确定确定6.1.

42、5.1 高分辨质谱法高分辨质谱法6.1.5.2 低分辨质谱低分辨质谱-同位素丰度法同位素丰度法6.2 有机质谱中的裂解反应有机质谱中的裂解反应质谱中的离子类型n分子离子n同位素离子n碎片离子n亚稳离子n多电荷离子n负离子n重排离子n离子与分子相互作用生成的离子n分子离子(Molecular ion) 分子经电子轰击，失去一个价电子形成的带正电荷的离子。 质谱中相应的峰称为分子离子峰或母离子峰。 M+eM+2enM+表示分子离子n分子离子峰一般位于质荷比最高位置，它的质量数即是化合物的相对分子质量。n在MS 中用“+”，“ +.”表示正电荷n前者表示分子中有偶数个电子n后者表示分子中有奇数个电子

43、n正电荷一般都在杂原子上、不饱和键的电子系统和苯环上。n当正电荷位置不明确时，可用 +或 +.表示 n从化合物结构来判断分子离子峰的强度n利用经验规律n改变实验条件分子离子峰的识别从化合物结构来判断n各类化合物分子离子峰的稳定性次序： 芳香环（芳香杂环）脂环硫醚、硫酮共轭烯烃直链烷烃酰胺酮醛胺酯醚羧酸支链烃腈伯醇叔醇缩醛利用经验规律n根据氮规律n判断最高质量峰与其他碎片离子峰之间的质量差是否合理n根据断裂方式来判断n注意M+1峰和M-1峰根据氮规律n凡不含氮或含偶数氮原子的分子其分子量必为偶数n含奇数氮原子的分子其分子量必为奇数 n判断最高质量峰与其他碎片离子峰之间的质量差是否合理n以下质量差

44、不可能出现：413，1925（含F化合物例外），37，38，5053，65，66。判断最高质量峰注意M+1峰和M-1峰 醚、酯、胺、酰胺、腈、氨基酸酯和胺醇等M+1峰较显著 醛、醇或含氮化合物的M-1峰较大改变实验条件n降低电子流的电压，增加分子离子峰的相对强度n采用CI、FI和FD等其他电离方式n制备易挥发的衍生物 如甲基化、乙酰基化、甲酯化、三甲基硅醚化、水解、氧化或还原等方法同位素离子n在分子离子峰的右边1至2个质量单位处，常出现含重同位素的分子离子峰，称为同位素离子峰，用M+1，M+2表示。n同位素离子峰在MS中的主要应用是根据同位素离子峰的相对强度确定分子式，有时还可推定碎片离子的元

45、素组成。同位素离子及分子式的确定n对重同位素丰度低，但在分子中含有数目多的元素，如C，H，N，O等，按以下两式计算：n分子的组成为CWHXNYOZ （M+1）%=（1.12W）+（0.016X）+ （0.38Y）+（0.04Z）（M+2）%=（1.1W）2/200+（0.20Z）同位素离子及分子式的确定n对重同位素丰度高的元素S，Si，Cl，Br等同位素峰强度比，可利用（a+b）n二项展开式表示。a：表示轻同位素丰度b：表示重同位素丰度n：表示分子中重同位素丰度高的元素数目碎片离子n分子离子具有过剩的能量，其中一部分会进一步发生键的断裂，产生能量较低的 碎片，这就是碎片离子。n在一张质谱图上看

46、到的峰大部分是碎片离子峰。碎片离子的形成受化学结构的支配，了解了碎片形成规律，即可根据碎片把分子结构拼凑出来。亚稳离子n假定m1在离子源中产生后，其寿命为100s ，它就有足够时间到达接收器并被记录下来n如果离子的寿命很短，在0.1s 以下，则在离子源中继续裂解而生成一个新的离子m2：m1 +m2+ +（ m1 -m2 ）亚稳离子n如果离子 m1的寿命在110s之间，则m1会在离子源主缝至分离器静电场边界之间的路途中发生裂解，丢失中性碎片，得到新的离子 m2 ，这个 m2与在电离室中产生的 m2的运动状态不一样，它受到同 m1一样的加速电压 V1，运动速度与 m1 相同，而在分离器中按 m2

47、发生偏转，因而在质谱中记录的位置既不在m1也不在m2 ，而在m*nm*= m22/ m1亚稳离子亚稳离子m1+m2+ + N在质量分析器的无场区内发生碎片离子的进一步裂解时，在质量分析器的无场区内发生碎片离子的进一步裂解时，可观测到亚稳离子峰。由亚稳离子峰可得到碎片离子之可观测到亚稳离子峰。由亚稳离子峰可得到碎片离子之间的重要信息，对于推测结构有重大帮助。间的重要信息，对于推测结构有重大帮助。式中式中 m1+ ：母离子：母离子 m2+ ：子离子：子离子 N： 中性碎片，其质量为中性碎片，其质量为m1-m2亚稳离子：亚稳离子：m* = m22m188.911201052*m重排离子n麦氏重排的特

48、点： 分子内部原子的重新排列，分子中一定要有双键，通过分子中基团键断裂丢失一个中性分子，并同时将 -碳原子上的H原子通过环状转移至极性基团上，生成重排离子。重排离子n逆-狄尔斯-阿尔德重排 断裂两根键，丢失一个中性分子。是以双键为起点的重排，没有H的转移，这种重排为骨架重排，主要发生在环己烯型结构的化合物中。常生成共轭二烯正离子并消除中性分子。多电荷离子n有些分子在离子室中，丢失两个或两个以上的电子，形成多电荷离子。n质荷比值为m/2e或m/3e，在分子离子m/e的1/2或1/3位置处出现多电荷离子峰。n具有电子系统的芳环、杂环或高度共轭不饱和化合物，能够失去2个电子。n双电荷离子峰为强度小的

49、尖峰。负离子n由电子轰击法形成的负离子仅为正离子的万分之一左右。n某些有机化合物如醛、酮等都有特征的负离子。6.2.2 有机质谱中的裂解反应有机质谱中的裂解反应 （单分子（单分子裂解反应）裂解反应）6.2.2.1质谱裂解反应机理质谱裂解反应机理 （电荷自由基定位理论）（电荷自由基定位理论）CH3CH2CH2OH；1） 电子转移的表示电子转移的表示：一个电子的转移；：一个电子的转移；：一对电子的转移。：一对电子的转移。M2）电子在各轨道易被电离的顺序为）电子在各轨道易被电离的顺序为 n轨道轨道 共轭共轭轨道轨道 独立独立轨道轨道 轨道轨道3） 离子正电荷位置的表示离子正电荷位置的表示分子离子（分

50、子离子（M+）裂解的三种方式：）裂解的三种方式：(1)均裂（均裂（homolytic bond cleavage）：）：(2) 异裂异裂（heterolytic bond cleavage）：）：(3) 半异裂半异裂（hemiheterolytic bond cleavage）：）： COHRRRCOHRRRCOHRRR + ROROR + R+ RRR + R+ (1) 均裂（均裂（homolytic bond cleavage）：）：自由基引发（自由基引发（ 断裂）断裂）反应的动力来自自由基强烈的电子配对倾向。反应的动力来自自由基强烈的电子配对倾向。例例 含饱和杂原子的化合物：含饱和杂原子

51、的化合物： 含不饱和杂原子的化合物：含不饱和杂原子的化合物： 含碳含碳-碳不饱和键的化合物：碳不饱和键的化合物：RCRYRRCRYR 22RCRYRCRY RCHCHCHRCHCHCHRCHCHC HC HCHCHe 22222222+(2) 异裂异裂（heterolytic bond cleavage）：）：电荷引发（诱导效应，电荷引发（诱导效应，i 断裂）断裂） 进行进行 i 断裂时，一对电子发生转移。断裂时，一对电子发生转移。OE+型型EE+型型RCOR+CORYCH2R+YCH2iiRORRORi RCHR+YCHY.+.+i(3) 半异裂半异裂（hemiheterolytic bon

52、d cleavage）：）：当化合物不含当化合物不含O、N等杂原子，也没有等杂原子，也没有 键时，只能发键时，只能发生生 断裂：断裂：RR-eRRR+RC2H5CCH3CH3CH3eC2H5CCH3CH3CH3C2H5.+.+ (CH3)3C+键的开裂方式n-开裂n-开裂 n键开裂n i 裂解-开裂n具有正电荷的基团的碳原子和相邻的碳原子之间的开裂。n所有含杂原子的化合物都可能发生-开裂。n当有两个杂原子同时存在时，开裂难易程度以含氮化合物最易开裂：NSOXn分子中有杂原子，它两侧的烷基都可发生-开裂，大的基团优先脱去。-开裂n-开裂是 - C 和 -C之间的键的开裂 。n双键系统易发生-开裂

53、。n-开裂得到的正离子因与双键或杂原子共轭而被稳定。键开裂n键开裂是由金属性强的杂原子（S，P，Si）等引起的。n断裂位置在杂原子或其附近的C上的键上。 i 裂解诱导裂解n电负性很大的杂原子易发生 i 裂解n双电荷转移到杂原子上，正电荷停留在烷基C上。离子中的电子数目和离子质量数之间的关系 由C、H 或C、H、O（N 除外）组成的离子，如果含有奇数个电子，其质量数为偶数。如果含有偶数个电子，其质量数为奇数 。 由C、H、N或C、H、N、O 组成的离子，如果含有奇数个 N 原子，则离子若含有奇数个电子，其质量数为奇数；如果含有偶数个电子，其质量数为偶数。影响裂解的因素n化学键的相对强度n断裂产物

54、的稳定性n位阻因素化学键的相对强度n化学键的相对强度可由键能大小反映出来，键能小的共价键先断裂。单键单键双键双键三键三键断裂产物的稳定性n有分支的正碳离子较稳定，次序为：叔正碳离子仲正碳离子伯正碳离子n碳原子相邻有电子系统的情况下，也易产生相对稳定的正碳离子n碳原子近邻有杂原子的情况下，易产生稳定的正碳离子位阻因素n碳原子和原子基团的空间排列引起裂解过程发生重排与消除反应。n醇的消除反应：通过氢原子向氧上迁移，形成五元或者六元环状过度态，伴随C-H 键的断裂，消除中性分子（H2O）而形成反应产物。6.2.2.3 开裂的类型n单纯开裂n重排与消除n复杂开裂n双重重排单纯开裂n开裂过程只断一个键的

55、为单纯开裂，往往为均裂，脱去一个自由基。n如果含奇数个电子，质量数为偶数的母离子，断一根键后得到含偶数个电子，质量数为奇数的碎片离子。n如果含偶数个电子，质量数为奇数的母离子，断一根键后得到含奇数个电子，质量数为偶数的碎片离子。重排与消除n有两根键断裂，一般脱去一个中性分子，同时发生重排或消除。n含奇数个电子，质量数为偶数的母离子，经重排后产生的一定是含奇数个电子，质量数为偶数的碎片离子。n含偶数个电子，质量数为奇数的母离子，经重排后产生的一定是含偶数个电子，质量数为奇数的碎片离子。重排与消除重排与消除重排与消除的区别：n重排时H原子转移到正离子上而不在消去的中性分子中。n消除时H原子转移到消

56、去的中性分子中。n最重要的消除反应为醇类脱水和邻位取代芳香系统的邻位效应。复杂开裂 常断三根键，并伴有H原子的转移。 常见于含杂原子的环状化合物的开裂。双重重排 往往同时发生几个键的开裂，并有两个H原子转移到新的碎片上，在质谱图上出现比单纯开裂产生的碎片多 2 个质量单位的离子峰。 常见于乙酯以上酯类化合物的开裂。 6.2.2.3有机化合物的一般裂解规律有机化合物的一般裂解规律 A.偶电子规律偶电子规律: 偶电子离子电离只能产生偶电子离子；偶电子离子电离只能产生偶电子离子； 奇电子离子电离既能产生奇电子离子，也能产生偶电子离子奇电子离子电离既能产生奇电子离子，也能产生偶电子离子。奇电子离子奇电

57、子离子偶电子离子偶电子离子D+E+NA+B+NNC+B. 碎片离子的稳定性碎片离子的稳定性PhCH2 CH2=CH CH2 (CH3)3C (CH3)2CH CH3CH2 CH3不饱和烃类化合物不饱和烃类化合物HC CHR1CH2R2-eCHCHR1CH2R2- R2CH CHR1CH2CH CHR1CH2NH2CH2CH2OH+CH2OHCH2NH2H2N=CH2CH2=OH（主要）（主要）（次要）（次要）C. Stevenson规则规则 奇电子离子裂解过程中，自由基留在电离电位（奇电子离子裂解过程中，自由基留在电离电位（IP）较）较高的碎片上，而正电荷留在高的碎片上，而正电荷留在IP较低的

58、碎片上。较低的碎片上。甲基正丁基醚的裂解： +.+.C3H7CH2OCH3C3H7CH2OCH3C3H7C3H7CH3OHCH38.2 eV9.8 eVC3H7CH2OCH325%1%C3H7CH2CH3O+.8.1 eV6.9 eV100%+.+CH2OCH3ii.+D. 最大烷基丢失规律最大烷基丢失规律OC4H9+CH3C OCH3+C4H9C O(100%)(2%)Some Common Losses From Molecular Ions Ion Possibly lost groups Possible inferenceM-15 CH3M-16 O Ar-NO2, N+-O-, S

59、ulphoxideM-16 NH2 ArSO2NH2, -CONH2M-17 OHM-17 NH3M-18 H2O Alcohol, Aldehyde, Ketone, etcM-19 F Fluorides M-20 HF FluoridesM-26 C2H2 Aromatic hydrocarbonM-27 HCN Aromatic nitriles, Nitrogen heterocyclesM-28 CO QuinonesM-28 C2H4 Aromatic ethyl ethers, Ethyl esters, n-Propyl ketonesM-29 CHO M-29 C2H5 E

60、thyl ketones, Ar-n-C3H7 M-30 C2H6 M-30 CH2O Aromatic methyl ether M-30 NO ArNO2 M-31 OCH3 Methyl ester M-32 CH3OH Methyl esterM-32 S M-33 H2O + CH3 Some Common Losses From Molecular Ions (continued)Ion Possibly lost Groups Possible inferenceM-33 HS ThiolsM-34 H2S ThiolsM-41 C3H5 Propyl esterM-42 CH2

61、CO Methyl ketone, Aromatic acetate, ArNHCOCH3 M-42 C3H6 Butyl ketone, Aromatic propyl ether, Ar-n-C4H9M-43 C3H7 Propyl ketone, Ar-n-C3H7M-43 CH3CO Methyl ketone M-44 CO2 Ester, AnhydrideM-44 C3H8M-45 CO2H Carboxylic acid M-45 OC2H5 Ethyl ester M-46 C2H5OH Ethyl ester M-46 NO2 Ar- NO2 M-48 SO Aromati

62、c sulphoxideM-55 C4H7 Butyl esterM-56 C4H8 Pentyl ketone, Ar-C5H11, ArO-C4H9 M-57 C4H9 Butyl ketone M-57 C2H5CO Ethyl ketone M-58 C4H10M-60 CH3COOH Acetate6.2.3 简单裂解简单裂解 发生简单断裂时仅一根化学键断开。发生简单断裂时仅一根化学键断开。 包括：包括： 断裂、断裂、 i 断裂、断裂、 断裂断裂。1. 饱和烃类化合物的裂解饱和烃类化合物的裂解2. 不不饱和烃和芳香烃的裂解饱和烃和芳香烃的裂解CH3-eCH3+ CH33. 含杂原子的

63、化合物的裂解含杂原子的化合物的裂解醇、胺、醚、硫醇、硫醚、卤代物醇、胺、醚、硫醇、硫醚、卤代物 断裂断裂:RCH2OHCH2OH+RRCH2NH2CH2NH2+RRCH2SHCH2SH+RRCH2ORCH2OR+Ri 断裂断裂:RCliR+ClR1OiR1+OR2R2R1SiR1+SR2R2 断裂断裂:R1SR1+R2R2S羰基化合物羰基化合物 断裂断裂R COHRC O+HR1COR2R1C O+R2i 断裂断裂iR1COR2R1C O+R2（次要）（次要）6 6.2.4.2.4 重排（重排（rearrangement) 重排的特点重排的特点 重排同时涉及至少两根键的变化，在重排中既有重排同

64、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。存在的结构单元的离子。 最常见的重排反应最常见的重排反应是氢是氢重排裂解重排裂解。脱离掉的中性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。子和脱离中性小分子所产生的重排离子。1. McLafferty重排重排 麦式麦式重排可产生两种重排离子，其通式为：重排可产生

65、两种重排离子，其通式为：HABCDEHABCDEABCDEH+HABCDEABCDEHCDEH+说明：说明：D=E代表一个双键（或叁键）基团；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；可以是碳原子也可以是杂原子； H是相对于是相对于不饱和键不饱和键 位置碳原子位置碳原子A上的氢原子。上的氢原子。只要满足条件（不饱和基团及其只要满足条件（不饱和基团及其 氢的存在），发生麦式氢的存在），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，但含重排。麦式重排有生成两种离子的可能性，但含 键

66、的一键的一侧带正电荷的可能性大些。侧带正电荷的可能性大些。HABCDEHABCDE+ABCDEHHABCDE+HiH薄荷酮的麦氏重排薄荷酮的麦氏重排CH2HOOHOm/z 112rH, .+.+.+芳香环的麦氏重排芳香环的麦氏重排+HHHHHHm/z 92.+.+-e H.+ NHNH.+.m/z 93+H烯烃的麦氏重排烯烃的麦氏重排环氧的麦氏重排环氧的麦氏重排CH2HRCH2HRCH3R.+.+ e+m/z 42rH HRROHOrH .+m/z 58.+两次麦氏重排两次麦氏重排OHC2H5OHOHOH.+.+.+.m/z 86m/z 58rH rHi断裂的麦氏重排断裂的麦氏重排:OHPhOHOHPhOHPhOHPhPh.+.+.+m/z 58+.+.+m/z 104+（相对丰度100%）（相对丰度5%）rH irHOOHPhHOOHPhHPhC3H7COOH.+.+.+Him/z 104常见的麦氏重排离子常见的麦氏重排离子（最低质量数）（最低质量数）/m z/m z+.H2CCOHH+.H2CCOHOCH3+.H2CCOHCH3+.H2CCNH+.H2CCOHOH+.H2CNOOH