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1、第八章 质谱,Mass Spectrometry（MS）,质谱发展史,1898 W. Wien 发现带正电荷的离子束在磁场中发生偏转。,1910 J. J. Thompson 使用简单的电场-磁场组合装置, 获 得了抛物线族的质谱, 证明了20Ne, 22Ne两种同位素的存在。,1918 A. J. Dempster 采用电子轰击技术使分子离子化。,1919 F. W. Aston 制得了第一台速度聚焦质谱仪。提出每种 同位素的质子和中子在结合成原子核时, 具有特定的质量亏损 (并非整数值)。,1942 商品MS出现, 用于石油精炼和橡胶工业。,特点,8.2 质谱基本原理 被分析的样品首先离子
2、化，然后利用离子在电场或磁场中的运动性质，将离子按质荷比(m/e)分开并按质荷比大小排列成谱图形式，根据质谱图可确定样品成分、结构和相对分子质量。,MS,MS,MS,8.2 质谱技术基本原理 8.2.1 质谱仪的基本工作原理 质谱仪的基本工作原理如图8-2所示。现以扇形磁场单聚焦质谱仪为例（图8-3），将质谱仪器各主要部分的作用原理讨论如下。,图8-3 单聚焦质谱仪,MS,真空系统 通常用机械泵预抽真空，然后用扩散泵高效率并连续地抽气。,2. 进样系统 1）气体扩散 2）直接进样 3）气相色谱,MS,3. 电子源 电子轰击、化学电离、场致电离、高频火花电离、热电离、激光电离、表面电离,被分析的
3、气体或蒸气首先进入仪器的离子源，转化为离子。 图8-5为常用的电子轰击离子源。,离子源的作用是将试样分子转化为正离子，并使正离子加速、聚焦为离子束，此离子束通过狭缝而进入质量分析器。,MS,电子由直热式阴极发射，在电离室(正极)和阴极(负极)之间施加直流电压，使电子得到加速而进入电离室中。当这些电子轰击电离室中的气体(或蒸气)中的原子或分子时，该原子或分子就失去电子成为正离子(分子离子)：,分子离子继续受到电子的轰击，使一些化学键断裂，或引起重排以瞬间速度裂解成多种碎片离子(正离子)。,MS,4. 质量分析 质量分析内主要为一电磁铁，自离子源发生的离子束在加速电极电场（800-8 000V）的
4、作用下，使质量的正离于获得的速度，以直线方向n运动（图8-6）。,其动能为： （8-1） 式中 z 为离子电荷数，U 加速电压。显然，在一定的加速电压下，离子的运动速度与质量 m 有关。,MS,当具有一定动能的正离子进入垂直于离子速度方向的均匀磁场(质量分析器)时，正离子在磁场力(洛仑兹力)的作用下，将改变运动方向(磁场不能改变离子的运动速度)作圆周运动。,设离子作圆周运动的轨道半径(近似为磁场曲率半径)为 R ，则运动离心力必然和磁场力相等，故 （8-2） 式中 H 为磁场强度。,MS,合并式(8-1)及（8-2），可得 （8-3） 式(8-3)称为质谱方程式，是设计质谱仪器的主要依据。,由
5、此式可见，离子在磁场内运动半径R与m/z、H、V有关。因此只有在V及H一定的条件下，某些具有一定质荷比的正离子才能以运动半径为R的轨道到达检测器。,MS,8.2.3 质谱图的表示和解释方法 在质谱图中每个质谱峰表示一种质荷比 m/z 的离子，质谱峰的强度表示该种离子峰的多少，因此根据质谱峰出现的位置可以进行定性分析，根据质谱峰的强度可以进行定量分析。,对于有机化合物质谱，根据质谱峰的质荷比和相对强度可以进行结构分析。 图 8-8 空气的质谱图。,MS,MS,横坐标表示 m/z(实际上就是磁场强度)，由于分子离子或碎片离子在大多数情况下只带一个正电荷，所以通常称m/z为质量数，例如-CH3离子的
6、质量数(m/z)是15，对于低分辨率的仪器，离子的质荷比在数值上就等于它的质量数。,质谱图的纵坐标表示离子强度，在质谱中可以看到几个高低不同的峰，纵坐标峰高代表了各种不同质荷比的离子丰度-离子流强度。,MS,离子流强度有两种不同的表示方法: （1）绝对强度 （2）相对强度,（1）绝对强度 绝对强度是将所有离子峰的离子流强度相加作为总离子流，用各离子峰的离子强度除以总离子流，得出各离子流占总离子流的百分数(总离子流是100)。,MS,（2）相对强度 以质谱峰中最强峰作为100，称为基峰（该离子的丰度最大、最稳定），然后用各种峰的离子流强度除以基峰的离子流强度，所得的百分数就是相对强度。,现在一般
7、的质谱图都以相对强度表示，并以棒图的形式 画出来。,MS,8.3 离子的类型 当气体或蒸气分子(原子)进入离子源(例如电子袭击离子源)时，受到电子轰击而形成各种类型的离子。,以A、B、C、D四种原子组成的有机化合物分子为例，它在离子源中可能发生下列过程： ABCD + e- ABCD+ + 2e- 分子离子 （8-1）,MS,碎片离子 ABCD+ BCD + A+ CD + AB+ B + A+ 或 A + B+ AB + CD+ D + C+ 或 C + D+,MS,重排后裂分 ABCD+ ADBC+ BC + AD+ 或 AD + BC+ 分子离子反应 ABCD+ + ABCD (ABCD
8、) +2 BCD + ABCDA+,MS,因而在所得的质谱图中可出现下述一些质谱峰。 （1）分子离子峰：反应式（8-1）形成的离子ABCD+称为分子离子或母离子。因为多数分子易于失去一个电子而带一个正电荷，所以分子离子的质荷比值就是它的相对分子质量。,（2）同位素离子峰： 分子离子峰并不是质荷比最大的峰，在它的右边常常还有M+1和M+2等小峰，这些峰是由于许多元素具有同位素的缘故，称为同位素峰。,例如氢有1H、2H，碳有12C、13C，氧有16O、17O、18O。由于各种元素的同位素在自然界中的丰度是一定的，它们的天然丰度如表8-2所示。因此同位素与分子离子峰的比值是一个常数。,从表8-2可见
9、，S、C1、Br等元素的同位素丰度高，因此含S、C1、Br的化合物的分子离子或碎片离子，其强度较大，所以根据M+1和M+2两个峰的强度比就可以判断化合物中是否含有这些元素。,（3）碎片离子峰：产生分子离子只要十几电子伏特的能量，而电子轰击源常选用电子能量为5080eV，因而除产生分子离子外，尚有足够能量致使化学键断裂，形成带正、负电荷和中性的碎片，所以在质谱图上可以出现许多碎片离子峰。,碎片离子的形成和化学键的断裂与分子结构有关，利用碎片峰可协助阐明分子的结构。,MS,m/z 图8-9 甲基异丁基甲酮的质谱图,MS,（1）分子离子,MS,（2）碎片离子： m/z=85,MS,（2）碎片离子：
10、m/z=43,MS,（2）碎片离子： m/z=57,MS,(3) 重排后裂解： m/z 58,MS,8.4 质谱定性分析及图谱解析 通过质谱图中分子离子峰和碎片离子峰的解析可提供许多有关分子结构的信息，因而定性能力强是质谱分析的重要特点。,MS,8.4.1 相对分子质量的测定 从分子离子峰可以准确地测定该物质的相对分子质量，这是质谱分析的独特优点，它比经典的相对分子质量测定方法(如冰点下降法，沸点上升法，渗透压力测定等)快而准确，且所需试样量少(一般0.1mg)。,MS,关键是分子离子峰的判断，因为在质谱中最高质荷比的离子峰不一定是分子离子峰，这是由于存在同位素和分子离子反应如式（8-4）所示
11、等原因，可能出现M+1或M+2峰；另一方面，若分子离子不稳定，有时甚至不出现分子离子峰。,因此，在判断分子离子峰时可参考以下几个方面的规律和经验方法：,MS,（1）分子离子稳定性的一般规律： 分子离子的稳定性与分子结构有关。碳数较多、碳链较长（也有例外）和有支链的分子，分裂几率较高，其分子离子的稳定性低；而具有 键的芳香族化合物和共轭烯烃分子，分子离子稳定，分子离子峰大。,分子离子稳定性的顺序为： 芳香环共轭烯烃脂环化合物直链的烷烃类硫醇酮胺酯醚分支较多的烷烃类醇。,MS,（2）分子离子峰质量数的规律（氮规则）：若有机化合物有偶数个N原子或不含N原子，则其分子离子的质量是偶数；含奇数个N原子，
12、其质量数是奇数。质谱中最高质量峰不符合氮律就不是分子离子峰。,（3）分子离子峰与邻近峰的质量差是否合理。分子离子不可能失去314、2737、2125个质量单位的碎片。若出现此情况则所认定的分子离子峰实际上是不正确的或者其相邻峰是杂质峰。,MS,（4）M1峰：某些化合物（如醚、酯、胺、酰胺等）形成的分子离子不稳定，分子离子峰很小，甚至不出现；但M1峰却相当大。M+1峰是由于某些化合物的分子离子和中性分子在电离室内碰撞捕获一个H，这类化合物常常是醚、酯、胺、酰胺、氰化物、氨基酸等。例如，,+,+,(中性分子),（游离基）,出现M-1峰较典型的化合物是醛类、醇类或含 氮化合物，如：,20,40,60
13、,80,100,m/z,图 2-甲基-2-丁醇质谱图,50,100,59,55,73,87,例： 2-甲基-2-丁醇质谱图,观察图中最高质量数峰 为87，但它不应是分子离 子峰。Why？,m/z87峰是M-1峰,m/z73峰是由分子离子峰脱甲 基、m/z59是分子离子峰脱乙 基而来。,MS,（5）降低电子轰击源的能量，观察质谱峰的变化：在不能确定分子离子峰时，可以逐渐降低电子流的能量；使分子离子的裂解减少。这时所有碎片离子峰的强度都会减小，但分子离子峰的相对强度会增加。仔细观察质荷比最大的峰是否在所有的峰中最后消失。最后消失的峰即为分子离子峰。,MS,有机化合物的质谱分析，最常应用电子轰击源作
14、离子源，但在应用这种离子源时，有的化合物仅出现很弱的，有时甚至不出现分子离子分子峰，这样就使质谱失去一个很重要的作用。为了得到分子离子峰，可以改用其它一些离子源，如场致电离源、化学电离源等。,图8-11 3,3-二甲基戊烷的质谱图,在场致电离的质谱图上，分子离子峰很清楚，碎片峰则较弱，这对相对分子质量测定是很有利的，但缺乏分子结构信息。为了弥补这个缺点，可以使用复合离子源，例如电子轰击-场致电离复合源，电子轰击-化学电离复合源等。,MS,8.4.2 分子式的确定 各元素具有一定的同位素天然丰度，因此不同的分子式，其M+1/M和M+2/M的百分比都将不同。,若以质谱法测定分子离子峰及其分子离子的
15、同位素峰（M+1，M+2）的相对强度，就能根据M+1/M和M+2/M的百分比确定分子式。为此，J. H. Beynon等计算了含碳、氢、氧的各种组合的质量和同位素丰度比。,MS,例如，某化合物，根据其质谱图，已知其相对分子质量为150，由质谱测定，m/z150、151和152的强度比为M(150)=100%，M+1(151)=9.9%，M+2(152)=0.9%，试确定此化合物的分子式。,从M+2/M=0.9%可见，该化合物不含S，Br或C1。在Beynon的表中相对分子质量为150的分子式共29个，其中（M+2）/ M 的百分比为911的分子式有如下7个：,MS,分子式 M+1 M+2 （1
16、）C7H10N4 9.25 0.38 （2）C8H8NO2 9.23 0.78 （3）C8H10N2O 9.61 0.61 （4）C8H12N3 9.98 0.45 （5）C9H10O2 9.96 0.84 （6）C9H12NO 10.34 0.68 （7）C9H14N2 10.71 0.52,MS,此化合物的相对分子质量是偶数，根据前述氮规则，可以排除上列第2、4、6三个式子，剩下四个分子式中，M+1与9.9最接近的是第5式（C9H10O2），这个式子的M+2也与0.9很接近，因此分子式应为C9H10O2。,MS,8.4.3 根据裂解模型鉴定化合物和确定结构 各种化合物在一定能量的离子源中是按照一定的规律进行裂解而形成各种碎片离子
