第十七章第十七章 质谱法质谱法 Mass Spectrometry( MS) 质质谱谱分分析析法法：：是利用离子化技术,将物质分子转化为离子，按其质荷比 (m/z) 的的差异分离测定，从而进行物质成分和结构分析的方法 MS发展历史•20世纪20年代， 同位素测定 无机元素分析•20世纪40年代，有机物分析•20世纪60年代，气相色谱-质谱联用仪 (GC-MS)•20世纪80年代，新质谱技术 LC-MS，ICP-MS, FT-MS 与MS有关的诺贝尔奖•Sir Joseph John Thomson - 1906年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖贡献：正电荷离子束在磁场中的偏转, 磁质谱仪的基础同位素分析•Frederick Soddy - 1921年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖贡献：使我们对放射活性物质的认识大大提高，另外他对同位素的起源和性质也作了出色工作• Francis William Aston - 1922年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖贡献：使用质谱方法大规模的研究非放射性元素的同位素；提出整数规则•Hans G. Dehmelt and Wolfgang Paul - 1989年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖贡献：开发了离子阱质谱技术。
• Robert F. Curl Jr. & Sir Harold W. Kroto & Richard E. Smalley - 1996年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖贡献：使用质谱发现富洛伦尼斯（C60-C80，足球烯） • John Fenn and Koichi Tanaka with Kurt Wuthrich - 2002年诺贝年诺贝尔化学奖尔化学奖 贡献：发展了可用于分析生物大分子的软电离方法 质谱法的特点：• 灵敏度高• 应用范围广• 分析速度快• 信息直观5 • 测定分子量• 鉴定化合物• 推测未知化合物的结构• 测定分子中Cl, Br等的原子数• 质谱与色谱联用质谱法的用途：6 第一节第一节 质谱仪及基本原理质谱仪及基本原理磁场中带电粒子的运动: MM+碎片离子分离检测离子化 质谱仪的组成：样品导入系统离子源质 量分析器检测器放大器，记录器真空泵 质谱仪的质谱仪的6个基本部分个基本部分: 高真空系统，样品导入系统, 离子源, 质量分析器, 检测器, 记录系统一.高真空系统 旋转泵，扩散泵，分子泵离子源（10-3 10 -5 Pa ）质量分析器（10 -6 Pa ）10 1. 直接进样 适用：单组分、挥发性较低的固体或液体样品2. 色谱联用导入样品 GC – MS,HPLC - MS 适用：多组分分析二. 样品导入系统11 三. 离子源 作用：将样品分子离子化并具有一定能量离子源的种类：离子源的种类：• 电子轰击源• 化学电离源• 快原子轰击离子源12 1.电子轰击源 electron impact source; EIMe(高速)M++2e(低速)e(高速)阳离子阴离子中性裂片分子-离子 复合物加速区质量分析器真空抽走13 EI的特点：的特点：• 重现性好（质谱图库 70eV)• 碎片离子丰富（特征性强）• 灵敏度高分子量大和稳定性差样品，常无分子离子峰不适用难挥发、热不稳定化合物14 2. 化学电离源 CI chemical ionization source; 在离子源中送入反应气体，压强约为 26.7 ~ 267 Pa，轰击电子使反应气首先被电离成离子，然后反应气离子和样品分子碰撞发生离子-分子反应，能量交换，产生样品离子。
15 CH4 + e CH4+ ,CH3+CH4+ + CH4 CH5+ + CH3CH3+ + CH4 C2H5+ + H2CH5+ + M (M+H)+ + CH4C2H5+ + M (M+H)+ + C2H4 CH5+ + M (M-H)+ + H2 + CH4C2H5+ + M (M-H)+ + C2H616 CI的特点：• 属软电离方式，准分子离子峰（ M 1） 强度大• 易获得有关化合物官能团的信息 缺点：• 重现性较差• 不适用于难挥发、热不稳定样品的分析17 常用的反应气：常用的反应气： 甲烷、异丁烷、氨、氢、氦等18 3. 快原子轰击离子源 FAB fast atom bombardment电场使氦原子电离并加速，产生的快离子经电荷交换得到快原子，快原子轰击样品 Xe + e Xe+ + 2e Xe+(快) + Xe(热) Xe(快) + Xe+(热) 轰击样品19 FAB的特点：• 适用于强极性、高分子量、非挥发性和热不稳定化合物分析• 给出强度较高的准分子离子峰 MX (X=H, Na, K) FAB的缺点：• 重现性差• 检测灵敏度低于EI20 21 其他离子源简介•场致离子源：适用于难挥发和热不稳定的大分子化合物•电喷雾电离源：分析极性强大分子（如蛋白质、肽、糖）•大气压化学电离源：分析中等极性化合物•激光解吸源：生物大分子（肽、蛋白质、核酸）•火花源: 无机物 四. 质量分析器 mass analyzer 将离子源中形成的离子按质荷比的差异进行分离的装置。
分类：分类：• 磁分析器• 四极杆分析器23 1)分类：• 单聚焦分析器：已淘汰 质量色散和方向聚焦• 双聚焦分析器： 质量色散和方向聚焦及能量聚焦 1. 磁分析器24 单聚焦分析器 双聚焦分析器 2) 磁偏转式质量分析器原理加速后离子动能:离子受磁场力作用, 做匀速圆周运动. 向心力等于磁场力:27 质谱方程式:或: 由上式可知：<1> 当V和H固定时，m/z R说明磁场对不同m/z的离子有质量色散作用，即不同质量离子将依照质量大小在磁场中依次排列起来29 <2> 当V和R固定时， m/z H2即H由小到大进行磁磁场场扫扫描描时，则可使不同m/z的离子被检测30 <3> 当H和R固定时， m/z 1/V连续的改变 V ( 称为电电压压扫扫描描 ) 可以使不同m/z的离子被检测31 2. 四极杆质量分析器：又称四极滤质器 它是使用一个射频四极电场来鉴别m/z值的32 四极杆质谱仪优点：： A 结构简单，体积小，重量轻，价格便宜 B 扫描速度快有利于与色谱仪联用 C自动化程度高缺点：： A 分辨率低 B 质量范围窄 C 不能提供亚稳离子信息。
33 其他•飞行时间质量分析器•离子肼质量分析器•傅里叶变换离子回旋共振分析器 三. 离子检测器 ---电子倍增器35 1.棒图： 横坐标：表示质荷比（m/z） 纵坐标：表示离子丰度（ion abundance),即离子数目的多少 常用相对丰度质谱数据形式： 棒图---即质谱图 质谱表 36 相对丰度（relative abundance): 相对强度 以质谱中最强峰的高度定为100%（此峰称为基峰，base peak）其它峰高与它相比所得的分数即为其它离子的相对丰度37 棒图示例： 2. 质谱表 表格形式的质谱数据39 指仪器能分离相邻两质谱峰的能力两个强度近似相等、质量分别为M和M+ΔM的相邻峰恰好分开时当两峰间的峰谷等于峰高的10%时）六. 质谱仪的主要性能指标1.分辨率： resolution; R 40 例： CO = 27.9949，N2 = 28.0061•R< 1000 低分辨质谱•R>10000 高分辩质谱 42 2. 灵敏度 ： sensitivity仪器记录所产生的峰信号强度与所用样品量之间的度量有机质谱：一定分辨率时，产生一定信噪比的分子离子峰所需要的样品的量常用硬脂酸甲酯或六氯苯43 3. 质量范围（mass range）： 质谱仪能够测量的离子质量范围。
通常采用原子质量单位（amu）进行度量 四极杆质谱仪：10 ~ 1000 amu 磁质谱仪：几十到几千 amu 飞行时间质谱仪: 几十万44 原子质量单位: amu一个处于基态的12C原子的质量的1/12.非精确场合采用质子和中子的总数---质量数 4. 质量准确度（质量精度）离子质量实测值M与理论值M0的相对误差m为离子质量数的整数46 HP5988四极杆质谱仪 Finnigan公司：双聚焦磁质谱仪MAT 90,高分辨率质谱仪 第二节 质谱中的主要离子及其裂解类型• 分子离子• 碎片离子• 同位素离子• 亚稳离子49 一. 分子离子： molecular ion 分子失去一个电子形成的离子 分子离子含奇数个电子，在质谱最右侧 作用:确定相对分子量及分子式50 二. 碎片离子：fragment ion 分子中某些化学键发生断裂而形成的离子 作用: 提供化合物的结构信息51 52 三. 同位素离子： isotopic ion 含有同位素的离子表中丰度比%，是以丰度最大的轻质同位素为100%计算而得。
作用: 确定分子中是否含S, Cl, Br及原子数目53 例：分子中含一个氯原子 M : (M+2) = 100 : 32.0 3:1 分子中含一个溴原子 M : (M+2) = 100 : 97.3 1:154 例：CHCl3，会出现M+2，M+4，M+6峰 n = 3 、a = 3、b = 1 ( a + b)3 = a3 + 3a2b + 3ab2 +b3 = 27 + 27 + 9 + 1 MM+2M+4M+6同位素的峰强比： ( a + b )n a与b为轻质及重质同位素的丰度比 n为原子数目55 56 离子m1+,脱离离子源后并在磁场分离前，在飞行途中开裂成质量为m2+(m*) 和(m1 - m2) 中性碎片由于一部分能量被中性碎片带走，m*的动能比在离子源中产生的m2+的动能小 且不稳定且不稳定，这种离子称亚稳离子四. 亚稳离子： metastable ion 57 M1+（母离子）离子源m2+(子离子) 飞行途中m*(亚稳离子)作用：提供碎片离子前体的信息58 m*与母离子m1+及子离子m2+的关系： m* = m22 / m1 亚稳峰的特点：• 峰弱，强度仅为m1峰的1% ~ 3%。
• 峰钝，一般可跨2~5个质量单位• 质荷比一般不是整数59 例：60 61 二. 阳离子的裂解类型• 转移一个电子和两个电子的表示方法： 鱼钩 “ ” 表示1个电子的转移； 箭头“ ” 表示2个电子的转移62 • 阳电荷的表示方法： 含奇数个电子的离子（odd electron ; OE）用“ + ” 表示 含偶数个电子的离子（even electron ; EE）用“ + ” 表示63 阳电荷符号一般标在杂原子或 键上； 电荷位置不清楚时，可用“ ” 及“ ”表示64 （一） 单纯开裂：一个键发生裂解 (1) 均裂：homolytic cleavage 在键断裂后，两个成键电子分别保留在各自的碎片上65 (2) 异裂：heterolytic cleavage 在键断裂后，两个成键电子全部转移到一个碎片上的裂解过程66 (3) 半异裂：hemi-homolysis cleavage 离子化的σ键的断裂过程。
67 （二） 重排开裂：rearrangement cleavage 通过断裂两个或两个以上的化学键，结构重新排列 重排离子重排离子：：重排开裂得到的离子 重排方式重排方式：：McLafferty重排 逆Diels-Alder裂解 68 (1) McLafferty重排： 含不饱和中心 C = X ( X为O, N, S, C ); 有 氢原子69 70 (2) 逆Diels-Alder重排 是以双键为起点的重排产物是共轭二烯离子 71 第三节 质谱分析法 一. 分子式的测定（一）分子离子峰的确认•一般位于质谱图中质荷比最高的位置但…… 1. 分子离子的稳定性规律 芳香族化合物 > 共轭链烯 > 脂环化合物 > 直链烷烃 > 硫醇 > 酮 > 胺 > 酯 > 醚 > 酸 > 分支烷烃 > 醇72 2. 分子离子的质量服从奇偶规律（氮律） 73 3. 最高质荷比离子与相邻的离子间的质量数差是否合理。
相差4-14则不是分子离子峰 4. 注意M+1和M – 1准分子离子峰 5. 改变实验条件 74 （二）. 相对分子量的测定 一般分子离子峰的质荷比等于分子量 当分子量很大时，两者可差一个质量单 位75 （三）. 分子式的确定 低分辨质谱仪用同位素峰强比法； 高分辨质谱仪用精密质量精密质量法76 二、有机化合物的结构鉴定（一） 几类有机化合物的质谱 一. 烃类 1.饱和烷烃：• 分子离子峰较弱，随碳链增长，强度降低以至消失• 直链烃具有一系列m/z相差14的CnH2n+1碎片离子峰（m/z = 29、43、57、)77 • 在CnH2n+1峰的两侧有系列“伴峰”，伴随着质量数大1个质量单位的同位素峰及质量小 1 或 2 个单位的CnH2n 或 CnH2n-1等小峰，组成各峰群M-15峰一般不出现• 支链烷烃：在分支处优先裂解，形成稳定的仲碳或叔碳阳离子78 2. 链烯：• 分子离子较稳定，丰度较大• 有一系列CnH2n－1的碎片离子峰，通常为41 + 14 n, n = 0,1,2, • 易发生开裂，生成烯丙基正碳离子(m/z 41)•具有重排离子峰（麦氏重排）。
80 3. 芳烃：• 分子离子峰稳定，峰较强• 烷基取代苯易发生裂解，产生m/z 91的卓翁离子（tropylium ion）是烷基取代苯的重要特征82 • 卓翁离子可进一步裂解生成环戊二烯及环丙烯离子83 • 取代苯也能发生 裂解产生苯离子，进一步裂解生成环丙烯离子及环丁二烯离子 84 • 具有 氢的烷基取代苯，能发生麦氏裂解，产生m/z 92的重排离子85 烷基取代苯的特征离子： C7H7+ ( m/z 91 ) C6H5+ ( 77 ) C4H3+ ( 51 ) C3H3+ ( 39 )86 二. 醇类（饱和脂肪醇）• 分子离子峰很小，且随碳链的增长而减弱，以至消失• 易发生 裂解• 易发生脱水的重排反应，产生M-18离子• 峰复杂（含氧的羟基离子、烷基离子、链烯离子）88 三. 醛与酮类 1. 醛：• 分子离子峰明显• 裂解产生R+及M-1峰 • 具有 氢的醛，能发生麦氏重排产生m/z 44的离子• 醛也能发生 裂解90 2. 酮：• 分子离子峰明显• 易发生裂解• 含 氢的酮，发生麦氏重排92 四. 酸与酯类• 一元饱和羧酸及其酯的分子离子峰较弱。
芳酸及其酯的分子离子峰强• 易发生裂解• 含 氢的羧酸与酯易发生麦氏重排94 （二） 有机化合物的质谱解析 一. 解析顺序 1. 首先确认分子离子峰，确定分子量 2. 用同位素峰强比法或精密质量法确定分子式 3. 计算不饱和度 4. 解析某些主要质谱峰的归属及峰间关系 5. 推定结构 6. 验证：96 二. 解析示例 应用：• 测定分子量• 测定分子式• 光谱解析结论的佐证97 98 串联质谱法简介: MS-MS •空间串联•时间串联LC-MS-MS，GC-MS-MS 。