第 16 章 质谱法 (Mass Spectrometry, MS)

1. 第16章 质谱法 (Mass Spectrometry, MS)

2. 16.1 质谱分析原理及质谱仪 一、基本原理概述 二、质谱仪性能指标 三、仪器组成 16.2 质谱图及其应用 一、质谱图 二、质谱峰类型 三、质谱定性分析 四、质谱定量分析

3. 发展历史： 1813年：Thomson使用MS报道了Ne是由22Ne和24Ne两种 同位素组成；随后，同位素分析开始发展 20世纪40年代初：开始将MS用于石油工业中烃的分析， 并大大缩短了分析时间 20世纪50年代初：质谱仪器开始商品化，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最有效的手段

4. 20世纪80年代：非挥发性或热不稳定分子的分析进20世纪80年代：非挥发性或热不稳定分子的分析进 一步促进了MS的发展； 20世纪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； 目前一些仪器联用技术如GC-MS，HPLC-MS，GC-MS-MS，ICP-MS等正发挥重要作用。

5. 应用 质谱是应用最为广泛的化合物结构分析方法之一，它可以为我们提供以下信息： a)  样品元素组成； b) 无机、有机及生物分子的结构---结构不同，分子或原 子碎片不同(质荷比不同) c) 复杂混合物的定性定量分析---与色谱方法联用(GC- MS，LC-MS)； d) 固体表面结构和组成分析---激光烧蚀等离子体---质谱 联用；样品中原子的同位素比。

6. 磁场分离 (m/z) 离子源 轰击样品 带电荷的 碎片离子 电场加速(zeU) 获得动能(1/2mV2) 检测器记录 16.1 质谱分析原理及质谱仪 一、基本原理概述 质谱分析是将样品转化为运动的带电气态离子，于磁场中按质荷比(m/z)大小分离并记录的分析方法。 其过程为可简单描述为： 其中，z为电荷数，e为电子电荷，U为加速电压，m为碎片质量，V为电子运动速度。

7. 二、质谱仪的分辨率 指质谱仪分辨相邻质量数离子的能力。定义为：两个相等强度的相邻峰(质量分别为m1和m2)，当两峰间的峰谷不大于峰高的10%时，则可认为两峰已分开，其分辨率R为： 可见在质量数小时，分辨率亦较小。

8. 实际工作中很难找到上述两相等的峰，常以 下式表示： 其中W0.05表示峰高5%处的峰宽。 R与离子通道半径r、加速器和收集器狭缝宽度、离子源的性质和质量等因素有关。

9. 三、仪器组成 按质量分析器(或者磁场种类)可分为静态仪器和动态仪器，即稳定磁场（单聚焦及双聚焦质谱仪）和变化磁场（飞行时间和四极杆质谱仪）。 MS仪器： 进样系统 电离源 质量分析器 真空系统 检测系统

10. 1. 真空系统 如图所示，质谱仪中所有部分均要处高度真空的条件下(10-4-10-6Torr), 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； d）干扰离子源正常调节。

11. 1.3-0.13Pa 2. 进样系统 对进样系统的要求：重复性、不引起真空度降低。 进样方式： a) 间歇式进样：适于气体、沸点低易挥发的液体、中等蒸汽压固体。注入样品(10-100g)—贮样器(0.5L-3L)—抽真空(10-2 Torr)并加热—样品蒸汽(压力梯度)—漏隙—高真空离子源

13. b) 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25cm6mm 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。 c) 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。

14. 3. 电离源(室) 根据样品离子化方式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。 根据电离源能量高低，通常可将电离源分为 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。 将引入的样品转化成为碎片离子的装置。

15. a) 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M+，M+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)。

16. EI

17. b) 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CH5+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

18. 样品 ↓ c) 场电离源(Field ionization, FI) 应用强电场(电压梯度107-108V/cm)诱导样品电离。 过 程：强电场(电极间距约10-4cm)—较大偶极矩和高极化率分子与阳极碰撞—带正电荷的碎片离子—进入聚焦单元。 阳极要求：电极尖锐，其上长满微针(W丝上的苯基腈裂解生成)构成多尖陈列电 极，既所谓“金属胡须”发射器，可提高电离效率。 特点：电离温和，碎片少，主要产生分子离子M+和 (M+1)+峰。

19. 类似于场电离源，它也有一个表面长满“胡须” (长0.01mm)的阳极发射器(Emitter)。 过 程：样品溶液涂于发射器表面---蒸发除溶剂——强电场——分子电 离——奔向阴极——引入磁场 EI FI FD d) 场解吸源(Field desorption, FD) 特 点：特别适于非挥发性且分子量高达100000的分子。样品只产生分子离子峰和准分子离子峰，谱图最 为简单。

20. e) 火花源(Spark)： 针对金属合金或离子残渣样品等非挥发性无机物 的分析，类似于AES中的激发光源。 过程：30kV 脉冲电压---火花---样品局部高热 ---元素蒸发---原子或离子--- 经加速进入磁场进行分离 特点：元素分析灵敏度高， 可分析复杂样品(60种元素)， 谱图简单， 线性范围宽。

21. 原子束 狭缝 样品层 探针 二次离子 FAB： 质量分析器 铜针探头 f)  快原子轰击(Fast atom bombardment, FAB) 过 程：高速电子——惰性气体电离——电场加速——高速原子离子束——撞击涂有样品的金属板——能量转移给样品分子——电离——引入磁场分离。 特点：1）分子离子和准分子离子峰强； 2）碎片离子峰也很丰富； 3）适合于热不稳定、难挥发的样品。

22. 4. 质量分析器 作用是将不同碎片按质荷比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。 1）磁分析器 单聚焦型：用一个扇形磁场进行质量分析的质谱仪

23. 电场加速，U为加速电压 因此亦可得到 带电离子进入质量分析器，在磁场(场强为B)作用下， 飞行轨道弯曲(曲率半径为Rm)。当向心力 Bzev 与 离心力 mv2/Rm相等时，离子才能飞出磁场区 当B、Rm、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、Rm不变，通过扫描磁场来得到质谱图的。

24. 下图是单聚焦型质量分析器更直观地的工作过程。下图是单聚焦型质量分析器更直观地的工作过程。 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（或称实现了方向聚焦）。 但对于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。

25. 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(能量)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，于两个半径固定的扇形电极板上加一直流电压V，只有动能与其曲率半径相应的离子才能通过狭缝B----实现能量聚焦了！   然后，改变V值可使不同能量的离子从其“出射狭缝”引出，并进入磁分析器再实现方向聚焦。 双聚焦质量分析器分辨率可高达150,000! 思考：为什么双聚焦仪比单聚焦仪有更高的分辨率？

26. 到达无场漂移管末端的时间为： 不同离子通过同一长度为L的无场漂移管所需时间相差： 2）飞行时间分析器(Time of flight, TOF) 过 程：不同荷电碎片在飞出离子源的速度（动 能）基本一致。某离子在到达无场漂移 管前端时，其速度大小为：

27. 由于不同m/z的离子，其飞出漂移管的时间不同，因而实现了离子的分离。因为连续电离和加速使检测器产生连续输出而不能得到有效信息，因此实际工作中常采用相同频率的电子脉冲电离和脉冲电场加速，被加速的粒子经不同的时间到收集极上，并反馈到示波器上记录，从而得到质谱图。由于不同m/z的离子，其飞出漂移管的时间不同，因而实现了离子的分离。因为连续电离和加速使检测器产生连续输出而不能得到有效信息，因此实际工作中常采用相同频率的电子脉冲电离和脉冲电场加速，被加速的粒子经不同的时间到收集极上，并反馈到示波器上记录，从而得到质谱图。 特 点：扫描速度快(1000幅/s)，可用于研究快速反应 或与GC联用；可用于高质量离子分析；体 积小，操作容易；分辨率比磁分析器稍差。

28. 3）四极滤质器(Quadrupole mass filter) 过程：在两个相对的极杆之间加电压(U+Vcost)，在另两个相对的极杆上加-(U+Vcost)。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。

29. 离子阱的横截面图 4）离子阱(Ion trap analyzer) 过程：上下端罩(End cap)与左右环电极(Ring electrode)构成可变电场(前者接地，后者施以射频电压)——带电离子在一定轨道上旋转——改变电压——可使相同m/z离子依次离开进入电子倍增器而分离。 特点：结构简单、易于操作、GC-MS联用可用于m/z 200-2000的分子分析。

30. 包括Faraday杯、电子倍增器、闪烁计数器、照相底片等包括Faraday杯、电子倍增器、闪烁计数器、照相底片等 4、检测器 1) Faraday 杯：下图是Faraday杯结构原理图 特点：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。

31. 16.2 质谱图及其应用 一、质谱图 以质荷比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。

32. 二、质谱峰类型 • 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。

33. 分子离子 碎片离子 重排裂解 碰撞裂解 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：

34. 1）分子离子峰 ABCD+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。 2）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，因而会产生更小的碎片离子峰。

35. 烷烃化合物断裂多在C-C之间发生，且易发生在支链上：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： 苯的最强峰为M+，芳香族化合物将先失去取代基，再形成苯甲离子 ~ ~

36. 含C=O键化合物的开裂多在与其相邻的键上： ~ ~ 对含杂原子的分子，断裂的键位顺序为 位、 位和 位： R—X R++X• ~ 共振稳定化离子 ~

37. 化学电离源 麻黄碱 电子轰击源 分子离子峰 化学电离与电子轰击源质谱图比较 分子离子峰和碎片离子峰的识别和解析，对有机分子的定性分析十分重要。可以通过选择不同离子源来获得不同的信息。 下图是不同离子源下麻黄碱的质谱图。

38. 3) 同位素峰 由于天然同位素的存在，因此在质谱图上出现M+1，M+2等峰，由这些同位素所形成的峰称之为同位素峰。

39. m/e=58,是具有γ-H甲基酮的特征峰。 4）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。 1. 麦氏重排

40. γ位上有氢原子的烷基取代芳烃： 2. 逆狄尔斯—阿尔德反应（环烯断裂反应)

41. 3. 饱和分子的氢重排（消除反应） X为卤素原子时，消去HX    X为—OH时，消去H2O    X为—SH…，…H2S等。

42. 4）亚稳离子峰 过程：质量数为m1的带电离子，由于碰撞等原因，在进入质量分析器之前，失去中性碎片m而变成m2的离子(此时m1能量变小，在磁场中有更大的偏转)从而形成亚稳离子峰m*，此时可将此峰看成m1和m2的“混合峰”，即形成“宽峰”，极易识别。且满足下式： 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)。

43. 分子量测定、化学式及结构式鉴定 三、质谱定性分析 1、分子量确定 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？ 1）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”。

44. 2）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，含偶数个N的分子量 为偶数，含奇数个N的分子量为奇数。

46. 3）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， 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。

47. 4）利用同位素帮助识别分子离子峰。如含有Cl和Br时，由于其含有丰度较高的重同位素，Cl中含35Cl为75.77%, 37Cl为24.23%，Br中79Br为50.54％， 81Br 为49.46％。因此，若分子中含有一个氯原子，则M和M＋2峰强度比为3：1；若分子中含有一个溴原子，则M与M＋2之比为1：1。 5）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。

48. 2、化学式的确定 • 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。

49. b) 低分辨质谱： 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。 对于化合物CwHxNyOz，其同位素离子峰(M+1)+和(M+2)+与分子离子峰的强度比分别为： 忽略2H和17O的影响，上二式简化为

50. 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)=9:6:1 CHCl3：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