第五章质谱（ Mass Spectrometry , MS ）一、教学目的与要求

第五章质谱（Mass Spectrometry , MS） • 一、教学目的与要求掌握质谱的概念、质谱计的组成；了解样品的电离方式种类；掌握EI电离方法的原理；掌握磁偏转质谱计的基本方程并会通过方程分析如何将不同m/z的离子分离；掌握四极质量分析器的工作原理；理解分辨率、灵敏度的概念；理解主要离子类型的来源；掌握分子离子峰的判别规则；掌握分子式的推导规则；掌握质谱裂解反应机理；掌握质谱碎裂的规律及影响因素；了解质谱解析的步骤。

二、学习重点及难点分析 重点：离子源及质量分析器的工作原理；分子离子峰的判别规则；质谱裂解反应机理；质谱碎裂的规律及影响因素。难点：质谱图解析应用。 • 三、授课主要内容第一节概述第二节基本原理及仪器简介第三节离子的主要类型第四节分子离子峰的判别第五节分子式的确定第六节有机质谱中的裂解反应第七节各类有机化合物的质谱第八节质谱解析及应用

质谱法是分离和记录离子化的原子或分子的方法。质谱法是分离和记录离子化的原子或分子的方法。同位素质谱研究对象无机质谱有机质谱作用：准确测定有机物的分子量，提供分子式和其他结构信息。特点：灵敏度远高于其他结构分析方法。

第一节概述 质谱是化合物分子在真空条件下受电子流的“轰击”或强电场等其它方法的作用，电离成离子，同时发生某些化学键的有规律的断裂，生成具有不同质量的带正电荷的离子，这些离子按质荷比m/z的大小被收集并记录的谱。质谱法一般用质谱图或质谱表格形式表示。

正戊烷的电子轰击电离质谱 横坐标为离子的质荷比纵坐标为离子的相对强度

质谱计由离子源、质量分析器、离子检测系统三个主要部分和进样系统、真空系统两个辅助部分组成。质谱计由离子源、质量分析器、离子检测系统三个主要部分和进样系统、真空系统两个辅助部分组成。

第二节基本原理及仪器简介 一、样品的电离物质的电离方法有： • 电子轰击（EI）：分子离子、碎片离子。 • 化学离子化（CI）：准分子离子（高能电子束与小分子反应气作用，电离生成初级离子，初级离子再与样品分子反应所得）较多，碎片离子较少。 • 场致离（FI）和场解吸（FD）：分子离子峰较强，碎片离子峰较少。 • 快原子轰击（FAB）：适用于对热不稳定的、极性强的分子、生物大分子及络合物的测试。

→ ABC++D• →AB++C -2e →A++B ABCD + e →ABCD+• →ABC•+D+ (气态分子)（70eV）→AB++CD• →AD+•+BC 重排离子 EI方法电离样品过程示意断键的同时有新的化学键生成的现象叫重排，新生成的碎片离子叫重排离子。

EI中轰击电子是由离子源中的钨丝或铼钨丝制成的阴极在通电流加热到2000℃时产生的，轰击电子的能量可通过阴极和栅极间的电位差调节。 EI有以下特点： • 方法成熟； • 谱图中有较多的碎片离子，能提供丰富的结构信息； • 灵敏度高，能检测纳克级样品； • 重复性好； • 离子源的结构简单，操作方便。

二、离子的分离 以磁偏转质量分析器为例讨论离子的分离。 zV= mv2/2 磁偏转质谱计的基本方程 m/z=H2R2/2V Hzv=mv2/R （H：磁场强度；R：正离子运动的曲率半径；V：加速电极电位） • 当加速电位V固定时，m/z R2； • 当加速电位V固定时，m/z H2； • 固定R、H，扫描加速电位，同样能达到离子按m/z分离的目的。

三、仪器简介 1、质谱仪器的基本部件 1）离子源——使被分析物质电离成离子，并将离子会聚成有一定能量和几何形状的离子束。 8 5 7 1-电离盒 2-推斥极 3-引出极 4-聚焦极 5-Z向偏转极 6-总离子流检测器 7-主狭缝 8-灯丝 6 3 4 1 2

2）质量分析器——将不同质荷比的离子分开。2）质量分析器——将不同质荷比的离子分开。 • 四极质量分析器（Quadrupole Mass Analyzer）。又称四极滤质器（Quadrupole Mass Filter）。对于某一种射频频率，只有一种质荷比的离子可以顺利通过电场区达到检测器，这些离子称为共振离子。其他离子在运动过程中撞击在圆筒电极上而被“过滤”掉，这些离子称为非共振离子。

电压扫描：将交流电压的频率固定，而连续改变直流电压和交流电压的大小（保持u/v比值不变）；电压扫描：将交流电压的频率固定，而连续改变直流电压和交流电压的大小（保持u/v比值不变）； • 频率扫描：保持电压不变而连续改变交流电压的频率。常用的质量分析器还有：双聚焦磁偏转质谱计、飞行时间质谱计、离子回旋共振质谱计等。

3）检测器——用于检测各种质荷比离子的强度。 最常用的是二次电子倍增器。电子倍增器的工作原理为：当来自于质量分析器的正离子打击阴极表面时，阴极产生二次电子，然后用多级瓦片状的二次电极（也称作打拿极）使二次电子不断倍增。二次电极由铜-铍合金等特殊的材料制成，这种材料的二次发射系数大于1。所谓二次发射系数是指对于一个二次电极，发射的二次电子流强度i2与入射的电子流强度i1之比。

4）真空系统——一般要求在10-4~10-6Pa。 离子与别的粒子相互作用前所飞过的平均距离称为“离子平均自由程”，它与体系中的气体压强成反比。 5）进样系统气体或低沸点液体样品的进样只需用注射针穿过封垫圈将样品注入加热的真空储存器，液体样品进入后立即气化，并维持一定的样品气压。

2、质谱仪器的主要性能指标 • 质量范围（Mass Range）是指质谱仪器所检测的离子质荷比范围。 • 分辨率（Resolution）是质谱仪器分开相邻两个质谱峰的能力，它是对不同质量离子分离和对相同离子聚焦两种能力的综合表征。两个相邻的强度近似相等的离子峰正好分开，分辨率 10%谷的定义：若两峰重叠后形成的谷高为峰高的10% ，则认为两峰正好分开。

a：两峰的中心距离； b：峰高5%处的峰宽。两峰分开的标准（10%谷）（A）10%的定义（B）实际常见情况

灵敏度（Sensitivity）——显示仪器对样品在量的方面的检测能力。灵敏度（Sensitivity）——显示仪器对样品在量的方面的检测能力。指在记录仪上得到可检测的质谱信号所需的样品量（g）绝对灵敏度指可检测到的微量杂质的最小浓度（如ug•ml-1）相对灵敏度

第三节离子的主要类型 一、分子离子（奇电子离子）分子失去一个价电子而生成的离子，通常用M+•表示。M右上角的“+”表示分子离子带一个电子电量的正电荷，“•”表示它有一个不成对电子，是个游离基。分子离子是最重要离子的原因： • 它的质荷比值等于分子量； • 是质谱中所有碎片离子的先驱。

二、碎片离子 是由分子离子在离子源中碎裂生成的。带正电荷。三、同位素离子质谱中规定以元素最大丰度的同位素计算分子离子和碎片离子的质荷比，其他同位素组成的离子称为同位素离子。其峰都出现在分子离子或碎片离子峰的高质量一侧。四、多电荷离子双电荷离子在质谱图中出现在相同质量的单电荷离子质荷比的二分之一处。

五、负离子 是通过电子捕获及电离时形成离子对等机理产生的。六、离子-分子反应生成的离子 • EI：进样量大时，发生离子-分子碰撞，分子离子从中性分子取得一个原子或原子基团； • CI：利用离子-分子反应使样品分子分离，化合物化学电离生成[M+H]+或[M-H]+（准分子离子）。七、亚稳离子某个离子在从离子源到检测器的运动过程中发生了碎裂，这种离子称作亚稳离子。

第四节分子离子峰的判别 一、分子离子峰的判别分子离子峰应该是EI质谱图中最高质量的离子。解析时把谱图中最高质荷比的离子假设为分子离子，然后用下列标准判别： • 分子离子必须是一个奇电子离子。用不饱和度f来判断离子所含电子的奇偶性：f为整数，则离子一定是奇电子离子；f为半整数，离子为偶电子离子。

分子离子的质量奇偶性必须符合氮规则。 氮规则：假如一个化合物中不含氮或含有偶数个氮原子，则其分子离子的质量（即分子量）一定是偶数；如果分子中含有奇数个氮原子，则其分子离子的质量必定是奇数。最大丰度的同位素质量和化合价或均为偶数，或均为奇数。（氮除外） • 合理的中性丢失。 • 分子离子与最靠近它的一些碎片离子之间应有一个合理的质量差，如果这个质量差落在4~14和21~25之间就是不合理的。

例1 、试判别下图三张质谱图中质荷比最大的离子是否为分子离子，已知三种化合物均不含氮原子。

第五节分子式的确定 一、利用同位素离子丰度推导分子式常见元素按同位素组成特点分成三类：第一类为“A”，只有一个天然稳定的同位素的元素；第二类为“A+1”，有两个同位素的元素，其中丰度较小的同位素比最丰富的重一个质量单位；第三类为“A+2”，这类元素中有一个比最丰富的同位素大两个质量单位的重同位素。

1）分子中氯、溴元素的识别和原子数目的确定1）分子中氯、溴元素的识别和原子数目的确定氯、溴均是A+2类元素，且它们的重同位素丰度特别高。 2）分子中硫、硅原子的识别和数量确定如果谱图中出现明显的M+2峰，但M+2：M的丰度比远远小于1：3，应考虑分子中可能含有硫或硅原子。分子中硫、硅原子的数目可由下列公式分别计算： S原子数目=（[M+2]/[M]）/4.4%；Si原子数目=（[M+2]/[M]）/3.4%。

3）分子中碳原子数目的确定 C原子数上限=（[M+1]/[M]）/1.1%（取整数）。 13C：12C的丰度比为1.1：100； 15N：14N为0.36：100 。在利用同位素丰度比推导分子式时，一般先检查分子中是否含A+2类元素，如已排除，那么[M+1]主要来自13C(1.1%) 和15N（0.36%）。 [M+1]/[M]=1.1%x+0.36%z（x为分子离子中碳原子的个数，z为氮原子的个数）例：试根据分子离子区域的离子质荷比和相对丰度推导未知物的分子式。某化合物质谱的离子质荷比和强度如下： m/z 132(M+•) 133 134 相对强度 100 9.9 0.7

二、高分辨质谱测定离子精密质量 第六节有机质谱中的裂解反应一、研究有机质谱裂解反应的实验方法有机质谱中的裂解反应是指离子（包括分子离子和碎片离子）进一步裂解生成质荷比较小的碎片离子的反应。 • 亚稳离子法：亚稳离子（m*）可用于判断比其质荷比大的质量为m1、m2的两个离子（M1、M2）之间的母离子与子离子的关系。若m*=m22/m1，则M1是M2的母离子。

同位素标记法：常用的同位素标记是氘标记。 二、质谱裂解反应机理 McLafferty提出的“电荷-自由基定位理论”被广泛用于裂解反应机理的探讨。认为分子离子中电荷或自由基定位在分子的某个位置上，然后以一个电子（用单鱼钩表示）或电子对（用箭头表示）转移来“引发”裂解。单电子转移发生的裂解反应称均裂，双电子转移发生的裂解反应称异裂。

（1）自由基位置引发的裂解反应 动力来自自由基有强烈的电子配对倾向，在自由基位置易引发分裂，同时伴随着原化学键的断裂和新化学键的生成。分子离子化时，自由基或电荷位置优先发生在电离电位最低的电子上。 • 电离电位（I）由小到大的顺序为：非键n电子<共轭π电子<非共轭π电子<σ电子； • 同一族元素，从上至下，I值依次减小； • 同一周期元素，从左至右I值增大。

α裂解反应如下： 自由基位置引发的裂解反应主要是指含C-Y或C=Y(Y=O、N、S)基团的化合物。

σ碎裂过程是当σ键形成阳离子的自由基时发生的碎裂过程，如：σ碎裂过程是当σ键形成阳离子的自由基时发生的碎裂过程，如： σ碎裂常发生在饱和烃类中，优先发生在支链和取代基所在位置。

（2）自由基位置引发的重排反应 重排反应中，伴随有一个以上原化学键的断裂和新键的生成。 McLaffferty重排为γ位氢转移，经过六元过渡态，丢失稳定的中性分子的重排，又称γ氢重排。

（3）电荷位置引发的裂解反应 是由于正电荷具有吸引或极化相邻成键电子的能力，用符号i表示，分为奇电子离子（用OE+•表示）型和偶电子离子（用EE+表示）型。i裂解通式为：

三、质谱碎裂的一般规律和影响因素 1、质谱碎裂的一般规律 1）分子中电离电位最低的电子最容易丢失，生成的正电荷和游离基就定域在丢失电子的位置上。 2）离子具有过剩的能量和带有的正电荷或不成对电子是它发生碎裂的原因和动力。正电荷——异裂；游离基——均裂。 3）质谱中的碎片离子多而复杂，造成质谱解析的困难。 4）产物离子的相对丰度主要由它的稳定性决定。

2、影响离子碎裂的因素 1）化学键的相对强度。键能大的化学键强度大，不容易断裂。 2）碎裂产物的稳定性。 3）立体化学因素。

第七节各类有机化合物的质谱 一、烃类化合物的质谱 1、烷烃 • 直链烷烃：直链烷烃的分子离子峰可见。出现M-29及一系列CnH2n+1（m/z 29，43，57，71…）峰；相邻的对应峰 Δm=14；m/z 43，57相对强度较大，往往是基峰。 • 支链烷烃：M+•峰较相应的直链烷烃弱；烃类化合物质谱中若出现M-15峰，表明化合物可能含有侧链甲基。 • 环烷烃：分子离子峰的相对丰度较强；质谱图中可见m/z 41、55、56、69等碎片离子峰。

2、烯烃 烯烃中双键的引入，可增加分子离子峰的强度；相邻的对应峰Δm=14；烯烃峰群中CnH2n-1（m/z 41、55、69、83…）峰较强，m/z 41往往是基峰。 3、芳烃芳烃类化合物稳定，分子离子峰强。芳烃化合物的苯核可裂解成C3H3（m/=39）、C4H2(m/z=50)、C4H3(m/z=51)、C4H5(m/z=53)、C6H5（m/z=77）的碎片离子。

二、醇、酚、醚 1、醇类化合物脂肪醇的分子离子峰很弱，一般进行α-裂解，生成m/z=31的离子。但所有的伯醇（甲醇除外）、高分子量的仲醇和叔醇易失去水，形成M-18的峰。 2、酚类化合物酚中最重要的裂解过程是失去CO和CHO，分别得到（M-28）和（M-29）峰。酚的分子离子峰强度大。 3、醚类化合物脂肪族醚类的分子离子峰弱，易发生α-裂解及碳-碳σ键断裂，生成系列CnH2n+1O的含氧碎片峰；芳香烃基醚的M+•较强，裂解主要发生C-O键断裂。

第八节质谱解析及应用 一、谱图解析步骤 1、由分子离子峰获取相对分子量及元素组成信息。除相对分子质量之外，分子离子提供的信息还包括： • 是否含奇数氮原子。 • 含杂原子的情况。 • 对于化学结构不是很复杂的普通有机物，根据其分子离子的质量和可能的元素组成，可以计算分子的不饱和度及推测分子式。

2、根据分子离子峰和附近碎片离子峰的m/z差值推测被测物的类别 。 3、根据碎片离子的质量及所符合的化学通式，推测离子可能对应的特征结构片断或官能团。 4、结合相对分子质量、不饱和度和碎片离子结构及官能团等信息，合并可能的结构单元，搭建完整的分子结构。 5、核对主要碎片离子。 6、结合其他分析方法最终确定化合物的结构。 7、质谱图的计算机数据库检索。

例、写出下列化合物质谱中基峰离子的形成过程。例、写出下列化合物质谱中基峰离子的形成过程。（1）1，4-二氧环己烷

（2）2-巯基丙酸甲酯

第五章质谱（ Mass Spectrometry , MS ）一、教学目的与要求