1、第十四章 质谱分析法 Mass spectrometry,质谱分析法原理和仪器,质谱峰和主要离子峰,质 谱 分 析 法 应 用,1.质谱分析法的优点:(1)它是至今唯一可以确定分子质量的方法,在高分辨率质谱仪中能够准确测定质量,而且可以确定化合物的化学式和进行结构分析。(2)质谱法的灵敏度极高,鉴定的最小量可达10-10g,检出限可达10-14g。,2. 质谱仪的发展简史 1912年： 世界第一台质谱装置 1940年代: 质谱仪用于同位素测定 1950年代：分析石油 1960年代：研究GC-MS联用技术 1970年代：计算机引入3. 质谱仪的分类 有机质谱仪：气-质 液-质 富变质谱仪 激光解
2、吸飞行时间变质谱仪 无机质谱仪：ICP-MS 同位素质谱仪,一 质谱分析法原理,1.质谱图 质谱分析是用高速电子来撞击气态分子或原子,将电离后的正离子加速导入质量分析器,然后在磁场中按质荷比(m/z)大小进行收集和记录,及得到质谱图。根据质谱峰的位置进行物质的定性和结构分析,根据峰的强度进行定量分析。,第一节 质谱分析法原理和仪器,2.原理 试样从进样器进入离子源,在离子源中产生正离子。正离子加速进入质量分析器,质量分析器将离子按质荷比大小不同进行分离。分离后的离子先后进入检测器，检测器得到离子信号，放大器将信号放大并记录在读出装置上。 试样在离子源内被气化、电离。用电子轰击法在10-5Pa高
3、真空下,以50100eV能量的电子流轰击试样,有机物常常被击出一个电子,形成带一个正电荷的正离子，称为分子离子( ) M+e- +2e- 在质谱仪中,各种正离子被电位差为8008000V的负高压电场加速,加速后的动能等于离子的位能zU,即 加速后的离子进入磁场中,由于受到磁场的作用,使离子作弧形运动,此时离子所受的向心力Bz和运动的离心力m2/R相等,得 :,离子质荷比与运动轨道曲线半径R的关系:,或,质谱分析法的基本公式叫质谱方程式。若加速电压U和磁场强度B都一定时，不同m/z的离子，由于运动的曲线半径不同，在质量分析器中彼此分开。,质谱仪器 通常有六部分组成：真空系统，进样系统，离子源，质
4、量分析器，离子检测器，记录显示系统。（一）高真空系统 质谱仪中所有部分均要处高度真空的条件下(10-4-10-6Pa), 其作用是减少离子碰撞损失。真空度过低，将会引起：1)大量氧会烧坏离子源灯丝2)引起其它分子离子反应，使质谱图复杂化3)干扰离子源正常调节4)用作加速离子的几千伏高压会引起放电,一般质谱仪都采用机械泵预抽空后，再用高效率扩散泵连续地运行以保持真空。现代质谱仪采用分子泵可获得更高的真空度。（二） 进样系统 对进样系统的要求：重复性、不引起真空度降低。 1 间接进样 适于气体、沸点低且易挥发的液体、中等蒸汽压固体。如图14.1所示。注入样品(10-100g)贮样器(0.5L-3L
5、)抽真空(10-2 Pa)并加热样品蒸汽分子(压力陡度)漏隙高真空离子源。,图14.1进样系统,2 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25cm6mm 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。3 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。,图14.2直接探针进样系统,(三) 电离源(室) 将引入的样品转化成为碎片离子的装置。根据样品离子化方式和电离源能量高低，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、
6、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。,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。1.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，继续受到电子轰击而引起化学键
7、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)。,2.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
8、-CH3大部分与C2H5+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。(四)质量分析器 作用：将不同碎片按荷质比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。磁分析器： 单聚焦型(Magnetic sector spectrometer)：仅用一个扇形磁场进行质量分析的质谱仪。,1 单聚焦分析器（single focusing mass analyzer),1)结构：扇形磁场（可以是1800 、 900、600等),图14.3单聚焦分析器,B
9、zev= mv2/r,2.双聚焦质量分析器 带电离子质量分析器，在磁场作用下，飞行轨道弯曲。当向心力Bzev与离心力mv2/r相等时，离子才能飞出磁场区，即，,当B、r、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、r不变，通过扫描磁场来得到质谱图的。下图可更直观地看到单聚焦质量分析器的工作过程。,图14.4单聚焦质量分析器,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，而对于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。2. 双聚焦型(Double focusing spectrometer) 为克服动能
10、或速度“分散”的问题，即实现所谓的“速度聚焦”，在离子源和磁分析器之间加一静电分析器（ESA)，如下图所示，于两个扇形电极板上加一直流电位Ve，离子通过时的曲率半径为re=U/V，即不同动能的离子re不同，换句话说，相同动能的离子的re相同-能量聚焦了。,双聚焦分析器（Doubpe focusing mass analyzer),图14.5 双聚焦分析器,思考：为什么双聚焦仪比单聚焦仪有更高的分辨率？3. 四极滤质器(Quadrupole mass filter)组成如：,图14.6 四极滤质器,在两个相对的极杆之间加电压(U+Vcost)，在另两个相对的极杆上加-( U+Vcost)。与前述
11、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而到达检测器。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。,(五)检测器 包括Faraday杯、电子倍增器、闪烁计数器、照相低片等。1) Faraday 杯：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。,一、质谱图 以荷质比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
12、的谱图，称之为质谱图。,图14.7 质谱图,第二节 质谱峰和主要离子峰,二、质谱峰主要离子峰 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。 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：A,B,C,D+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。,(一)分子离子峰 分子受电子束轰击后失去一个电子而生成的离子 称为分子离子,在质谱图上由M所形成的峰称为分子离子峰。 M + e- +
13、2e 分子离子峰的强弱顺序为：芳环共轭烯烯酮直链烷烃醚酯胺酸醇高分子烃。,(二) 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，因而会产生质量数更小的碎片,称为碎片离子峰。 m/z 58 m/z43 m/z15 断裂方式可分为均裂、异裂和半异裂：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。,(三) 同位素峰 由于天然同位素的存在，因此在质谱图上出现 , ， 等,其同位素峰叫做同位素离子峰.对应的m/z为M+1，M+2,M+3.其同位素类型用M,M+1,M+2表示.人们通常把某元素的同位素占该元素的原子质量分数称为同位
14、素丰度。,(四)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。重排离子形成的机理：,(五) 亚稳离子峰过程：质量数为m1的多个带电离子，其中部分失去中性碎片m而变成m2而形成亚稳离子峰m*，此时可将此峰看成m1和m2的“混合峰”，因此形成“宽峰”，极易识别。且有下式：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)。,内容有：分子量测定、化学式及结构式签定一 相对分子质量的测定 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
15、离子峰。那么，如何辩认分子离子峰呢？,第三节 质谱分析法应用,(一) 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”。(二)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0个或偶数个N的分子量为偶数，含奇数个N的分子量为奇数。 (三)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，而不可能出现M-3，M-14，M-24等峰，如出现这样的峰，则
16、该峰一定不是分子离子峰。,(四) 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。,二、化学式的确定 a) 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。 b) 低分辨质谱则不能分辨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
17、，a=3, b=1, n=1, 因此(3+1)1=3+1， 即m/z50(M):m/z52(M+2)=3:1CH2Cl2：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)=9:6:1CHCl3：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,对于含有两种或以上的杂原子，则以（a1+b1)n1(a2+b2)n2 表示。ClCH2Br: (3+1)1(1+1)1=3+4+1 即：
18、m/z128(M):m/z130(M+2):m/z132(M+4)=3:4:1,三、结构签定：多采用与标准谱库对照的方法a) 根据质谱图，找出分子离子峰、碎片离子峰、亚稳离子峰、m/z、相对峰高等质谱信息，根据各类化合物的裂规律，重组整个分子结构。b) 采用与标准谱库对照的方法.由质谱数据推导有机物分子结构的过程，形象地说，如同用弹弓击碎一个瓷花瓶，再由一堆碎片来拼凑复原花瓶的过程。,质谱定量分析(一)无机痕量分析(二)同位素的测定(三)混合物的定量分析,a)C6D6纯度测定：看C6D6+，C6D5H+，C6D4H2+，C6D3H3+等的相对强度确定。b)同位素标记：用稳定同位素来标记化合物，
19、用它作示踪来测定在化学反应或生物反应中该化合物的最终去向，研究反应机理。如酯的水解机理就是用将酯基用18O来标记，然后只要示踪18O是在水解生成的烷醇中，还是在酸中。若在烷醇中则是酰氧断裂；反之则是烷氧断裂。c)同位素年代测定：通过36Ar与40Ar的强度比求出40Ar(由40K经1.3109a衰变而来)含量，再据半衰期求出其年代。,GC则具有分离复杂混合物的能力，定量易定性难；而MS多用于纯物质定性分析。二者有机结合，可提复杂混合物定性定量极为有效的工具。以上将两种或以上的方法结合起来的技术称之为联用技术。如GC-MS，LC-MS，CE-MS，GC-FTIR，MS-MS等。 由于MS要求高真
20、空，因此与MS联用，必须解决真空连结或接口问题。,第四节色谱/质谱联用技术 (Hyphenated method),图14.8GC-MS,填充柱：载气+样品-分子分离器(He被抽走，样品借惯性前进；真空度大大下降)-MS离子室毛细管柱：载气+样品-进入电离室检测记录过程：经分离的各分子依次进入电离室-经总离子流检测器记录色谱图-总离子流图(Total ion chromatogram, TIC)- 某一组份离子流(离子流峰)一旦出现，立即触发MS开始扫描其质谱图。,二、LC-MS LC对分离热不稳定物质较GC好，LC-MS联用最主要的是要解决：如何有效除去大量流动相液体。早期使用“传动带技术”
21、，现多采用“离子喷雾”或“电喷雾”技术。,习题1.等摩尔的CH4和CD4的混合物与CH2D2有相同数目的D原子，但是CH4和CD4混合物的质谱明显的不同于CH2D2是说明它们的质谱图。 解：CH4和CD4的混合物的质谱图如下：在m/z16和m/z20分别是CH4和CD4的分子离子峰；在m/z17和22相应出现它们的同位素离子峰M+1和M+2;CH4因失去个相应在m/z15,14和13出现低强度的碎片离子峰；CH 4因失去13个D相应的低强度离子峰分别为18、16和14。而CH2D2的分子离子峰m/z18,因失去H或产生低强度的m/z17,16,15,13碎片离子峰。,2.化合物A和B分子离子峰
22、为m/z58。在NaOD中以D2O处理后，化合物在处出现一离子峰，而化合物B在处出现一离子峰。试问何种类型的化合物在以 处理后，会产生此现象？A 和B各为什么化合物？解: 在碱性介质中经D2O处理后，A的相对分子量增加6，B增加2，表示化合物 A和B均有酸性氢在碱性中易离解，而被氘代，故相对分子量增加，可知A和B 均为带-羰基氢的化合物。 查Beynon表，相对分子量为58，而又带有氧原子的化合物有下列几种：CNO2，CH2N2O，C2H2O2，C2H4NO，C3H6O，其中具有羰基氢的只有丙酮和丙醛：丙酮分子中有6个羰基氢，可以被D取代，反应机理如下：故化合物A为丙酮。丙醛分子中有2个羰基氢
23、可被氘取代，其反应机理类似于丙酮：故化合物B为丙醛。,3.某化合物的质谱图如图所示，试推断其结构。 m/z解 从质谱图可以看出，出现的离子峰m/z符合CnH2n+1;并且相邻两峰的差为14，即相差即相差一个-CH2；最强离子峰m/z为43，这是饱和直链烷烃的典型特征。故改化合物为n-癸烷。,20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160,29,57,85,142,相对丰度%,113,99,71,43,4.某未知化合物的质谱图如图所示。试推断其结构。,m/z,解 从该化合物的质谱图上可以看出，分子离子峰146，并出现了质量数相差2的几对离子
24、峰：m/z 3537、6769、7981、111113 、127129、和146 148。由m/z69=148 79，是失去一个溴原子产生的离子峰，以及m/z 79 81的等强度两对峰等，可以说明该化合物含有一个溴原子。由m/z113=148 35，是失去一个氯原子产生的离子峰，以及m/z 3537这对离子峰，可知该化合物含有一个氯原子。由m/z 129=148 19，是失去一个氟原子产生的离子峰，以及m/z 31为CF+，可知该化合物含有一个氟原子。,故该化合物为：,1，除同位素离子峰外，分子离子峰位于质谱图的 区，它是分子失去 生成的，故其质荷比是该化合物的 。2，在化合物CH3Br的质谱
25、图中，M和M+2峰的相对强度比为 。（南开大学2001年）3.化合物Br2HaCCH2Br中Ha质子裂分为 个峰，其峰强度的比值为 。（南开大学2002年）4.质谱方程式是_，在固定磁场及外加电压的仪器中，随磁场曲率半径逐渐增大，质核比依次_排列。（南开大学2003年）,5.某实验室有原子吸收分光广度计，极谱仪、紫外分光光度计、气相色谱仪、核磁共振仪和离子活度计，现有以下分析测试任务，请选用最适宜的分析仪器： A.检测污泥中含有那些金属元素（ ）B.测定工业原料丁醇中正丁醇的百分含量（ ）C.普查儿童头发中锌的含量（ ）D.检测污水中氟的含量（ ）E.检测有机化合物中无S=O基团（ ）F.推断
26、某有机化合物的结构（ ）（首都师范大学1999年）,1.某化合物用一个具有固定狭缝和恒定加速电压的质谱仪进行分析，当磁场强度慢慢的增加时，则首先通过狭缝的是（ ） A质荷比最高的正离子 B质荷比最低的正离子 C 质量最大的正离子 D质量最小的正离子2.某试样质谱图的M和M+2峰强度的比值为3:1,则分子中一定含有( ) A 一个溴原子 B 一个氯原子 C 两个溴原子 D 两个氯原子（南开大学2001年）,3.下列化合物含C、H、O、N和S，试指出那一种化合物的分子离子峰为奇数（ ）A.C6H6 B.C8H2NO2 C.C4H2N6O D.C6H10O2S4.某试样质谱图的M和M+2峰对比值为1
27、:1，则分子中一定含有（ ）A.一个溴原子 B.一个氧原子 C.两个氯原子 D.两个溴原子（南开大学2003年）5.在下列混合物中，质子化学位移（）最小者是（ ）A、CH3Br B、CH4 C、CH3I D、CH3F（首都师范大学2002年）,1.（2分）以CH3-CH2-Br为例，其中什么氢核化学位移较小？什么氢核化学位移较大？2.（8分）某化合物疑为庚酮3或庚酮4，其MS图如下，试根据MS图予以确认，并说明m/e71和m/e43两种离子的生成过程。,（首都师范大学2001年）,3.m/e为500的离子，在分辨率为1104的质谱仪上可与相差多少质量单位的离子分开？（ 首都师范大学2002年）,
