(Mass Spectrometry, MS) 第十八章 质谱法 (Mass Spectrometry, MS) 第一节 质谱分析原理及质谱仪（Mass Spectrograph） 一、基本原理概述 二、质谱仪性能指标 三、仪器组成 第二节 质谱图及其应用 一、质谱图 （Mass Spectrum） 二、质谱峰类型 三、质谱定性分析 四、质谱定量分析 第三节     质谱联用技术(Hyphenated method)

应用 质谱是应用最为广泛的方法之一，它可以为我们提供以下信息： a)  样品元素组成； b) 无机、有机及生物分析的结构---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)； 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。

历史： 1813年：Thomson使用MS报道了Ne是由22Ne和24N两种同位素组成；随 后，同位素分析开始发展。 在30年代末：由于石油工业的发展，需要测定油的成份。通常用蒸馏的 方法先分离这些烃类混合物，然后再分别测定其折光率的方法来分 析它们。这通常要花数天时间。 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。 50年代初：质谱仪器开始商品化，并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的最有效的 手段。 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； 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 等正大行其道。

质谱分析是将样品转化为运动的带电气态离子碎片，于磁场中按质荷比(m/z)大小分离并记录的分析方法。 第一节 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碎片，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。 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) 磁场分离 (m/z) 检测器记录

二、质谱仪性能指标 1. 质量测量范围 质量测定范围以原子质量单位量度，1个原子质量单位： 1u=1.6605410-27kg/12C原子 如12C=12u, CH4=16.xxxx u 在非精确测量中，常直接以原子或分子量大小来表示。 2. 分辨本领 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，则可认为两已分开，其分辨率R为： 可见在质量数小时，分辨率亦较小。 实际工作中很难找到上述两相等的峰，常以 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。

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仪器一般由进样系统、电离源、质量分析器、真空系统和检测系统构成。

1. 真空系统 如图所示，质谱仪中所有部分均要处于高度真空的条件下(10-4-10-6托或mmHg柱), 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）干扰离子源正常调节； d）用作加速离子的几千伏高压会引起放电。

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

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，与质谱仪联用，进行多组份复杂混合物分析。

3. 电离源（室Ionization Chamber） 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、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，如EI。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，如场解吸源。产生的碎片少，谱图简单，可得到分子量 信息。 因此，应根据分子电离所需能量的不同来选择不同电离源。

a) 电子轰击源(Electron Impact，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）。

EI

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。

过 程：强电场(电极间距0.5-2mm)—分子电子的量子隧道效应*—分子热分解或碰撞—带正电荷的碎片离子—阳极排出并加速进入磁场 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。如下图。 过 程：强电场(电极间距0.5-2mm)—分子电子的量子隧道效应*—分子热分解或碰撞—带正电荷的碎片离子—阳极排出并加速进入磁场 *量子隧道效应(Quantum mechanical tunneling): 分子电子被微针“萃出”，分子本身很少发生振动或转动，因而分子不过多碎裂。 电极要求：电极尖锐，使用微碳针(W丝上的苯基腈裂解生成)构成多尖陈列电 极可提高电离效率。 特 点：电离温和，碎片少，主要产生分子离子M+和(M+1)+峰。

过 程：样品溶液涂于发射器表面---蒸发 特 点：特别适于非挥发性且分子量高达 d) 场解吸源(Field desorption, FD) 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 特 点：特别适于非挥发性且分子量高达 离子峰和准分子离子峰，谱图最 为简单。 EI FI FD

针对金属合金属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。 e) 火花源(Spark)： 针对金属合金属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。   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。 质量分析器 铜针探头 探针 二次离子 狭缝 原子束 样品层 FAB：

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(Magnetic sector spectrometer)：用一个扇形磁场进行质量分析的质谱仪。

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。 带电离子质量分析器，在磁场(场强为B)作用下，飞行轨道弯曲(曲率半径为r)。当向心力 Bev 与离心力 mv2/r 相等时，离子才能飞出磁场区，即， e为电子电荷；U为加速电压。 由于 （电场加速）,将上式带入得， 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。 固定B和U，改变r，即通过移动检测器狭缝位置来收集不同r处的离子或以感光板照相技术记录的不同m/z的离子——质谱仪（mass spectrograph）； 现代质谱仪通常是保持r不变，通过扫描电场U或磁场B，使不同m/z离子依次通过固定狭缝来获得质谱图——质谱计（Mass Spectrometer)。

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。

双聚焦型(Double focusing mass 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！   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？

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： 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： 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达收集极上，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。

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。 改变U和V并保持U/V比值一定，可实现不同m/z离子的检测。 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。 3）四极滤质器(Quadrupole mass filter)

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离子依次离开并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/z200-2000的分子分析。 离子阱的横截面图

5）离子回旋共振分析器(Ion cyclotron resonance, ICR) 过程： 处于磁场B中离子——回旋离子——吸收与B垂直的电场能量——当离子能量和吸收能量相等——共振——切断交变电场——回旋离子在电极上产生感应电流——感应电流衰减——记录该信号——通过Fourier变换将时域图转换为频域图(质谱图)。 特点： 可用于分子反应动力学研究、扫描速度快，可与GC 联用、分辨率高、分析质量大、但仪器昂贵。 5）离子回旋共振分析器(Ion cyclotron resonance, ICR)

4、检测器 包括Faraday杯、电子倍增器、闪烁计数器、照相底片等 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。 思考：电子倍增器与光电倍增管有何区别？

第二节 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（或称丰度，abundance）为纵座标所构成的谱图，称之为质谱图。

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。 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： 分子离子 碎片离子 重排裂解 碰撞裂解

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。 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。 断裂方式可分为均裂、异裂和半异裂（• 表示电子）： 均裂 半异裂 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：   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： ~

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

3）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。 4）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(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)。  5) 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。

M yM1+ xM1+ zM2+ wM1+ mM2+ 质 量 分 析 器 亚稳离子峰的形成过程 中性 碎片 -E mM2+ 质 量 分 析 器 碎片飞行路径 亚稳离子峰的形成过程 其中所有M1+碎片的m/z仍相同，只是到达质量分析器时的动能不同，即偏转不同，因而形成宽峰！

例如： 二异丙胺质谱在m/z22.8处有亚稳离子峰，此外有两个强峰m/z86和m/z44和一个弱峰m/z101。 m/z44离子是m/z86离子的重排开裂产生的。亚稳离子峰为此种开裂历程提供了证据。 m*=22.8  442+/86 = 22.5 H +• CH3 — •CH3 + CH2 CH3 CH-NH-CH CH3-CH-NH-CH m/z86 CH3 CH3 CH3 m/z101 —CH3-CH=CH2（中性碎片） + CH3-CH=NH2 m/z44（强峰）

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。 化学电离源 电子轰击源 麻黄碱 化学电离与电子轰击源质谱图比较 分子离子峰

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？ 利用化学结构来判断分子离子峰强度： 各类化合物分子离子峰稳定性顺序为：芳香环（芳香、杂环）>脂环>硫醚、硫酮>共轭烯烃>直链烷烃>酰胺>酮>醛>胺>脂>醚>羧酸>支链烃>腈>伯醇>叔醇>缩醛 利用经验规律： 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、酰、胺腈和胺醇的(M+H)+峰”及“芳醛、醇或含氮化合物等的(M-H)+峰” 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——不符合上述规律者必不是分子离子峰。

3）分子离子峰与邻近峰的质量差是否合理。有机分子失去碎片大小是有规律的：如失去H、CH3、H2O、C2H5…… 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，而不可能出现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。 质量差为(4-13)、19-25、37、38、50-53、65-66…的不是分子离子峰，当 差值为14=CH2时应小心，这表明可能有待测物的同系物存在。 4）根据断裂方式判断分子离子峰：如醇的分子离子峰通常看不到，但经常看到最高质量的两峰相差3个质量单位的峰（M-CH3 峰和 M-H2O峰）。 通过改变仪器实验条件来检验： 1）降低电子流电压——增加分子离子峰强度（当电子轰击电压降低，强度不增加的峰不是分子离子峰）。 2）采用化学电离源、场离子或场解吸源等电离方法； 3）制备易挥发的衍生物，如通过甲基化、乙酰基化、甲酯化、三甲基硅醚化、水解氧化或还原等方法将样品制备成适当的衍生物后再测定。

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。 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：

例1：计算化合物C8H12N3O的M+1，M+2峰相对于M+峰的强度。 因为： I(M+1)% = 1.128 + 0.016 12 + 0.38 3 + 0.04 1 = 10.31% I(M+2)% = 1.21 82/200 + 0.20 1 = 0.597% 因此，I(M+):I(M+1):I(M+2) = 100:10.31:0.597

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 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 (35Cl, 37Cl; 79Br, 81Br) 即：m/z128(M):m/z130(M+2):m/z132(M+4)=3:4:1

3、结构签定： 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.

四、质谱定量分析 利用质谱离子流强度与离子数目成正比进行定量。 1、同位素测定：元素同位素测定和分子同位素测定。 a）C6D6纯度测定：由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，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1.3 109 a 衰变而来)含量，再据半衰期求出其年代。 2、无机痕量分析：ICP-MS（无机质谱）

第三节 质谱联用技术(Hyphenated method) GC 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，可提供复杂混合物定性定量极为有效的工具。 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要求高真空，因此与MS联用，必须解决真空连结或＂接口＂问题。 一、GC-MS联用 分子分离器

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 思考：为什么填充柱要有分子分离器？ 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响应——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。用于GC-MS的质量分析器多为四极杆及离子阱(WHY？)。

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”，现多采用“离子喷雾”或“电喷雾”技术。如右图。  

质谱表面分析仪器

双质谱分析示意图