第十五章 质 谱 法 （Mass Spectrometry， MS）

质谱法是通过将样品转化为运动的气态离子并按质荷比(M／Z)大小进行分离并记录其信息的分析方法。所得结果以图谱表达，即所谓的质谱图（亦称质谱，Mass Spectrum）。根据质谱图提供的信息可以进行多种有机物及无机物的定性和定量分析、复杂化合物的结构分析、样品中各种同位素比的测定及固体表面的结构和组成分析等。 从20世纪60年代开始，质谱法更加普遍地应用到有机化学和生物化学领域。化学家们认识到由于质谱法的独特的电离过程及分离方式，从中获得的信息是具有化学本性，直接与其结构相关的，可以用它来阐明各种物质的分子结构。正是由于这些因素，质谱仪成为多数研究室及分析实验室的标准仪器之一。

第一节 质谱分析原理及质谱仪 第二节 质谱中的主要离子及裂解类型 第三节 质谱分析法 第四节 综合解析

第一节质谱分析原理及质谱仪 质谱：样品的分子或原子在外部能量作用下电离或电离后进一步分解生成各种质量与电荷之比值（m/z）不同的离子，然后在分析器（通常是电场或磁场）作用下按其质荷比不同排列形成的谱。 质谱法：通过对样品的棋相离子的直流电何必的测定进行物质的成分和结构分析。

质谱分析过程：

一 、质谱法的基本原理 应用离子化技术，使物质分子失去外层电子形成分子离子。 分子离子中的化学键又继续发生某些有规律的断裂而形成不同质量的碎片离子。 这些带正电荷的离子在电场和磁场作用下，按质荷比的大小分开，排列成谱，记录下来，得到质谱。

质谱的横坐标：荷质比。从左到右荷质比增大。 在大多数情况下，质谱图记录的是单电荷离子，此时，质谱图的横坐标实际上即为离子质量。 但特殊情况下，质谱图记录的是多电荷离子，此时，所检测的离子的质量则因离子的多重电荷而扩展到了相应的倍数。

二、质谱仪 （一）高真空系统 主要组成：高真空系统、样品倒入系统、离子源、质量分析器、离子检测器、数据处理系统等。 避免离子散射、离子与其他气体分子碰撞。质谱仪的离子产生及经过系统必须处于高真空状态（离子源真空度应达l．3×10-4～l．3×10-5Pa，质量分析器中应达l．3×10-6Pa）。若真空度过低，则会造成离子源灯丝损坏、本底增高、到反应过多，从而使图谱复杂化、干扰离子源的调节、加速极放电等问题。一般质谱仪都采用机械泵预抽真空后，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）样品倒入系统 进样系统的目的是高效重复地将样品引人到离子源中并且不能造成真空度的降低。 可分为两大类： 1、直接进样：适用于单组分、低挥发性的固体或液体样品的分析。 2、色谱联用倒入试样：适用于多组分混合样品的分析。

（三）离子源 离子源的功能是是被分析物质离子化，并使其具有一定的能量。 1、 电子轰击源 （electron ionization EI ） 电子轰击法是通用的电离法，是使用高能电子束从试样分 子中撞出一个电子而产生正离子，即 M＋e → M+＋2e 式中M为待测分子，M+为分子离子或母体离子。 电子束产生各种能态的M+。若产生的分子离子带有较大的内 能（转动能、振动能和电子跃迁能），可以通过碎裂反应而消去，如 M+1 → M+3 M+ …… M+2 → M+4 式中M+1，M+2…为较低质量的离子

在电子轰击下，样品分子可能有四种不同途径形成离子： 样品分子被打掉一个电子形成分子离子。 分子离子进一步发生化学键断裂形成碎片离子。 分子离子发生结构重排形成重排离子。 此外，还有同位素离子。这样，一个样品分子可以产生很多带有结构信息的离子，对这些离子进行质量分析和检测，可以得到具有样品信息的质谱图。

电子电离源主要适用于： 易挥发有机样品的电离，其优点是工作稳定可靠，结构信息丰富，有标准质谱图可以检索。 缺点是只适用于易汽化的有机物样品分析，并且，对有些化合物得不到分子离子。

2、化学电离源(chemical ionization CI ) 灯丝发出的电子首先将反应气电离，然后反应气离子与样品分子进行离子-分子反应，并使样品气电离。

现以甲烷作为反应气，说明化学电离的过程。在电子轰击下，甲烷首先被电离： CH4 ＋ e→ CH4+·＋2e CH4+·→ CH3+ + H· CH4+和CH3+很快与大量存在的CH4分子起反应，即 CH4+·＋ CH4 → CH5+ ＋ CH3· CH3+＋ CH4→ C2H5+＋ H2 CH5+和C2H5+不与中性甲烷进一步反应，一旦小量样品（试样与甲烷之比为1:1000）导入离子源，试样分子（SH）发生下列反应： CH5+＋ SH → SH2+＋ CH4 C2H5+＋ SH → S+ ＋ C2H6。 SH2+和S+然后可能碎裂，产生质谱。由(<M十H)或(M-H)离子很容易测得其相对分子质量.

化学电离法可以大大简化质谱，若采用酸性 比CH5+更弱的C4H9+（由异丁烷）、NH4+ （由氨）、H30+（由水）的试剂离子则可更 进一步简化。 化学电离源是一种软电离方式，有些用EI 方式得不到分子离子的样品，改用CI 后得 到准分子离子，因而可以求得分子量。 由于CI 得到的质谱不是标准质谱，所以不 能进行数据库检索。 CI和EI源主要用于气相色谱-质谱联用仪， 适用于易汽化的有机物样品。

（四）质量分析器 将离子源产生的各种离子通过磁场、电场作 用，按质荷比分离开来，从而达到对离子质量 检测的目的。 目前用于有机质谱仪的质量分析器主要有磁分 析器（可分为单聚焦和双聚焦质量分析器两 种）及四极杆分析器两种。 （l）磁分析器 最常用的分析器类型之一就是扇形磁分析器。 离子束经加速后飞入磁极间的弯曲区，由于磁场作 用，飞行轨道发生弯曲。

υ=Bzer/m , ∵ zeU = 1/2mυ2 ∴ Bzeυ=mυ2/r 此时离子受到磁场施加的向心力Bzeυ作用，且离子的离心力mυ2·r-1也同时存在，r为离子圆周运动的半径。只有在上述两力平衡时，离子才能飞出弯曲区，即 Bzeυ=mυ2/r 其中B为磁感应强度，ze为电荷，υ为运动速度，m为质量，r为曲率半径。调整后，可得 υ=Bzer/m , ∵ zeU = 1/2mυ2 ∴

仅用一个扇形磁场进行质量分析的质谱仪称为单聚焦质谱仪，设计良好的单聚焦质谱仪分辨率可达5000。 若要求分辨率大于5000则需要双聚焦质谱仪。单聚焦质谱仪中影响分辨率提高的两个主要因素是离子束离开离子枪时的角分散和动能分散，因为各种离子是在电离室不同区域形成的。为了校正这些分散，通常在磁场前加一个静电分析器（Elctrostatic Analyzer， ESA），这种设备由两个扇形圆筒组成，向外电极加上正电压，内电极为负压（见图21-8）。 一般商品化双聚焦质谱仪的分辨率可达150000，质量测定准确度可达0.03μg·g-1，即对于相对分子质量为600的化合物可测至误差上±0．0002u。

（2）四极杆质量分析器 四极滤质器由四根平行的金属杆组成，其排布见图21- 9所示。理想的四杆为双曲线，但常用的是四支圆柱形金属 杆，被加速的离子束穿过对准四根极杆之间空间的准直小孔。 通过在四极上加上直流电压U和射频电压在极间 形成一个射频场，正电极电压为U＋Vcosωt，负电极 为-(U＋Vcosωt).离子进入此射频场后，会受到电场力 作用，只有合适m／z的离子才会通过稳定的振荡进入检测器。只要改变U和V并保持U／V比值恒定时，可以实现不同m／z的检测。 其主要优点是传输效率较高，入射离子的动能或角发散影响不大；其次是可以快速地进行全扫描，而且制作工艺简单，仪器紧凑，常用在需要快速扫描的GC－MS联用及空间卫星上进行分析。

（3）飞行时间分析器 （Time of Flight，TOF） 这种分析器的离子分离是用非磁方式达到的，因为从离子源飞出的离子动能基本一致，在飞出离子源后进入一长约lm的无场漂移管，在离子加速后的速度为： 此离子达到无场漂移管另一端的时间为 t=L/υ

故对于具有不同m／z的离子，到达终点的时间差 由此可见，Δt取决于m／z的平方根之差。 因为连续电离和加速将导致检测器的连续输出而无法获得有用信息，所以TOF是以大约10kHZ的频率进行电子脉冲轰击法产生正离子，随即用一具有相同频率的脉冲加速电场加速，被加速的粒子按不同的√(m/z)的时间经漂移管到达收集极上，并馈入一个水平扫描频率与电场脉冲频率一致的示波器上，从而得到质谱图。用这种仪器，每秒钟可以得到多达1000幅的质谱。

（五）离子检测器 使被分离开来的离子，按质荷比不同排列成谱，进行测定的装置。 离子检测器的作用就是将这些微弱的离子流信号接收并放大，然后送至显示单元及计算机数据处理系统，得到被分析样品的质谱图及数据。

第二节 质谱中的主要离子及裂解类型 有机质谱学中常用的概念 1、基峰丰度（相对丰度）： 是有机质谱学中常用的表示方法。为了方便，通常把谱图中最丰的离子峰称为基峰，并将其定义为100，即IB=100， 其他离子强度与之相比占的份额称为该离子的基峰丰度。 2、质量范围：仪器可测的最大质量数区间。

3、分辨力：分开两个邻近质量峰的能力称为仪器的分辨力。 即RP=m1/△m=m1 /(m1 –m2) 分开的意思是通常指两峰的峰谷低于峰高的5％或10 ％，则认为被分开。 4、低分辨质谱：分辨力低于2000的质谱。 5、高分辨质谱：分辨力高于10000的质谱。 对于高分辨质谱，不但能给出化合物的准确元素组成，而且还能确定其碎片离子的元素组成。

质谱法中的主要离子 ． + 1、分子离子：由样品分子电离而产生的，标为M 具有较高的内能，会碎裂成广义离子。 “+” 表示有机物分子因已失去一个电子而电离， “ ” 表示有机物分子的成对电子因失去一个而剩下一个未配对电子，因此，分子离子是一个游离基离子。 对于单电荷离子，分子离子的质和比数值上就是该化合物的分子量。 2、碎片离子：分子离子化学键断裂，生成质荷比较小的离子。 3、稳定离子：在离子源生成后一直稳定存在，直到检测。 不稳定离子：在离子源内即已碎裂成别的离子。 亚稳离子：介于稳定和不稳定之间的离子，是从离子源出口到检测器之间产生的离子。 ．

4、同位素峰： 指质谱中由同位素产生的各个峰。

第三节 质谱分析法 一、分子离子峰的判断 1、用质谱法确定分子式，首先要正确判断分子离子峰。 分子离子峰的必要条件： （1）必须是奇电子离子，也必须符合氮规则。 （2）必须是谱图中除同位素以外的最高质量的离子 （3）必须能够通过丢失合理的中性碎片，产生谱图中高质量区 的重要离子。

氮规则：由C、H、O 组成的化合物，分子离子峰的质量数是偶数；由C、H、O 组成的化合物，含奇数个N，分子离子峰的质量数是奇数；含偶数个N，分子离子峰的质量数是偶数。 凡是不符合氮规则的，不是分子离子峰。

二、质谱定性分析 质谱是纯物质鉴定的最有力工具之一，其中包括相对分子质量测定、化学式确定及结构鉴定等。 1．相对分子质量的测定 从分子离子峰的质荷比的数据可以准确地测定 其相对分子质量，所以准确地确认分子离子峰十分 重要。虽然理论上可认为除同位素峰外分子离子峰 应是最高质量处的峰，但在实际中并不能由此简单 认定。有时由于分子离子稳定性差而观察不到分子 离子峰，因此在实际分析时必须加以注意。 在纯样品质谱中，分子离子峰应具有以下性质：

（l）原则上除同位素峰外它是最高质量的峰。但要注意某些样品会形成质子化离子(M＋H)+峰（醚，脂，胺等），去质子化离子(M－H)+峰（芳醛、醇等）及缔合离子(M＋R)+峰。 （2）它要符合“氮律”。在只含C，H，0，N的化合物中，不含或含偶数个氮原子的分子的质量数为偶数，含有奇数个氮原子的分子的质量数为奇数。这是因为在由C，H，0，N,P卤素等元素组成的有机分子中，只有氮原子的化合价为奇数而质量数为偶数。

（3）存在合理的中性碎片损失。因为在有机分子中，经电离后，分子离子可能损失一个H或CH3，H20，C2H4…等碎片，相应为 M-l， M-15， M-18，M-28…碎片峰，而不可能出现M－3至M—14，M一21至M－24范围内的碎片峰，若出现这些峰，则峰不是分子离子峰。 （4）在EI源中，若降低电子轰击电压，则分子离子峰的相对强度应增加；若不增加则不是分子离子峰。

由于分子离子峰的相对强度直接与分子离子稳定性有关，其大致顺序是： 芳香环＞共轭烯＞烯＞脂环＞羰基化合物＞直链碳氢化合物＞ 醚＞脂＞胺＞酸＞醇＞支链烃 在同系物中，相对分子质量越大则分子离子峰相对强度越小。

2．分子式的确定 由于高分辨的质谱仪可以非常精确地测定分子离子或碎片离子的质荷比（误差可小于10-5），则利用表21-3中的确切质量求算出其元素组成。如CO与N2两者的质量数都是28但从表21-3可算出其确切质量为27.9949与28.0061，若质谱仪测得的质荷比为28.0040则可推断其为N2。同样，复杂分子的分子式也可算出。

在低分辨的质谱仪上，则可以通过同位素相对丰度法推导其分子式，同位素离子峰相对强度与其中各元素的天然丰度及存在个数成正比，对于一个CWHXOYNZ的化合物，其同位素离子峰(M+l)+、(M＋2)+与分子离子峰M+的强度之比为

忽略2H,17O影响，则上述二式略为

利用精确测定的(M+1)+，(M+2)+相对于M+的强度比值，可从Beynon表中查出最可能的化学式，再结合其他规则，确定化学式。 对于含有Cl，Br，S等同位素天然丰度较高的元素的化合物，其同位素离子峰相对强度可由（a＋b）n展开式计算，式中a，b分别为该元素轻、重同位素的相对丰度，n为分子中该元素个数。如在CH2Cl2中，对元素Cl来说，a=3,b＝l，n＝2故（a＋b）n=9＋6＋l，则其分子离子峰与相应同位素离子峰相对强度之比为: m/z84(M):m/z86(M+2):m/z88(M+4)=9:6:1 若有多种元素存在时，则以(a+b)n×(a’+b’)n’…计算。

［例16.3］某有机物的Mr为104,(IM+1/IM)% = 6.45，(IM+2/IM)% =4.77，试推出其化学式。 解: 由于(IM+2/IM)% ＞4.44,说明有S，Cl，Br等存在，但 32.5＞（IM+2/IM）＞4.44 说明未知物中含有1个S，且不含Cl、Br。因Beynon表只列有含C,H,N,O的有机物数值，故扣除S的贡献： (IM+1/IM)=6.45-0.80=5.65 (IM+2/IM)% = 4.77-4.44=0.33 剩余质量 =104—32＝72

查Beynon表，质量数为72的大组，共有15个元素组合，与上述(IM+1/IM),(IM+2/IM)接近的列于表21-4. 三者只有C5H12的(IM+1／IM)％最接近，故化学式可能为C5H12S.

3.结构鉴定 纯物质结构鉴定是质谱最成功的应用领域，通过对谱图中各碎片离子、亚稳离子、分子离子的化学式、m/z相对峰高等信息，根据各类化合物的分裂规律，找出各碎片离子产生的途径，从而拼凑出整个分子结构。根据质谱图拼出来的结构，对照其他分析方法，得出可靠的结果。 另一种方法就是与相同条件下获得的已知物质标准图谱比较来确认样品分子的结构。

解析质谱的一般程序： 确认分子离子峰，确定相对分子质量。 根据分子离子峰的丰度，推测化合物的可能类别；根据分子离子峰与同位素峰的丰度比，判断分子中是否含有高丰度的同位素元素，如Cl、Br、S 等，并推算这类元素的种类和数目。 由精密质量法或同位素峰强比法确定分子式，由分子式计算不饱和度。 分析基峰及主要碎片离子峰可能代表的结构单元，由此确定化合物可能含有的基团，并参考其他光谱数据，推测所有可能的结构式。 根据标准谱图及其他所有信息，进行筛选验证，确定化合物的结构式。

第四节 综合解析 一、解析程序 （一）分子式的确定 1、元素分析法 2、质谱法 3、核磁共振波谱法 （二）结构单元确定 1、计算不饱和度 2、利用各谱的特征信息初步确定结构单元 3、结构单元的推断 4、考察剩余结构单元

（三）未知物结构的确定 1、以结构单元组成几种可能结构 2、注意不饱和键及杂原子 3、推断最可能的结构 4、确定最终结构