(Mass Spectrometry, MS)

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1 (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)

2 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。

3 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。

4 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

5 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= 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。

6 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。

7 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( 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。

8 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。 Pa （加热）

9 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。

10 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。

11 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）。

12 EI

13 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。

14 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 V/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。

15 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

16 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：

17 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。

18 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)。

19 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。

20 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？

21 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。

22 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)

23 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/z 的分子分析。 离子阱的横截面图

24 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)

25 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？

26 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。

27 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

28 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

29 ~ 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： ~

30 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

31 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。

32 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！

33 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）

34 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

35 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。

36 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。

37 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 和 ，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：

38 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   1 = 10.31% I(M+2)% = 1.21 82/ 1 = 0.597% 因此，I(M+):I(M+1):I(M+2) = 100:10.31:0.597

39 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= 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= (35Cl, 37Cl; 79Br, 81Br) 即：m/z128(M):m/z130(M+2):m/z132(M+4)=3:4:1

40 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.

41 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）

42 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

43 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？)。

44 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。

45 质谱表面分析仪器

46 双质谱分析示意图