(Mass Spectrometry, MS)

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1 (Mass Spectrometry, MS)
质谱分析法 (Mass Spectrometry, MS) 分子 ？

2 质谱仪的发展史 1912年: 世界第一台质谱装置 40年代: 质谱仪用于同位素测定 50年代： 分析石油组分 60年代： 研究GC-MS联用技术 70年代： 计算机引入 HPLC-MS， ICP（电感耦合等离子光谱）-MS HPLC-ICP-MS PY-GC-MS CE（毛细管电泳）-MS

3 与NMR、IR、UV-vis相比，MS的特点：
质谱法是唯一可以确定分子式的方法 灵敏度高，检出量最低可达10-14g 提供有机化合物结构的丰富信息

4 目录 质谱的基本知识 质谱仪器 质谱解析基础知识

5 §1 质谱基本知识 正离子 样品 导入 按质荷比m/e 顺序谱图 质量分析器 　峰位置 峰强度 定性结构 定量分析

6 质谱法是一种按照离子的质核比（m/z）大小对离子进行分离和测定的方法。
质谱法的主要作用是： （1）准确测定物质的分子量 （2）根据碎片特征进行化合物的结构分析 分析时，首先将分子离子化，然后利用离子在电场或磁场中运动的性质，把离子按质核比大小排列成谱，此即为质谱。

7 质谱法分类： 按原理分 单聚焦质谱 双聚焦质谱 四极质谱 飞行时间质谱 回旋共振质谱 按用途分 有机质谱 无机质谱 同位素质谱 按联用 方式分 气质联用 液质联用 质质联用

8 优点： 灵敏度非常高，样品用量不断降低 质谱是唯一可以确定分子式的分析方法，大多可测出其分子量

9 质谱图 不同质荷比的离子经质量分析器分开，而后被检测，记录下的谱图为质谱图，简称质谱。 横坐标——质荷比 纵坐标——离子流的强度
相对丰度：把最强的定为100%，其它峰的强度以其百分数表示

10 有机质谱中的各种离子 分子离子，molecular ion 准分子离子，quasi-molecular ion
碎片离子，fragment ion 重排离子，rearrangement ion 母离子，parent ion与子离子daughter ion 亚稳离子，metastable ion 奇电子离子odd-electron ion与偶电子离子even-electron ion 多电荷离子Multiply-charged ion 同位素离子Isotopic ion

11 质谱分析的过程与原理

12 1、进样 化合物通过汽化引入离子化室； 2、离子化 在离子化室，组分分子被一束加速电子碰撞（能量约70eV），撞击使分子电离形成正离子； M —— M+ + e 或与电子结合，形成负离子 M + e —— M—

13 3、离子也可因撞击强烈而形成碎片离子： 4、荷电离子被加速电压加速，产生一定的速度v，与质量、电荷及加速电压有关：

14 5、加速离子进入一个强度为H的磁场，发生偏转，半径为：
将（1）（2）合并： 当 r 为仪器设置不变时，改变加速电压或磁场强度，则不同m/z的离子依次通过狭缝到达检测器，形成质量谱，简称质谱。

15 §2 质谱仪器 一、质谱仪的结构及工作原理

16 (一) 进样系统 作用：在不降低真空度的条件下，将样品分子引入到离子源中  间歇式进样系统  直接探针进样  色谱进样系统

17

18 1、样品引入系统 气体——直接导入或用气相色谱进样 液体——加热汽化或雾化进样 固体——用直接进样探头

19 Me3SiCl 对于蒸汽压低的样品进行衍生化后进样 例如：葡萄糖变成三甲基硅醚的衍生物 CH2OH O OH HO CH2OSiMe3
Me3SiO Me3SiCl

20 (二) 离子源(ion source) 主要作用是使分析物的分子离子化，使气态样品分子电离，转化为带有样品信息的离子。
电子电离源(electron ionization EI) 化学电离源(chemical ionization CI) 快原子轰击(fast atom bombardment FAB) 电喷雾源(electronspray ionization ESI) 大气压化学电离（atmospheric pressure chemical ionization APCI) 基质辅助激光解吸电离（matrix assisted laser Desorption ionization MALDI)

21 1 电子轰击源(Electron Ionization EI)
灯丝 电子束

22 标准质谱图基本都是采用EI源(70eV)获得的
电子能量 电子能量 分子离子增加 碎片离子增加 标准质谱图基本都是采用EI源(70eV)获得的 优点：工作稳定可靠，结构信息丰富，有标准质谱图可以检索。 缺点：只适用于易汽化的有机物样品分析，并且，对有些不稳定化合物得不到分子离子。

23 2 化学电离源(Chemical Ionization CI)
气体分子 试样分子 准分子离子 电子 样品分子的电离是经过离子和分子反应来完成的。 引进一种反应气体，可以是甲烷、异丁烷、氨等。反应气的量比样品气要大得多。 甲烷电离 甲烷离子与分子反应生成加合离子

24 } 加合离子与样品分子反应 (M + 1)+ 准分子离子: (M ± 1)+ (M - 1)+ (M + 17)+, (M + 29)+
优点 ：采用CI源, 易测得分子量 缺点： 由于CI得到的质谱不是标准质谱，所以不能进行检索。 适用范围 ： 同EI源一样只适用于易汽化的有机物样品分析，主要 用于气－质联用质谱仪。

25 M=390 COOC8H17 准分子离子峰

26 3 快原子轰击源（Fast Atomic bombardment, FAB）
原理： 惰性气体电离 Ar+ 电荷交换生产高动能原子Ar0 Ar+ (高动能)+ Ar+(热运动)----- Ar0(高动能)+Ar+(热运动) 高动能原子对样品轰击导致样品蒸发和离解 特点： 电离过程不必加热气化，适合于分析大分子量、难气化、热稳定性差的样品。例如肽类、低聚糖、天然抗生素、有机金属络合物等。 得到比较强的(M+H)+或(M+Na)+等准分子离子峰； 碎片峰比EI谱要少。

27 4 电喷雾电离源(Electron spray Ionization ESI)
适合于分析极性强的大分子有机化合物，如蛋白质、肽、糖等 ，主要应用于液相色谱-质谱联用仪 。 多电荷离子 测定的样品分子量大，可测量分子量在30万以上的蛋白质。

28 5 大气压化学电离源(Atmospheric pressure chemical Ionization, APCI)
主要用来分析中等极性的化合物。有些分析物由于结构和极性方面的原因，用ESI不能产生足够强的离子，可以采用APCI方式增加离子产率，可以认为APCI是ESI的补充。APCI主要产生的是单电荷离子，所以分析的化合物分子量一般小于1000Da。用这种电离源得到的质谱很少有碎片离子，主要是准分子离子。

29 6、基质辅助激光解吸离子源（MALDI） 基质：对激光具有吸收能力并能提供质子的物质
基质+样品——送入离子室——激光照射——基质吸收激光能量——传递给样品——样品解吸和电离 特点：准分子离子峰很强，碎片少 适合测定：多肽、蛋白质、DNA片段

30 + - (三) 质量分析器：将离子室产生的离子按质荷比的大小分开 1 磁质量分析器，Magnetic analyser,MA 优点：分辨率高
缺点：体积庞大，结构复杂，价格贵，使用维护较困难。 单聚焦,Single-focusing 双聚焦, double focusing 离子源 收集器 磁场 电场 S1 S2 + -

31 MA的工作原理 rm为常数，固定V，扫描B，即可把不同m/z的离子分开 在离子源中形成的离子被加速电压加速，获得动能
加速后的离子进入磁场，离子受磁场作用做圆周运动 rm为常数，固定V，扫描B，即可把不同m/z的离子分开

32 为什么要双聚焦： 进入离子源的离子初始能量不为零，且能量各不相同，加速后的离子能量也不相同，运动半径差异，难以完全聚集。 解决办法： 加一静电场Ee，实现能量聚焦： 对于动能不同的离子，通过调节电场能，达到聚焦的目的。 双聚焦分析器的特点：分辨率高

33 2 四级杆分析器,quadrupole mass analyzer

34 结构: 四根棒状电极，形成四极场 1，3棒： (Vdc +Vrf) 2，4棒：- (Vdc+ Vrf ) 原理： 在一定的Vdc Vrf 下 ， 只有一定质量 的离子可通过四极场，到达检测器。 在一定的（Vdc/Vrf)下，改变Vrf 可实 现扫描。 特点： 扫描速度快，灵敏度高 结构简单，体积小，价格便宜，使用维护 容易，扫描速度快，适合GC-MS联用。 缺点：分辨率较低，检测的分子量范围在1000以内

35 3 飞行时间质量分析器 特点: 质量范围宽，扫描速度快，既不需电场也不需磁场

36 (四) 检测器 当离子撞击到检测器时引起倍增器电极表面喷射出一些电子，被喷射出的电子由于电位差被加速射向第二个倍增器电极，喷射出更多的电子，由此连续作用，每个电子碰撞下一个电极时能喷射出2-3个电子，通常电子倍增器有14级倍增器电极，可大大提高检测灵敏度。 电子倍增器示意图

37 (五) 真空系统 作用： 1) 避免大量氧烧坏离子源的灯丝；2) 消减离子的不必要碰撞，避免离子损失；3) 避免离子－分子反应改变裂解模式，使质谱复杂化；4) 减小本底。 } 离子源 质量分析器 真空度要求： <10-4 Pa { 机械泵 扩散泵 真空泵 涡轮分子泵

38 二 质谱仪的主要性能指标 1 质量范围 质谱仪所能测定的离子质荷比范围  单电荷离子：质量（m/z）范围即分子量范围
四极杆分析器的质量范围上限一般在1000左右 飞行时间质量分析器可达几十万  单电荷离子：质量（m/z）范围即分子量范围  多电荷离子：分子量测定范围比质量(m/z)范围大

39 2 分辨率 仪器对相邻两质谱峰的区分能力 例如：CO+ 27.9949 N2+ 28.0061 四极质谱恰好能将此分开. 分离质量数
愈大的离子所需的分辨率愈高。

40 但是: ArCl As 需要用高分辨质谱. 低分辨质谱给出的m/z一般为整数，而高分辨质谱可精确至小数点后四位，可以用来确定分子式 (4) 灵敏度 指信噪比大于10时的样品量。

41 3 质量稳定性 质量稳定性主要是指仪器在工作时质量稳定的情况，通常用一定时间内质量漂移的质量单位来表示。例如某仪器的质量稳定性为：0.1amu/12hr，意思是该仪器在12小时之内，质量漂移不超过0.1amu。

42 三 质谱图的表示方法 横坐标是m/z，纵坐标是相对丰度
相对丰度：原始质谱图上最强的离子峰为基峰，100%。其之离子峰以此基峰的相对百分值表示。

43 §3 质谱解析基础知识 一 几种主要的离子( EI源 ) 1 分子离子 分子离子  分子离子的质量与化合物的分子量相等
分子离子峰强弱的大致顺序是：芳环>共轭烯>烯>酮>不分支烃>醚>酯>胺>酸>醇>高分支烃。

44 2 同位素离子 例如：CH4 同位素离子： 由重同位素组成的分子形成的离子 12C+1H×4=16 M 13C+1H×4=17 M+1
分子离子会有不同丰度的同位素原子，所形成一个峰簇，同位素离子峰和分子离子峰的强度比是推导分子式的重要方法之一 12C+1H×4= M 例如：CH4 13C+1H×4= M+1 12C+2H+1H×3= M+1 13C+2H+1H×3= M+2 同位素离子：

45 常见的稳定同位素相对丰度 元素 相对丰度％ 1H 2H 100.00 0.015 14N 15N 0.36 12C 13C 35Cl 37Cl 1.08 100 32.5 16O 17O 18O 79Br 81Br 0.04 0.20 98

46 化合物分子式：CwHxNyOz 同位素离子峰与分子离子峰相对强度 的计算公式：
贝农（Beynon）表:按同位素离子峰强度比排例的贝农表，供推例分子式时采用

47 CH4:  根据质谱图上同位素离子峰与分子离子峰的相对强度，可以推测化合物的分子式[贝农（Beynon）表]。

48 例如：计算CH2Cl2 [M]:[M+2]:[M+4]峰的比例。 因为35Cl：37Cl=75.53%:24.47%≈3：1
对于含氯和溴的因素有机化合物，采用二次展开式(a+b)n的系数可以计算分子离子峰和同位素离子峰的强度比，这里a是轻度同位素的丰度，b是重度同位素的丰度，n是分子中同种因原子的个数。 例如：计算CH2Cl2 [M]:[M+2]:[M+4]峰的比例。 因为35Cl：37Cl=75.53%:24.47%≈3：1 ∴a=3 b=1 n=2 (a+b)2=a2+2ab+b2 =32+2×3×1+12 =9+6+1 ∴[M]：[M+2]:[M+4]=9:6:1

49 3 碎片离子 1) α断裂 正电荷的基团与相连的α碳原子之间的共价键断裂  含不饱和杂原子 奇电子离子 偶电子离子 m/z=29

50

51 2) β断裂 指正电荷基团的Ca－Cβ键的断裂  含饱和杂原子

52

53  烯烃(烯丙断裂)  烷基苯(苄基断裂)

54 3) σ断裂 较易发生

55 4 重排离子 单电子转移 麦氏重排 X为O、N、S、C

56 5 亚稳离子 离子源 亚稳离子 m1 m2 m* m/e

57 二 常见有机化合物的质谱 （一）烃类 正构烷烃：每隔14个质量单位出峰 C3以上强度递减 CnH2n+1离子系列 正癸烷质谱图

58 支链烷烃：支链取代位置裂解 29 43 85 71 3-乙基己烷质谱图

59 芳烃 基峰（单取代烷基苯）

60 电荷位置不确定 扩环 麦氏重排

61 （二）醇和酚 醇 (M-1)+ (M-18)+

62

63 酚

64 （三）醛和酮 43 113 麦氏重排 70 58

65 （四）酯和酸

66 容易失去的游离基或中性碎片与化合物的类型
离子 失去的碎片 化合物的类型 M-1 H. 醛（某些酯或胺） M-15 .CH3 甲基取代 M-17 NH3 伯胺类 M-18 H2O 醇类 M-28 C2H4，CO C2H4（麦氏重排） M-29 .CHO，.C2H5 醛类，乙基取代物 M-34 H2S 硫醇 M-36 HCl 氯化物 M-43 CH3CO, .C3H7 甲基酮，丙基取代物 M-45 .COOH 羧酸 M-60 CH3COOH 醋酸酯

67 常见的碎片离子与化合物的类型 离子质量 元素组成 结构类型 29 CHO+，C2H5+ 醛，乙基取代物 30 CH2=N+H2 伯胺 31
CH2=+OH 醇 43 CH3CO+，C3H7+ 乙酰基，丙基取代物 29，43，57，71 C2H5+，C2H7+ 烷烃 39，50，51，52，65，77 芳香族裂解产物 结构中含有芳环 60 CH3COOH+ 羧酸，乙酸酯，甲酯 91 C6H5CH2+ 苄基 105 C6H5CO+ 苯甲酰基

68 { 三 EI质谱的解释 1 分子量的确定  分子离子峰一般是质谱图中质荷比最大的峰  分子离子峰应具有合理的质量丢失
不可能出现(M-4～14)+及(M-20～25)+离子峰 因为有机分子不含此类基团  质量数应符合氮规则（N，化合价+3， Z，14） { 奇数：分子量为奇数 偶数：分子量为偶数 氮原子个数 原因：除氮以外，所有元素的主要同位素的原子量和化合价均同为奇数（1H，31P，19F，35C，79Br）或同为偶数（12C，16O，32S）

69 2 分子式的确定  高分辨质谱法  同位素丰度法（贝农表）
可以测出样品分子的精确质量，精确到毫质量单位（mu）或以下，质谱仪计算系统可以给出分子离子的元素组成  同位素丰度法（贝农表）

70 3 分子结构的确定 1) 谱图解释的一般方法 由质谱的高质量端确定分子离子峰，求出分子量。 采用高分辨质谱法或同位素丰度法，求出分子式。
计算不饱和度

71 M－31(CH2OH, OCH3); M－32(S, CH3OH) M－35(Cl); M－42(CH2CO, CH2N2)
研究高质量端离子峰, 确定化合物中的取代基 从分子离子失去的碎片，可以确定化合物中含有哪些取代基。常见的离子失去碎片的情况有： M－15(CH3); M－16(O, NH2); M－17(OH, NH3); M－18(H2O); M－19(F); M－26(C2H2); M－27(HCN, C2H3); M－28(CO, C2H4); M－29(CHO, C2H5); M－30(NO); M－31(CH2OH, OCH3); M－32(S, CH3OH) M－35(Cl); M－42(CH2CO, CH2N2) M－43(CH3CO, C3H7); M－44(CO2, CS2)

72 研究低质量端离子峰，寻找化合物的特征离子或特征离子系列，推测化合物类型。
例如，正构烷烃的特征离子系列为m/z15、29、43、57、71等，烷基苯的特征离子系列为m/z91、77、65、39等。 由以上分析结果，提出化合物的结构单元或可能的结构。必要时，可结合红外和核磁数据得出最后结果 。 验证所得结果。 质谱断裂规律；标准质谱图

73 2) 谱图分析举例 例1：推测化合物C8H8O2的结构。

74 2. 质谱中无m/z为91的峰，说明不是烷基取代苯
1. 计算不饱和度  =1+8+1/2×(-8)=5 分子中可能有苯环、一个双键 2. 质谱中无m/z为91的峰，说明不是烷基取代苯 ; C2H3O2

75 可能的结构： (B) (A) (D) (C)

76 3. 质谱验证 (A) (B) 105 105

77 (C) 得不到m/z为105的碎片离子，可排除。 (D)

78 4. 结论 (A) C8H8O2的结构是 (B) 或

79 几个问题 有机质谱测试的原理 离子化的方式 质谱中的信息 确定分子式的原理 断裂机理，判断的原则 与色谱联用，可以得到哪些信息

80 §4 有机波谱综合解释 1. 质谱(MS)：确定分子量、分子式 2. 计算不饱和度，推测化合物的大致类型
3. 紫外光谱(UV)：是否具有共轭基团，是芳香族还是脂肪族化合物。 4. 红外光谱(IR)：官能团类型 5. 核磁共振氢谱(1H-NMR)：质子类型(具有哪些种类的含氢官能团)；氢分布(各种官能团中含氢的数目)；氢核间的关系 6. 质谱(MS)：验证所推测的未知物结构的正确性

81 紫外光谱 例2: 某未知化合物的四谱数据如下，试推测其结构式。 λmax乙醇 268 264 262 257 252 248 243
εmax

82 红外光谱 核磁共振

83 质谱 M+

84 Beynon表 150 M+1 M+2 ① C7H10N4 ② C8H8NO2 ③ C8H10N2O ④ C8H12N3 ⑤ C9H10O2 ⑥ C9H12NO ⑦ C9H14N2 9.25 9.23 9.61 9.98 9.96 10.34 10.71 0.38 0.78 0.61 0.45 0.84 0.68 0.52

85 解：1) 质谱 M = 150 查Beynon表，可知分子式为： C9H10O2

86 2) 计算不饱和度  =1+9+1/2×(-10)=5 分子中可能有苯环、一个双键 UV谱 指示有苯环

87 4) IR谱 1745 cm-1 强： 1225 cm-1 强： 3100-3000 cm-1 弱 1600-1450 cm-1 两个弱带
单取代苯

88 5) 1H-NMR谱 三类氢核，均为单峰，说明无自旋偶合作用

89 6) 可能的结构 C9H10O2

90 (A) (B) (D) (C)

91 7) 验证 (C) (D) 甲基与亚甲基化学位移与图谱不符，排除。
甲基化学位移与图谱不符，且共轭体系应使C=O伸缩振动峰向低波数方向移动，排除。 (D)

92 (B) 质谱得不到m/z为91的离子，排除

93 (A) 91 43 m/z108: 重排峰，分子离子失去乙酰基，伴随重排一个氢原子生成的。 m/z91: 苯环发生β断裂，形成离子产生的。

94 §5 色质联用技术 低沸点易汽化混合物的定量定性分析 气质联用（GC-MS） 不能气化、热不稳定混合物的定量定性分析 液质联用（LC-MS）
裂解气质联用（PGC-MS） 难溶难熔聚合物结构分析

95 §6 质谱分析在材料研究中的应用 一 质谱技术在高聚物分析中的应用 1、高分子材料中间体及添加剂的分析 例：橡胶硫化促进剂分析

96 2、聚合物结构的鉴定 裂解色谱-质谱联用（PGC-MS）测量未知聚合物的组成。 结论：甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯三元共聚物

97 基质辅助激光解析－飞行时间质谱（ MALDI-TOF ）表征低聚物的结构组成。