第 16 章 质谱法

(Mass Spectrometry, MS)

16.1 质谱分析原理及质谱仪

一、基本原理概述

二、质谱仪性能指标

三、仪器组成

16.2 质谱图及其应用

一、质谱图 二、质谱峰类型 三、质谱定性分析 四、质谱定量分析

发展历史：

1813 年： Thomson 使用 MS 报道了 Ne 是由 22Ne 和 24Ne

两种 同位素组成；随后，同位素分析开始发展

20 世纪 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

20 世纪 50 年代初：质谱仪器开始商品化，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最有效的手段

20 世纪 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；

20 世纪 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 等正发挥重要作用。

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

16.1 质谱分析原理及质谱仪一、基本原理概述

离子源轰击样品

带电荷的碎片离子

电场加速 (zeU) 获得动能 (1/2m

V2)

磁场分离(m/z) 检测器记录

质谱分析是将样品转化为运动的带电气态离子，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。

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，则可认为两峰已分开，其

分辨率 R 为：

可见在质量数小时，分辨率亦较小。

二、质谱仪的分辨率

m

m

mm

mR

1

12

1

实际工作中很难找到上述两相等的峰，常以 下式表示：

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。

05.0W

mR

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：

进样系统

电离源

质量分析器

真空系统

检测系统

1. 真空系统 如图所示，质谱仪中所有部分均要处高度真空的条件下 (

10-4-10-6Torr), 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 ）用作加速离子的几千伏高压会引起放电；d ）干扰离子源正常调节。

2. 进样系统

1.3-0.13Pa

对进样系统的要求：重复性、不引起真空度降低。进样方式：a) 间歇式进样：适于气体、沸点低易挥发的液体、中等蒸汽压固体。注入样品 (10-100g)—贮样器 (0.5L-3L

)—抽真空 (10-2 Torr) 并加热—样品蒸汽 ( 压力梯度 )—

漏隙—高真空离子源

b) 直接探针进样：高沸点液体及固体

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，进行多组份复杂混合物分析。

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。

根据样品离子化方式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。根据电离源能量高低，通常可将电离源分为硬源：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。

3. 电离源 (室 )

将引入的样品转化成为碎片离子的装置。

a)  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 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)

252CH

34

35CH

44

HHCHCHCH

CHCH2eCHeCH4

4

1离离子(MMHCMHHC

1离离子(MMHCHMHCH

6252

245

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 C2

H5+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

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。

过 程：强电场 ( 电极间距约 10-4cm)— 较大偶极矩和高极化率分子与阳极碰撞—带正电荷的碎片离子—进入聚焦单元。阳极要求：电极尖锐，其上长满微针 (W丝上的苯基腈裂解生成 ) 构成多尖陈列电 极，既所谓“金属胡须”发射器，可提高电离效率。

样品

↓

特点：电离温和，碎片少，主要产生分子离子 M+ 和 (M+1)+ 峰。

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

EI

FI

FD

d)  场解吸源 (Field desorption, FD)

特 点：特别适于非挥发性且分子量高达 100000 的分子。样品只产生分子离子峰和准分子离子峰，谱图最为简单。

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

e) 火花源 (Spark) ：

针对金属合金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。

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。

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 ：

特点： 1 ）分子离子和准分子离子峰强；

2 ）碎片离子峰也很丰富；

3 ）适合于热不稳定、难挥发的样品。

f)  快原子轰击 (Fast atom bombardment, FAB)

1 ）磁分析器单聚焦型：用一个扇形磁场进行质量分析的质谱仪

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。

带电离子进入质量分析器，在磁场 ( 场强为 B) 作用下，飞行轨道弯曲 (曲率半径为 Rm) 。当向心力 Bzev 与离心力 mv2/Rm 相等时，离子才能飞出磁场区

BzevR

mv

m

2

zeUmv2

1 2 电场加速， U为加速电压

z

mU

BR

U

BR

z

mm

m 21

2

22

或因此亦可得到

当 B、 Rm 、 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、 Rm 不变，通过扫描磁场来得到质谱图的。

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 。

下图是单聚焦型质量分析器更直观地的工作过程。

双聚焦型 (Double focusing 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，于两个半径固定的扇形电极板上加一直流电压 V ，只有动能与其曲率半径相应的离子才能通过狭缝 B---- 实现能量聚焦了！ 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。

思考：为什么双聚焦仪比单聚焦仪有更高的分辨率？

双聚焦质量分析器分辨率可高达 150,000!

2)m

Uze2(v

不同离子通过同一长度为 L 的无场漂移管所需时间相差：

U2

)z/m()z/m(Lt

)v

1

v

1(Lt

21

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：

v

Lt

到达无场漂移管末端的时间为：

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。

过程：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。

3 ）四极滤质器 (Quadrupole mass filter)

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。

4 ）离子阱 (Ion trap analyzer)

离子阱的横截面图

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 200-2000 的分子分析。

4 、检测器

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。

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。

16.2 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。

分子离子

碎片离子

重排裂解

碰撞裂解

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：

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。

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：

~~

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

~

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

3) 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。

4 ）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。

 1. 麦氏重排

m/e=58, 是具有 γ-H甲基酮的特征峰。

γ位上有氢原子的烷基取代芳烃：

CH2CH2CH2R CH3+ CH2 CH R

m/z=92

2. 逆狄尔斯—阿尔德反应（环烯断裂反应 )

3. 饱和分子的氢重排（消除反应）

X 为卤素原子时，消去 HX    X 为— OH 时，消去 H2O

    X 为— SH… ，… H2S 等。

过程：质量数为 m1 的带电离子，由于碰撞等原因，在进入质量分析器之前，失去中性碎片 m而变成 m2 的离子 (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 ) 。

1

22 )(

*m

mm

4）亚稳离子峰

三、质谱定性分析 分子量测定、化学式及结构式鉴定

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？

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、脂的 (M+H)+ 峰”及“芳醛、醇等的 (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。

离子中 N 原子数、质量数及电子数的关系

离子组成 离子的质量数 电子数 例子

C.H.(O)或偶数 N 奇数 偶数 m/e41 电子数为偶数

偶数 奇数 m/e58 电子数为奇数

C.H.(O)和奇数 N 奇数 奇数 m/e73 奇数电子

偶数 偶数 m/e70 偶数电子

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，

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。

4 ）利用同位素帮助识别分子离子峰。如含有 Cl 和 B

r 时，由于其含有丰度较高的重同位素， Cl 中含 35Cl

为 75.77%, 37Cl 为 24.23% ， Br 中 79Br 为 50.54％， 81Br 为 49.46％。因此，若分子中含有一个氯原子，则 M 和 M＋ 2 峰强度比为 3 ： 1 ；若分子中含有一个溴原子，则 M 与 M＋ 2 之比为 1 ： 1 。

5 ） 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。

2 、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：

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：

%100)}76.99

2.0()]1()

76.99

04.0(

)1()63.99

37.0()1()

98.99

015.0()1()

9.98

1.1[(

2

1{%

%100)]76.99

04.0()

63.99

37.0()

98.99

015.0()

9.98

1.1([%

2

2222

1

zzzz

yyxxwwI

I

zyxwI

I

M

M

M

M

忽略 2H 和 17O 的影响，上二式简化为

]%2.0200

)1.1([)%/(

0.37y)%(1.1w)%/(2

2

1

zw

II

II

MM

MM

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

即： m/z128(M):m/z130(M+2):m/z132(M+4)=3:4:1

3 、结构鉴定：

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）