第九章 质谱分析法

Mass Spectrometry ， MS

第一节 概述

分子

1 、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60 年代： 研究 GC-MS 联用技术70 年代： 计算机引入80 年代： 研究 LC-MS 联用技术90 年代： 研究蛋白质分析技术

LC-MS

2 、质谱的作用

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。

3 、质谱法分类：

按用途分有机质谱

无机质谱

同位素质谱按原理分

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

按联用

方式分

气质联用

液质联用

质质联用

第二节 质谱分析的原理与仪器

一、质谱分析的过程与原理

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—

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：

)1(2

1 2mvzH

5 、加速离子进入一个强度为 H 的磁场，发生偏转，半径为：

)2(zH

mvr

将（ 1 ）（ 2 ）合并：

)3(2

22

V

rH

Z

m

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。

进样系统 (inlet system)

离子源 (ion source)

质量分析器（ mass analyzer ）

检测器（ detecter ）

真空系统（ Vacuum system ）

二、质谱仪的组成

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

Heated GasHE N

Nebulizer

Water Vapor

Water Vapor

Dry Aerosol

Nebulizer Gas

M akeup Gas

SweepGas In

SweepGas Out

Sample Flow In

Heater

进样系统

Laser Ablation of Plastics Applying Different Wavelenghts

1064 nm308 nm

248 nm

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

O

CH2OH

OH

OH

HO

HO O

CH2OSiMe3

OSiMe3

OSiMe3

Me3SiO

Me3SiO

Me3SiCl

2 、 离子源 (ion source)

主要作用是使分析物的分子离子化

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 che

mical ionization APCI)

基质辅助激光解吸电离（ matrix assisted laser

Desorption ionization MALDI)

（ 1 ） 电子电离源 (electron ionization EI)

由阴极发射电子束，通过离子化室到达阳极，电子能量70eV ，有机化合物的电离电位 8-15eV 。

可在平行电子束的方向附加一弱磁场，使电子沿螺旋轨道前进，增加碰撞机会，提高灵敏度。

特点：

碎片离子多，结构信息丰富， 有标准化合物质谱库；

不能汽化的样品不能分析； 有些样品得不到分子离子；

（ 2 ）化学电离源 (chemical ionization CI)

CH4 + e CH4 +

+ 2e

CH4+

+ CH4 CH5 + + CH3

结构与 EI 同，但是在离子化室充 CH4

，电子首先将 CH4 离解，其电离过程如下：

生成的气体离子再与样品分子 M 反应： CH5

+ + M CH4 + MH+

特点： 得到一系列准分子离子（ M+1 ） + ， （ M-1

） + ， （ M+2 ） + 等等；

CI 源的的碎片离子峰少，图谱简单，易于解释；

不适于难挥发成分的分析。

（ 3 ）快原子轰击 (fast atom bombardment FAB)

高能量的 Xe 原子轰击涂在靶上的样品，溅射出离子流。

本法适合于高极性、大分子量、低蒸汽压、热稳定性差的样品。

FAB 一般用作磁式质谱的离子源。

（ 4 ）电喷雾源 (electronspray ionization ESI)

结构：喷嘴，雾化气，干燥气原理：喷雾 蒸发 电压

喷雾针 带电液滴 溶剂挥发 样品离子 小孔板

喷雾针尖电压 小孔板电压电场方向

图 2-1 样品在 ESI 接口中的离子化过程

特点：1 适用于强极性，大分子量的样品分析 如肽，蛋白质，糖等2 产生的离子带有多电荷3 主要用于液相色谱质谱联用仪

（ 5 ） Matrix-assisted Laser Desorption Ionization - MALDI

特点：

生 物 大 分 子 特别是蛋白质 分子量的测定

3 、质量分析器 (mass analyzer)

1 单聚焦分析器（ single focusing mass analyzer ）2 双聚焦分析器（ double focusing mass analyzer ）3 四极杆分析器 (quadrupole analyzer)

4 离子阱分析器 (Ion trap)

5 飞行时间分析器 (time of flight ）6 富立叶变换离子回旋共振 （ Fourier tranform ion cyclotron resonance ）

（ 1 ）单聚焦分析器（ single focusing mass analyzer ）

1 ）结构：扇形磁场（可以是 1800 900

600 等）

原理：

由（ 3 ）式可知： )3(2

22

V

rH

Z

m

离子的 m/Z 大，偏转半径也大，通过磁场可以把不同离子分开；

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，形成质谱。

（ 2 ）双聚焦分析器（ Double focusing mass analyzer ）

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 ，实现能量分散：

e

M

ee R

E

R

mvE

22

e

Me E

ER

2

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

（ 3 ）四极杆分析器 (quadrupole analyzer)

直流电压 Vdc

交流电压 Vrf

频率为射频区

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 适用于 GC-MS

+

+

-

雾化气

喷雾针

小孔板

气帘气

聚焦环

一级四极杆 碰撞四极杆 二级四极杆

碰撞气

小孔电压

聚焦环电压 一级四极杆电压 碰撞四极杆电压 二级四极杆电压

图 2-2 MS/MS 仪器结构图；各项主要电参数及气体参数含义

170

93

7765

图 2-5 m/z =170 的分子离子峰的子离子扫描图

NH

NH

NH2[M1+H+]

m/z 170m/z 93m/z 77m/z 65

（ 4 ）离子阱分析器

Ion Trap Analyzer

特点：

结构简单 灵敏度高 适于小型联用仪器（ GC-MS ）

（ 5 ）飞行时间分析器

Time of Flight Analyzer

试样入口

电子发射

栅极 1 -270V

栅极 2 –2.8kV

接收器

抽真空

特点• 仪器结构简单 , 不需要磁场、电场等；• 扫描速度快，可在 10-5 s内观察到整段图

谱；• 无聚焦狭缝，灵敏度很高；• 可用于大分子的分析（几十万原子量单

位），在生命科学中用途很广；

4 、 真空系统

离子源的真空度应达到 10-3-10-5 Pa ，

质量分析器应达到 10-6 Pa 。

真空装置：

机械真空泵 扩散泵 分子涡轮泵

5 、 检测器 (detector) 电子倍增器

6 、检测器的性能指标

（ 1 ）质量范围

指所能检测的 M/Z范围

四极质谱 M/Z 小于或等于 1000

磁式质谱 M/Z 可达到几千

飞行时间质谱 M/Z 可达到几十万

（ 2 ）扫描速度指扫描一定质量范围所需时间

例如 GC-MS ： M/Z 1-1000所需时间 <1s

（ 3 ）分辨率 R

质谱对相邻两质量组分分开的能力

M

MR

例如： CO+ 27.9949

N2+ 28.0061

25009949.270061.28

9949.27

M

MR

四极质谱恰好能将此分开 .

但是 : ArCl+ 74.9312

As+ 74.9216

78009216.749312.74

9216.74

M

MR

需要用高分辨质谱 .

(4) 灵敏度

指信噪比大于 10 时的样品量。

第三节 常见化合物的质谱

一、烃类质谱1 、烷烃

7157

43

29

正构烷烃的裂解规律：（ 1 ）质谱特征是具有质量相差 14 （ CH2 ）单位的

CnH2n+1 系列；

（ 2 ）碎片离子 C3以上强度递减，因为碎片可继续分裂，但 C3 可重排为 CH3CHCH3 而稳定；

（ 3 ）异构烷烃（支链烷烃）分支处易断裂：

+

例如 5- 甲基十五烷 C10H21—CH—C4H9

CH3

169 85

2 、烯烃

（ 1 ）具有烷烃的特征

（ 2 ）易发生烯丙断裂，生成很强的烯丙离子

CH2 = CH — CH2 M / Z = 41

CH2 = CH — R

R— CH2 — CH2 — CH2 — CH = CH2

+

3 、芳烃

易发生苄基断裂，生成苄基离子

CH2+

C2H2

-26

C2H2 -26

M /Z 91

M /Z 91

M /Z 39

M /Z 65

39 65 91 92 M / Z

CH3

二、杂原子的质谱

(1) 醇和酚

醇类 （ 1 ）杂原子存在，形成 M/Z 31 的离子和 M—1 的离子；

（ 2 ）失水生成 M—18 离子。

CH3—CH2—OH （ M /Z 46 ） CH2 = OH M / Z 31

CH3—CH2—OH （ M /Z 46 ） CH3—CH = OH M / Z 45

C3H7 — CH — CH3

OH

C3H7CH

OH

CH—CH3

OH

M/Z = 73 M/Z = 45

M/Z = 88

M-H2O

M-CH3

M-1 M

45 70 73 88

酚类：

（ 1 ）失去 C = O M/Z 28

（ 2 ）失去 H2O M/Z 18

（ 3 ）具有苯的特征

（ 2 ）醛、酮、醚

辛酮— 4

CH3CH2CH3—C—CH2CH2CH2CH3

O

M/Z 128

43

71

57

85

M/Z 128 85 71 57 43

CHO+

OH OH

C O+

OH

+

+

-H -CO

-CO -C2H2

122 121 93

65 39+

再例如 对羟基苯甲醛

醚类 乙基异丁基醚

CH3—CH2—CH—O—CH2—CH3

CH3

—断裂

—断裂

（ 3 ） 卤素化合物

R—X + R+ + X

R—CH2X+ R + CH2 = X+

如果是长链烃类，则可能有下列途径

[R-(CH2)4-X]+ R.+[ ]+X

（ 4 ）胺类

CH3 （ CH2 ） 8—CH2—NH2+

CH3 （ CH2 ） 8. CH2 = NH2

+

M / Z = 30

醇、醚、酮等化合物均无此分裂。

三、分裂和重排

（ 1 ）麦氏重排（ Mclafferty ）

在辛酮 -4 的质谱中，除 43 、 57 、 71 、 85 和128 的质谱峰外，还有一个很高的峰，质量 58 ，以及另两个峰，质量 86 和 100 。这是由于发生了重排：

C3H7 C C4H9

O

C

CH2

H2CC

H2C

OH

H H H

C

CH2

H2CC

H2C

O

H H HCH3HH

H2C

C

H2CC

H2C

OH

CH3HH

H2C

C

+

+ +

M/Z = 86 M/Z = 100

C

CH2

H2CC

H2C

OH

H H H

H2CC

H2C

OH

CH3HH

H2C

C

+ +

M/Z = 86 M/Z = 100

H2CC

H3C

OH

HCC

H2C

OH

3

+ +

M/Z = 58 M/Z = 58

Y

W

X

C

Z

H

W

Y

Z

C

XH

+

++

麦氏重排的规律

（ 1 ） 双键及 r 位置上有 H 原子；

（ 2 ）双键范围有酮、醛、酸、酯、 C=N 、以及烯烃、苯环化合物等。

Y

W

X

C

Z

H

W

Y

Z

C

XH

+

++

麦氏重排的规律

（ 1 ） 双键及 r 位置上有 H 原子；

（ 2 ）双键范围有酮、醛、酸、酯、 C=N 、以及烯烃、苯环化合物等。

RH

CH2

H

H+R

+

（ 2 ）环状分子的分裂

例如：环己烯可以生成丁二烯和乙烯

+ ++

再例如：解释下列化合物的质谱 M/Z=108 的来源

OO

M/Z=108

+

第四节 有机化合物的质谱分析

一、分子量的确定

规律：

1 、分子离子峰一定是质谱中质量数最大的峰；

2 、分子离子峰应有合理的质量丢失：例如：在比分子离子峰小 4-14 及 20-25 质量单位处不应

有离子峰出现，因为一个有机化合物不可能失去 4-14 个氢而不断链，但如果断链，失去最小碎片应为 CH3 ，质量数为 15 ，同理，不可能失去 20-25 质量单位。

3 、质量数符合氮规律，即有机化合物含奇数氮原子，分子量为奇数，含偶数氮原子（包括 0氮原子），分子量为偶数。

例如：

元素 价数 原子量

C 4 12 偶偶

0 2 16 偶偶

P 3-5 31 奇奇

N 3 14 奇偶

4 、如果确认无分子离子峰，则应在仪器上想办法。

二、分子式的确定

可利用 Beynon 同位素丰度表确定。因为同一元素的不同同位素丰度不同。

例如： CO 、 C2H2 、 N2 的质量数都是 28 ， 但同位素丰度不同，因此可加以区分。

例如：某化合物分子量为 150 ， M/Z150 、 151 和 152 的 强度比为：

M （ 150 ） 100%

M+1 （ 151 ） 9.9%

M+2(152) 0.9%

查表可知为 C9H10O2

三、分子结构的确定

1 、确定化合物的不饱和度

2 、确定碎片离子

例如：已知 C8H8O2 （ 136 ）

（ 1 ）不饱和度为 5 ，怀疑有苯环；

（ 2 ）碎片峰 77 、 51 ，为苯环特征；

（ 3 ） 136-105=31 是（— CH2OH ，— OCH3 ）丢失；

（ 4 ） 105-77=28 是（ CO ， C2H4 ）丢失。

因此，结构可能是（见教材 473页）。

四、有机混合物分析

1 、气相色谱 - 质谱联用（ GC-MS )2 、液相色谱 - 质谱联用（ LC-MS ）3 、质谱 - 质谱联用（ MS-MS ）

操作程序：

（ 1 ）总离子流图

（ 2 ）选择性离子扫描

（ 3 ）质量解析

GC MS

1000

1500

2000

2500

3000

0 200 400 600 800

retention time / seconds

241134

106

77

图 3-3 对图 3-1b 中峰 3 的正离子碎片扫描图