第十章质谱分析法（ ms ）

第十章质谱分析法（ MS ）

Modern Modern Instrumental Instrumental AnalysisAnalysis

@ Tarim University 2011

10.1 概述

质谱分析法（ Mass Spectrometry, MS ）是在高真空系统中测定样品的分子离子及碎片离子质量，以确定样品相对分子质量及分子结构的方法。化合物分子受到电子流冲击后，形成的带正电荷分子离子及碎片离子，按照其质量 m 和电荷 z 的比值 m/z （质荷比）大小依次排列而被记录下来的图谱，称为质谱。



质谱分析法的特点（ 1 ）应用范围广。测定样品可以是无机物，也可以是有机物。应用上可做化合物的结构分析、测定原子量与相对分子量、同位素分析、生产过程监测、环境监测、热力学与反应动力学、空间探测等。被分析的样品可以是气体和液体，也可以是固体。（ 2 ）灵敏度高，样品用量少。目前有机质谱仪的绝对灵敏度可达 50pg （ pg 为 10−12g ），无机质谱仪绝对灵敏度可达 10−14 。用微克级样品即可得到满意的分析结果。（ 3 ）分析速度快，并可实现多组分同时测定。（ 4 ）与其它仪器相比，仪器结构复杂，价格昂贵，使用及维修比较困难。对样品有破坏性。



发展概况从 20 世纪 60 年代开始，质谱就广泛应用于有机化合物分子结构的测定。随着科学技术的发展，质谱仪已实现了与不同的分离仪器的联用。例如，气相色谱与质谱联用、液相色谱与质谱联用、质谱和质谱的联用已成为一种用途很广的有机化合物分离、结构测定及定性定量分析的方法。另外，质谱仪和电子计算机的结合使用，不仅简化了质谱仪的操作，又提高了质谱仪的效能。特别是近年来从各种类型有机分子结构的研究中，找出了一些分子结构与质谱的规律，使质谱成为剖析有机物结构的强有力的工具之一。在鉴定有机物的四大重要手段（ NMR 、 MS 、 IR 、 UV ）中，也是唯一可以确定分子式的方法（测定精度达 10−4 ）。



目前质谱技术已发展成为三个分支，即同位素质谱、无机质谱和有机质谱。本章主要介绍有机质谱。



10.2 质谱分析法的基本原理质谱仪有机质谱仪包括离子源、质量分析器、检测器和真空系统。现以扇形磁场单聚焦质谱仪为例，将质谱仪器各主要部分的作用原理讨论如下。下图为单聚焦质谱仪的示

意图。

单聚焦质谱仪



（ 1 ）真空系统质谱仪的离子源、质谱分析器及检测器必须处于高真空状态（离子源的真空度应达 10−3～ 10−5Pa ，质量分析器应达 10−6Pa ），若真空度低，则：（ i）大量氧会烧坏离子源的灯丝；（ ii）会使本底增高，干扰质谱图；（ iii）引起额外的离子 -分子反应，改变裂解模型，使质谱解释复杂化；（ iv）干扰离子源中电子束的正常调节；（ v）用作加速离子的几千伏高压会引起放电，等等。



（ 2 ）进样系统



直接进样杆进样



对于气体及沸点不高、易于挥发的样品，可以用图中上方的装置。贮样器为玻璃或上釉不锈钢制成，抽低真空（ 1Pa ），并加热至 150℃，试样以微量注射器注入，在贮样器内立即化为蒸汽分子，然后由于压力梯度，通过漏孔以分子流形式渗透入高真空的离子源中。对于高沸点的液体、固体，可以用探针（ probe ）杆直接进样。调节加热温度，使试样气化为蒸汽。此方法可将微克量级甚至更少试样送入电离室。探针杆中试样的温度可冷却至约－ 100℃，或在数秒钟内加热到较高温度（如 300℃左右）。



（ 3 ）离子源 (ion source) 电子轰击电离源 (EI 源 ) 被分析的气体或蒸汽首先进入仪器的离子源，转化为离子。使分子电离的手段很多。最常用的离子源是电子轰击（ electron impact ， EI ）离子源，其构造原理如图

电子轰击离子源



在电离室内，气态的样品分子受到高速电子的轰击后，该分子就失去电子成为正离子（分子离子）：

分子离子继续受到电子的轰击，使一些化学键断裂，或引起重排以瞬间速度裂解成多种碎片离子（正离子）。在排斥极上施加正电压，带正电荷的阳离子被排挤出离子化室，而形成离子束，离子束经过加速极加速，而进入质量分析器。多余热电子被钨丝对面的电子收集极（电子接收屏）捕集。分子离子继续受到电子的轰击，使一些化学键断裂，或引起重排以瞬间速度裂解成多种碎片离子（正离子）。在排斥极上施加正电压，带正电荷的阳离子被排挤出离子化室，而形成离子束，离子束经过加速极加速，而进入质量分析器。多余热电子被钨丝对面的电子收集极（电子接收屏）捕集。

e2MeM



化学电离源（ CI ）有些化合物稳定性差，用 EI 方式不易得到分子离子，因而也就得不到分子量。为了得到分子量可以采用化学电离源（ chemical ionization）。现以甲烷作为反应气为例，说明化学电离的过程。在电子轰击下，甲烷首先被电离：现以甲烷作为反应气为例，说明化学电离的过程。



在电子轰击下，甲烷首先被电离： CH4+ →CH4+＋CH3+＋CH2+＋CH+＋C+＋H+甲烷离子与分子进行反应，生成加合离子： CH4+＋CH4 →CH5+＋CH3 CH3+＋CH4 →C2H5+＋H2加合离子与样品分子反应： CH5+ ＋ XH→XH2+＋CH4 C2H5+ ＋ XH→X+＋C2H6



生成的 XH2+和 X+比样品分子多一个 H或少一个 H，可表示为 (M±1)+，称为准分子离子。事实上，以甲烷作为反应气，除 (M±1)+之外，还可能出现 (M＋ 17)+，(M＋ 29)+等离子，同时还出现大量的碎片离子。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 后可以得到准分子离子，因而可以推断相对分子质量。但是由于 CI 得到的质谱不是标准质谱，所以不能进行库检索。



电喷雾电离源（ ESI ）电喷雾电离源利用位于一根毛细管和质谱仪进口间的电位差来生成离子，在电场作用下产生以喷雾形式存在的带电液滴。当使用干燥加热时，溶剂蒸发，液体体积缩小，最终生成去溶剂化离子。 ESI适于精细研究，如药物及蛋白质分析。 ESI 也是一种软电离方式。



基质辅助激光解析离子源（ MALDI ）利用对使用的激光波长范围具有吸收并能提供质子的基质 (一般常用小分子液体或结晶化合物 )，与样品按比例均匀混合，干燥后送入离子室。在真空下受激光照射，基质吸收激光能且并传递给样品，从而使样品解吸和电离。 MALDI 的特点是：准分子离子峰很强，且碎片离子少。通常用于飞行时间质谱，特别适合测定多肽、蛋白质、 DNA片断、多糖等的相对分子质量。



三、质量分析器（ mass analyzer ）单聚焦质量分析器：单聚焦质量分析器所使用的磁场是扇

性磁场，当被加速的离子流进入质量分析器后，在磁场作用下，各种阳离子被偏转。质量小的偏转大，质量大的偏转小，因此互相分开。当连续改变磁场强度或加速电压，各种阳离子将按 m/z 大小顺序依次到达离子检测器（收集极），产生的电流经放大，由记录装置记录成质谱图。

由于离子初始能量不同，经过磁场后其偏转半径也不同，以能量大小顺序分开，这样就使得相邻两种质量的离子很难分离，从而降低了分辨率。



双聚焦质量分析器：为了消除离子能量分散对分辨率的影响，通常在扇形磁场前加一扇形电场，扇形电场是一个能量分析器，不起质量分离作用。质量相同而能量不同的离子经过静电电场后会彼此分开。即静电场有能量色散作用。如果设法使静电场的能量色散作用和磁场的能量色散作用大小相等方向相反，就可以消除能量分散对分辨率的影响。



飞行时间质量分析器



离子阱质量分析器：离子阱的结构如图所示。离子阱的主体是一个环电极和上下两端盖电极，环电极和上下两端盖电极都是绕Z轴旋转的双曲面。


@ Tarim University 2011离子阱质量分析器



四极杆分析器 (Quadrupole analyzer)　　四极杆分析器由四根棒状电极组成。相对两根电极间加有电压（ Vdc+Vrf），另外两根电极间加有 -（ Vdc+Vrf）。其中 Vdc 为直流电压， Vrf为射频电压。四个棒状电极形成一个四极电场。只有满足一定条件的离子才能到达离子收集器。



四级杆质谱原理

too small

too big

right



（ 5 ）离子检测器常以电子倍增器（ electron multiplier ）检测离子流。

电子倍增器种类很多，其工作原理如下图所示。一定能量的离子轰击阴极导致电子发射，电子在电场的作用下，依次轰击下一级电极而被放大，电子倍增器的放大倍数一般在 105～ 108。电子倍增器中电子通过的时间很短，利用电子倍增器可以实现高灵敏、快速测定。但电子倍增器存在质量歧视效应，且随使用时间增加，增益会逐步减小。



电子倍增器



质谱仪工作过程及基本原理（ 1 ）将样品由贮存器送入电离室。（ 2 ）样品被高能量（ 70～ 100ev）的电子流冲击。通常，首先被打掉一个电子形成分子离子（母离子），若干分子离子在电子流的冲击下，可进一步裂解成较小的子离子及中性碎片，其中正离子被安装在电离室的正电压装置排斥进入加速室。（只要正离子的寿命在 10−

5～ 10−6s ）。



（ 3 ）加速室中有 2000V 的高压电场，正离子在高压电场的作用下得到加速，然后进入分离管。在加速室里，正离子所获得的动能应该等于加速电压和离子电荷的乘积（即电荷在电场中的位能）。

式中 z 为离子电荷数 , U 为加速电压。显然，在一定的加速电压下，离子的运动速度与质量 m 有关。

zUm 2

21



（ 4 ）分离管为一定半径的圆形管道，在分离管的四周存在均匀磁场。再磁场的作用下，离子的运动由直线运动变为匀速圆周运动。此时，圆周上任何一点的向心力和离心力相等。故： mυ2/R=H z υ 其中， R 为圆周半径， H为磁场强度。



合并上述两式消去 υ，可得 m / z = H2R2/2U 称为磁分析器质谱方程，是设计质谱仪的主要依据。式中 R 为一定值（因仪器条件限制），如再固定加速电压 U ，则m/z 仅与外加磁场强度 H有关。实际工作中通过调节磁场强度 H，使其由小到大逐渐变化，则m/z 不同的正离子也依次由小到大通过分离管进入离子检测器，产生的信号经放大后，被记录下来得到质谱图。



质谱仪主要性能指标（ 1 ）分辨率分辨率是指仪器对质量非常接近的两种离子的分辨能力。一般定义是：对两个相等强度的相邻峰，当两峰间的峰谷不大于其峰高 10%时，则认为两峰已经分开，其分辨率：

mm

mmmR

1

12

1

其中 m1 、 m2 为质量数，且m1＜m2 ，故在两峰质量数较小时，要求仪器分辨率越大。



质谱仪 10%峰谷分辨率



而在实际工作中，有时很难找到相邻的且峰高相等的两个峰，同时峰谷又为峰高的 10%。在这种情况下，可任选一单峰，测其峰高 5%处的峰宽W0.05 ，即可当作上式中的△m ，此时分辨率定义为：

05.0WmR



（ 2 ）质量范围质量范围是指质谱仪能测量的最大 m/z 值，它决定仪器所能测量的最大相对分子量。自质谱进入大分子研究的分析领域以来，质量范围已成为被关注和感性趣的焦点。各种质谱仪具有的质量范围各不相同。目前质量范围最大的质谱仪是基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱仪，该种仪器测定的分子质量可高达 1 000 000u以上。测定气体用的质谱仪，一般质量测定范围在 2～ 100 ，而有机质谱仪一般可达几千。



质谱图质谱图中的竖线称为质谱峰，不同的质谱峰代表有不同质荷比的离子，峰的高低表示产生该峰的离子数量的多少。质谱图的质荷比（ m/z ）为横坐标，以离子峰的相对丰度为纵坐标。图中最高的峰称为基峰。基峰的相对丰度常定为 100%，其它离子峰的强度按基峰的百分比表示。在文献中，质谱数据也可以用列表的方法表示

丙酮的质谱图



离子主要类型分子离子（ 1 ）分子离子形成样品分子失去一个电子而形成的离子称为分子离子。所产生的峰称为分子离子峰或称母峰，一般用符号表示。其中“ +”代表正离子，“· ”代表不成对电子。如：

e2MeM

分子离子峰的 m/z 就是该分子的分子量。



（ 2 ）形成分子离子时电子失去的难易程度及表示方法有机化合物中原子的价电子一般可以形成 σ键、 π键，还可以是未成键电子 n（即独对电子），这些类型的电子在电子流的撞击下失去的难易程度是不同的。一般来说，含有杂原子的有机分子，其杂原子的未成键电子最易失去；其次 π键；再次是碳 -碳相连的 σ键；而后是碳 -氢相连的 σ键。即失去电子的难易顺序为：杂原子＞ C=C＞ C—C＞ C—H 易难



（ 3 ）分子离子峰的强度与结构的关系分子离子峰的强度与结构的关系有如下规律： a 碳链越长，分子离子峰越弱； b 存在支链有利于分子离子裂解，故分子离子峰很弱； c 饱和醇类及胺类化合物的分子离子弱； d 有共振系统的分子离子稳定，分子离子峰强； e 环状分子一般有较强的分子离子峰



综合上述规律，有机化合物在质谱中的分子离子的稳定性（即分子离子峰的强度）有如下顺序：芳香环＞共轭烯＞烯＞环状化合物＞羰基化合物＞醚＞酯＞胺＞酸＞醇＞高度分支的烃类。



（ 4 ）分子离子峰的识别方法（ i）注意 m/z 值的奇偶规律只有 C. H. O组成的有机化合物，其分子离子峰的 m/z 一定是偶数。在含氮的有机化合物（ N 的化合价为奇数）中， N 原子个数为奇数时，其分子离子峰m/z 一定是奇数； N 原子个数为偶数时，则分子离子峰m/z一定是偶数。（ ii）同位素峰对确定分子离子峰的贡献利用某些元素的同位素峰的特点（在自然界中的含量），来确定含有这些原子的分子离子峰。（ iii）注意该峰与其它碎片离子峰之间的质量差是否有意义通常在分子离子峰的左侧 3～ 14 个质量单位处，不应有其他碎片离子峰出现。如有其它峰（出现），则该峰不是分子离子峰。因为不可能从分子离子上失去相当于 3～ 14 个质量单位的结构碎片。



碎片离子碎片离子是由于分子离子进一步裂解产生的。生成的碎片离子可能再次裂解，生成质量更小的碎片离子，另外在裂解的同时也可能发生重排，所以在化合物的质谱中，常看到许多碎片离子峰。碎片离子的形成与分子结构有着密切的关系，一般可根据反应中形成的几种主要碎片离子，推测原来化合物的结构



亚稳离子质谱中的离子峰，不论强弱，绝大多数都是尖锐的，但也存在少量较宽（一般要跨 2~5 个质量单位），强度较低，且m/z 不是整数值的离子峰，这类峰称为亚稳离子（ metastable ion）峰。（ 1 ）亚稳离子的产生正常的裂解都是在电离室中进行的，如质量为 m1 的母离子在电离室中裂解： m1+ m2+ ＋中性碎片



生成的碎片离子就会在质荷比为 m2 的地方被检测出来。但如上述的裂解是在 m1+离开了加速电场，进入磁场时才发生，则生成的碎片离子的能量要小于正常的 m2+。因它在加速电场中是以 m1 的质量被加速，而在磁场中是以 m2的质量被偏转，故它将不在 m2处被检出，而是出现在质荷比小于 m2 的地方，这就是产生亚稳离子的原因。一般亚稳离子用 m*来表示。

m1 、 m2 、和 m*之间存在下列关系： m* = m22 / m1



（ 2 ）亚稳离子的识别a 一般的碎片离子峰都很尖锐，但亚稳离子峰钝而小；b 亚稳离子峰一般要跨 2~5 个质量单位；c 亚稳离子的质荷比一般都不是整数。



（ 3 ）亚稳离子峰在解析质谱中的意义亚稳离子峰的出现，可以确定 m1+ m2+ 的开裂过程的存在。但须注意，并不是所有的开裂都会产生亚稳离子。所以，没有亚稳离子峰的出现并不能否定某种开裂过程的存在



同位素离子质谱中还常有同位素离子（ istopic ion）。在一般有机化合物分子鉴定时，可以通过同位素的统计分布来确定其元素组成，分子离子的同位素离子峰相对强度比总是符合统计规律的。如在 CH3CI 、 C2H5CI

等分子中 CIm+2/CIm=32.5%，而在含有一个溴原子的化合物中 (M+2)+峰的相对强度几乎与 m+ 峰的相等。同位素离子峰可用来确定分子离子峰。



重排离子峰重排离子是由原子迁移产生重排反应而形成的离子。

重排反应中，发生变化的化学键至少有两个或更多。重排反应可导致原化合物碳架的改变，并产生原化合物中并不存在的结构单元离子。



质谱法的应用质谱解析解析未知物的图谱，可按下述程序进行。第一步对分子离子区进行解析（推断分子式）（ 1 ）确认分子离子峰，并注意分子离子峰对基峰的相对强度比，这对判断分子离子的稳定性以及确定结构是有一定帮助的。（ 2 ）注意是偶数还是奇数，如果为奇数，而元素分析又证明含有氮时，则分子中一定含有奇数个氮原子。（ 3 ）注意同位素峰中 M+1/M 及 M+2/M数值的大小，据此可以判断分子中是否含有 S 、 CI 、 Br ，并可初步推断分子式。（ 4 ）根据高分辨质谱测得的分子离子的 m/z 值，推定分子式。



第二步对碎片离子区的解析（推断碎片结构）（ 1 ）找出主要碎片离子峰。并根据碎片离子的质荷比，确定碎片离子的组成。常见碎片离子的组成见表

6-2



离子失去的碎片可能存在的结构M-1 H 醛，某些醚及胺M-15 CH3 甲基M-18 H2O 醇类，包括糖类M-28 C2H4 ， CO， N2C2H4 ，麦氏重排， COM-29 CHO， C2H5 醛类，乙基M-34 H2S 硫醇M-35 CI M-36 HCI 氯化物M-43 CH3CO， C3H7 甲基酮，丙基M-45 C00H 羧酸类M-60 CH3COOH 醋酸酯



（ 2 ）注意分子离子有何重要碎片脱去m/e 离子可能的结构类型29 CHO、 C2H5 醛类、乙基30 CH2NH2 伯胺43 CH3CO CH3CO C3H7 丙基29、 43 、 57、 71 等 C2H5 、 C3H7 直链烷烃39、 50 、 71 芳香化合物芳香化合物52 、 65 、 7760 CH3COOH 羧酸类、醋酸类91 C6H5CH2 苄基105 C6H5CO 苯甲酰基



（ 3 ）找出亚稳离子峰，利用 m* = m22 / m1 ，确定 m1 与m2 的关系，确定开裂类型。第三步提出结构式根据以上分析，列出可能存在的结构单元及剩余碎片，根据可能的方式进行连接，组成可能的结构式



例 1 某未知物经测定是只含 C、 H、 O的有机化合物，红外光谱显示在 3 100～ 3 600 cm−1 之间无吸收，其质谱如图，试推测其结构。

未知物质谱图



解：第一步解析分子离子区（ 1 ）分子离子峰较强，说明该样品分子离子结构稳定，可能具有苯环或共轭系统。分子量为 136 。（ 2 ）根据M+1/M=9%，可知该样品约含 8个 C原子，查贝农表（一般专著中都有此表），含 C、 H、O的只有下列四个式子：（ a ） C9H12O (Ω= 4) （ b） C8H8O2 （ Ω= 5 ）（ c ） C7H4O3 （ Ω= 6 ）（ d） C5H12O4 （ Ω= 0 ）



第二步解析碎片离子区（ 1 ）质荷比 105 为基峰，提示该离子为苯甲酰基（ C6H5CO），质荷比 39、 51 、 77等峰为芳香环的特征峰，进一步肯定了苯环的存在。（ 2 ）分子离子峰与基峰的质量差为 31 ，提示脱去的可能是 CH2OH或 CH3O，其裂解类型可能是简单开裂。（ 3 ）质荷比 33.8的亚稳离子峰表明有 m/z77 m/z51 的开裂，56.5 的亚稳离子峰表明有 m/z105 m/z77的开裂，开裂过程可表示为： —CO —C2H2 C6H5CO+ C6H5+ C4H3+ m/z105 m/z77 m/z51



第三步提出结构式（ 1 ）根据以上解析推测，样品的结构单元有

（ 2 ）上述结构单元的确定，可排除分子式中的 C9H12O (Ω= 4 )、 C7H4O3 （ H原子不足）、 C5H12O4 （ Ω= 0 ），所以唯一可能的分子式为 C8H8O2 。由此可算出剩余碎片为 CH3O，可能剩余的结构为— CH2OH或 CH3O—。

C

O



（ 3 ）连接部分结构单元和剩余结构，可得下列两种可能的结构式：

a b（ 4 ）由于该样品的红外光谱在 3 100～ 3 600cm−1处无吸收，提示结构中无—OH，所以该未知化合物的结构为（ a ）。

C

OOCH3 C

OOH



m/z=130



Thank You

第十章 质谱分析法（ ms ）

Documents

第十章质谱分析法（ ms ）