§7 质谱法质谱法概述

质谱基本原理及仪器

质谱图及离子类型

质谱应用及解析

§7.1 质谱法概述1. 质谱仪的发展简史 1912年： 世界第一台质谱装置 1940年代 : 质谱仪用于同位素测定 1950年代： MS商品化广泛用于有机物结构分析 1960年代：研究GC-MS联用技术 1980年代：研究LC-MS联用技术 1990年代：生物分析的需要，新的离子化方法

2 质谱分析法 将样品转化为运动的气态离子并按质荷比（ m/z ）大小进行分离、检测并记录的一种分析方法

质谱分析所获得的结果即离子的相对含量与质荷比之间的关系图就称为质谱图（亦称质谱）

3 质谱中的常用术语：

3) 质荷比：是指离子的质量与所带电荷数之比，用 m/z 表示。 m为组成离子的各元素的原子的标称原子质量之和，如 H 1 ； C 12 ， 13 ； N 14 ， 15 ； O 16 ， 17 ， 18 ； Cl 35 ， 37 等，这与平常所用的基于不同同位素的丰度而得到的平均原子量不同

1)基峰：质谱图上强度最大的峰，其强度规定为 100

2) 相对丰度 (relative abundance ， RA) ：也称相对强度 (relative intendity,RI) ，是相对于质谱图上最高峰（即基峰）的相对百分数

4) 质量的概念：原子的标称质量：原子核中质子数目和中子数目之和原子的精确质量：以 12C 为基准的相对原子质量原子的平均质量：化学组成相同的原子的平均相对原子质量

低分辨质谱仪给出的是离子的标称质量，而高分辨质谱仪给出的是离子的精确质量

4 质谱仪的分类• 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

1) 它是至今唯一可以确定分子质量的方法 ,在高分辨率质谱仪中能够准确测定质量

2) 质谱法的灵敏度极高 ,鉴定的最小量可达 10-10g,检出限可达 10-14g

3) 样品元素组成 4) 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 )

5) 复杂混合物的定性定量分析 --- 与色谱方法联用 (GC-MS;LC-MS)

6) 样品中原子的同位素比

5 特点及应用

§7.2 质谱法原理及仪器一 质谱分析法原理 将样品转化为运动的带电气态离子碎片，然后按质荷比 (m/z) 大小分离并记录的分析方法

进样系统 离子源 质量分析器 检测器

1.气体扩散2.直接进样3.气相色谱

1.电子轰击2.化学电离3.场致电离4.激光

1. 单聚焦 2. 双聚焦 3. 飞行时间 4. 四极杆

二 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，即稳定电磁场 (单聚焦及双聚焦质谱仪 )和变化电磁场 (飞行时间和四极杆质谱仪 ) 　 MS 仪器一般由真空系统、进样系统、电离源、质量分析器和检测系统构成

1. 真空系统 质谱仪中所有部分均要处高度真空的条件下 (10-4-10-6Pa), 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 一般质谱仪都采用机械泵预抽空后，再用高效率扩散泵连续地运行以保持真空。现代质谱仪采用分子泵可获得更高的真空度

2. 进样系统 对进样系统的要求：重复性、不引起真空度降低 （ 1）间接进样 适于气体、沸点低且易挥发的液体、中等蒸汽压固体。注入样品 (10-100g)—贮样器 (1-3L)—抽真空 (1Pa) 并加热 1500C—样品蒸汽分子 (压力梯度 )—漏隙—高真空离子源

（ 2） 直接探针进样 适于高沸点液体及固体样品 探针杆通常是一根规格为 25cm×6mmi.d.,前端有一容纳样品的陶瓷小凹槽，当探针插入或拉出时，斜置的封闭阀就可将真空体系与外界大气隔绝，通电发热，使样品蒸发，对热稳定的有机化合物一般可加热到 200－3000C 而不分解，通常可分析非极性分子的分子量可达1000u ，中等极性分子量达 300u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

（ 3） 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

3 电离源 (室 ) 将引入的样品转化为正离子，并使之加速，聚焦为离子束的装置。由于离子化所需要的能量随分子不同差异很大，因此，对于不同的分子应选择不同的离解方法

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、离子喷雾源和大气压化学（热喷雾）电离源 等

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，如电子轰击，快原子轰击软源：离子化能量低，产生的碎片少，谱图简单，可得到分子量信息，如化学电离源，场电离源，场解吸电离源，激光解吸电离源，电喷雾电离源，大气压化学（热喷雾）电离源

（ 1）电子轰击源 （ EI ） 电子轰击法是通用的电离法，是使用高能电子束从试样分子中撞出一个电子而产生正离子，即

M + e M++2e 式中 M为待测分子， M+为分子离子或母体离子

水平方向：加热灯丝与阳极间 (加直流电压 70V) —高能电子束—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

EI 特点1 使用最广泛，谱库最完整2 电离效率高3 结构简单，操作方便4 分子离子峰很弱或不出现：因为电子能量高达 70 eV，而大多数有机化合物的电离电位约为 7-10 eV，因此除生成分子离子外，还要进一步断裂成碎片离子，约有 10-20%的有机化合物（相对质量较大，极性大，难气化，热稳定性差的化合物）电离时缺少分子离子峰

（ 2）化学电离源 (CI) 原理：高能量的电子轰击反应气体使之电离，电离后的反应分子再与试样分子碰撞发生分子离子反应形成准分子离子和少数碎片离子

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，所生成的分子离子主要由反应气分子组成

　　

47 ％

41 ％

这样就形成了一系列准分子离子 QM+而出现 (M+1)+， (M-1)+， (M+17)+， (M+29)+等质谱峰

+ +5 4

+ +2 5 2 4

CH + M MH +CH

C H +M MH +C H

产生 M + 1 峰

+ +5 4 2

+ +2 5 2 6

CH + M (M H) +CH +H

C H +M (M H) +C H

产生 M - 1 峰

+ +5 5

+ +2 5 2 5

CH + M (M CH )

C H +M (M C H )

产生 M + 17 峰产生 M + 29 峰

进入电离源的样品分子 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；

极微小部分发生复合反应：

质子化反应

复合反应

CI特点：• 1 准分子离子峰即(M+1)+峰很强，可提供相对分子质量这一重要信息，从而可以推断出相对分子质量

• 2 碎片峰较少，谱图简单，因为电离样品分子的不是高能电子流，而是能量较低的二次离子，键断裂的可能性较小，峰的数目随之减少

• 3 使用CI时需要将试样气化后进入离子源，因此不适用于难挥发，热不稳定或极性较大的有机物分析

（ 3） 场电离源 (FI) 应用强电场 (电压梯度 107-108V/cm)诱导样品电离

过程：强电场—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—阳极排斥出并加速进入质量分析器

r<2.5μm

<1mm

量子隧道效应 :就是依靠强电场 (10-7-10-8Vcm-1)把尖端附近纳米处的分子中的电子拉出来，或者说电子在强电场作用下要由阴极向阳极移动，从而脱离样品分子，形成正离子

电极要求：电极为一尖锐的叶片或金属丝（曲率半径 2.5μm ），其上长满微针，故称金属胡须发射器。使用微碳针 (＜ 1μm ， 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

FI 特点：场致电离源的能量约为 12eV，因此分子离子峰强度很大，也很清楚，碎片峰较少也较弱，利于相对分子质量的测定，缺乏分子结构信息

（ 4）场解吸源 (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——通电加热蒸发除溶剂——解吸样品分子——强电场——分子电离——奔向阴极——引入质量分析器

特点：特别适于非挥发性且分子量高的样品，谱图最为简单（解吸所需的能量远低于气化所需的能量，所以有机化合物不会发生热分解）；离子源的工作温度略高于室温，分子离子几乎不具有过剩的能量，因此基本上不断裂，分子离子峰的强度比 FI 强

（ 5） 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

过程： 30kV 脉冲电压 --- 火花 --- 局部高热 --- 样品元素蒸发 --- 原子或离子 --- 经加速进入质量分析器进行分离

特点：对于几乎所有元素的灵敏度较高，可达 10-

9；可以对极复杂样品进行元素分析，信息比较简单，一般线性响应范围都比较宽，标准核准比较容易。但由于仪器设备价格高昂，操作复杂，限制了使用范围

（ 6） 快原子轰击 (FAB) 过程：高速电子——惰性气体电离 Ar+——电场加速——高能 Ar+——电荷交换室——高能 Ar 原子——撞击涂有样品的金属板——能量转移给样品分子——电离——引入质量分析器

底物：实验时通常预先将试样和底物调和并涂在金属靶（常用铜靶）上。常用的底物有甘油、硫代甘油、三乙醇胺等，性能良好的底物应是相对分子质量小、沸点高、对试样的质谱干扰小等

FAB特点：无需气化，整个过程可在室温下进行，有较强的分子离子峰，适合于高极性，大相对分子质量，低蒸气压，热稳定性差的试样，试样用量少并可回收

(7) 电喷雾电离源（ ESI) 电喷雾电离源主要应用于 LC-MS 联用，它是 LC和 MS 之间的接口装置，又是电离源 原理：主要部件是两层套管组成的电喷雾喷嘴，内层是 LC流出物，外层是雾化气（常用氮气），喷嘴上加电压，在雾化的同时，样品电离，形成带有高电荷微粒的雾，再使用 N2 气帘阻挡中性的溶剂分子，只让样品离子在电压梯度下进入质量分析器

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

(8) 大气压化学电离源（ APCI)原理：结构和电喷雾电离源相似，不同在于喷嘴下放一针状放电电极，通过它的高压放电，使空气中某些分子产生 H3O+, N2

+

,O2+,O+离子，这些离子再和分析物分子发

生分子离子反应使它们离子化，形成质子转移，加成物等准分子离子

特点： APCI主要产生的是单电荷离子，所分析的化合物的相对分子量通常小于 1000

(9) 激光解吸源（ LD)原理：利用一定波长的脉冲激光照射样品，使样品电离。被分析物质放在涂有基质的靶上，激光于极短时间照射，基质吸收能量并且把能量传给被分析物质，和它们一起蒸发到气相并使样品分子电离特点：也称为基质辅助激光解吸电离源（ MALDI ），属于软电离技术，特别适宜飞行时间质谱仪（ TOF），激光电离源必须有合适基质才能有好的离子产率，常用基质有 2， 5二羟基苯甲酸，芥子酸，烟酸等，适宜分析生物大分子

4 质量分析器 作用：将不同离子碎片按质荷比 m/z 分开，将相同 m/z 的离子聚集在一起，组成质谱

质量分析器类型：磁分析器、飞行时间、四极杆、离子捕获等

（ 1） 磁分析器原理：主要部分是一对电磁铁 ( 常用扇形 ),当离子源中产生的离子束 (通常是正离子束 )经加速电场加速后,以一定的速度进入垂直于离子运动方向的均匀磁场时,正离子在磁场施加的向心力的作用下 ,改变运动方向 (磁场不改变离子的运动速度 )作圆周运动，运动轨道半径与运动速度、磁场强度、离子的质荷比有关

设离子的电荷为 z,质量为 m,加速电场的电压为 U, 进入磁场时的运动速度为 v,则 21

2zU mv

如果磁场强度为 H,运动轨道半径为 R,则由于离子作圆周运动的离心力等于磁场力，因此： 2mv

HzvR

通过连续改变 H 、 R、 U这三个参数中的任一个并保持其余两个不变的方法 ,就可以使不同质荷比的离子顺序到达检测器产生信号而获得质谱图

合并上述两式，可得： 2 2

2

m H R

z U 磁分析器质谱方程式

(a)固定 H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 的离子得到色谱图 (b)现代质谱仪通常是保持 R 不变，通过扫描电场 U或磁场 H，使不同 m/z 离子依次通过固定狭缝来获得质谱图

原理：以一定发散角度和能量 /速度的离子，进入质量分析器后，一方面会使离子束按质荷比的大小分离（顺序到达检测器）；另一方面能量 /速度相同的，角度不同的相同质荷比离子，以相同的半径（ R=mv/zH ）到达检测器即重新会聚起来，成为方向聚焦；能量 /速度不同的相同质荷比离子则以不同的半径到达检测器，无法聚焦 特点：聚焦方向，无法聚焦能量，故其分辨率较低，一般为 5000

1 ）单聚焦质量分析器

能量相同，方向不同的离子半径相同

能量不同，方向不同的离子半径不同

2 ）双聚焦质量分析器 原理：为克服动能或速度“分散”的问题，即实现所谓的“速度聚焦”，在离子源和磁分析器之间加一静电分析器，质量相同能量不同的离子通过电场后会产生能量色散（不同能量以不同半径运动），磁场对不同能量的离子也能产生能量色散，如果能使电场和磁场对于能量产生的色散相互补偿（大小相等，方向相反），就能实现能量聚焦

磁场对离子的作用具有可逆性：由某一方向进入磁场的质量相同的离子，进入磁场后，会以一定能量顺序分开；反之，从相反方向进入磁场的以一定能量顺序排列的质量相同的离子，经过磁场后会聚集在一起

特点：一般商品化双聚焦质谱仪的分辨率可达 150000 ，质量测定准确度可达 0.03μg·g-1，即对于相对分子质量为 600 的化合物可测至误差上±0.0002u

（ 2）飞行时间分析器 这种分析器的离子分离是非磁方式达到的，因为从离子源飞出的离子动能基本一致，在飞出离子源后进入一长约 1m 的无场漂移管，在离子加速后的速度为：

此离子达到无场漂移管另一端的时间为： t = L/

故对于具有不同 m/z 的离子，到达终点的时间不一样：

m

zUvzU

mv 2

2

2

由此可见， t 取决于 m/z 的平方根之差 因为连续电离和加速将导致检测器的连续输出而无法获得有用信息（因为按时间分离），所以 TOF是以大约 10KHz 的频率进行电子脉冲轰击法产生正离子，随即用一具有相同频率的脉冲加速电场加速，被加速的粒子按不同的（ m/z ） 1/2的时间经漂移管到达收集极上，并馈入一个水平扫描与电场脉冲频率一致的示波器上，从而得到质谱图

特点： A) 仪器结构简单 ,操作容易 , 不需要磁场、电场等

B) 无聚焦狭缝，灵敏度很高 C) 可用于大分子的分析（几十万原子量单位） D)扫描速度快 (1000幅 /s) ，可用于研究快速反应或与 GC 联用

E) 分辨率比磁分析器稍差，受飞行距离的限制

（ 3）四极滤质器

过程：又称为四极杆质量分析器，由四根截面为双曲面或圆形的平行杆组成，对角的电极为一组，用导线相联，电位相等，两组电极间加上一定的直流电压和频率为射频范围的交流电压

当高速运动的离子束穿过准直小孔进入四极杆之间的空间时，在高频电场的作用下发生振荡，在一定的电压和频率下，只有一种质荷比的离子会形成稳定的振荡通过四极杆到达检测器，其余离子则因振幅不断增大，撞在电极上而被过滤掉 如果使交流电压的频率不变，连续的改变直流和交流电压的大小（保持他们的比例不变）（电压扫描）或保持电压不变连续的改变交流电压的频率（频率扫描），就可使不同质荷比的离子依次到达检测器    

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 过程：上下端罩电极与左右环电极构成可变电场形成阱，当直流电压和射频电压一定时，只有特定 m/z的离子能在阱中指定的轨道上稳定旋转，并可长时间留在阱内，其它离子将偏出轨道并与环电极发生碰撞而消失

当一组由电离源 (化学电离源或电子轰击源 )产生的离子由上端小孔中进人阱中后，射频电压开始扫描，陷入阱中离子的轨道则会依次发生变化而从底端离开环电极腔，从而被检测器检测

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

5 检测与记录 质谱仪常用的检测器有法拉第杯（杯和质谱仪其他部分保持一定电位差以便捕获离子产生电流放大）、电子倍增器及闪烁计数器、照相底片等

现代质谱仪一般都采用较高性能的计算机对产生的信号进行快速接收与处理，同时通过计算机可以对仪器条件等进行严格的监控，从而使精密度和灵敏度都有一定程度的提高

三 质谱仪的主要性能指标1 质量测定范围 1 ）质谱仪的质量测定范围表示质谱仪所能进行分析的样品的相对原子质量（或相对分子质量）范围，通常采用原子质量单位（ u）进行度量

2）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，现代质谱仪甚至可以研究相对分子量达几十万的生化样品

3 ）使用电喷雾离子源，由于形成多电荷离子，可以测定的分子量能够达到 100000

4 ）四极杆分析器质量范围不大于 3000 ；而飞行时间分析器可以达到几十万。对于 GC-MS ，分子量一般不超过 500 ，而 LC-MS由于分析对象常常是生物大分子，质量范围宽

5 ）总之质量范围和离子源，分析器种类以及分析对象有关

所谓分辨本领，是指质谱仪分开相邻质量数离子的能力 , 即：

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，认为两峰已经分开，其分辨率为：

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

2. 分辨本领

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 Δm ，此时的分辨率定义为： R = m/ W0.05 如果该峰是高斯型的，上述两式计算结果是一样的。质谱仪的分辨本领由几个因素决定：（ 1）离子通道的半径（ 2）加速器与收集器狭缝宽度（ 3）离子源的性质

3. 灵敏度 质谱仪的灵敏度有以下几种表示方法 绝对灵敏度是指仪器可以检测到的最小样品量，有机质谱仪的灵敏度可以大于 10-10g 相对灵敏度是指仪器可以同时检测的大组分与小组分含量之比，例如相对灵敏度为 10-9 ，表示仪器可以测定样品中杂质量是样品量的 109分之一 分析灵敏度则是指输入仪器的样品量与仪器输出的信号之比

§7.3 质谱图及离子峰类型一、质谱图与质谱表 质谱法的主要应用是鉴定复杂分子并阐述其结构，确定元素的同位素及分布等。一般的质谱给出的数据有两种形式：一是棒图即质谱图，另一个为表格即质谱表 质谱图是以质荷比（ m/z ）为横坐标，相对强度为纵坐标构成。一般将原始质谱图上最强的离子峰为基峰并定为相对强度为 100%，其它离子峰以对基峰的相对百分值表示 质谱表是用表格形式表示的质谱数据。质谱表中有两项即质荷比和相对强度，从质谱图上可以直观地观察整个分子的质谱全貌，而质谱表则可以准确地给出精确的 m/z值及相对强度值，有助于进一步分析

二 离子峰 分子在离子源中可以产生各种电离，即同一种分子可以产生多种离子峰，主要的有分子离子峰、碎片离子峰、亚稳离子峰和同位素离子峰等　 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

（一）分子离子峰 分子离子：样品分子失去一个电子所形成的带一个正电荷的离子，分子离子在质谱图中所对应的峰称为分子离子峰，由于分子离子的电荷为 1，分子离子的质荷比就是该分子的相对分子质量，因此根据分子离子峰就可确定分子量

几乎所有的有机分子都可以产生可以辨认的分子离子峰，有些分子如芳香环分子可产生较大的分子离子峰，而高分子量的脂肪醇、醚及胺等则产生较小的分子离子峰

• 对于有机物，杂原子 S， O， P， N等上的未共用 n电子对最易失去，其次是 π电子，再其次是 σ电子

•（ 1）对于含杂原子的分子，首先是杂原子失去一个电子形成分子离子，正电荷位于杂原子上

•（ 2）含双键无杂原子的分子离子，正电荷位于双键的一个碳原子上

（二）碎片离子峰•碎片离子：由分子离子进一步碎裂或重排而产生的离子，这些离子形成的峰就称为碎片离子峰

•有机化合物受高能作用时会产生各种形式的分裂，因此会产生各种碎片离子，一般强度最大的质谱峰相应于最稳定的碎片离子。

•通过各种碎片离子相对峰高的分析，有可能获得整个分子结构的信息。因为M+可能进一步断裂或重排，因此要准确地进行定性分析最好与标准谱图进行比较

（三）亚稳离子峰 在离子源中产生的大量离子中，有一部分处于亚稳态，这些亚稳态的离子在离开离子源受电场加速后，由于碰撞等原因很容易进一步分裂失去中性碎片而形成新的离子，这些从离子源出口到达检测器之前产生并记录下来的离子就称为亚稳离子

由于一部分能量被中性碎片带走，因此亚稳离子比在离子源中形成的相同离子能量小，经质量分析器分离后被检测器检测到的 m/z较小，这种峰称为亚稳离子峰，检测到的质量称为表观质量，用 m*表示 ,如果裂解前离子（称为母离子）的质量为 m1，裂解后的实际质量为 m2，则表观质量 m*与 m1、 m2的关系是：

* 22 1 / m m m

亚稳离子峰由于其具有离子峰宽大（约 2-5个质量单位）、相对强度低、m/z 不为整数等特点，很容易从质谱图中观察

通过亚稳离子峰可以获得有关裂解信息，通过对 m*峰观察和测量，可找到相关母离子的质量与子离子的质量m2从而确定裂解途径

（四）同位素离子峰 很多元素具有天然存在的稳定同位素，所以在质谱图上会出现由不同质量的同位素形成的峰，称为同位素离子峰

同位素峰的强度比与同位素的丰度比有关，符合一定的统计规律，因此根据同位素峰的强度比就可以推测分子中是否含有某些元素，推测分子的结构

（五）重排离子峰• 分子离子裂解为碎片离子时，有时是直接发生键的断裂，而有时不是通过简单的键的断裂，而是通过分子内原子或基团的重排后再裂分而形成的，这种特殊的碎片离子称为重排离子。质谱图上相应的峰为重排离子峰

• 重排远比简单断裂要复杂，重排反应很多，其中麦氏（ McLafferly ）重排是重排反应中最常见、最重要的一种重排反应

麦氏重排是经过六元过渡态的 γ位氢转移，丢失稳定的中性分子的重排，又称为 γ 氢重排，这种重排的通式如下：

可以发生这类重排的化合物有：酮、醛、酸、酯和其它含羰基的化合物，含 P=O ，＞ S=O 的化合物以及烯烃类和苯类化合物等。发生这类重排所需的结构特征是分子中有一个双键以及在位置上有氢原子

§7.4 质谱定性定量分析相对分子质量测定化学式确定结构鉴定谱图检索

同位素测定

无机物定量分析

混合物定量分析定性

定量

一 相对分子质量的测定 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

1 如何辩认分子离子峰？（1） 原则上除同位素峰外，分子离子峰是最高质荷比的峰。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

（ 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

分子离子不可能裂解出两个以上的氢原子和小于一个甲基的基团，所以质量差为 3-14 、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） 通过改变仪器实验条件来检验 • 1)降低电子轰击源电压——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，因为：使分子离子过剩的能量减小，不能进一步裂解，所以稳定程度增加，分子离子峰的数目也就增加，所以其强度增加

• 2)采用化学电离源、场离子或场解吸源等软电离方法，找出分子离子峰

2 质谱中的分子量 确定了分子离子峰就可确定该物质的相对分子质量 ,需要注意的是，质谱中分子量是以组成分子的元素中天然丰度最重的同位素或最轻同位素的原子量为基础计算的，而通常所讲的分子量是以组成分子的各种丰度的同位素的原子量根据天然丰度计算所得的平均值

例如 Br2 在质谱上所测的分子量为 157.836（即 2个 79Br 组成），而元素分析中 Br2 的分子量为 159.808 ，是 50.57%的 79Br （ 78.918 ）和49.43%的 81Br(80.916) 平均而得

3 分子离子峰的相对强度与分子离子稳定性有关，其大致顺序为：芳香环 >共轭烯 >烯 >脂环 >羰基化合物 >直链碳氢化合物 > 醚 >脂 >胺 >酸 >醇 >支链烃

1)碳数较多，碳链较长和有链分支的分子，分裂几率高，其分子离子峰的稳定性低2)具有 π键的芳香族化合物和共轭链烯分子离子稳定，分子离子峰大3)在同系物中，相对分子质量越大则越容易发生化学键的断裂所以分子离子峰相对强度越小

如何识别分子离子峰？ 首先在高质荷比区假定分子离子峰，判断分子离子峰与相邻碎片离子峰的关系是否合理，然后判断是否符合氮律。存在同位素峰时，会有质量高 1－ 2个单位的峰，但这种峰的强度一般很弱或很容易辨别

（一 ) 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

（二 ) 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

二 化学式的确定

1 常见同位素的天然丰度表

3:1

1:1

从丰度表可以得到的信息：（1）常见同位素的精确质量，天然丰度及不同同位素间的丰度比

（2）对于含一个同位素原子的分子，比如含一个 Cl原子的CH3Cl分子，重同位素与轻同位素的强度比就等于各自的丰度比1： 3,WHY?

因为：如果该化合物含有四个分子的话，其中3个分子中Cl原子为 35Cl，一个分子中Cl原子为 37Cl；又因为质谱峰的强度对应于该种离子数目的多少，所以该化合物的分子离子峰就比其重同位素峰的强度高3倍，所以在含一个 Cl的化合物中，M+2/M就约为1： 3

（ 3）从表可以看出， 34S 、 37Cl 、 81Br 对 M+2峰有较大贡献；对于 C、 H、 O、 N组成的化合物， M+1 峰主要是 13C 、 15N 的贡献， M+2 峰主要是 2个 13C 同时出现和 18O 的贡献，因此不同的分子式，其 (M+1)/M 和 (M+2)/M 的百分比不同，只要用质谱法测出分子离子峰及其同位素峰的相对强度，就能根据其 (M+1)/M 和 (M+2)/M 的百分比推测分子式

（ 1）不含 Cl, Br, S 等高丰度同位素 对于一个 CwHxNyOz的化合物，离子峰相对强度与其中各元素的天然丰度及存在个数成正比，其同位素离子峰 (M+l)+、 (M+2)+与分子离子峰 M+的强度之比为

2 同位素相对丰度法

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M

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I

M

M

忽略 2H,17O影响，则上述二式略为

利用精确测定的 (M+1)/M ， (M+2)/M ，可从贝农表中查出最可能的化学式，再结合氮律及其他规则，确定化学式

贝农表：计算分子量 <500 ，含有碳氢氧氮的各种可能的组合式的同位素丰度比，这些组合式并不一定就是分子式。暂且把这些组合式当成分子式看，根据对四种元素组合式的同位素丰度计算的结果，贝农在表中列出了各种组合式的（ M+1/M ）和 (M+2/M) 的数值，均以百分数表示

（ 2 ）对于含有 Cl 或 Br 高丰度同位素的化合物，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

Cl ： a=3; b=1

Br: a=1; b=1

1 ） CH3Cl 的分子离子 CH3Cl+,35Cl/37Cl=100/32.5=3/1 ，所以 a=3,b=1,n=1, (a+b)n=3+1 ，因此 CH3Cl+的质谱图上出现 m/z 为 50 和 52( 即 M、 M+2) 的双峰，强度比为3:12 ） CHCl3 的分子离子 CHCl3

+， a=3,b=1,n=3, (a+b)n=(a+b)3=a3+3a2b+3ab2+b3=27+27+9+1 ，因此质谱图上出现m/z 为 118 、 120 、 122 和 124 （即 M、 M+2 、 M+4 、 M+6 ）组成的四连峰，其强度比为 27:27:9:1

（ 3）如化合物中同时含有氯和溴的同位素，则用 (a+b)m(c+d)n 的展开式的系数推算例如某分子中含有 Cl和 Br 各一个，则 35Cl79Br 为 M峰 , 35Cl81Br 为 M+2 峰 ,37Cl79Br 为 M+2 峰 ,37Cl81Br 为 M+4 峰 ,其强度比可如下推算： 因为 35Cl/37Cl=100/32.5=3/1,79Br/81Br=100/97.9=1/1, 所以 a=3 ， b=1 ， m=1 ， c=1 ， d=1 ， n=1 (a+b)m(c+d)n=(a+b)1(c+d)1=ac+ad+bc+bd=3+4+1因此其 M、 M＋ 2 和 M＋ 4 峰的强度比为 3:4:1

对于只含 C、 H、 O、 N组成的化合物，根据测定的同位素峰的相对强度可以通过查表推测分子的组成

若分子中含有 S、 P、 F、 Cl、 Br 、 I、M（代表金属元素）等元素，应从分子量中减去这些元素的原子量以及这些元素对 M+2/M; M+1/M 的贡献后再查阅 Beynon 表

先在谱图最右端找分子离子峰，如果高质荷比峰连续有 2－ 4个，说明存在同位素峰或 M+1 峰以及 M-1 峰，由谱图或谱表读出同位素的相对强度，然后根据同位素的相对强度比就可判断是否含有 Cl, Br, S 等同位素，如果 M+2/M 的值接近 32.4说明含有 Cl原子，如果 M+2/M 的值接近 97.9说明含有 Br 原子，如果 M+2/M 的值接近 4.4说明含有 S原子

利用贝农表查分子式时，要先扣除 Cl, Br, S 的质量，并扣除它们对同位素峰强度比值的贡献，（ Cl, Br,扣除 M+2/M ； S扣除 M+2/M 和 M+1/M ）。经校正后的分子量和同位素强度比值可用贝农表来确定 CHON 的数目；也可利用公式推算 CON 的数目，最后根据分子量（扣除了 Cl, Br, S 和 CON 的质量，也就是经过校正后的质量）计算 H的数目

如何利用同位素相对丰度法推导化合物的分子式

例 : 质谱测得 A、 B、 C三种化合物的分子离子峰的 m/z 均为 150 ，其 (M+1) 、 (M+2) 相对于 M+的强度百分比分别如下 , 要求查 Beynon 表，推测其分子式。 A. m/z B. m/z C. m/z 151(M+1) 10.0 151(M+1) 5.6 151(M+1) 10.8 152(M+2) 0.8 152(M+2) 98.0 152(M+2) 5.0解：（ A）由 A 的 M+1 、 M+2 的强度比判断，分子中应该没有 S、 Cl 、 Br 等同位素存在， Beynon 表中，相对分子质量为 150 的分子式共有 29个，其中 (M+1)/M 的百分比在 9％～ 11％的分子式有 7个：

分子式 (M+1)/M (M+2)/M1. C7H10N4 9.25 0.382. C8H8NO2 9.23 0.783. C8H10N2O 9.61 0.614. C8H12N3 9.98 0.455. C9H10O2 9.96 0.846. C9H12NO 10.34 0.687. C9H14N2 10.71 0.52

其中 2、 4、 6不符合氮律（偶数分子量不可能有奇数个氮原子）因此可以排除，剩余的四个分子中，与 (M+1)/M=10.0,(M+2)/M=0.8 最接近的是 5，因此分子式可能是 C9H10O2

（ B ） 151(M+1) 5.6 152(M+2) 98.0

分子式 (M+1)/M (M+2)/M1. C4H9N 4.85 0.092. C5H11 5.58 0.13

其中 1（ C4H9N ）不符合氮律可以排除，因此 B的分子式可能为 C5H11Br

B中 (M+2) 与 M的强度比接近 1 ，可推断分子中含有一个溴原子，由 150减去 79 之后再查 Beynon 表。表中质量为 71的分子式共有 11个，其中 M+1 相对丰度在 4.6-6.6 之间的分子式有 2个：

（ C） 151(M+1) 10.8 152(M+2) 5.0 C 中 M+2 为 5，因此可推断分子中含有一个硫原子，从 M+1 、 M+2 的强度百分比中减去 33S(0.8) 、 34S(4.4) ，得 M+1 的相对强度为 10， M+2 为 0.6 ，从分子量中减去硫原子的质量 32之后得 118 ，再去查 Beynon表。 表中分子量为 118 的栏下共有 25个式子，其中相对丰度在 9～ 11 之间的只有 2个： C8H8N M+1 9.15 ，M+2 0.37; C9H10 M+1 9.89,M+2 0.44 ，其中 C8H8N 不符合氮律，因此 C 的分子式应为 C9H10

（三）结构鉴定 各种化合物在一定能量的离子源中是按照一定的规律进行裂解而形成各种碎片离子的，因此根据裂解后形成的各种碎片离子峰就可以推测化合物的组成及结构 不过从碎片离子峰推测结构不仅非常复杂，而且很大程度上依赖于经验，通常只有分子结构比较简单的分子才可以推出，对于分子结构复杂的分子，只用质谱图是不可能完全确定其结构的，需要配合其它的检测手段，如核磁共振谱、红外光谱等。关于各种有机化合物的裂解模型和机理在有机波谱分析课程中会详细的讨论

（四）谱图检索 用质谱确定化合物的结构更快捷、直观的方法是计算机谱图检索，质谱仪的计算机数据系统存贮有大量已知化合物的标准谱图构成谱库，对于待测的有机物，只要在同样条件下测出其质谱图，然后用计算机按一定的程序与计算机内存的标准谱图对比，找出与其相似的化合物的名称、相对分子质量、分子式或结构式

（五）质谱定量分析 利用质谱离子峰强度与离子数目成正比进行定量，具体应用于同位素测定，无机化合物定量分析以及混合物的定量分析

1 同位素的测定1) 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2) 同位素年代测定：通过 36Ar 与 40Ar 的强度比求出 40Ar( 由 40K 经 1.3109a 衰变而来 ) 含量，再据半衰期求出其年代

2. 无机痕量分析 火花源的发展使质谱法可应用于无机固体分析，成为金属合金、矿物等分析的重要方法，它能分析周期表中几乎所有元素，灵敏度极高，可检出或半定量测定 10-9范围内浓度。由于其谱图简单且各元素谱线强度大致相当，应用十分方便

电感耦合等离子光源引入质谱后（ ICP － MS ），有效地克服了火花源的不稳定、重现性差、离子流随时间变化等缺点，使其在无机痕量分析中得到了广泛的应用

3．混合物的定量分析 利用质谱法进行混合物定量分析，要求样品纯度高，并且计算定量结果比较复杂，所以一般先利用色谱将混合物分离成各自组分的纯品，再引入质谱仪中进行分析，现在色谱－质谱联用技术已广泛用于混合物中组分的定性、定量分析

§7.5 色谱－质谱联用技术 质谱法具有灵敏度高、定性能力强的特点，而色谱法具有分离效率高的特点，因此将这两种方法结合起来（称为联用技术），既发挥色谱的高分离能力，又发挥质谱的高鉴别能力，现在色谱－质谱联用技术已广泛用于混合物中组分的定性、定量分析 色谱－质谱联用原理很简单，就是把质谱仪作为色谱仪的检测器，而把色谱仪作为质谱仪的进样器

色谱－质谱联用可得到如下信息 （ 1）总离子流色谱图（ TIC)：在色质联用仪器中，离子在进入质量分析器前，在离子源与质量分析器之间，有一个总离子流检测器，总离子流的强度与进入离子源的组分的量有关，因此总离子流强度与时间的变化曲线就是混合物的色谱图，称为总离子流色谱图

在其它色谱条件都相同的条件下，总离子流色谱图与普通色谱仪所得到的色谱图大体相同，各个峰的保留时间、峰高、峰面积可作为各峰的定性定量参数

（ 2）质谱图：色谱图上每个峰对应的质谱图，根据质谱图就可进行定性鉴定

实现色谱－质谱联用的关键是接口装置，因为色谱柱出口处于常压，而质谱仪要求在高真空下工作，所以将它们连接起来需要有一接口装置，既能传输试样，又能匹配两者的工作气压。接口装置对于气相色谱和液相色谱是不同的

一 GC-MS1 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

早期的 GC-MS使用的是填充柱气相色谱，由于柱中载气流量大 ,因此联用时必须经过一个分子分离器作为接口 , 将载气和试样分子分离、匹配两者的工作气压。由于填充柱的分离效率不高，柱中固定液易流失而导致质谱仪污染和本底提高，因此现在广泛使用的是毛细管柱气相色谱仪

2 毛细管柱：载气 +样品----进入电离室 由于毛细管柱的载气流量很小,一般为1～ 3mL/min，所以可以直接接入质谱仪，即将毛细管柱的末端直接插入质谱离子源内，接口只起保护插入段毛细管柱和控制温度的作用

直接导入式接口分为分流式和不分流式两种方式。分流式是在毛细管出口处将载气分为两部分，一部分进入质谱仪，其余部分放空，分流进样的优点是不降低毛细管柱的分离效率，并避免过量样品进入质谱仪中和由此引起的离子源的污染，缺点是进样量少，对微量组分的检测不利。对于微量组分应采用不分流进样，一般的GC MS都同时具备这两种操作方式，可根据分离情况和试样中各组分的含量进行选择

3 GC-MS 联用仪中，一般用氦作为载气，主要原因：（ 1） He的电离电位 24.6eV，是气体中最高的，它难于电离，不会因气流不稳而影响色谱图的基线

（ 2） He的相对分子质量只有 4，易于与气体组分分子分离，而且它的质谱峰很简单，主要在 m/z＝ 4处出现，不干扰后面的质谱峰

一般来讲，凡是能用气相色谱法进行分析的试样，大部分都能用 GC-MS 进行定性鉴定和定量测定

GC-MS

分子分离器

Sample

Sample

5890

1.0 DEG/MIN

HEWLETTPACKARD

HEWLETTPACKARD

5972AMass

Selective Detector

D CBA

ABCD

Gas Chromatograph (GC)Mass Spectrometer (MS)

Separation

Identification

B

A CD

GC-MS

二 LC-MS LC-MS 联用最主要的是要解决：色谱流动相对质谱工作条件的影响（流速 / 气压不匹配）以及离子源温度对 LC 样品的影响。因为 HPLC 的流动相的流速一般为 1～ 2mL/min ，若为甲醇，其气化后换算成常压下的气体流速为 560mL/min ，而质谱仪的抽气系统通常只在进入离子源的气体流速低于 10mL/min 时才能保持所要求的真空；另外，液相色谱的分析对象主要是难挥发和热不稳定物质，这与质谱仪常用的离子源要求试样气化的要求不适应，为此人们研究了新的接口技术

电喷雾电离接口（ ESI ）：喷雾器带有高电压，在雾化的同时，样品电离，形成带有高电荷微粒的雾，再使用特殊的装置（ N2 气帘）阻挡中性的溶剂分子，只让样品离子在电压梯度下进入质量分析器 ESI 技术是目前最为温和的电离方法，谱图主要给出与准分子离子有关的信息，其中重要的是产生大量多电荷离子，因此可以测定蛋白质和多肽等生化大分子化合物的分子质量，最大相对分子质量可测到 200,000