质谱分析法 (mass spectrometry, ms)

质谱分析法(Mass Spectrometry, MS)

分子

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

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

目录

质谱的基本知识

质谱仪器

质谱解析基础知识

§1 质谱基本知识

导入

按质荷比m/e

峰强度　峰位置

样品 正离子

质量分析器顺序谱图

定性结构 定量分析

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。

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

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

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

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

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。

一、质谱仪的结构及工作原理

§2 质谱仪器

( 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

间歇式进样系统

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

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

(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)

1 电子轰击源 (Electron Ionization EI)

灯丝 电子束

EI 源：可变的离子化能量 (10~70 eV)

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。

2 化学电离源 (Chemical Ionization

CI)

HCCHCHCHCHeCH 2344

甲烷电离

甲烷离子与分子反应生成加合离子

3544 CHCHCHCH

25243 HHCCHCH

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。

加合离子与样品分子反应

准分子离子 : (M ± 1)+

425 CHRHRHCH

(M + 1)+

5252 HCRRHHC (M - 1)+

}(M + 17)+, (M + 29)+

优点 ：采用 CI 源 , 易测得分子量

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。

缺点： 由于 CI 得到的质谱不是标准质谱，所以不能进行检索。

M=390COOC8H17

COOC8H17

准分子离子峰

3 快原子轰击源（ Fast Atomic bombardment,

FAB） •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

1. 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。

2. 得到比较强的 (M+H)+或 (M+Na)+ 等准分子离子峰；3. 碎片峰比 EI 谱要少。

特点：

原理：

4 电喷雾电离源 (Electron spray Ionization ESI)

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。

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 。

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。

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

离子源 收集器

磁场

电场

S1 S2

+ -

单聚焦 ,Single-focusing 双聚焦 , double focusing

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。

1 磁质量分析器， Magnetic analyser,MA

( 三 ) 质量分析器：将离子室产生的离子按质荷比的大小分开

MA 的工作原理

V

eBrzm

ze

m

B

Vr

m

m

2/

或2

22

2

2

1mvzeV

mr

mvzeBv

2

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

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：

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

2 四级杆分析器 ,quadrupole mass analyzer

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

3 飞行时间质量分析器

zV

mL

m

zVvmvzV

2t则

2

2

1 2

特点 : 质量范围宽，扫描速度快，既不需电场也不需磁场

( 四 ) 检测器

电子倍增器示意图

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。

( 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

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 多电荷离子：分子量测定范围比质量 (m/z) 范围大

飞行时间质量分析器可达几十万 四极杆分析器的质量范围上限一般在 1000左右

2 分辨率

12

1

mm

mR

仪器对相邻两质谱峰的区分能力

分离质量数愈大的离子所需的

分辨率愈高。

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 .

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。

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 。

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。

三 质谱图的表示方法

§3 质谱解析基础知识

1 分子离子

分子离子的质量与化合物的分子量相等

一 几种主要的离子 ( EI 源 )

分子离子M + e M+. + 2e

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。

同位素离子：

2 同位素离子由重同位素组成的分子形成的离子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

例如： CH4

13C+1H×4=17 M+112C+2H+1H×3=17 M+113C+2H+1H×3=18 M+2

12C+1H×4=16 M

元素 相对丰度％ 元素 相对丰度％1H2H

100.00

0.015

14N15N

100.00

0.3612C13C

35Cl 37Cl

100.00

1.08

100

32.5

16O17O18O79Br81Br

100.00

0.04

0.20

100

98

常见的稳定同位素相对丰度

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：yxw

M

M37.002.008.1100

1

zxw

M

M20.0

200

)02.008.1(100

2 2

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

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 ] 。

CH4: %;16.11001

M

M%0067.0100

2

M

M

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

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

R

HC R ＋ H-C OO ++

m/z=29

奇电子离子 偶电子离子

含饱和杂原子

2) β断裂

指正电荷基团的 Ca－ Cβ键的断裂

烯烃 ( 烯丙断裂 )

烷基苯 ( 苄基断裂 )

R CH2 CH2. +CH2 R CH2 CH CH2

+. +

m/z 41

CH2 R+. CH2

+- R.

m/z 91

3) σ 断裂

CH3 C

CH3

CH3

+ + .C2H5 C

CH3

CH3

+ + .C2H5 CH3

较易发生

CH3 C

CH3

C2H5

CH3

-eC

CH3

C2H5

CH3

.+CH3

4 重排离子

麦氏重排

氢原子 官能团能 ；XC X为 O、 N、 S、 C

单电子转移

5 亚稳离子

C4H9+

57m1/z

C3H5+

m2/z 41

C3H5+

m*/z < 41

离子源

亚稳离子

m1

m2

m*

m/e1

22

)表观()(

*m

mm

二 常见有机化合物的质谱

m/z

1529

43

57

8599 113 142

71

（一）烃类

正构烷烃：每隔 14 个质量单位出峰C3 以上强度递减

正癸烷质谱图

CnH2n+1 离子系列

支链烷烃：支链取代位置裂解

3- 乙基己烷质谱图

CH3CH2 CH

CH2

CH3

CH2CH2CH3

29

4385

71

芳烃

基峰（单取代烷基苯）

CH2

+

扩环

麦氏重排

电荷位置不确定

（二）醇和酚

醇

R CH CH2

CH2

-H2O

(M-18)+

(M-1)+

.-

+.

HR CH OHCH

H

OHR

酚

麦氏重排

（三）醛和酮

C3H7 OH +.

CH3C O+

C6H13C O+

C3H7HO

+.

+

70 58

43

113

（四）酯和酸

R1 C

O

OR2

R1 C

O+

- COR1

+

C

O

OR2

+

- COOR2

+

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

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

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 ）

氮原子个数{奇数：分子量为奇数偶数：分子量为偶数

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， 32

S ）

2 分子式的确定 高分辨质谱法

0000000.12C12 9949141.15C16

0030733.14N14

28N;28CO 2 低分辨率质谱仪：

006147.28N994919.27CO

2 高分辨率质谱仪：

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

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

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)

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

例 1 ：推测化合物 C8H8O2 的结构。

2) 谱图分析举例

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

C6H5( ); C2H3O2

可能的结构：

C

O

CH2OH

(A)

C

O

OCH3

(B)

O C

O

CH3

(C)

O CH2 CO

H

(D)

C

O

CH2OH

(A)

3. 质谱验证

C

O

OCH3

(B)

105 105

C O+- CO

+

- CH CH +

m/z 77m/z 51

O C

O

CH3

(C) 得不到 m/z 为 105 的碎片离子，可排除。

O CH2 CO

H

(D)

或

C

O

CH2OH

(A)

C

O

OCH3

(B)

4. 结论

C8H8O2 的结构是

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

§4 有机波谱综合解释1. 质谱 (MS) ：确定分子量、分子式

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

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。

6. 质谱 (MS) ：验证所推测的未知物结构的正确性

2. 计算不饱和度，推测化合物的大致类型

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 101 158 147 194 153 109 78

紫外光谱

红外光谱

核磁共振

质谱

M+

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

Beynon 表

解： 1) 质谱M = 150

%;90.91007.28

84.2100

M

1M

%91.01007.28

26.0100

M

2M

查 Beynon 表，可知分子式为：C9H10O2

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

3) UV 谱 指示有苯环

4) IR 谱

1745 cm-1 强：

1225 cm-1 强：

3100-3000 cm-1 弱

1600-1450 cm-1 两个弱带749 cm-1 强697 cm-1 强

OC

COC

单取代苯

5) 1H-NMR 谱

三类氢核，均为单峰，说明无自旋偶合作用

3CH3,96.1 个氢，说明有－

－个氢，说明有－ 2CH2,0.5

个氢，说明有5,22.7

6) 可能的结构

C9H10O2 C

OC O C

－－ 2CH3CH－

CH2 O C CH3

O

O CH2 C CH3

O

CH2 C

O

O CH3C

O

CH2 O CH3

(A) (B)

(C) (D)

7) 验证

CH2 C

O

O CH3

(C)甲基与亚甲基化学位移与图谱不符，排除。

C

O

CH2 O CH3

(D)

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。

O CH2 C CH3

O

(B)

质谱得不到 m/z 为 91 的离子，排除

CH2 O C CH3

O

(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。

m/z43: 酯羰基 α 断裂，形成的 离子产生的。

CH3C O+

断裂

断裂

§5 色质联用技术气质联用（ GC-MS ）

液质联用（ LC-MS ）

裂解气质联用（ PGC-MS ）

低沸点易汽化混合物的定量定性分析

不能气化、热不稳定混合物的定量定性分析

难溶难熔聚合物结构分析

§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

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

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。