第2章质谱分析法-上课课件

1、（Mass Spectrometry , MS） 第第1章章 2.1 质谱基本知识质谱基本知识 2.2 分子离子与分子式分子离子与分子式 2.3 有机质谱中的裂解反应有机质谱中的裂解反应 2.4 各类有机化合物的质谱各类有机化合物的质谱 2.5 质谱中的非氢重排质谱中的非氢重排 2.6 质谱解析及应用质谱解析及应用 主要内容主要内容 按离子的质量对电荷的比值（即质荷比按离子的质量对电荷的比值（即质荷比 ）的大）的大 小依次排列所构成的图谱，称为质谱。从本质上看，质谱小依次排列所构成的图谱，称为质谱。从本质上看，质谱 不是光谱，而是带电粒子的质量谱。不是光谱，而是带电粒子的质量谱。 质谱分析法是

2、通过对样品离子质量和强度的测定来进质谱分析法是通过对样品离子质量和强度的测定来进 行定性、定量及结构分析的一种方法。行定性、定量及结构分析的一种方法。 质谱法的质谱法的灵敏度高灵敏度高, ,分辨率好，样品用量少；可准确分辨率好，样品用量少；可准确 测出被测物质的分子量、从而推出其分子式，在测出被测物质的分子量、从而推出其分子式，在有机化合有机化合 物的结构鉴定中有着广泛的应用。物的结构鉴定中有着广泛的应用。 目前，气相色谱目前，气相色谱- -质谱联用质谱联用( (GC-MS) )，高效液相色谱，高效液相色谱- - 质谱联用质谱联用( (HPLC-MS) )，红外光谱，红外光谱- -质谱联用质谱

3、联用( (FTIR-MS) )等各等各 种联用技术正在发挥着越来越重要的作用。种联用技术正在发挥着越来越重要的作用。 /m e 质谱仪的发展史质谱仪的发展史 1912年年:世界第一台质谱装置世界第一台质谱装置 40年代年代: 质谱仪用于同位素测定质谱仪用于同位素测定 50年代：年代： 分析石油分析石油 60年代：年代： 研究研究GC-MS联用技术联用技术 70年代：年代： 计算机引入计算机引入 质谱法分类：质谱法分类： 按用途分按用途分 有机质谱有机质谱 无机质谱无机质谱 同位素质谱同位素质谱 按原理分按原理分 单聚焦质谱单聚焦质谱 双聚焦质谱双聚焦质谱 四极质谱四极质谱 飞行时间质谱飞行时间

4、质谱 回旋共振质谱回旋共振质谱 按联用按联用 方式分方式分 气质联用气质联用 液质联用液质联用 质质联用质质联用 定性分析定性分析 质谱法的应用质谱法的应用 1.化合物相对分子量的测定化合物相对分子量的测定 2化合物分子式的确定化合物分子式的确定 3. 分子结构的确定分子结构的确定 2.定量分析定量分析 3.同位素的研究同位素的研究 4.热力学方面的研究热力学方面的研究 目前质谱分析法已广泛地应用于化学、化工、材目前质谱分析法已广泛地应用于化学、化工、材 料、环境、地质、能源、药物、刑侦、生命科学、料、环境、地质、能源、药物、刑侦、生命科学、 运动医学等各个领域。运动医学等各个领域。 质谱分析

5、法与其他仪器分析法相比的优点：质谱分析法与其他仪器分析法相比的优点： 1、质谱法是唯一可以确定物质分子质量的方法，、质谱法是唯一可以确定物质分子质量的方法， 且可以确定化合物的化学式和进行结构分析。且可以确定化合物的化学式和进行结构分析。 2、灵敏度极高，鉴定最小量达、灵敏度极高，鉴定最小量达10-10g，检出限，检出限 可达可达10-14g。 质谱分析法的基本原理质谱分析法的基本原理 样品样品经经导入导入系统进入系统进入离子源离子源， 被电离成被电离成离离 子和碎片离子子和碎片离子， 由由质量分析器分离质量分析器分离并按并按 质荷比大小依次抵达检测器质荷比大小依次抵达检测器，信号经过，信号经

6、过 放大、记录得到放大、记录得到质谱质谱。 试样在电离室内被气化、电离。在试样在电离室内被气化、电离。在10-5Pa高真空高真空 下，以下，以50100eV能量的电子流轰击试样，形成带一能量的电子流轰击试样，形成带一 个正电荷的正离子，称为分子离子，即个正电荷的正离子，称为分子离子，即 M + e ( (高速 高速) ) M+ + 2e- -( (低速低速) ) M表示分子；表示分子；M+表示分子正离子，表示分子正离子， 表示不成对的表示不成对的 单电子，分子离子的化学键可以断裂，形成碎片离子，单电子，分子离子的化学键可以断裂，形成碎片离子， 碎片离子可以进一步断裂，形成多种质荷比不同的离碎片

7、离子可以进一步断裂，形成多种质荷比不同的离 子，提供试样结构信息。子，提供试样结构信息。 正离子被电位差为正离子被电位差为8008000V的负高压电场的负高压电场 加速，加速后离子的动能加速，加速后离子的动能 : zVm 2 2 1 m:离子质量离子质量 :离子的速度离子的速度 z:离子所带的电荷数离子所带的电荷数 V:加速电压加速电压 离心力离心力 =向心力；向心力； zB r m 2 曲率半径：曲率半径： 2 1 2 ) 2 ( zB Vm r 质谱方程式：质谱方程式： V rB z m 2 22 离子在磁场中的轨道半径离子在磁场中的轨道半径r取决于取决于: m/z ; B; V 1.固定

8、固定 B 和和 V, ,改变改变 r 固定磁场强度固定磁场强度 H 和加速电压和加速电压 V, ,不同质荷比的离子将不同质荷比的离子将 有不同的有不同的 R，这时移动检测器狭缝的位置，就能收集到不，这时移动检测器狭缝的位置，就能收集到不 同同 R 的离子流。的离子流。 1.固定固定 B 和和 V, ,改变改变 r 固定磁场强度固定磁场强度 B 和加速电压和加速电压 V, ,不同质荷比的离子将不同质荷比的离子将 有不同的有不同的 r，这时移动检测器狭缝的位置，就能收集到不，这时移动检测器狭缝的位置，就能收集到不 同同 r 的离子流。的离子流。 2.固定固定 r，连续改变，连续改变 B 或或 V

9、在电场扫描中，在电场扫描中，固定固定 r 和和 B，连续改变连续改变 V, , V 由小到大变化由小到大变化 由大到小由大到小 在磁场扫描中，固定在磁场扫描中，固定 r 和和 V，连续改变连续改变 B, , B 由小到大变化由小到大变化 由小到大由小到大 z m z m 二、质谱的表示方法二、质谱的表示方法 1.质谱图质谱图 质谱的表示方法有三种：质谱图质谱的表示方法有三种：质谱图, ,质谱表质谱表 和元素图。和元素图。 峰形图峰形图 条形图条形图 相对丰度相对丰度: : 质谱中最强峰的高度作为为质谱中最强峰的高度作为为 100%, 然后然后 用强峰的高度去除其它峰的高度用强峰的高度去除其它峰

10、的高度, ,这样得的百分数称作这样得的百分数称作 相对丰度，其中最强峰称为基峰。相对丰度，其中最强峰称为基峰。 绝对丰度绝对丰度: 某离子的峰高占质荷比为某离子的峰高占质荷比为 40 以上各离子以上各离子 峰高总和的百分数，常以峰高总和的百分数，常以 表示。表示。 40 %X 3.质谱表质谱表 2.元素图元素图 元素图是由高分辨率质谱计所得结果元素图是由高分辨率质谱计所得结果, ,经一定程序运经一定程序运 算直接得到的算直接得到的, ,由元素图可以了解每个离子的元素组成。由元素图可以了解每个离子的元素组成。 甲苯的质谱甲苯的质谱 m/z基峰相对强度基峰相对强度/%m/z 分子离子峰相分子离子峰

11、相 对强度对强度/% 384.4 395.3 453.9 506.392(M)100 519.193(M+1)7.23 624.194(M+2)0.29 638.6 6511 91100(基峰基峰) 9268(分子离子峰分子离子峰) 934.9(M+1) 940.21(M+2) 2.1.1 质谱仪质谱仪 质谱分析法主要是通过对样品的质谱分析法主要是通过对样品的离子的质离子的质 荷比的分析荷比的分析而实现对样品进行定性和定量而实现对样品进行定性和定量 的一种方法。因此，质谱仪都的一种方法。因此，质谱仪都必须有电离必须有电离 装置装置把样品电离为离子，把样品电离为离子，有质量分析装置有质量分析装置

12、 把不同质荷比的离子分开，经把不同质荷比的离子分开，经检测器检测检测器检测 之后可以得到样品的质谱图。之后可以得到样品的质谱图。 进样系统进样系统离子源离子源质量分析器质量分析器检测器检测器 真空系统真空系统 记录系统记录系统 Heated Gas HEN Nebulizer Water Vapor Water Vapor Dry Aerosol Nebulizer Gas Makeup Gas Sweep Gas In Sweep Gas Out Sample Flow In Heater 1、进样系统、进样系统 气体气体直接导入或用气相色谱进样直接导入或用气相色谱进样 液体液体加热汽化或雾

13、化进样加热汽化或雾化进样 固体固体用直接进样探头用直接进样探头 电子电离源电子电离源(EI) 化学电离源化学电离源(CI) 场致离（场致离（FI)和场解析（和场解析（FD) 快原子轰击快原子轰击(FAB) 电喷雾源电喷雾源(ESI) 基质辅助激光解吸电离（基质辅助激光解吸电离（MALDI) 使试样分子或原子离子化，同时具有聚焦和准直的使试样分子或原子离子化，同时具有聚焦和准直的 作用，使离子汇聚成一定几何形状和能量的离子束。作用，使离子汇聚成一定几何形状和能量的离子束。 2、 离子源离子源 3、质量分析器、质量分析器 将离子源产生的离子按将离子源产生的离子按m/z的大小分离聚焦。的大小分离聚焦

14、。 单聚焦分析器单聚焦分析器 双聚焦分析器双聚焦分析器 四极杆分析器四极杆分析器 离子阱分析器离子阱分析器 飞行时间分析器飞行时间分析器 富立叶变换离子回旋共振富立叶变换离子回旋共振 不同质量的离子可通不同质量的离子可通 过改变磁场强度或过改变磁场强度或A, B间的加速电压使之间的加速电压使之 依次通过出口狭缝依次通过出口狭缝 1单聚焦分析器单聚焦分析器 (single focusing mass analyzer) 磁扇形分析器，磁扇形分析器，sector field R mv evB mveV 2 2 2 1 离子动能由加速电压引起离子动能由加速电压引起 离子所受磁力与圆周运动的离心力平衡

15、离子所受磁力与圆周运动的离心力平衡 ez 离子所带电荷离子所带电荷 扇形磁铁的曲率半径扇形磁铁的曲率半径r 结论：结论： 1 离子的离子的m/z与与R, B, V有关。通过改变磁场可以把不同离子分开有关。通过改变磁场可以把不同离子分开 2 在一定磁感应强度在一定磁感应强度B下，改变加速电压下，改变加速电压V可以使不同离子先后可以使不同离子先后 通过检测器，实现质量扫描，得到质谱。通过检测器，实现质量扫描，得到质谱。 特点：特点： 结构简单，操作方便结构简单，操作方便 只有方向聚焦，无能量聚焦，只有方向聚焦，无能量聚焦，分辨率低。分辨率低。 z mV B r 2 1单聚焦分析器单聚焦分析器 结构

16、：磁场、电场任意顺序组合结构：磁场、电场任意顺序组合 原理：单聚焦分析器分辨率低的原理：单聚焦分析器分辨率低的 主要原因在于它不能进行主要原因在于它不能进行 能量聚焦。能量聚焦。 双聚焦分析器具有能量聚双聚焦分析器具有能量聚 焦和方向聚焦的特点焦和方向聚焦的特点 特点：分辨率高特点：分辨率高(150,000) 可分辨公称质量可分辨公称质量(nominal mass)相同，元素组成不相同，元素组成不 同的离子同的离子 2 双聚焦分析器双聚焦分析器 (double focusing mass analyzer) 双聚焦磁扇形分析器，双聚焦磁扇形分析器，double focusing magneti

17、c sector (方向焦面方向焦面) (能量焦面能量焦面) 动能大，投射到动能大，投射到+ +极极 动能小，在动能小，在- -极放电极放电 一定能量的离子到达出口一定能量的离子到达出口 同能量的离子汇聚同能量的离子汇聚 Ee mv E V R mveV R mv eE e e 2 2 2 2 2 1 , 质量分析器射出的离子具有一定的能量，轰击电子质量分析器射出的离子具有一定的能量，轰击电子 倍增管发射出二次电子，电子在电场的作用下，多倍增管发射出二次电子，电子在电场的作用下，多 次撞击倍增极，最后可以检测到次撞击倍增极，最后可以检测到10-17A的微弱电流，的微弱电流， 经放大器放大后，用

18、记录仪快速记录到光敏记录纸经放大器放大后，用记录仪快速记录到光敏记录纸 上，或用计算机处理结果。上，或用计算机处理结果。 检测器的种类：检测器的种类： 电子倍增管、法拉第筒、照相板、闪烁计数器等电子倍增管、法拉第筒、照相板、闪烁计数器等 4、检测器和记录系统、检测器和记录系统 电子倍增器：电子倍增器：一定能量的离子轰击阴极导致电子发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。电子倍增器中电子通过的时间很短，利用被放大。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。电子倍增器可以实

19、现高灵敏、快速测定。 质谱仪需要在高真空下工作：质谱仪需要在高真空下工作：离子源（离子源（10-3 10 -5 Pa ） 质量分析器（质量分析器（10 -6 Pa ） 大量氧会烧坏离子源的灯丝；大量氧会烧坏离子源的灯丝； 用作加速离子的几千伏高压会引起放电；用作加速离子的几千伏高压会引起放电； 引起额外的离子分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。引起额外的离子分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。 一般先用机械泵或分子泵预抽真空，然后用高效扩一般先用机械泵或分子泵预抽真空，然后用高效扩 散泵抽至高真空散泵抽至高真空 5、高真空系统、高真空系统 21 ()mm R m 或 21 mmm 1.分辨率分

20、辨率 27.9949 2500 28.006127.9949 m R m 例如某仪器能刚刚分开质量例如某仪器能刚刚分开质量为为 27.9949 和和 28.0061 两个离子峰。则该仪器的分辨率为：两个离子峰。则该仪器的分辨率为： 质谱计的主要性能指标质谱计的主要性能指标 指质谱计分开相邻质量数离子的能力，常用指质谱计分开相邻质量数离子的能力，常用 R 表示。表示。 所谓两峰分开所谓两峰分开, ,目前国际上有两种定义，即目前国际上有两种定义，即 10% 谷定义谷定义 谷定义。但是，在实际测量时，很难找到两峰等高，且谷高正谷定义。但是，在实际测量时，很难找到两峰等高，且谷高正 好为好为10%，这

21、时可采用下面方法进行分辨率的测量：如果两个这时可采用下面方法进行分辨率的测量：如果两个 质谱峰质谱峰 m1 和和 m2 的中心距离为的中心距离为 a，峰高，峰高 5% 处的峰宽为处的峰宽为 b，则，则 该仪器的分辨率为：该仪器的分辨率为： 质谱计的灵敏度有绝对灵敏度、相对灵敏度和分析灵敏质谱计的灵敏度有绝对灵敏度、相对灵敏度和分析灵敏 度等几种表示方法。度等几种表示方法。 2.灵敏度灵敏度 b a m m R 分析灵敏度则指输入仪器的样品量与仪器输出的信分析灵敏度则指输入仪器的样品量与仪器输出的信 号之比。号之比。 质量测量范围是质谱仪所能测定的离子质荷比的范围，质量测量范围是质谱仪所能测定的

22、离子质荷比的范围， 即所能测量的最大质量数。如日立即所能测量的最大质量数。如日立 M- -80 的质量范围为的质量范围为1- -3000。 质量测量范围与加速电压有关，降低加速电压，可扩大质量质量测量范围与加速电压有关，降低加速电压，可扩大质量 范围。范围。 3.质量测量范围质量测量范围 相对灵敏度是指仪器可以同时检测的大组分与小组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；分含量之比； 绝对灵敏度是指仪器可以检测到的最小样品量；绝对灵敏度是指仪器可以检测到的最小样品量； 2.1.2 离子化方法离子化方法 离子源的作用是将进样系统引入的气态样品分子转离子源的作用是将进样系统引入的

23、气态样品分子转 化成离子。化成离子。 1.电子轰击电子轰击 ( (EI) ) 电子轰击电离又称为电子轰击法，或电子电离。是最经 典的传统方法，也是应用最普遍，发展最成熟的电离方法。 轰击电压 50-70eV, 有机分子的电离电位一般为7-15eV。 可提供丰富的结构信息。 分子离子可进一步裂解，生成质量更小的碎片离子分子离子可进一步裂解，生成质量更小的碎片离子 有些化合物的分子离子不出现或很弱。 分子失去电子，生成带正电荷的分子离子分子失去电子，生成带正电荷的分子离子 电子轰击源又称电子轰击源又称 EI 源，是应用最为广泛的离子源。源，是应用最为广泛的离子源。 上图是电子轰击源的原理图，样品以

24、气体形式进入离子源，上图是电子轰击源的原理图，样品以气体形式进入离子源， 由灯丝由灯丝 g 发出的电子与样品分子发生碰撞使样品分子电离。发出的电子与样品分子发生碰撞使样品分子电离。 一般情况下，灯丝一般情况下，灯丝 g 与接收极与接收极 h 之间的电压为之间的电压为 70 eV。在。在 70 eV 电子碰撞作用下，有机物分子可能被打掉一个电子形成电子碰撞作用下，有机物分子可能被打掉一个电子形成 分子离子，也可能会发生化学键的断裂形成碎片离子。由分子离子，也可能会发生化学键的断裂形成碎片离子。由 分子离子可以确定化合物分子量，由碎片离子可以得到化分子离子可以确定化合物分子量，由碎片离子可以得到化

25、 合物的结构。对于一些不稳定的化合物，在合物的结构。对于一些不稳定的化合物，在 70 eV 的电子轰的电子轰 击下很难得到分子离子，为了得到分子量，可以采用击下很难得到分子离子，为了得到分子量，可以采用 10-20 eV 的电子能量，不过此时仪器灵敏度将大大降低，需要加的电子能量，不过此时仪器灵敏度将大大降低，需要加 大样品的进样量。大样品的进样量。 电子轰击源的优点是结构简单。易于操作，电离效率电子轰击源的优点是结构简单。易于操作，电离效率 高，谱线多，信息量大；缺点是某些化合物的分子离子峰高，谱线多，信息量大；缺点是某些化合物的分子离子峰 很弱，甚至观察不到。很弱，甚至观察不到。 有些化合

26、物稳定性差，用有些化合物稳定性差，用 EI 方式不易得到分子离方式不易得到分子离 子子, ,因而也就得不到分子量。为了得到分子量可以采用因而也就得不到分子量。为了得到分子量可以采用CI 电离方式。电离方式。CI 和和 EI 在结构上没有多大差别，或者说主在结构上没有多大差别，或者说主 体部件是共用的。其主要差别是体部件是共用的。其主要差别是 CI 源工作过程中要引源工作过程中要引 进一种反应气体。反应气体可以是甲烷、氢、氦、一氧进一种反应气体。反应气体可以是甲烷、氢、氦、一氧 化碳、一氧化氮等，反应气的量比样品气要大得多。灯化碳、一氧化氮等，反应气的量比样品气要大得多。灯 丝发出的电子首先将反

27、应气电离，然后反应气离子与样丝发出的电子首先将反应气电离，然后反应气离子与样 品分子进行分子品分子进行分子- -离子反应，生成准分子离子。现以甲离子反应，生成准分子离子。现以甲 烷作为反应气，说明化学电离的过程。在能量大于烷作为反应气，说明化学电离的过程。在能量大于 50 eV 的电子轰击下，甲烷首先被电离的电子轰击下，甲烷首先被电离: : 2.化学电离化学电离 ( (CI) ) 电离生成的甲烷离子很快与大量存在的甲烷分子作用，电离生成的甲烷离子很快与大量存在的甲烷分子作用， 发生二级电离反应：发生二级电离反应： 34252 CHCHC HH 活性离子 生成的活性离子与样品分子进行分子生成的活

28、性离子与样品分子进行分子- -离子反应，生成离子反应，生成 准分子离子。准分子离子是指获得或失掉一个准分子离子。准分子离子是指获得或失掉一个 H 的分子离子。的分子离子。 或或 25 29MC HM 35 41MC HM 此外也存在此外也存在 在生成的这些离子中，以在生成的这些离子中，以 和和 的丰度为最大，成的丰度为最大，成 为主要的质谱峰且通常为基峰。由为主要的质谱峰且通常为基峰。由 和和 离子很容易测离子很容易测 得其相对分子质量。得其相对分子质量。 化学电离源是一种软电离方式，适于高分子量及不稳定化合物化学电离源是一种软电离方式，适于高分子量及不稳定化合物 的分析，具有谱图简单，灵敏度

29、高等特点；缺点是碎片少，可提供的分析，具有谱图简单，灵敏度高等特点；缺点是碎片少，可提供 的结构信息少。的结构信息少。 1M 1M 1M 1M 4. 快原子轰击源快原子轰击源（FAB） 1981年英国的M. Barber等人发明 FAB。 FAB适用于挥发性极低、极性很强的有机化合物、离子型 化合物、热不稳定和分子量较大的化合物，如氨基酸、多肽、 糖类、金属化合物等。 常用的基质有甘油，硫代甘油，3-硝基苄醇，三乙醇胺等。 惰性气体Ar或Xe的原子首先被电离并被加速， 使之具有高的动能 Ar+( (高动能的高动能的)+ )+ Ar( (热运动的热运动的)Ar( (高动能的高动能的)+ )+ A

30、r+( (热运动的热运动的) ) 高动能的Ar或Xe原子束再轰击样品分子使其离子化。 m/z(RI): 302 (100, M+), 303 (75, MH), 325 (20, M+Na), 271 (48, M-NHNH2), 215 (73, M-CH2CH2CONHNH2) 基质基质(G) : 3-硝基苄醇硝基苄醇, m/z 154(G-H), 136（GHH2O）, 289(GGHH2O) H N O NH2 通常小分子得到带单电荷的准分子离子，而大分子则得通常小分子得到带单电荷的准分子离子，而大分子则得 到多种多电荷离子。检测质量可提高几十倍。到多种多电荷离子。检测质量可提高几十倍

31、。ESI是很软的是很软的 电离方法，通常无碎片离子峰，只有整体分子的峰，十分电离方法，通常无碎片离子峰，只有整体分子的峰，十分 有利于生物大分子的质谱测定。有利于生物大分子的质谱测定。 ESI是近年来出现的一种新的大气压电离方式是近年来出现的一种新的大气压电离方式, 主要主要 应用于液相色谱应用于液相色谱/质谱联用仪。质谱联用仪。 电喷雾电离源是一种软电离方式，特别适合于分析极性电喷雾电离源是一种软电离方式，特别适合于分析极性 强、热稳定性差的有机大分子，强、热稳定性差的有机大分子， 4. 电喷雾电离源电喷雾电离源（ESI） 电喷雾电离的基本过程： n 电场下的喷雾 带电雾滴 n 壳气的作用下

32、 溶剂的蒸发 n 电荷的库仑作用 带电雾滴的解体 n Rayleigh 极限 表面张力和库仑斥力的平衡点 ESI离子化机理：离子化机理： Rayleigh Limit Reached Coulomb Explosions + + + + + + + + + + - - - - - + + + + + + + + + + - - - - - + + + + + - + + + + +- Evaporation + +Analyte Ion Solvent Ion Cluster q 例 肌红蛋白电喷雾质谱图 带1030个电荷的系列分子离子 将样品置于涂有将样品置于涂有 基质的样品靶上，激基质的样

33、品靶上，激 光照射到样品靶上，光照射到样品靶上， 基质分子吸收激光能基质分子吸收激光能 量，与样品分子一起量，与样品分子一起 蒸发到气相，并使样蒸发到气相，并使样 品分子电离。品分子电离。 MALDI 源需要有合源需要有合 适的基质才能获得较适的基质才能获得较 好的离子化效率，故好的离子化效率，故 常称其为基质辅助激常称其为基质辅助激 光解吸电离源光解吸电离源 （MALDI），），MALDI主主 要用于分析生物大分要用于分析生物大分 子及高聚物。子及高聚物。 6. 基质辅助激光解吸源基质辅助激光解吸源（MALDI） 离子的质量和该离子所带电荷数的比值。离子的质量和该离子所带电荷数的比值。 (1

34、) 基峰基峰（Base peak） 质谱图中最强峰称为基峰质谱图中最强峰称为基峰 (2) 相对丰度相对丰度（Relative abundance） 用用RI表示表示;又称为相对强度又称为相对强度（Relative intensity）。）。 将质谱图中基峰的高度定为将质谱图中基峰的高度定为100%，以此峰高度去除其它各，以此峰高度去除其它各 峰的高度，所得的分数峰的高度，所得的分数. 2.1.4 质谱术语及质谱中的离子 （3）精确质量： 低分辨质谱中离子的质量为整数，高分辨质谱中 分子离子或碎片离子的质量不为整数，称为精确质量。 其有效数字的位数取决于质谱计的分辨率。 精确质量的计算基于天然丰

35、度最大的同位素的精确原子量，如：精确质量的计算基于天然丰度最大的同位素的精确原子量，如： 1 1H 1.007825 H 1.007825 、 12 12C 12.000000 C 12.000000、 1414N 14.003074 N 14.003074 、 16 16O 15.994915 O 15.994915 精确度与质谱计的分辨率有关。精确度与质谱计的分辨率有关。 低分辨低分辨 高分辩高分辩 N2 28 28.0062 CO 28 27.9949 C11H20O2 184 184.1464 C11H24N2 184 184.1939 2、质谱图上离子峰的类型 （1）分子离子 试样分

36、子失去 一个电子而生成的带正电荷的离子。 ee2MM M+为分子离子或母体离子。 分子离子是质谱中所有离子的起源，它在质谱 图中所对应的峰称为分子离子峰。 1) 分子离子分子离子 有机物分子经电子轰击，失去一个电子所形成的正离 子叫分子离子。 M + e M+ + 2e 分子离子用M+表示。分子离子的m/z数值上就是化合 物的分子量，其相对丰度可判断化合物的类型。因此，分 子离子在化合物质谱的解释中具有特殊重要的意义。 2) 准分子离子准分子离子 由软电离技术产生的分子与质子或其它阳离子的加合离 子，如M + H、M + Na、M + K以及分子去质子化 或其它阴离子加合离子，如M - H -

37、、M + X-等称为准分子 离子。 3) 多电荷离子多电荷离子 4) 碎片离子碎片离子 5) 重排离子重排离子 经过重排反应产生的离子，其结构并非分子中原有。在 重排反应中，化学键的断裂和生成同时发生，并丢失中性分 子或碎片。 在电离过程中，分子或其碎片离子失去两个或两个以上在电离过程中，分子或其碎片离子失去两个或两个以上 电子，形成电子，形成 m/2e、m/3e 等多电荷离子，其质荷比多为非整数。等多电荷离子，其质荷比多为非整数。 芳香族化合物、有机金属化合物和含共轭体系化合物易产生芳香族化合物、有机金属化合物和含共轭体系化合物易产生多多 电荷离子，如电荷离子，如苯的质谱图中苯的质谱图中 m

38、/e= 37.5 和和 38.5 就是双就是双电荷离子峰。电荷离子峰。 由于分子离子具有过剩的能量，其中一部分会进一步发生由于分子离子具有过剩的能量，其中一部分会进一步发生 键的断裂，产生质量较低的离子，称为碎片离子。在一张质谱键的断裂，产生质量较低的离子，称为碎片离子。在一张质谱 图上看到的峰大部分是碎片离子峰，据此可将分子的结构推求图上看到的峰大部分是碎片离子峰，据此可将分子的结构推求 出来。出来。 6) 同位素离子同位素离子 大多数元素都是由具有一定自然丰度的同位素组成。 这些元素形成化合物后，其同位素就以一定的丰度出现在 化合物中。因此，化合物的质谱中就会有同位素形成的离 子峰，通常把

39、由重同位素形成的离子峰叫同位素峰。 7）母离子与子离子 任何一个离子进一步裂解为质荷比较小的离子，前者是后者的任何一个离子进一步裂解为质荷比较小的离子，前者是后者的 母离子或前体离子，后者是前者的子离子。母离子或前体离子，后者是前者的子离子。 8 8）奇电子离子OE+：带未配对电子的离子，如 M+, A+ 在质谱解析中，奇电子离子很重要，因质荷比较小的奇电子 离子是由质荷比较大的奇电子离子裂解生成的。 偶电子离子EE+： 无未配对电子的离子，如 B+, D+ 9) 亚稳离子亚稳离子 亚稳离子峰的特点：峰宽、丰度低、质荷比不是整数。亚稳离子峰的特点：峰宽、丰度低、质荷比不是整数。 它是在离开离子

40、源到质量分析器的途中断裂形成的。它是在离开离子源到质量分析器的途中断裂形成的。 正常离子正常离子 （m1- -m2） 亚稳离子亚稳离子 （m1- -m2） 中性碎片 21 mm 中性碎片 mm1 2 *mm 在质量上在质量上，但运动速度不同，但运动速度不同 解：设解：设 m1 = 187，m2 = 172，m* = 170.6 例如，例如，某化合物质谱图的最高质量处有两个峰某化合物质谱图的最高质量处有两个峰 m/e=172和和187，并在附近有亚稳离子峰，并在附近有亚稳离子峰 m/e=170.6，试问试问 m/e=172 和和187 峰是否存在裂解关系，峰是否存在裂解关系，m/e=187 是否

41、为分子是否为分子 离子峰离子峰? ? 与与 m* = 170.6 不相等不相等，故可断定故可断定 m1 与与 m2 无裂解关系。现无裂解关系。现 在来寻找与在来寻找与 m/e=187 有裂解关系的离子：有裂解关系的离子： 因因 设设 m1 为未知，为未知， 其分子离子峰应出现在其分子离子峰应出现在205处，处，m/e=187不是不是分子分子离子离子 峰，它是由峰，它是由 m/e=205 开裂而成。开裂而成。 11) 负离子负离子 在电子轰击法中形成的负离子仅是正离子的万分之一左右，在电子轰击法中形成的负离子仅是正离子的万分之一左右， 需要很高灵敏度的仪器，目前新型质谱仪已附有测定负离子的需要很

42、高灵敏度的仪器，目前新型质谱仪已附有测定负离子的 离子源，有关负离子质谱的研究也常有报道。离子源，有关负离子质谱的研究也常有报道。 2.2 分子离子与分子式分子离子与分子式 2MeMe 一个分子不论通过何种电离方法，使其失去一个外层价电一个分子不论通过何种电离方法，使其失去一个外层价电 子而形成带正电荷的离子，称为分子离子，质谱中相应的峰称子而形成带正电荷的离子，称为分子离子，质谱中相应的峰称 为分子离子峰。通式为：为分子离子峰。通式为： M 式中式中 是分子离子。由于分子离子是化合物失去一个电是分子离子。由于分子离子是化合物失去一个电 子形成的，因此，分子离子是自由基离子。子形成的，因此，分

43、子离子是自由基离子。 一、分子离子一、分子离子 1.分子离子峰的形成及表示方法分子离子峰的形成及表示方法 一般说来，如果分子中含有杂原子，其杂原子上的未成一般说来，如果分子中含有杂原子，其杂原子上的未成 键电子最易失去，其次是键电子最易失去，其次是 键，再次是键，再次是 C- -C 相连的相连的键键 ，而，而 后是后是 C- -H 键键 。即失去电子的难易顺序为：。即失去电子的难易顺序为： 杂原子杂原子 C=C CC CH 表示方式：表示方式：（X 为卤素）为卤素） （Y=O，S等等） 如果电荷位置不好确定，或不需要确定，可在分子式的如果电荷位置不好确定，或不需要确定，可在分子式的 右上角标右

44、上角标“ +”， ， 2 分子离子峰的识别分子离子峰的识别 分子离子峰一定是质谱中质荷比数最大的峰分子离子峰一定是质谱中质荷比数最大的峰. v除了同位素峰及准分子离子峰外，分子离子峰应该是质除了同位素峰及准分子离子峰外，分子离子峰应该是质 谱中质荷比数最大的峰谱中质荷比数最大的峰. v分子离子峰在高分辨质谱中为单一峰分子离子峰在高分辨质谱中为单一峰. CH H3C H3C CH 2 H CCOOC 2H5 NHCOCH 3 M m/z=201.1365 m/z=158.1181m/z=158.0817 M - CH3COM - (CH3)2CH (2) 分子离子峰应具有合理的中性丢失分子离子峰

45、应具有合理的中性丢失 15 29 4142 43 57 58 m/z M=57 CH3C H CH NH2 m/z=42 m/z=41 m/z=43 M -CH2 M=58CH3 H C CH3 CH3M-HM-CH3M-CH4 57 43 42 -H2 41 M -CH3 M -CH4 如果出现以下质量差：如果出现以下质量差：414，2124，37、38，5053，65、 66，最高质量峰就不是分子离子峰。最高质量峰就不是分子离子峰。 (3)分子离子峰分子离子峰质量数应符合质量数应符合N规则规则 元素 质量 价数 C H O N S Si P X 12 1 16 14 32 38 31 4

46、1 2 3 2 4 3 F 19 Cl 35 Br 79 I 127 H2O CH4 CH3OH C17H35COOH N2H2 C6H6N2 C2H2NH2 C9H7N 18 16 32 284 32 94 45 129 N规则规则: 在有机化合物分子中含有奇数个氮时，其分子量应在有机化合物分子中含有奇数个氮时，其分子量应 为奇数。含有偶数个（包括为奇数。含有偶数个（包括0个）氮时，其分子量应为偶数。个）氮时，其分子量应为偶数。 (4)根据化合物性质判断根据化合物性质判断 在质谱图中，分子离子峰的强度和化合物的结构有关。 环状化合物比较稳定，不易碎裂，因而分子离子峰较强。支 链化合物较易碎裂

47、，分子离子峰就弱，某些稳定性差的化合 物甚至看不到分子离子峰。 3 分子离子峰强弱的大致顺序是：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。 o CH3 CH3 146 145 131 117 160 M=146 27 41 56 59 84 m/z u不同的电离方式，分子离子的RI不等 采用EI，大约20%的分子离子不出现，大致规律如下： 1、芳环共轭烯烃脂环化合物硫醚、硫酮(低分子链烃） 3 分子离子峰强弱的大致顺序是：分子离子峰强弱的大致顺序是： u不稳定的分子、大分子，其分子离子的RI较弱 u稳定的分子、共轭大分子，其分子离子的RI较强 2、羰基化合物（酮、

48、酯、酸、醛、酰胺等） 分子离子峰通常可见。 3、脂肪族醇、胺、硝基化合物等 分子离子峰通常很弱或不出现。 M=130 M (RA) M (RA)M=130 C3CC C4 C7CHO C6COOH C8NH 2 C8OH N C2C O C5 C6C O NH 2 C5COOCl OC4C4 C7Cl 100 100 100 90 20 8 2 1 0.5 0.5 6 0.5 0.1 0.1 0.1 2 RIRI m/z m/z m/z m/z 96 95 8153 43 128 102 77 6651 84 70 56 4341 31 29 99 57 41 29 CC C C C C C

49、CC8OH M=130 M=114 O CH3 H3C 4) 获得分子离子的方法获得分子离子的方法 如果经判断没有分子离子峰或分子离子峰不能确定，如果经判断没有分子离子峰或分子离子峰不能确定， 则需要采取其它方法得到分子离子峰，常用的方法有：则需要采取其它方法得到分子离子峰，常用的方法有： (1) 制备挥发衍生物制备挥发衍生物 某些化合物不易挥发或热稳定差，可以进行衍生化处 理。例如，可将某有机酸制备成相应的酯, 酯类容易气化, 而且易得到分子离子峰, 由此来推断有机酸的分子量。 ROHROSi(CH 3)3 RCOOH RCOOCH3 CH2N2 (CH3)3SiCl (2) 降低电离能量，

50、降低电离能量，增加进样量增加进样量 通常EI源所用电子的能量为70eV，在高能量电子的轰击下， 某些化合物很难得到分子离子。这时可采用1020eV左右的 低能电子，虽然总离子流强度会大大降低，但有可能得到一 定强度的分子离子峰.另外增加进样量也可以使分子离子峰强 度增加. 84 84 85 98 98 85 70ev 12ev (3) 采取软电离方式采取软电离方式 软电离方式很多，如化学电离源、快原子轰击源、场解吸 源及电喷雾源等。要根据样品特点选用不同的离子化方式 。软电离方式得到的往往是准分子离子，由准分子离子来 推断出化合物的分子量。 m/z m/z H N C OH O M=115 4

51、1 70 70116(115+1) EI FD m/z m/z O2NCH OH CHCH2OH NHCOOC2H5 M=322 322 170 152 170 153 EI FD M=390 COOC8H17 COOC8H17 m/z m/z 391 279 261 149 113 279 167 149 113 71 57 EI CI 2.2.3 分子式的推导 判断： 氮律和不饱和度 1、不饱和度的计算 定义：定义： 不饱和度是指分子结构中达到饱和所缺一价元不饱和度是指分子结构中达到饱和所缺一价元 素的素的“对对”数。如：乙烯变成饱和烷烃需要两个氢原数。如：乙烯变成饱和烷烃需要两个氢原 子

52、，不饱和度为子，不饱和度为1。 2 ba 1nUN n : C Si a : N P b : H X 2、低分辨质谱法推导分子式 （1）同位素峰及其相对丰度 同位素峰的相对丰度是由同位素原子及其天然丰度决 定的。 CHNOSiPSClBr A100100100100100100100100100 A+11.10.0160.370.045.1-0.8- A+2-0.23.4-4.432.598.0 同位素离子峰在质谱中的主要应用是根据同位素峰的同位素离子峰在质谱中的主要应用是根据同位素峰的 相对强度确定分子式，有时还可以推定碎片离子的元素组相对强度确定分子式，有时还可以推定碎片离子的元素组 成。

53、成。 1.由由 C、H、O、N 组成的化合物组成的化合物 通式：CxHyNzOw 2.含硫的样品含硫的样品 32S : 33S : 34S = 100 : 0.8 :4.4 RI(M+1) / RI(M) 100 = 1.1x + 0.37z + 0.8S RI(M+2) / RI(M) 100 = （1.1x)2 / 200 + 0.2w +4.4S RI(M+1) / RI(M) 100 = 1.1x + 0.37z ( 2H 0.016, 17O 0.04忽略) RI(M+2) / RI(M) 100 = (1.1x）2 / 200 + 0.2w 利用低分辨质谱数据，推导分子式利用低分辨

54、质谱数据，推导分子式 35Cl : 37Cl = 100 : 32.5 3 : 1; 79Br : 81Br = 100 : 981 : 1 分子中含分子中含1 Cl1 Cl， (a+b)1, M : M+23 : 1 分子中含分子中含2 Cl， (a+b)2, M : M+2 : M+49 : 6 :1 分子中含分子中含1 Br， (a+b)1, M : M+21 : 1 分子中含分子中含2 Br， (a+b)2, M : M+2 : M+41 : 2 :1 分子中含分子中含1Cl 和和1Br (a+b) (c+d), M : M+2 : M+43 : 4 : 1 3 含含Si的化合物的化合

55、物 28 Si : 29Si : 30Si = 100 : 5.1 : 3.4 4 含重同位素（含重同位素（Cl、Br)样品样品 先识别分子离子及其同位素离子峰； 并读出M、M+1、M+2峰的相对强度； 然后利用公式推算C、N、O等元素的数目； 结合质荷比推算H原子数目。 利用同位素峰簇的相对丰度推导化合物的分子式利用同位素峰簇的相对丰度推导化合物的分子式 例 化合物质谱图如下，推导分子式 设 分子离子峰： 72-58=14？ 73-58=15 合理 （1.9 / 37 ） 100 = 1.1x + 0.37z z=1, x=5, y = 73-14-60 = -1 ？ z=1, x=4, y

56、 = 73-14-48 = 11 合理合理 例例 某质谱图高某质谱图高m/z区离子的区离子的m/z及及RI如下，推导其分子式如下，推导其分子式 m/z: 61 62 63 64 65 RI : 8.7 100 4.8 31 0.78 35Cl 4C ? 37Cl C2H3Cl 查Beynon表法 C H N O m/z M+1 M+2 理论计算值，会出现不符合N律和不符合一般规律。 例如，例如，某有机化合物的相对分子质量为某有机化合物的相对分子质量为 72，在质谱图上，在质谱图上 测出测出 M，M+1 和和 M+2 峰的强度分别为峰的强度分别为 20，0.68 和和 0.09，试确定，试确定

57、分子式。分子式。 1963 年，年，J. H. Beynon 计算了由计算了由 C、H、O、N 组成的质量组成的质量 从从 12- -500 的各种组成式的的各种组成式的 M+1/M 和和 M+2/M 的值，排成一个的值，排成一个 表，称为贝农表，利用此表可以很快求得化合物的分子式。表，称为贝农表，利用此表可以很快求得化合物的分子式。 解：解：M : M+1 : M+2 = 20 : 0.68 : 0.09 = 100 : 3.40 : 0.45，由于由于 （M+2）% 小于小于 4%，故可知该化合物不含故可知该化合物不含 Cl 、Br 和和 S。 查贝农表，在相对分子质量为查贝农表，在相对分

58、子质量为 72 栏中给出栏中给出 15 个式子，其个式子，其 中与中与 M+1% 和和 M+2% 值相近的有值相近的有 M+1% M+2% C2H6N3 3.40 0.44 C3H4O2 3.38 0.44 由氮规则可知，由氮规则可知， C2H6N3 含奇数个氮，相对分子质量不可能含奇数个氮，相对分子质量不可能 为偶数，故排除，剩下的为偶数，故排除，剩下的 C3H4O2 与实验数据最接近，因此该化与实验数据最接近，因此该化 合物的分子式应为合物的分子式应为C3H4O2 。 例例 一个一个C，H，O化合物化合物 M/z 27 28 29 44 45 53 55 71 72 73 74 % % 7

59、4 12 4.3 14 32 6.0 74 43 100 3.5 0.48 例例2.一个一个C，H，O化合物化合物 M/z1528293031323334 % %13.263643.8100660.930.14 C3H4O2 66（100%） 0.93(1.5%) 0.14(0.21%) CH4O CH3OH 142 140 127 125 105 71 158 156 77 51 110 108 95 9381 79 27 66 64 51 49 29 28 29 C2H5Cl C2H5Br Br Cl C2H5 高分辨质谱法 精确质量，与分辨率有关 试误法 CxHyNzOw 精确质量的尾数

60、=0.0078y + 0.00314z -0.0051w 查表法 Beynon and Lederbey 制作了高分辨质谱法数据表， 可查出对应于某精确质量的分子式。 2.3 有机质谱中的裂解反应有机质谱中的裂解反应 一、质谱裂解反应机理一、质谱裂解反应机理 裂解反应瞬间进行，机理研究困难 McLaferty 提出“电荷-自由基定位理论” u自由基有强烈的电子配对倾向 u正电荷有吸引或极化相邻成键电子引起裂解 均裂均裂单电子转移单电子转移 异裂异裂双电子转移双电子转移 重排重排裂解时，发生一个以上化学键的断裂。裂解时，发生一个以上化学键的断裂。 分子失去一个电子，生成带正电荷的离子分子失去一个