有机波谱分析第四章质谱

1、湖北理工学院医学院药学系概述概述 紫外、红外和核磁共振谱是吸收光谱，以分子吸收紫外、红外和核磁共振谱是吸收光谱，以分子吸收辐射能所引起的能量状态的变迁为基础的。辐射能所引起的能量状态的变迁为基础的。质谱不是吸质谱不是吸收光谱收光谱，而是用一定能量的电子流轰击或其它适当的方，而是用一定能量的电子流轰击或其它适当的方法打掉气态分子的一个电子（多余一个的情况少见）形法打掉气态分子的一个电子（多余一个的情况少见）形成带电的离子。这些成带电的离子。这些正离子正离子在电场和磁场的综合作用下，在电场和磁场的综合作用下，按照其按照其质荷比质荷比（m/zm/z）的大小依次排列成谱，被记录下来，）的大小依次排列成

2、谱，被记录下来，成为质谱。成为质谱。 按研究对象分类，质谱分为同位素质谱、无机质按研究对象分类，质谱分为同位素质谱、无机质谱和谱和有机质谱。有机质谱。1、 什么是质谱？什么是质谱？湖北理工学院医学院药学系概述概述 比其它分析方法所能提供的被测样品的信息量大。能比其它分析方法所能提供的被测样品的信息量大。能够提供化合物的准确分子量、分子和碎片的元素组成、够提供化合物的准确分子量、分子和碎片的元素组成、分子式以及有关化合物分子结构等大量分析数据。分子式以及有关化合物分子结构等大量分析数据。 灵敏度高，样品用量极小，常用量约灵敏度高，样品用量极小，常用量约1mg, 极限用量只极限用量只要几微克。要几

3、微克。 对于结构复杂的分子，需配合紫外、红外、核磁以及对于结构复杂的分子，需配合紫外、红外、核磁以及化学分析的结果进行综合分析。化学分析的结果进行综合分析。 质谱仪是大型、复杂的精密仪器，价格昂贵，操作维质谱仪是大型、复杂的精密仪器，价格昂贵，操作维护麻烦，尚不能普及。护麻烦，尚不能普及。质谱的特点质谱的特点湖北理工学院医学院药学系质谱的应用质谱的应用（1）、样品元素组成；）、样品元素组成；（2）、无机、有机及生物分析的结构）、无机、有机及生物分析的结构-结构结构不同，分子或原子碎片不同不同，分子或原子碎片不同(质荷比不同质荷比不同)；（3）、复杂混合物的定性定量分析）、复杂混合物的定性定量分

4、析-与色与色谱方法联用谱方法联用(GC-MS)；（4）、固体表面结构和组成分析）、固体表面结构和组成分析-激光烧激光烧蚀等离子体蚀等离子体-质谱联用；质谱联用； 样品中原子的同位素比。样品中原子的同位素比。 湖北理工学院医学院药学系质谱的历史沿革质谱的历史沿革（1）1813年：年：Thomson使用使用MS报道了报道了Ne是由是由22Ne和和24Ne两种同位素组成；随后，同位素分析开始发展。两种同位素组成；随后，同位素分析开始发展。（2）在）在30年代末：由于石油工业的发展，需要测定油的成份。年代末：由于石油工业的发展，需要测定油的成份。通常用蒸馏的方法先分离这些烃类混合物，然后再分别测通常用

5、蒸馏的方法先分离这些烃类混合物，然后再分别测定其折光率的方法来分定其折光率的方法来分 析它们。这通常要花数天时间。析它们。这通常要花数天时间。（3）40年代初：开始将年代初：开始将MS用于石油工业中烃的分析，并大用于石油工业中烃的分析，并大大缩短了分析时间。大缩短了分析时间。（4）、）、50年代初：质谱仪器开始商品化，并广泛用于各类有年代初：质谱仪器开始商品化，并广泛用于各类有机物的结构分析。同时质谱方法与机物的结构分析。同时质谱方法与NMR、IR等方法结合成等方法结合成为分子结构分析的最有效的手段。为分子结构分析的最有效的手段。（5）、）、80年代：非挥发性或热不稳定分子的分析进一步促进年代

6、：非挥发性或热不稳定分子的分析进一步促进了了MS的发展；的发展；（6）、）、90年代：由于生物分析的需要，一些新的离子化方法年代：由于生物分析的需要，一些新的离子化方法得到快速发展；目前一些仪器联用技术如得到快速发展；目前一些仪器联用技术如GC-MS，HPLC-MS，GC-MS-MS，ICP-MS 等正大行其道。等正大行其道。湖北理工学院医学院药学系4.1质谱基本原理质谱基本原理 有机化合物样品在高真空有机化合物样品在高真空（1.3310-31.3310-4 Pa）条件条件下受热下受热气化气化，气化了的分子在离子源内受到高能，气化了的分子在离子源内受到高能电子束轰击电子束轰击（electron

7、 impact, EI）形成正离子。通常分子中离解位能最低形成正离子。通常分子中离解位能最低的电子将首先被打掉，成为带单位正电荷的的电子将首先被打掉，成为带单位正电荷的分子离子分子离子：M + e-（高高速速）M+ + 2e-（低低速速）湖北理工学院医学院药学系4.1.1 分子碎片的产生分子碎片的产生M + e-M2+ + 3e-M + e-M-不不产产生生质质谱谱信信号号概概率率小小ABCABC+AB + C+A + BC+A+ + BCB+ + CB + C+B+ + C-B- + C+气气态态分分子子分分子子离离子子高能电子束能量：高能电子束能量：5070eV一般有机物离解能：一般有机物

8、离解能：915eV分子离子会进一步发生离解，生成许多不同的碎片：分子离子会进一步发生离解，生成许多不同的碎片： 正离子、中性分子、自由基和极少数负离子正离子、中性分子、自由基和极少数负离子湖北理工学院医学院药学系4.1.2 正离子碎片的探测正离子碎片的探测221mvzV RmvHzv2VRHzm222正离子在电场中的位能正离子在电场中的位能等于其加速后的动能：等于其加速后的动能：由磁场产生的向心力与由由磁场产生的向心力与由动能产生的离心力相等：动能产生的离心力相等：由公式由公式（1）和和（2）可得：）可得：（1）（2）（3）z z -正离子的电荷；正离子的电荷；m m -正离子的质量；正离子的

9、质量；v v -正离子运动的速度；正离子运动的速度； V V -正离子的加速电压；正离子的加速电压；H H -磁场强度；磁场强度；R R -离子弧形运动的曲率半径。离子弧形运动的曲率半径。湖北理工学院医学院药学系湖北理工学院医学院药学系4.1.3 质谱的表示质谱的表示1020304050607080901000102030405060708090100 相 对 丰 度 m/zCH3分分子子量量9 92 2m/z 值值38394550516263659192(M+)9394相对丰度相对丰度4.45.33.96.39.14.18.611100(基峰)684.90.21(1)(1)质谱图质谱图(2)

10、(2)质谱表质谱表基峰基峰分子离子峰分子离子峰 (M+)M+1M+2湖北理工学院医学院药学系质谱术语质谱术语 质荷比质荷比（mass-to-charge ratio , m/z ）：）： 通常情况下，通常情况下，z =1 峰的强度或峰的强度或相对丰度相对丰度（Relative Abundance）：）： 相对于最强峰的强度相对于最强峰的强度 基峰：基峰：base peak 质谱图中的最强峰，质谱图中的最强峰，RA=100湖北理工学院医学院药学系4.1.5 质谱仪质谱仪 按质量分析器按质量分析器(或者磁场种类或者磁场种类)可分为静态仪器和可分为静态仪器和动态仪器，即稳定磁场（单聚焦及双聚焦质谱仪

11、）动态仪器，即稳定磁场（单聚焦及双聚焦质谱仪）和变化磁场（飞行时间和四极杆质谱仪）。和变化磁场（飞行时间和四极杆质谱仪）。 MS仪器仪器一般由一般由真空系统、进样系统、样品的真空系统、进样系统、样品的离子化系统、离子的分离系统离子化系统、离子的分离系统和和检测系统等检测系统等构成。构成。湖北理工学院医学院药学系进样系统离子源离子加速加速器质量分析器检测器放大、记录真空系统10 10-3-4mmHg离子的形成离子的分离离子的检测真空系统10 mmHg-7数据采集与处理系统123456781234567湖北理工学院医学院药学系湖北理工学院医学院药学系Trace DSQ色谱质谱联用仪色谱质谱联用仪湖

12、北理工学院医学院药学系单聚焦质谱仪示意图单聚焦质谱仪示意图湖北理工学院医学院药学系质谱仪中所有部分均要处高度真空的条件下质谱仪中所有部分均要处高度真空的条件下(10(10-4-4-10-10-6-6TorrTorr或或mmHg), mmHg), 其作用是减少离子碰其作用是减少离子碰撞损失。真空度过低，将会引起：撞损失。真空度过低，将会引起： 大量氧会烧坏离子源灯丝；大量氧会烧坏离子源灯丝； 引起其它分子离子反应，使质谱图复杂化引起其它分子离子反应，使质谱图复杂化； 干扰离子源正常调节；干扰离子源正常调节； 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。(1)(1)、真

13、空系统、真空系统湖北理工学院医学院药学系对进样系统的要求：重复性、不引起真空度降低。对进样系统的要求：重复性、不引起真空度降低。进样方式：进样方式： 间歇式进样：适于气体、沸点低且易挥发的液体、中等蒸汽间歇式进样：适于气体、沸点低且易挥发的液体、中等蒸汽压固体。如图所示。注入样品压固体。如图所示。注入样品(10-100(10-100 g)g)贮样器贮样器(0.5L-3L)(0.5L-3L)抽真空抽真空(10(10-2 -2 Torr)Torr)并加热并加热样品蒸汽分子样品蒸汽分子( (压力陡度压力陡度)漏隙漏隙高真空离子源。高真空离子源。(2). (2). 进样系统进样系统: :典型的间歇式进

14、样系统典型的间歇式进样系统湖北理工学院医学院药学系 直接探针进样：高沸点液体及固体直接探针进样：高沸点液体及固体 探针杆通常是一根规格为探针杆通常是一根规格为25cm25cm 6mm i.d.,6mm i.d.,末端有一装样品的黄末端有一装样品的黄金杯金杯( (坩埚坩埚) )，将探针杆通过真空闭锁系统引入样品，如图所示。，将探针杆通过真空闭锁系统引入样品，如图所示。优点：优点：1 1）引入样品量小，样品蒸汽压）引入样品量小，样品蒸汽压 可以很低；可以很低；2 2）可以分析复杂有机物；）可以分析复杂有机物；3 3）应用更广泛。）应用更广泛。 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

15、混合色谱进样：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。物分析。直接探针引入进样系统直接探针引入进样系统湖北理工学院医学院药学系将引入的样品转化成为碎片离子的装置。根据样品离子化方式和将引入的样品转化成为碎片离子的装置。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：电离源能量高低，通常可将电离源分为：气相源：气相源：先蒸发再激发，适于沸点低于先蒸发再激发，适于沸点低于500500o oC C、对热稳定的样品的、对热稳定的样品的离子化，包括离子化，包括电子轰击源、化学电离源、场致电离源、火花源电子轰击源、化学电离源、场致电离源、火花源；解吸源：解吸源：固态或液态样品不需要

16、挥发而直接被转化为气相，适用固态或液态样品不需要挥发而直接被转化为气相，适用于分子量高达于分子量高达10105 5的非挥发性或热不稳定性样品的离子化。包括场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、离子喷雾源和热喷雾离子解吸源、快原子轰击源、激光解吸源、离子喷雾源和热喷雾离子源等。源等。（3 3）、样品的离子化系统：）、样品的离子化系统：湖北理工学院医学院药学系 采用高速采用高速( (高能高能) )电子束冲击样品，电子束冲击样品，从而产生电子和分子离子从而产生电子和分子离子M M+ +，M M+ +继续受到电子轰继续受到电子轰击而引起化学键的断裂或分子重排，瞬

17、间产生多击而引起化学键的断裂或分子重排，瞬间产生多种离子。种离子。水平方向：灯丝与阳极间水平方向：灯丝与阳极间(70V(70V电压电压)高能电子高能电子 冲击样品冲击样品正离子正离子垂直方向：垂直方向：G3-G4G3-G4加速电极加速电极( (低电压低电压)-)-较小动能较小动能- -狭缝准直狭缝准直G4-G5G4-G5加速电极加速电极( (高电压高电压)-)-较高动能较高动能- -狭缝进一步准直狭缝进一步准直-离子进入质量分析器。离子进入质量分析器。使用最广泛，谱库最完整；电离效率使用最广泛，谱库最完整；电离效率高；结构简单，操作方便；但分子离子峰强度较高；结构简单，操作方便；但分子离子峰强

18、度较弱或不出现弱或不出现( (因电离能量最高因电离能量最高) )。a)a)、 电子轰击源电子轰击源(Electron Bomb Ionization(Electron Bomb Ionization，EI)EI)电子轰击源工作示意图电子轰击源工作示意图湖北理工学院医学院药学系电子电离源（EI）应用最为广泛应用最为广泛挥发性样品的电离挥发性样品的电离湖北理工学院医学院药学系 大多数有机化合物的电离电位为大多数有机化合物的电离电位为 813 eV。 通常用通常用 70 eV 得到的谱图作为标准谱图得到的谱图作为标准谱图( (电离效率电离效率稳定在较高的范围内稳定在较高的范围内) )。 020406

19、080100电离效率电子束的能量 eV注电子伏特 - 一个电子经过真空中的电位差为1伏特的电场所获得的能量； 1 e V 1.602189210-19 J 湖北理工学院医学院药学系图4.6图4.502040608010002040608010002040608010014 e V20 e V70 e VM+。醋 酸 乙 酯COHOCH3COOCH2CH3湖北理工学院医学院药学系样品分子在承受电子轰击前，被一种反应气样品分子在承受电子轰击前，被一种反应气( (通常是甲烷通常是甲烷) )稀释稀释，稀释比例约为，稀释比例约为10103 3:1:1，因此样品分子与电子的碰撞几率极小，所生成，因此样品分

20、子与电子的碰撞几率极小，所生成的样品分子离子主要由反应气分子组成。的样品分子离子主要由反应气分子组成。进入电离源的分子进入电离源的分子R-CHR-CH3 3大部分与大部分与CHCH5 5+ +碰撞产生碰撞产生(M+1)(M+1)+ +离子；小部分与离子；小部分与C C2 2H H5 5+ +反应，生成反应，生成(M-1)(M-1)+ +离子：离子：电离能小，质谱峰数少，图谱简单；准分子离子电离能小，质谱峰数少，图谱简单；准分子离子(M+1)(M+1)+ +峰大峰大, ,可可 提供分子量这一种要信息。提供分子量这一种要信息。252CH3435CH44HHCHCHCHCHCHe2CHeCH44 )

21、1()1(6252245离子离子MMHCMHHCMMHCHMHCH b)b) 、化学电离源、化学电离源(Chemical Ionization, CI)(Chemical Ionization, CI)湖北理工学院医学院药学系化学电离源化学电离源电子轰击源电子轰击源麻黄碱麻黄碱化学电离与电子轰击源质谱图比较化学电离与电子轰击源质谱图比较分子离子峰分子离子峰湖北理工学院医学院药学系作用是将不同碎片按质荷比作用是将不同碎片按质荷比m/zm/z分开。分开。质量分析器类型：磁分析器、飞行时间、四极杆、质量分析器类型：磁分析器、飞行时间、四极杆、离子阱、离子回旋共振等。离子阱、离子回旋共振等。（4 4）

22、、离子的分离系统：）、离子的分离系统：湖北理工学院医学院药学系 单聚焦型单聚焦型(Magnetic sector spectrometer)(Magnetic sector spectrometer)：用一个扇形磁：用一个扇形磁场进行质量分析的质谱仪。场进行质量分析的质谱仪。（a）、磁分析器：）、磁分析器：单聚焦质量分析器原理图单聚焦质量分析器原理图 单聚焦质量分析器只是将单聚焦质量分析器只是将m/z m/z 相同而入射方向不同的离子聚焦到一点（或称实现相同而入射方向不同的离子聚焦到一点（或称实现了方向聚焦）。了方向聚焦）。 但对于但对于m/z m/z 相同而动能（或速度）不同的离子不能聚焦，

23、故其分辨率较低，相同而动能（或速度）不同的离子不能聚焦，故其分辨率较低，一般为一般为50005000。 湖北理工学院医学院药学系4.2 4.2 仪器及原理仪器及原理 由于径向静电场没有质量色散作用，它本身不能作为一台质谱由于径向静电场没有质量色散作用，它本身不能作为一台质谱计使用，但可以用来与磁场组合，以获得高分辨能力。计使用，但可以用来与磁场组合，以获得高分辨能力。 EB加速器加速器 V检测器检测器 D离子源离子源电场分析器电场分析器磁场分析器磁场分析器E e = m2/RVe= m2/2离子从加速电离子从加速电压获得能量压获得能量离子在电场离子在电场作用下偏转作用下偏转离子在磁场离子在磁场

24、作用下偏转作用下偏转He= m2/RR m能量聚焦能量聚焦方向聚焦方向聚焦m/em/e 相同而相同而不同的离子不聚焦在一点上，影响分辨率不同的离子不聚焦在一点上，影响分辨率 只有动能与其曲率半径相应的离子才能通过并进入磁分析器只有动能与其曲率半径相应的离子才能通过并进入磁分析器湖北理工学院医学院药学系 为克服动能或速度为克服动能或速度“分散分散”的问题，即实现所谓的的问题，即实现所谓的“速度速度( (能量能量) )聚聚焦焦”，在离子源和磁分析器之间加一静电分析器（，在离子源和磁分析器之间加一静电分析器（ESAESA），如下图所示，），如下图所示，于两个扇形电极板上加一直流电位于两个扇形电极板上

25、加一直流电位V Ve e，离子通过时的曲率半径为，离子通过时的曲率半径为r re e=U/V=U/V，即不同动能的离子即不同动能的离子r re e不同，换句话说，相同动能的离子的不同，换句话说，相同动能的离子的r re e相同相同-能量能量聚焦了！聚焦了！ 然后，改变然后，改变V V值可使不同能量的离子从其值可使不同能量的离子从其“出射狭缝出射狭缝”引出，并进入引出，并进入磁分析器再实现方向聚焦。双聚焦质量分析器可高达磁分析器再实现方向聚焦。双聚焦质量分析器可高达150,000! 150,000! 双聚焦型双聚焦型(Double focusing spectrometer)(Double fo

26、cusing spectrometer)湖北理工学院医学院药学系（b b）、飞行时间分析器）、飞行时间分析器(Time of flight, TOF)(Time of flight, TOF)飞行时间质谱仪示意图飞行时间质谱仪示意图湖北理工学院医学院药学系过过 程：程：不同荷电碎片在飞出离子源的速度（动能）基本一致。某离子在到不同荷电碎片在飞出离子源的速度（动能）基本一致。某离子在到达无场漂移管前端时，其速度大小为：达无场漂移管前端时，其速度大小为：到达无场漂移管末端的时间为：到达无场漂移管末端的时间为：不同离子通过同一长度为不同离子通过同一长度为L L的无场漂移管，所需时间相差：的无场漂移管

27、，所需时间相差： 由于不同由于不同m/em/e的离子，其飞出漂移管的时间不同，因而实现了离子的分离。因为的离子，其飞出漂移管的时间不同，因而实现了离子的分离。因为连续电离和加速使检测器产生连续输出而不能得到有效信息，因此实际工作中连续电离和加速使检测器产生连续输出而不能得到有效信息，因此实际工作中常采用相同频率的电子脉冲电离和脉冲电场加速，被加速的粒子经不同的时间常采用相同频率的电子脉冲电离和脉冲电场加速，被加速的粒子经不同的时间到收集极上，并反馈到示波器上记录，从而得到质谱图。到收集极上，并反馈到示波器上记录，从而得到质谱图。特特 点：点：扫描速度快扫描速度快( (10001000幅幅/s/

28、s) )，可用于研究快速反应或与，可用于研究快速反应或与GCGC联用；可用于高联用；可用于高质量离子分析；体积小，操作容易；分辨率比磁分析器稍差。质量离子分析；体积小，操作容易；分辨率比磁分析器稍差。2)2(meVv vLt VememLtvvLt2)/()/()11(2121湖北理工学院医学院药学系优点：优点：1 1、不需磁场，只需直线漂移的空间，仪器结构简单；、不需磁场，只需直线漂移的空间，仪器结构简单；2 2、扫描速度快，、扫描速度快，1010-5-51010-6-6s s，适合于，适合于GC-MSGC-MS；3 3、可测定的质量范围取决于飞行时间，因此实际测定、可测定的质量范围取决于飞

29、行时间，因此实际测定离子质荷比没有上限，特别适合生物大分子。离子质荷比没有上限，特别适合生物大分子。湖北理工学院医学院药学系四极杆质量分析器四极杆质量分析器(Quadrupole) 湖北理工学院医学院药学系(c(c）四极杆质量分离器）四极杆质量分离器(Quadrupole mass filter)(Quadrupole mass filter)过程：过程：在两个相对应的极杆之间加上电压在两个相对应的极杆之间加上电压(V+Ucos(V+Ucos t)t)，在，在另两个相对应的极杆上加电压另两个相对应的极杆上加电压-(V+Ucos-(V+Ucos t)t)。其中。其中V V 和和U U分分别为直流

30、电压、交流电压，与前述双聚焦仪的静电分析器别为直流电压、交流电压，与前述双聚焦仪的静电分析器类似，离子进入可变电场后，只有具合适的曲率半径的离类似，离子进入可变电场后，只有具合适的曲率半径的离子可以通过中心小孔到达检测器。子可以通过中心小孔到达检测器。 改变改变V V和和 U U并保持并保持V/V/ U U比值一定，可实现不同比值一定，可实现不同m/em/e离子的检测。离子的检测。特点：特点：分辨率比磁分析器略低分辨率比磁分析器略低(max.2000)(max.2000); ; m/em/e范围与磁范围与磁分析器相当；传输效率比较高；扫描速度快，可用于分析器相当；传输效率比较高；扫描速度快，可

31、用于GC-GC-MS MS 联用仪。联用仪。湖北理工学院医学院药学系四极质量分析器示意图四极质量分析器示意图湖北理工学院医学院药学系离子阱的横截面图离子阱的横截面图(d(d）离子阱）离子阱(Ion trap analyzer)(Ion trap analyzer) 过程：过程：上下端罩上下端罩(End cap)(End cap)与左右环电极与左右环电极(Ring electrode)(Ring electrode)构成可变电场构成可变电场( (前者接地，后者前者接地，后者施以射频电压施以射频电压)带电离子在带电离子在一定轨道上旋转一定轨道上旋转改变电改变电压压可使相同可使相同m/em/e离子依

32、次离离子依次离开进入电子倍增器而分离。开进入电子倍增器而分离。 特点：特点：结构简单、易于操作结构简单、易于操作、GC-MSGC-MS联用可用于联用可用于m/e200-m/e200-20002000的分子分析。的分子分析。湖北理工学院医学院药学系包括包括FaradayFaraday杯、电子倍增器、闪烁计数器、照相底片等杯、电子倍增器、闪烁计数器、照相底片等a)a)、 Faraday Faraday 杯杯特点：可检测特点：可检测1010-15-15A A的离子流，但不适于高加速电压下的离子检测。的离子流，但不适于高加速电压下的离子检测。b b）、电子倍增器：类似于光电倍增管，可测）、电子倍增器：

33、类似于光电倍增管，可测1010-18-18A A电流。电流。c c）、闪烁计数器：记录离子的数目。）、闪烁计数器：记录离子的数目。（5 5）、检测器：）、检测器：FaradayFaraday杯结构原理图杯结构原理图湖北理工学院医学院药学系Agilent7500系列ICP-MS湖北理工学院医学院药学系4.2 质谱中离子的主要类型质谱中离子的主要类型 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分子离子峰、碎片离子峰碎片离子峰、亚稳离子峰亚稳离子峰和同位素离子峰同位素离子峰等。湖北理工学院医学院药学系4.2.1 分子离子分子离子 试样分子在高能电子撞击下产生游

34、离基型正离子，即试样分子在高能电子撞击下产生游离基型正离子，即: : eMeM2 为分子离子或母体离子。为分子离子或母体离子。M 几乎所有的有机分子都可以产生可以辨认的分子离子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强的分子离子峰，峰。有些分子如芳香环分子可产生较强的分子离子峰，而高分子量的脂肪醇、醚及胺等则产生较小的分子离而高分子量的脂肪醇、醚及胺等则产生较小的分子离子峰。若不考虑同位素的影响，分子离子应该具有最子峰。若不考虑同位素的影响，分子离子应该具有最高质量。高质量。湖北理工学院医学院药学系分子失去电子的难易程度：分子失去电子的难易程度： 杂原子上

35、的未成键电子杂原子上的未成键电子 C=C C-C C-H分子离子峰的强度决定于其稳定性：分子离子峰的强度决定于其稳定性： (1)芳香化合物芳香化合物共轭多烯共轭多烯脂环化合物脂环化合物短直链烷烃短直链烷烃 某些含硫化合物；某些含硫化合物； (2)直链的酮、酯、酸、醛、酰胺、卤化物等通常显示直链的酮、酯、酸、醛、酰胺、卤化物等通常显示 分子离子峰；分子离子峰； (3)脂肪族的醇、胺、亚硝酸酯、硝基化合物、腈等化脂肪族的醇、胺、亚硝酸酯、硝基化合物、腈等化 合物以及高分支化合物合物以及高分支化合物无分子离子峰无分子离子峰。湖北理工学院医学院药学系提高分子离子峰相对丰度的方法：提高分子离子峰相对丰度

36、的方法：1，化学电离法（，化学电离法（CI）：）：优点：即使对于不稳定的有机化合物，也可得到相对丰度较大的准分子离子峰。缺点：碎片离子峰较少。2，场致电离法（，场致电离法（FI）:优点：分子离子峰的相对丰度较大，图谱简单。缺点：碎片离子峰较少。3，场解吸电离法（，场解吸电离法（FD）:优点：分子离子峰的相对丰度较场致电离法产生的还要大。特别适合于难气化和热不稳定的化合物如有机酸、甾体、氨基酸、肽和核苷酸、糖苷类、生物碱、抗生素、农药及其代谢产物。缺点：碎片离子峰较少。相对于FAB, 只有正离子质谱。4，快速原子轰击法（，快速原子轰击法（FAB）优点：分子离子峰分子离子峰的相对丰度较大，碎片离子

37、较多，且正、负离子谱均可测定。5，电喷雾质谱（，电喷雾质谱（ESI)：优点：简单明了，一般一级谱只给出准分子离子峰。缺点：往往给出倍数峰。湖北理工学院医学院药学系分子离子峰的识别分子离子峰的识别分子离子峰应该是质谱中分子离子峰应该是质谱中质量数最大的峰质量数最大的峰；分子离子峰必须是一个分子离子峰必须是一个奇电子离子奇电子离子；凡不含氮原子或只含偶数个氮原子的有机分子，其凡不含氮原子或只含偶数个氮原子的有机分子，其分子量必为偶数；而含奇数个氮原子的分子，其分分子量必为偶数；而含奇数个氮原子的分子，其分子量必为奇数。这个规律成为子量必为奇数。这个规律成为氮规则氮规则。应有合理的碎片丢失。在质谱中

38、与分子离子峰紧邻应有合理的碎片丢失。在质谱中与分子离子峰紧邻的碎片离子峰，必定是由分子离子失去一个的碎片离子峰，必定是由分子离子失去一个化学上化学上适当的基团或小分子适当的基团或小分子形成的；形成的；如失去如失去H、CH3、H2O、C2H5.，因而质谱图中可看到，因而质谱图中可看到M-1，M-15，M-18，M-28等峰，而不可能出现等峰，而不可能出现M-3，M-14，M-24等等峰峰.被拟定的分子离子峰的强度与假定的被拟定的分子离子峰的强度与假定的分子结构分子结构必须必须相适应。相适应。湖北理工学院医学院药学系 一般情况，碳数较多，碳链较长和有支链一般情况，碳数较多，碳链较长和有支链的分子，

39、分裂的可能性较大的分子，分裂的可能性较大。分子离子的。分子离子的稳定性差。而有稳定性差。而有键的芳香族化合物和共轭键的芳香族化合物和共轭链烯的分子离子稳定链烯的分子离子稳定,分子离子峰大分子离子峰大. 当分子离子峰出现为基峰时当分子离子峰出现为基峰时,该化合物一般该化合物一般都是芳环、杂环或共轭多烯都是芳环、杂环或共轭多烯 当分子离子峰很弱或不出现时当分子离子峰很弱或不出现时, 该化合物一该化合物一般是醇类化合物般是醇类化合物湖北理工学院医学院药学系4.2.2 同位素离子与分子式的确定同位素离子与分子式的确定%37. 0%1 . 11001001001001001001151513131817

40、171515221313YWNNYCCWOOOZNNYHHXCCWMM M+1和和M+2离子峰通常与离子峰通常与M+分子离子峰同时出现，分子离子峰同时出现，这些峰是由同位素引起的，称为同位素离子峰。这些峰是由同位素引起的，称为同位素离子峰。(1) C H N O元素数目的估计和计算元素数目的估计和计算如分子式为如分子式为CwHxNyOz时，计算时，计算M+1峰贡献峰贡献的公式为：的公式为：计算计算M+2峰贡献峰贡献的公式为：的公式为：%2 . 0200%1 . 122ZWMM湖北理工学院医学院药学系(2) Cl和和Br元素的识别和数目计算元素的识别和数目计算1:198:100:1:34 .32

41、:100:81793735BrBrClCl 若分子中含一个若分子中含一个Cl或或Br，则质谱中会出现，则质谱中会出现M和和M+2离子峰，它们的强度必分别为离子峰，它们的强度必分别为3:1和和1:1。 若分子中含几个若分子中含几个Cl或或Br，可根据二项式，可根据二项式(a+b)n来计算来计算其其M+2，M+4，M+6 同位素峰的强度。同位素峰的强度。 式中，式中，a和和b分别为轻重同位素的相对丰度，分别为轻重同位素的相对丰度，n为分子为分子中含同位素原子的个数。由中含同位素原子的个数。由(a+b)n展开后得到的各项值即展开后得到的各项值即为各同位素的相对强度。为各同位素的相对强度。湖北理工学院

42、医学院药学系例例 计算计算CHBr3 3的同位素强度。的同位素强度。CHBr3中有三个中有三个Br，应出现应出现M+2，M+4，M+6的同位素峰的同位素峰因为因为79Br : 81Br =100:98 1:1在二项式中在二项式中a=1，b=1，n=3(a+b)3 = a3 + 3a2b + 3ab2 + b3 = 1 + 3 + 3 + 1 M M+2 M+4 M+6 33.3 100 100% 33.3%相对强度：相对强度：湖北理工学院医学院药学系4.2.3 碎片离子碎片离子 含较高内能的分子离子在离子源中会进一步裂解而含较高内能的分子离子在离子源中会进一步裂解而生成碎片。质谱图中低于分子离

43、子质量的离子（除准分生成碎片。质谱图中低于分子离子质量的离子（除准分子离子、双电荷离子、亚稳离子外）都是碎片离子。子离子、双电荷离子、亚稳离子外）都是碎片离子。碎片离子碎片离子生成方式生成方式简单裂解简单裂解重排裂解重排裂解氢重排裂解氢重排裂解骨架重排裂解骨架重排裂解湖北理工学院医学院药学系 有机化合物受高能作用时产生各种形有机化合物受高能作用时产生各种形式的分裂，一般强度最大的质谱峰相应于式的分裂，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对峰高的分析，有可能获得整个分子结构的信息。因为的信息。因为M

44、+可能进一步断裂或重排，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因此要准确地进行定性分析最好与标准谱图进行比较。图进行比较。湖北理工学院医学院药学系4.2.4 亚稳离子亚稳离子(m*)若质量为若质量为m1的离子在离开离子源受电场加速后，在进入质量分的离子在离开离子源受电场加速后，在进入质量分析器之前，由于碰撞等原因很容易进一步分裂失去中性碎片而析器之前，由于碰撞等原因很容易进一步分裂失去中性碎片而形成质量形成质量m2的离子，即的离子，即 m1m2+m由于一部分能量被中性碎片带走，此时的由于一部分能量被中性碎片带走，此时的m2离子比在离子源中离子比在离子源中形成的形成的m2离子

45、能量小故将在磁场中产生更大的偏转，观察到的离子能量小故将在磁场中产生更大的偏转，观察到的m/z 较小。这种峰称为较小。这种峰称为亚稳离子峰亚稳离子峰，用，用m*表示。它表示。它的表观质量的表观质量m*与与m1、m2的关系是：的关系是： m* = （ m2 ）2 / m1式中式中m1为母离子的质量，为母离子的质量， m2为子离子的质量。为子离子的质量。在质谱中表现为一个宽峰，可提供母离子和子离子之间的关系。在质谱中表现为一个宽峰，可提供母离子和子离子之间的关系。湖北理工学院医学院药学系 亚稳离子峰由于其具有离子峰宽（约亚稳离子峰由于其具有离子峰宽（约25个个质量单位）、相对强度低、质量单位）、相

46、对强度低、m/z不为整数等特不为整数等特点，很容易从质谱图中观察。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，通过亚稳离子峰可以获得有关裂解信息，通过对通过对m*峰观察和测量，可找到相关母离子峰观察和测量，可找到相关母离子的质量与子离子的质量的质量与子离子的质量m2从而确定裂解途径。从而确定裂解途径。湖北理工学院医学院药学系母离子、子离子与亚稳离子的关系母离子、子离子与亚稳离子的关系CHOCH3OCHOOHO- CO- CH3C CH3O-m/z 136M1(m/z 121)M2(m/z 93)m* = 932/121 = 71.5M1M2m*m/z湖北理工学院医学院药学系

47、4.2.5 多电荷离子多电荷离子 最常见的是双电荷离子最常见的是双电荷离子(m/2zm/2z)，三电荷离子，三电荷离子(m/3zm/3z)比比较少见。双电荷离子在其质量数一半处出现。当离子的较少见。双电荷离子在其质量数一半处出现。当离子的质量是奇数时，其质荷比就不是整数。质量是奇数时，其质荷比就不是整数。湖北理工学院医学院药学系4.3 分子式的确定分子式的确定通过通过高分辨率的质谱计高分辨率的质谱计直接测出化合物的分子式；直接测出化合物的分子式；利用利用低分辨率的质谱计低分辨率的质谱计测得同位素峰与分子离子测得同位素峰与分子离子峰的相对丰度来确定分子式。峰的相对丰度来确定分子式。湖北理工学院医

48、学院药学系4.3.1 高分辨率质谱法高分辨率质谱法 高分辨率的质谱计可测至小数点后高分辨率的质谱计可测至小数点后34位，误差位，误差0.006。以。以12C = 12.000000位基准，位基准，1H的精确质量是的精确质量是1.007825, 16O是是15.994915。通过精确地测出分子离子。通过精确地测出分子离子或碎片离子的或碎片离子的 m/z m/z 值，得到分子式或碎片离子地元素值，得到分子式或碎片离子地元素组成式。组成式。 Beynon将将C、H、O、N的各种可能组合式的精密的各种可能组合式的精密质量排列成表（贝农表），可供将实测到的精确分子质量排列成表（贝农表），可供将实测到的精

49、确分子离子峰质量数与之进行核对，就可以推定分子式。离子峰质量数与之进行核对，就可以推定分子式。也可由也可由Lederberg表推测分子式。表推测分子式。湖北理工学院医学院药学系例：例： 用高分辨率质谱计测得某未知物分子用高分辨率质谱计测得某未知物分子离子峰的质量数为离子峰的质量数为 167.0582，求它的分子式。，求它的分子式。解：如果质谱的误差是解：如果质谱的误差是0.006，则小数部分可以是，则小数部分可以是0.05820.006, 即小数部分应在即小数部分应在0.05220.0642之间。之间。查查Beynon表，质量数整数是表，质量数整数是167，其小数部分在这个，其小数部分在这个范

50、围内的式子有下列范围内的式子有下列3个：个：分子式分子式 分子量分子量C6H7N4O2 167.0570C8H9NO3 167.0583C11H7N2 167.0610其中，其中，C6H7N4O2和和C11H7N2含偶数个含偶数个N, 分子量应为分子量应为偶数，与事实不符，可排除。所以该物质的分子式偶数，与事实不符，可排除。所以该物质的分子式只能是只能是C8H9NO3。湖北理工学院医学院药学系4.3.2 同位素丰度法同位素丰度法 低分辨率的质谱计所得到的分子离子的低分辨率的质谱计所得到的分子离子的m/z m/z 值只能值只能准确到整数位，可能的分子式太多，不能直接确定。一准确到整数位，可能的分

51、子式太多，不能直接确定。一般是借助同位素峰般是借助同位素峰M+1和和M+2与分子离子峰与分子离子峰M的相对丰的相对丰度来判断。度来判断。 将从未知物质谱中测量到的将从未知物质谱中测量到的 (M+1)/M 和和 (M+2)/M的百分数，通过查阅的百分数，通过查阅Beynon表，结合氮原则、有机化学表，结合氮原则、有机化学的基本知识，删去不合理的元素组成之后，有可能得到的基本知识，删去不合理的元素组成之后，有可能得到未知物的分子式。未知物的分子式。湖北理工学院医学院药学系例：某化合物质谱的分子离子区域数据如下：例：某化合物质谱的分子离子区域数据如下：M(151): 35%; M+1(152): 3

52、.22%; M+2(153): 11.36。求其分子式。求其分子式。解：将离子强度的数据换算成以分子离子为解：将离子强度的数据换算成以分子离子为100%的相对强的相对强度数据：度数据：M(151): 100%; M+1(152): 9.2%; M+2(153): 32.5 根据氮规则，该化合物含奇数个氮原子。从根据氮规则，该化合物含奇数个氮原子。从M+2 接近接近32.4%，可知该化合物含有一个，可知该化合物含有一个Cl。减去。减去35Cl的质量，分子汇的质量，分子汇总剩余部分的质量为总剩余部分的质量为116。扣除。扣除37Cl对对M+2的贡献，分子式中的贡献，分子式中其它部分对其它部分对M+

53、2 的贡献为：的贡献为：32.5% - 32.4% = 0.1%。 查查Beynon表，表中质量数为表，表中质量数为116的式子共有的式子共有29个，其中个，其中(M+1)/M的百分比接近的百分比接近9.2%的有三种：的有三种：元素组成式元素组成式 M+1 M+2C8H4O 8.75 0.54C8H6N 9.12 0.37C9H8 9.85 0.43根据氮规则，根据氮规则，C8H4O和和C9H8是不合理的，应排除。故所求分子式为是不合理的，应排除。故所求分子式为C8H6N。湖北理工学院医学院药学系4.4 离子的开裂离子的开裂 分子离子具有过剩的能量，在离子源中会分子离子具有过剩的能量，在离子源

54、中会发生进一步的裂解而生成质量较小的碎片离子，发生进一步的裂解而生成质量较小的碎片离子，有的碎片离子还会进一步裂解，生成质量更小有的碎片离子还会进一步裂解，生成质量更小的碎片离子。的碎片离子。裂解的原则是尽可能形成较为稳定的碎片离子。裂解的原则是尽可能形成较为稳定的碎片离子。湖北理工学院医学院药学系4.4.1、分子的离子化、分子的离子化 分子进行离子化时，能量最高的电子最容易失去，生成分子进行离子化时，能量最高的电子最容易失去，生成的正电荷和游离基就固定在失电子的位置上。的正电荷和游离基就固定在失电子的位置上。 失电子的顺序为：失电子的顺序为：n 如丙酮：如丙酮：33CHCCHO 而而电子的能

55、量很接近，正电荷可以出现在分子中的各电子的能量很接近，正电荷可以出现在分子中的各个位置上。个位置上。4.4 离子的开裂离子的开裂湖北理工学院医学院药学系4.4.2 裂解的表示方法裂解的表示方法XYX + YXYX + YXYX + YCH3CH2N(CH3)2CH2N(CH3)21558- CH3（1）均裂均裂（2）异裂异裂（3）半）半异裂异裂（4）其它表示法其它表示法湖北理工学院医学院药学系4.4.3 裂解的类型裂解的类型(1) 简单裂解RCROR +CRORCROR +CRORCH2CR2R +CH2CR2CH2C RCH2+C R（1） -裂解裂解（2）i-裂解裂解（3） -裂解裂解正电

56、荷诱发的裂解正电荷诱发的裂解（异裂），同时正（异裂），同时正电荷位置发生转移。电荷位置发生转移。带有正电荷的官能团带有正电荷的官能团与相连的与相连的 -C原子之原子之间的均裂。含间的均裂。含n电子电子和和 电子的化合物易发生。电子的化合物易发生。湖北理工学院医学院药学系4.4.3 裂解的类型裂解的类型(2) 复杂裂解QCXYZRHQCXYZRHQCXRH+YZ +（1）麦氏重排麦氏重排(Mclafferty rearrangement)（2）逆狄尔斯阿尔德重排逆狄尔斯阿尔德重排 （retro Diels-Alder ）湖北理工学院医学院药学系CHCHCHCZHR1R2R3R4CHCHR3R4H

57、CCZHR1R2（1 1）麦氏重排（）麦氏重排（Mclafferty rearrangement) )麦氏重排条件：麦氏重排条件：含有含有C=O， C=N，C=S及碳碳双键及碳碳双键与双键相连的链上有与双键相连的链上有 碳，并在碳，并在 碳有碳有H原子（原子（ 氢）氢）六圆环过度，六圆环过度，H 转移到杂原子上，同时转移到杂原子上，同时 键发生断裂，键发生断裂，生成一个中性分子和一个自由基阳离子生成一个中性分子和一个自由基阳离子湖北理工学院医学院药学系204050 6070 80 90 1004357m /z1007129120 130110128(M )30858658COCH2H2CCH2

58、CH2CH3H2CH3C57854371湖北理工学院医学院药学系COCH2H2CCH2CHH2CH3CCH3HCOHCH2H2CH2CCH2CH2CHCH3HCOHCH3CH2H2CCH2m/z=86m/z=58湖北理工学院医学院药学系COCH2CH2CH2CHH2CH2CCH3HCOHCH2H2CCHCH2CH3CHCH2COHCH2H3CH2CCH2m/z=100m/z=58HHCH3湖北理工学院医学院药学系（2）逆狄尔斯阿尔德开裂）逆狄尔斯阿尔德开裂 具有环己烯结构类型的化合物能发生RDA开裂，一般生产一个带正电核的共轭二烯游离基和一个中性分子。+.+ 湖北理工学院医学院药学系4.4.4

59、 影响离子开裂的因素影响离子开裂的因素1.化学键的相对强度2.碎片离子的稳定性3.具有分支的化合物，容易在取代基最多的碳原子处开裂湖北理工学院医学院药学系1键的稳定性键的稳定性 在质谱裂解过程中，键能小的化学键首先断裂，例如：CC（345.3KJ/mol）、CH（408.8KJ/mol），失去烷基是常见的断裂方式，而失去氢原子则很少见。键类型键类型C-CC-NC-OC-SC-HC-FC-ClC-BrO-H单键单键双键双键叁键叁键345607835304615889359748272535409485338284462湖北理工学院医学院药学系 2反应产物的稳定性反应产物的稳定性 a. 在双键、芳

60、环或芳杂环的在双键、芳环或芳杂环的-键上，容易发生键上，容易发生断裂（称为断裂（称为-断裂），生成的正离子与双键、断裂），生成的正离子与双键、芳环或芳杂环共扼而得到稳定。芳环或芳杂环共扼而得到稳定。 RC+HCH CH2CH2RRC+HCH=CH2 + RCH2CH2CH2RCH2+m/e 91XRXCH2X+湖北理工学院医学院药学系b. 生成碳正离子：叔仲伯生成碳正离子：叔仲伯(CH3)3CCH2OH(CH3)3C CH2=O+H(CH3)3C+CH2OH+10%90%i湖北理工学院医学院药学系 c. 生成具有共扼结构的正离子生成具有共扼结构的正离子 含有杂原子含有杂原子的化合物（醇、醚、胺