第1章 质谱分析13

1、第一章第一章 质谱分析质谱分析Mass spectrometry, MS 简述：简述： 质谱分析法是通过对被测样品离子质荷质谱分析法是通过对被测样品离子质荷比比 m/z(mass-charge ratio)的测定来进行分析的测定来进行分析的方法。被分析的样品首先要离子化，然后的方法。被分析的样品首先要离子化，然后利用不同离子在电场或磁场中运动行为的不利用不同离子在电场或磁场中运动行为的不同；把离子按质荷比分开而得到质谱图，通同；把离子按质荷比分开而得到质谱图，通过对质谱图分析，得到样品的定性、定量结过对质谱图分析，得到样品的定性、定量结果。果。图图 3-1 甲烷的质谱图甲烷的质谱图本次课应掌握

2、的知识点本次课应掌握的知识点:1. 质谱法的分析过程是什么质谱法的分析过程是什么?质谱仪器有哪质谱仪器有哪几种类型几种类型?2质谱仪是由哪几部分组成的，各部分的作质谱仪是由哪几部分组成的，各部分的作用是什么用是什么? 3质谱仪离子源有哪几种质谱仪离子源有哪几种?叙述其工作原理叙述其工作原理和应用特点。和应用特点。4. 质谱仪质量分析器有哪几种，叙述其工作质谱仪质量分析器有哪几种，叙述其工作原理和应用特点原理和应用特点? 6-1 质谱的发展历史质谱的发展历史 早在早在19世纪末世纪末(1886年年)德国科学家德国科学家 E.Goldstein在低压放电试验中观察到正电荷粒子在低压放电试验中观察到

3、正电荷粒子, 随后随后W.Wein发现正电荷粒子束在磁场中发生偏转发现正电荷粒子束在磁场中发生偏转, 这些观察结这些观察结果为质谱的产生提供了准备。果为质谱的产生提供了准备。 被誉为现代质谱学之父的英国学被誉为现代质谱学之父的英国学 者者J.J.Thomson(1906年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖 获得者）在二十世纪初即开展了正电荷获得者）在二十世纪初即开展了正电荷 离子束的物理学研究，从而发明了质谱离子束的物理学研究，从而发明了质谱 法法, 获得第一张质谱图，并发现氖的两获得第一张质谱图，并发现氖的两 个同位素个同位素 22Ne 和和 20Ne。J. J. ThomsonF. W. As

4、ton 第一台精密质谱仪是英国科学家第一台精密质谱仪是英国科学家阿斯顿（阿斯顿（ Aston ）于）于1919年制成的。年制成的。阿斯顿用这台装置发现了多种元素同阿斯顿用这台装置发现了多种元素同位素，研究了位素，研究了53个非放射性元素，发个非放射性元素，发现了天然存在的现了天然存在的 287 种核素中的种核素中的 212种，第一次证明原子质量亏损。种，第一次证明原子质量亏损。1920年，年，Aston首先引入首先引入“质谱质谱” (mass spectrum)这一术语这一术语, 他为此荣获他为此荣获1922年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。 1942年，第一台商品质谱仪问世。年，第一台商品质谱

5、仪问世。 在相当长的时期内，质谱工作者的注意在相当长的时期内，质谱工作者的注意力都集中在用质谱分析、分离同位素的工作。力都集中在用质谱分析、分离同位素的工作。如如: 人们曾用质谱法分离获得毫克级的人们曾用质谱法分离获得毫克级的 39K； 40年代年代, 用质谱分析核燃料用质谱分析核燃料235U 和和 238U 同位同位素。素。 50 年代以后，有机质谱的研究朝着两方年代以后，有机质谱的研究朝着两方面发展，其一是研究有机物离子裂解机理，面发展，其一是研究有机物离子裂解机理，另一方面是运用质谱推导有机分子结构。另一方面是运用质谱推导有机分子结构。 在在1988 年，出现了电喷雾电离质谱年，出现了电

6、喷雾电离质谱(electrospray ionization mass spectrometry，ESI-MS)和基质辅助激光解析电离飞行时间质谱和基质辅助激光解析电离飞行时间质谱 (matrix-asisted laser desorption ionization time of flight mass spectrometry,MALDI-TOF-MS), 傅里叶傅里叶变换质谱法变换质谱法 (Fourier transform mass spectrometry,MALDI-FTMS)开创了有机质谱分析开创了有机质谱分析研究生物大分子的新领域。研究生物大分子的新领域。 有机质谱跨出近代结

7、构化学和分析化学的领域有机质谱跨出近代结构化学和分析化学的领域而进入了生物质谱的范畴，也就是进入了生命科学而进入了生物质谱的范畴，也就是进入了生命科学的范畴。的范畴。生物质谱大致在下列领域展开工作生物质谱大致在下列领域展开工作: 蛋白质分子质量的测定，氨基酸序列分蛋白质分子质量的测定，氨基酸序列分析，蛋白质的质量肽谱，天然和生物合成蛋析，蛋白质的质量肽谱，天然和生物合成蛋白质突变体分析，酶的活力部位研究和蛋白白质突变体分析，酶的活力部位研究和蛋白质折叠和高级结构的研究，核酸片段分子质质折叠和高级结构的研究，核酸片段分子质量测定，寡核苷酸序列分析，核酸修饰部位量测定，寡核苷酸序列分析，核酸修饰部

8、位的鉴定以及多糖和寡糖结构分析等。的鉴定以及多糖和寡糖结构分析等。1-21-2 质谱仪器原理质谱仪器原理 质谱分析的基本原理是使所研究的化合物质谱分析的基本原理是使所研究的化合物形成离子，然后使形成的离子按质量，确切地形成离子，然后使形成的离子按质量，确切地讲按质荷比讲按质荷比 m/z (mass-charge ratio)，进行分离。，进行分离。因此质谱仪器必须具备下述几个部分：因此质谱仪器必须具备下述几个部分： 此外，尚有真空系统、计算机控制及数据此外，尚有真空系统、计算机控制及数据处理系统等。处理系统等。 （动画）进样系统离子源质量分析器检测器 一一. 真空系统真空系统 质谱仪的离子源、

9、质量分析器及检测器必质谱仪的离子源、质量分析器及检测器必须处于高真空状态须处于高真空状态(离子源的真空度应达离子源的真空度应达 10-3 10-5 Pa, 质量分析器应达质量分析器应达 10-6Pa)，若真空度，若真空度低则低则: (1) 大量氧会烧坏离子源的灯丝大量氧会烧坏离子源的灯丝;(2) 会使本底增高，干扰质谱图会使本底增高，干扰质谱图;(3) 引起额外的离子引起额外的离子-分子反应，改变裂分子反应，改变裂 解模型，使质谱解释复杂化。解模型，使质谱解释复杂化。二二. .进样系统进样系统1. 储罐进样储罐进样 图图1-3是一种进样系统的示意图。对于气体是一种进样系统的示意图。对于气体及沸

10、点不高、易于挥发的液体，可以用图中及沸点不高、易于挥发的液体，可以用图中上方的进样装置。贮样器为玻璃或上釉不锈上方的进样装置。贮样器为玻璃或上釉不锈钢制成，抽低真空钢制成，抽低真空(1Pa)，并加热至，并加热至 150，试样以微量注射器注入，在贮样器内立即气试样以微量注射器注入，在贮样器内立即气化为蒸气分子，然后由于压力梯度，通过漏化为蒸气分子，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。孔以分子流形式渗透入高真空的离子源中。 2. 探头进样探头进样 对于高沸点的液体、固体对于高沸点的液体、固体, 可以用探针可以用探针(probe)杆直接进样杆直接进样(图图1-3下方下方).

11、调节加热温调节加热温度，使试样气化为蒸气。此方法可将微克量度，使试样气化为蒸气。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的温度可冷却至约 -100，或在数秒钟内加，或在数秒钟内加热到较高温度热到较高温度(如如 300 左右左右)。 3. 色谱进样色谱进样 复杂混合物的直接质谱数据是没有意复杂混合物的直接质谱数据是没有意义的。借助色谱的有效分离，质谱可以义的。借助色谱的有效分离，质谱可以在一定程度上鉴定出混合物的成分。在一定程度上鉴定出混合物的成分。 三三. 离子源离子源(ion source) 1. 电子轰击离子源电子轰击离子

12、源 (Electron Impact, EI) 被分析的气体或蒸气首先进入仪器被分析的气体或蒸气首先进入仪器的离子源，转化为离子。使分子电离的的离子源，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手段很多。最常用的离子源是电子轰击离子源，其构造原理如图离子源，其构造原理如图 1-4 所示。所示。 图图1-4 电子轰击离子源电子轰击离子源 动画动画 M + e- M+ + 2 e- 电子由直热式阴极电子由直热式阴极(多用铼丝制成多用铼丝制成) 发射，发射，在电离室在电离室 (正极正极)和阴极和阴极(负极负极)之间施加直流电之间施加直流电压压(70V)，使电子得到加速而进入电离室中。

13、，使电子得到加速而进入电离室中。当这些电子轰击电离室中的气体当这些电子轰击电离室中的气体(或蒸气或蒸气)中的中的原子或分子时，该原子或分子就失去电子成原子或分子时，该原子或分子就失去电子成为正离子为正离子(分子离子分子离子): M + e- M+ + 2e- 分子离子继续受到电子的轰击，使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度裂解成多种碎片离子( (正离子正离子) )。 总的讲，离子源的作用是将试样分总的讲，离子源的作用是将试样分子或原子转化为正离子，并使正离子加子或原子转化为正离子，并使正离子加速、聚焦为离子束

14、，此离子束通过狭缝速、聚焦为离子束，此离子束通过狭缝而进入质量分析器。而进入质量分析器。 EI 源中电子轰击的能量远远超过普通化学源中电子轰击的能量远远超过普通化学键的键能，过剩的能量将引起分子多个键的断键的键能，过剩的能量将引起分子多个键的断裂，生成许多碎片离子，由此提供分子结构的裂，生成许多碎片离子，由此提供分子结构的一些重要信息。一些重要信息。 但对有机物中相对分子质量较大、或极性但对有机物中相对分子质量较大、或极性大，热稳定性差的化合物，在加热和电子轰击大，热稳定性差的化合物，在加热和电子轰击下，分子易破碎，难给出完整的分子离子信息，下，分子易破碎，难给出完整的分子离子信息，这是这是

15、EI 源的局限性。源的局限性。 为了解决这类有机物的质谱分析，发展了为了解决这类有机物的质谱分析，发展了一些软电离技术。一些软电离技术。如化学电离源如化学电离源(chemical ionization，CI)场致电离源场致电离源(field ionization，FI)场解析电离源场解析电离源(field desorption，FD)快原子轰击离子源快原子轰击离子源(fast atom bombardment， FAB)等等。等等。 2. 化学电离源化学电离源(CI) 在离子源内充满一定压强的反应气体，在离子源内充满一定压强的反应气体，如甲烷、异丁烷、氨气等等，用高能量的如甲烷、异丁烷、氨气等

16、等，用高能量的电子电子(100eV)轰击反应气体使之电离、电离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离子反应形成准分子离子 QM+ (quasi-molecular ion)和少数碎片离子。以甲烷作和少数碎片离子。以甲烷作反应气体为例，以高能量电子轰击时，反反应气体为例，以高能量电子轰击时，反应气体发生下述反应应气体发生下述反应:一级反应一级反应:CH4 + e- CH4+ + CH3+ + CH2+ + CH+ + C+ + H2+ + H+ + ne- 二级离子二级离子-分子反应分子反应:CH4+ + CH4

17、CH5+ + CH3 CH3+ + CH4C2H5+ + H2 在在 CI 谱图中准分子离子往往是最强峰，谱图中准分子离子往往是最强峰，便于从便于从 QM+ 推断相对分子质量、碎片峰较推断相对分子质量、碎片峰较少，谱图较简单，易于解释，使用少，谱图较简单，易于解释，使用 CI 源源时需将试样气化后进入离子源，因此不适时需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用于难挥发、热不稳定或极性较大的有机物分析（物分析（动画动画）。）。3. 场致电离源场致电离源(FI) 场致电离源是在相距很近场致电离源是在相距很近(dSO , 所以所以, 如果同一分子中有两种不同的杂原子如果

18、同一分子中有两种不同的杂原子官能团官能团, 究竟哪一种官能团优先支配裂解究竟哪一种官能团优先支配裂解, 将将遵循上述次序遵循上述次序, 例如例如: CH2 CH2OHNH2CH2OHCH2CH2CH2NH2NH2+.OH.优先 U U. 含有羰基的化合物含有羰基的化合物,如醛如醛,酮酮,酯等也易发酯等也易发 生生裂解裂解, 如如:R C RR + C R.O UO+含含丙丙烯基的烃类也可发生烯基的烃类也可发生 裂解：裂解：R CH2 CH CH2R + CH2 CH CH2.U 丙烯基离子中丙烯基离子中, 正电荷与双键正电荷与双键电子共轭而电子共轭而致稳致稳, 所以这类裂解容易发生所以这类裂解

19、容易发生, 相应碎片离子丰相应碎片离子丰度较强。度较强。苄基离子与苄基离子与 鎓离子鎓离子(tropylium ion )共轭而共轭而致稳：致稳：CH2U苄基离子卓翁离子 含烃基侧链的芳烃也有类似丙烯基的结含烃基侧链的芳烃也有类似丙烯基的结构，所以也易发生这类构，所以也易发生这类 a 裂解，如：裂解，如：二电荷中心引发的裂解二电荷中心引发的裂解 电荷中心引发的裂解又称诱导裂解。用电荷中心引发的裂解又称诱导裂解。用 i 表示，通式如下：表示，通式如下： 奇电子离子奇电子离子:+.OE : R Y RR + YR.iRRRRC YC YR + R C Y.iUU. 例如：例如： C2H5 OC2H

20、5C2H5 + OC2H5.iC OC2H5C2H5C OC2H5C2H5C2H5 + C2H5 C O.iTT偶电子离子偶电子离子, EE+: 例如例如:R Y CH2R + Y CH2iUUHCIR OH2R + H2OR OHi 三三 游离基中心引发的重排游离基中心引发的重排 在质谱中往往出现一些特定重排反应在质谱中往往出现一些特定重排反应,产产生的离子丰度高。这些重排特征离子对推导生的离子丰度高。这些重排特征离子对推导分子结构很有启示作用。最常见的这类重排分子结构很有启示作用。最常见的这类重排是 麦 克 拉 夫 悌 重 排 （是 麦 克 拉 夫 悌 重 排 （ M c L a f f

21、e r t y rearrangement）。它是由自游基中心引发）。它是由自游基中心引发,涉及到涉及到H 转移重排转移重排, 所以用所以用H 表示，表示，有两种类型：有两种类型： 1. H 重排到不饱和基团上，伴随发生重排到不饱和基团上，伴随发生裂裂解，电荷保留在原来的位置上。解，电荷保留在原来的位置上。 2. H 重排到不饱和基团上，伴随发生重排到不饱和基团上，伴随发生 i 裂裂解，电荷发生转移。解，电荷发生转移。 同一个分子离子既可发生（同一个分子离子既可发生（1）型裂）型裂解，也可发生（解，也可发生（2）型裂解。究竟哪种类）型裂解。究竟哪种类型裂解占优势，由分子中取代基决定。只型裂解占

22、优势，由分子中取代基决定。只有有H 转移是因为转移是因为H 刚好合适能量低刚好合适能量低的六元环过渡态。的六元环过渡态。OH.OHOR+.R = CH3 , 40%( I = 9eV ) R = C6H5 , 5%OH.OHR+.R = CH3 , ( I = 9.8) ,5%R = C6H5 , ( I = 8.2) ,100% - HRHHHRRi Y = O 的醛、酮、羧酸、羧酸酯、酰胺、硫酸酯的醛、酮、羧酸、羧酸酯、酰胺、硫酸酯均易发生这种重排裂解。均易发生这种重排裂解。H2NHCH3.NH+. - HCH3N(CH3)2N(CH3)2腙m/z 85, 100%; m/z 86, 90

23、%C2H5HC2H5HC2H5+. - Hm/z 91, 100% ; m/z 92, 60%戊基苯HH. Y=N 的腙、肟、亚胺以及磷酸酯、亚硫酸酯易发生的腙、肟、亚胺以及磷酸酯、亚硫酸酯易发生这类重排裂解。不含杂原子的炔和烷基苯也能发生。如：这类重排裂解。不含杂原子的炔和烷基苯也能发生。如：本次课应掌握的重点：本次课应掌握的重点：1. 什么是什么是 Mclafferty 重排重排? 哪些类型的有机哪些类型的有机 物能发生物能发生Mclafferty 重排重排? 2. 在有机化合物质谱图中在有机化合物质谱图中, 哪些有明显的分子哪些有明显的分子离子峰离子峰? 哪些有较弱的分子离子峰哪些有较弱

24、的分子离子峰? 哪些分哪些分子离子峰不可见或几乎不可见子离子峰不可见或几乎不可见?3. 熟记各类有机化合物的基峰和主要碎片离子熟记各类有机化合物的基峰和主要碎片离子峰峰.四影响离子丰度的因素四影响离子丰度的因素 上面提到的这些特定裂解反应和重排反上面提到的这些特定裂解反应和重排反应往往产生丰度较强的离子。另外还有一些应往往产生丰度较强的离子。另外还有一些因素影响着离子的丰度，如：因素影响着离子的丰度，如： 1产物离子的稳定性产物离子的稳定性 影响离子稳定性最重要的因素是共轭效影响离子稳定性最重要的因素是共轭效应，有共振结构的体系，由于共轭效应稳定应，有共振结构的体系，由于共轭效应稳定性必大，因

25、而丰度也就较高。如：性必大，因而丰度也就较高。如：2最大烷基的丢失最大烷基的丢失 在反应中心最大烷基最易丢失，这是一在反应中心最大烷基最易丢失，这是一个普遍倾向。丢失的烷自由基因超共轭效应致个普遍倾向。丢失的烷自由基因超共轭效应致稳。烷基越大，分支越多，致稳效果越好，因稳。烷基越大，分支越多，致稳效果越好，因而裂去后剩下的离子丰度也越高。而裂去后剩下的离子丰度也越高。 稳定性： C4H9 C2H5CH3H 离子丰度 ：C2H5CHC4H9CH3C2H5CHCH3CHC4H9CH3C2H5CHC4H9C2H5CC4H9CH3.： 1-5 各类化合物的裂解特征各类化合物的裂解特征 1. 烷烃烷烃

26、烷烃质谱有下列特征：烷烃质谱有下列特征： a. 直链烃的直链烃的 M+. 峰常可观察到，不过其强峰常可观察到，不过其强度随分子量增大而减小。度随分子量增大而减小。 b. M15 峰最弱，因为直链烃不易失去峰最弱，因为直链烃不易失去甲基（甲基（CH315）。）。 c. m/z 43(C3H7)+ 和和 m/z 57(C4H9)+ 峰总是峰总是最强（基准峰），因为丙基离子和丁基离子最强（基准峰），因为丙基离子和丁基离子很稳定的缘故。支链烃往往在分支处裂解形很稳定的缘故。支链烃往往在分支处裂解形成的峰强度较大，因为形成稳定的仲或叔正成的峰强度较大，因为形成稳定的仲或叔正碳离子。碳离子。 d. 环烷的

27、环烷的 M+. 峰一般较强。环开裂时峰一般较强。环开裂时一般失去含两个碳的裂片，所以往往一般失去含两个碳的裂片，所以往往出现出现 m/z 28 (C2H4)+, m/z 29(C2H5)+和和 M-28, M-29 的峰。的峰。 不同类型烷类裂解的可能机理示不同类型烷类裂解的可能机理示例如下：例如下：例例1：直链烃：直链烃CH3CH2CH2CH2CH2CH3烷烃离子化- eCH3CH2CH2CH2CH2CH3分子离子m/z = 86.CH2 +CH3CH2CH2CH2 CH2CH3CH3CH2 + CH2CH2CH2CH3均裂分子离子自由基裂片离子CH2+CH2CH2CH3丙基离子m/z =

28、57m/z = 43.正己烷质谱数据：正己烷质谱数据：m/z 29 41 43 57 (基准峰基准峰) 86（M+）相对丰度相对丰度/ 46 73 83 100（基准峰）（基准峰）15.5图图 1-17 正己烷的质谱图正己烷的质谱图例例2 2 支链烃支链烃 CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH2CCH3CH3CH2 CCH3CH3CH2 CCH3CH3CH2 + CCH3烷烃分子离子m/z = 86分子离子自由基稳定离子m/z = 57离子化均裂.图图1-18 2,2-二甲基丁烷的质谱图二甲基丁烷的质谱图例例3 3 环烷烃环烷烃C2H4+离子化 键异裂烷烃分子离子 m/z

29、 = 84m/z = 56丁基离子.环己烷质谱数据环己烷质谱数据:m/z 16 27 38 42 52 56 70 84(M+)相对丰度相对丰度 1.0 18 2 26 1 100 1.4 73图图1-19 环己烷的质谱图环己烷的质谱图2.2.烯烃烯烃 烯烃质谱有下列特征：烯烃质谱有下列特征： a. 烯烃易失去一个烯烃易失去一个电子，所以其分子离子电子，所以其分子离子峰明显，其强度随分子量增大而减小。峰明显，其强度随分子量增大而减小。 b. 烯烃质谱中最强峰（基准峰）是双键烯烃质谱中最强峰（基准峰）是双键位位置置 C-C 键断裂的峰（丙烯基型裂解）。带键断裂的峰（丙烯基型裂解）。带有双键的裂片

30、带正电荷。有双键的裂片带正电荷。 由于丙烯基型裂解，于是出现由于丙烯基型裂解，于是出现 m/z 41,55,69,83 等（等（CnH2n-1）的离子峰。这）的离子峰。这些峰比相应烷烃裂片峰少两个质量单位。些峰比相应烷烃裂片峰少两个质量单位。例如，丁烯的质谱数据为：例如，丁烯的质谱数据为：m/z 15 20* 26 28 37.5* 41 52 56相对丰度相对丰度 2 0.1 8 27 0.1 100 1 39*表示双电荷峰。表示双电荷峰。 c. 往往发生麦克拉夫悌重排裂解，产生往往发生麦克拉夫悌重排裂解，产生 CnH2n 离子。离子。 HHHC2H4CH2CH2或+.图图1-20 戊烯的质

31、谱图戊烯的质谱图 d. 环己烯类发生逆向狄尔斯环己烯类发生逆向狄尔斯-阿尔德裂阿尔德裂解：解： C2H4+.e. 值得注意的是，由质谱裂片峰并不能值得注意的是，由质谱裂片峰并不能 确定烯烃分子中双键位置异构体，因为确定烯烃分子中双键位置异构体，因为在裂解过程中往往发生双键位移。在裂解过程中往往发生双键位移。3. 芳烃芳烃 芳烃的质谱特征是：芳烃的质谱特征是： a. 分子离子峰明显。分子离子峰明显。 b. 带烃基侧链烃的芳烃常可发生苄基带烃基侧链烃的芳烃常可发生苄基型裂解型裂解, 产生产生 鎓离子基准峰鎓离子基准峰 m/z=91, 如基如基准峰的准峰的 m/z 为为 91+n 14, 则表明苯环

32、则表明苯环-碳碳上另有甲基取代上另有甲基取代, 形成了取代的形成了取代的 鎓离子鎓离子, 如如:CHRMeCMeHMeCMeRMeCMeMeMeMe- R- R.+ 鎓离子有时进一步裂解形成环戊烯鎓离子有时进一步裂解形成环戊烯基离子基离子 (C5H5)+ 和环丙烯基离子和环丙烯基离子 (C3H3)+ ,质谱上出现明显的质谱上出现明显的 m/z = 39 和和 65 峰。峰。m/z = 39m/z = 91m/z = 65图图1-23 异丙基苯的质谱图异丙基苯的质谱图c.带有正丙基或丙基以上侧链的芳烃带有正丙基或丙基以上侧链的芳烃(含含-H)经麦克拉夫悌重排产生经麦克拉夫悌重排产生 C7H8 离

33、子离子(m/z=92).H2CCH2CH2HHRCH2CHRHm/z = 92.CH+图图1-24 丙基苯的质谱图丙基苯的质谱图1.醇醇 醇类的质谱有下列特征醇类的质谱有下列特征 ：a. 分子离子峰很微弱或者消失。分子离子峰很微弱或者消失。b. 所有伯醇（甲醇例外）及高分子量仲醇和所有伯醇（甲醇例外）及高分子量仲醇和叔醇易脱水形成叔醇易脱水形成 M-18 峰，不要将峰，不要将 M-18 峰误认为峰误认为 M 峰。脱水过程为：峰。脱水过程为：OHHC(CH2)nCH2RHCH2HCRH2O- H2O(CH2)n+.+(M-18) c. 直链伯醇可能发生麦克拉夫悌重排直链伯醇可能发生麦克拉夫悌重排

34、（1，4失水），同时脱水和脱烯，如：失水），同时脱水和脱烯，如：OH2CHH2CCH2CHRHH2CCH2CHRH2CH2O+m = 28M - 46+.+2e图图1-25 己醇的质谱图己醇的质谱图 M=102其中其中69峰脱去了峰脱去了CH3OH2d. 羟基的羟基的C-C键容易断裂键容易断裂(裂解裂解) ，形成极，形成极强的强的 m/z 31峰（峰（CH2OH）+，伯醇）、，伯醇）、m/z 45峰（峰（MeCHOH）+， 仲醇）或仲醇）或 m/z 59峰峰（Me2COH）+，叔醇），这些峰对于鉴定，叔醇），这些峰对于鉴定醇类极重要。因为醇的质谱由于脱水而与相醇类极重要。因为醇的质谱由于脱水而

35、与相应烯烃的质谱相似，而应烯烃的质谱相似，而 31 或或 45，59 峰的存峰的存在则往往可判断样品是醇而不是烯。在则往往可判断样品是醇而不是烯。CHOHRHH2COHRCMeOMeRHMe2COHRCCH3OHRHMeHCOHR伯醇：仲醇：叔醇：+m/z = 31m/z = 45m/z = 59.+.+.+. e. 在醇的质谱中往往可以观察在醇的质谱中往往可以观察到到 m/z 19(H3O)+和和 m/z 33(CH3OH2)+的峰。的峰。图图1-26 3-甲基甲基2-戊醇的质谱图戊醇的质谱图 M=102图图10-27 3-甲基甲基3-戊醇的质谱图戊醇的质谱图 M=102其中其中55峰脱去了

36、峰脱去了CH3CH2OH22酚和芳香醇酚和芳香醇 a. 正如其他芳香化合物一样，酚和芳正如其他芳香化合物一样，酚和芳香醇的香醇的 M+. 峰很强，酚的峰很强，酚的 M+. 峰往往是它峰往往是它的基准峰。的基准峰。 b. 苯酚的苯酚的 M-1 峰不强，而甲苯酚和苄峰不强，而甲苯酚和苄醇的醇的 M-1 峰很强，因为产生了较稳定峰很强，因为产生了较稳定 的的 鎓离子。鎓离子。HOCH2OHOHCH3- H- H对甲苯酚离子M - 1苄醇离子. c. 酚类和苄醇类最特征的峰是酚类和苄醇类最特征的峰是失去失去 CO 和和 CHO 所形成的所形成的 M-28 和和 M-29 峰：峰：OHHHOHCOH苯酚

37、离子m/z = 94100%(M)m/z = 66M28(环戊烯基阳离子)m/z = 65M29.+.+HCH2OHOHHHMHH2苄醇离子m/z = 108m/z = 107M1m/z = 79M29m/z = 77M31CO.图图1-29 苄醇的质谱图苄醇的质谱图三三. 卤化物卤化物 卤化物的质谱有下列特征：卤化物的质谱有下列特征： a. 脂肪族卤化物脂肪族卤化物 M+. 峰不明显，芳峰不明显，芳香族的明显。香族的明显。 b. 氯化物和溴化物的同位素峰是很氯化物和溴化物的同位素峰是很特征的。特征的。 含一个含一个 Cl 的化合物有的化合物有 M+2 峰，其强度峰，其强度相当于相当于 M 峰

38、的峰的13（由于（由于 37Cl同位素存在）。同位素存在）。含一个含一个 Br 的化合物有与的化合物有与 M 峰强度相等的峰强度相等的 M+2 峰（由于峰（由于 81Br 同位素存在）。含有两个同位素存在）。含有两个 Cl 或两个或两个 Br 或同时含一个或同时含一个 Cl 和一个和一个 Br 的的化合物，质谱中出现明显的化合物，质谱中出现明显的 M+2 峰。因此由峰。因此由同位素同位素 M+2,M+4,M+6 等可估计试样中卤素等可估计试样中卤素原子的数目，如下表所示。原子的数目，如下表所示。 c. 卤化物质谱中通常有明显的卤化物质谱中通常有明显的 X，M-X, M-HX 峰和峰和 M-R

39、峰，如：峰，如：ii)RCCH2XHHRCHCH2 + HX(当XF 或 Cl 时，强峰)+.i) RXR + X (当XBr 或 I 时，强峰)R + X均裂.+.异裂iii) CH3CH2X+.CH2X + CH3 (-碳上最重取代基优先丢失)+.RH2CH2CCH2CH2BrH2CH2CCH2CH2Briv)+ R(氟或碘化合物及支链卤化物不易形成此类杂环离子)m/z = 135.+图图1-51 1-溴戊烷的质谱图溴戊烷的质谱图 M=150107峰脱去了丙基峰脱去了丙基43脱脱Br脱脱HBr脱脱CH3四四. 醚醚醚的分子离子裂解方式与醇相似。醚的分子离子裂解方式与醇相似。 a. 脂肪醚的

40、脂肪醚的 M+. 很弱，但可观察出来。很弱，但可观察出来。芳香醚的芳香醚的 M+. 峰较强。若增大样品用量或增峰较强。若增大样品用量或增大离子化室压力，可使大离子化室压力，可使 M+. 及及 M+1 峰增强。峰增强。 b. 脂肪醚主要按下列三种方式裂解：脂肪醚主要按下列三种方式裂解： i i） 裂解裂解 正电荷留在氧原子上，正电荷留在氧原子上，取代多的基团优先丢失，如：取代多的基团优先丢失，如：CH3CH2CHOCH2CH3CH3CH2 + CHOCH2CH3CH3CH3CH3 + CH3CH2CHOCH2CH3m/z =73m/z = 87.+.ii） i 裂解裂解 这种裂解在醇中一般难于发

41、生，这种裂解在醇中一般难于发生，因为醚发生这种裂解后所形成的烷氧基裂片因为醚发生这种裂解后所形成的烷氧基裂片 OR 较较OH稳定稳定 ，故较易发生。，故较易发生。 这样的裂解导致形成这样的裂解导致形成 m/ /z = 29,43,57,= 29,43,57,7171等峰。等峰。RORRO + R异裂.+iii）重排）重排 i 裂解裂解 这样的裂解导致形成这样的裂解导致形成 m/z = 28,42,= 28,42,56,70 56,70 等峰。等峰。 RCOCH2HCHRRCOH +H2CCHR.+图图1-31 甲基戊基醚的质谱图甲基戊基醚的质谱图 M=102 裂解裂解, M-C4H970-15

42、 c.c.芳香醚只发生氧原子芳香醚只发生氧原子裂解，如：裂解，如：O CH2CH3O CH2CH3+ CO均裂.+ 五五. 醛、酮醛、酮 a. 羰基化合物氧原子上的未成键电子很容羰基化合物氧原子上的未成键电子很容易被轰去一个电子，所以醛和酮的易被轰去一个电子，所以醛和酮的 M+. 峰都峰都明显，不过脂肪族醛和酮的明显，不过脂肪族醛和酮的 M+. 峰不及芳香峰不及芳香族的强。族的强。 b. 脂肪族醛、酮中，主要裂片峰是由麦克脂肪族醛、酮中，主要裂片峰是由麦克拉夫悌重排裂解产生的离子，如：拉夫悌重排裂解产生的离子，如：.+ 醛类裂解时，正电荷也可能留在不含醛类裂解时，正电荷也可能留在不含氧的裂片上

43、，则形成氧的裂片上，则形成 M-44 的强峰。的强峰。HH2CH2CCH2CROCH2CH2CROCH2H+醛: RH, m/z = 44酮: R= 烃基 , m/z =58,72,86 等+.+.正戊醛的质谱图正戊醛的质谱图 M=86M-1,Mm/z = 44294157 c.c.醛、酮也能发生醛、酮也能发生裂解，如醛类的裂解，如醛类的裂解：裂解： RCOHababRC O + HHC O + Rm/z = 29M1.+.脂肪醛的脂肪醛的 M-1 峰强度一般与峰强度一般与 M+. +. 峰近似，峰近似，而而 m/z 29往往很强。芳香醛则易产生往往很强。芳香醛则易产生 R+ 离子离子（M-2

44、9），因为苯环共轭效应致稳的缘故。），因为苯环共轭效应致稳的缘故。 酮类发生类似裂解，脱去的自由基碎片酮类发生类似裂解，脱去的自由基碎片是较大的烃基：是较大的烃基：CORRR CO+R ( RR )均裂m/z = 43, 57, 71等.+. 也可能发生异裂，导致形成烃基也可能发生异裂，导致形成烃基离子：离子：CORRR CO+异裂.+Rm/z = 15, 29, 43, 57等 芳香酮发生芳香酮发生裂解，最终导致产生裂解，最终导致产生苯基离子，如：苯基离子，如： CCH3OH3CCOCOCO+m/z = 77CH3m/z = 105 ( 基准峰 )+.abab d. 其他有利于鉴定醛的裂片离

45、其他有利于鉴定醛的裂片离子峰是子峰是M-18（M-H2O），），M-28（M-CO）。）。2-己酮的质谱图己酮的质谱图 M=100M5843HH2CH2CCH2CROCH2CH2CROCH2H+醛: RH, m/z = 44酮: R= 烃基 , m/z =58,72,86 等+.+. 六六. 羧羧 酸酸a.脂肪羧酸及其酯的脂肪羧酸及其酯的 M+. 峰一般较弱，但仍峰一般较弱，但仍可观察出。它们最特征峰是可观察出。它们最特征峰是 m/z = 60 峰，由峰，由于麦克拉夫悌重排裂解产生：于麦克拉夫悌重排裂解产生：OCH2CCH2CHHRHOCHOOHCH2H2CCHR+m/z = 60 ( 基准峰

46、 ).+. m/z 45峰（峰（裂解，失去裂解，失去R ，成为，成为（CO2H）+ 通常也很明显。通常也很明显。 低级脂肪酸常有低级脂肪酸常有M-17（失去（失去OH），）， M-18 (失去失去H2O)和和M-45（失去（失去CO2H） 等峰。等峰。 b. 芳香羧酸的芳香羧酸的 M+ 峰相当强，其他明显峰峰相当强，其他明显峰是是 M-17，M-45 峰。邻位取代的芳香羧酸可能峰。邻位取代的芳香羧酸可能发生重排失水形成发生重排失水形成 M-18 峰。例如：峰。例如：CCH2OOHHCH2COCCH2O 裂解H2OM136m/z = 118 ( M18 ).+.+.OCH2CCH2CHHRHOC

47、HOOHCH2H2CCHR+m/z = 60 ( 基准峰 ).+.M=8888M-156045M=102M-1560M-29M-29M=116M-4360七七. 羧羧 酸酸 酯酯 a. a. 直链一元羧酸酯的直链一元羧酸酯的 M+ 峰通常可峰通常可观察到，芳香羧酸酯的观察到，芳香羧酸酯的 M+ 峰较明显。峰较明显。 b. b. 羧酸酯的强峰（有时为基准峰）通羧酸酯的强峰（有时为基准峰）通常来源于下列两种类型的裂解：常来源于下列两种类型的裂解：RCOORR+COROm/z = 15, 29, 43, 57等( M45, M59等 )m/z = 45, 59, 73, 87等( M15, M29,

48、 M43等 )RCOOR+m/z = 17, 31, 45, 59等( M43, M47等 )m/z = 43, 57, 71等( M17, M31, M45等 )ORRCO.+.+或：ai c. c.由于麦克拉夫悌重排裂解，甲酯可形由于麦克拉夫悌重排裂解，甲酯可形成成 m/z = 74, 乙酯可形成乙酯可形成 m/z = 88 的基准峰，的基准峰，如：如：OCH2CCH2CHHRH3COCH3COOHCH2H2CCHR+m/z = 74.+.d.d.二元羧酸及其甲酯形成强的二元羧酸及其甲酯形成强的 M+ 峰，其峰，其强度随两个羟基接近程度增大而减小。二强度随两个羟基接近程度增大而减小。二元羧

49、酸出现由于元羧酸出现由于裂解失去两个羟基的裂解失去两个羟基的 M-90 -90 峰。峰。M=116M-15M-2974M-OCH3M=130M-29M-OCH374M-43 八胺八胺 胺的质谱与醇的质谱有某些相似，胺的质谱与醇的质谱有某些相似，值得注意。值得注意。 a. 脂肪直链胺的脂肪直链胺的 M+ 峰很弱，或者消失。峰很弱，或者消失。脂环胺及芳胺脂环胺及芳胺 M+ 峰较明显。含奇数峰较明显。含奇数 N 的胺的胺其其 M+ 峰质量数为奇数。低级脂肪胺及芳香峰质量数为奇数。低级脂肪胺及芳香胺可能出现胺可能出现 M-1峰（失去峰（失去H）。）。 b. 正如醇一样，胺的最重要峰是正如醇一样，胺的最

50、重要峰是 裂解峰。裂解峰。在大多数情况下，这种裂片离子峰往往是基准在大多数情况下，这种裂片离子峰往往是基准峰。峰。RCNRCN+m/z = 30, 44, 58, 72, 86等.+ -碳无取代的伯胺碳无取代的伯胺 R-CH2NH2，即形成，即形成 m/z = 30 的强峰（的强峰（CH2=N+H2）。这一峰可作）。这一峰可作为分子中有伯氨基存在的佐证，但不能作为为分子中有伯氨基存在的佐证，但不能作为确证，因为：确证，因为：RCH2NHCH2CH3R+CH2NHCH2CH2CH2NH2 + CH2CH2m/z = 30仲胺离子H.+.c. 胺类极为特征的峰是胺类极为特征的峰是 m/z =18峰

51、峰(NH4+)。醇类也有醇类也有m/z =18峰（峰（H2O+）。但两者不难）。但两者不难区别，在胺类中质量数区别，在胺类中质量数 18 与与 17 峰的比值远峰的比值远大于醇类的比值。大于醇类的比值。图图1-43 丁胺的质谱图丁胺的质谱图M=7373九九. 酰胺酰胺酰胺的质谱行为与羧酸的相似。酰胺的质谱行为与羧酸的相似。 a. 酰胺的酰胺的 M+ 峰（含一个峰（含一个 N 原子的为奇原子的为奇数质量）一般可察觉。数质量）一般可察觉。 b. 正如羧酸一样，酰胺的最重要裂片离子峰正如羧酸一样，酰胺的最重要裂片离子峰（往往是基准峰）是（往往是基准峰）是 裂解产物。凡含有裂解产物。凡含有 -氢原子的

52、酰胺通常发生麦克拉夫悌重排，致氢原子的酰胺通常发生麦克拉夫悌重排，致使使 m/z =59 为主峰：为主峰：HH2CH2CCH2CONH2OCH2CNH2HCH2CH2+m/z = 59.+.丁酰胺的质谱图丁酰胺的质谱图 M=8787CONH2HH2CH2CCH2CONH2OCH2CNH2HCCH2HH+m/z = 59.+.十十. 腈腈 a. 高级脂肪腈高级脂肪腈 M+ 峰不见。增大样品量或增峰不见。增大样品量或增大离子化室压力可增强大离子化室压力可增强 M+ 峰，峰，M+1 峰也峰也可察出。可察出。 b. 腈的质谱中腈的质谱中 M-1 峰明显，有利于鉴定此类峰明显，有利于鉴定此类化合物，脱氢

53、裂片离子由于下列共轭效应而化合物，脱氢裂片离子由于下列共轭效应而致稳。致稳。RCCNRHCCNH.+. c. C4C10的直链腈产生的直链腈产生 m/z = 41 的基的基准峰，由于准峰，由于CH2=C=N+ H 形成，即发生了形成，即发生了麦克拉夫悌重排裂解。麦克拉夫悌重排裂解。HRHCH2CCH2CNNCH2CHRCHCH2+m/z = 41+.+HRHCH2CCH2CNNCH2CHRCHCH2+m/z = 41+.+腈：腈：正庚腈的质谱图正庚腈的质谱图 M=111M-15M-1M-29 十一十一. 硝基物硝基物 a. 脂肪硝基物一般不显脂肪硝基物一般不显 M+ 峰。峰。 b. 在在 m/

54、z = 46 及及 30 出现出现 NO2+ 和和 N+O 碎片碎片峰峰 。 c. 高级脂肪硝基物的一些最强峰是由于产生高级脂肪硝基物的一些最强峰是由于产生烃基离子烃基离子(CC 键断裂产生键断裂产生)。图图1-49 1-硝基戊烷的质谱图硝基戊烷的质谱图4630 M=117M-NO2M-29d. 芳香硝基物显出强的芳香硝基物显出强的 M+ 峰（含奇数峰（含奇数 N，M 峰质量为奇数），此外显出峰质量为奇数），此外显出 m/z = 30(N+O)及及 M -30，M-46，M-58 等峰，例如等峰，例如: NO2HHHHHONO2NOC4H3m/z = 77 M46m/z = 51m/z = 9

55、3M30M58m/z = 65.- COm/z = 123 作业：作业： 1三癸基苯、苯基十一基酮、三癸基苯、苯基十一基酮、1，2-二甲基二甲基-4-苯甲酰萘和苯甲酰萘和2，2-萘基苯并噻吩的相对分子萘基苯并噻吩的相对分子质量分别为质量分别为260.2504， 260.2140，260.1201和和260.0922，若基于分子离子峰对它们作定量分，若基于分子离子峰对它们作定量分析，需要多大的分辨率析，需要多大的分辨率? 2某芳烃某芳烃( M =134 )，质谱图上于，质谱图上于m/z 91处显处显一强峰，试问其结构可能为下列化合物中的一强峰，试问其结构可能为下列化合物中的哪一种哪一种?(A)(

56、B)(C)(D)本次课应掌握的重点：本次课应掌握的重点：1、质谱图解析步骤。、质谱图解析步骤。2、GC-MS联用技术原理。联用技术原理。3、 GC-MS 分析得到的主要信息有哪些？分析得到的主要信息有哪些？4、在用、在用GC-MS联用法进行定量分析时，除了可以使联用法进行定量分析时，除了可以使用总离子流色谱图的峰面积计算之外，可否利用质用总离子流色谱图的峰面积计算之外，可否利用质量色谱图或选择离子色谱图进行定量量色谱图或选择离子色谱图进行定量? 为什么为什么? 5、目前、目前LC-MS 的接口装置有哪些？原理为何？的接口装置有哪些？原理为何？ 1-6 质质 谱谱 解解 析析 在用质谱法鉴定纯化

57、合物的结构时，应在用质谱法鉴定纯化合物的结构时，应首先与标准谱图进行对照，以核对该化合物首先与标准谱图进行对照，以核对该化合物的结构。常用的标准谱图有：的结构。常用的标准谱图有：1、Registry of Mass Spectral Data, 由由John Wiley 出版共收集出版共收集2万张谱图。万张谱图。2、Eight Peak Index of Mass Spectra， 由由Mass Spectrometry Data Center出版出版,收收集了集了1万余张谱图。万余张谱图。3、目前最常用的质谱谱库有：、目前最常用的质谱谱库有：NIST库、库、 NIST/EPA/NIH库、库、

58、Wiley库等。库等。 NIST库是由美国国家科学技术研究所库是由美国国家科学技术研究所(Nation Institute of Sciences and Technology)出版。出版。NIST/EPA/NIH库是由美国国家科学技术研究所库是由美国国家科学技术研究所(NIST)、美国环保局、美国环保局(EPA)和美国国立卫生研究院和美国国立卫生研究院(NIH)共同出版。最新版本的主库收有共同出版。最新版本的主库收有191 436张标准张标准质谱图，而复制库还有质谱图，而复制库还有28 307张标准质谱图，无机库张标准质谱图，无机库有有717张标准质谱图，张标准质谱图，MS/MS库有库有3

59、898个阳离子和个阳离子和1 410个阴离子的个阴离子的14 802张质谱图。第张质谱图。第7版本的版本的Wiley/NIST库收有标准质谱图超过库收有标准质谱图超过562 000张，张，MS/MS库收有库收有5 308 张母体离子的质谱图，结构库中张母体离子的质谱图，结构库中有超过有超过350 000个化合物的结构。个化合物的结构。 )2(1134nnnU 若该化合物为未知物质，则可依照已介绍若该化合物为未知物质，则可依照已介绍的方法，得到化合物的相对分子质量和分子的方法，得到化合物的相对分子质量和分子式后，大致按如下程序解析质谱：式后，大致按如下程序解析质谱：第一、根据分子式，用经验式：第

60、一、根据分子式，用经验式：计算化合物的不饱和度计算化合物的不饱和度（unsaturation-number）U。从而可估算分子结构式中是否。从而可估算分子结构式中是否有双键、三键、及芳香环，并可验证光谱解析有双键、三键、及芳香环，并可验证光谱解析结果的合理性。结果的合理性。 第二，注意分子离子峰相对于其它峰第二，注意分子离子峰相对于其它峰的强度，以此为化合物的类型提供线索。的强度，以此为化合物的类型提供线索。 第三，注意分子离子和高质量数碎片第三，注意分子离子和高质量数碎片离子以及碎片离子之间的离子以及碎片离子之间的 m/z 的差值。找的差值。找到从分子脱掉离子的可能碎片或中性分子到从分子脱掉