质谱原理与方法课件

一、质谱发展史1910年，英国剑桥大学J.J.Thomson首先发现了氖的同位素（20Ne22Ne)，1934年，双聚焦质谱仪，大大提高了分辨率。二战期间，用于美国原子弹制造计划（研究235U）。1942年，世界上第一台商品化质谱仪问世，并用于石油分析。1953年，出现新型质量分析器－四极滤质器。1955年，脉冲飞行时间分析器问世并出现新的离子化手段，火花离子源、二次离子源等。60年代以后，更多的新的离子化方法：EI，FD，CI，激光离子化，ICP，FAB，ESI，复杂的质谱仪推出，离子探针，三级四极杆，四极杆飞行时间，磁场四极，磁场飞行时间，离子回旋共振等，气质联用(GC-MS)。1974年等离子体质谱。1981年快原子轰击质谱(FAB)。1988年，多级电喷雾电离质谱(ESI-MS)，液质联用（LC-MS）。90年代以后，EPI-MS，ESI-MSMALDI-MS用于生物间非共价键作用研究，联用技术发展迅速,核磁共振质谱连用(NMR-MS)。二、质谱分析原理

1、质谱仪组成：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

1.电子倍增管

2、光电倍增管

2、质谱仪的特点质谱仪需要在高真空下工作：离子源（10-3

10-5Pa

）质量分析器（10-6Pa

）(1)大量氧会烧坏离子源的灯丝；(2)用作加速离子的几千伏高压会引起电；(3)引起额外的离子－分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。3、质谱定义与特点定义：质谱是在高真空系统中测定样品的分子离子及碎片的质量，以确定样品相对分子质量及分子结构的方法研究对象：同位素、无机物、有机物、生物大分子、聚合物等质谱用途：1、测分子量

2、测分子式

3、测分子结构质谱优点：1、应用范围广泛

2、灵敏度高10-15mol(UV

10-6IR10-8NMR10-5)

3、信息多质谱缺点：1、高真空操作

2、需要精致的电压、电流、磁场三、质谱仪原理

与结构图电离室原理与结构1、离子源：

（1）电子轰击源(EI)优点:碎片丰富,通过给出离子的碎裂方式可以帮助鉴定化合物缺点:缺少分子离子峰加速电子金属热丝（铼，氧化钍）阳极反射极板（2）化学电离源（CI）优点:可以产生很强的分子离子峰,又称软电离源甲烷为反应气的化学电离源（3）场解吸电离源(FD软电离源)（4）电喷雾电离源(ESI软电离源)

电喷雾电离源原理2、质量分析器分类扇形磁偏转分析器四极杆质量分析器离子阱（四极离子阱）分析器飞行时间质谱分析器离子回旋共振质谱分析器（1）磁偏转分析器在磁场存在下，带电离子直线运动改为曲线轨迹飞行；

离心力=向心力；m

2/R=H0eV曲率半径：

R=(m

)/zH0

质谱方程式：m/z=(H02R2)/2V离子在磁场中的轨道半径R取决于：m/z

、H0、V改变加速电压V,可以使不同m/z

的离子进入检测器。质谱分辨率=M/M=M/M2-M1

（指仪器对质量非常接近的两种离子的分离能力）加速后离子的动能(直线运动）:(1/2)m

2=eV

=[(2V)/(m/z)]1/2扇形磁偏转分析器示意图（2）四极杆质量分离器仪器与结构与质谱联用仪器仪器内部结构联用仪器（GC/MS）SampleSample

58901.0DEG/MINHEWLETTPACKARDHEWLETTPACKARD5972AMassSelectiveDetectorDCBA

ABCDGasChromatograph(GC)MassSpectrometer(MS)SeparationIdentificationBACD联用仪器（LC/MS）四、质谱中的各种离子1、分子离子：由失去分子中最低电离能的电子形成，用于测定分子量（单电荷分子离子m/z

等于分子量）2、碎片离子：由分子离子进一步开裂形成，

用于测定分子结构

3、同位素离子：由同位素形成，用于测定分子式4、准分子离子：比分子多或少一个（H、Na或K）的离子，用于测定分子量5、双电荷离子和多电荷离子：由于不同的电离原理形成，用于测定大分子的分子量

6、亚稳离子：稳定离子M1寿命>10-5秒，由M1开裂生成不稳定离子M2

不稳定离子M2

寿命<10-6秒，亚稳离子寿命10-6~10-5秒，检测器记录的M*

叫亚稳离子，表观质量数M*M*=M22/M1M*是一个小数，用于判断M2是否由M1裂解而来7、络合离子m/z可以大于分子离子的m/z五、质谱离子形成与表示法1、电子转移的表示：鱼钩代表单个电子的转移，箭头代表一对电子的转移。2、质谱离子的电荷表示方法3、分子离子峰1）、分子离子的稳定性分子电离一个电子形成的离子所产生的峰。单电荷分子离子的质量与化合物的相对摩尔质量相等。

有机化合物分子离子峰的稳定性顺序：芳香化合物＞共轭链烯＞烯烃＞脂环化合物＞直链烷烃＞酮＞胺＞酯＞醚＞酸＞支链烷烃＞醇。2）、分子离子峰的特点：

一般质谱图上质荷比最大的峰为分子离子峰；有例外。形成分子离子需要的能量最低，一般约１０电子伏特。

质谱图上质荷比最大的峰一定为分子离子峰吗？如何确定分子离子峰？3）、确定分子离子峰的Ｎ规律

由Ｃ、Ｈ、Ｏ组成的有机化合物，Ｍ一定是偶数。由Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎ组成的有机化合物，Ｎ奇数，Ｍ奇数。由Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎ组成的有机化合物，Ｎ偶数，Ｍ偶数。分子离子峰与相邻峰的质量差必须合理。例如：CH4

M=1612C+1H×4=16

M13C+1H×4=17M+112C+2H+1H×3=17M+113C+2H+1H×3=18M+2同位素峰分子离子峰2、同位素离子峰（M+1峰）

由于同位素的存在，可以看到比分子离子峰大一个质量单位的峰；有时还可以观察到M+2，M+3……..；同位素离子峰的用途－质谱法求分子式

同位素峰相对强度法求分子式1）、各种同位素在自然界的天然丰度是定值参看199页、表5-22）、每一种化合物的同位素强度比是定值可以从理论上计算出的M+1/M值3）、从质谱图上可以读取M+1与M峰的强度,

从实测值进一步算出M+1/M值4）、所以利用同位素强度比可以测定分子式例1：CH3CH2OH的分子式：C2H6O

如果把M峰的丰度作为100则:(M+1)%=(1.108×2＋0.015×6+0.04×1）＝2.346％那么：在质谱图上M+1强度/M强度＝2.346％即：M+1/M=2.346%对应的分子式是C2H6O

求分子式的过程与方法略2、高分辨质谱法求分子式1、每一种元素都有精确原子量例如：1H=1.007832H=2.014112C=12.0000

13C=13.0033514N=14.0030715N=15.00011

16O=15.9949117O=16.99991418O=17.99916

19F=18.998434S=33.9678636S=35.96709所以每一个分子式有精确的分子量例如：CO=12.0000+15.99491=27.99491N2=14.00307×2＝28.00614C2H4=12.0000×2＋1.00783×4＝28.03132CH2N=12.0000+1.00783×2＋14.00307＝28.01873

如果在质谱图上给出28.0177应是CH2N具体计算方法（略）六、质谱裂解类型（1）、

σ―裂解（2）、α-裂解，β-裂解，

-裂解（4）、重排裂解（5）、1烯丙基裂解（6）、苄基裂解

当有机化合物蒸气分子进入离子源受到电子轰击时，按下列方式形成各种类型离子（分子碎片）：ABCD+e-

ABCD+

+2e-分子离子BCD•

+A+

B•

+A+

CD•

+AB+

A

•

+B+

ABCD+

D•

+C+

AB•

+

CD+

C•

+D+碎片