质谱法完整版本

有机波谱中的四大谱紫外光谱UV－－分子中生色团和助色团红外光谱IR－－分子中官能团和化学键核磁共振波谱NMR－－分子中的原子质谱MS－－分子中的结构单元，分子量

不属于光谱法质谱法MassSpectrometry，MS

教师：谢宝平12units0units8910111213141516massNumberofcounts原子质量单位：Amu,u,Da氢原子：1u=1.66054

10-23g12C=12u在非精确测量中，常以原子或分子量大小来表示质谱：称量离子质量的工具质谱法：应用多种离子化技术，将物质分子转化为各种气态离子并按质荷比m/z大小进行分离其信息，从而进行物质定性、定量分析的方法。质谱法

(massspectrometry)质谱法的发展史：第一台质谱装置诞生于1912年，早期主要用于原子质量、同位素相对丰度等。

1940年代：商品质谱仪出现；

1960年代末：GC-MS联用仪出现。目前质谱技术已发展成为三个分支，即同位素质谱无机质谱有机质谱6质谱法的用途高分辨MS→精确相对分子质量→分子式；离子峰→有机物裂解方法；同位素丰度比及分布特征→分子中C、Cl、Br、S等的原子数；GC-MS、LC-MS→复杂混合物的分离、鉴别和定量。特点：◆

MS不属于光谱分析范围◆MS是唯一可以给出分子量，确定分子式的方法◆仪器结构复杂，造价高◆破坏样品◆测定对象广：无机、有机、同位素分析◆分析速度快，可实现色谱-质谱联用◆质谱法进样量少,灵敏度高注意一、质谱法的基本原理离子源轰击带电荷的碎片离子分离记录(m/z)质谱分析样品气化质谱分析过程二、质谱表示法相对丰度(%)m/z甲苯的质谱图基峰棒图：m/z为横座标，基峰（最强离子峰，规定相对强度为100%）相对强度为纵座标。质谱图上可以直观地观察整个分子的质谱全貌，质谱表：以m/z和相对强度列表，可以准确地给出精确的m/z值及相对强度值

二、质谱表示法甲苯的质谱表元素表：较少用。二、质谱表示法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质谱仪分类：三、质谱仪器ThermoDSQIIEI质谱仪ThermoMAT95XP双聚焦高分辨质谱仪三、质谱仪器三、质谱仪器1200RRLC/6410BQQQ液质联用仪美国AgilentAutoflexIII临床蛋白芯片飞行时间质谱仪美国Bruker

三、质谱仪器QuattroPremierXE

UPLC/三重四极杆串联质谱仪美国WATERS

ThermoScientific™QExactive™GCOrbitrap™

GC-MS/MS三、质谱仪器真空系统VacuumSystem进样系统SampleInlet检测器Detector数据处理系统DataSystem质量分析器MassAnalyser离子源IonizationSourcem/z212.0837(M)C14H12O2质谱分子电离、碎裂离子按m/z分离离子检测1.

真空系统VacuumSystem离子源(1.3×10-4～1.3×10-5Pa)

质量分析器(10-6Pa)主要部件需在高真空下工作，以减少离子碰撞损失。(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放电；(3)引起额外的离子－分子反应，谱图复杂化。真空度过低，则：低真空高真空带电离子检测器检测器气体分子2.

进样系统SampleInlet作用：高效重复地将样品引入到离子源中。要求：大气压下的样品要进入高真空质谱仪，不影响仪器的真空度。

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适于气体、沸点低且易挥发的液体、中等蒸汽压固体。直接探针进样适于热敏性和高沸点液体及固体，引入样品量小，样品蒸汽压可以很低。色谱进样系统利用气相和液相色谱的分离能力，与质谱仪联用，进行多组份复杂混合物分析。2.

进样系统SampleInlet3.电离源IonizationSource将欲分析样品电离，得到带有样品信息的离子气相源：先蒸发再激发，适于沸点低、对热稳定的样品的离子化电子轰击源EI、化学电离源CI、火花源SI等。解吸源：固、液态样品直接转化为气相，适用于分子量高达105非挥发性或热不稳定性样品的离子化快原子轰击源FAB、激光解吸源MALDI、电喷雾源ESI等。硬源：离子化能量高，伴有化学键的断裂，谱图复杂，可得到分子官能团的信息；软源：离子化能量低，产生的碎片少，谱图简单，可得到分子量信息。可据分子电离所需能量不同可选择不同电离源3.电离源IonizationSource电子轰击源(electronionizationEI)化学电离源(chemicalionizationCI)快原子轰击(fastatombombardmentFAB)电喷雾源(electronsprayionizationESI)大气压化学电离（atmosphericpressurechemicalionizationAPCI)基质辅助激光解吸电离（matrixassistedlaserDesorptionionizationMALDI)3.电离源IonizationSource电子轰击源(EI)灯丝电子束M

+e

M+

+2eM+

F+

+N

A+

+B+N….EI源：可变的离子化能量

(10~70eV)，硬电离方式电子能量

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)获得的电子轰击源结构示意图电子轰击源(EI)高的灵敏度有达10万个化合物的数据库可快速检索可根据碎片方式鉴定未知物从碎片离子判定结构质量范围小有可能汽化前发生解离碎片过多有时看不到分子离子EI的优缺点

优点

缺点CI

离子源化学电离源(CI)反应气(CH4、异丁烷、氨、He等)CH4+e→CH4++CH3++CH2++CH++C++H+CH4++CH4

→CH5++CH3CH3

++CH4

→C2H5++H2CH5++M

→(M+1)++CH4C2H5++M

→(M˗1)++C2H6化学电离源(CI)优点：图谱简单；最强峰一般为(M+1)+峰缺点：重现性差，不能制作标准图谱不适用难挥发、热不稳定化合物试样分析得到一系列准分子离子(M+1)+,(M-1)+，(M+29)+等CI源用反应气离子与分子发生反应使其电离，属于软电离方法。CI的优缺点快原子轰击源（FAB）Cu靶氩原子电离电场加速快速离子快速原子电荷交换样品电离轰击样品快原子轰击源（FAB）样品无需加热气化，适于分析大分子量、难气化、热稳定性差的样品。如肽类、低聚糖、天然抗生素等。特点：软电离方式，有较强的准分子离子峰；有较丰富的结构信息；影响因素多，重现性差。电喷雾源(ESI)特点：易形成多电荷离子分子量10000Da的分子带有10个电荷质荷比只有1000Da适于分析极性强的大分子有机物，如蛋白、肽、糖。用于HPLC-MS联用仪。

固体样品液体样品气体样品EICIAPCIMALDIESIAPPI转化成溶液转化成固体转化成气体根据待分析物的化学性质根据待分析物的化学性质3.电离源IonizationSourceGCEI：电子电离源，最常用的气相离子源，有标准谱库CI：化学电离源，可获得准分子离子。PCI，NCILCESI：电喷雾源，最常用的液相离子源，适用于极性较强的化合物，可用于热不稳定化和物的分析APCI：大气压化学电离源，适用于中等极性或弱极性的小分子量化合物，尤其是含杂原子的化合物，不适合热不稳定或在溶液中容易电离的化合物APPI：大气压光电离源，适用于弱极性化合物，如多环芳烃等MALDI：基质辅助激光解吸电离，适合于分析生物大分子，主要与TOF联用3.电离源IonizationSource

将离子源产生的离子按m/z顺序分开并排列成谱。4.质量分析器质量分析器类型：磁分析器、四极杆、飞行时间、离子捕获、离子回旋等。单聚焦型磁分析器：

方向聚焦：m/z

相同,入射方向不同的离子聚焦分辨率较低：一般为5000m/z

相同而动能(或速度)不同的离子不能聚焦仪器R固定，H不变，改变加速电压V由小至大，离子m/z由大至小进入检测器双聚焦型磁分析器方向聚焦：相同m/z，入射方向不同的离子会聚能量聚焦：相同m/z，速度(能量)不同的离子会聚分辨率高，目前高分辨质谱仪中最常用质量分析器

四级杆质量分析器

目前低分辨质谱仪最常用的分析器。优点：较低的真空度下工作；扫描速度快，有利于与色谱仪联用；结构简单、自动化程度高。缺点：分辨率低；质量范围窄，10～1000Da

不能提供亚稳离子信息。5、检测器1)Faraday

杯可检测10-15A的离子流，但不适于高加速电压下的离子检测。2）电子倍增器：

类似光电倍增管，可测10-18A电流。3）微通道板检测器：

记录离子的数目。分辨率：分开相邻质量的能力：R=M/M

6、质谱仪主要性能指标h/10hmm+m

分辨率相邻两峰峰谷高<10%基本分开标志如仪器能分开质量为27.9949和28.0061峰高分辨率质谱仪：分辨率大于10000（小数点后5位）低分辨率质谱仪：分辨率小于10006、质谱仪主要性能指标质量准确度(质量精度)：实测值与理论值相对误差质量精度一般应小于10ppm才能满足定性分析要求6、质谱仪主要性能指标质量范围：有效测量的离子质荷比范围10~几千不同仪器：四极杆：4000Da

离子阱质谱：4000Da

磁质谱：10000Da

傅立叶变换离子回旋共振质谱仪（FT-MS） 50000Da

飞行时间质谱：无上限不同要求：气相色谱：800Da

液相质谱：2000Da

生物分子：10000Da或更大三、质谱中的主要离子分子离子、同位素离子、碎片离子、重排离子、亚稳离子等分子离子碎片离子重排裂解碰撞裂解分子离子分子电离一个电子形成的离子。分子离子的质量与化合物相对摩尔质量相等。M－e

→M·+M·+:分子离子奇数个电子谱图最右端确定分子量有机物杂原子S，O，P，N等上的n电子对最易失去，其次是

电子，后是

电子。碎片离子相对丰度与键断裂的难易及化合物的结构密切相关。特点:

离子峰宽大、相对强度低、

m/z不为整数，可确定裂解途径亚稳离子59.28094.8108123m/z1082/123=94.8802/108=59.2裂解过程m/z123m*94.8108m*59.2

80对氨基茴香醚由于天然同位素存在，质谱上出现M+1，M+2等离子同位素离子M+1:13C1.12%,33S1.78%M+2:37Cl32.5%,81Br98%,34S4.4%同位素丰度比：

含量（丰度）12C轻质98.89%13C重质1.108%丰度比=13C%12C%×100=1.12%

如CH4中，12C和13C丰度比为1.12%12CH413CH4质谱中MM+1100%1.12%MM+1=1.12100同位素峰强比和自然界中丰度比一样峰强比可推断是否含S、Cl、Br等及其原子数目分子中同位素丰度比和含同位素原子的个数决定峰强比，用表示①只含C、H、O的化合物M/z相对峰强（%）150（M）100151(M+1)9.9152(M+2)0.9例：一个含CHO的化合物C9H10O2②分子中Cl分子中含二个ClCH2Cl2m(60)m+2(62)CH3Cl35CH3Cl37MM+2M+4一个Cl同位素丰度比计算（a+b）n轻质同位素丰度比重质同位素丰度比二个Cl:(3+1)2=(3+1)(3+1)=9:6:1

9+3+3+1mm+2m+4

MM+2M+2M+41:2/3:1/9三个Cl:(3+1)3=27+27+9+1mm+2m+4m+6

1:1:1/3:1:27原子个数③分子中含Br1个BrM:(M+2）=1:12个BrM:(M+2）:(M+4)=1:2:13个BrM:(M+2):(m+4):(M+6)=1:3:3:1M:M+2=100:97.31:1

含1个Br④分子中含Cl、Br1个Cl，1个Br:（a+b)n(c+d)n’=(3+1)1(1+1)1=3:4:1=3+3+1+1M

M+2

M+2

M+4重质同位素丰度比轻质同位素丰度比

峰强比具有加合性将Cl、Br对M+2峰贡献减去M+2峰<4.44%,则分子中不含S、Cl、Br⑤分子中含S化学电离源电子轰击源麻黄碱化学电离与电子轰击源下麻黄碱的质谱图比较分子离子峰分子离子峰和碎片离子峰的识别对有机分子的定性分析十分重要，可以通过选择不同离子源来获得不同的信息。四、有机化合物的裂解方式分子离子碎片离子重排裂解碰撞裂解单纯开裂重排开裂复杂开裂单电子转移：双电子转移：含奇数个电子的离子：含偶数个电子的离子：+电荷位置不明时：阳离子的裂解类型－表示方法单纯开裂－均裂(homolyticcleavage)

如：

化学键开裂后，两个成键电子分别保留在各自的碎片上。R1>R2单纯开裂－异裂(heterolyticcleavage)

化学键开裂后，两个成键电子全部转移到某一碎片上。

如：R1>R2正己烷单纯开裂－半异裂(hemi-heterolyticcleavage)或如：已离子化的σ键的开裂过程。重排开裂－McLafferty

重排（麦氏重排）含有双键C=X（C=O、C=N、C=S、C=C）与双键相连的链上有碳，并在

碳有H原子（氢）六圆环过度，H

转移到X原子上，同时

键发生断裂，生成一个中性分子和一个自由基阳离子

碳

键+麦氏重排麦氏重排+重排开裂－逆Diels-Alder重排丁二烯离子中性分子五、质谱分析法注意：最高质量峰不一定是分子离子峰！！同位素峰样品不纯或仪器有污染，产生杂质峰样品分子稳定性差，分子离子峰弱或不出现1、分子离子峰的确认通常分子离子峰位于质谱图最右边。（一）分子结构的测定分子离子峰的确定①原则上除同位素峰外，分子离子峰是最高质量的峰注意“醚、胺、脂的(M+H)+峰”“芳醛、醇等的(M-H)+峰”。②分子离子峰应符合“氮律”。C、H、O化合物：分子离子峰m/z

偶数；C、H、O、N化合物：偶数个N

m/z

偶数奇数个N

m/z

奇数。③分子离子峰与邻近峰的质量差是否合理。3~14无意义有机分子失去H、CH3、H2O、C2H5…….

质谱图中可看到M-1，M-15，M-18，M-29等峰，不可能出现M-3，M-14，M-24等峰。分子离子峰的确定④EI源中，当电子轰击电压降低，强度不增加的峰不是分子离子峰。⑤改变实验条件，得到M峰或M±1峰。2、相对分子量的测定分子离子峰的质荷比＝相对分子量离子中丰度最大的同位素质荷比分子中各元素质量的加权平均值分子量较大时，两者可差1个质量单位，如三油酸甘油酯，低分辨率测得分子量为884，实际相对分子量为885.44。?五、质谱分析法3、分子式的确定CO27.994914N228.006147近似值都是28C2H428.031299五、质谱分析法低分辨质谱通过同位素相对丰度法确定分子式根据M+1/M与M+2/M百分比值，计算或查表高分辨质谱：直接由精密相对分子质量通过计算机系统确定分子式，目前质谱分析中应用最多。由精密质量查贝农表可知离子（分子）的元素组成m=66C5H6C4H2O2C3H2N266.046866.010566.02184、结构鉴定：

找出各质谱峰m/z、相对峰高等信息，根据各类化合物的裂解规律，重组整个分子结构。采用与标准谱库对照的方法。5、质谱定量分析利用离子流强度与离子数目成正比进行定量同位素测定、无机痕量分析（ICP-MS）五、质谱分析法正癸烷分子离子峰较弱：C1(100%)，C10(6%)，C16(小)，C45(0)。有m/z

：29，43，57，71，……CnH2n+1系列峰(σ—断裂)，基峰常为C3H7+(m/z43)。CnH2n+1峰两侧常出现“伴峰”，即CnH2n和CnH2n-1系列峰直链烷烃（二）有机物质谱特征支链烷烃分支处首先裂解叔C阳离子最稳定烯烃20406080100120140160180200103050709011013015017019021022023010080901006050302040700%

OF

BASE

PEAKC3m/z=41C4m/z=55C5m/z=69C8m/z=83C6m/z=97C7C9C10C11C12196分子离子峰较强。有m/z

：27，41，55，69，……CnH2n－1

系列峰。易发生β开裂，生成稳定结构烯丙基正碳离子C3H5+(m/z41),常为基峰。m/z

41十四烯-14.具有重排离子峰。烯烃重排离子峰(McLafferty重排)芳烃分子离子峰较强。烷基取代苯易发生β开裂，经重排产生tropyliumion(m/z

91),常为基峰。β开裂卓鎓离子C7H7+

m/z91环戊二烯环丙烯γH烷基取代苯有麦氏重排m/z92脂肪醇＋·m/z:31,45,59…m－18……分子离子峰很弱，随碳链的增长而减弱，甚至消失。易发生α开裂，生成一组含羟基离子，m/z31＋14n。易发生脱水重排反应，产生M－18离子。醛分子离子峰较强，且芳醛强于脂肪醛。易α裂解产生R+(Ar+)、m/z29及M-1离子峰。具有γ氢的醛麦氏重排，产生m/z44+14n重排离子长链脂肪醛可β裂解生成无氧系列碎片峰m/z29，43，57…M－1M－29m/z29α均裂α均裂α异裂醛的麦氏重排与β裂解m/z44β开裂异裂烷基碎片酮脂肪酮的分子离子峰很强，但随分子量增加而减弱。易α裂解，由均裂失去较大烷基，生成含氧的碎片离子，也异裂产生m/z15，29，43……无氧碎片离子系列。具有γ氢的酮，能产生麦氏重排，过程与醛相同均裂异裂m/z15＋14nm/z43

基峰

均

异酸与酯芳酸与酯分子离子峰较强。易发生α裂解－R·－·OR1－CO－COOR1+R+具有γ氢的羧酸与酯，能产生麦氏重排。分子离子峰，分子量同位素峰种类数目分子式不饱和度由碎片离子峰推测结构式核对分子式及不饱和度五、质谱分析法（三）有机化合物的质谱解析C9H10O2U=530507090110130150170190314351657991108150例150（M）35151(M+1)3.46152(M+2)0.315m/z91，65，51说明含有基团,m/z43说明含CH3CH2CH2或含9个C说明为

含1个O，结构式可能是：碎片峰归属m/z

归属4351659110831395177105M(136)结构式：OCH3+例C8H8O2U=5+.裂解过程：+均裂异裂异裂++-C2H2-C3H2m/z105m/z31m/z77m/z51m/z39例下列哪个物质不发生麦氏重排A.B.C.D.27295177105122150例解：(M+2)%=0.006nc2+0.20no(M+1)%=1.12ncnc=9no=2M=150,得分子式为C9H10O2U=5(可能有苯环)碎片峰归属如下：27295177105122150C2H3+C2H5+C4H3+C6H5+C6H5CO+C6H5COOH+