1、1第第9章章 质谱分析法质谱分析法(MS)9.1 概述概述9.2 质谱仪器质谱仪器 9.2.1 进样系统进样系统 9.2.2 离子源离子源 9.2.3 质量分析器质量分析器 9.2.4 检测器检测器 9.2.5 质谱联用技术质谱联用技术9.3 质谱解析质谱解析 9.3.1 质谱中的离子质谱中的离子 9.3.2 常见有机化合物的质谱常见有机化合物的质谱 9.3.3 239.1 概述概述质谱法是通过将样品转化为运动的气态质谱法是通过将样品转化为运动的气态离子并按质荷比离子并按质荷比(M/Z)(M/Z)大小进行分离并记录大小进行分离并记录其信息的分析方法所得结果以图谱表达，其信息的分析方法所得结果以
2、图谱表达，即所谓的质谱图根据质谱图提供的信息可即所谓的质谱图根据质谱图提供的信息可以进行多种有机物及无机物的定性和定量分以进行多种有机物及无机物的定性和定量分析、复杂化合物的结构分析、样品中各种同析、复杂化合物的结构分析、样品中各种同位素比的测定及固体表面的结构和组成分析位素比的测定及固体表面的结构和组成分析等等9.1.1质谱分析法质谱分析法4质谱分析法是通过测定待测样品离子的质质谱分析法是通过测定待测样品离子的质荷比（荷比（mass-to-charge-ratio）来进行分析的）来进行分析的方法。方法。Overview of Mass SpectrometryMass SpectrumMas
3、s AnalyzerIonizationM+/FragmentationSample Molecule (M)9.1 概述概述59.1.2质谱仪的发展简史质谱仪的发展简史 1912年：年： 世界第一台质谱装置世界第一台质谱装置 1940年代年代: 质谱仪用于同位素测定质谱仪用于同位素测定 1950年代：分析石油年代：分析石油 1960年代：研究年代：研究GC-MS联用技术联用技术 1970年代：商品年代：商品GC-MS出现，计算机引入，出现，计算机引入， GC-MS技术基本成熟。技术基本成熟。 1980年代：大气压电离的年代：大气压电离的LC-MS出现出现 1990年代：基质辅助激光解吸飞行时
4、间年代：基质辅助激光解吸飞行时间 质质谱仪出现，质谱技术大量用于生物谱仪出现，质谱技术大量用于生物医药领域医药领域，出现出现“生物质谱生物质谱”概念。概念。9.1 概述概述69. 1.3质谱仪的分类质谱仪的分类1 有机质谱仪：有机质谱仪： 1）气相色谱）气相色谱-质谱联用仪质谱联用仪 2）液相色谱）液相色谱-质谱联用仪质谱联用仪 3）其他质谱仪）其他质谱仪 :傅立叶变换质谱仪傅立叶变换质谱仪 基质辅助激光解吸基质辅助激光解吸-飞行时间变质谱仪飞行时间变质谱仪2 无机质谱仪：无机质谱仪：ICP-MS3 同位素质谱仪：轻元素同位素，重元素同位素同位素质谱仪：轻元素同位素，重元素同位素4 气体分析质
5、谱仪气体分析质谱仪9.1 概述概述79.1.4 质谱分析基本术语质谱分析基本术语1质量数和质量范围质量数和质量范围 在质谱分析中，被测定的分子和原子在质谱分析中，被测定的分子和原子都是以离子形式记录的，如果离子只带都是以离子形式记录的，如果离子只带一个电荷，则离子的质荷比在数值上就一个电荷，则离子的质荷比在数值上就等于它的质量数，质谱仪的质量范围是等于它的质量数，质谱仪的质量范围是指仪器所能测量的离子质荷比范围气指仪器所能测量的离子质荷比范围气体分析用质谱仪的质量范围一般从体分析用质谱仪的质量范围一般从2100，而有机质谱仪的质量范围一般从几，而有机质谱仪的质量范围一般从几十到几千十到几千8
6、2分辨率分辨率分辨率表示仪器分开两个相邻质量数离子分辨率表示仪器分开两个相邻质量数离子的能力它一般定义为：对两个相等强度的能力它一般定义为：对两个相等强度的相邻峰，当两峰间的峰谷不大于其峰高的相邻峰，当两峰间的峰谷不大于其峰高的的10时，可认为此两峰已经分开（图时，可认为此两峰已经分开（图9-6），这时，仪器的分辨率），这时，仪器的分辨率R用下式计算：用下式计算：mmmmmR1121式中，m为质量数，且m1m2 9图图9-6 分辨率示意图分辨率示意图 103灵敏度灵敏度 灵敏度对于不同用途的质谱仪有不同的灵敏度对于不同用途的质谱仪有不同的表示方法有机质谱常用绝对灵敏度，无机表示方法有机质谱常用
7、绝对灵敏度，无机质谱常用相对灵敏度，而同位素分析质谱常质谱常用相对灵敏度，而同位素分析质谱常用丰度灵敏度用丰度灵敏度绝对灵敏度是指仪器能检测的最小样品绝对灵敏度是指仪器能检测的最小样品量目前，有机质谱仪灵敏度可优于量目前，有机质谱仪灵敏度可优于10-10g11 相对灵敏度是指仪器同时可检测的大组相对灵敏度是指仪器同时可检测的大组分与小组分的含量之比即表示仪器可测定分与小组分的含量之比即表示仪器可测定的样品中杂质的最低相对含量，例如的样品中杂质的最低相对含量，例如10-9 丰度灵敏度表示大丰度同位素峰的丰度灵敏度表示大丰度同位素峰的“拖拖尾尾”对相邻小丰度同位素峰的影响对相邻小丰度同位素峰的影响
8、 12若大丰度同位素峰强度为若大丰度同位素峰强度为IM，它对相邻小丰，它对相邻小丰度同位素峰的贡献为度同位素峰的贡献为IM+1，则：，则： 丰度灵敏度丰度灵敏度= IM/IM+1 （9-16）丰度灵敏度实际上也是一种相对灵敏度，丰度灵敏度实际上也是一种相对灵敏度，一般同位素分析用的质谱仪，其丰度灵敏一般同位素分析用的质谱仪，其丰度灵敏度为度为105106还有用分析灵敏度表示的方法，它是指输还有用分析灵敏度表示的方法，它是指输入的样品量与仪器输出信号之比，即对单入的样品量与仪器输出信号之比，即对单位样品量所能产生的信号的位样品量所能产生的信号的大小大小139.2 质谱仪器质谱仪器由进样系统、离子
9、源、质量分析器、离由进样系统、离子源、质量分析器、离子检测器和记录器组成此外，还包括子检测器和记录器组成此外，还包括真空系统和电气系统等辅助设备根据真空系统和电气系统等辅助设备根据质量分析器的工作原理不同，有单聚焦、质量分析器的工作原理不同，有单聚焦、双聚焦、飞行时间和四极滤质器质谱双聚焦、飞行时间和四极滤质器质谱仪仪14Inlet system Ion SourceAnalyzerIon DetectorComputerMass Spectrumm/z离子源离子源进样系统进样系统质量分析器质量分析器检测器检测器真空系统真空系统10-2-10-6Pa15气体分析用的质谱仪进样系统一般由管道、气
10、体分析用的质谱仪进样系统一般由管道、阀门、压力表、样品贮存器和漏口组阀门、压力表、样品贮存器和漏口组成它适用于室温下气体或易挥发液体样成它适用于室温下气体或易挥发液体样品的分析品的分析有机质谱仪常与色谱仪联用色谱仪是质有机质谱仪常与色谱仪联用色谱仪是质谱仪的进样系统，由色谱柱流出的样品经谱仪的进样系统，由色谱柱流出的样品经喷射式分子分离装置将载气分离后进入质喷射式分子分离装置将载气分离后进入质谱仪谱仪用于无机物分析的质谱仪，没有专门的进用于无机物分析的质谱仪，没有专门的进样系统，一般是把要分析的样品制成电极，样系统，一般是把要分析的样品制成电极，置于离子源中，靠高频高压使它置于离子源中，靠高频
11、高压使它电离电离9.2.1 进样系统进样系统9.2 质谱仪器质谱仪器169.2.2 离子源离子源l质谱分析的对象是样品离子，应首先质谱分析的对象是样品离子，应首先把样品分子或原子电离成离子，用于把样品分子或原子电离成离子，用于产生离子的装置叫离子源，主要有电产生离子的装置叫离子源，主要有电子电离源、化学电离源、火花电离源子电离源、化学电离源、火花电离源和高频火花源等和高频火花源等 9.2 质谱仪器质谱仪器17 1 电子电离源电子电离源(electron ionization EI)l利用高速电子轰击试样分子使它电离利用高速电子轰击试样分子使它电离的离子源称为电子电离源的离子源称为电子电离源l它
12、是由电热阴极发射的电子，在正电它是由电热阴极发射的电子，在正电位作用下进入电离室，前进过程中与位作用下进入电离室，前进过程中与进入电离室的样品分子碰撞若电子进入电离室的样品分子碰撞若电子的能量大于样品分子的电离电位，碰的能量大于样品分子的电离电位，碰撞的结果将导致样品分子的电离，所撞的结果将导致样品分子的电离，所产生的正离子在静电场的加速下进入产生的正离子在静电场的加速下进入分析器分析器18 1 电子电离源电子电离源(electron ionization EI)19 电子电离源中分子离子及碎片离子的形成电子电离源中分子离子及碎片离子的形成ABCDABCD+ 2e-e-ABAACD+ BCD+
13、 BCD+BC+ D+ AB+B + A+A + B+ CD+D + C+C + D+ABCDADBC+ AD+ BC+BCADABCD + ABCD(ABCD)2BCD+ ABCDA+形成分子离子形成分子离子裂解成碎片离子裂解成碎片离子裂解重排裂解重排裂解碰撞裂解碰撞 1 电子电离源电子电离源(electron ionization EI)20电子电离源的特点：电子电离源的特点： 1 电离电压：电离电压：70eV2 加一小磁场增加电离几率。加一小磁场增加电离几率。3 EI源碎片离子多，结构信息丰富，有标准化合物源碎片离子多，结构信息丰富，有标准化合物质谱库。质谱库。4 样品在气态下电离，不能
14、汽化的样品不能分析，样品在气态下电离，不能汽化的样品不能分析，主要用于气主要用于气-质联用仪。质联用仪。5 有些样品得不到分子离子。有些样品得不到分子离子。6 适用于分子量低于适用于分子量低于1000的样品。的样品。 1 电子电离源电子电离源(electron ionization EI)21 2 化学电离源化学电离源(chemical ionization CI)l利用反应气的离子与试样分子碰撞使它电离利用反应气的离子与试样分子碰撞使它电离的离子源称为化学电离源结构同的离子源称为化学电离源结构同EI，一般，一般仪器仪器EI和和CI可以互相切换。可以互相切换。l 在化学电离源中，试样的电离是由
15、反应气在化学电离源中，试样的电离是由反应气离子同样品分子反应产生的现以离子同样品分子反应产生的现以CH4作为作为反应气，反应气，XH为样品气说明化学电离的过为样品气说明化学电离的过程程22在电离室中，样品气含量仅为反应气的千在电离室中，样品气含量仅为反应气的千分之一左右，因此，在电子的轰击下，主分之一左右，因此，在电子的轰击下，主要是反应气电离：要是反应气电离：CH4e-CH4CH3CH2CH CH2+H+其中，碎片离子主要是其中，碎片离子主要是CH4和和CH3 2 化学电离源化学电离源(chemical ionization CI)23它们又与反应气作用，生成新的离子：它们又与反应气作用，生
16、成新的离子： CH4CH4CH5CH3 CH3CH4C2H5H2样品分子经离子样品分子经离子-分子反应，总共生成分子反应，总共生成XH2+、X+、A+和和B+等正离子检测这些离子，就等正离子检测这些离子，就可以获得有关样品的质谱可以获得有关样品的质谱 2 化学电离源化学电离源(chemical ionization CI)24 2 化学电离源化学电离源(chemical ionization CI)+ Re-RRRRH+ (R-H)反应气的反应反应气的反应CH5+ CH4+ CH3CH4C2H5+ CH3+ H2CH4C2H3+C3H5+甲烷为反应气时甲烷为反应气时主要存在主要存在形式形式+
17、RMHRH+ M+ R + H2C10H21RH+ C10H22+ MR + M+R+ C2H5+M+ C2H5+M+ NH4+M+ NH4+M+ e-(thermal)MM加氢反应，样品对质子亲和力强加氢反应，样品对质子亲和力强烷烃脱氢反应，对质子亲和力弱烷烃脱氢反应，对质子亲和力弱电荷交换电荷交换形成加和离子形成加和离子形成负自由基离子形成负自由基离子由反应气产生由反应气产生反应气和样品共同决定产物的形式反应气和样品共同决定产物的形式25 3 电喷雾电离源电喷雾电离源(electrospray ionization ESI)结构：喷嘴（金属毛细管），雾化气，干燥气结构：喷嘴（金属毛细管），
18、雾化气，干燥气(curtain gas)原理：喷雾原理：喷雾 蒸发蒸发 电压电压106V/m离子在电压差和压力差的驱使下向下游移动离子在电压差和压力差的驱使下向下游移动26电喷雾源电喷雾源(ESI)的特点：的特点：1 1 电喷雾源属软电离技术，只产生分子离子，电喷雾源属软电离技术，只产生分子离子， 不产生碎片离子。不产生碎片离子。2 2 产生的离子常常带有多电荷，尤其是生物大分子。产生的离子常常带有多电荷，尤其是生物大分子。3 3 适用于强极性，大分子量的样品分析。适用于强极性，大分子量的样品分析。 如肽，蛋白质，糖等。如肽，蛋白质，糖等。4 4 主要用于液相色谱主要用于液相色谱- -质谱联用
19、仪。质谱联用仪。 3 电喷雾电离源电喷雾电离源(electrospray ionization ESI)27 4 高频火花源高频火花源l利用高频火花放电使试样分子电离的离子利用高频火花放电使试样分子电离的离子源称为高频火花源源称为高频火花源l它适用于分析难以蒸发的金属、半导体、它适用于分析难以蒸发的金属、半导体、绝缘体等固体材料被分析样品加工成棒绝缘体等固体材料被分析样品加工成棒状电极，或与石墨混和压制成电极两极状电极，或与石墨混和压制成电极两极间施加间施加10100kV的脉冲高频电压，使电的脉冲高频电压，使电极在真空中发生火花放电，从而使电极上极在真空中发生火花放电，从而使电极上的样品蒸发并
20、的样品蒸发并电离电离28作用：将离子源产生的离子按质荷比作用：将离子源产生的离子按质荷比m/z的大小分开的大小分开 ion separation1 单聚焦分析器单聚焦分析器 (single focusing mass analyzer)2 双聚焦分析器双聚焦分析器 (double focusing mass analyzer)3 四极杆分析器四极杆分析器 (quadrupole analyzer)4 离子阱分析器离子阱分析器 (Ion trap analyzer)5 飞行时间分析器飞行时间分析器 (time-of-flight analyzer)6 富立叶变换离子回旋共振富立叶变换离子回旋共振
21、 (Fourier transform ion cyclotron resonance)9.2.3 质量分析器质量分析器9.2 质谱仪器质谱仪器29 1单聚焦分析器单聚焦分析器 (single focusing mass analyzer) 9.2.3 质量分析器质量分析器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）结构）结构：扇形磁场：扇形磁场可以是可以是180 90 60 等等302）原理：）原理：R31结论：结论：1 离子的离子的m/z大，偏转半径也大，通过磁场大，偏转半径也大，通过磁场
22、可以把不同离子分开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通过检测器，可以使不同离子先后通过检测器， 实现质量扫描，得到质谱。实现质量扫描，得到质谱。3）特点）特点 结构简单，操作方便结构简单，操作方便 分辨率低分辨率低32 双聚焦分析器是指同时实现方向聚焦和能双聚焦分析器是指同时实现方向聚焦和能量（速度）聚焦它可克服单聚焦分析器量（速度）聚焦它可克服单聚焦分析器中，即使是中，即使是m/e相同的离子，因初始能量不相同的离子，因初始能量不同而不能全部聚焦在一起的缺点，从而使同而不能全部聚焦在一起的缺点，从而使仪器的分辨率显著提
23、高仪器的分辨率显著提高 2 双聚焦分析器双聚焦分析器 (double focusing mass analyzer) 33结构：磁场、电场任意结构：磁场、电场任意顺序组合顺序组合原理：单聚焦分析器分原理：单聚焦分析器分辨率低的主要原因在于辨率低的主要原因在于它不能进行能量聚焦。它不能进行能量聚焦。 双聚双聚焦分析器具有能量焦分析器具有能量聚焦和方向聚焦的特点聚焦和方向聚焦的特点特点：分辨率高特点：分辨率高(150,000)(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
24、聚同能量的离子汇聚EemvEVRmveVRmveEee222221,34双聚焦质量分析器是将一静电场分析器置双聚焦质量分析器是将一静电场分析器置于离子源和磁分离器之间当质量为于离子源和磁分离器之间当质量为m、电荷为电荷为e的离子通过一个与其飞行方向垂直的离子通过一个与其飞行方向垂直的强度为的强度为E的电场时，则要受到一个的电场时，则要受到一个FeE的力，这个恒定的力将使离子偏转进入一的力，这个恒定的力将使离子偏转进入一个圆弧形轨道，轨道的半径为个圆弧形轨道，轨道的半径为re v能量聚焦能量聚焦35根据所受力的大小与粒子的离心力相等可得根据所受力的大小与粒子的离心力相等可得因进入静电分析器前，该
25、离子在加速电因进入静电分析器前，该离子在加速电场场V中所获得的动能为中所获得的动能为eV，即，即mv2/2=eV，代入式（代入式（9-17）中得）中得ermveE2 (9-17)ereVeE2EVre2（9-18） 36由式（由式（9-18）可知，粒子的质量不是一个）可知，粒子的质量不是一个参变量，因而静电分析器分析的不是质参变量，因而静电分析器分析的不是质量它实际上分析的是能量，即能够选择量它实际上分析的是能量，即能够选择具有一定能量的离子使之通过一定直径的具有一定能量的离子使之通过一定直径的静电分析器经能量选择的离子束随后进静电分析器经能量选择的离子束随后进入磁分析器，它所受的磁场作用力入
26、磁分析器，它所受的磁场作用力FHev，离子作圆周运动的向心力与磁场作用力平离子作圆周运动的向心力与磁场作用力平衡，即衡，即Hevrmvm2mHervmv方向聚焦方向聚焦37代入代入mv2/2=eV得得 离子运动的半径离子运动的半径rm取决于磁场强度取决于磁场强度H、离子、离子的质荷比的质荷比m/e以及加速电压以及加速电压V若保持若保持H和和V不变，则离子运动的半径不变，则离子运动的半径rm仅取决于离子仅取决于离子本身的质荷比本身的质荷比m/e，m/e不同的离子，由于运动半径不同，在不同的离子，由于运动半径不同，在磁分析器中被分开随即用照相底片摄取谱磁分析器中被分开随即用照相底片摄取谱图，即可获
27、得完整的质谱图图，即可获得完整的质谱图 emVHrm2138通常在质谱仪中，出射狭缝的位置是固定通常在质谱仪中，出射狭缝的位置是固定的，故一般采用固定加速电压的，故一般采用固定加速电压V而连续改而连续改变磁场强度变磁场强度H（磁场扫描）的方法；或固（磁场扫描）的方法；或固定磁场强度定磁场强度H而连续改变加速电压而连续改变加速电压V（电场（电场扫描）的方法，使不同质荷比的离子依次扫描）的方法，使不同质荷比的离子依次通过狭缝，到达收集器，从而获得质谱通过狭缝，到达收集器，从而获得质谱图图39 3 四极杆分析器四极杆分析器 (quadrupole mass analyzer) 四极滤质器，四极滤质器
28、， quadrupole mass filter结构结构: 四根棒状电极，相对的两个电极相连，四根棒状电极，相对的两个电极相连，形成四极场形成四极场 1，3棒：棒：+(Vdc + Vrf) 2，4棒：棒：- (Vdc+ Vrf )特点：扫描速度快，灵敏度高。特点：扫描速度快，灵敏度高。 适用于适用于GC-MS。9.2.3 质量分析器质量分析器40四根棒状电极四根棒状电极加速电压加速电压5-15V 3 四极杆分析器四极杆分析器41原理：原理：在一定的在一定的Vdc Vrf 下下 ， 只有一定质量的离只有一定质量的离 子子可通过四极场，到达可通过四极场，到达检测器，其他质量的检测器，其他质量的离子
29、碰到四极杆被吸离子碰到四极杆被吸收，在另外的收，在另外的Vdc Vrf 下可接收到另外质量下可接收到另外质量的离子。在一定的（的离子。在一定的（Vdc/Vrf)下，连续改变下，连续改变Vrf或或Vdc可实现质量扫可实现质量扫描。描。424 飞行时间分析器飞行时间分析器(time-of-flight analyzer, TOF）正离子在电场作用下被加速正离子在电场作用下被加速所有离子同时飞越长度为所有离子同时飞越长度为L的无场空间，先后到达检测器的无场空间，先后到达检测器22222/)(2121tLVemtLmmveVV,L不变时，不变时， t由由m/e决定决定一般，一般，1-30 s434 飞
30、行时间分析器飞行时间分析器44特点：特点：简单、耐用，无质量范围限制。简单、耐用，无质量范围限制。取样速度快，适用于快速取样速度快，适用于快速GC/MS；分析适用；分析适用于脉冲离子化方式（如于脉冲离子化方式（如MALDI）的大分子量的）的大分子量的多肽、蛋白质。多肽、蛋白质。早期分辨率低的问题通过延迟萃取技术等已早期分辨率低的问题通过延迟萃取技术等已经得到经得到解决。解决。4 飞行时间分析器飞行时间分析器459.2.4 检测器检测器 (detector)1 电子倍增器电子倍增器 electron photon multiplier2 光子倍增器光子倍增器 photon multiplier3
31、 法拉第杯法拉第杯 Faraday cup4 阵列检测器阵列检测器 array detectors9.2 质谱仪器质谱仪器46电子倍增器电子倍增器479.2.5 质谱分析法的应用质谱分析法的应用1 GC-MS联用分析联用分析 A GC-MS定性分析定性分析 1） 分析条件的设定分析条件的设定 GC条件：同普通条件：同普通GC MS条件：扫描方式，扫描范围，条件：扫描方式，扫描范围，扫描速度扫描速度, 灯丝电流，倍增器电压等灯丝电流，倍增器电压等 2）定性分析）定性分析 数据的采集：进样，电离，质谱数据的数据的采集：进样，电离，质谱数据的采集采集 48B GC-MS定量分析定量分析 GC-MS定
32、量分析依据：定量分析依据： 含量含量W=F 峰面积峰面积A 用总离子色谱图定量用总离子色谱图定量 用质量色谱图（提取离子色谱图）定量用质量色谱图（提取离子色谱图）定量 用选择离子色谱图定量用选择离子色谱图定量 GC-MS定量分析方法：定量分析方法： 外标法外标法 内标外标法内标外标法492 LC-MS联用分析联用分析 A LC LC-MS 联用仪联用仪 (LC-MS) 组成：组成： LC：普通：普通LC MS：带有电喷雾源（：带有电喷雾源（ESI）的质谱仪，）的质谱仪， 可以是：可以是： 四极杆（四极杆（Q）质谱仪）质谱仪 离子阱（离子阱（Trap)质谱仪质谱仪 飞行时间（飞行时间（TOF）
33、MS-MS： 三级四极（三级四极（Q-Q-Q）质谱仪）质谱仪 混合（混合（Q-TOF）质谱仪）质谱仪 多级多级MS 数据系统：计算机数据系统：计算机 蛋白质库蛋白质库 50B LC-MS定性定性分析分析 1 ）分析条件的选择分析条件的选择 LC条件的选择条件的选择 电喷雾条件电喷雾条件 MS条件条件 2 ）定性分析定性分析 分子量确定：（分子量确定：（M+1）（）（M-1） 多电荷多电荷 MS-MS联用测定子离子谱联用测定子离子谱C LC-MS定量定量分析分析 质量色谱图质量色谱图 多反应监测多反应监测（MRM）519.3 质谱解析质谱解析9.3.1 质谱中的离子质谱中的离子1 分子离子分子离
34、子M + e-+ 2e-MMorC2H5OHC2H5NH2CH3CH2CH3CHCHCH3CH2CH3HCCH3双键或环状结构、有机酸、醇等的分双键或环状结构、有机酸、醇等的分子离子峰强度大子离子峰强度大M52分子离子峰的判断分子离子峰的判断1. 一般在质谱的最右端一般在质谱的最右端2. 有合理的质量丢失（丢失的质量数不应为有合理的质量丢失（丢失的质量数不应为4-14; 20-25；37；38；5053；65；66）3. 分子量符合氮规则分子量符合氮规则NN的个数为奇数，分子量为奇数的个数为奇数，分子量为奇数NN的个数为的个数为0,2,40,2,4等偶数，分子量为偶数等偶数，分子量为偶数（NN
35、为奇数价，偶数分子量）为奇数价，偶数分子量）9.3.1 质谱中的离子质谱中的离子532 碎片离子碎片离子EI(1) 自由基引发的断裂自由基引发的断裂 断裂断裂R1CH2CH2YR2R1CH2+CH2YR2R1+CH2OHR1CH2OH31zm/醇的特征离子醇的特征离子R1+CH2NH2R1CH2NH230zm/伯胺伯胺5443zm/R1+R1CH2CHCH2R1CH2CHCH2CH2CHCH2双键双键酮酮91zm/烷基苯烷基苯R+CH2RCH2RCH2R1+R1R2COR2COR2=CH355(2) 正电荷引发的断裂正电荷引发的断裂YR2R1R2YR1+双电子转移双电子转移CH3H3CCH2O
36、+CH2CH3CH2OC2H5+CH3CH2H3CCH2OCH2CH3OC2H5断裂（几率大）断裂（几率大）电荷引发（几率小）电荷引发（几率小）59zm/29zm/断裂断裂i56(3) 断裂断裂无无 电子和电子和 电子的烷烃电子的烷烃n分枝处易断裂、易丢失最大烷基分枝处易断裂、易丢失最大烷基CH3+C2H5CCH3CH3C2H5CH3CCH3CH3C2H5CH3CCH3CH357(4) 环烯的断裂环烯的断裂Retro-Diels-Alder反应反应+583 同位素离子同位素离子一般质量数大于分子离子一般质量数大于分子离子同位素峰的强度取决于同位素的种类和丰度同位素峰的强度取决于同位素的种类和丰
37、度根据同位素峰强度比可以估计该元素的个数根据同位素峰强度比可以估计该元素的个数同位素峰强度符合同位素峰强度符合 规则规则nba)( nba轻同位素丰度轻同位素丰度重同位素丰度重同位素丰度同位素元素的个数同位素元素的个数593 同位素离子同位素离子12C和和13C 100:1.1有有1个个C时，时，(100+1.1)1 ；M+1峰的强度：（峰的强度：（M+1）/M=1.1/100 2个个C时，时， (100+1.1)2 =1002+21001.1+ 1.12 ；M+1峰强度：（峰强度：（M+1）/M = 21001.1/ 1002 = 2.2%M+2峰强度：（峰强度：（M+2）/M = 1.12
38、 / 1002 = 0.0121%603 同位素离子同位素离子35Cl和和37Cl100:32.5 3:150 5231CH3ClCH2Cl2CH235Cl35ClCH235Cl37ClCH237Cl35ClCH237Cl37ClCHCl333133111几率几率84 86 88961118 120 122 124272791614 重排离子重排离子麦氏重排麦氏重排 (Mclafferty)含有含有含有含有 氢原子氢原子CXX = O, N, S, COCCH2CH2CH2HHCOHCH2H+CH2CH244zm/CHCH2CH2CH2OH+CHRCH2HRHHCH292zm/629.3 质谱
39、解析质谱解析9.3.2 常见有机化合物的质谱常见有机化合物的质谱1烃类烃类 强度随着分子质量的增加而减弱；强度随着分子质量的增加而减弱；呈现呈现C Cn nH H2n+12n+1系列碎片离子峰系列碎片离子峰C3C3，C4C4的碎片出现几率大；的碎片出现几率大；M-15M-15峰极弱或观察不到峰极弱或观察不到5743,/zmA A、直链烷烃、直链烷烃M63支链烷烃的支链烷烃的 更弱更弱支链处容易断裂，产生的仲或叔碳正离子支链处容易断裂，产生的仲或叔碳正离子，碎片离子强度大，碎片离子强度大CH3(CH2)3CH(CH2)9CH3CH357571691698585141141B B、支链烷烃、支链烷
40、烃1烃类烃类M641烃类烃类65D D 烯烃烯烃易发生易发生键断裂，出现键断裂，出现C Cn nH H2n-1 2n-1 （41+14n41+14n）烯烃特征峰）烯烃特征峰可发生麦氏重排产生离可发生麦氏重排产生离子峰子峰C Cn nH H2n2n（42+14n42+14n）RCH2CH2CH2CHCH2RCHCH2+CH2CHCH31烃类烃类C C 环烷烃易发生环烷烃易发生断裂，得到环的碎片断裂，得到环的碎片C Cn nH H2n-1 2n-1 66E E 芳烃芳烃苄基容易断裂生成正离子苄基容易断裂生成正离子R+CH2RCH291zm/1烃类烃类易发生易发生键断裂，生成键断裂，生成m/Z=91
41、m/Z=91的的C C7 7H H7 7+ +，C C5 5H H5 5+ + （m/Z=65m/Z=65），）， C C3 3H H3 3+ + （ m/Z=38m/Z=38） C Cn nH Hm m:38, 39, 50-:38, 39, 50-22,63-65,75-78 22,63-65,75-78 发生麦氏重排生成发生麦氏重排生成m/Z=92m/Z=92的的C C7 7H H8 8+ +679.3 质谱解析质谱解析9.3.2 常见有机化合物的质谱常见有机化合物的质谱2 醇和酚醇和酚醇醇断裂断裂31zm/1 Mzm/脱水脱水18 Mzm/R+CH2ROHCH2OHCROHHHCHRO
42、H + HCH2OHCHHRCH2OH2CH2RCH2CH2RC Cn nH H2n+12n+1O O+ +689.3 质谱解析质谱解析9.3.2 常见有机化合物的质谱常见有机化合物的质谱酚酚较强的分子离子较强的分子离子苯的特征苯的特征28MOHOHH-CO-H异构化异构化94zm/65zm/699.3 质谱解析质谱解析9.3.2 常见有机化合物的质谱常见有机化合物的质谱麦氏重排麦氏重排3 醛和酮醛和酮断裂断裂4 酯和酸酯和酸COCORCOOH45zm/酸酸C Cn nH H2n-12n-1O O+ +C Cn nH H2n-12n-1O O2 2+ +M-1H-CO (m/z=29)R+R+
43、OR+709.3 质谱解析质谱解析9.3.2 常见有机化合物的质谱常见有机化合物的质谱5 胺胺脂肪胺脂肪胺伯胺伯胺仲胺、叔胺仲胺、叔胺断裂断裂4430,/zm碎片离子进一步重排碎片离子进一步重排R1+CH2NH2R1CH2NH230zm/44zm/R1+R1CHNHCH3CHNH2CH3H芳胺芳胺与酚类似与酚类似C Cn nH H2n+22n+2N N+ +71总结总结侧链碳原子处最易断裂，取代基大的优侧链碳原子处最易断裂，取代基大的优先断裂。先断裂。饱和环在侧链部位饱和环在侧链部位断裂。断裂。双键，芳环和杂环的双键，芳环和杂环的M+稳定，易发生稳定，易发生断裂断裂含有杂原子的化合物易产生含有
44、杂原子的化合物易产生断裂断裂羰基化合物易产生羰基化合物易产生断裂断裂72低质量端的低质量端的常见离子常见离子官能团官能团化学式化学式m/e烷基烷基C Cn nH H2n+12n+115 29 43 57 71 85烯基、环烷基烯基、环烷基 C Cn nH H2n-12n-127 41 55 69 83 97芳烃芳烃C Cn nH Hm m38 39 50-52 63-65 75-85醚、醇醚、醇C Cn nH H2n+12n+1O O+ + 31 45 59 73 87醛、酮醛、酮C Cn nH H2n-12n-1O O+ + 29 43 57 71 85酸、酯酸、酯C Cn nH H2n-1
45、2n-1O O2 2+ + 45 59 73 87胺胺C Cn nH H2n+22n+2N N+ + 30 44 58 72 86739.3 质谱解析质谱解析质谱解析步骤质谱解析步骤计算不饱和度计算不饱和度由分子离子峰确定分子量由分子离子峰确定分子量分析碎片例子分析碎片例子 由高质量端确定取代基由高质量端确定取代基 由低质量端寻找特征离子系列由低质量端寻找特征离子系列 由结构单元给出可能的结构由结构单元给出可能的结构749.3 质谱解析质谱解析9.3.3 例例1 某未知化合物质谱图如下图所示，给出结构式。某未知化合物质谱图如下图所示，给出结构式。C8H8O2-C2H2-CH2OH-OCH3-C
46、O-C2H426312875不饱和度：不饱和度：=1+8-8/2=5化合物较强的离子峰有化合物较强的离子峰有m/e= 136,105,77,51m/e=39，51，77为芳香环的特征峰为芳香环的特征峰m/e=136 是分子离子峰是分子离子峰 m/e=105（M-31） 去掉一个去掉一个 或或 m/e=77（M-31-28） 去掉一个去掉一个-CO或或-C2H2m/e=51（M-31-28-26） 去掉一个去掉一个-C2H2-CH2OH-OCH3C+O76可能结构可能结构-CH2OH-OCH3C+OCCH2OH=OCOCH3=O+C4H3m/e=136m/e=105m/e=77m/e=51m/e
47、=136COC2H2779.3 质谱解析质谱解析9.3.3 例例2 某未知化合物质谱图如下图所示，分子式某未知化合物质谱图如下图所示，分子式为为C6H12O，给出结构式。，给出结构式。789.3 质谱解析质谱解析9.3.3 没有没有M-1峰，因此不可能是醛类峰，因此不可能是醛类不饱和度不饱和度=1799.3 质谱解析质谱解析9.3.3 因此结构式为：因此结构式为：8081本章要点本章要点1. 1. 原理：原理：质谱分析的主要目的；质谱图的横纵坐标质谱分析的主要目的；质谱图的横纵坐标2. 2. 仪器：仪器： 质谱仪器的方框图质谱仪器的方框图( (注意从进样系统至检测器部注意从进样系统至检测器部分
48、需置于真空状态分需置于真空状态) ) 常用进样方法及适用范围常用进样方法及适用范围 质量分析器的作用及种类；单聚焦质量分析器、质量分析器的作用及种类；单聚焦质量分析器、双聚焦质量分析器、四极杆质量分析器双聚焦质量分析器、四极杆质量分析器的原理及的原理及优缺点优缺点。了解飞行时间质量分析器。了解飞行时间质量分析器 离子源的种类、特点及各自的适用性离子源的种类、特点及各自的适用性823. 应用应用(1)分子离子峰及其判断；碎片离子分子离子峰及其判断；碎片离子( ( 断断裂、裂、 断裂、正电荷引发的断裂断裂、正电荷引发的断裂) )、同位素、同位素离子和重排离子的形成规律离子和重排离子的形成规律(2)常见有机化合物的质谱特征常见有机化合物的质谱特征烃烃( (烷烃、烯烃、芳烃烷烃、烯烃、芳烃) )、醇、有机酸、酯、醇、有机酸、酯、醛、酮、醛、酮(3)质谱解析质谱解析4. 质谱联用技术：质谱联用技术：GC-MS, HPLC-MS
