1、 第第3 3章章 质谱分析法质谱分析法Mass SpectroscopyMass Spectroscopy（MSMS）丙酮的质谱图丙酮的质谱图CH3C|O+CH3+CH3CCH3|O+MSGC-MSLC-MS1.1.质谱分析依据质谱分析依据:运动的带电离子在磁场中运动的带电离子在磁场中 发生偏转发生偏转,偏转半径与离子质量有关偏转半径与离子质量有关.2.1 2.1 质谱仪基本原理质谱仪基本原理2.2.质谱分析方法质谱分析方法:是将样品转化为运动的带电是将样品转化为运动的带电 气态离子，于磁场中按质荷比气态离子，于磁场中按质荷比(m/z)(m/z)大小分离并记录的分析方法。大小分离并记录的分析方
2、法。3.质谱分析过程质谱分析过程离子源离子源轰击轰击样品样品带正电荷的碎片离子电场加速 获得动能E=1/2mV2磁场分离(m/z)检测器记录过程过程 高速电子高速电子样品样品 气态分子气态分子阳离子阳离子 顺序谱图顺序谱图 质量分析器质量分析器定性分析定性分析 定量分析定量分析导入导入按质荷比按质荷比m/eM-eM+.A+B+.C+D4.4.带电离子的形成带电离子的形成图图1 1 乙酸丁酯质谱图乙酸丁酯质谱图 m 116 (1)正离子在电场中受到电场力作用而加速正离子在电场中受到电场力作用而加速()，其位能，其位能 为为 ，加速后的动能为，加速后的动能为：(2)正离子进入磁场，运动方向与磁场垂
3、直，离子受到洛正离子进入磁场，运动方向与磁场垂直，离子受到洛 仑兹力仑兹力 f 作用：作用：eVeVmv 221Hevf 5.5.带电离子的运动理论：带电离子的运动理论：m为碎片质量，为碎片质量，为碎片速度为碎片速度,e为离子电荷，为离子电荷，V为电压为电压,H为磁场强度为磁场强度。emHVRVRHemRmvHev222222/当当H H、R R、V V三个参数中任两个保持不变而改变其中一个参三个参数中任两个保持不变而改变其中一个参数时，可得质谱图。现代质谱仪通常是保持数时，可得质谱图。现代质谱仪通常是保持V V、R R不变，通不变，通过扫描磁场来得到质谱图。过扫描磁场来得到质谱图。(3)洛仑
4、兹力与离子偏转的向心力相等洛仑兹力与离子偏转的向心力相等emHVRVRHemRmvHev222222/emHVRVRHemRmvHev222222/6.工作进程工作进程 样品进入电离室后，被热灯丝产生的电子流轰击样品进入电离室后，被热灯丝产生的电子流轰击，气态样品中的原子或离子被电离成正、负离子，气态样品中的原子或离子被电离成正、负离子。离子被狭缝。离子被狭缝A、B加速进入磁场，而根据离子质加速进入磁场，而根据离子质荷比的差异，产生不同的偏转角，从而达到分离荷比的差异，产生不同的偏转角，从而达到分离。改变。改变A、B电压和外磁场，获得电压和外磁场，获得MS谱图。谱图。进样系统进样系统离子源质量
5、分析器检测器1.气体扩散2.直接进样3.气相色谱4.液相色谱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 2.2 质谱仪结构质谱仪结构 一一.仪器组成仪器组成:真空系统真空系统 进样系统进样系统 离子源电离室离子源电离室 质量分离器质量分离器 离子检测器离子检测器 记录仪记录仪 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(10-4-4-1010-6-6TorrTorr或或mmHg),mmHg),其作用是减少离子碰撞损失。其作用是减少离子碰撞损失。真空度过低，将会引起：真空度过低，将会引起：大量氧会烧坏离子源
6、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.真空系统真空系统 2.进样系统进样系统 液体入口液体入口:适用于低挥发度样品，对易分解样品，通常使用适用于低挥发度样品，对易分解样品，通常使用 衍生法转化为稳定化合物后分析衍生法转化为稳定化合物后分析.气体入口气体入口:气态样品气态样品 色谱可作为一种进样方式。色谱可作为一种进样方式。将引入的样品转化成为碎片离子的装置将引入的样品转化成为碎片离子的装置。根据样品离子。根据
7、样品离子化方式和电离源能量高低，通常可将电离源分为：化方式和电离源能量高低，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、对热稳 定的样品的离子化定的样品的离子化.包括包括电子轰击源电子轰击源、化学电化学电 离源离源、场致电离源场致电离源、火花源火花源等等.解吸源解吸源：固态或液态样品不需要挥发而直接被转化为气：固态或液态样品不需要挥发而直接被转化为气 相，适用于分子量高达相，适用于分子量高达10105 5的非挥发性或热不的非挥发性或热不 稳定性样品的离子化。包括稳定性样品的离子化。包括场解析源场解析源、快原子快原子
8、轰击源轰击源等等.3.3.电离源电离源(室室)：作用过程：作用过程：采用高速采用高速(高能高能)电子束冲击电子束冲击 样样品，从而产生电子和分子离子品，从而产生电子和分子离子M M+，M M+继续继续受到电子轰击而引起化学键的受到电子轰击而引起化学键的 断裂或分子重断裂或分子重排排,瞬间产生多种离子瞬间产生多种离子.a)a)、电子轰击源电子轰击源(Electron Bomb Ionization(Electron Bomb Ionization，EI)EI)图图9 9 电子轰击源工作示意图电子轰击源工作示意图垂直方向：垂直方向：G3-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
9、准直狭缝准直 G4-G5加速电极加速电极(高电压高电压)-较高动能较高动能-狭缝进一狭缝进一 步准直步准直-离子进入质量分析器。离子进入质量分析器。水平方向：水平方向：灯丝与阳极间灯丝与阳极间(70V电压电压)高高 能电子能电子 冲击样品冲击样品正离子正离子优优 点：点：使用最广泛，谱库最完整；电离效率高；结构简使用最广泛，谱库最完整；电离效率高；结构简 单，操作方便；单，操作方便；缺缺 点点:因电离能量最高因电离能量最高,出现大量碎片峰出现大量碎片峰,且很难得到分子且很难得到分子离子峰离子峰.不适合不稳定物质的检测不适合不稳定物质的检测.电子轰击源电子轰击源作用过程：作用过程：样品分子在承受
10、电子轰击前，被一种样品分子在承受电子轰击前，被一种反应气反应气(通常通常是是甲烷甲烷)稀释，稀释比例约为稀释，稀释比例约为10103 3:1:1，因此样品分子与电子，因此样品分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。子组成。进入电离源的样品分子大部分与进入电离源的样品分子大部分与CHCH5 5+碰撞产生碰撞产生(M+1)(M+1)+离子离子，再分解成各种小离子；，再分解成各种小离子；小部分与小部分与C C2 2H H5 5+反应，生成反应，生成(M-1)(M-1)+离子：离子：252CH3435CH44HHCHCHCH
11、CHCHe2CHeCH44 )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)特点：特点：电离能小，质谱峰数少，图谱简单；准分电离能小，质谱峰数少，图谱简单；准分 子离子峰子离子峰(M+1)+大大,可提供分子量这一重要可提供分子量这一重要 信信息。息。常用于有机和生物样品的分析常用于有机和生物样品的分析.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图图10 10 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
12、峰作用作用:将不同碎片按质荷比将不同碎片按质荷比m/zm/z分开。分开。质量分析器类型：质量分析器类型：磁分析器磁分析器、飞行时间飞行时间、四极杆四极杆、离子阱离子阱、离子回旋共振离子回旋共振等。等。4.4.质量分析器质量分析器 用一个扇形磁场进行质量分析的质谱仪。用一个扇形磁场进行质量分析的质谱仪。（a）磁分析器：）磁分析器：图图14 14 单聚焦质量分析器原理图单聚焦质量分析器原理图质量分析器是将质量分析器是将m/z m/z 相同的离子聚焦到一点。相同的离子聚焦到一点。图图15 15 单聚焦质量分析器工作过程图单聚焦质量分析器工作过程图(b(b）四极滤质器四极滤质器(Quadrupole
13、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+Ucost)t)，在另两个相对应的极杆上加相等负电压在另两个相对应的极杆上加相等负电压-(V+Ucos-(V+Ucost)t)。其。其中中V V 和和U U分别为直流电压、交流电压，与前述双聚焦仪的分别为直流电压、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子可以通过中心小孔到达检测器。率半径的离子可以通过中心小孔到达检测器。改变改变V V和
14、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，可用于GC-GC-MS MS 联用仪。联用仪。图图18 18 四极滤质器示意图四极滤质器示意图 过程过程：上下端罩：上下端罩(End cap)(End cap)与与左右环电极左右环电极(Ring electrode)(Ring electrode)构成可变电场构成可变电场(前
15、者接地，后前者接地，后者施以射频电压者施以射频电压)带电离带电离子在一定轨道上旋转子在一定轨道上旋转改变改变电压电压可使相同可使相同m/em/e离子依离子依次离开进入电子倍增器而分离次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联用联用,可用于可用于m/e200-m/e200-20002000的分子分析。的分子分析。图图19 19 离子阱的横截面图离子阱的横截面图(c(c）离子阱）离子阱(Ion trap analyzer)(Ion trap analyzer)5电子倍增器电子倍增器 工作原理与光电倍增管相似。工作原理与光电倍增管相似。多用
16、于气相与有机质谱中。优点：灵敏度高，测多用于气相与有机质谱中。优点：灵敏度高，测定速度快定速度快.但：增益会逐渐下降但：增益会逐渐下降。2.3 质谱图质谱图一.质谱图质谱图表示：表示：横坐标是横坐标是m/e，纵坐标是相对丰度，纵坐标是相对丰度 相对丰度相对丰度：原始质谱图上最强的离子峰为基峰，：原始质谱图上最强的离子峰为基峰，定为定为100%。其它离子峰以此基峰的相对百分。其它离子峰以此基峰的相对百分 值表示。值表示。丙酮的质谱图丙酮的质谱图CH3CCH3|OCH3C|O+CH3+二、离子峰表示二、离子峰表示 离子峰包括离子峰包括:分子离子峰、碎片分子离子峰、碎片离子峰离子峰、同位素、同位素离
17、离子峰子峰、重排、重排离子峰离子峰、亚稳、亚稳离子峰离子峰和多电和多电子离子峰等。子离子峰等。（一）分子离子峰（一）分子离子峰 分子受电子撞击后，失去一个电子而生成带正电分子受电子撞击后，失去一个电子而生成带正电荷的离子荷的离子分子离子或母离子分子离子或母离子 M+e-M+2e 特点特点:(1)分子离子峰分子离子峰m/e数值数值,相当于该化合物的相对分子质量相当于该化合物的相对分子质量.(2)位于质谱图的右端，因为位于质谱图的右端，因为m/e最大。最大。(3)相对强度取决于分子离子的稳定性。相对强度取决于分子离子的稳定性。物质分析稳定性物质分析稳定性:芳香环芳香环共轭多烯共轭多烯烯烯环状化合物
18、环状化合物羰基化合物羰基化合物醚醚酯酯胺胺酸酸醇醇高度分支的烃类高度分支的烃类(二二)碎片离子峰碎片离子峰 在高能量电子源轰击情况下，分子离子处于激发在高能量电子源轰击情况下，分子离子处于激发状态，原子间的一些键进一步断裂，产生质量数状态，原子间的一些键进一步断裂，产生质量数较低的碎片，是获取分子结构相关信息的重要依据。较低的碎片，是获取分子结构相关信息的重要依据。正己烷的质谱分析中，常用的电离电压为正己烷的质谱分析中，常用的电离电压为70电子伏特，使结构裂解，产生各种电子伏特，使结构裂解，产生各种“碎片碎片”离子。离子。H3CCH2CH2CH2CH2CH3157129574343572971
19、15H3CCH2CH2CH2CH2CH3H3CCH2CH2CH2CH2CH3H3CCH2CH2CH2CH2CH3H3CCH2CH2CH2CH2CH3CH3CH2CH2CH2CH2CH31529435771正己烷正己烷（三）同位素离子峰（三）同位素离子峰 对卤素有机物，对卤素有机物，F、I为单一元素为单一元素;35Cl,37Cl 3:1;79Br,81Br 1:1;对于多个对于多个Cl、Br化合物，有非常强的化合物，有非常强的M+2，M+4，M+6同位素离子峰同位素离子峰.1.含含Cl和和Br原子原子 含1个Cl M:M+2=100:32.03:1M M+21个个Cl1:1MM+21个个Br 含
20、含1个个Br M:M+2=100:97.31:1 含含3个个Cl 如如CHCl3会出现：会出现：M、M+2、M+4、M+6 峰峰m/z 118 120 122 124 M M+2 M+4 M+6丰度比丰度比 27 27 9 1符合二项式：符合二项式：a=3（轻）、（轻）、b=1（重）、（重）、n=3原子数目原子数目 (a+b)n=(3+1)3=27 +27 +9 +1 M M+2 M+4 M+6 轻质轻质 重质同位素重质同位素n 1个Cl和1个Brn (3+1)(1+1)=3+3+1+1=3:4:1 M:M+2:M+4 （四）亚稳离子峰（四）亚稳离子峰 离子离开电离室到达收集器之前的过程中，发
21、生分离子离开电离室到达收集器之前的过程中，发生分解而形成低质量的离子所产生的峰。（子离子与中性碎解而形成低质量的离子所产生的峰。（子离子与中性碎片）片）（五）重排离子峰（五）重排离子峰 两个或两个以上键的断裂中，某些原子或基团从一个位置两个或两个以上键的断裂中，某些原子或基团从一个位置转移到另一个位置生成的离子。转移基团多为转移到另一个位置生成的离子。转移基团多为氢原子氢原子。分子中有一个双键分子中有一个双键 在在碳位置上有碳位置上有H原子原子 酮，醛，酸，酯羰基化合物，烯烃类和含苯环等化酮，醛，酸，酯羰基化合物，烯烃类和含苯环等化 合合物。物。重排离子峰产生过程重排离子峰产生过程 2-戊酮戊
22、酮（六）多电荷离子峰（六）多电荷离子峰 非常稳定的分子，可能失去两个或两个以上的电非常稳定的分子，可能失去两个或两个以上的电子，在的位置上出现多电荷峰子，在的位置上出现多电荷峰.如芳香类化合物如芳香类化合物 解析未知物的图谱，可按下述程序进行。解析未知物的图谱，可按下述程序进行。第一步第一步 对分子离子区进行解析（推断分子式）对分子离子区进行解析（推断分子式）（1 1）确认分子离子峰，并注意分子离子峰对基峰的相对强）确认分子离子峰，并注意分子离子峰对基峰的相对强度比，这对判断分子离子的稳定性以及确定结构是有一定度比，这对判断分子离子的稳定性以及确定结构是有一定帮助的。帮助的。（2 2）注意是偶
23、数还是奇数，如果为奇数，而元素分析又证）注意是偶数还是奇数，如果为奇数，而元素分析又证明含有氮时，则分子中一定含有奇数个氮原子。明含有氮时，则分子中一定含有奇数个氮原子。（3 3）注意同位素峰中）注意同位素峰中M+1/MM+1/M及及M+2/MM+2/M数值的大小，据此可以数值的大小，据此可以判断分子中是否含有判断分子中是否含有S S、ClCl、BrBr，并可初步推断分子式。，并可初步推断分子式。（4 4）根据高分辨质谱测得的分子离子的）根据高分辨质谱测得的分子离子的m m/z/z值，推定分子式值，推定分子式。2.4 质谱解析质谱解析离子离子 失去的碎片失去的碎片 可能存在的结构可能存在的结构
24、M-1 H 醛，某些醚及胺M-15 CH3 甲基M-18 H2O 醇类，包括糖类M-28 C2H4，CO，N2,麦氏重排，COM-29 CHO，C2H5 醛类，乙基M-34 H2S 硫醇M-35 Cl M-36 HCl 氯化物M-43 CH3CO，C3H7 甲基酮，丙基M-45 C00H 羧酸类M-60 CH3COOH 醋酸酯 第二步第二步 对碎片离子区的解析对碎片离子区的解析 （推断碎片结构）（推断碎片结构）（1 1）找出主要碎片离子峰。并根据碎片离子的质）找出主要碎片离子峰。并根据碎片离子的质荷比，确定碎片离子的组成。常见碎片离子的组成见表荷比，确定碎片离子的组成。常见碎片离子的组成见表。
25、（2 2）注意分子离子有何重要碎片脱去）注意分子离子有何重要碎片脱去m/e 离子离子 可能的结构类型可能的结构类型29 CHO、C2H5 醛类、乙基30 CH2NH2 伯胺43 CH3CO CH3CO C3H7 丙基29、43、57、71 等 C2H5、C3H7 直链烷烃39、50、71 芳香化合物 芳香化合物52、65、7760 CH3COOH 羧酸类、醋酸类91 C6H5CH2 苄基105 C6H5CO 苯甲酰基第三步第三步 提出结构式提出结构式 根据以上分析，列出可能存在的结构单元及剩余碎根据以上分析，列出可能存在的结构单元及剩余碎片，根据可能的方式进行连接，组成可能的结构式片，根据可能
26、的方式进行连接，组成可能的结构式 例例1 1.一个羰基化合物，经验式为一个羰基化合物，经验式为C6H12O，其质谱见，其质谱见 下图，判断该化合物是何物。下图，判断该化合物是何物。解：图中解：图中m/z=100的峰可能为分子离子峰，那么它的分的峰可能为分子离子峰，那么它的分 子量则为子量则为100。图中其它较强峰有：。图中其它较强峰有：85，72，57，43等。等。n85的峰是分子离子脱掉质量数为的峰是分子离子脱掉质量数为15的碎片所得，应为甲基的碎片所得，应为甲基。n2.m/z=43的碎片等于的碎片等于M-57，是分子去掉，是分子去掉C4H9的碎片。的碎片。3.m/z=57的碎片是的碎片是C
27、4H9或者是或者是M-Me-CO。4.根据根据酮的裂分规律可初步判断它为甲基丁基酮，裂分方式为：酮的裂分规律可初步判断它为甲基丁基酮，裂分方式为：以上结构中以上结构中C4H9可以是伯、仲、叔丁基，能否判断？图中有可以是伯、仲、叔丁基，能否判断？图中有一一m/z=72的峰，它应该是的峰，它应该是M-28，即分子分裂为乙烯后生成的，即分子分裂为乙烯后生成的碎片离子。只有碎片离子。只有C4H9为仲丁基，这个酮经麦氏重排后才能得为仲丁基，这个酮经麦氏重排后才能得到到m/z=72的碎片。若是正丁基也能进行麦氏重排，但此时得的碎片。若是正丁基也能进行麦氏重排，但此时得不到不到m/z=72的碎片。的碎片。因
28、此该化合物为因此该化合物为3-甲基甲基-2-戊酮。戊酮。例例2 2.化学式化学式C6H14O，试由质谱图推出其结，试由质谱图推出其结构构。解：图中最大质荷比的峰为解：图中最大质荷比的峰为m/z 102，下一个质荷比的峰为，下一个质荷比的峰为 m/z 87，二者相差，二者相差15u，对应一个甲基，中性碎片的丢失，对应一个甲基，中性碎片的丢失是合理的，可初步确定是合理的，可初步确定m/z 102为分子离子峰。为分子离子峰。该质谱分子离子峰弱，也未见苯环碎片，由此可知该化该质谱分子离子峰弱，也未见苯环碎片，由此可知该化合物为脂肪族化合物。合物为脂肪族化合物。从从m/z 31、45、73、87的系列可
29、知该化合物含氧且为醇的系列可知该化合物含氧且为醇、醚类型。由于质谱图上无、醚类型。由于质谱图上无 M18等有关离子，因此未等有关离子，因此未知物应为脂肪族醚类化合物。结合分子量知物应为脂肪族醚类化合物。结合分子量102可推出未知可推出未知物分子式为物分子式为C6H14O。从高质量端从高质量端m/z 87及强峰及强峰m/z 73可知化合物碎裂时失去可知化合物碎裂时失去甲基、乙基（剩下的含氧原子的部分为正离子）。甲基、乙基（剩下的含氧原子的部分为正离子）。综上所述，未知物的可能结构有下列两种：综上所述，未知物的可能结构有下列两种：m/z 59、45分别对应分别对应m/z 87、73失失28u，可设
30、想这是经四员环氢，可设想这是经四员环氢转移失去转移失去C2H4 所致。由此可见，未知物结构式为（所致。由此可见，未知物结构式为（a），它产），它产生生m/z 59、45的峰，质谱中可见。反之，若结构式为（的峰，质谱中可见。反之，若结构式为（b），经），经四员环氢转移将产生四员环氢转移将产生m/z 45、31的峰，而无的峰，而无m/z 59，但质谱图，但质谱图中有中有m/z 59，而，而m/z 31很弱，因此结构式（很弱，因此结构式（b）可以排除。）可以排除。下面分析结构式（下面分析结构式（a）的主要碎裂途径：）的主要碎裂途径：练习1、某化合物C4H8O的质谱图如下，试推断其结构。返回2:某一液体的化学式为C5H12O，质谱数据如图所示，试推测其结构。物质分析稳定性物质分析稳定性:芳香环芳香环共轭多烯共轭多烯烯烯环状化合物环状化合物羰基化合物羰基化合物醚醚酯酯胺胺酸酸醇醇高度分支的烃类高度分支的烃类课后作业：1.试述离子轰击源和化学电离源的工作原理，并比较两者的特点。2.有机化合物在离子源中可获得哪些类型的离子？从这些离子的质谱峰中可得到一些什么信息？3.试述色谱-质谱联用的工作过程。
