1、第五章 质谱Mass Spectrometry,MS基本原理概述基本原理概述 质谱分析是将样品转化为运动的带电气态离子碎片，于磁场中按质质谱分析是将样品转化为运动的带电气态离子碎片，于磁场中按质荷比荷比(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法。其过程为可简单描述为：其过程为可简单描述为：其中，其中，z为电荷数，为电荷数，e为电子电荷，为电子电荷，U为加速电压，为加速电压，m为碎片质量，为碎片质量，V为电为电子运动速度。子运动速度。离子源离子源轰击样品轰击样品带电荷的带电荷的碎片离子碎片离子电场加速电场加速(zeU)获得动能获得动能(1/2mV2)磁场分离磁场分离(m/z)检
2、测器记录检测器记录5.1 质谱的基本知识5.1.1 质谱仪进样系统进样系统离子源离子源质量分析器质量分析器检测器检测器1.气体扩散2.直接进样3.气相色谱1.扇形磁场 2.四极分析器 3.离子阱4.飞行时间质量分析器 质谱仪需要在高真空下工作：离子源（质谱仪需要在高真空下工作：离子源（10-3 10-5 Pa）质量分析器（质量分析器（10-6 Pa）(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)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；(3)引起额外的离子分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。引起额外的离子分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。1.电
3、子轰击2.化学电离3.电喷雾电离4.基质辅助激光解析电离离子源种类:p电子轰击(electron impact，EI)源：p快原子轰击（fast atom bombardment,FAB）源p化学电离（chemical ionization,CI）源p电喷雾电离（electron spray ionization,ESI）源p基质辅助激光解吸电离(matrix assisted laser desorption ionization,MALDI)源5.1.2 质谱仪主要性能指标p1.灵敏度灵敏度p2.分辨率分辨率p3.质量范围质量范围5.1.3 质谱图p横坐标：质荷比(m/z)p纵坐标：离子峰
4、的相对丰度p一般质谱图上质荷比最大的峰为分子离子峰；有一般质谱图上质荷比最大的峰为分子离子峰；有例外。例外。p图中强度最大的峰（称为标准峰或基峰）为图中强度最大的峰（称为标准峰或基峰）为100，其余的峰按与标准峰的比例表示，也成为百分相其余的峰按与标准峰的比例表示，也成为百分相对丰度。对丰度。p基峰是指图中最强的离子峰，但基峰不一定就是基峰是指图中最强的离子峰，但基峰不一定就是分子离子峰。分子离子峰。术语：质谱峰，基峰，分子离子峰术语：质谱峰，基峰，分子离子峰5.1.4 质谱的离子类型1.分子离子分子离子 分子离子峰：一个电子形成的离子所产生的峰。分子离子峰：一个电子形成的离子所产生的峰。分子
5、离子的质量与化合物的相对摩尔质量相等。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：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。烃酮胺酯醚酸支链烷烃醇。分子离子峰的特点：分子离子峰的特点：p 一般质谱图上质荷比最大的峰为分子离子峰；有例一般质谱图上质荷比最大的峰为分子离子峰；有例外。外。p 形成分子离子需要的能量最低，一般约电子伏形成分子离子需要的能量最低，一般约电子伏特。特。2.碎片离子峰碎片离子峰 一般有机化合物的电离能为一般有机化合物的电离能为713电子伏特，质谱中常用
6、的电子伏特，质谱中常用的电离电压为电离电压为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。H3CCH2CH2CH2CH2CH315712957434357297115H3CCH2CH2CH2CH2CH3H3CCH2CH2CH2CH2CH3H3CCH2CH2CH2CH2CH3H3CCH2CH2CH2CH2CH3CH3CH2CH2CH2CH2CH31529435771正己烷正己烷碎片离子峰碎片离子峰H3C C CH3CH3H3C CH CH3H3C CH2CH310-5秒，检测器记录 M1p不稳定离子 寿命10-6秒，检测器记录 M2p亚稳离子 寿命10-
7、610-5秒，检测器记录M*表观质量数M*M*=M22/M1M1M2举例举例 对氨基茴香醚在对氨基茴香醚在m/z94.8及及59.2处，出现了两个亚稳处，出现了两个亚稳峰，可证明某些离子间的裂解关系。峰，可证明某些离子间的裂解关系。说明：两个亚稳峰的存在，证明了m/z80离子是由分子离子经两步裂解生成，而不是一步裂解。CH3CH3CH-NH-CHCH3CH3+CH3CH3-CH-NH-CHCH2CH3+HCH3-CH=CH2（中性碎片）（中性碎片）CH3-CH=NH2 m/z44（强峰）（强峰）+m/z86m/z101例如：例如：二异丙胺质谱在二异丙胺质谱在m/z22.8处有亚稳离子峰，此外有
8、两个强峰处有亚稳离子峰，此外有两个强峰m/z86和和m/z44和一个弱峰和一个弱峰m/z101。m/z44离子是离子是m/z86离子的重排开裂产生的。离子的重排开裂产生的。亚稳离子峰为此种开裂历程提供了证据。亚稳离子峰为此种开裂历程提供了证据。m*=22.8 442+/86=22.55.重排离子重排离子 原子或基团经重排后再开裂而形成一种特殊的原子或基团经重排后再开裂而形成一种特殊的碎片离子，称重排离子。如醇分子离子经脱水后重碎片离子，称重排离子。如醇分子离子经脱水后重排可产生新的重排离子峰。排可产生新的重排离子峰。6.多电荷离子多电荷离子5.2 离子裂解的机理5.2.1 离子的单分子裂解离子
9、的单分子裂解5.2.2 离子丰度的影响因素离子丰度的影响因素1.产物离子的稳定性产物离子的稳定性2.Stevenson规则规则3.质子亲和能质子亲和能4.最大烷基丢失最大烷基丢失5.中性产物的稳定性中性产物的稳定性有机质谱中的裂解反应有机质谱中的裂解反应化学键的断裂可分为下列三种情况化学键的断裂可分为下列三种情况:1均裂2异裂3半异裂 5.3.1 自由基中心引发的自由基中心引发的 断裂反应断裂反应 自由基引发的自由基引发的断裂反应，动力来自自由基强烈的电子配对倾向。该反断裂反应，动力来自自由基强烈的电子配对倾向。该反应由自由基中心提供一个电子与邻接的原子形成一个新键，而邻接原子应由自由基中心提
10、供一个电子与邻接的原子形成一个新键，而邻接原子的另一个化学键则发生断裂。下面分述几种含的另一个化学键则发生断裂。下面分述几种含n、电子化合物发生电子化合物发生断断裂反应的情况。裂反应的情况。1.饱和杂原子饱和杂原子(Y)化合物的化合物的断裂反应断裂反应 电负性：电负性：N S O Cl 生成正离子的稳定性生成正离子的稳定性:N S O Cl2.含不饱和杂原子化合物含不饱和杂原子化合物的的断裂反应断裂反应3.碳不饱和键化合物的碳不饱和键化合物的断裂反应断裂反应5.3.2 电荷中心引发的电荷中心引发的 i 断裂反应断裂反应p电荷中心引发的电荷中心引发的i断裂反应（诱导断裂），动力来断裂反应（诱导断
11、裂），动力来自电荷的诱导效应，涉及正电荷对一对电子的吸自电荷的诱导效应，涉及正电荷对一对电子的吸引。引。+YRRRYRRYH+RYH5.3.3 环状结构的裂解反应环状结构的裂解反应p对于环状结构的化合物，分子中必须有两个键断裂才能产生一个碎片。对于环状结构的化合物，分子中必须有两个键断裂才能产生一个碎片。因此，环的裂解产物中一定有一个奇电子离子因此，环的裂解产物中一定有一个奇电子离子+-em/z 56(OE )m/z 84OO+i(OE )m/z 56H2CO环己烯的六元环可以通过相当于逆环己烯的六元环可以通过相当于逆DielsAlder反应（反应（RDA）发生裂解而形成碎片离子发生裂解而形成
12、碎片离子RR RRRR RR+(电荷保留)RH 时：80%C6H5m/z 54R=：0.8%C6H5（电荷转移）+时RH 时：3%R=：100%时5.3.4 麦氏（麦氏（Mclafferty）重排反应重排反应p具有以下结构通式具有以下结构通式A的化合物，可进行的化合物，可进行H重排到不饱和基团上，并重排到不饱和基团上，并伴随发生伴随发生键断裂的麦氏重排反应：键断裂的麦氏重排反应：QCXYZHQCXYZHQHCXYZ-eQHCXZY+醛、酮、羧酸、酯都可发生麦氏重排，产生特征质谱峰。醛、酮、羧酸、酯都可发生麦氏重排，产生特征质谱峰。5.3.5 正电荷中心引发的重排反应正电荷中心引发的重排反应 非
13、环状偶电子离子可发生类似以下经四员环过渡态的重排：+CH3CH2NHCHHH2CCH2HNCH2H2NCH2H2CCH2EE非环状5.3.6 氢重排到饱和杂原子上并伴随邻键氢重排到饱和杂原子上并伴随邻键 断裂的反应断裂的反应OHHC2H5OH2C2H5C2H5HOHC2H5H2O+H重排+m/z 18均裂异裂5.4 常见各类化合物的质谱常见各类化合物的质谱1615m/zmethaneM=16m/z152943578599113142712.2.支链烷烃支链烷烃3.3.环烷烃环烷烃芳烃芳烃醇和酚醇和酚伯醇伯醇仲醇仲醇叔醇叔醇m/z 31m/z 45m/z 59H3C CH2CH2CHOHCH3m
14、/z=73(M-15)断裂断裂丢失最丢失最大烃基的可能性最大大烃基的可能性最大丢失最大烃基原则丢失最大烃基原则R2CR1R3OH-R3R2CR1OHm/z:31,59,73,RHCHCH2OHRHCCH2OHH-H2ORHCCH2RHCCH2(C H2)n(C H2)n(C H2)n(C H2)no r酚类的分子离子峰酚类的分子离子峰M 很强，往往是基峰很强，往往是基峰酚容易失去CO和CHO 形成M-28和M-29的离子峰见P245图醚类醚类断裂断裂i i 断裂断裂醛、酮醛、酮:麦氏重排麦氏重排H2C CCH2OCH2H3CCH3酸酸其它化合物其它化合物M=113100809010060503
15、0204070%OF BASE PEAKNH84564127CH2H3C70113(M )20406080100103050709011001200结构未知（结构未知（C6H12O，酮）酮）解析：解析：1 100，分子离子峰，分子离子峰285，失去，失去CH3（15）的产物的产物357,丰度最大丰度最大,稳定结构稳定结构 失去失去CO(28)后的产物后的产物 v注意注意“醚、胺、脂的醚、胺、脂的(M+H)+峰峰”及及“芳醛、醇等的芳醛、醇等的(M-H)+峰峰”。质谱解谱过程（一）解析分子离子区（一）解析分子离子区(1)标出各峰的质荷比数，尤其注意高质荷比区的峰。标出各峰的质荷比数，尤其注意高质
16、荷比区的峰。(2)识别分子离子峰。首先在高质荷比区假定分子离子峰，识别分子离子峰。首先在高质荷比区假定分子离子峰，判断该假定分子离子峰与相邻碎片离子峰关系是否合理，判断该假定分子离子峰与相邻碎片离子峰关系是否合理，然后判断其是否符合氮律。若二者均相符，可认为是分然后判断其是否符合氮律。若二者均相符，可认为是分 子离子峰。子离子峰。(3)分析同位素峰簇的相对强度比及峰与峰间的分析同位素峰簇的相对强度比及峰与峰间的Dm值，值，判断化合物是否含有判断化合物是否含有Cl、Br、S、Si等元素及等元素及F、P、I等无同位素的元素。等无同位素的元素。(4)推导分子式，计算不饱和度。由高分辨质谱仪测得的精推
17、导分子式，计算不饱和度。由高分辨质谱仪测得的精确分子量或由同位素峰簇的相对强度计算分子式。若二者确分子量或由同位素峰簇的相对强度计算分子式。若二者均难以实现时，则由分子离子峰丢失的碎片及主要碎片离均难以实现时，则由分子离子峰丢失的碎片及主要碎片离子推导，或与其它方法配合。子推导，或与其它方法配合。(5)由分子离子峰的相对强度了解分子结构的信息。分子由分子离子峰的相对强度了解分子结构的信息。分子离子峰的相对强度由分子的结构所决定，结构稳定性大，离子峰的相对强度由分子的结构所决定，结构稳定性大，相对强度就大。对于分子量约相对强度就大。对于分子量约200的化合物，若分子离子的化合物，若分子离子峰为基
18、峰或强蜂，谱图中碎片离子较少、表明该化合物是峰为基峰或强蜂，谱图中碎片离子较少、表明该化合物是高稳定性分子，可能为芳烃或稠环化合物。高稳定性分子，可能为芳烃或稠环化合物。例如：萘分子离子峰例如：萘分子离子峰mz 128为基峰，蒽醌分子离子峰为基峰，蒽醌分子离子峰mz 208也是基峰。分子离子峰弱或不出现，化合物可能为多支链烃类、醇类、也是基峰。分子离子峰弱或不出现，化合物可能为多支链烃类、醇类、酸类等。酸类等。（二）、解析碎片离子（二）、解析碎片离子 (1)由特征离子峰及丢失的中性碎片了解可能的结构信息。由特征离子峰及丢失的中性碎片了解可能的结构信息。若质谱图中出现系列若质谱图中出现系列CnH
19、2n+1峰，则化合物可能含长链烷峰，则化合物可能含长链烷基。若出现或部分出现基。若出现或部分出现mz 77，66，65，51，40，39等弱的碎片离子蜂，表明化合物含有苯基。若等弱的碎片离子蜂，表明化合物含有苯基。若mz 91或或105为基峰或强峰，表明化合物含有苄基或苯甲酰为基峰或强峰，表明化合物含有苄基或苯甲酰基。若质谱图中基峰或强峰出现在质荷比的中部，而其它基。若质谱图中基峰或强峰出现在质荷比的中部，而其它碎片离子峰少，则化合物可能由两部分结构较稳定，其间碎片离子峰少，则化合物可能由两部分结构较稳定，其间由容易断裂的弱键相连。由容易断裂的弱键相连。(2)综合分析以上得到的全部信息，结合分子式及不饱和综合分析以上得到的全部信息，结合分子式及不饱和度，提出化合物的可能结构。度，提出化合物的可能结构。(3)分析所推导的可能结构的裂解机理，看其是否分析所推导的可能结构的裂解机理，看其是否 与质与质谱图相符，确定其结构，并进一步解释质谱，或与标准谱谱图相符，确定其结构，并进一步解释质谱，或与标准谱图比较，或与其它谱图比较，或与其它谱(1H NMR、13C NMR、IR)配合，配合，确证结构。确证结构。
