1、第四章第四章质谱分析法质谱分析法Mass Spectrometry，MS第一节第一节概述概述分子4.1.1 质谱仪的发展史质谱仪的发展史 1911年年:世界第一台质谱装置（世界第一台质谱装置（J.J.Thomson）40年代年代:用于同位素测定和无机元素分析用于同位素测定和无机元素分析 50年代：年代：开始有机物分析（分析石油）开始有机物分析（分析石油）60年代：年代：研究研究GC-MS联用技术联用技术 70年代：年代：计算机引入计算机引入 80年代：年代：新的质谱技术出现：新的质谱技术出现：快原子轰击电离子源，基快原子轰击电离子源，基质辅助激光解吸电离源，电喷雾电离源，大气压化学电离源质辅助
2、激光解吸电离源，电喷雾电离源，大气压化学电离源；LC-MS联用仪，感应耦合等离子体质谱仪，富立叶变换质谱仪等联用仪，感应耦合等离子体质谱仪，富立叶变换质谱仪等目前质谱分析法已广泛地应用于目前质谱分析法已广泛地应用于化学、化工、材料、环化学、化工、材料、环境、地质、能源、药物、刑侦、生命科学、运动医学境、地质、能源、药物、刑侦、生命科学、运动医学等等各个领域。各个领域。质谱法的主要作用是：质谱法的主要作用是：（1）准确测定物质的分子量）准确测定物质的分子量（2）根据碎片特征进行化合物的结构分析）根据碎片特征进行化合物的结构分析分析时，首先将分子离子化，然后利用离子在电场或分析时，首先将分子离子化
3、，然后利用离子在电场或磁场中运动的性质，把离子按质核比大小排列成谱，磁场中运动的性质，把离子按质核比大小排列成谱，此即为质谱。此即为质谱。4.1.2 质谱质谱分析法分析法是按照离子的质核比（是按照离子的质核比（m/z）大小大小对离子进行分离和测定从而对离子进行分离和测定从而对样品进行定性和定量对样品进行定性和定量分析分析的一种方法的一种方法。第二节第二节质谱分析的原理与仪器质谱分析的原理与仪器4.2.1 质谱分析的过程与原理质谱分析的过程与原理图图4-1 MS分析过程示意图分析过程示意图1、进样、进样化合物通过汽化引入离子化室；化合物通过汽化引入离子化室；2、离子化、离子化M+e M-在离子化
4、室，组分分子被一束加速电子碰撞（能量约在离子化室，组分分子被一束加速电子碰撞（能量约70eV），），撞击使分子电离形成正离子；撞击使分子电离形成正离子；M M+e或与电子结合，形成负离子或与电子结合，形成负离子4、荷电离子被加速电压加速，产生一定的速度、荷电离子被加速电压加速，产生一定的速度v，与质量、电荷及加速电压有关：与质量、电荷及加速电压有关：3、离子也可因撞击强烈而形成碎片离子：、离子也可因撞击强烈而形成碎片离子：)1(212mvzV 5、加速离子进入一个强度为、加速离子进入一个强度为H的磁场，发生偏的磁场，发生偏转，半径为：转，半径为：当当r为仪器设置不变时，改变加速电压或磁场强度，
5、则不为仪器设置不变时，改变加速电压或磁场强度，则不同同m/z的离子依次通过狭缝到达检测器，形成质量谱，的离子依次通过狭缝到达检测器，形成质量谱，简称质谱。简称质谱。)2(zHmvr 将（将（1）（）（2）合并：）合并：)3(222VrHzm4.2.2 有机质谱中的各种离子有机质谱中的各种离子2）准分子离子（）准分子离子（quasi-molecular ion）准分子离子常由软电离产生，一般为准分子离子常由软电离产生，一般为 M+H+、M-H+。3）碎片离子（）碎片离子（fragment ion）泛指由分子离子破裂而产生的一切离子。狭义的碎片离子泛指由分子离子破裂而产生的一切离子。狭义的碎片离子
6、指由简单断裂产生的离子指由简单断裂产生的离子。4）重排离子（）重排离子（rearrangement ion）经重排反应产生的离子，其结构不是原分子结构单元经重排反应产生的离子，其结构不是原分子结构单元。1）分子离子（）分子离子（molecular ion）样品分子失去一个电子而电离所产生的离子，记为样品分子失去一个电子而电离所产生的离子，记为 。M5）母离子（）母离子（parent ion）与子离子（）与子离子（daughter ion）任何一离子进一步产生某离子，前者称为母离子，后者任何一离子进一步产生某离子，前者称为母离子，后者称为子离子称为子离子。6）亚稳离子（）亚稳离子（metasta
7、ble ion）是从离子源出口到检测器之间产生的离子是从离子源出口到检测器之间产生的离子。7）奇电子与偶电子离子（）奇电子与偶电子离子（odd-and even-electron ion）具有未配对电子的离子称为奇电子离子，不具有未配对具有未配对电子的离子称为奇电子离子，不具有未配对电子的离子称为偶电子离子电子的离子称为偶电子离子。8）多电荷离子（）多电荷离子（multiply-charged ion）失掉两个以上电子的离子称为多电荷离子失掉两个以上电子的离子称为多电荷离子。9）同位素离子（）同位素离子（isotopic ion）当元素具有非单一的同位素组成时，产生同位素离子。当元素具有非单一
8、的同位素组成时，产生同位素离子。4.2.3 质谱仪的组成质谱仪的组成q 进样系统（进样系统（inlet system）q离子源（离子源（ion source）q质量分析器（质量分析器（mass analyzer）q检测器（检测器（detecter）q真空系统（真空系统（Vacuum system）1、样品引入系统、样品引入系统气体气体直接导入或用气相色谱进样直接导入或用气相色谱进样液体液体加热汽化或雾化进样加热汽化或雾化进样固体固体用直接进样探头用直接进样探头图图4-4 雾化进样雾化进样图图4-5 雾化进样系统雾化进样系统Heated GasHENNebulizerWater VaporWat
9、er VaporDry AerosolNebulizer GasMakeup GasSweepGas InSweepGas OutSample Flow InHeater对于蒸汽压低的样品进行衍生化后进样对于蒸汽压低的样品进行衍生化后进样例如：葡萄糖变成三甲基硅醚的衍生物例如：葡萄糖变成三甲基硅醚的衍生物OCH2OHOHOHHOHOOCH2OSiMe3OSiMe3OSiMe3Me3SiOMe3SiOMe3SiCl2、离子源离子源(ion source)电子电离源电子电离源(electron ionization EI)化学电离源化学电离源(chemical ionization CI)快原子轰
10、击快原子轰击(fast atom bombardment FAB)电喷雾源电喷雾源(electronspray ionization ESI)大气压化学电离（大气压化学电离（atmospheric pressure chemical ionization APCI)基质辅助激光解吸电离（基质辅助激光解吸电离（matrix assisted laser desorption ionization MALDI)离子源的作用是将欲分析样品电离，得到带有样品离子源的作用是将欲分析样品电离，得到带有样品信息的离子。信息的离子。（1）电子电离源电子电离源(electron ionization EI)动画
11、动画图图4-6电子电离源原理图电子电离源原理图样品分子形成离子的四种途径：样品分子形成离子的四种途径：样品分子被打掉一个电子形成分子离子样品分子被打掉一个电子形成分子离子（同位素离子同位素离子）。分子离子进一步发生化学键断裂形成碎片离子。分子离子进一步发生化学键断裂形成碎片离子。分子离子发生结构重排形成重排离子。分子离子发生结构重排形成重排离子。通过分子离子反应生成加合离子。通过分子离子反应生成加合离子。特点：特点：v 碎片离子多，结构信息丰富，有标准化合物质谱库；碎片离子多，结构信息丰富，有标准化合物质谱库；v 主要用于挥发性样品的电离，不能汽化的样品不能分析；主要用于挥发性样品的电离，不能
12、汽化的样品不能分析；v 稳定性不高的样品得不到分子离子；稳定性不高的样品得不到分子离子；EI是质谱中最常用的离子源，电子能量一般为是质谱中最常用的离子源，电子能量一般为70eV，大大多数有机化合物的电离电位多数有机化合物的电离电位715eV，多数分子离子进一多数分子离子进一步裂解产生碎片离子。步裂解产生碎片离子。（2）化学电离源）化学电离源(chemical ionization CI)结构与结构与EI同，离子化室充同，离子化室充反应气体（甲烷、异丁烷、氨反应气体（甲烷、异丁烷、氨等），等），电子首先将电子首先将CH4离解，离解，通过离子通过离子-分子反应来完分子反应来完成电离。成电离。其电离
13、过程如下：其电离过程如下：生成的气体离子再与样品分子生成的气体离子再与样品分子M反应：反应：CH5+MH CH4+MH2+C2H5+MH C2H6+M+CH4+e CH4+2e（CH3+，）CH4+CH4 CH5+CH3 CH3+CH4 C2H5+H2化学电离源是一种软电离方式，有些化学电离源是一种软电离方式，有些稳定性差的化合物，稳定性差的化合物，用用EI方式得不到分子离子，改用方式得不到分子离子，改用CI后可以得到准分子离后可以得到准分子离子，因而可以求得分子量。子，因而可以求得分子量。特点：特点：v 得到一系列准分子离子得到一系列准分子离子(M+1)+，(M-1)+，(M+2)+等等；等
14、等；v 一般都有正一般都有正CI和负和负CI，可以根据样品情况进行选择可以根据样品情况进行选择，对对于含有很强的吸电子基团的化合物，检测负离子的灵敏于含有很强的吸电子基团的化合物，检测负离子的灵敏度远高于正离子的灵敏度度远高于正离子的灵敏度；v 碎片离子峰少，图谱简单，易于解释；碎片离子峰少，图谱简单，易于解释；v 适用于易汽化的样品适用于易汽化的样品，不适于难挥发成分的分析。，不适于难挥发成分的分析。v CI得到的质谱不是标准质谱，所以不能进行库检索。得到的质谱不是标准质谱，所以不能进行库检索。（3）快原子轰击）快原子轰击(fast atom bombardment FAB)v 氩氩（氙）（
15、氙）气在电离气在电离室依靠放电产生氩室依靠放电产生氩离子，高能氩离子离子，高能氩离子经电荷交换得到高经电荷交换得到高能氩原子流，能氩原子流，v 高能高能Ar（Xe）原原子轰击涂在靶上的子轰击涂在靶上的样品，溅射出离子样品，溅射出离子流。流。v 样品电离后进入真样品电离后进入真空，空，在电场作用下在电场作用下进入分析器。进入分析器。图图4-7 快原子轰击源示意图快原子轰击源示意图FBA是是一种广泛应用的软电离技术一种广泛应用的软电离技术，主要用于极性强、，主要用于极性强、分子量大的样品分析。分子量大的样品分析。特点：特点：v 电离过程中不必加热气化，因此适合于分析大分子量、电离过程中不必加热气化
16、，因此适合于分析大分子量、难气化、热稳定性差的样品。例如难气化、热稳定性差的样品。例如肽类、低聚糖、天肽类、低聚糖、天然抗生素、有机金属络合物然抗生素、有机金属络合物等。等。v FAB源得到的质谱不仅有较强的准分子离子峰源得到的质谱不仅有较强的准分子离子峰(M+H)+或或(M+Na)+，而且有较丰富的结构信息。，而且有较丰富的结构信息。v FAB一般用作磁式质谱的离子源。一般用作磁式质谱的离子源。（4）电喷雾源）电喷雾源(electronspray ionization ESI)v 多层套管组成的电喷雾喷咀多层套管组成的电喷雾喷咀，最内层是液相色谱流出最内层是液相色谱流出物，外层是喷射气物，外
17、层是喷射气（氮气氮气），使喷出的液体容易分散，使喷出的液体容易分散成微滴。成微滴。v 喷嘴斜前方有一个补助气喷咀，使微滴的溶剂快速蒸喷嘴斜前方有一个补助气喷咀，使微滴的溶剂快速蒸发发，表面电荷密度逐渐增大，到某个临界值时，离子表面电荷密度逐渐增大，到某个临界值时，离子从表面蒸发出来。从表面蒸发出来。v 离子产生后，借助于喷咀与锥孔之间的电压，穿过取离子产生后，借助于喷咀与锥孔之间的电压，穿过取样孔进入分析器样孔进入分析器动画动画图图4-8 电喷雾电电喷雾电离原理图离原理图ESI是很软的电离方法，即便是分子量大，稳定性差的化是很软的电离方法，即便是分子量大，稳定性差的化合物，也不会在电离过程中发
18、生分解合物，也不会在电离过程中发生分解。特点：特点：v适合于适合于适用于强极性，大分子量的样品（生物大分适用于强极性，大分子量的样品（生物大分子）分析，子）分析，如如蛋白质、肽、糖蛋白质、肽、糖等。等。v最大特点是容易形成多电荷离子。最大特点是容易形成多电荷离子。一个分子量为一个分子量为10000Da的分子若带有的分子若带有10个电荷，则其质荷比只有个电荷，则其质荷比只有1000Da，进入了一般质谱仪可以分析的范围之内。进入了一般质谱仪可以分析的范围之内。因此因此目前采用电喷雾电离，可以测量分子量在目前采用电喷雾电离，可以测量分子量在300000Da以上的蛋白质。以上的蛋白质。v主要用于液相色
19、谱主要用于液相色谱-质谱联用仪质谱联用仪图图4-9 肌红蛋白电喷雾质谱图肌红蛋白电喷雾质谱图（5）大气压化学电离源）大气压化学电离源(Atmospheric pressure chemical IonizationAPCI)结构与电喷雾源大致相同，不同之处在于结构与电喷雾源大致相同，不同之处在于APCI喷咀的下喷咀的下游放置一个针状放电电极，通过放电电极的高压放电，游放置一个针状放电电极，通过放电电极的高压放电，使空气中某些中性分子电离。使空气中某些中性分子电离。图图4-10 大气压化学大气压化学电离接口示意图电离接口示意图大气压化学电离源主要用来分析中等极性的化合物。大气压化学电离源主要用来
20、分析中等极性的化合物。v 电离产生电离产生H3O+，N2+，O2+和和O+等离子及溶剂分子电等离子及溶剂分子电离产生的离子与分析物分子进行离子离产生的离子与分析物分子进行离子-分子反应，使分分子反应，使分析物分子离子化。析物分子离子化。由质子转移和电荷交换产生正离子，由质子转移和电荷交换产生正离子，质子脱离和电子捕获产生负离子质子脱离和电子捕获产生负离子等。等。v APCI是是ESI的补充，有些分析物由于结构和极性方面的补充，有些分析物由于结构和极性方面的原因，用的原因，用ESI不能产生足够强的离子，可以采用不能产生足够强的离子，可以采用APCI方式增加离子产率。方式增加离子产率。v APCI
21、主要产生的是单电荷离子，主要产生的是单电荷离子，适用于弱极性的小分适用于弱极性的小分子化合物。子化合物。v 碎片离子很少，主要是准分子离子，适用于液相色谱碎片离子很少，主要是准分子离子，适用于液相色谱-质谱联用仪。质谱联用仪。（6）激光解吸源（）激光解吸源（Laser Description，LD）v 利用一定波长的脉冲式激光照射涂有基质的样品靶，基利用一定波长的脉冲式激光照射涂有基质的样品靶，基质分子吸收激光能量，与样品分子一起蒸发到气相并使质分子吸收激光能量，与样品分子一起蒸发到气相并使样品分子电离。样品分子电离。v 通常称为基质辅助激光解吸电离通常称为基质辅助激光解吸电离(Matrix
22、Assisted Laser Description Ionization,简称简称MALDI)。常用基质有常用基质有2,5-二羟基苯甲酸、芥子酸、烟酸、二羟基苯甲酸、芥子酸、烟酸、-氰基氰基-4-羟基肉桂酸羟基肉桂酸等。等。v 特别适合于飞行时间质谱仪特别适合于飞行时间质谱仪(TOF)，组成组成MALDI-TOF。v MALDI属于软电离技术，碎片离子和多电荷离子较少，属于软电离技术，碎片离子和多电荷离子较少，主要是分子离子，准分子离子。比较适合分析生物大分主要是分子离子，准分子离子。比较适合分析生物大分子，如子，如肽、蛋白质、核酸肽、蛋白质、核酸等。等。3、质量分析器、质量分析器(mass
23、 analyzer)单聚焦分析器（单聚焦分析器（single focusing mass analyzer）双聚焦分析器（双聚焦分析器（double focusing mass analyzer）四极杆分析器四极杆分析器(quadrupole analyzer)飞行时间分析器飞行时间分析器(time of flight）离子阱分析器离子阱分析器(Ion trap)富立叶变换离子回旋共振分析器（富立叶变换离子回旋共振分析器（Fourier tranform ion cyclotron resonance）质量分析器的作用是将离子源产生的离子按质量分析器的作用是将离子源产生的离子按m/z顺序顺序分
24、开并排列成谱。分开并排列成谱。（1）单聚焦分析器（）单聚焦分析器（single focusing mass analyzer）结构：结构：扇形磁场扇形磁场（可以是（可以是180o、90o、60o等）等）图图4-11 单聚焦质量分析器单聚焦质量分析器动画动画原理：原理：v 离子的离子的m/z大，偏转半径也大，通过磁场可以把不同离大，偏转半径也大，通过磁场可以把不同离子分开；子分开；v 当当r为仪器设置不变时，改变加速电压或磁场强度，则为仪器设置不变时，改变加速电压或磁场强度，则不同不同m/z的离子依次通过狭缝到达检测器，形成质谱。的离子依次通过狭缝到达检测器，形成质谱。v 结构简单，操作方便，但
25、分辨率很低。结构简单，操作方便，但分辨率很低。（无法克服离（无法克服离子初始能量分散对分辨率造成的影响）子初始能量分散对分辨率造成的影响）由（由（3）式可知：）式可知：)3(222VrHzm（2）双聚焦分析器（）双聚焦分析器（Double focusing mass analyzer）在扇形磁场前加一扇形电场，以消除离子能量分散对在扇形磁场前加一扇形电场，以消除离子能量分散对分辨率的影响。分辨率的影响。图图4-12 双聚焦质量分析器原理图双聚焦质量分析器原理图对于动能不同的离子，通过调节电场能，达到聚焦的目对于动能不同的离子，通过调节电场能，达到聚焦的目的。的。v 质量相同而能量不同的离子经过
26、扇形电场后彼此分开，质量相同而能量不同的离子经过扇形电场后彼此分开，起能量色散作用。使静电场的能量色散作用和磁场的起能量色散作用。使静电场的能量色散作用和磁场的能量色散作用大小相等方向相反，就可以消除能量分能量色散作用大小相等方向相反，就可以消除能量分散对分辨率的影响。散对分辨率的影响。v 由电场和磁场共同实现质量分离的分析器，同时具有由电场和磁场共同实现质量分离的分析器，同时具有方向聚焦和能量聚焦作用，叫双聚焦质量分析器。方向聚焦和能量聚焦作用，叫双聚焦质量分析器。v 双聚焦分析器的优点是双聚焦分析器的优点是分辨率高分辨率高，缺点是，缺点是扫描速度慢，扫描速度慢，操作、调整比较困难操作、调整
27、比较困难，仪器造价比较昂贵仪器造价比较昂贵。（3）四极杆分析器）四极杆分析器(quadrupole analyzer)四根棒状电极四根棒状电极（镀金陶瓷或镀金陶瓷或钼合金）钼合金），形，形成四极场。成四极场。图图4-12 四极杆质量分析器四极杆质量分析器相对两根电极间加有电压相对两根电极间加有电压(Vdc+Vrf)，另外两根电极间加有另外两根电极间加有-(Vdc+Vrf)。Vdc为直流电压，为直流电压，Vrf为射频电压为射频电压。v 在一定的在一定的Vdc/Vrf，只有只有一种质核比的离子可通一种质核比的离子可通过四极场，到达检测器，过四极场，到达检测器，其余离子振幅不断增大，其余离子振幅不断
28、增大，最后碰到四极杆而被吸最后碰到四极杆而被吸收。收。v 改变改变Vrf 可实现扫描。可实现扫描。选选择离子监测，择离子监测，select ion monitoring SIMv 扫描速度快，灵敏度高，扫描速度快，灵敏度高，适用于适用于GC-MS。图图4-13 四极杆质量分析器原理图四极杆质量分析器原理图（4）飞行时间分析器（）飞行时间分析器（Time of Flight Analyzer）试样入口试样入口电子发射电子发射栅极栅极1，-270V栅极栅极2，2.8kV接接收收器器抽真空抽真空动画动画图图4-14 飞行时间质量分析器原理图飞行时间质量分析器原理图离子在漂移管中飞行的时间与离子质量的
29、平方根成正比。离子在漂移管中飞行的时间与离子质量的平方根成正比。特点：特点：v 质量范围宽，最高可检质量超过质量范围宽，最高可检质量超过300000Da，灵敏度高；灵敏度高；扫描速度快，扫描速度快，既不需电场也不需磁场；既不需电场也不需磁场；v 由于质量相同的离子进入漂移管的时间有先后，空间由于质量相同的离子进入漂移管的时间有先后，空间有前后和初始动能也不同，达到检测器的时间就不相有前后和初始动能也不同，达到检测器的时间就不相同，导致分辨率比较低。同，导致分辨率比较低。v 激光脉冲电离方式，离子延迟引出技术和离子反射技激光脉冲电离方式，离子延迟引出技术和离子反射技术，提高了仪器分辨率，可达术，
30、提高了仪器分辨率，可达20000以上。以上。v 已广泛应用于已广泛应用于GC-MS，LC-MS和基质辅助激光解吸飞和基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪中。行时间质谱仪中。可用于大分子的分析（几十万原子可用于大分子的分析（几十万原子量单位），在生命科学中用途很广。量单位），在生命科学中用途很广。（5）离子阱分析器）离子阱分析器 Ion Trap Analyzerv 结构小巧，质结构小巧，质量轻，灵敏度量轻，灵敏度高，而且还有高，而且还有多级质谱功能。多级质谱功能。v 可用于可用于GC-MS，也可用于也可用于LC-MS。图图4-15 离子阱构造原理图离子阱构造原理图动画动画1-灯丝；灯丝；2-端帽；端
31、帽；3-环形电极；环形电极；4-电子倍增管；电子倍增管；5-计算机；计算机；6-放大器和射频发生器（基本射频电压）；放大器和射频发生器（基本射频电压）；7-放大器和射频发生器（附加射频电压）放大器和射频发生器（附加射频电压）4、检测器检测器(detector)电子倍增器电子倍增器信号增益与倍增器信号增益与倍增器电 压 有 关，提电 压 有 关，提高 倍 增 器 电 压高 倍 增 器 电 压可 以 提 高 灵 敏可 以 提 高 灵 敏度，但 同 时 会度，但 同 时 会降 低 倍 增 器 的降 低 倍 增 器 的寿命。寿命。图图4-18 电子倍增器示意图电子倍增器示意图5、真空系统真空系统v 质
32、谱仪的离子源和分析器都必须处在优于质谱仪的离子源和分析器都必须处在优于10-5 mbar的的真空中才能工作。真空中才能工作。保证离子源中灯丝的正常工作，保保证离子源中灯丝的正常工作，保证离子在离子源和分析器正常运行，消减不必要的离证离子在离子源和分析器正常运行，消减不必要的离子碰撞，散射效应，复合反应和离子子碰撞，散射效应，复合反应和离子-分子反应，减小分子反应，减小本底与记忆效应。本底与记忆效应。v 真空装置：真空装置：机械真空泵：机械真空泵：极限真空度为极限真空度为10-3 mbar扩散泵：扩散泵：性能稳定可靠，缺点是启动慢性能稳定可靠，缺点是启动慢分子涡轮泵：分子涡轮泵：仪器启动快，但使
33、用寿命不如扩散泵。仪器启动快，但使用寿命不如扩散泵。使用方便，没有油的扩散污染使用方便，没有油的扩散污染4.2.4 质谱仪的主要性能指标质谱仪的主要性能指标（1）质量范围（质量范围（mass range）质谱仪所能测定的离子质荷比的范围。质谱仪所能测定的离子质荷比的范围。四极质谱：四极质谱：1000以内以内 离子阱质谱：离子阱质谱：6000 飞行时间质谱：飞行时间质谱：无上限无上限（2）扫描速度指扫描一定质量范围所需时间）扫描速度指扫描一定质量范围所需时间例如例如GC-MS：m/z 1-1000所需时间所需时间1s（3）分辨率）分辨率R（resolution）：分离相邻质谱峰的能力分离相邻质谱
34、峰的能力R=;式中式中 M=;M=M2-M1M MM1+M22例如：例如：CO+27.9949N2+28.006125009949.270061.280005.28MMR四极质谱恰好能将此分开四极质谱恰好能将此分开若近似等强度的质量分别为若近似等强度的质量分别为M1及及M2的两个相邻峰正的两个相邻峰正好分开，则质谱仪的分辨率定义为：好分开，则质谱仪的分辨率定义为：说明：说明：1）R10%：两峰间的峰谷高度为峰高的两峰间的峰谷高度为峰高的10%时的测定值；时的测定值；2）一般难以找到两个质量峰等高，且重叠的谷高正好等）一般难以找到两个质量峰等高，且重叠的谷高正好等于峰高的于峰高的10%，则定义：
35、，则定义：R=;式中式中 a为相邻两峰的中心距离；为相邻两峰的中心距离；b为其中一峰的峰高为其中一峰的峰高5%处的峰宽。处的峰宽。M Ma b78059216.749312.749264.74MMR需用高分辨质谱需用高分辨质谱.但是但是:ArCl+74.9312As+74.9216（4）灵敏度（）灵敏度（sensitivity）对于一定样品（如硬脂酸甲酯），在一定的分辨率情况对于一定样品（如硬脂酸甲酯），在一定的分辨率情况下，产生一定信噪比（如下，产生一定信噪比（如10 1）的分子离子峰所需的）的分子离子峰所需的样品量。样品量。4.2.5 质谱图质谱图横坐标：横坐标：质荷比质荷比m/z纵坐标：
36、纵坐标：离子流强度（相对丰度）离子流强度（相对丰度）相对丰度：最强峰的强度定为相对丰度：最强峰的强度定为100%第三节第三节质谱图分析质谱图分析124M(153)HOHOCH2CH2NH2M.W.=153图图4-19 多巴胺的质谱图多巴胺的质谱图基峰（基峰（base peak）：）：最高峰，丰度最高峰，丰度100%通常质量数最大的为分子离子峰，质量数等于分子量通常质量数最大的为分子离子峰，质量数等于分子量4.3.1 由由EI谱确定分子量谱确定分子量2）和低质量离子的关系：）和低质量离子的关系：(1)合理的中性碎片（小分子或自由基）的丢失。合理的中性碎片（小分子或自由基）的丢失。M-3到到M-1
37、3、M-20到到M-25之内不可能有峰。之内不可能有峰。(2)分子离子应具有最完全的元素组成。分子离子应具有最完全的元素组成。(3)多电荷离子按电荷修正后所得到的质量数应小于或多电荷离子按电荷修正后所得到的质量数应小于或等于分子离子质量数。等于分子离子质量数。分子离子峰分子离子峰M+的判别：的判别：1）最大质量数的峰可能是分子离子峰。）最大质量数的峰可能是分子离子峰。当最大质当最大质量端存在同位素峰簇时，应按有关原则寻找。量端存在同位素峰簇时，应按有关原则寻找。在在EI谱中，分子离子峰在数值上等于分子量。谱中，分子离子峰在数值上等于分子量。3）应用氮规则）应用氮规则 当化合物不含氮或含偶数个氮
38、时，其分子量为偶数；当化合物不含氮或含偶数个氮时，其分子量为偶数；当化合物含奇数个氮时，其分子量为奇数。当化合物含奇数个氮时，其分子量为奇数。4）分子离子峰的强度和化合物的结构类型密切相关）分子离子峰的强度和化合物的结构类型密切相关 (1)芳香化合物芳香化合物 共轭多烯共轭多烯 脂环化合物脂环化合物 短直链烷烃短直链烷烃 某某些含硫化合物些含硫化合物。通常给出较强的分子离子峰。通常给出较强的分子离子峰。(2)直链的酮、酯、醛、酰胺、醚、卤化物等通常显示直链的酮、酯、醛、酰胺、醚、卤化物等通常显示分子离子峰。分子离子峰。(3)脂肪族且分子量较大的醇、胺、亚硝酸酯、硝酸酯脂肪族且分子量较大的醇、胺
39、、亚硝酸酯、硝酸酯等化合物及高分支链的化合物通常没有分子离子峰。等化合物及高分支链的化合物通常没有分子离子峰。5）M+峰和峰和M+H+峰或峰峰或峰M-H+的判别的判别 醚、酯、胺、酰胺、氰化物、氨基酸酯、胺醇等可能醚、酯、胺、酰胺、氰化物、氨基酸酯、胺醇等可能有较强的有较强的M+H+峰，芳醛、某些醇或某些氮化物可能有峰，芳醛、某些醇或某些氮化物可能有较强的较强的M-H+峰。峰。6）含氯和溴原子的化合物）含氯和溴原子的化合物35Cl：相对丰度，相对丰度，75.77%37Cl：相对丰度，相对丰度，24.23%79Br：相对丰度，相对丰度，50.5%81Br：相对丰度，相对丰度，49.5%7）有些没
40、有分子离子峰的化合物易丢失的中性分子有些没有分子离子峰的化合物易丢失的中性分子醇易脱水而丢失质量数醇易脱水而丢失质量数18，分子量，分子量=最高质量数最高质量数+18乙酸乙酯易失去乙酸，质量数乙酸乙酯易失去乙酸，质量数60判别分子离子峰时的困难：判别分子离子峰时的困难：(1)样品不气化，或气化分解，或在电离时无完整分子结样品不气化，或气化分解，或在电离时无完整分子结构，因而无分子离子峰。构，因而无分子离子峰。(2)样品中的杂质在高质量端出峰，特别是当杂质易挥发样品中的杂质在高质量端出峰，特别是当杂质易挥发或其分子离子稳定时，干扰很大。或其分子离子稳定时，干扰很大。(3)分子离子峰存在于同位素峰
41、簇之中。分子离子峰存在于同位素峰簇之中。(4)往往同时存在往往同时存在M+H+或或M-H+，如何从中辨别出如何从中辨别出M+。当当EI谱中未出现分子离子峰时：谱中未出现分子离子峰时：降低电子能量降低电子能量样品化合物衍生化。样品化合物衍生化。采用软电离技术。采用软电离技术。图图4-20 Mass spectrum of ethyl acetate as a function of electron energy4.3.2 根据同位素丰度比例确定分子式根据同位素丰度比例确定分子式Element Natural Abundance H 1H 100 2H 0.016 C 12C 100 13C 1
42、.08 N 14N 100 15N 0.38 O 16O 100 17O 0.04 18O 0.20 F 19F 100 Si 28Si 100 29Si 5.10 30Si 3.35 P 31P 100 S 32S 100 33S 0.78 34S 4.40 Cl 35Cl 100 37Cl 32.5 Br 79Br 100 81Br 98.0 I 127I 100 表表4-1 常见元素及其同位素的天然丰度常见元素及其同位素的天然丰度C2H6：M=30表表4-2 丙烷和重氮甲烷的同位素比例丙烷和重氮甲烷的同位素比例%（M+1）=21.08%+60.016%=2.26%（M+2）(1.1nC)
43、2/200+(0.016nH)2/200+0.2nO 0.01%Relative Intensities Compound M M+1 M+2 C3H6 100 3.34 0.05 CH2N2 100 1.87 0.01 表表4-3 CO，N2和和C2H4的同位素比例的同位素比例图图4-21 含含Br和和Cl原子化合物的质谱图原子化合物的质谱图表表4-4 各种含各种含Br和和Cl化合物的的同位素峰的相对强度化合物的的同位素峰的相对强度Relative Intensities halogen M M+2 M+4 M+6 Br 100 97.7 Br2 100 195.0 95.4 Br3 100
44、 293.0 286.0 93.4 Cl 100 32.6 Cl2 100 65.3 10.6 Cl3 100 97.8 31.9 3.47 BrCl 100 130.0 31.9 Br2Cl 100 228.0 159.0 31.2 Cl2Br 100 163.0 74.4 10.4 第四节第四节 有机质谱中的反应及其机理有机质谱中的反应及其机理4.4.1 概述概述1.离子正电荷位置的表示离子正电荷位置的表示CH3CH2CH2OH；+R+2.电子转移的表示电子转移的表示：一个电子的转移；：一个电子的转移；：一对电子的转移。：一对电子的转移。3.断裂方式断裂方式 COHRRRCOHRRRCOH
45、RRR +2）非均匀断裂（异裂：）非均匀断裂（异裂：heterolytic cleavage）：）：3）半非均匀断裂（半异裂：）半非均匀断裂（半异裂：hemiheterolytic cleavage）：）：RRR +R+ROROR +R+1）均匀断裂（匀裂：）均匀断裂（匀裂：homolytic cleavage）：）：4.有机质谱主要涉及单分子反应有机质谱主要涉及单分子反应除少数特殊情况（如化学电离、碰撞活化等）之外，除少数特殊情况（如化学电离、碰撞活化等）之外，有机质谱的主要反映为单分子反应。有机质谱的主要反映为单分子反应。5.初级碎裂与次级碎裂初级碎裂与次级碎裂 分子被电离的同时，具有过剩
46、的能量，分子离子会自分子被电离的同时，具有过剩的能量，分子离子会自行碎裂，这就是初级碎裂。碎裂可粗分为简单断裂和行碎裂，这就是初级碎裂。碎裂可粗分为简单断裂和重排。由简单断裂和重排产生的离子（统称为广义的重排。由简单断裂和重排产生的离子（统称为广义的碎片离子）可进一步碎裂（再次断裂、重排），这就碎片离子）可进一步碎裂（再次断裂、重排），这就是次级碎裂。是次级碎裂。4.4.2 简单断裂简单断裂 仅一根化学键断开仅一根化学键断开，反应产物系分子中原已存在的结反应产物系分子中原已存在的结构单元。构单元。分子离子是奇电子离子，经简单断裂产生一个自由基分子离子是奇电子离子，经简单断裂产生一个自由基和一个
47、正离子（偶电子离子）。和一个正离子（偶电子离子）。含一个氮的化合物，分子离子为奇质量数，经简单断含一个氮的化合物，分子离子为奇质量数，经简单断裂所产生的自由基和偶电子离子之中，含氮原子的具裂所产生的自由基和偶电子离子之中，含氮原子的具有偶质量数，不含氮原子的，仍为奇质量数。有偶质量数，不含氮原子的，仍为奇质量数。断裂形成的正离子稳定性越高，断裂越易发生。断裂形成的正离子稳定性越高，断裂越易发生。CH3+RCH2+R2CH+CH2=CH-CH2+Ar-CH2+1）自由基引发（自由基引发（-断裂）断裂）自由基强烈的电子配对倾向自由基强烈的电子配对倾向例例 含饱和杂原子的化合物：含饱和杂原子的化合物
48、：含不饱和杂原子的化合物：含不饱和杂原子的化合物：RCRY RRCRY R 22RCRYRCRY 含碳含碳-碳不饱和键的化合物：碳不饱和键的化合物：RCHCHCHRCHCHCHRCHCHCHCHCHCHe 22222222+1.简单断裂的引发机制简单断裂的引发机制2）电荷引发（诱导效应，电荷引发（诱导效应，i 断裂）断裂）一对电子发生转移一对电子发生转移 i 断裂和断裂和 断裂是相互竞争的反应。一般讲，断裂是相互竞争的反应。一般讲，i 断裂的断裂的重要性小于重要性小于 断裂。断裂。断裂的大致顺序：断裂的大致顺序：N S、O、R Cl Br I i 断裂的大致顺序：卤素断裂的大致顺序：卤素 S、
49、O N、CRORRORi RCRORRCOi3）当化合物不含当化合物不含O、N等杂原子，也没有等杂原子，也没有 键时，只能键时，只能发生发生 断裂：断裂：当化合物含有第三周期以后的杂原子如当化合物含有第三周期以后的杂原子如Si、P、S等，等，C-Y 键的电离已可以和键的电离已可以和 Y 上未成键电子对的电离竞争时，上未成键电子对的电离竞争时，C-Y键之间也可以发生键之间也可以发生 断裂。断裂。R RRRRRe+2.简单断裂的规律简单断裂的规律1）含杂原子的化合物存在三种断裂方式含杂原子的化合物存在三种断裂方式 邻接杂原子的邻接杂原子的C-C键（键（-C上的另一根键）发生断上的另一根键）发生断裂
50、裂（断裂）断裂）。正电荷一般在含杂原子的一侧。杂原。正电荷一般在含杂原子的一侧。杂原子两侧的烷基都可发生子两侧的烷基都可发生 断裂时，大的烷基优先脱去。断裂时，大的烷基优先脱去。很常见很常见 杂原子和碳原子之间的单键断开，正电荷在烷基一杂原子和碳原子之间的单键断开，正电荷在烷基一侧侧（i 断裂）断裂）。杂原子和碳原子之间的单键断开，正电荷在杂原子杂原子和碳原子之间的单键断开，正电荷在杂原子一侧一侧（类似（类似 断裂）断裂）。较少见较少见规律：规律：杂原子和碳原子以双键相连，只能进行杂原子和碳原子以双键相连，只能进行。饱和杂原子则有不同倾向：饱和杂原子则有不同倾向：a)当当X为周期表上方偏左（如
