1、第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日1 质谱法质谱法(Mass Spectrometry,MS)第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日2第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日3 质谱法质谱法(MS)：应用多种离子化技术，将：应用多种离子化技术，将物质分子转化为气态离子并按质荷比物质分子转化为气态离子并按质荷比(m/z)大小进行分离并记录其信息，从而大小进行分离并记录其信息，从而进行物质和结构分析的方法。进行物质和结构分析的方法。第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日4 从从20世纪世纪60年代开始，质谱法普遍应年代开始，质谱法普遍应用到有机化学
2、和生物化学领域，化学用到有机化学和生物化学领域，化学家应用质谱图信息阐明各种物质的分家应用质谱图信息阐明各种物质的分子结构。子结构。质谱仪成为多数研究室及分析实验室质谱仪成为多数研究室及分析实验室的标准仪器之一。的标准仪器之一。第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日5灵敏度高灵敏度高响应时间短，分析速度快响应时间短，分析速度快信息量大信息量大质谱法特点质谱法特点 第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日6第一节第一节 质谱法的基本原理和质谱仪质谱法的基本原理和质谱仪第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日7一、质谱法的基本原理一、质谱法的基本原理质谱仪是利用电磁
3、学原理，使带电的样品质谱仪是利用电磁学原理，使带电的样品离子按质荷比进行分离的装置。离子按质荷比进行分离的装置。第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日8 离子电离后经加速进入磁场中，其动能离子电离后经加速进入磁场中，其动能与加速电压及电荷与加速电压及电荷Z有关，即有关，即 z为电荷数，为电荷数，e为元电荷，为元电荷，U为加速电压，为加速电压，m为离子的质量，为离子的质量，为离子被加速后的运为离子被加速后的运动速度。动速度。第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日9(一一)质谱图质谱图 以质荷比（以质荷比（m/z）为横坐标，以相对强）为横坐标，以相对强度为纵坐标，并将最强的
4、离子峰定为基峰度为纵坐标，并将最强的离子峰定为基峰，强度定为，强度定为100%，其他离子峰以其对基，其他离子峰以其对基峰的相对强度百分值表示。峰的相对强度百分值表示。二、质谱的表示方法二、质谱的表示方法第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日1015-1 甲苯的质谱图甲苯的质谱图第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日11 甲苯的质谱表甲苯的质谱表m/z值值3839455062636591929394相对强相对强 度度4.4163.96.39.18.6111100(基峰）基峰）68（M）+5.3(M+1)+0.21(M+2)+以表格形式罗列质数据，称为质谱表。以表格形式罗列
5、质数据，称为质谱表。第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日12 质谱仪的基本组成：真空系统、样品导质谱仪的基本组成：真空系统、样品导入系统、离子源、质量分析器、离子检入系统、离子源、质量分析器、离子检测器，其中离子源和质量分析器是质谱测器，其中离子源和质量分析器是质谱仪的两个核心部件。仪的两个核心部件。第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日13样品导入系统离子源检测器 质量分析器放大器记录器真空泵质谱图m/zI15-2 质谱仪的组成质谱仪的组成第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日14第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日15第十五章第十五章 质
6、谱法质谱法2020年9月28日161.1.间接式进样系统间接式进样系统第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日17 通过试样管将少量通过试样管将少量(10100g)样品引入试样品引入试样储存器中，由于进样系统低压强及储存器样储存器中，由于进样系统低压强及储存器的加热装置，使试样保持气态。由于进样系的加热装置，使试样保持气态。由于进样系统的压强比离子源的压强大，样品离子可以统的压强比离子源的压强大，样品离子可以通过分子漏隙以分子流的形式渗透过高真空通过分子漏隙以分子流的形式渗透过高真空的离子源中。的离子源中。此种进样方式一般要求试样最好在操作温此种进样方式一般要求试样最好在操作温度下具
7、有度下具有1.30.13Pa的蒸气压。的蒸气压。主要用于气体和易挥发试样主要用于气体和易挥发试样第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日182.直接探针进样系统直接探针进样系统主要用于热敏性固体、难挥发性固体和液体试样主要用于热敏性固体、难挥发性固体和液体试样第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日19 在直接进样杆尖端装上少许样品在直接进样杆尖端装上少许样品(110ng)，经减压后送入离子源，快速加热使之气化并经减压后送入离子源，快速加热使之气化并被离子源离子化。被离子源离子化。通常将试样放入小杯中，通过真空闭锁装通常将试样放入小杯中，通过真空闭锁装置将其引入离子源，对样
8、品杯进行冷却或加置将其引入离子源，对样品杯进行冷却或加热处理。热处理。第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日203.色谱联用导入系统色谱联用导入系统 利用与质谱仪联机的气相色谱仪或高利用与质谱仪联机的气相色谱仪或高效液相色谱仪将混合物分离后，通过特效液相色谱仪将混合物分离后，通过特殊系统的联机殊系统的联机“接口接口”进入离子源，依进入离子源，依次进行各组分的质谱分析次进行各组分的质谱分析 第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日21（三）离子源（三）离子源第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日22电离模式电离模式硬电离离方法：能给样品较大能量的电离方硬电离离方
9、法：能给样品较大能量的电离方法法软电离方法：给样品较小能量的电离方法，软电离方法：给样品较小能量的电离方法，适用于易破裂适用于易破裂 或易电离的样品或易电离的样品第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日231.电子轰击源（电子轰击源（EI）组成：是一种硬电离方法。主要由电离组成：是一种硬电离方法。主要由电离室（离子盒）、灯丝（锑或钨灯丝室（离子盒）、灯丝（锑或钨灯丝)、离子聚焦透镜和一对磁极组成，只能用离子聚焦透镜和一对磁极组成，只能用于小分子（于小分子（400Da以下以下)的检测。的检测。第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日24在离子源内，用电加热锑或钨丝到在离子源内
10、，用电加热锑或钨丝到2000oC,产生高速的电子束产生高速的电子束第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日25 电子轰击法是通用的电离法，是使用电子轰击法是通用的电离法，是使用高能电子束从试样分子中撞出一个电子而高能电子束从试样分子中撞出一个电子而产生正离子，即产生正离子，即 Me M+2e第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日26u在灯丝和阳极之间加入在灯丝和阳极之间加入70V电压，获得轰击电压，获得轰击能量为能量为70eV的电子束，它与进样系统引入气的电子束，它与进样系统引入气体束发生碰撞而产生正离子。正离子在第一体束发生碰撞而产生正离子。正离子在第一加速电极和反射极
11、间的微小电位差作用下通加速电极和反射极间的微小电位差作用下通过第一加速电极狭缝，至质量分析器电极狭过第一加速电极狭缝，至质量分析器电极狭缝，而第一加速极与第二加速极之间的高电缝，而第一加速极与第二加速极之间的高电位使正离子获得其最后速度，经过狭缝进一位使正离子获得其最后速度，经过狭缝进一步准直后进入质量分析器。步准直后进入质量分析器。第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日27EI源的优缺点：源的优缺点：优点优点：(1)非选择性电离，只要样品能气化，电离效率高；非选择性电离，只要样品能气化，电离效率高；(2)应用最广应用最广;(3)稳定，操作简便。稳定，操作简便。缺点缺点：(1)样品
12、必须能气化，不适宜难挥发、热敏性的物质样品必须能气化，不适宜难挥发、热敏性的物质;(2)有的化合物在有的化合物在EI方式下分子离子不稳定，易碎裂，方式下分子离子不稳定，易碎裂，得不到分子量信息。得不到分子量信息。第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日282.化学电离源（化学电离源（CI）化学电离法是待测物通过气相分子一离子反应来化学电离法是待测物通过气相分子一离子反应来进行的。核心是质子的转移。进行的。核心是质子的转移。CI源结构源结构(与与EI源相似源相似):电离室（离子盒）、灯电离室（离子盒）、灯丝（锑或钨灯丝丝（锑或钨灯丝)、离子聚焦透镜和一对磁极组成。、离子聚焦透镜和一对磁
13、极组成。第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日29 化学电离源常用的反应气是化学电离源常用的反应气是CH4、异丁烷、异丁烷、NH3、H2O、H2或或He等。在高等。在高能电子流的轰击下，反应物能电子流的轰击下，反应物(如如CH4)首先首先被电离，生成一次离子被电离，生成一次离子CH3+和和CH4+，即，即CH4+eCH4+2eCH4+CH3+H第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日30u一次离子一次离子CH3+和和CH4+快速与大量存在快速与大量存在的的CH4分子发生离子分子发生离子-分子反应，生成分子反应，生成二次离子二次离子CH5+和和C2H5+，即，即u CH4+
14、CH4CH5+CH3uCH3+CH4 C2H5+H2第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日31 样品样品(试样与甲烷之比为试样与甲烷之比为1:1000)导入离子导入离子源，试样分子源，试样分子(M)与试剂离子以下列方式进行与试剂离子以下列方式进行反应，转移一个质子给试样或由试样移去一个反应，转移一个质子给试样或由试样移去一个H+或电子，试样则变成带或电子，试样则变成带M+的离子。的离子。CH5+(C2H5+)+M(M+H)+CH4(C2H4)CH5+(C2H5+)+M(M-H)+CH4(C2H6)第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日32 (M+H)+或或(M-H)+可
15、能碎裂，产生碎可能碎裂，产生碎片离子。片离子。(M+H)+或或(M-H)+称为准分子称为准分子离子，由离子，由(M+H)+或或(M-H)+离子测得其离子测得其相对分子质量。相对分子质量。第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日33CI源的优缺点：源的优缺点：优点：优点：(1)属于软电离方式，准分子离子峰强度大，便属于软电离方式，准分子离子峰强度大，便于利用于利用(M+H)+或或(M-H)+峰准确推断分子量峰准确推断分子量(2)易获得有关化合物基团的信息易获得有关化合物基团的信息(3)适宜做多离子检测适宜做多离子检测 第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日34u缺点：缺点：
16、u(1)CI图谱与实验条件有关，不同仪器图谱与实验条件有关，不同仪器获得的获得的CI图不能比较或检索，因此一般图不能比较或检索，因此一般不能制作标准图谱不能制作标准图谱 u(2)碎片离子少，缺少样品的结构信息碎片离子少，缺少样品的结构信息 u(3)样品需加热气化后进行离子化，故不样品需加热气化后进行离子化，故不适合于热不稳定、难挥发物质的分析适合于热不稳定、难挥发物质的分析 第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日353.快原子轰击源快原子轰击源(FAB)第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日36FAB源的优缺点：源的优缺点：优点：优点：(1)广泛应用的软电离技术，易得到
17、较强的分广泛应用的软电离技术，易得到较强的分子离子或准分子离子，由此获得化合物分子量子离子或准分子离子，由此获得化合物分子量的信息的信息；(2)在离子化过程中样品无需加热气化，离子在离子化过程中样品无需加热气化，离子化能力强，对强极性、化能力强，对强极性、难气化化合物也能电离，难气化化合物也能电离，故适合于热不稳定、强极性分子、生物分子及故适合于热不稳定、强极性分子、生物分子及配合物的分析。配合物的分析。第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日37u缺点：缺点：u 重现性差，对于非极性化合物灵敏度重现性差，对于非极性化合物灵敏度低，且基质在低质量数区低，且基质在低质量数区(400Da
18、)以下以下产生较多干扰峰产生较多干扰峰 第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日384.大气压电离源大气压电离源(API)是在大气压下的质谱离子化技术的总称，包是在大气压下的质谱离子化技术的总称，包括电喷雾离子化（括电喷雾离子化（ESI）、大气压化学离子化）、大气压化学离子化(APCI)和大气压光喷雾离子化和大气压光喷雾离子化(APPI)等技术等技术，ESI和和APCI是液相色谱是液相色谱-质谱联用的接口。质谱联用的接口。第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日39电喷雾离子化电喷雾离子化(ESI)第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日405.基质辅助激光解吸电
19、离源基质辅助激光解吸电离源(MALDI)MALDI广泛应用于多肽、蛋白质、低聚核苷广泛应用于多肽、蛋白质、低聚核苷酸和低聚糖酸和低聚糖,可测分子量达可测分子量达40万万Da以上。以上。MALDI与飞行时间与飞行时间(TOF)联用已经成为生命科联用已经成为生命科学研究中非常重要的工具。学研究中非常重要的工具。第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日41（四）质量分析器（四）质量分析器 依据不同方式将样品离子按质荷比依据不同方式将样品离子按质荷比m/z分开，得到按质荷比大小顺序排列的质分开，得到按质荷比大小顺序排列的质谱图谱图 质量分析器的主要类型有：磁质量分析质量分析器的主要类型有：磁
20、质量分析器、四极滤质器、飞行时间分析器、离子器、四极滤质器、飞行时间分析器、离子阱质量分析器和离子回旋共振分析器等阱质量分析器和离子回旋共振分析器等 第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日421.1.磁质量分析器磁质量分析器 最常用的分析器类型之一就是扇形最常用的分析器类型之一就是扇形磁分析器。离子束经加速后飞入磁极间磁分析器。离子束经加速后飞入磁极间的弯曲区，由于磁场作用，飞行轨道发的弯曲区，由于磁场作用，飞行轨道发生弯曲。生弯曲。第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日43单聚焦质量分析器单聚焦质量分析器第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日44单聚焦质量
21、分析器工作原理单聚焦质量分析器工作原理:离子在离子源中被加速后，飞入磁极的弯曲区，受离子在离子源中被加速后，飞入磁极的弯曲区，受磁场作用而作匀速圆周运动，由于磁场作用使飞行轨磁场作用而作匀速圆周运动，由于磁场作用使飞行轨道发生弯曲，此时离子受到磁场施加的向心力作用，道发生弯曲，此时离子受到磁场施加的向心力作用，且离子的离心力也同时存在，只有在上述两力平衡时，且离子的离心力也同时存在，只有在上述两力平衡时，离子才能飞出弯曲区。离子才能飞出弯曲区。分辨率可达分辨率可达5000。该仪器不能对不同动能。该仪器不能对不同动能(能量能量)的离的离子实现聚焦。若要求分辨率大于子实现聚焦。若要求分辨率大于50
22、00，则需要双聚焦，则需要双聚焦质量分析器。质量分析器。第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日45双聚焦质量分析器双聚焦质量分析器第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日462.四级质量分析器四级质量分析器 由四根平行的金属杆组成，理想的四杆为由四根平行的金属杆组成，理想的四杆为双曲线，但常用的是四支圆柱形金属杆，被双曲线，但常用的是四支圆柱形金属杆，被加速的离子束穿过对准四根极杆之间空间的加速的离子束穿过对准四根极杆之间空间的准直小孔。准直小孔。第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日47四级杆质量分析器四级杆质量分析器第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年
23、9月28日48四级质量分析器工作原理四级质量分析器工作原理:被加速的离子束穿过对准四根极杆之间空被加速的离子束穿过对准四根极杆之间空间的准直小孔，通过在四极上加上直流电压间的准直小孔，通过在四极上加上直流电压U和和射频电压射频电压Vcost，在极间形成一个射频场，正，在极间形成一个射频场，正电极电压为电极电压为UVcost，负电极为，负电极为-(UVcost)。离子进入此射频场后，会受到电场力作用，只离子进入此射频场后，会受到电场力作用，只有合适有合适m/z的离子才会通过稳定的振荡进入检测的离子才会通过稳定的振荡进入检测器。只要改变器。只要改变U和和V并保持并保持U/V值恒定时，可以值恒定时，
24、可以实现不同实现不同m/z的检测。的检测。第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日493.飞行时间分析器飞行时间分析器(TOF)这种分析器的离子分离是用非磁方式这种分析器的离子分离是用非磁方式达到的，因为从离子源飞出的离子动能达到的，因为从离子源飞出的离子动能基本一致，在飞出离子源后进入一长约基本一致，在飞出离子源后进入一长约lm的无场漂移管，不同的无场漂移管，不同m/z离子到达终点离子到达终点时间差为时间差为:12(/)(/)2m zm ztLU 第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日504.离子阱质量分析器离子阱质量分析器 通过电场或磁场将气相离子控制并贮通过电场或磁
25、场将气相离子控制并贮存一段时间的装置。常见的有两种形式：存一段时间的装置。常见的有两种形式：一种是离子回旋共振技术，另一种是下一种是离子回旋共振技术，另一种是下述较简单的离子阱述较简单的离子阱 第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日51离子阱质量分析器离子阱质量分析器第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日52u离子阱由一环形电极离子阱由一环形电极u上下各一端罩电极构成上下各一端罩电极构成第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日53 以端罩电极接地，在环电极上施以变化以端罩电极接地，在环电极上施以变化的射频电压，此时处于阱中具有合适的的射频电压，此时处于阱中具有
26、合适的m/zm/z的的离子将在环中指定的轨道上稳定旋转，若增离子将在环中指定的轨道上稳定旋转，若增加该电压，则较重离子转至指定稳定轨道，加该电压，则较重离子转至指定稳定轨道，而轻些的离子将偏出轨道并与环电极发生碰而轻些的离子将偏出轨道并与环电极发生碰撞。当电离源产生的离子由上端小孔进入阱撞。当电离源产生的离子由上端小孔进入阱中后，射频电压开始扫描，陷入阱中离子的中后，射频电压开始扫描，陷入阱中离子的轨道则会依次发生变化而从底端离开环电极轨道则会依次发生变化而从底端离开环电极腔，从而被检测器检测。腔，从而被检测器检测。第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日54（五）检测系统（五）检测
27、系统 离子检测器离子检测器(ion detector)的功能是接受由质量的功能是接受由质量分析器分离的离子进行离子计数并转换成电压信号分析器分离的离子进行离子计数并转换成电压信号放大输出，经计算机采集和处理，得到按不同质荷放大输出，经计算机采集和处理，得到按不同质荷比比m/z值排列和对应离子丰度的质谱图。质谱仪常值排列和对应离子丰度的质谱图。质谱仪常用的检测器有法拉第杯用的检测器有法拉第杯(Faraday Cup)、电子倍增、电子倍增管及微通道板、闪烁计数器等。管及微通道板、闪烁计数器等。第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日55（六）质谱仪的主要性能指标（六）质谱仪的主要性能指标
28、1.质量范围质量范围(mass range)质谱仪能够进行分析的样品的相对原子质量质谱仪能够进行分析的样品的相对原子质量(或或相对分子质量相对分子质量)或或m/z最小到最大的质量范围。通常最小到最大的质量范围。通常采用采用原子质量单位原子质量单位(unified atomic mass unit，符号，符号amu)进行度量。进行度量。第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日562.分辨率分辨率(R)指质谱仪分开相邻质量离子的能力。指质谱仪分开相邻质量离子的能力。1121mmRmmm其中其中m1、m2为质量数，且为质量数，且m1m2，故在两峰质量数，故在两峰质量数较小时，要求仪器分辨率
29、大。较小时，要求仪器分辨率大。第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日57质谱仪质谱仪10%峰谷分辨率峰谷分辨率第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日58第二节第二节 质谱中的主要离子及其裂解类型质谱中的主要离子及其裂解类型第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日59一、质谱中的主要离子一、质谱中的主要离子（一）分子离子（一）分子离子 化合物分子通过某种电离方式，失去一个外化合物分子通过某种电离方式，失去一个外层价电子而形成带正电荷的离子称为分子离子层价电子而形成带正电荷的离子称为分子离子(Molecular ion)。M+e M+2e第十五章第十五章 质谱法质
30、谱法2020年9月28日60（二）碎片离子（二）碎片离子 分子离子产生后可能具有较高的能量，分子离子产生后可能具有较高的能量，将会通过进一步碎裂或重排而释放能量，将会通过进一步碎裂或重排而释放能量，碎裂后产生的离子形成的峰称为碎片离子碎裂后产生的离子形成的峰称为碎片离子峰峰(fragment ion)MeM+裂解初级碎片离子裂解或重排次级碎片离子第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日61（三）亚稳离子（三）亚稳离子 质量为质量为m1的离子离开离子源进入质量分析器，的离子离开离子源进入质量分析器，由于碰撞等原因，在飞行过程中进一步裂解失去中由于碰撞等原因，在飞行过程中进一步裂解失去中
31、性碎片而形成低质量的离子，一部分能量被中性碎性碎片而形成低质量的离子，一部分能量被中性碎片带走，此时的离子比在离子源中形成的片带走，此时的离子比在离子源中形成的m2+离子能离子能量小，且很不稳定，这种离子称为亚稳离子，用量小，且很不稳定，这种离子称为亚稳离子，用m*表示表示 第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日62m1+(前体离子)m1+(前体离子)在离子源中裂解m2+(产物离子)+中性碎片在飞行途中裂解m*(亚稳离子)+中性碎片2*21=mmm（）m*表观质量与表观质量与m1+和和m2+关系是：关系是：第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日63苯乙酮的质谱图苯乙酮的
32、质谱图第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日64（四）同位素离子（四）同位素离子 有些元素具有一定自然丰度的同位素，有些元素具有一定自然丰度的同位素，所以在质谱图上出现一些所以在质谱图上出现一些M Ml l，M M2 2的峰，的峰，由这些同位素形成的离子峰称为同位素离子由这些同位素形成的离子峰称为同位素离子峰。峰。第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日65常见元素的稳定同位素相对丰度常见元素的稳定同位素相对丰度第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日66二、阳离子的裂解类型二、阳离子的裂解类型（一）单纯开裂（一）单纯开裂(cleavage only)仅一个化学
33、键发生断裂称单纯开裂。化学键仅一个化学键发生断裂称单纯开裂。化学键(键键)断裂时，电子分配通常有均裂、异裂及半异断裂时，电子分配通常有均裂、异裂及半异裂裂3种方式。种方式。第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日67 均裂均裂 如果成键电子被两碎片各保留一个，称为均裂。如果成键电子被两碎片各保留一个，称为均裂。ABA+B例如：脂肪酮可发生例如：脂肪酮可发生键均裂：若键均裂：若R1R2，则：，则：CR1R2O+R2CO+R1+均裂均裂第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日682.异裂异裂两个成键电子都归属于某一个碎片，称为异裂。两个成键电子都归属于某一个碎片，称为异裂。AB
34、A+B+(或 B：)例如：脂肪酮可发生例如：脂肪酮可发生键异裂：若键异裂：若R1R2，则，则:CR1R2O+R2COR1异异裂裂+第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日69A+B半半异异裂裂半半异异裂裂A+B-或 B+AB+A-R1CH2CH2R2R2R1CH2CH2+半半异异裂裂+3.3.半异裂半异裂已离子化的已离子化的键的开裂过程键的开裂过程例如：烷烃游离基可发生半异裂：例如：烷烃游离基可发生半异裂：第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日70（二）重排开裂（二）重排开裂(rearrangement cleavage)质谱中某些离子通过断裂两个或两个以质谱中某些离子通
35、过断裂两个或两个以上化学键重新排列形成，这种裂解称为重排上化学键重新排列形成，这种裂解称为重排开裂。质谱图上相应的峰称为重排离子峰。开裂。质谱图上相应的峰称为重排离子峰。重排离子峰是分子离子在裂解成碎片时，某重排离子峰是分子离子在裂解成碎片时，某些原子或基团重新排列或转移而形成的离子，些原子或基团重新排列或转移而形成的离子，称为重排离子。称为重排离子。第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日71重排类型重排类型:麦氏重排麦氏重排(Mclafferty重排重排)逆狄逆狄-阿重排阿重排(Retro-Diels-Alder重排重排)第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日72 M
36、claffertyMclafferty重排重排 可发生麦氏重排的化合物是酮、醛、酸、可发生麦氏重排的化合物是酮、醛、酸、酯、酰胺、羰基衍生物、烯、炔及烷基苯等，酯、酰胺、羰基衍生物、烯、炔及烷基苯等，是一些含有是一些含有C=OC=O、C=NC=N、C=SC=S、C=CC=C及苯环的化及苯环的化合物，且与该基团相连的键上具有合物，且与该基团相连的键上具有-H-H原子原子时，通过六元过渡态，时，通过六元过渡态，-H-H转移到杂原子或转移到杂原子或双键碳原子上，同时发生双键碳原子上，同时发生键的断裂，形成键的断裂，形成一个中性分子一个中性分子(烯烃烯烃)和一个偶质量数的奇电和一个偶质量数的奇电子离子
37、子离子(OE(OE+)。第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日73EDHCABBAHEDC+麦麦 氏氏 重重 排排+中中 性性 分分 子子重重 排排 离离 子子这种重排通式如下：这种重排通式如下：第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日74O+CHCH2CHCH2CH3CH3CHCH2CH3CCH3CH2OH+麦麦氏氏重重排排+m/z 100m/z 58例如，例如，2-2-已酮的质谱中出现很强的已酮的质谱中出现很强的m/zm/z 58 58峰就是麦氏重峰就是麦氏重排所形成的。排所形成的。第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日752 2Retro Diels-A
38、lderRetro Diels-Alder重排重排 不饱和环的开裂遵循反狄尔斯不饱和环的开裂遵循反狄尔斯-阿尔德反应，阿尔德反应，简称简称RDARDA。1,3-1,3-丁二烯与乙烯化合物裂解产生一个六丁二烯与乙烯化合物裂解产生一个六元环烯的化合物的反应，称为元环烯的化合物的反应，称为Diels-AlderDiels-Alder反应。反应。在质谱中，环己烯裂解成一离子化的共轭双烯化合在质谱中，环己烯裂解成一离子化的共轭双烯化合物物(或衍生物或衍生物)和乙烯分子和乙烯分子(或其衍生物或其衍生物)，故称为，故称为RDARDA重排。途径是由单电子引发，经过两次重排。途径是由单电子引发，经过两次断裂，即
39、断裂，即反狄反狄-阿反应，形成一个中性分子和离子化双烯衍阿反应，形成一个中性分子和离子化双烯衍生物。生物。第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日76例如：例如：1,8-萜二烯通过萜二烯通过RDA重排，生成乙烯衍生物和重排，生成乙烯衍生物和丁二烯离子。丁二烯离子。开开裂裂-e+开开裂裂+丁丁二二烯烯离离子子中中性性分分子子第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日77第三节第三节 质谱分析法质谱分析法第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日78一、分子式的测定一、分子式的测定（一）分子离子峰的识别（一）分子离子峰的识别 分子离子峰位于质谱图中分子离子峰位于质谱图中m
40、/z值最大值最大的位置，处于质谱图的最右端。但质谱图的位置，处于质谱图的最右端。但质谱图中最右端的峰，不一定就是分子离子峰。中最右端的峰，不一定就是分子离子峰。第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日79确定分子离子峰时需考虑以下几点：确定分子离子峰时需考虑以下几点：1.分子离子峰的质量必须符合氮数规律分子离子峰的质量必须符合氮数规律 2.有机化合物分子离子峰稳定性有机化合物分子离子峰稳定性(相对强度相对强度)顺序顺序 3.分子离子峰与其相邻质荷比较小的碎片离子的分子离子峰与其相邻质荷比较小的碎片离子的 质量差应合理质量差应合理 4.分子离子峰的强弱与实验条件有关分子离子峰的强弱与实
41、验条件有关 5.考虑准分子离子峰考虑准分子离子峰M+1和和M-1峰峰 第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日80（二）相对分子质量的测定（二）相对分子质量的测定 对于有一定挥发性、能得到其质谱图的对于有一定挥发性、能得到其质谱图的化合物，用质谱法测定其相对分子质量是最化合物，用质谱法测定其相对分子质量是最快、最精确的方法，因为质谱图中一般分子快、最精确的方法，因为质谱图中一般分子离子峰的质荷比在数值上就等于该化合物的离子峰的质荷比在数值上就等于该化合物的相对分子质量，所以准确地确认分子离子峰相对分子质量，所以准确地确认分子离子峰十分重要。十分重要。第十五章第十五章 质谱法质谱法20
42、20年9月28日81（三）分子式的确定（三）分子式的确定1.由同位素离子峰确定分子式由同位素离子峰确定分子式 拜诺拜诺(Beynon)等人计算了分子质量在等人计算了分子质量在500以下，以下，只含只含C，H，O，N的化合物的同位素离子峰的化合物的同位素离子峰(M+2)+，(M+1)+与分子离子峰的相对强度，测定分子离子及与分子离子峰的相对强度，测定分子离子及碎片离子的质量碎片离子的质量(以以M+峰的强度为峰的强度为100)，编制成表，编制成表，称为称为Beynon表。只要质谱图中表。只要质谱图中(M+2)+，(M+1)+峰能峰能准确测量其相对强度，由准确测量其相对强度，由Beynon表便可确定
43、分子式。表便可确定分子式。第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日82分子式分子式M+1M+2分子式分子式M+1M+2C4H4N3O25.610.53C5H8NO27.010.62C5H6N2O25.340.57C7H10O27.800.66C5H8N3O6.720.85C8H2N29.440.44C5H10N47.090.22C8H14O8.910.56C6H6O36.700.79C10H610.900.64 Beynon表中表中M=126部分部分 第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日832.高分辨质谱精确测定分子质量高分辨质谱精确测定分子质量 由高分辨的质谱能精确测
44、得化合物的精确由高分辨的质谱能精确测得化合物的精确质量，将其输入计算机的相应数据处理系统质量，将其输入计算机的相应数据处理系统(数数据库系统据库系统)即可得到该分子的元素组成，从而确即可得到该分子的元素组成，从而确定分子式定分子式,即数据对照与分子的检索由计算机完即数据对照与分子的检索由计算机完成。该法准确、简便，是目前有机质谱中应用成。该法准确、简便，是目前有机质谱中应用最多的方法。最多的方法。第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日84 如高分辨质谱测定某化合物的相对分子质量为如高分辨质谱测定某化合物的相对分子质量为126.0328，由同位素推测该化合物不含由同位素推测该化合物不
45、含S、Cl、Br、Si等元素。将上述等元素。将上述信息输入计算机，给出下表所示的可能分子式。信息输入计算机，给出下表所示的可能分子式。质量数质量数编号编号分子式分子式实测值实测值1261C9H4NO126.0328022C2H2N6O126.0327993C4H4N3O2126.0327974C6H6O3126.032799质量数质量数(126)化合物可能组成化合物可能组成 其中其中1、3不符合氮数规律，不符合氮数规律，2写不出合理的结构式，该化写不出合理的结构式，该化合物最合理的分子式应为合物最合理的分子式应为C6H6O3。此结论得到了。此结论得到了IR和和NMR谱谱的证实的证实。第十五章第
46、十五章 质谱法质谱法2020年9月28日85二、有机化合物的结构鉴定二、有机化合物的结构鉴定（一）几种有机化合物的质谱（一）几种有机化合物的质谱1.烃类烃类 (1)烷烃：烷烃：分子离子峰强度弱，且随碳链增长而降低；分子离子峰强度弱，且随碳链增长而降低；有相差有相差14个质量数的一系列奇质量数的峰个质量数的一系列奇质量数的峰，强度强度 逐渐减弱。逐渐减弱。第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日86um/z 43和和m/z 57的峰强度较大。的峰强度较大。u在比在比CnH2n+1离子小一个质量数处有一个离子小一个质量数处有一个小峰，即小峰，即CnH2n 离离 子峰，是由子峰，是由H转移
47、重排转移重排成的；成的；u支链烷烃的裂解首先出现在分支处，以支链烷烃的裂解首先出现在分支处，以丢失最大烃基为最稳定。丢失最大烃基为最稳定。第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日8720406080100120140020406080100intensity%m/z100252957714-甲基十烷的质谱图甲基十烷的质谱图第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日88(2)烯烃：烯烃：分子离子峰比烷烃强；分子离子峰比烷烃强；与直链烷烃质谱有相似的规律，易生成质量数相与直链烷烃质谱有相似的规律，易生成质量数相差差14的的CnH2n+1碎片离子峰碎片离子峰(m/z 27、41、5
48、5、69)；容易发生容易发生裂解得到烯丙基离子峰；裂解得到烯丙基离子峰；烯烃含烯烃含C和和H，发生麦氏重排形成偶质量数的重，发生麦氏重排形成偶质量数的重排峰。排峰。第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日89CHCH2HCH2CH2CH+RCH3CH+CH2CH2CHRm/z 42+麦麦氏氏重重排排第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日90(3)芳烃：芳烃：分子离子稳定，有较强的分子离子峰；分子离子稳定，有较强的分子离子峰；烷基取代苯易发生烷基取代苯易发生裂解，经重排产生裂解，经重排产生m/z 91特征的特征的卓卓鎓离子；由于鎓离子；由于卓卓鎓离子稳定，成为鎓离子稳定，成
49、为许多取代苯如甲许多取代苯如甲 苯、二甲苯、乙苯、正丙苯等苯、二甲苯、乙苯、正丙苯等的基峰。的基峰。第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日91CH2RCH2+R裂解+扩环m/z 91第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日92产生卓鎓离子产生卓鎓离子m/z 91的基峰，进一步失去乙炔，产的基峰，进一步失去乙炔，产生生m/z 65的环戊二烯正离子及的环戊二烯正离子及m/z 39的环丙烯离子：的环丙烯离子：CHCHm/z 91CHCHm/z 65m/z 39C7H7C5H5C3H3第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日93烷基苯的烷基苯的裂解产生裂解产生m/z 7
50、7的苯基离子的苯基离子(C6H5+)峰，峰，进一步裂解产生环丙烯离子及进一步裂解产生环丙烯离子及m/z 51的环丁二烯离的环丁二烯离子：子：RCHCH 裂解裂解C6H5C3H2C3H3C4H3m/z 77m/z 39m/z 51第十五章第十五章 质谱法质谱法2020年9月28日94具有具有-H的烷基取代基苯，能发生的烷基取代基苯，能发生Mclafferty重排重排裂解，产生裂解，产生m/z 92重排离子：重排离子：HRHRHHR-eH+m/z 92 综上所述，烷基取代苯的特征离子为综上所述，烷基取代苯的特征离子为卓卓鎓离子鎓离子C7H7+(m/z 91)、C6H5+(m/z 77)、C5H5+
