第十四章 质谱分析法共43页

(2)质量差是否合理 质量差是否合理
06:25:40
3. 分子离子的获得
(1)制备挥发性衍生物 (1)制备挥发性衍生物
ROH (CH3)3SiCl CH2N2 ROSi(CH3)3 RCOOCH3
RCOOH
(2)降低电离电压，增加进样量 (2)降低电离电压， 降低电离电压
70ev 84 12ev 85 84 98
90 C C H 3 57
C H3 H 3 C C H2 C H2
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H 3 C C H C H3 43
内容选择： 内容选择：
• 第一节 基本原理与质谱仪
basic principle and Mass spectrometer
• 第二节 离子峰的主要类型
main kinds of ion peaks
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1. 分子离子峰的特点
一般质谱图上 质荷比最大的峰为 分子离子峰； 分子离子峰；有例 由稳定性判断。 外,由稳定性判断。 由稳定性判断 形成分子离子 需要的能量最低， 需要的能量最低， 一般约10电子伏特 电子伏特。 一般约 电子伏特。 质谱图上质荷比最大的峰一定为分子离子峰吗？。 质谱图上质荷比最大的峰一定为分子离子峰吗？。 一定为分子离子峰吗 如何确定分子离子峰？。 如何确定分子离子峰？。
C9H10 O2 9.96
三、碎片离子峰
fragment ion peaks
一般有机化合物的电离能为7－ 电子伏特 电子伏特， 一般有机化合物的电离能为 －13电子伏特，质谱中常用 的电离电压为70电子伏特 使结构裂解，产生各种“碎片” 电子伏特， 的电离电压为 电子伏特，使结构裂解，产生各种“碎片”离 子。
M+2 0.49 1.0 1.06 1.06 0.72 0.55 化合物 C7H11N4 C8H6 O3 M+1 9.25 8.36 M+2 0.38 0.95 0.78 0.61 0.45 0.84

22
1 单聚焦分析器（single focusing mass analyzቤተ መጻሕፍቲ ባይዱr） 单聚焦分析器（ ）
23
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， 可以把不同离子分开 2 在一定加速电压U，改变磁场强度B下，或在一 在一定加速电压U 改变磁场强度B 定磁场强度B 连续改变加速电压U 定磁场强度B下，连续改变加速电压U，可以使 不同离子先后通过检测器，实现质量扫描， 不同离子先后通过检测器，实现质量扫描，得到 质谱。 质谱。
离子运动的轨道半径
mυ = BZυ R
2
磁场强度
由上两式得 m B2R2 = z 2U
1 2 ( mυ = zU ) 2
离子在磁场中的轨道半径R取 离子在磁场中的轨道半径 取 决于： 决于： m/z、 B 、 U 、
13
1 m R= 2U B z
若B和U固定不变， 固定不变， 则离子的m /z越大 越大， 则离子的m /z越大， 运动半径越大； 运动半径越大；m /z 不同，运动半 不同， 径不同， 径不同，各种离 子按m 子按m /z 的大小 顺序分开
1 2 mυ = zU 2
离子质量 离子速度
加速电压 离子所带 电荷
12
加速后的离子进入磁场中，由于受到磁场的影响， 加速后的离子进入磁场中，由于受到磁场的影响， 离子作圆周运动（弧形运动）， ），离子的向心力 离子作圆周运动（弧形运动），离子的向心力 磁场力）BZυ和运动的离心力m /R相等 （磁场力）BZυ和运动的离心力m υ2/R相等
m/z
9
离子源 分子分离器 质量分析器
10
试样在离子源内被气化、电离， 试样在离子源内被气化、电离，有机物在 高速电子流的轰击下常常被击出一个电子， 高速电子流的轰击下常常被击出一个电子， 形成带一个正电荷的正离子， 形成带一个正电荷的正离子，称为分子离 + 子 •

X
e
(快)

X
e
(热)

X
e
(快)

X
e

(热)
优点：无需进行加热气化，属于软电离方式；特别适合分析高极性、大 相对分子量、难挥发和热稳定性差的样品；既能得到强的分子离子或准 分子离子峰，也能得到较多的碎片离子峰。 缺点：重现性较差，检测灵敏度低
稳定化合物电离 缺点：不适合化合物结构鉴定；
阳极
+ +
++
+ +
++ +
++ + +
d<1mm 阴极
快原子轰击离子源（fast atom bombardment ionization source;FAB） 由电场使Xe原子电离并加速，产生快速离子，通过快原子枪产生电
荷交换得快速原子，快原子束轰击涂在金属板上的样品，使样品离子化。
缺点：重现性较差；不适合于难挥发、热不稳定的化合物
场致电离源（FI）
是采用强电场把冷电极附近的样品分子的电子拉出去，形成离子。电 场的两电极距离很近（d<1mm），施加电压为几千伏甚至上万伏稳定直流 电压。
场电离：将气体通过电场电离； 场解析：将固体样品涂在发射体表面使之电离
优点：分子离子峰强； 碎片离子峰少； 适用于较大分子量和热不
应用：质谱法测定的对象包括同位素、无机物、有机化合物、生物大 分子以及聚合物。广泛应用于化学、生物化学、生物医学、医药学、 生命科学以及工、农、林业、地质、石油、环保、公安国防等领域。
二、质谱仪及其工作原理
进样系统
离子源
质量分析器
检测器

在离子源内，用电加热铼或钨旳灯丝到2023℃，产生高速电子 束，其能量为10～7OeV。当气态试样由分子漏入孔进入电离室 时，高速电子与分子发生碰撞，若电子旳能量不小于试样分子 旳电离电位，将造成试样分子旳电离。
碎片离子可用于有机化合物旳构造鉴定
优点： 1）稳定, 质谱图再现性好，便于计算机检索及比较； 2）离子碎片多，可提供较多旳分子构造信息。 缺陷：
4）基质辅助激光解吸离子源（MALDI）
原理：是用激光照射样品与基质形成旳共结晶薄膜，基质从 激光中吸收能量传递给样品，从而使样品解吸和电离旳过程。 它是一种软电离技术，合用于混合物及生物大分子旳测定。
（3）质量分析器
质谱仪旳质量分析器位于离子源和检测器之间。
作用 ：过滤
质量分析器旳主要类型有：磁分析器、飞行时间质量分 析器、离子阱质量分析器和四级杆质量分析器等。
质谱能做什么？
定性：化合物旳构造。 定量：混合物旳各构成含量。 领域：化学、生物学、医学、药学、环境、物理、材料、能源 等。
质谱分析法旳特点
➢（1）应用范围广。测定样品能够是无机物，也能够是有 机物。被分析旳样品能够是气体和液体，也能够是固体。 ➢（2）敏捷度高，样品用量少。目前有机质谱仪旳绝对敏 捷度可达50pg（pg为10−12g），无机质谱仪绝对敏捷度可 达10−14 g。用微克级样品即可得到满意旳分析成果。 ➢（3）分析速度快，并可实现多组分同步测定。 ➢（4）与其他仪器相比，仪器构造复杂，价格昂贵，使用 及维修比较困难。对样品有破坏性。
在一般有机分子鉴定时，能够经过同位素离子峰相对强度之 比来拟定其元素构成。
➢例如：CH4 M=16
➢12C+1H×4=16
M
➢13C+1H×4=17 M+1

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（3）麦氏重排
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四、醇
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五、酚
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六、醛酮
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八、胺
1、分子离子峰 脂肪族胺的分子离子峰很弱， 环胺、芳胺的分子离子峰很强。
2、断裂方式
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九、酰胺
1、分子离子峰 酰胺类分子离子峰通常可测到。
2、断裂方式（具有羰基裂解的特点）
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十、硝基化合物
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这规则用于其他碎片离子时，则是含偶数个氮原子的奇电子 离子其质量是偶数；而含偶数个氮原子的偶电子离子其质量 将是奇数。而分子离子均是奇电子离子。应含偶数个（不含 氮）氮原子。 （4）必须有合理的质量碎片的丢失。分子离子峰的裂解过程 中常常会失去小质量的中性碎 片和自由基。因此裂解过程中 分子离子（母离子）与子离子之间的质量差一定要合理，例 如出现质量差15或18，就丢失-CH3或一个分子水是合理的。 而丢失4~13原子质量单位是不合理的。因为分子离子
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醇类容易失水，出现(M-18) +峰。有些硝基化合物、易于分 解的有机化合物及支链烷烃，在电子轰击条件下得不到分子 离子峰，只有碎片峰。
（3）分子离子应符合氮规则。有机化合物主要由C、H、O、 N、S、CI、Br、1、F、P等元素组成。在质谱中有机化合 物分子中含有偶数个（包括零）氮原子的分子离子，质量一 定是偶数；而含有奇数个氮原子的分子离子，质量数一定是 奇数，这个规则称为“氮规则”。因为某些元素的最大丰度 的同位素（轻同位素）的原子的质量数为偶数，其化合价亦

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可以发生这类重排的化合物有：酮、醛、 酸、酯和其它合羰基的化合物，含P=O，与 S=O的化合物以及烯烃类和苯环化合物等。不 难看出，发生这类重排所需的结构特征是，分 子中有一个双键以及在γ位置上有氢原子。
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从20世纪60年代开始，质谱法更加普 遍地应用到有机化学和生物化学领域。化 学家们认识到由于质谱法的独特的电离过 程及分离方式，从中获得的信息是具有化 学本性，直接与其结构相关的，可以用它 来阐明各种物质的分子结构。正是由于这 些因素，质谱仪成为多数研究室及分析实 验室的标准仪器之一。
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m*形成的质谱峰叫亚稳离子峰。 在质谱图上，m*峰不在m2处，而出现 在比m2更低的m*处。
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亚稳离子峰由于其具有离子峰宽大（约2～5个质 量单位）、相对强度低、m/z不为整数等特点，很容易 从质谱图中观察出来。 通过亚稳离子峰可以获得有关裂解信息，通过对 m*峰观察和测量，可找到相关母离子的质量m1与子离 子的质量m2 ，从而确定裂解途径。如在十六烷质谱中 发现有几个亚稳离子峰，其质荷比分别为32.8，29.5， 28.8，25.7和21.7，其中29.5≈412／57，则表示存在分 裂： C4H9+ → C3H5+＋CH4 （m／z=57）（m／z=41） 但并不是所有的分裂过程都会产生m*,因此没有 m* 峰并不意味着没有某一分裂过程。

分能量(多小于6ev)
形成离子及部分碎
片.
4
——EI的优缺点
优点 1.高的灵敏度 2.有达10万个化合物的
数据库可快速检索 3.可根据碎片方式鉴定未
知物 4.从碎片离子判定结构
缺点 1.质量范围小 2.有可能汽化前发生
解离 3.碎片过多有时看不
到分子离子
5
B: FBI快速原子/离子轰击离子源 Fast Atom/Ion Bombardment
由基质传给样品使样品一起气化并离子化。
9
10
11
常用基质
1、α氰基－4羟基－肉桂酸
CCA
多肽
2、3,5－二甲氧基－4－羟基肉桂酸 SA
蛋白
3、龙胆酸（2,5－二羟基苯甲酸 DHB 聚合物
4、吡啶甲酸
PA
5、3－羟基吡啶甲酸
3HPA
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MALDI源由氮激光器产生短周期脉冲激光，产生的多为单电荷 离子，效率很高，即使只有极少的样品也可分析
30
C、飞行时间质量分析器 Time-of-Flight Analyzer
离子的E=U·Z=½ mv²
飞行时间t=
L v
t=const· m z
31
反射飞行时间质量分析器(RETOF-MS)
Uref
TOF对真空度的要求非常高10⁻⁷Torr MALDI源一般同时联接Time-of-Flight Analyzer和RETOF
25
26
2、质量分析器的种类
A、四极杆质量分析器Quadrupole Analyzer A、B极性相反，加上一个直流电压DC，叠加一个射频电场
RF，扫描时固定RF频率， DC： RF保持比率不变，数值递增， 使m/z小到大的离子依次通过，取得一张完整的质谱图。

离子的类型及开裂规律 两节课时间太紧张
离子的类型 1．分子离子峰：
在电子轰击下,有机物分子电离一个电子形成 的离子,叫分子离子 分子离子的质量就是化合物的相对分子量。
分子离子足够稳定，质谱中位于质荷比最高 位置的峰就是分子离子峰。
1
辨认分子离子峰的方法
1. 分子离子峰一定是质谱中质量数最大的峰，应处在质 谱图的最右端。
正相反。苯甲醇中M-1峰很强，是因为生成了稳定的羟基 离子 m/z107；苄醇也有M-2 ，M-3的峰，强度较弱，苯酚的M-1是弱峰。 酚的裂解如下：
H O┐ rH
┐
O H H
m/z 94
m/z 94
H
CHO
┐
或
H
┐
H
m/z 66
m/z 65
41
苯甲醇和酚的特征裂解都有经过H转移丢失CO产生M-28 的峰，还有丢失 CHO基团的M-29的峰。苯甲醇有M（CHO），即m/z79的峰是基峰。酚有M-28（m/z66）和 M-29（m/z65）的弱峰。
同部分碎片峰，可粗略推测化合物的大致结构。 • 以所有可能方式把各部分结构单元连接起来，再利
用质谱数据，将造成的结构中不合理的结构排除掉。
45
质谱图解析 —— 例1 (P266)
46
47
质谱图解析 —— 例2
48
49
GC和MS联用的优点
• GC：善于分离，不善于定性 • MS：善于定性，不善于分离 • GC-MS：分离，定性同时进行
10
离子开裂的几种类型
单纯开裂— 断一个键，脱离一个游离基 重排开裂— 有两个键断裂，一个氢原子发生转移，
脱去一个中性分子 复杂开裂— 几个键开裂，并有氢原子的转移 双重重排— 有两个氢的转移

1.单聚焦 2.双聚焦 3.飞行时间 4.四极杆
记录放大器
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（10 -6 Pa ） (1)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； (3)引起额外的离子－分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化
1、真空系统：由机械泵和分子泵组成
一、质谱法基本原理
首先将样品中的分子经离子源作用，电离生成分子
正离子或碎裂成碎片正离子，利用不同质量的离子 在电场或磁场中运动的轨迹不同，按其质量与所带 电荷的比值（质荷比，以m/z表示）的差异得以相 互分离，并记录其相应信号即为质谱图（MS）。
CH3
1、质谱图组成：横坐标为分子离子或碎片离子的
同位素丰度法2019/1 Nhomakorabea/31Beynon表
150
① C7H10N4 ② C8H8NO2 ③ C8H10N2O ④ C8H12N3 ⑤ C9H10O2 ⑥ C9H12NO ⑦ C9H14N2
M+1
9.25 9.23 9.61 9.98 9.96 10.34 10.71
M+2
0.38 0.78 0.61 0.45 0.84 0.68 0.52
强电场加速后的惰性气体中性原子束（如氩 或氙）对准靶上供试品轰击。基质中存在的 缔合离子和经快原子轰击产生的供试品离子 一起被溅射进入气相，并在电场作用下进入 质量分析器。
4、质量分析器
质量分析器内主要是一电磁铁 作用：可使具有不同质荷比的离子顺序 到达检测器发生信号而得到质谱图。
5、检测器
以电子倍增器检测离子流。
1H 100.00 2H 0.015
14N 100.00 15N 0.36