第十五章 质谱法 - 章节小结

1．基本概念及术语质谱分析法：质谱分析法是利用多种离子化技术，将物质分子转化为离子，选择其中带正电荷的离子使其在电场或磁场的作用下，按其质荷比m/z的差异进行分离测定，从而进行物质成分和结构分析的方法。

相对丰度：以质谱中基峰（最强峰）的高度为100%，其余峰按与基峰的比例加以表示的峰强度为相对丰度，又称相对强度。

离子源：质谱仪中使被分析物质电离成离子的部分。

常见的有电子轰击源EI、化学电离源CI、快原子轰击源FAB等。

分子离子：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，用m·+表示。

碎片离子：当分子在离子源中获得的能量超过其离子化所需的能量时，分子中的某些化学键断裂而产生的离子。

亚稳离子：离子（m1+）脱离离子源后，在飞行过程中发生裂解而形成的低质量离子（m2+），通常用m+表示。

同位素离子：质谱图中含有同位素的离子。

单纯开裂：仅一个键发生开裂并脱去一个游离基，称单纯开裂。

重排开裂：通过断裂两个或两个以上化学键，进行重新排列的开裂方式。

重排开裂一般脱去一中性分子，同时发生重排，生成重排离子。

2．重点和难点（1）离子化机理及其特点①电子轰击电离（EI）：气化后的样品分子进入离子化室后，受到由钨或铼灯丝发射并加速的电子流的轰击产生正离子。

轰击电子的能量大于样品分子的电离能，使样品分子电离或碎裂。

电子轰击质谱能提供有机化合物最丰富的结构信息，有较好的重现性，其裂解规律的研究也最为完善，已经建立了数万种有机化合物的标准谱图库可供检索。

其主要缺点在于不适用于分析难挥发和热稳定性差的样品。

②化学电离（CI）：引入一定压力的反应气进入离子化室，反应气在具有一定能量的电子流的作用下电离或者裂解。

生成的离子和反应气分子进一步反应或与样品分子发生离子-分子反应，通过质子交换使样品分子电离。

化学电离属于软电离方式，通常准分子离子峰强度大，易获得有关化合物基团的信息。

其主要缺点是重现性较差，且不适合于难挥发、热不稳定样品的分析。

③快原子轰击（FAB）：将样品分散于基质（常用甘油等高沸点溶剂）制成溶液，涂布于金属靶上送入FAB离子源中。

将经强电场加速后的惰性气体中性原子束（如氙）对准靶上样品轰击。

基质中存在的缔合离子及经快原子轰击产生的样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。

此法优点在于离子化能力强，可用于强极性、挥发性低、热稳定性差和相对分子质量大的样品及EI和CI难于得到有意义的质谱的样品。

FAB比EI容易得到比较强的分子离子或准分子离子；不同于CI的一个优势在于其所得质谱有较多的碎片离子峰信息，有助于结构解析。

缺点是对非极性样品灵敏度下降，而且基质在低质量数区（400以下）产生较多干扰峰。

FAB是一种表面分析技术，应注意优化表面状况的样品处理过程。

值得一提的是，在FAB离子化过程中，可同时生成正负离子，这两种离子都可以用质谱进行分析。

样品分子如带有强电子捕获结构，特别是带有卤原子，可以产生大量的负离子。

负离子质谱已成功用于农药残留物的分析。

（2）质谱中的主要离子及其在质谱解析中的作用①分子离子：大多数有机化合物分子通过某种电离方式，在离子源中失去一个电子而形成带正电荷的离子（z＝1），即分子离子。

由于确认了分子离子即可确定化合物的相对分子质量，因而分子离子峰的正确识别十分重要。

由CI、FAB等软电离方式获得的准分子离子，其作用与分子离子相当。

分子离子峰一般位于质谱图中质荷比的最高端，但有时最高质荷比峰不一定是分子离子峰。

其原因为： M+n（n＝1、2…）同位素峰可能出现在质荷比最高处；杂质峰可能出现在最高质荷比处；当样品分子的稳定性差时，分子离子峰很弱甚至不出现，此时最高质荷比的离子是碎片离峰子。

确认分子离子峰时应依据分子离子的稳定性规律及质量数的奇偶规律，即由C、H、O组成的化合物，分子离子峰的质量数是偶数；由C、H、O、N组成的化合物，含奇数个N，分子离子峰的质量数是奇数；含偶数个N，分子离子峰的质量数是偶数。

凡不符合这一规律者，不是分子离子。

同时还应注意最高质荷比离子与相邻离子间的质量差是否合理，必要时可改变试验条件，如降低EI电子流能量或采用CI、FAB等软电离技术，以便观察到分子离子峰（或准分子离子峰）。

②碎片离子：分子在离子源中获得的能量超过分子离子化所需的能量时，分子离子中某些化学键发生断裂形成碎片离子。

由于键断裂的位置不同，同一分子离子可产生不同质量的碎片离子，其相对丰度与键断裂的难易及化合物的结构密切相关。

因此，碎片离子的峰位（m/z）及相对丰度可提供化合物的结构信息。

一般说来，高丰度的碎片离子峰代表着分子中易于裂解的部分，如果有几个主要碎片，并且代表着分子中的不同部分，则可由这些碎片将化合物的骨架粗略拼凑起来，以便进行结构确证。

③亚稳离子：离子（m1+）脱离离子源后并在到达质量分析器前，由于其内能较高或相互碰撞等因素，在飞行过程中可能发生裂解而形成低质量的离子（M2），这种离子的能量比在离子源中产生的m2+离子的能量小，且不稳定，在质谱中称其为亚稳离子，通常用m+表示。

亚稳离子的特点是：峰位低于m2+峰，其峰位为m+=(m2+)2/m1+。

其原因是：虽然m2+离子和m+离子均系m1+离子派生的相同质量离子，但因m+离子的能量在飞行途中被中性碎片带走了一部分，故m+离子较m2+离子的能量小，其在磁场中的偏转半径R 就小于m2+离子，因此，其峰位出现在较m2+离子低的质量区；峰弱，峰强仅为m1+峰的1%～3%；峰钝，一般可跨2～5个质量单位；质荷比一般不是整数。

亚稳离子m+与母离子m1+及子离子m2+的关系为：m+=(m2+)2/m1+，由此可确定离子间的亲缘关系，有助于了解裂解规律，解析复杂质谱。

需要说明的是，并非所有的裂解过程都有亚稳离子产生，因此，若没有观察到相应的亚稳离子峰，也不能说明该裂解历程不会发生。

④同位素离子：即含有同位素的离子。

重质同位素与丰度最大的轻质同位素峰的峰强比，用…表示。

由于34S、37Cl及81Br的丰度比很大，因此含有S、Cl、Br的分子离子或碎片离子其M+2峰强度较大，故可根据M和M+2两个峰强比推断分子中是否含有S、Cl、Br及其原子数目。

同位素峰强比可用二项式（a+b）n展开式求出。

a与b为轻质及重质同位素的丰度比，n为原子数目。

若采用低分辨质谱，则可通过同位素相对丰度法推导其分子式。

由于同位素离子峰的相对强度与其中各元素的天然丰度及存在个数成正比，因此，利用精确测定的(m+1)+、(m+2)+、相对于m+的强度比值，可从Beynon 表（表中收载了含C、H、N、O不同组合的质量及同位素丰度比的各类有机化合物）中查出最可能的化学式．再结合其他规则，确定化合物的分子式。

（3）重排开裂机理及主要类型质谱中的某些离子是通过断裂两个或两个以上化学键重新排列形成的，这种裂解称为重排开裂。

重排开裂生成的离子称为重排离子。

与单纯开裂不同，由于重排开裂时脱去一个中性分子，因此重排开裂前后离子所带电子数的奇、偶性保持不变；其质量数的奇、偶性一般也保持不变，除非重排开裂时失去了奇数个氮原子。

由于离子的电子数与质量间存在一定关系，故可根据离子质量推测该离子是否由重排开裂产生，从而有助于机化合物的结构推断。

产生重排开裂的主要原因是：重排离子具有更高的稳定性；能够脱去稳定的中性分子；需要裂解的临界能较低；开裂中心在易于移动的氢附近等。

重排开裂的方式很多，其中较常见的有McLafferty重排（麦氏重排）和逆Diels-Alder重排（RDA重排）。

①McLafferty重排：当化合物中含有不饱和C＝X基团（X为O、N、S、C），且与该基团相连的键上具有γ氢原子时，γ氢原子可重排（转移）到不饱和基团上（通常通过六元环过渡态），同时β键发生断裂，脱去一个中性分子，产生McLafferty重排。

在醛、酮、酸、酯、酰胺、羰基衍生物、烯、炔及烷基苯等化合物的质谱中均可发现这种重排离子峰。

②RDA重排：RDA重排是以六元环烯化合物的双键为裂解反应起点，由π电子提供的游离基反应中心引发，通过两次α开裂，形成一个中性分子（乙烯或其衍生物）和一个离子化的共轭双烯衍生物。

在环烯化合物、生物碱、萜类、甾体、黄酮及某些邻位二取代芳烃等化合物的质谱中，经常出现由RDA重排产生的碎片离子峰，可为上述化合物的结构分析提供重要信息。

（4）质谱解析质谱解析的一般程序如下：确认分子离子峰，确定分子量；根据分子离子峰的丰度，推测化合物的可能类别；根据分子离子峰与同位素峰的丰度比，判断分子中是否含有高丰度的同位素元素，如Cl、Br、S 等，并推算这类元素的种类及数目；由同位素峰强比法或精密质量法确定分子式，并由分子式计算不饱和度，了解双键数及环数；分析基峰及主要碎片离子峰可能代表的结构单元，由此确定化合物可能含有的官能团，并参考其他光谱（波谱）数据，推测出所有可能的结构式；根据标准谱图及其他所有信息，进行筛选验证，确定化合物的结构式。

（5）综合波谱解析以多种波谱数据对有机物结构进行综合解析时，要灵活应用各图谱提供的信息。

综合波谱解析的一般程序如下：①分子式的确定：目前分子式的确定主要有以下几种方法：a）元素分析法：采用元素分析仪定量测出分子中C、H、N、O、S等元素的含量，据此计算出各元素的原子比，拟定实验式，最后根据相对分子质量和实验式确定分子式；b）质谱法：由高分辨质谱获得化合物的精确相对分子质量，采用精密质量法确定分子式。

若采用低分辨质谱，则可采用同位素相对强度法，由M+1、M+2与M峰的相对丰度比，并利用Beynon 表，确定化合物的分子式；c）核磁共振波谱法：核磁共振碳谱可提供化合物中碳原子数目，辅以氢谱，可方便地推算分子式。

只有氢谱时，因峰面积与氢核数成正比，分子中氢核的总数将是这些峰面积最简比例总和的整数倍。

如能得到化合物的相对分子质量、元素分析数据及NMR波谱数据，即可计算分子中的C原子数，从而确定分子式。

②结构单元确定：a）计算不饱和度：由分子式计算不饱和度，并结合各图谱，初步推断未知物的类别；b）利用各谱的特征信息初步确定结构单元：一般紫外光谱可判断有无共轭体系；红外光谱可判断化合物类别和有哪些基团存在，以及该基团与其他基团相连接的信息；NMR氢谱的偶合裂分及化学位移常常是推断相邻基团的重要线索， NMR碳谱的δ值以及是否表现出分子的对称性，对确定取代基的相互位置十分有用；质谱的主要碎片离子间的质量差值以及重要重排离子等，均可得出基团间相互连接的信息；c）结构单元的推断：一般先以一种图谱的信息为基础，推断可能属于哪一类化合物及结构单元，然后再以其他图谱加以验证。

一般说来，对某一给定的结构单元，必须在各图谱中均能得到印证方可确认。