质量频谱(质谱)分析法

生成的气体离子再与样品分子M反应：
CH5 + + M CH4 + MH+
特点：
得到一系列准分子离子（M+1）+， （M-1）+， （M+2）+等等；
CI源的的碎片离子峰少，图谱简单，易于解释； 不适于难挥发成分的分析。
（3）快原子轰击(fast atom bombardment
FAB)
高能量的Xe原 子轰击涂在靶上的样 品，溅射出离子流。 本法适合于高 极性、大分子量、低 蒸汽压、热稳定性差 的样品。 FAB一般用作 磁式质谱的离子源。
CH3—CH2—OH（M /Z 46） CH3—CH2—OH（M /Z 46） CH3—CH = OH CH2 = OH M / Z 45 M / Z 31
C3H7 — CH — CH3 OH
M/Z = 88
C3H7CH OH M/Z = 73
M-CH3 M-H2O M-1 M
CH—CH3 OH M/Z = 45
+
-
+
小孔电压
聚焦环电压
一级四极杆电压
碰撞四极杆电压
二级四极杆电压
小孔板
聚焦环 一级四极杆 碰撞四极杆 二级四极杆
喷雾针
雾化气
气帘气
碰撞气
图2-2 MS/MS仪器结构图；各项主要电参数及气体参数含义
93
H N
65
77
170
图2-5 m/z =170的分子离子峰的子离子扫描图
H N
[M1+H+]
（4）电喷雾源(electronspray ionization
结构：喷嘴，雾化气，干燥气 原理：喷雾 蒸发 电压
喷雾针尖电压 电场方向
ESI)
小孔板电压
喷雾针
带电液滴
溶剂挥发
样品离子
小孔板
图2-1 样品在ESI接口中的离子化过程
特点： 1 适用于强极性，大分子量的样品分析 如肽，蛋白质，糖等
2 产生的离子带有多电荷
1、样品引入系统
气体——直接导入或用气相色谱进样
液体——加热汽化或雾化进样
固体——用直接进样探头
进样系统
Sweep Gas In
Heater
Water Vapor
HEN Nebulizer
Heated Gas
Dry Aerosol
Water Vapor
Nebulizer Gas
Sample Flow In
真空装置：
机械真空泵
扩散泵
分子涡轮泵
5、 检测器(detector)
电子倍增器
6、检测器的性能指标
（1）质量范围 指所能检测的M/Z范围
四极质谱
磁式质谱 飞行时间质谱
M/Z小于或等于1000
M/Z可达到几千 M/Z可达到几十万
（2）扫描速度指扫描一定质量范围所需时间 例如GC-MS： M/Z 1-1000所需时间<1s
原理：
由（3）式可知：
m H r Z 2V
2 2
(3)
离子的m/Z大，偏转半径也大，通过磁场 可以把不同离子分开；
当 r 为仪器设置不变时，改变加速电压或 磁场强度，则不同m/z的离子依次通过狭缝到达 检测器，形成质谱。
（2）双聚焦分析器 （Double focusing mass analyzer）
3 主要用于液相色谱质谱联用仪
3、质量分析器(mass analyzer)
1 单聚焦分析器（single focusing mass analyzer） 2 双聚焦分析器（double focusing mass analyzer） 3 四极杆分析器 (quadrupole analyzer) 4 离子阱分析器 (Ion trap)
3 3
（3）异构烷烃（支链烷烃）分支处易断裂： 例如5-甲基十五烷 C10H21—CH—C4H9 CH3
169
85
2、烯烃 （1）具有烷烃的特征
（2）易发生烯丙断裂，生成很强的烯丙离子
+ CH2 = CH — CH2 CH2 = CH — R R— CH2 — CH2 — CH2 — CH = CH2
或与电子结合，形成负离子
M + e —— M—
3、离子也可因撞击强烈而形成碎片离子：
4、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：
1 2 zH mv 2
(1)
5、加速离子进入一个强度为H的磁场，发 生偏转，半径为：
mv r zH
将（1）（2）合并：
(2)
m H r Z 2V
可在平行电子 束的方向附加一弱磁 场，使电子沿螺旋轨 道前进，增加碰撞机 会，提高灵敏度。
特点：
碎片离子多，结构信息丰富， 有标准化合物质谱库； 不能汽化的样品不能分析； 有些样品得不到分子离子；
（2）化学电离源(chemical ionization CI) 结构与EI同，但是在离子化室充CH4， 电子首先将CH4离解，其电离过程如下： CH4 + e CH4+ + CH4 CH4 + + 2e CH5 + + CH3
质量频谱分析法
Mass Spectrometry，MS
第一节
概述
分子
质谱法是一种按照离子的质核比（m/z）大 小对离子进行分离和测定的方法。
质谱法的主要作用是：
（1）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 分析时，首先将分子离子化，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，此即为质谱。
M / Z = 41
3、芳烃 易发生苄基断裂，生成苄基离子
CH2+
M /Z 91
C2H2 -26 C2H2 -26
M /Z 39
M /Z 65
M /Z 91
CH3
39
65
91 92
M/Z
二、杂原子的质谱
(1) 醇和酚 醇类 （1） 杂原子存在，形成M/Z 31的离子 和M—1的离子；
（2） 失水生成M—18离子。
质谱法分类：
有机质谱
按用途分 无机质谱 同位素质谱 按原理分
单聚焦质谱
双聚焦质谱
四极质谱
飞行时间质谱
回旋共振质谱
气质联用 按联用 方式分 液质联用
质质联用
第二节
质谱分析的原理与仪器
一、质谱分析的过程与原理
1、进样 化合物通过汽化引入离子化室； 2、离子化
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； M —— M+ + e
Makeup Gas
Sweep Gas Out
Laser Ablation of Plastics Applying Different Wavelenghts
308 nm 1064 nm 248 nm
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
CH2OH O OH CH2OSiMe3
（4）胺类
CH3（CH2）8—CH2—NH2+
CH3（CH2）8.
CH2 = NH2+ M / Z = 30
醇、醚、酮等化合物均无此分裂。
三、分裂和重排 （1）麦氏重排（Mclafferty） 在辛酮-4的质谱中，除43、57、71、85和128的 质谱峰外，还有一个很高的峰，质量58，以及另两个 峰，质量86和100。这是由于发生了重排：
（3）四极杆分析器 (quadrupole analyzer)
直流电压Vdc
交流电压Vrf 频率为射频区
结构:
四根棒状电极，形成四极场 1，3棒： (Vdc +Vrf) 2，4棒：- (Vdc+ Vrf ) 在一定的Vdc Vrf 下 ， 只有一定质量 的离子可通过四极场，到达检测器。
原理：
在一定的（Vdc/Vrf)下，改变Vrf 可实 现扫描。 特点： 扫描速度快，灵敏度高 适用于GC-MS
O+ + -CO
122
121
93
OH
OH
OH
-CO
+ 65
-C2H2
+ 39
醚类 乙基异丁基醚
CH3—CH2—CH—O—CH2—CH3
CH3
—断裂
—断裂
（3） 卤素化合物
R—X
+
R+ + X
R + CH2 = X+
R—CH2X+
如果是长链烃类，则可能有下列途径
X [R-(CH2)4-X]+ R.+[ ]+
为什么要双聚焦： 进入离子源的离子初始能量不为零， 且能量各不相同，加速后的离子能量也不相 同，运动半径差异，难以完全聚集。
解决办法： 加一静电场Ee，实现能量分散：
mv 2 2 EM Ee Re Re
2 EM Re Ee
对于动能不同的离子，通过调节电 场能，达到聚焦的目的。
双聚焦分析器的特点：分辨率高
电子发射
抽真空
特点
• 仪器结构简单,不需要磁场、电场等； • 扫描速度快，可在10-5 s内观察到整段图 谱； • 无聚焦狭缝，灵敏度很高； • 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；
4、 真空系统 离子源的真空度应达到10-3-10-5 Pa， 质量分析器应达到10-6 Pa。
2 2
(3)
当 r 为仪器设置不变时，改变加速电压或磁 场强度，则不同m/z的离子依次通过狭缝到 达检测器，形成质量谱，简称质谱。
二、质谱仪的组成
进样系统(inlet system)


离子源(ion source)
质量分析器（mass analyzer） 检测器（detecter） 真空系统（Vacuum system）
45
70 73
88
酚类： （1）失去 C = O M/Z 28
（2）失去 H2O
（3）具有苯的特征
M/Z
18
（2）醛、酮、醚 辛酮—4 85 O
CH3CH2CH3—C—CH2CH2CH2CH3 43 57 71
M/Z 128 85 71 57
M/Z
128
43
再例如
对羟基苯甲醛
CHO+ -H
C
需要用高分辨质谱.
(4) 灵敏度
指信噪比大于10时的样品量。
第三节 常见化合物的质谱
一、烃类质谱 1、烷烃
29
43
57 71
正构烷烃的裂解规律：
（1）质谱特征是具有质量相差14（CH2）单位的 CnH2n+1系列； （2）碎片离子C3以上强度递减，因为碎片可继续分 + 裂，但 C3可重排为CH CHCH 而稳定；
NH2
m/z 170m/z 93m/z 77m/z 65
（4）离子阱分析器 Ion Trap Analyzer
特点：

结构简单 灵敏度高 适于小型联用仪器（GC-MS）
（5）飞行时间分析器 Time of Flight Analyzer
栅极1 -270V 栅极2 –2.8kV
试样入口
接 收 器
5 飞行时间分析器(time of flight）
6 富立叶变换离子回旋共振 （Fourier tranform ion cyclotron resonance）
（1）单聚焦分析器（single focusing mass analyzer）
1）结构： 扇形磁场 （可以是 1800 900 600等）
H H CH3 C C H2 C H2
C C H2
C H2
M/Z = 86
M/Z = 100 +
OH C C H3
M/Z = 58
+
OH C
CH2
C H2
M/Z = 58
C H3
麦氏重排的规律
H Y W Z X C
Me3SiCl
HO
HO
OH Me3SiO Me3SiO
O
OSiMe3
OSiMe3
2、 离子源(ion source)
主要作用是使分析物的分子离子化 电子电离源(electron ionization EI)
化学电离源(chemical ionization CI) 快原子轰击(fast atom bombardment 电喷雾源(electronspray ionization FAB) ESI)
（3）分辨率R 质谱对相邻两质量组分分开的能力
M R M
例如：CO+ 27.9949
N2+
28.0061
M 27.9949 R 2500 M 28.0061 27.9949
四极质谱恰好能将此分开.
但是:
ArCl+ 74.9312 As+ 74.9216
M 74.9216 R 7800 M 74.9312 74.9216
O C3H7 C C4H9
H H H C CH2 C H2 O C
H H CH3 C C H2 C H2
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+
H H H C CH2 C H2 OH
+
+
OH C
H H CH3 C C H2 C H2
C C H2
C H2
M/Z = 86
M/Z = 100
H H H C CH2 C H2 OH
+
+
OH C
大气压化学电离（atmospheric pressure
chemical ionization APCI)
基质辅助激光解吸电离（matrix assisted laser Desorption ionization MALDI)
（1） 电子电离源(electron ionization
EI)
由阴极发射电 子束，通过离子化室 到达阳极，电子能量 70eV，有机化合物的 电离电位8-15eV。