14-质谱分析方法

2、质谱图的裂解表示法
（1）正电荷表示法
正电荷用“+”或“+·”表示，分别对应离子含有偶数和奇数个电子。
（2）判断原则
3、电子转移表示法（通常在共价键或杂原子上有两种）
从共价键的电子转移来看有三种方式
三、碎片离子及其断裂规律
在 EI 质谱图中，除分子离子峰外，还有极丰富的碎片 离子，为进一步确定化合物的结构要详细分析碎片离子的 形成过程，离子与碎片离子之间的相互关系（亲缘关系） 及各种离子的丰度。
✓ 氮规则（或称 N 律）：
如果化合物不含氮或含偶数个氮原子，则其分子离子的质量将是偶数。 如果化合物含有奇数个氮原子，则其分子离子的质量将是奇数。
这个规则不仅适用于分子离子，而且也适用于所有离子。 因此，氮律也可概括如下：
若含有偶数个氮原子的奇电子离子，其质量数必将是偶数；同理，含有 偶数个氮原子的偶电子离子，其质量数必将是奇数。
⑤ 考察 (M+2)+，分析可能含的元素。不可能含Cl、Br、S、Si，只可
能含O，含几个O？
首先扣除13C2 对 (M+2)+ 的贡献： 根据 (M+2)≈(1.1*9)2/200+0.20z
z ≈ 1 因此，只能含一个O，
所以此化合物分子式为 C9H11NO。
4. 应用范围宽：分析化学的各个领域；
5. 可以有效地与多种色谱技术联用，如 GC/MS, LC/MS, CE/MS等；自身的串联 MSn
6. ★ 破坏性分析：需汽化、电离；
7. ★ 仪器较昂贵、复杂。
有机质谱是鉴定有机化合物结构的重要方法， 它不仅能提供分子量，还可以通过测量精确质量确 定分子式。
子相对丰度的谱图。 ❖ 质谱含有样品分子或原子的质量信息。 ❖ 质谱图可以给出大量的结构信息，因此质谱图
是化合物的一种化学指纹图谱。
质谱图和质谱裂解表示法
1、质谱图表示法
通过先选择图中最 强的峰，把它的强度 定为100%，这个峰称 为基峰。其它离子峰 强度与基峰作相对比 较，所得出的相对强 度，便称为丰度。以 (m/e)和相对丰度作图 便得到了通常的质谱 图。
第十四章 质谱分析法 与二次离子质谱分析法
第一节 质谱分析法基础 第二节 质谱分析法的应用 第三节 二次离子质谱分析法
第一节 质谱分析法基础
质谱原理
气体、液体或固体样品在进样 系统气化后进入电离室，受到 一定能量(8-100eV)的电子束 轰击后发生电离，大多数的分 子失去一个电子产生带一个正 电荷的分子离子。如果电子束 能量较高，分子离子还可以进 一步裂解为碎片离子。
大气压
进样系 统
离子源
真空系统
质量分析 器
检测器
数据系统
质谱是重要的分析，应用相当广泛，其特点可以概括为：
• Sensitivity （灵敏，样品可为pg-mg） • Speed （快速） • Specificity （特性识别） • Stoichiometry （化学计量）
质谱法与其他主要分析方法灵敏度的比较
分析方法 NMR IR GC UV MS
检测灵敏度（g） 10-3～10-5 10-6～10-7 10-6～10-13 10-6～10-7 10-11～10-12
1. 快速（几分钟完成一次测试）；
2. 直观性好：提供分子量信息、结构信息（碎片 离子）；高分辨质谱可以提供元素组成(分子式)；
3. 适用性广：气体、液体、固体；混合物可以通过色谱 /质谱联用功能及串联质谱功能分离鉴定；
【例】某化合物质谱分子离子区域强度分布如下，求它的分子式。
M+•
149
100
(M+1)+
150
10.35
解
(M+2)+
151
0.64
①
设分子式为CwHxNyOz
② 计算 C 原子数目：w 10.351.1 9
③ 分子量为奇数，至少含 1 个 N。
④ (M+1)≈(1.1*9) +0.38y y ≈ 1 因此，N=1
1、判断只含C、H、O、N的化合物的分子式
对简单的烃类（只含C和H）： 13C的自然丰度为1.1%
C原子个数
将M看做100
对复杂的烃类（如
）：
只含C、H、O、N的化合式可以查贝农表。 根据各元素同位素的丰度比可推测到可能的分子式。
2、确定分子中是否含Cl、Br、S等杂原子
S、Cl、Br 的第二个同位素比丰度最大的同位素重2个 质量单位，而且重同位素的丰度很高，在质谱图中具有明 显的特征，可依此判断这些元素的存在。
最大质量数100，不含N（或含偶数N）；100 – 85 = 15，合理中性碎片。 因此，m/e 100 可能是M+•。
2、分子离子峰的丰度和结构的关系
3、改变实验条件检验分子离子峰
分子离子峰
如使用CI产生MH+离子，以得到醇、长链胺、酯的分子离子峰。 对胺基水杨酸的分子离子峰不易出现，变成甲酯后，分子离子峰就很明显。
具有稳定同位素的化合物的质谱图有其明显的特征： 簇离子峰中峰的数目、相对强度正好与同位素的个数、 相对丰度相对应。（可用来推测化合物的分子式）
有机质谱中常见元素的天然同位素丰度
A
元素 丰度 %
1H
100
12C
100
14N
100
16O
100
19F
100
28Si
100
31P
100
32S
100
35Cl
100
所谓丢失合理的中性碎片是指分子离子峰的质量数与其相 邻的次一个峰质量数之差（即丢失的中性碎片的质量）不 能在 4 13和 21 25 的范围内。
应注意，在测定质谱时，如果离子源内样品压力较高时， 有些化合物，如酮、醛、胺、醚、酯、醇等有可能出现 (M+1)+。因此，在确定分子离子峰时，要特别小心。
氯在天然界存在两 个同位素35Cl 和 37Cl。 设35Cl 的天然丰度 100%，37Cl的相对天 然丰度为32.5%。如果 含2个氯原子的离子， 将按 100%：65%： 10.6% 的比例产生3个 峰，每个峰之间相差2u.
1、含有n个相同卤原子时，同位素的离子峰的相对丰度可 用二项式(a+b)n展开式中各项之比来表示。式中a为较轻卤 素同位素的自然丰度，b为较重同位素的自然丰度，n为分 子中卤素的原子数目。
分子离子：在 EI 条件下，与分子量相对应的峰称为分子离子峰， 用 M+• 表示。它是奇电子离子；用软电离方法，如 FAB、CI、MALDI 及 ESI（单电荷）条件下，与分子量 相对应的峰，称准分子离子峰，也称质子化分子，用 (M＋ H)+表示。
奇电子离子：带有未成对电子的分子离子或碎片离子称奇电子 离子,以 OE+• 表示。
例：计算CHCl3的分子离子簇相对丰度比
2、含有不同卤原子时（比如两种时），同位素离子峰的相对 丰度可用二项式(a+b)m(c+d)n展开式中各项之比来表示。式中a、 b意义同前，c、d为另一卤素的同位素相对丰度，m、n为分 子中各卤素的原子数目。
2. 高分辨质谱法
依据：当以12C=12.000 000为基准时，其它原子的相对原 子质量严格讲不为整数。利用高分辨质谱仪测定的质量数 可准确到小数点后4~6位，符合这种精度的分子式数目大 大减少，结合其它信息并和计算机联用后，可对最合理的 分子式作出准确判断。
样品分子 外部能量 离子 （分子离子，碎片离子）
电离过程
离子源
离子
按m/e分离
质谱
质量分离过程 质量分析器
ABCD
ABCD+
AB+, ABC+, CD+, A+, B+, C+, D+
分子离子
碎片离子
分子结构
离子
一般意义的质谱EIMS标准谱库是
70eV电子轰击下产生的EIMS谱
质谱仪的基本结构
Koichi Tanaka，1959
（瑞士）
Kurt Wuethrich, 1938
发明电喷雾离子法 ESI对生物大分子进行
确认和结构分析
发明软激光解吸附作用 技术MALDI对生物
大分子进行质谱分析
确定溶液中生物大分子三 维结构的核磁共振技术
什么是质谱？ ❖ 质谱是按顺序记录各种质荷比（m/e或m/z）离
偶电子离子：外层电子完全成对的离子称为偶电子离子用 EE+ 表示。
✓ 基峰：质谱中相对强度最大的峰称为基峰，将它的强度规定为100 ，
其它峰的强度以它为基准，得到的百分比就是其它峰的相对强度。
✓ 中性碎片的丢失：丢失的中性碎片指分子离子与高质量数区域的一些
碎片峰的 m/e 的差值。中性碎片可以是中性分子或 者自由基。也就是说，分子离子可以丢失中性的自 由基形成偶电子离子，也可以丢失中性分子形成奇 电子离子。
1.分子离子峰的判断
用质谱法确定分子式，首先要正确判断分子离子峰。分 子离子峰的必要条件是：
✓ 必须是奇电子离子，当然也必须符合N规则。
✓ 必须是谱图中除同位素以外的最高质量的离子。
✓ 必须能够通过丢失合理的中性碎片，产生谱图中高质量 区的重要离子。
如果具备了这三个条件，它可能是分子离子峰，但也可 能不是；但如果这三条中任何一条不符合，它一定不是 分子离子峰。所以说，这三条是必要条件，但不是充分 条件。
20世纪80年代以来，有机质谱分析技术获得迅 速发展，相继发明了快原子轰击FAB 、电喷雾电离 ESI和基质辅助激光解吸电离MALDI等软电离技术， 使得质谱的应用扩大到生物大分子的研究领域。
2002年诺贝尔化学奖获得者