第五章 质谱谱
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1. 灵敏度 2. 分辨率 3. 质量范围
波谱解析MS
5.1.3 质谱图
横坐标：质荷比(m/z) 纵坐标：离子峰的相对丰度
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术语：质谱峰，基峰，分子离子峰
图中强度最大的峰（称为标准峰或基峰）为100， 其余的峰按与标准峰的比例表示，也成为百分相 对丰度。
一般质谱图上质荷比最大的峰为分子离子峰；有 例外。
CH2Cl2：因为，a=3, b=1, n=2, 因此(3+1)2=9+6+1, 即m/z84(M):m/z86(M+2):m/z88(M+4)=9:6:1
CHCl3：因为a=3, b=1, n=3, 因此，(3+1)3=27+27+9+1 即
m/z118(M):m/z120(M+2):m/z122(M+4):m/z124(M+6)=27:27:9:1
43
29 15
57
71 85 99 113 142
m/z
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16
15
甲烷
m eth an e M =16
m /z
2.支链烷烃
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3.环烷烃
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芳烃
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醇和酚
伯醇 仲醇
叔醇
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m/z 31 m/z 45 m/z 59
CH3 H
H3C CH2 CH2 C OH m/z=73(M-15)
碎片离子，称重排离子。如醇分子离子经脱水后重 排可产生新的重排离子峰。
6. 多电荷离子
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5.2 离子裂解的机理
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5.2.1 离子的单分子裂解
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5.1.3 质谱图
横坐标：质荷比(m/z) 纵坐标：离子峰的相对丰度
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术语：质谱峰，基峰，分子离子峰
图中强度最大的峰（称为标准峰或基峰）为100， 其余的峰按与标准峰的比例表示，也成为百分相 对丰度。
一般质谱图上质荷比最大的峰为分子离子峰；有 例外。
CH2Cl2：因为，a=3, b=1, n=2, 因此(3+1)2=9+6+1, 即m/z84(M):m/z86(M+2):m/z88(M+4)=9:6:1
CHCl3：因为a=3, b=1, n=3, 因此，(3+1)3=27+27+9+1 即
m/z118(M):m/z120(M+2):m/z122(M+4):m/z124(M+6)=27:27:9:1
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71 85 99 113 142
m/z
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16
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甲烷
m eth an e M =16
m /z
2.支链烷烃
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3.环烷烃
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芳烃
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醇和酚
伯醇 仲醇
叔醇
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m/z 31 m/z 45 m/z 59
CH3 H
H3C CH2 CH2 C OH m/z=73(M-15)
碎片离子，称重排离子。如醇分子离子经脱水后重 排可产生新的重排离子峰。
6. 多电荷离子
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5.2 离子裂解的机理
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5.2.1 离子的单分子裂解
波谱分析教程 第5章 质谱[1]
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在电离室生成的质量为m、电荷为z的正电荷
离子经加速电压V的加速，离子的速度为， 其动能为：m2/2＝zV 离子受到的磁场作用力Bz(沿半径指向圆心) 与离子运动的离心力m2/r大小相等，方向相 反 : m2/r ＝Bz m/z ＝ B2r2/2V
r=1/B(2mV/z) 1/2
见 P194（图5-1） ¨ 质谱是化合物分子在真空条件下受电子 流的“轰击”或强电场等其它方法的作用， 电离成离子，同时发生某些化学键的有规律 的断裂，生成具有不同质量的带正电荷的离 子，这些离子按质荷比，m／z(离子质量m与 其所带电荷数z之比)的大小被收集并记录的 谱。质谱图记录了它电离后被收集到的各种 不同质荷比的离子及其相对丰度(或强度)。
1、灵敏度；标志仪器对样品在量的方面的检测 检测能力。与仪器的电离效率、检测效率、 被检测的样品等多种因素有关。 2、分辨率：仪器对质量非常接近的两种离子 的分离能力。 R=m1（或m2）/△m R-分辨率 △m= m2— m1（两种相邻离子的质量差） 3、质量范围：质谱仪所能测量的最大m/Z值。
5.1.3
质谱图
2. 质谱术语
质荷比（mass-to-charge ratio , m/z ）： 通常情况下，z =1
峰的强度或相对丰度（Relative Abundance）：
相对于最强峰的强度
基峰：base peak 质谱图中的最强峰， RA=100
四、质谱的离子类型
EI质谱中的离子包括分子离子、碎片
离子、同位素离子、亚稳离子、重排 离子和多电荷离子等
1、分子离子
化合物失去一个或多个电子形成的离子
在裂解反应式中，分子离子中自由基或电荷中心的 形成与分子化学键电子的电离能有关。 电离能（I）越低的键电子越易被电子束逐出：
波谱解析-第五章质谱
1
0.975 0.317 0.034
2）用同位素丰度的分布可判断峰的元素组成
• 一个峰组中的A峰应是仅含最大丰度同位素 (如12C、16O、35Cl)的最高 质量峰。 • 优先考虑A+2型元素存在的可能性，因A+2 峰受A+1元素的影响较小，A+2元素同位素 的自然丰度也较高，容易判断，尤其是氯 和溴。 • 然后再判断A+1元素，可根据其与A峰的强 度比，大致判断A+1元素的种类和所含个数。
质谱峰强度
1
nb
n(n-1)b2/2!
n(n-1)(n-2)b3/3!
M M+1 M+2 M+3 M+4 m/z72 m/z73 m/z74 m/z75 m/z76
……
100
80
60
40
12C H + 5 12 12C 13C H + 4 1 12 12C 13C H + 3 2 12 12C 13C H + 2 3 12 12C 13C H + 1 4 12
57 CH2 43 CH2 CH2 CH2 CH2
71 CH2 29 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 15 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3
H 3C
86
71 H3C 57 H3C 43 H3C 29 H3C 15 CH3
CH2 CH2 CH2 CH2
CH2 CH2
CH2
CH2
常见的丢失
(2)直链的酮、酯、酸、醛、酰胺、卤化物等通 常显示分子离子峰； (3)脂肪族的醇、胺、亚硝酸酯、硝基化合物、 腈等化合物以及高分支化合物无分子离子峰。 11
B、分子离子峰的特点
波谱分析第五章 质谱
※碎片离子峰，不论强弱，绝大多数都是尖 锐的。
ห้องสมุดไป่ตู้、亚稳离子峰
（1）亚稳离子峰的产生
※正常的裂解都是在电离室中进行的，如质量
为m1的母离子在电离室中裂解：
m1+
m2+ ＋中性碎片
生成的碎片离子就会在质荷比为m2的地方 被检测出来。
※如果上述的裂解是在m1+离开了加速电场，进 入磁场前才发生，则生成的碎片离子的能量
R m1 m1 m2m1 m
故在两峰质量数相差较小时，要求仪器 有较大的分辨率。
例如：（1）CO+：27.9949；N2+：28.0061
RM 2.9 79492500 M 2.0 80 6 21 .9 7949
（2）ArCl+： 74.9312；As+：74.9216
RM 7.9 4216780 M7.9 43 1 72 .9 4216
二、质谱分类
1. 按用途分：
有机质谱、无机质谱、同位素质谱
2. 按联用方式分： 气-质联用、液-质联用、 质-质联用
3. 按仪器分离原理分： 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
三、特点：
◆质谱不属波谱范围；
◆质谱图与电磁波的波长和分子内某种物理量 的改变无关；
◆质谱是分子离子及碎片离子的质量与其相对 强度的谱，谱图与分子结构有关；
（3）亚稳离子峰在解析质谱中的意义 亚稳离子峰的出现，可以确定 m1+ m2+ 的开裂过程的存在。但须注意，并不是所 有的开裂都会产生亚稳离子。所以，没有 亚稳离子峰的出现并不能否定某种开裂过 程的存在。
zV 1 m2
2
4、加速离子进入一个强度为B 的磁场， 发生偏转，半径为：
ห้องสมุดไป่ตู้、亚稳离子峰
（1）亚稳离子峰的产生
※正常的裂解都是在电离室中进行的，如质量
为m1的母离子在电离室中裂解：
m1+
m2+ ＋中性碎片
生成的碎片离子就会在质荷比为m2的地方 被检测出来。
※如果上述的裂解是在m1+离开了加速电场，进 入磁场前才发生，则生成的碎片离子的能量
R m1 m1 m2m1 m
故在两峰质量数相差较小时，要求仪器 有较大的分辨率。
例如：（1）CO+：27.9949；N2+：28.0061
RM 2.9 79492500 M 2.0 80 6 21 .9 7949
（2）ArCl+： 74.9312；As+：74.9216
RM 7.9 4216780 M7.9 43 1 72 .9 4216
二、质谱分类
1. 按用途分：
有机质谱、无机质谱、同位素质谱
2. 按联用方式分： 气-质联用、液-质联用、 质-质联用
3. 按仪器分离原理分： 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
三、特点：
◆质谱不属波谱范围；
◆质谱图与电磁波的波长和分子内某种物理量 的改变无关；
◆质谱是分子离子及碎片离子的质量与其相对 强度的谱，谱图与分子结构有关；
（3）亚稳离子峰在解析质谱中的意义 亚稳离子峰的出现，可以确定 m1+ m2+ 的开裂过程的存在。但须注意，并不是所 有的开裂都会产生亚稳离子。所以，没有 亚稳离子峰的出现并不能否定某种开裂过 程的存在。
zV 1 m2
2
4、加速离子进入一个强度为B 的磁场， 发生偏转，半径为：
波谱分析第五章质谱
②含有奇数氮原子的化合物其分子量为奇数。 例如：C2H6 30 CH3NH2 31 H2NNH2 32 注意：若是碎片离子时： ①由电子转移（复杂断裂）等产生的奇电子离 子，其质量数符合上述氮规律； ②由简单断裂生成的偶电子离子则刚好相反。 （4）合理的中性碎片（小分子及自由基）的 丢失。即要注意m/z最高值与邻近离子的质量 差是否合理。
第一项计算值—表示离子全部由轻质同位素组 成， 第二项计算值—表示离子含有一个重质同位素 的原子组成，其余类推。 ★课堂练习 CHCl3的质谱图中，在M+· 峰附近，各同位素 峰的丰度比是多少？
答案是：M:M+2:M+4:M+6=27:27:9:1
当一个分子中含有不同的多种同位素时（如含 氯和溴原子），则同位素峰族各峰之间的强度 比可按下式计算： (a+b)m(c+d)n 式中：a和b分别代表氯元素轻和重质同位素 的相对丰度比（a:b=3:1） c和d分别代表溴元素轻和重质同位素 的相对丰度比（c:d=1:1） m—氯原子的数目 n—溴原子的数目
(1.1w 0.016 x 0.36 y 0.04z )
(1.1w 0.36 y)
M 2 (1.1 w) 0.20 z M 200
2
★相反，我们可以应用一个分子离子同位素峰族的相对 强度来推测化合物的分子式。具体方法是：
首先准确测定M、M+1、M+2峰的相对强度， 计算M+1/ M和M+2/M百分比； 然后根据质谱所得的M+1/ M和M+2/M的百分 比与Beynon表中的计算值相比较，就可推测 分子式了。 Beynon表参见教材附录Ⅸ。 例1.某一化合物，质谱实验测得M+· m/z=150， M、M+1、M+2峰的相对丰度比如下，推测其 分子式。 m/z 丰度比 150(M) 100 151(M+1) 10.2 152(M+2) 0.88
CH05液相色谱-质
2．分析物浓度的影响
分析物的浓度影响着ESI的信号强度以及多电荷离子的分布。
3．非挥发性电解质的影响 复杂基质中存在的非挥发性物质常会使ESI信号受到抑制， 非挥发性电解质对化合物离子化效率的影响较为复杂，尚无系 统的规律可循。 当电解质浓度很低时，本底电解质(如色谱纯试剂中存在的 低浓度碱金属离子<10-5mol／L)浓度的变化对化合物离子化效 率的影响几乎可以忽略。但当电解质浓度较高(>10-4mol／L)时， 则对ESI信号有抑制作用。因此，在LC-ESI-MS中电解质的浓度 应较低，建议所形成的离子可能是带有若干个水分子或溶剂分子 的水合离子或溶剂化离子，称为“簇”离子，也可能 是与气相中其他分子形成的非共价键结合物。如果这 些簇离子或弱键复合物在离子传输的过程中能够“存 活”并到达质谱检测器，就可以观察到相应的水合离 子、溶剂加合离子或弱键复合物离子等。 ESI最大的特点是可形成多电荷离子，能检测分子量达 数十万Da(道尔顿)的化合物；ESI是极为温和的离子化 方式，能在气相状态下研究溶液分子之间的非共价结 合作用，甚至于分子的三维空间构型。
第二节 电喷雾电离和大气压化学电离 接口与质谱联机
一、电喷雾电离接口的结构和工作原理
二、接口的碰撞诱导解离(CID)功能
毛细管出口与第一级分离器之间的真空区的气压取决于机械泵的抽速和 由处在常压下的离子化室进入毛细管的气流量。该区的气压为数百帕，且比 较稳定，是一个理想的分子离子碰撞解离区。改变施加在毛细管出口和锥形 分离器之间的电压可以力方便地控制碰撞能量，从而得到不同丰度的碎片离 子。CID电压通常设置50～400V之间，这样的电压设置对大多数化合物可以 产生丰度鞍较高的碎片。
二、APCI和ESI的比较
三、影响样品离子化的因素
第五章质谱法-PPT精品
④ 电喷雾电离源(ESI)
多电荷离子 测定的样品分子量大
2020/8/2
3 质量分析器
加速后离子的动能 :
(1/2)m 2= e V = [(2V)/(m/e)]1/2
在磁场存在下，带电离子按曲线轨迹飞行；
离心力 =向心力；m 2 / R= H0 e V 曲率半径： R= （m ）/ e H0
43
29 15
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m/z
40年代：高分辨率质谱仪出现，有机化合物结构分析； 60年代末：色谱-质谱联用仪出现，有机混合物分离分析； 促进天然有机化合物结构分析的发展； 同位素质谱仪；无机质谱仪；有机质谱仪；
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二、 质谱仪与质谱分析原理
mass spectrometer and mass spectrometry
molecular ion peak
分子电离一个电子形成的离子所产生的峰。 分子离子的质量与化合物的分子量相等。 有机化合物分子离子 峰的稳定性顺序： 芳香化合物＞共轭链烯＞ 烯烃＞脂环化合物＞直链 烷烃＞酮＞胺＞酯＞醚＞ 酸＞支链烷烃＞醇．
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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；有例 外,由稳定性判断。
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③ 其他类型质量分析器
双聚焦质谱仪体积大； 色谱-质谱联用仪器的发展及仪器小型化（台式）需要； 体积小的质量分析器：
四极杆质量分析器 飞行时间质量分析器 离子阱质量分析器
体积小，操作简单； 分辨率中等；
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四级杆分析器
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4 检测器
（1）电子倍增管 15～18级；可测出10-17A微弱电流；
质谱总结
第5章质谱质谱法（Mass Spectrometry, MS）是将被测物质离子化，按离子的质荷比分离，测量各种离子谱峰的强度而实现分析目的的一种分析方法。
质量是物质的固有特征之一，不同的物质有不同的质量谱——质谱，利用这一性质，可以进行定性分析（包括分子质量和相关结构信息）；谱峰强度也与它代表的化合物含量有关，可以用于定量分析。
质谱的基本知识质谱仪1. 质谱仪一般由四部分组成：进样系统——按电离方式的需要，将样品送入离子源的适当部位；离子源——用来使样品分子电离生成离子，并使生成的离子会聚成有一定能量和几何形状的离子束；质量分析器——利用电磁场（包括磁场、磁场和电场的组合、高频电场、和高频脉冲电场等）的作用将来自离子源的离子束中不同质荷比的离子按空间位置，时间先后或运动轨道稳定与否等形式进行分离；检测器——用来接受、检测和记录被分离后的离子信号。
一般情况下，进样系统将待测物在不破坏系统真空的情况下导入离子源（10-6～10-8mmHg），离子化后由质量分析器分离再检测；计算机系统对仪器进行控制、采集和处理数据，并可将质谱图与数据库中的谱图进行比较。
2. 离子源离子源的性能决定了离子化效率，很大程度上决定了质谱仪的灵敏度。
常见的离子化方式有两种：一种是样品在离子源中以气体的形式被离子化，另一种为从固体表面或溶液中溅射出带电离子。
在很多情况下进样和离子化同时进行。
（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。
离子化室压力保持在10-4～10-6mmHg。
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。
其缺点在于不适用于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。
第5章 紫外光谱 红外光谱 核磁共振和质谱
N N X
NO2
结论:紫外光谱是检测(1)共轭烯烃;(2)共轭羰基化合物 (3)芳香化合物;(4)顺反异构体构型的有力工具。
5.4.2 红移现象和蓝移现象 5.4.3 增色效应和减色效应
5.5 lmax计算规律
1. 共轭双烯lmax计算规律:
化合物 母体-C=C-C=C- or 双键(参与共轭)(扩展双键) 同环二烯 烷基(R) 环外双键 烷氧基(RO) 烷硫基(RS) 卤素(Cl,Br) lmax(nm) 217(基本值) +30 +36 +5 +5 +6 +30 +5
δ: 7.3
7 6 5 4 PPM 3
H H
H
2
1
0
去屏蔽效应使核磁信号向低场移动。
电子的各向异性效应：去屏蔽效应
例2： CH3CH3
δ:0.86
δ: 5.3
H C H
H感 H
C H
2
PPM
1
0
CH2＝CH2
H0
外加磁场
5 4
δ: 5.3
3 PPM 2 1 0
1HNMR
of CH≡CH
乙炔碳是SP杂化，电负较
如果质子的外层电子密度越大，则屏蔽越大， 质子的信号出现在高场，δ值变小。如果质子 的外层电子密度越小，则受到屏蔽越小，质子 的信号出现在低场，δ值变大。
低场 高场
δ
12
11 10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
δ
5.11.3 化学位移δ的表示
由于分子中氢所处的化学环境不同，显示不 同的吸收峰，峰与峰之间的差距，就称为化 学位移δ （chemical shift)
(完整版)质谱总结,推荐文档
第 5 章质谱质谱法（Mass Spectrometry, MS）是将被测物质离子化，按离子的质荷比分离，测量各种离子谱峰的强度而实现分析目的的一种分析方法。
质量是物质的固有特征之一，不同的物质有不同的质量谱——质谱，利用这一性质，可以进行定性分析（包括分子质量和相关结构信息）；谱峰强度也与它代表的化合物含量有关，可以用于定量分析。
5.1质谱的基本知识5.1.1质谱仪1.质谱仪一般由四部分组成：进样系统——按电离方式的需要，将样品送入离子源的适当部位；离子源——用来使样品分子电离生成离子，并使生成的离子会聚成有一定能量和几何形状的离子束；质量分析器——利用电磁场（包括磁场、磁场和电场的组合、高频电场、和高频脉冲电场等）的作用将来自离子源的离子束中不同质荷比的离子按空间位置，时间先后或运动轨道稳定与否等形式进行分离；检测器——用来接受、检测和记录被分离后的离子信号。
一般情况下，进样系统将待测物在不破坏系统真空的情况下导入离子源（10-6～10-8mmHg），离子化后由质量分析器分离再检测；计算机系统对仪器进行控制、采集和处理数据，并可将质谱图与数据库中的谱图进行比较。
2.离子源离子源的性能决定了离子化效率，很大程度上决定了质谱仪的灵敏度。
常见的离子化方式有两种：一种是样品在离子源中以气体的形式被离子化，另一种为从固体表面或溶液中溅射出带电离子。
在很多情况下进样和离子化同时进行。
（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。
离子化室压力保持在10-4～10-6mmHg。
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。
其缺点在于不适用于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。
质谱法
改变U和V并保持U/V比值一定，可 实现不同m/z离子的检测。
特点： ①四极质量分析器的突出优点是扫描速率快，几微秒 便可得到全谱，是色谱仪的理想的检测器，非常适 合色谱一质谱联用仪。也很适合于跟踪快速化学反 应等场合。 ②仅用电场而不用昂贵的磁铁，结构简单、体积小、 重量轻，操作容易，能提供最佳的性能一价格比。 ③分辨率不够高，且对高质量的离子有质量歧视效应。
§ 5-1 质谱分析原理及质谱仪 一、基本原理概述
质谱分析是将样品转化为运动的带电气态离子碎片，于磁 场中按质荷比(m/z)大小分离并记录的分析方法。其过程为可 简单描述为：
其中，z为电荷数，e为电子电荷，U为加速电压，m为碎片质量， V为电子运动速度。
二 、质谱仪性能指标
1. 质量测量范围质量测定范围以原子质量单位量度，1个原子质量单位： 1u=1.66054×10-27kg/12C原子 如12C=12u, CH4=16.xxxx u 在非精确测量中，常直接以原子或分子量大小来表示。 2. 分辨本领 指质谱仪分辨相邻质量数离子的能力。定义 为：两个相等强度的相邻峰(质量分别为m1和m2)， ( 当两峰 间的峰谷不大于峰高的10%时，则可认 为两已分开，其分辨率R为： m1 m R= = 1 m1 − m2 ∆m 可见在质量数小时，分辨率亦较小。实际工作中很难找到上述两相等 的峰，常以R=m/ W0.05 表示，其中W0.05表示峰高5%处的峰宽。R与离子 通道半径r、加速器和收集器狭缝宽度、离子源的性质和质量 等因素有关。
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 真空系统
如图所示，质谱仪中所有部分均要处于高度真空的条件 下(10-4-10-6Pa), 其作用是减少离子碰撞损失。真空度过 低，将会引起： a）大量氧会烧坏离子源灯丝； b）引起其它分子离子反应，使质谱图复杂化； c）干扰离子源正常调节； d）用作加速离子的几千伏高压会引起放电。
质谱讲课课件讲解
Agilent7500系列ICP-MS
进样系统
真空系统
离子源
质量分析器
检测器
1.气体扩散 2.直接进样 3.气相色谱
1.电子轰击 2.化学电离 3.场致电离 4.激光
1.单聚焦 2.双聚焦 3.飞行时间 4.四极杆
显示
质谱仪各部分的工作原理
1. 真空系统
质谱仪的离子产生及经过系统必须处于高真空状态（离子 源真空度应达1.3×10-4～1.3×10-5Pa，质量分析器中应达 1.3×10-6Pa）。其作用是减少离子碰撞损失。 真空度过低，将会引起： a）大量氧会烧坏离子源灯丝； b）引起其它分子离子反应，使质谱图复杂化； c）用作加速离子的几千伏高压会引起放电。
适合分析高极性、相对分子量大 难挥发、和热稳定相差的样品， 对极性化合物测定不灵敏。常用的 基质：甘油、乙二醇胺等。
1、测定质量数可以做到7000Da。 2、快速。 3、软电离方式，碎片离子少
C. 基质辅助激光解吸附离子源（MALDI）
MALDI是通过激光束照射样品与基质的共结晶而使样品分 子电离，可以解决生物大分子的离子化难题，离子化过程 与FBI有相似之处。对基质的要求是能吸收337nm紫外光并 气化，能量由基质传给样品使样品一起气化并离子化。
CH2 CH2
CH2
CH2 CH2 CH3
CH2 CH2 CH2 CH3
15 CH3
CH2 CH2 CH2 CH2 CH3
43
29 15
57
71 85 99 113 142
m/z
正癸烷
C、亚稳离子峰 若质量为m1的离子在离开离子源受电场加速后，在进
入质量分析器之前，由于碰撞等原因很容易进一步分裂失 去中性碎片而形成质量m2的离子，即
第五章：质谱法测定分子结构(二)-大分子
➢ 电喷雾法
一个很有前途的样品制备方法是电喷雾沉积法，比起传统的干点甚或薄层法， 电喷雾法的优点在于它可以形成小而均匀的结晶体。电喷雾沉积法制得样品的点 点之间重复性好，并且信号强度较大，层式的电喷雾效果更好一些。
➢ 压片法
对于不溶的高分子样品，如聚氨酯和大的多环芳香化台物，发展了一砷新的 制样方法—压片法．即将样品和基质按一定比例混合后用球磨机研磨均匀，压成 薄片进行MALDI-TOF-MS分析。
NH2
OC2H5 NN
Cl [ N N
H
OC2H5 NN
Cl [ N N
H
OC2H5 NN
HO [ N N
H
OC2H5
HN N
N
]
n
N
Cl
OC2H5
HN N
N
]
n
N
OH
OC2H5
HN N
N ]n N
OH
3、高分子混合物分析
第五章：质谱法测定分子结构
用MALDI分析不同种类的高分子混合物的文章很少．也许是因为离 子化效率的显著不同和其他一些歧视固素。例如二两种窄分布的标准品 PS10200和和PMMA9200分别溶解在THF中，以几种体积比混合，接着以 IAA为基质加甲酸钠或以蒽三酚为基质加三氟乙酸银。在第一套实验方案 中，PS和PMMA的体积比从0:1增加到199:1，基质是IAA/Na，也就是对 PMMA是最佳条件，试验结果十分令入惊奇，甚至PMMA是以0 5％的不 纯物存在干PS中，质谱图仍然是PMMA的[M＋Na]+峰为主要峰。在第二套 实验中，PS和PMMA的体积比从1:0到1:9，基质是蒽三酚/Ag．也就是PS 的最优化条件。在所有混合物实验中，PMMA是主要离子，而PS仅以相对 干PMMA为10%的峰出现，质谱图上主要是PMMA的峰。
一个很有前途的样品制备方法是电喷雾沉积法，比起传统的干点甚或薄层法， 电喷雾法的优点在于它可以形成小而均匀的结晶体。电喷雾沉积法制得样品的点 点之间重复性好，并且信号强度较大，层式的电喷雾效果更好一些。
➢ 压片法
对于不溶的高分子样品，如聚氨酯和大的多环芳香化台物，发展了一砷新的 制样方法—压片法．即将样品和基质按一定比例混合后用球磨机研磨均匀，压成 薄片进行MALDI-TOF-MS分析。
NH2
OC2H5 NN
Cl [ N N
H
OC2H5 NN
Cl [ N N
H
OC2H5 NN
HO [ N N
H
OC2H5
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]
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Cl
OC2H5
HN N
N
]
n
N
OH
OC2H5
HN N
N ]n N
OH
3、高分子混合物分析
第五章：质谱法测定分子结构
用MALDI分析不同种类的高分子混合物的文章很少．也许是因为离 子化效率的显著不同和其他一些歧视固素。例如二两种窄分布的标准品 PS10200和和PMMA9200分别溶解在THF中，以几种体积比混合，接着以 IAA为基质加甲酸钠或以蒽三酚为基质加三氟乙酸银。在第一套实验方案 中，PS和PMMA的体积比从0:1增加到199:1，基质是IAA/Na，也就是对 PMMA是最佳条件，试验结果十分令入惊奇，甚至PMMA是以0 5％的不 纯物存在干PS中，质谱图仍然是PMMA的[M＋Na]+峰为主要峰。在第二套 实验中，PS和PMMA的体积比从1:0到1:9，基质是蒽三酚/Ag．也就是PS 的最优化条件。在所有混合物实验中，PMMA是主要离子，而PS仅以相对 干PMMA为10%的峰出现，质谱图上主要是PMMA的峰。
第五章 液相色谱质谱
第五章液相色谱-质谱分析技术理论与应用第一节液相色谱—串联质谱分析技术的原理一、质谱法质谱法(Mass Spectrometry，MS)，即用电场和磁场将运动的离子（带电荷的原子、分子或分子碎片）按它们的质荷比分离后进行检测的方法。
质谱法测量的对象是必须是带电离子。
质谱法的特点：质谱不属波谱范围；谱图与电磁波的波长和分子内某种物理量的改变无关；谱是分子离子及碎片离子的质量与其相对强度的谱，谱图与分子结构有关；质谱法进样量少，灵敏度高，分析速度快；谱是唯一可以给出分子量，确定分子式的方法，而分子式的确定对化合物的结构鉴定是至关重要的。
利用质谱仪可进行同位素分析，化合物分析，气体成分分析以及金属和非金属固体样品的超纯痕量分析。
在有机混合物的分析研究中证明了质谱分析法比化学分析法和光学分析法具有更加卓越的优越性，其中有机化合物质谱分析在质谱学中占最大的比重，全世界几乎有3/4仪器从事有机分析，现在的有机质谱法，不仅可以进行小分子的分析，而且可以直接分析糖，核酸，蛋白质等生物大分子，在生物化学和生物医学上的研究成为当前的热点，生物质谱学的时代已经到来，当代研究有机化合物已经离不开质谱仪。
1、质谱法用于结构分析的流程质谱法是有机分子通过电子轰击，得到分子离子和碎片离子，通过分离、收集和记录得到样品的结构信息。
由分子结构与裂解方式的经验规律，根据分子离子和各种碎片离子的质荷比及其相对丰度，就可以进行结构分析。
具体流程如下：有机分子通过电子轰击，试样中各组分电离生成不同荷质比的离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器，利用电场和磁场使发生相反的速度色散——离子束中速度较慢的离子通过电场后偏转大，速度快的偏转小；在磁场中离子发生角速度矢量相反的偏转，即速度慢的离子依然偏转大，速度快的偏转小；当两个场的偏转作用彼此补偿时，它们的轨道便相交于一点。
与此同时，在磁场中还能发生质量的分离，这样就使具有同一质荷比而速度不同的离子聚焦在同一点上，不同质荷比的离子聚焦在不同的点上，将它们分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量。
波谱分析 第五章 3离子峰的主要类型
170.6= ( 187)2/ m1
m1 = 205
18.998405
27.976927
100
92.2
A
A+2
81Br 127I
80.916344
126.904352
49.5
100 A
丰度比计算
碎片离子中只有一种元素的两个以上的同位素：
a、b－ 分别为轻、重同位素丰度 m－ 分子中该元素原子的数目
（a+b)m = am + mam-1 b+ m(m-1)am-2 b2 /2!+ m(m-1)(m-2)am-3 b3 /3!
CH3－CH－CH3 OH
e-
CH3－CH－CH3 OH
－CH3+
CH3－CH +OH
增多侧链，有利于分子离子断裂，使分子离子峰强度减弱。 CH3 叔正碳离子 > 仲正碳离子 > 伯正碳离子 一般规律：化合物分子链越长，分子离 子峰越弱。
CH3－CH－CH3
OH
相对分子量74
(2)Ｎ规律
由Ｃ、Ｈ、Ｏ组成的有机化合物，Ｍ一定是偶数。 由Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎ组成的有机化合物，Ｎ奇数，Ｍ奇数。 由Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎ组成的有机化合物，Ｎ偶数，Ｍ偶数。 (3) 应有合理的碎片 分子离子峰与相邻峰的 质量差必须合理。即应符 合逻辑地失去中性碎片。 如 M+ . -15 (CH3)
正癸烷
C CH3 CH3
85
99 113
142 m/z
四、重排裂解离子 离子经过重排产生另外一个离子时，一般要脱离含有偶数 个电子的中性分子, 母离子与子离子的电子奇偶性不变。 质量奇偶性的变化与重排裂解前后母离子与子离子中氮原 子的变化有关。 若氮原子个数不变或失去偶数个氮原子，则母离子与子离 子质量奇偶性不变; 若失去奇数个氮原子，则质量奇偶性变化。根据离子的质 量与电子奇偶性的变化可以判断离子是否由重排产生。
第五章 质谱谱
A+2
35Cl
34.968855
75.8
A+2
17O 16.999133 0.04
37Cl
36.965896
24.2
18O 17.999160
0.2
79Br
78.918348
50.5
A+2
19F
18.998405
100
A
81Br
80.916344
49.5
28Si 27.976927 92.2
A+2
127I 126.904352 100
目前唯一可用与分析微量有机混合物的仪器精品资料联用仪器thegcmsprocesssamplesample589010degminhewlettpackardhewlettpackard5972amassselectivedetectordcbaaabbccddgaschromatographgcmassspectrometermsseparationidentificationbbaaccdd精品资料质谱的离子类型?ei质谱中的离子包括分子离子碎片离子同位素离子亚稳离子重排离子和多电荷离子等精品资料1分子离子峰有机化合物分子离子峰的稳定性顺序
相同质荷比，
入射方向不同
S1
的离子会聚；
分辨率不高
B
离子源
*
磁场
R
S2 收集器
②双聚焦分析器
方向聚焦：
相同质荷比，入射方 向不同的离子会聚；
能量聚焦：
相同质荷比，速度 (能量)不同的离子会 聚；
电场
+ -
S1 离子源
磁场
S2 收集器
质量相同，能量不同的离子通过电场和磁场时，均产生能 量色散；两种作用大小相等，方向相反时互补实现双聚焦；
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（2）渠道式电子倍增器阵列
00:50:59
质谱图
100
83
条图：
横轴－质荷比(m/e)
50
纵轴－峰的相对强度
基准峰－最强的离子峰(100%)
谱线强度与离子多少成正比。
相对丰度
55
41 98
29
69
20
40
60
80
100
m/e
表格表示：适用于定量分析。
m/e
相对丰度
15
6. 3
16
0. 07
:
:
5.1.2 质谱仪性能指标
相同质荷比，
入射方向不同
S1
的离子会聚；
分辨率不高
B
离子源
磁场
R
S2 收集器
00:50:59
②双聚焦分析器
方向聚焦：
相同质荷比，入射方 向不同的离子会聚；
能量聚焦：
相同质荷比，速度 (能量)不同的离子会 聚；
+ -
S1 离子源
磁场
S2 收集器
质量相同，能量不同的离子通过电场和磁场时，均产生能 量色散；两种作用大小相等，方向相反时互补实现双聚焦；
2、可以测定微小的质量和质量差。可以精确测定样品分子量，推测样 品的分子式、结构式。
3、灵敏度高，样品用量少。有机质谱仪绝对灵敏度可达50pg,无机质 谱仪绝对灵敏度可达10-14g.样品常用量约1mg , 极限用量只需几g。
4、分析速度快，并可实现多组分同时测定。 5、仪器设备复杂、价格昂贵、仪器操作及谱图解释需经专门训练。
第五章 质谱
主讲：牛雁宁
南京林业大学
一、概述
质谱分析法是通过对样品的质量与强度的测定,进行成分和结构分析 的方法。广泛用于有机分子结构测定,当试样极微量时,质谱几乎是唯 一能确定结构的方法。
光线(束）
色散
光源
色散元件
1、 2、 3 …
记录 按波长长短顺序排列的光谱图
离子射线
按m/z
离子源
质量分析器
1. 分辨率(R) ： 仪器分开两个相邻质量离子的能力 。 仪器刚刚分开质量为M 和 M + M 的两个质谱峰，则
R=M/M 例如：CO+和N2+， m/e 分别为27.9949和28.0061，若某仪 器能刚好分开这两种离子，则 R = M / M＝ 27.9949/（ 28.0061- 27.9949 ）≈ 2500
(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。
原理与结构
194
电子轰击源 ( EI )
电离室 原理与 结构
优点: 结构简单、得到的离子流稳定性好、电离效率高,灵敏度就 高、碎片离子多,提供的结构信息也就多,应用最广泛。
缺点: 不适合难挥发或热不稳定的样品。
一般常用10％峰谷定义
100％
R < 10000 低分辨率
R = 10000 ～30000 中分辨率
热稳定性差的样品.
④ 电喷雾离子源（ ESI） 4000v强电场中，使用强静电场电离技术使样品形成高 度荷电的雾状小液滴从而使样品分子电离。
1、质量数可达70，000Da 2、灵敏度高达femtomole级。 3、软电离，可观察生物分子非
共价反应。 4、易于和LC串联，直接分析流 速为1ml/min的LC洗脱液。 5、没有基质干扰。
而得到质谱 --- 电压扫描。
连续改变B,使不同m/z 的离子被接受 --- 磁场扫描。
优点: 结构简单、体积小、安装操作方便,广泛用于气体质谱仪和同 位素质谱仪。
缺点: 分辨率低, 只适用于分辨率要求不高的质谱仪,如果分辨率 要求高或离子的能量分散大,必须使用双聚焦分析器。
①单聚焦磁场分析器
方向聚焦；
M1、 M2、 M3、…
记录 按质量大小顺序排列的质谱图
光谱仪中，光栅（棱镜）对光束起着折射和色散作用。
质谱仪中，质量分析器对离子束起着偏转和质量色散作用。
但离子和光子的本质不同，因此质谱和光谱的作用原理不同
。
192
质谱分析法特点
1、应用范围广。 可对无机物、有机物进行分析。可做化合物结构分 析、测定分子量、同位素分析、环境监测、定性和定量化学分析等。可 对气体、液体、固体样品进行分析。
00:50:59
③ 其他类型质量分析器
双聚焦质谱仪体积大； 色谱-质谱联用仪器的发展及仪器小型化（台式）需要； 体积小的质量分析器：
四极杆质量分析器 飞行时间质量分析器 离子阱质量分析器
体积小，操作简单； 分辨率中等；
00:50:59
3. 检测器
（1）电子倍增管 15～18级；可测出10-17A微弱电流；
二、 质谱分析原理
进样系统
离子源
质量分析器
检测器
1.气体扩散 2.直接进样 3.气相色谱
1.电子轰击 2.化学电离 3.场致电离 4.激光
1.单聚焦 2.双聚焦 3.飞行时间 4.四极杆
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；
质量分析器原理
根据离子在磁场中的运动行为， 将不同质量的离子分开。
假定离子的初始动能为0，在加速电压V的作用下，加速
后离子的动能 : 1 m 2= z V
2
-离子的速度, z-离子的电荷， m-离子 的质量， V-离子的加速的电压。
离子在磁场中所受的离心力等于向心力：
z V B = m 2 / rm
② 化学电离源（Chemical Ionization，CI）:
离子室内的反应气（甲烷等；10~100Pa，样品的103~105倍 ），电子（100~240eV）轰击，产生离子，再与试样分离碰撞 ，产生准分子离子。
最强峰为准分子离子； 谱图简单； 不适用难挥发试样；
+ +
气体分子
试样分子
+ 准分子离子
电子
(M+1)+;(M+17) +;(M+29) +;
③快原子轰击离子源（Fast Atom Bombardment,FAB) 原理：使用一定能量的中性原子如：Ar-- Ar+经电场加速--电荷交换
室---高能的原子流---轰击负载于液体基质上（铜靶涂试样与底物 （甘油、硫代甘油和三乙醇胺））的样品使样品分子电离 适用范围：室温下进行，适合高极性，相对分子质量大，低蒸气压 ，
m
B2rm2
z = 2V
1.41 rm = B
m×V
z
－ 磁场质谱仪方程
194
m
B2rm2
z = 2V
பைடு நூலகம்
m-原子质量单位； B –高斯;
1.41 rm = B
m×V
z
V-伏特； rm-离子偏转半径cm
离子在磁场中的轨道半径 rm取决于： m/z、 B 、 V 。 连续改变V, 可以使不同 m/z 的离子依一定顺序通过狭缝到达检测器
00:50:59
质谱图
100
83
条图：
横轴－质荷比(m/e)
50
纵轴－峰的相对强度
基准峰－最强的离子峰(100%)
谱线强度与离子多少成正比。
相对丰度
55
41 98
29
69
20
40
60
80
100
m/e
表格表示：适用于定量分析。
m/e
相对丰度
15
6. 3
16
0. 07
:
:
5.1.2 质谱仪性能指标
相同质荷比，
入射方向不同
S1
的离子会聚；
分辨率不高
B
离子源
磁场
R
S2 收集器
00:50:59
②双聚焦分析器
方向聚焦：
相同质荷比，入射方 向不同的离子会聚；
能量聚焦：
相同质荷比，速度 (能量)不同的离子会 聚；
+ -
S1 离子源
磁场
S2 收集器
质量相同，能量不同的离子通过电场和磁场时，均产生能 量色散；两种作用大小相等，方向相反时互补实现双聚焦；
2、可以测定微小的质量和质量差。可以精确测定样品分子量，推测样 品的分子式、结构式。
3、灵敏度高，样品用量少。有机质谱仪绝对灵敏度可达50pg,无机质 谱仪绝对灵敏度可达10-14g.样品常用量约1mg , 极限用量只需几g。
4、分析速度快，并可实现多组分同时测定。 5、仪器设备复杂、价格昂贵、仪器操作及谱图解释需经专门训练。
第五章 质谱
主讲：牛雁宁
南京林业大学
一、概述
质谱分析法是通过对样品的质量与强度的测定,进行成分和结构分析 的方法。广泛用于有机分子结构测定,当试样极微量时,质谱几乎是唯 一能确定结构的方法。
光线(束）
色散
光源
色散元件
1、 2、 3 …
记录 按波长长短顺序排列的光谱图
离子射线
按m/z
离子源
质量分析器
1. 分辨率(R) ： 仪器分开两个相邻质量离子的能力 。 仪器刚刚分开质量为M 和 M + M 的两个质谱峰，则
R=M/M 例如：CO+和N2+， m/e 分别为27.9949和28.0061，若某仪 器能刚好分开这两种离子，则 R = M / M＝ 27.9949/（ 28.0061- 27.9949 ）≈ 2500
(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。
原理与结构
194
电子轰击源 ( EI )
电离室 原理与 结构
优点: 结构简单、得到的离子流稳定性好、电离效率高,灵敏度就 高、碎片离子多,提供的结构信息也就多,应用最广泛。
缺点: 不适合难挥发或热不稳定的样品。
一般常用10％峰谷定义
100％
R < 10000 低分辨率
R = 10000 ～30000 中分辨率
热稳定性差的样品.
④ 电喷雾离子源（ ESI） 4000v强电场中，使用强静电场电离技术使样品形成高 度荷电的雾状小液滴从而使样品分子电离。
1、质量数可达70，000Da 2、灵敏度高达femtomole级。 3、软电离，可观察生物分子非
共价反应。 4、易于和LC串联，直接分析流 速为1ml/min的LC洗脱液。 5、没有基质干扰。
而得到质谱 --- 电压扫描。
连续改变B,使不同m/z 的离子被接受 --- 磁场扫描。
优点: 结构简单、体积小、安装操作方便,广泛用于气体质谱仪和同 位素质谱仪。
缺点: 分辨率低, 只适用于分辨率要求不高的质谱仪,如果分辨率 要求高或离子的能量分散大,必须使用双聚焦分析器。
①单聚焦磁场分析器
方向聚焦；
M1、 M2、 M3、…
记录 按质量大小顺序排列的质谱图
光谱仪中，光栅（棱镜）对光束起着折射和色散作用。
质谱仪中，质量分析器对离子束起着偏转和质量色散作用。
但离子和光子的本质不同，因此质谱和光谱的作用原理不同
。
192
质谱分析法特点
1、应用范围广。 可对无机物、有机物进行分析。可做化合物结构分 析、测定分子量、同位素分析、环境监测、定性和定量化学分析等。可 对气体、液体、固体样品进行分析。
00:50:59
③ 其他类型质量分析器
双聚焦质谱仪体积大； 色谱-质谱联用仪器的发展及仪器小型化（台式）需要； 体积小的质量分析器：
四极杆质量分析器 飞行时间质量分析器 离子阱质量分析器
体积小，操作简单； 分辨率中等；
00:50:59
3. 检测器
（1）电子倍增管 15～18级；可测出10-17A微弱电流；
二、 质谱分析原理
进样系统
离子源
质量分析器
检测器
1.气体扩散 2.直接进样 3.气相色谱
1.电子轰击 2.化学电离 3.场致电离 4.激光
1.单聚焦 2.双聚焦 3.飞行时间 4.四极杆
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；
质量分析器原理
根据离子在磁场中的运动行为， 将不同质量的离子分开。
假定离子的初始动能为0，在加速电压V的作用下，加速
后离子的动能 : 1 m 2= z V
2
-离子的速度, z-离子的电荷， m-离子 的质量， V-离子的加速的电压。
离子在磁场中所受的离心力等于向心力：
z V B = m 2 / rm
② 化学电离源（Chemical Ionization，CI）:
离子室内的反应气（甲烷等；10~100Pa，样品的103~105倍 ），电子（100~240eV）轰击，产生离子，再与试样分离碰撞 ，产生准分子离子。
最强峰为准分子离子； 谱图简单； 不适用难挥发试样；
+ +
气体分子
试样分子
+ 准分子离子
电子
(M+1)+;(M+17) +;(M+29) +;
③快原子轰击离子源（Fast Atom Bombardment,FAB) 原理：使用一定能量的中性原子如：Ar-- Ar+经电场加速--电荷交换
室---高能的原子流---轰击负载于液体基质上（铜靶涂试样与底物 （甘油、硫代甘油和三乙醇胺））的样品使样品分子电离 适用范围：室温下进行，适合高极性，相对分子质量大，低蒸气压 ，
m
B2rm2
z = 2V
1.41 rm = B
m×V
z
－ 磁场质谱仪方程
194
m
B2rm2
z = 2V
பைடு நூலகம்
m-原子质量单位； B –高斯;
1.41 rm = B
m×V
z
V-伏特； rm-离子偏转半径cm
离子在磁场中的轨道半径 rm取决于： m/z、 B 、 V 。 连续改变V, 可以使不同 m/z 的离子依一定顺序通过狭缝到达检测器