第2章 质谱法 (Mass Spectrum

奇电子离子（odd-electron ion） 未配对的电子 是自由基， 具有较高的反应活性；
偶电子离子（even-electron ion） 不具有未配对电子的离子，相对奇电子离子较稳定。
多电荷离子（multiply-charged ion） 失掉两个以上电子的离子是多电荷离子， 测定大分子的质量



CH4
16
标称分子质量
16.0312
精确分子质量
16.0422
平均分子质量
2．分辨率
m1 m1 R m2 m1 m
其中m1、m2为质量数，且叫m1＜m2。，故在两峰 质量数较小时，要求仪器分辨率越大。
质谱仪的分辨本领由几个因素决定： （i）离子通道的半径； (ii）加速器与收集器狭缝宽度； （iii）离子源的性质。 质谱仪的分辨本领几乎决定了仪器的价格。分 辨率在 500左右的质谱仪可以满足一般有机分析的 要求，此类仪器的质量分析器一般是四极滤质器、 离子阱等，仪器价格相对较低。若要进行准确的同 位素质量及有机分子质量的准确测定，则需要使用 分辨率大于10000的高分辨率质谱仪，这类质谱仪 一般采用双聚焦磁式质量分析器。目前这种仪器分 辨率可达 100000 ，当然其价格也将会是低分辨率 仪器的4倍以上。
结构简单，操作方便，分辨率低， 只用于同位素质谱仪和气体质谱仪
(2)四极杆分析器

四根平行的棒状电极组成，相对的一对电极是等电位的
两对电极之间的电位相反，电极上加直流电压U和射频交变
电压V。

当U/V一定及场半径r固定时， 对于某一种射频频率，只有一 种 m/z 的离子可以顺利通过电 场区到达检测器，这种离子称 为共振离子。
此离子达到无场漂移管另一端的时间为
t=L/υ
故对于具有不同m／z的离子，到达终点的时间差
t L(
1
1

2
1
)
t L
( m / z )1 ( m / z ) 2 2U
TOF的特点：

适合生物大分子的测定
灵敏度高，适合于作串联质谱的第二级 扫描速度快，适于研究极快的反应过程
=1.66054×10-24g/12C原子
12
12
=1.66054×10-27kg/12C原子


平均分子质量：由平均原子质量计算（大分子的MS) 标称分子质量：自然界中最大丰度同位素的 标称原子质量计算 精确分子质量：自然界中最大丰度同位素的 精确原子质量计算 同位素的标称质量 H 1 2 C 12 13 相对丰度 100 0.016 100 1.08 精确质量 平均质量 1.0078 1.0078 2.0141 12.0000 12.011 13.0034

非共振离子在运动中撞击在圆
筒电极上被过滤掉。
（3）飞行时间分析器（Time of Flight，TOF）

离子漂移管 离子源中的离子经加速电压加速，进入漂移管， m/z不同的离子在管中漂移时间不同 m/z最小的离子具有最快的速度，到达检测器， m/z最大的离子则最后达到检测器。
2Uze 2 ( ) m
2．碎片离子峰
分子离子产生后可能具有较高的能量，将会 通过进一步碎裂或重然而释放能量，碎裂后产生 的离子形成的峰称为碎片离子峰。
广义：包含由分子离子破裂而产生的一切离子； 狭义：指由简单断裂产生的离子。
3、亚稳离子峰metastable ion
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为m2的离子，即 m1→m2+Δm，由于一部分能量被中性碎片带走， 此时的m2离子比在离子源中形成的m2离子能量小， 故将在磁场中产生更大偏转，观察到的m／z较小。 这种峰称为亚稳离子峰，用m*表示
CI源用能量较低的二次离子作用于样品 获得准分子离子峰 碎片离子减少 没有标准质谱图，不能进行库检索

EI源和CI源主要用于GC/MS联用仪
2.1.4 离子的分离方法（质量分析器
主要类型有 磁分析器 飞行时间分析器 四极滤质器 离子捕获分析器 离子回旋共振分析器。
）
（l）磁分析器
广泛用于



GC/MS
LC/MS
MALDI-TOF基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱仪
（4）离子阱质量分析器
2.1.5 检测与记录 电子倍增管
2.1.6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：l．3×10-4～l．3×10-5Pa 质量分析器：l．3×10-6Pa） 若真空度过低，则会造成离子源灯丝损坏、本底增高、从而 使图谱复杂化，干扰离子源的调节、加速极放电等问题。 一般质谱仪都采用机械泵预抽真空后，再用高效率扩散泵连 续地运行以保持真空。现代质谱仪采用分子泵可获得更高的 真空度。
亚稳离子所提供的信息 1）有机质谱反应的机理 2）离子的结构 3）结构单元的连接顺序
4.
重排离子峰 rearrangement ion
它是经重排反应产生的离子，其结ic ion） 当元素具有非单一的同位素组成时，电离 过程产生同位素离子。同位素离子构成同 位素离子峰簇（cluster）。
3．灵敏度和精度
绝对灵敏度---仪器可以检测到的最小样品量 相对灵敏度----仪器可以同时检测的大组分 与 小组分含量之比 分析灵敏度---输入仪器的样品量与仪器输出 的信号之比。 精度：质量测定的精确程度
2.1.8 质谱术语及质谱中的离子 （－）质谱图与质谱表
（二）离子的主要类型 1.分子离子（molecular ion）
第2章 质谱
（Mass Spectrometry ,MS）

质谱法是分离和记录离子化的原子或分子的方法, 有同位素质谱，无机质谱和有机质谱三个分支;
能准确地测定有机物的分子量， 提供分子式和其他结构信息； 灵敏度远高于其他结构分析方法，(如红外光谱， 核磁共振谱等).


应用:有机化学，药物学，食品化学，燃烧化学， 地球化学，毒物学;
由样品分子电离而产生的，标为 ， + M. “+”表示有机物分子因已失去一个电子而电离， “· ”表示有机物分子的成对电子因失去一个而剩下一个未 配对电子 分子离子是一个游离基离子。 分子离子的质荷比数值就是该化合物的分子量。
分子离子具有较高的内能，会碎裂（fragmentation）而产 生广义的碎片离子
它的表观质量m*与m1、m2的关系是：
m*＝（m2）2/m1
式中m1为母离子的质量，m2为子离子的质量。
亚稳离子峰m*特点 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
亚稳离子峰m*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。
近二十年来,“软电离”技术成功地实现了蛋白 质、核酸、多糖、多肽等生物大分子准确分子量 测定以及多肽和蛋白质中氨基酸序列的测定。

以某种方式使有机分子电离，破碎，然后按离子的质荷比 （m/z）大小把生成的各种离子分离，检测它们的强度，并将 其排列成谱,称为质谱;离子按其质荷比大小排列而成的谱图则 称作质谱图（Mass Spectrum）
2.2 分子离子峰的应用-相对分子质量的测定
识别分子离子峰 （l）原则上除同位素峰外它是最高质量的峰 （2）它要符合“氮律” 在只含C，H，0，N的化合物中，不含或含偶数个氮原子的分子 的质量数为偶数，含有奇数个氮原子的分子的质量数为奇数。 （3）存在合理的中性碎片损失。 合理的中性碎片的丢失，是判断分子离子峰的最重要依据 （ 4 ）在 EI 源中，若降低电子轰击电压，则分子离子峰的相对 强度应增加；若不增加则不是分子离子峰。
离子化所需要的能量随分子不同差异很大，对于不同 的分子应选择不同的离解方法 各种离子源的基本特征
（l）电子轰击源
用高能电子束从试样分子中撞出一个电子而产生正离 子，即 M＋e → M+＋2e 若产生的分子离子带有较大的内能（转动能、振动能 和电子跃迁能），则发生化学键断裂形成碎片离子， M+1 → M+3 M+ M+2 → M+4 式中M+1，M+2…为较低质量的离子
优点： 重现性好， 灵敏度高， 碎片离子提供丰富的结构信息 有标准质谱图，可以进行库检索

缺点： 只适用能气化的有机样品 某些化合物得不到分子离子峰

（2）化学电离源 化学电离法是通过离子一分子反应来进行，而不是 用强电子束进行电离。
离子（为区别于其他离子，称为试剂离子）与试样 分子进行反应，转移一个质子给试样或由试样移去 一个H+或电子，试样则变成带M+1电荷的离子。
化学电离源一般在 1.3×102～1.3×103Pa压强下工 作（现已发展出大气压下化学电离技术），其中充 满 CH4，首先用高能电子进行电离产生CH5+和 C2H5+，即
CH4 ＋ e→ CH4+·＋2e CH4+·→ CH3+ + H· CH4+和CH3+很快与大量存在的CH4分子起反应，即 CH4+·＋ CH4 → CH5+ ＋ CH3· CH3+＋ CH4→ C2H5+＋ H2 CH5+和C2H5+不与中性甲烷进一步反应，一旦少量样品（试 样与甲烷之比为1:1000）导入离子源，试样分子（SH）发生 下列反应： CH5+＋ SH → SH2+＋ CH4 C2H5+＋ SH → S+ ＋ C2H6。 SH2+和S+然后可能碎裂，产生质谱。由(<M十H)或(M-H)离子 很容易测得其相对分子质量. 化学电离法可以大大简化质谱，若采用酸性比 CH 5 + 更弱的 C4H9+（由异丁烷）、NH4+（由氨）、H30+（由水）的试剂离 子则可更进一步简化。
2.1.7 质谱仪的主要性能指标
1．质量测定范围 （可以测定的分子量范围） 质量范围的大小取决于质量分析器 四级杆分析器1000左右 TOF可达几十万 质谱仪测量以原子质量单位（u)表示的化合物的相对分子质量Mr
1 12.00000 g C / m ol C 1u ( ） 23 12 12 12 6.02214 10 C原子 / m ol C
2.3 同位素离子峰的应用
分子量的测定 （1）同位素离子峰法 例如： CH4
12C+1H×4=16
M 13C+1H×4=17 M+1 12C+2H+1H×3=17 M+1 13C+2H+1H×3=18 M+2
……
在一般有机分子鉴定时，可以通过同位素峰的统计分布来 确定其元素组成，分子离子的同位素离子峰相对强度之比总 是符合统计规律的。 如在 CH 4 质谱中，有分子离子峰 m ／ z=17 、 16 ，而其相对强 度之比I17／I16=0.011 而在丁烷中，出现一个13C的几率是甲烷的4倍，则分子离子 峰m／z=59、58的强度之比I59／I58 =0.044 在丁烷中出现M+2(m/z=60)同位素峰的几率为0.00024，即 I60 /I58 ＝0 ．00O24 ，非常小，故在丁烷质谱中一般看不到 (M ＋2)+峰。 在其他元素存在时也有同样的规律性，如在CH3Cl、 C2H5Cl等分子中IM＋2／IM =32.5%,而在含有一个溴原子的化合 物中(M+2)+峰的相对强度几乎与M+峰的相等。
直接探针进样
色谱进样系统
（l）可控漏孔进样系统
用于气体或挥发性液体样品
（2）直接探针进样
固体或高沸点样品
2.1.3 离子的产生方法（离子源 ）
将进样系统引入的气态样品分子转化成离子
离子源是质谱仪的心脏,可以将离子源看作是比较高 级的反应器，其中样品发生一系列的特征降解反应， 分解作用在很短时间（～1μs）内发生，所以可以快 速获得质谱。
假设m/z离子的初始动能为0， 在加速电压U的作用下离子的动能 :
1 zU m 2 2
离子在磁场强度为B的磁场中改做圆周 运动，其离心力=磁场力 r-轨道半径
m 2 Bz r
m B 2r 2 z 2U

单聚焦分析器可以是180°或90°或其他角度，形状像一把 扇子，又称为磁扇形分析器

表示形式: 质谱图或质谱表格
C9H20 mol. wt. = 128
离子质荷比（m/z） 相对强度（%）离子质荷比（m/z） 相对强度（%）
43 57
29 15
71 85 99113 128
2.1 质谱基本原理
2.1.1质谱仪结构
用于检测有机化合物质谱的仪器叫做质谱计
2.1.2 进样系统
高效重复地将样品引入到离子源中 不能造成真空度的降低。 常用的进样装置有三种类型 间歇式进样系统