第五章質(zhì)譜分析MassSpectroscopy，MS第五章質(zhì)譜分析MassSpectroscopy，MS原理概述

利用高速電子撞擊氣態(tài)試樣分子，生成各種碎片離子，帶正電荷的碎片離子在磁場及靜電場的作用下，按質(zhì)荷比m/z的大小順序分離，依次到達檢測器，記錄成按質(zhì)荷比順序排列的質(zhì)譜圖，根據(jù)質(zhì)譜峰的位置可進行定性分析和結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)質(zhì)譜峰的強度可進行定量分析。MS原理概述利用高速電子撞擊氣態(tài)試樣分子，生成各進樣系統(tǒng)離子源質(zhì)量分析器檢測器1.氣體擴散2.直接進樣3.氣相色譜1.電子轟擊2.化學電離3.場致電離4.場解析5.快原子轟擊6.高頻火花7.激光

1.單聚焦2.雙聚焦3.四極桿4.離子阱5.飛行時間質(zhì)譜儀需要在高真空下工作：離子源（10-310-5Pa

）

質(zhì)量分析器（10-6Pa

）5.1質(zhì)譜分析原理進樣系統(tǒng)離子源質(zhì)量分析器檢測器1.氣體擴散1.電子轟擊1.單5.2質(zhì)譜儀進樣系統(tǒng)離子源質(zhì)量分析器檢測器5.2質(zhì)譜儀進樣系統(tǒng)離子源質(zhì)量分析器檢測器5.2.1

真空系統(tǒng)質(zhì)譜儀的離子源、質(zhì)量分析器必須處于高真空狀態(tài)，若真空度低，則：（1）大量氧會燒壞離子源的燈絲；（2）會使本底增高，干擾質(zhì)譜圖；（3）引起額外的離子－分子反應，改變裂解模型，使質(zhì)譜解釋復雜化；（4）干擾離子源中電子束的正常調(diào)節(jié)；（5）用作加速離子的幾千伏高壓會引起放電；等等。通常用機械泵預抽真空，然后用擴散泵高效并連續(xù)地抽氣。

5.2.1真空系統(tǒng)5.2.2

進樣系統(tǒng)

進樣系統(tǒng)的作用是將試樣轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，然后送進電離室。

對于有機化合物的分析，目前較多采用色譜——質(zhì)譜聯(lián)用，此時試樣經(jīng)色譜柱分離后，經(jīng)分子分離器進入質(zhì)譜儀的離子源。

5.2.2進樣系統(tǒng)

進樣系統(tǒng)的作用是將試樣轉(zhuǎn)化為電離室原理與結(jié)構(gòu)儀器原理圖5.2.3電離室（離子源）電離室原理與結(jié)構(gòu)儀器原理圖5.2.3電離室（離子源）電子轟擊離子源電子轟擊離子源化學電離源

在離子源內(nèi)充滿一定壓強的反應氣體，如甲烷、異丁烷、氨氣等，用高能量的電子（100eV）轟擊反應氣體使之電離、電離后的反應分子再與試樣分子碰撞發(fā)生分子離子反應，形成準分子離子QM+（quasi-molecularion）（M＋1）+，（M－1）+，（M＋17）+，（M＋29）+和少數(shù)碎片離子。

化學電離源在離子源內(nèi)充滿一定壓強的反應氣d＜1mm7000～10000V場致電離源d＜1mm7000～10000V場致電離源波普分析課件(二)質(zhì)譜場解析電離源（試樣不需氣化）

將液體或固體試樣溶解在適當?shù)娜軇┲?，并滴加在特制的FD發(fā)射絲上，發(fā)射絲由直徑約10μm的鎢絲及在絲上用真空活化的方法制成的微針形碳刷組成。發(fā)射絲通電加熱使其上的試樣分子解析下來并在發(fā)射絲附近的高壓靜電場（電場梯度為107～108V·cm-1）的作用下被電離形成分子離子，其電離原理與場致相同。

場解析電離源（試樣不需氣化）將液體或固體快原子轟擊離子源

通常是將惰性氣體元素氬先電離成Ar+離子，在經(jīng)電場加速，使之具有很高的動能，然后通過一電荷交換室使氬高能離子被中和成高能的中性原子流。在離子源內(nèi)轟擊試樣分子，此時與試樣分子發(fā)生能量交換并使試樣分子電離和濺射出來生成離子流。利用FAB源得到的質(zhì)譜，不僅有較強的分子離子峰，而且有較豐富的結(jié)構(gòu)信息?？煸愚Z擊離子源通常是將惰性氣體元素氬先5.2.4

質(zhì)量分析法質(zhì)量分析器又稱為離子分離器。質(zhì)量分析器內(nèi)主要為一電磁鐵，自離子源發(fā)生的離子束在加速電極電場（800～8000V）的作用下，使質(zhì)量m的正離子獲得v的速度，以直線方向（n）運動其動能為：

zU＝1/2mv2

式中，z為離子電荷數(shù)，U為加速電壓。5.2.4質(zhì)量分析法zU＝1/2mv2Hzv＝mv2/RzU＝1/2mv2Hzv＝mv2/R

當此具有一定動能的正離子進入垂直于離子速度方向的均勻磁場（質(zhì)量分析器）時，正離子在磁場力（洛侖茲力）的作用下，將改變運動方向作圓周運動（半徑為R，則運動離心力mv2/R必然和磁場力Hzv相等：

Hzv＝mv2/R

式中H為磁場強度。

當此具有一定動能的正離子進入垂直于離子速度方向的

合并式上兩式，可得質(zhì)譜方程式：

m/z=H2R2/2U

可見，R與m/z、H、U有關(guān)。

若H、R固定，m/z∝l/U，只要連續(xù)改變加速電壓（電壓掃描）；或U，R固定，m/z∝H2，連續(xù)改變H（磁場掃描），就可使具有不同m/z的離子順序到達檢測器發(fā)生信號而得到質(zhì)譜圖。

合并式上兩式，可得質(zhì)譜方程式：

zU＝1/2mv2Hzv＝mv2/RzU＝1/2mv2Hzv＝mv2/R5.2.5

離子檢測器

經(jīng)過質(zhì)量分析器后的離子，到達檢測系統(tǒng)進行檢測。常以電子倍增器（electromultplier）檢測離子流。5.2.5離子檢測器

經(jīng)過質(zhì)量分析器后的離子，到5.3雙聚焦質(zhì)譜儀5.3雙聚焦質(zhì)譜儀5.4四極濾質(zhì)器、離子阱質(zhì)譜計及飛行時間質(zhì)譜計

上述儀器，在質(zhì)譜學中都屬于靜態(tài)儀

器。其電場、磁場、離子軌道半徑等在不

同時間內(nèi)都是穩(wěn)定的，隨時間而改變電場

（電壓掃描）或磁場（磁場掃描），是為

了連續(xù)記錄質(zhì)譜，不是質(zhì)量分離原理所必需。5.4四極濾質(zhì)器、離子阱質(zhì)譜計及飛行時間質(zhì)譜計

質(zhì)譜的另一類型儀器是所謂動態(tài)儀器，采用了隨時間而周期變化的電場（有的同時使用靜態(tài)磁場），以實現(xiàn)質(zhì)量分離，下面主要包括其中3種儀器：

四極濾質(zhì)器（quadrupolemassfilter）

離子阱質(zhì)譜計（iontrap）

飛行時間質(zhì)譜計（timeofflightspectromter，TOF－MS）

質(zhì)譜的另一類型儀器是所謂動態(tài)儀器，采用了隨時間而周期四極濾質(zhì)器四極濾質(zhì)器波普分析課件(二)質(zhì)譜波普分析課件(二)質(zhì)譜波普分析課件(二)質(zhì)譜波普分析課件(二)質(zhì)譜離子阱質(zhì)譜計離子阱質(zhì)譜計飛行時間質(zhì)譜計飛行時間質(zhì)譜計若忽略離子（質(zhì)量為m）的初始能量，根據(jù)式（12－l）可以認為離子動能為：

由此可寫出離子速度：

離子飛行長度為L的漂移空間所需時間t=L/v，故可得若忽略離子（質(zhì)量為m）的初始能量，根據(jù)式（12－l）可以認為5.5質(zhì)譜圖與離子峰（P363）5.5.1質(zhì)譜圖原始質(zhì)譜圖上豐度最大的離子峰稱為基峰，將基峰的豐度規(guī)定為100%，其他離子峰的豐度以相對于基峰的百分率來表示，稱為相對豐度。基峰5.5質(zhì)譜圖與離子峰（P363）基峰5.5.2主要離子峰的類型當氣體或蒸氣分子（原子）進入離子源（例如電子轟擊離子源）時，受到電子轟擊而形成各種類型的離子。以A，B，C，D四種原子組成的有機化合物分子為例，它在離子源中可能發(fā)生下列過程：5.5.2主要離子峰的類型波普分析課件(二)質(zhì)譜①分子離子峰：分子失去電子形成帶正電荷的陽離子ABCD+

，稱為分子離子，質(zhì)譜圖中相應的峰稱為分子離子峰或母峰。

分子離子峰是除同位素峰之外，質(zhì)量數(shù)最大的質(zhì)譜峰，據(jù)此可準確測定未知物的相對分子質(zhì)量。

①分子離子峰：分子失去電子形成帶正電荷的陽離子ABCD+，

對于有機物，雜原子上未共用電子（n電子）最易失去，其次是π電子，再其次是σ電子。

對于有機物，雜原子上未共用電子（n電子）最易失波普分析課件(二)質(zhì)譜②同位素離子峰：由于同位素的存在，質(zhì)譜圖中就會出現(xiàn)不同質(zhì)量數(shù)的同位素形成的峰，稱為同位素離子峰。同位素離子峰的豐度比，與同位素在自然界的豐度比是相當?shù)摹＠猛凰仉x子峰可以判斷化合物中是否含有某種元素。通過測定質(zhì)譜圖上同位素離子峰與分子離子峰的豐度比，可以推斷化合物的分子式。②同位素離子峰：由于同位素的存在，質(zhì)譜圖中就會出現(xiàn)不同質(zhì)量數(shù)波普分析課件(二)質(zhì)譜③碎片離子峰：當轟擊電子的能量超過分子電離所需的能量時，原子之間的化學鍵會斷裂，形成碎片，帶有正電荷的碎片進入離子檢測器，在質(zhì)譜圖上出現(xiàn)許多碎片離子峰。

碎片離子的形成和化學鍵的斷裂與分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，利用碎片峰可協(xié)助闡明分子的結(jié)構(gòu)。③碎片離子峰：當轟擊電子的能量超過分子電離所需的能量時，原子④重排離子峰：在分子中有兩個或兩個以上的鍵斷裂時，分子內(nèi)原子或原子基團發(fā)生重排，某些原子或基團從分子或離子中的一個位置轉(zhuǎn)移到另一個位置所生成的離子，稱為重排離子，質(zhì)譜圖上相應的峰稱為重排離子峰。

重排離子峰的形成和化學鍵的斷裂與分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，利用碎片峰可協(xié)助闡明分子的結(jié)構(gòu)。④重排離子峰：在分子中有兩個或兩個以上的鍵斷裂時，分子內(nèi)原子⑤亞穩(wěn)離子峰：在電離、裂解、重排過程中的產(chǎn)生的離子，有一部分處于亞穩(wěn)態(tài)，它們有可能進一步發(fā)生裂解，部分亞穩(wěn)態(tài)離子進入離子檢測器，形成亞穩(wěn)離子峰。亞穩(wěn)離子峰鈍而小，一般要跨2～5個質(zhì)量單位，其質(zhì)荷比通常不是整數(shù)，故可利用這些特征加以區(qū)別。

亞穩(wěn)離子峰的形成和化學鍵的斷裂與分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，利用碎片峰可協(xié)助闡明分子的結(jié)構(gòu)。⑤亞穩(wěn)離子峰：在電離、裂解、重排過程中的產(chǎn)生的離子，有一部分

亞穩(wěn)離子的質(zhì)量用m＊表示，以區(qū)別于正常情況下產(chǎn)生的m2+。m1和m2和m＊有如下關(guān)系：

亞穩(wěn)離子的質(zhì)量用m＊表示，以區(qū)別于正常情況下波普分析課件(二)質(zhì)譜⑥兩價離子峰

分子受到電子轟擊，可能失去兩個電子而形成兩價離子M2+。在有機化合物的質(zhì)譜中，M2+是雜環(huán)、芳環(huán)和高度不飽和化合物的特征，可供結(jié)構(gòu)分析參考。

⑥兩價離子峰

分子受到電子轟擊，可能失去兩個電子而形⑦離子分子反應

在離子源壓強較高的條件下，正離子可能與中性碎片進行碰撞而發(fā)生離子分子反應，形成大于原來分子的離子。但離子源處于高真空時，此反應可忽略。

⑦離子分子反應

在離子源壓強較高的條件下，正離子可能舉例舉例分子離子分子離子碎片離子碎片離子波普分析課件(二)質(zhì)譜重排后裂解重排后裂解5.6有機質(zhì)譜中裂解反映機理及影響因素5.6.1裂解的表示方法（1）均裂：一個單鍵（σ鍵）斷裂，構(gòu)成該鍵的兩個電子回到原來提供電子的原子上，生成兩個自由基。5.6有機質(zhì)譜中裂解反映機理及影響因素5.6.1裂解例如異丙醇裂解：波普分析課件(二)質(zhì)譜（2）異裂（非均裂）：σ鍵的兩個電子向同一方向移動。例如苯甲酸裂解：（2）異裂（非均裂）：σ鍵的兩個電子向同一方向移動。（3）半異裂：已電離的σ鍵的裂解，一個電子轉(zhuǎn)移到碎片上成為自由基，另一碎片成為陽離子。例如：（3）半異裂：已電離的σ鍵的裂解，一個5.6.2離子的裂解類型（1）在分子離子中，雜原子上未共用電子（n電子）最易失去，其次是π電子，再其次是σ電子。例如：進一步碎裂：5.6.2離子的裂解類型（2）自由基中心引發(fā)的反應（α斷裂）:在奇電子離子（OE.+）中定域的自由基位置有強烈的電子配對傾向，它提供孤電子與毗鄰（α位置）原子上的電子形成新鍵，導致α原子的另一個斷裂，又稱為均裂。例如：（2）自由基中心引發(fā)的反應（α斷裂）:在烯烴的α斷裂：芳烴的α斷裂：波普分析課件(二)質(zhì)譜乙苯的質(zhì)譜圖乙苯的質(zhì)譜圖波普分析課件(二)質(zhì)譜波普分析課件(二)質(zhì)譜

在同一分子離子或碎片離子上，以同一碎裂機制（α斷裂）進行反應時，若有好幾個位置，α斷裂傾向于失去較大的烷基。例如2-丁醇。在同一分子離子或碎片離子上，以同

當分子中含有幾種雜原子時，這些雜原子提供電子形成新鍵的能力隨其電負性的增加而減小，即N>S>O>Cl。當分子中含有幾種雜原子時，這些雜原（3）正電荷中心引發(fā)的反應（i誘導斷裂）：在奇電子離子（OE.+）或偶電子離子（EE+）中，正電荷的誘導效應吸引某個鍵的一對電子導致該鍵斷裂，又稱異裂。（3）正電荷中心引發(fā)的反應（i誘導斷裂）例如

原則上，誘導效應隨原子的電負性降低而遞減，即鹵素>O、S?N、C；但斷裂過程迫使正電荷位置轉(zhuǎn)移，有利于生成穩(wěn)定的碎片離子。例如

i誘導斷裂與α斷裂是互相競爭的反應。一般來說，i誘導斷裂的重要性小于α斷裂根據(jù)兩者的斷裂順序：含N的化合物一般發(fā)生α斷裂；含鹵素的化合物易發(fā)生i誘導斷裂。例如：i誘導斷裂與α斷裂是互相競爭的反（4）σ斷裂：已被電離的單電子的σ發(fā)生裂解的過程，又稱半異裂。例如：

在正烷烴中所有C-C鍵以同等幾率被電離，自由基位置不定域，產(chǎn)物離子還可發(fā)生σ斷裂，并可經(jīng)重排生成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)C3H7+、

C4H9+的體系，在譜圖上出現(xiàn)CnH2n±1+特征峰系列，強度隨碳數(shù)增加而遞減，其中以m/z43或(m/z57)為最強峰。（4）σ斷裂：已被電離的單電子的σ發(fā)生波普分析課件(二)質(zhì)譜

異構(gòu)烷烴的支鍵烷基存在摧電子的誘導效應，在分支部位的鍵極化強度大，支鏈越多越長，極化度越大，電離時越容易失去電子。因此在質(zhì)譜中出現(xiàn)的特征峰，可確定支鏈的位置和大小。異構(gòu)烷烴的支鍵烷基存在摧電子的誘導以上由分子離子M.+（一定是OE.+

）通過α斷裂、i誘導斷裂與σ斷裂，斷開一個鍵而形成初級碎片離子的過程如下：可見初級碎片離子都是偶電子離子。以上由分子離子M.+（一定是OE.+）（５）氫重排（γH）過程：由自由基中心引發(fā)，自由基通過空間向分子的某個部位攻擊，通過六圓環(huán)過渡態(tài)，發(fā)生兩個鍵的斷裂，脫去中性分子同時發(fā)生氫重排的過程。①麥氏（Mclafferty）重排凡是在化合物中有不飽和基團及γ-位置上的氫原子，都能發(fā)生麥氏重排，它是質(zhì)譜中最重要的斷裂方式之一。（５）氫重排（γH）過程：由自由基中其通式為：可發(fā)生麥氏重排的化合物有醛、酮、羧酸、酯、烯烴、芳烴、芳醚、酰胺、腈、磷酸酯、亞硫酸酯、環(huán)氧化物、肟、腙等。其通式為：波普分析課件(二)質(zhì)譜其產(chǎn)物離子如繼續(xù)滿足麥氏重排結(jié)構(gòu)的要求，還可能發(fā)生連串重排：其產(chǎn)物離子如繼續(xù)滿足麥氏重排結(jié)構(gòu)的②氫重排到飽和的雜原子上并伴隨鄰鍵斷裂式中X=OH、SH、F、Cl等，n=0、1、2、3。不同化合物各有最佳n值。例如：②氫重排到飽和的雜原子上并伴隨鄰鍵斷裂③雙氫重排（麥氏+1重排）首先由自由基中心引發(fā)重排，然后正電荷中心引發(fā)重排而產(chǎn)生，是酯和具有類似官能團化合物的特征分解反應，提供酯、硫酯、酰胺和磷酸酯的特征峰。③雙氫重排（麥氏+1重排）波普分析課件(二)質(zhì)譜

氫重排在機質(zhì)譜中較為普遍，可以通過自由基引發(fā)，也可以通過正電荷引發(fā)。例如：β氫重排在機質(zhì)譜中較為普遍，可以通過β（6）置換反應（γd過程）是離子內(nèi)部的兩部分（其中一部分常常是自由基中心）互相作用形成新鍵，同時另一部分鍵斷裂而失去。是非氫重排。（6）置換反應（γd過程）例如例如（7）消除反應（γC過程）離子發(fā)生兩個鍵的斷裂而消除離子的中段碎片，也是非氫重排。對于A為H的化合物，這個反應就是氫重排。而非氫重排消除反應中，某些類型A基團具有很強的遷移優(yōu)勢，通常消除的是小而穩(wěn)定的中性碎片BC，而新AD+離子穩(wěn)定性明顯超過原離子。（7）消除反應（γC過程）例如例如5.7影響離子裂解的因素5.7.1反應產(chǎn)物的穩(wěn)定性（1）生成穩(wěn)定的正離子①

10%

90%5.7影響離子裂解的因素②碳正離子中穩(wěn)定性順序為：叔>仲>伯。②碳正離子中穩(wěn)定性順序為：叔>仲>伯。③生成具有共振結(jié)構(gòu)的正離子例如③生成具有共振結(jié)構(gòu)的正離子④雜原子中穩(wěn)定正電荷的次序為：N>S>O>Cl。例如④雜原子中穩(wěn)定正電荷的次序為：N>S>O>Cl。例如（2）生成中性小分子例如H2O、H2S、NH3、CH2COOH、CH3OH、CH2=C=O、COHCN等。（2）生成中性小分子5.7.2鍵的穩(wěn)定性當產(chǎn)物離子有相近的穩(wěn)定性時，鍵的穩(wěn)定性成為決定裂解方向的重要因素。例如5.7.2鍵的穩(wěn)定性5.7.3最大烷基自由基的丟失適用于α斷裂反應：5.7.3最大烷基自由基的丟失5.7.4空間因素5.7.4空間因素5.8常見各類有機化合物的質(zhì)譜裂解反應5.8.1烷烴類烷烴的裂解途徑主要是σ-斷裂：（1）直鏈烷烴的分子離子峰較低，隨碳鏈增加，至接近于0。主要峰之間間隔14（CH2）原子質(zhì)量單位，形成3CnH2n+1+峰系列。在各主要峰左邊有失去氫原子后的CnH2n和CnH2n-1峰，右邊伴有同位素峰，從而組成各個峰族。強度最大的離子在C3和C4處，然后碎片離子強度呈平滑曲線下滑，直至分子離子峰。5.8常見各類有機化合物的質(zhì)譜裂解反應5.8.1烷烴波普分析課件(二)質(zhì)譜（2）支鏈烷烴在支鏈分叉處的鍵受到側(cè)鏈烴基推電子誘導效應的作用，使鍵的極化度增加，容易斷裂。又由于烴基的推電子誘導效應隨烴烷基鏈的增大而增大，相應鍵的極化度增大，除在分叉處的鍵更容易斷裂外，還優(yōu)先失去較大的烷基。碳正離子中穩(wěn)定性順序為：R3C+>R2CH+>RCH2+>CH3+。（2）支鏈烷烴例如，4-甲基十一烷質(zhì)譜例如，4-甲基十一烷質(zhì)譜（3）環(huán)烷烴斷裂2個σ鍵，才能使環(huán)破裂成碎片離子。例如帶有側(cè)鏈的環(huán)烷烴易失去側(cè)鏈，形成穩(wěn)定的仲正碳離子。（3）環(huán)烷烴5.8.2烯烴類（1）自由基引發(fā)的α-斷裂（烯丙基裂解）（2）有γ-H存在可發(fā)生麥氏重排5.8.2烯烴類（3）環(huán)烯烴可發(fā)生逆-DiersAlder（RDA）裂解和氫重排（3）環(huán)烯烴可發(fā)生逆-DiersAlder例如例如5.8.3芳烴類

分子離子峰強度很大。（1）側(cè)鏈容易發(fā)生α-斷裂（芐基裂解）Z為烷基或雜原子?？芍鸺墎G失乙炔分子，形成m/z為39、51、65……等系列離子，所以m/z為39、51、65、77、91、105等是表征芳環(huán)的特征系列離子。5.8.3芳烴類（2）側(cè)鏈上的基團也容易發(fā)生σ-斷裂而失去側(cè)鏈。（3）如在側(cè)鏈上有γ-H存在可發(fā)生麥氏重排（2）側(cè)鏈上的基團也容易發(fā)生σ-斷裂（4）具有鄰位二取代的芳香化合物可發(fā)生“鄰位效應”，脫掉中性碎片。（5）逆-DiersAlder（RDA）裂解（4）具有鄰位二取代的芳香化合物可發(fā)5.8.4醇類

伯醇、仲醇分子離子峰很小，叔醇的分子離子峰測不出。（1）醇的分子離子極易發(fā)生α-斷裂，并優(yōu)先丟失較大烷基R基團。例如5.8.4醇類ββββC2H5ββββC2H5波普分析課件(二)質(zhì)譜（2）脫水（失去中性小分子）1,4－脫水產(chǎn)物可按下列方式進一步裂解：（2）脫水（失去中性小分子）（3）脂環(huán)醇可發(fā)生復雜的裂解。以2-甲基環(huán)乙醇為例：（3）脂環(huán)醇可發(fā)生復雜的裂解。波普分析課件(二)質(zhì)譜5.8.5酚類酚類分子具有穩(wěn)定的苯環(huán)，分子離子峰很強，（M-1）峰很小。在甲酚中因為芐基C-H鍵很易斷裂，所以（M-1）峰比分子離子峰還大。（1）常發(fā)生（M-CO）.+奇電子離子峰的裂解，并伴有（M-HCO）+峰的裂解形成（M-28）和（M-29）峰：5.8.5酚類（2）甲酚、多元酚等的裂解反應：其中尤其當甲基在酚羥基的鄰位時，由于“鄰位效應”而失去水產(chǎn)生（M-18）.+峰：（2）甲酚、多元酚等的裂解反應：其中5.8.6醛酮類

芳香醛、酮或脂肪醛、酮都有明顯的分子離子峰。脂肪醛、酮的分子離子峰隨分子量增加迅速下降。（1）α－斷裂：（2）麥氏重排：5.8.6醛酮類（3）環(huán)酮發(fā)生復雜的斷裂：（4）芳醛發(fā)生如下斷裂：（3）環(huán)酮發(fā)生復雜的斷裂：（5）芳酮主要發(fā)生α-斷裂：5.8.7羧酸及酯類脂肪一元羧酸有很弱但能測到的分子離子峰，強度隨分子量增加而降低，與羧基共軛的雙鍵越多，分子離子峰越強。芳香酸及酯類分子離子峰強。（1）α-斷裂與i誘導斷裂同時存在：（5）芳酮主要發(fā)生α-斷裂：波普分析課件(二)質(zhì)譜（2）有γ-H存在可發(fā)生麥氏重排（3）某些酯可發(fā)生雙氫重排（2）有γ-H存在可發(fā)生麥氏重排5.8.8胺類

脂肪胺分子離子峰通常很弱，環(huán)胺與芳胺分子離子峰較強。（1）α-斷裂是胺類占優(yōu)勢的反應，當α位有不止一個取代基時，就優(yōu)先丟失較大的烷基基團，并伴有氫重排。5.8.8胺類（2）對于正烷基伯胺可發(fā)生γd反應，得到最大的峰是m/z86:（3）環(huán)狀胺（2）對于正烷基伯胺可發(fā)生γd反應，得到（4）芳胺的裂解，丟失HCN導致芳環(huán)裂解：（5）烷基胺在α-斷裂后形成m/z106胺基離子：波普分析課件(二)質(zhì)譜5.8.9酰胺類分子離子峰通?？梢詼y到。（1）具有羧基裂解的特點：Aα-斷裂：B麥氏重排：5.8.9酰胺類（2）具有胺類裂解的特點：5.8.10硝基化合物脂肪族硝基化合物的分子離子峰較小或不出峰，芳香族硝基化合物的分子離子峰強。硝基胺類化合物不易獲得分子離子峰。β（2）具有胺類裂解的特點：β（1）脂肪族硝基化合物：i-裂解：

硝基連接在叔或仲碳上，由于空間效應失去HNO2，獲得（M-HNO2）＋離子峰。正烷基烴硝基化合物，如有γ-H，可引起γ-H重排而失去羥基和H2O形成（R-CN）＋特征離子。例如正丙基硝基烷烴：（1）脂肪族硝基化合物：（2）芳香族硝基化合物：除分子離子峰外，有NO和NO2自由基的丟失，出現(xiàn)（M-30）＋和（M-46）＋峰，且在（M-30）＋和（M-46）＋峰后發(fā)生芳環(huán)裂解反應。（2）芳香族硝基化合物：例如硝基苯的質(zhì)譜反應：例如硝基苯的質(zhì)譜反應：

鄰硝基甲苯有-CH3與-NO2兩基團在鄰位，生產(chǎn)一定豐度的（M-OH）＋離子而失去·OH。而間位和對位沒有，分子離子峰的豐度比前者大。鄰硝基甲苯有-CH3與-NO2兩基團在鄰5.8.11腈類較高分子量的脂肪腈一般沒有分子離子峰，而脂肪腈一般有較強的分子離子峰。（1）碳鏈的裂解如同直鏈烷烴一樣，形成每隔14個原子質(zhì)量單位的系列離子峰。（2）在有γ-H時發(fā)生麥氏重排：5.8.11腈類（3）增加試樣量，出現(xiàn)（M+H）＋峰。（3）增加試樣量，出現(xiàn)（M+H）＋峰。5.8.12醚類脂肪醚的分子離子峰不穩(wěn)定，芳香醚的分子離子峰較強。（1）α-裂解5.8.12醚類（2）i誘導裂解

發(fā)生烷氧鍵i誘導斷裂，形成29、43、57、71……烷基偶電子離子系列，與α-裂解形成的31、45、59、73……烷氧偶電子離子系列共存。（2）i誘導裂解（3）γ-H重排和i誘導裂解（4）脂肪醚類發(fā)生α-裂解后形成EE+離子可進一步重排：β（3）γ-H重排和i誘導裂解β波普分析課件(二)質(zhì)譜（5）芳香醚裂解（5）芳香醚裂解5.8.13鹵代烷

脂肪鹵代烷的分子離子峰很弱，芳香族鹵代烷分子離子峰很強，且I>Br>Cl>F。（1）含Cl、Br的化合物有非常特征的同位素峰。（2）α-裂解5.8.13鹵代烷（3）i誘導裂解（4）脫HX反應（5）γd置換反應（3）i誘導裂解5.9質(zhì)譜分析法的應用和特點5.9.1相對分子質(zhì)量的測定產(chǎn)生分子離子只需要十幾電子伏的能量，若轟擊電子的能量在76～15eV時，所產(chǎn)生的分子離子峰(母峰)的質(zhì)荷比數(shù)值就是有機化合物的相對分子質(zhì)量。只要找到分子離子峰，就可以確定化合物的相對分子質(zhì)量。它比經(jīng)典的相對分子質(zhì)量測定方法（如冰點下降法，沸點上升法，滲透壓力測定等）快而準確，且所需試樣量少（一般0.1mg）。5.9質(zhì)譜分析法的應用和特點5.9.1相對分子質(zhì)量的在判斷分子離子峰時應注意以下問題：（1）分子離子穩(wěn)定性的一般規(guī)律。（2）分子離子峰質(zhì)量數(shù)的規(guī)律（氮律）。（3）分子離子峰與鄰近峰的質(zhì)量差是否合理。（4）M+1峰（5）M-1峰（6）降低電子轟擊源的電子能量（7）采用其他電離方式在判斷分子離子峰時應注意以下問題：

高分辨質(zhì)譜儀可精確地測定分子離子或碎片離子的質(zhì)荷比（誤差可小于10-5)，故可利用元素的精確質(zhì)量及豐度比，求算其元素組成。例如CO、C2H4、N2的質(zhì)量數(shù)都是28，但他們的精確值是不同的。因而可通過精確值測定來進行推斷。

高分辨質(zhì)譜儀可精確地測定分子離子5.9.2分子式的測定各元素具有一定的同位素天然豐度。不同物質(zhì)的分子，其同位素離子峰與分子離子峰之比(M+1)/M和(M+2)/M都將不同。拜諾表：諾等人利用同位素豐度與分子離子峰豐度的比值和化合物拜分子式之間的關(guān)系，計算了相對分子質(zhì)量在500以下，只含C，H，N，O的各種有機化合物(M+1)和(M+2)峰與分子離子峰的相對豐度編制為表格。由質(zhì)譜圖確定分子離子峰及其分子離子同位素峰(M+1，M+2)的相對豐度。對照拜諾表，就能根據(jù)其相對豐度及比值來確定分子式。5.9.2分子式的測定

例某化合物，已知其相對分子質(zhì)量為150，由質(zhì)譜測定，m/z150、151和152的強度比。確定其分子式。

從（M+2)/M=0.9％可見，該化合物不含S、Br或Cl。在Bynon的表中相對分子質(zhì)量為150的分子式共29個，其中（M+1)/M的百分比在9％-11％的分子式有如下7個:從（M+2)/M=0.9％可見，該化

此化合物的相對分子質(zhì)量是偶數(shù)，根據(jù)前述氮律，可以排除上列第2、4、6三個式子，剩下四個分子式中，M+1與9.9％最接近的是第5式（C9H10O2）,這個式子的M+2也與0.9很接近，因此分子式可能為C9H10O2

。此化合物的相對分子質(zhì)量是偶數(shù)，根據(jù)前述氮律，可以排

例如37Cl的豐度比為32.5%，即x(37Cl):x(35Cl)=1:3，因此若碎片離子含有一個Cl,就會出現(xiàn)強度比為3:1的M和M+2峰。如乙基氯CH3CH2Cl的質(zhì)譜。

在m/z為64/66及49/51處各出現(xiàn)強度比為3:1的二連峰。

例如37Cl的豐度比為32.5%，即x(37Cl

同樣，若含有一個Br（豐度比97.9%),質(zhì)譜圖上就會出現(xiàn)強度比大約相等的M和M+2二連峰。碎片離子如果含兩個以上的同位素，則可用（a+b）n的展開式來計算大概的豐度比，式中a和b分別為輕同位素的比例，n為該元素的數(shù)目。例如CCl4（M=152）的質(zhì)譜。

同樣，若含有一個Br（豐度比97.9%),質(zhì)譜圖上對CCl3+,x(35Cl):x(37Cl)=100:32.5=3:1，故a=3，b=1，n=3，(a+b）3=a3+3a2b+3ab2+b3=27+27+9+1，故CCl3+由m/z117，119，121和123組成四連峰，它們的強度比為27:27:9:1。對于CCl2+,(a+b)2=a2+2ab+b2=9+6+1，故由m/z82，84，86組成三連峰，強度比為9:6:1。對于Cl+及CCl+，則分別為強度比3:1的二連峰。對CCl3+,x(35Cl):x(37Cl)=100:32質(zhì)譜分析附錄（表）從分子離子中丟失的游離基和中性碎片有機化合物中一些常見的碎片離子（正電荷未標出）Beynon表質(zhì)譜分析附錄（表）從分子離子中丟失的游離基和中性碎片5.9.3推測化合物的分子結(jié)構(gòu)根據(jù)裂解后形成的各種離子峰就可以推測化合物的分子結(jié)構(gòu)，其步驟如下：（1）由最高質(zhì)量的一組峰研究分子離子峰：A是否具有分子離子峰的特征；B由分子離子峰的強度大小，大體判斷是芳香族化合物，還是脂肪族化合物；C由分子離子質(zhì)量數(shù)的奇偶，了解含N數(shù)；D由同位素峰群相對強度的大小，判斷是否含Br、Cl、S等同位素，由Beynon表推測分子式；E求化合物的分子式和不飽和度。5.9.3推測化合物的分子結(jié)構(gòu)（2）研究碎片離子的情況：A特征斷裂是否明顯，由此估算化合物的結(jié)構(gòu)類型或裂解類型，詳細情況見從分子離子中丟失的游離基和中性碎片表；B根據(jù)碎片離子的質(zhì)量推斷碎片離子的元素組成、估算化合物的結(jié)構(gòu)類型，詳細情況見常見碎片離子（正）表；C重要離子質(zhì)量的奇偶數(shù)特征可說明是重排過程或逆DiersAlder反應；D高分辨率質(zhì)譜分析可給出這些離子的化學組成。（2）研究碎片離子的情況：（3）列出部分結(jié)構(gòu)單元：A有哪些結(jié)構(gòu)單元；B“亞穩(wěn)離子峰”是否指出各主要離子之間的某些關(guān)系；C根據(jù)各結(jié)構(gòu)單元算出不飽和度與原子數(shù)；D除了這些結(jié)構(gòu)單元外，其余部分可能是什么；（4）推斷結(jié)構(gòu)式：A將各結(jié)構(gòu)單元和剩余部分結(jié)構(gòu)，按所有可能的結(jié)合方式聯(lián)結(jié)起來；B用質(zhì)譜或其他數(shù)據(jù)，舍去不合理的結(jié)構(gòu)式，即得到比較合理的結(jié)構(gòu)式。（3）列出部分結(jié)構(gòu)單元：＊烷烴：CnH2n+1(主)，m/z29，43,57,71,85,99,113,CnH2n,CnH2n-1＊環(huán)烷烴：41,55,56,69,CnH2n-1，CnH2n＊烯烴：CnH2n-1(主),如

m/z41,55,69,83,

CnH2n，CnH2n+1

＊環(huán)烯：54，68，CnH2n-2，CnH2n-3，＊醇：CnH2n+1O，31，45，59，CnH2n+1，CnH2n-1(M-18-28,M-18)，CnH2n-2＊醚：CnH2n+1O的含氧碎片,31,45,59，CnH2n+143,57,71,85,99,113，CnH2n,CnH2n-1

峰＊烷烴：CnH2n+1(主)，m/z29，43,57,＊硫醇:M-33(-HS),M-34(-H2S),33HS+,34H2S+·，CnH2n+1S的含硫碎片,47,61,75,89···.CnH2n+1(43,57,71,85,99,113···),CnH2n和CnH2n-1＊胺：CnH2n+2N

的含N特征峰,30,44,58,···30+14n.＊芳香族：M+·強或中等強度。91強峰，γ-H重排92峰，52或66，40或65，39峰或77，78，51＊苯酚和芳香醚：94，66，40，65，39＊苯胺：93，66，65，39＊鹵代物：RFM-19,M-20(-F,-HF),CnH2n+1,CnH2n

RCl(Br),同位素峰簇,M-35,M-36(-Cl,-HCl)

＊硫醇:M-33(-HS),M-34(-H2S),33HS羧酸

M17,M45,45(COOH),59,73,(-H)60羧酸特征峰脂肪醛：M-1,M-29及R+碎片離子,29強峰，43，57，71，44，58，72+14n.酮：RCO+，R+離子,43，57，71，58，72+14n.酯甲酯M31(MOCH3)，乙酯M45(MOC2H5)CnH2nCOOR含氧碎片59+14n峰，（-H）74+14n峰長鏈酯的雙氫重排峰m/z61+14n酰胺:44+14n,43+14n,(-H)59+14n羧酸M17,M45,45(COOH),5例1請寫出下列化合物質(zhì)譜中基峰離子的形成過程。①1，4-二氧環(huán)己烷質(zhì)譜解析實例例1請寫出下列化合物質(zhì)譜中基峰離子的形成過程。①1，4-②2-巰基丙酸甲酯②2-巰基丙酸甲酯③E-1-氯-1-己烯③E-1-氯-1-己烯例2試判斷質(zhì)譜圖1、2分別是2-戊酮還是3-戊酮的質(zhì)譜圖。寫出譜圖中主要離子的形成過程。例2試判斷質(zhì)譜圖1、2分別是2-戊酮還是3-戊酮的質(zhì)譜圖例3結(jié)構(gòu)未知（C6H12O）例3結(jié)構(gòu)未知（C6H12O）例7一個羰基化合物，經(jīng)驗式為C6H12O，其質(zhì)譜見下圖，判斷該化合物是何物。例7一個羰基化合物，經(jīng)驗式為C6H12O，其質(zhì)譜見下圖，判例4未知物質(zhì)譜圖如下，紅外光譜顯示該未知物在1150～1070cm-1有強吸收，試確定其結(jié)構(gòu)。例4未知物質(zhì)譜圖如下，紅外光譜顯示該未知物例5某未知物經(jīng)測定是只含C、H、O的有機化合物，紅外光譜顯示在3100～3600cm?1之間無吸收，其質(zhì)譜如圖6.9，試推測其結(jié)構(gòu)。圖6.9未知物質(zhì)譜圖例5某未知物經(jīng)測定是只含C、H、O的有機化合物，紅外光譜例6某化合物的質(zhì)譜如圖所示。該化合物的1HNMR譜在2.3ppm左右有一個單峰，試推測其結(jié)構(gòu)。例6某化合物的質(zhì)譜如圖所示。該化合物的1HNMR譜在例7試由未知物質(zhì)譜圖推出其結(jié)構(gòu)。例7試由未知物質(zhì)譜圖推出其結(jié)構(gòu)。例8試由質(zhì)譜圖推出該未知化合物結(jié)構(gòu)。例8試由質(zhì)譜圖推出該未知化合物結(jié)構(gòu)。1134327,29577185128100例9M28(C2H4)M42(C3H6)1134327,29577185128100例9M28Mγ-Hγ-Hγ-Hγ-Hγ-Hγ-Hγ-Hγ-H4327,295771851281131004327,29577185128113100例2:水揚酸正丁酯（o-羥基苯甲酸正丁酯）

MC4H8MC4H9OH12028例2:水揚酸正丁酯（o-羥基苯甲酸正丁酯）MC4H8M波普分析課件(二)質(zhì)譜C6H5CH2CH2CHOM29(CHO)-氫的重排92M43(CH2-CHO)C6H5CH2CH2CHOM29(CHO)-氫的重排C6H5CHCHCHO

M29(CHO)C6H5CHCHCHOM29(CHO)C6H5CHCHCH2OHM18-H異構(gòu)化為C6H5CH2CHCHOH或苯丙醛，解釋m/z91,92(-氫的重排)峰

(M-CH2OH,-31=105)C6H5CHCHCH2OHM18-H異構(gòu)化為C6H5CH例1某化合物亞穩(wěn)離子峰m/z154→139→111，求化合物結(jié)構(gòu)式。

例1某化合物亞穩(wěn)離子峰m/z154→139→111，求例2某化合物分子離子峰的精確質(zhì)量為136.0886，查得分子式C9H12O，U=4。求化合物結(jié)構(gòu)式。例2某化合物分子離子峰的精確質(zhì)量為136.0886，查得例3某化合物E的質(zhì)譜如下，由譜圖推導其結(jié)構(gòu)。

例3某化合物E的質(zhì)譜如下，由譜圖推導其結(jié)構(gòu)。例4某化合物的質(zhì)譜如下，由譜圖推導其結(jié)構(gòu)。例4某化合物的質(zhì)譜如下，由譜圖推導其結(jié)構(gòu)。例5某化合物C5H12O的質(zhì)譜如下，其中m*43.5為70→55。由譜圖推導其結(jié)構(gòu)。例5某化合物C5H12O的質(zhì)譜如下，其中m*43.5為7例6某化合物C6H12O的質(zhì)譜如下，其中m*72.2為100→85。由譜圖推導其結(jié)構(gòu)。例6某化合物C6H12O的質(zhì)譜如下，其中m*72.2為1例7某化合物的質(zhì)譜如下，由譜圖推導其結(jié)構(gòu)。例7某化合物的質(zhì)譜如下，由譜圖推導其結(jié)構(gòu)。例8某化合物的質(zhì)譜如下，其中m*55.7。由譜圖推導其結(jié)構(gòu)。例8某化合物的質(zhì)譜如下，其中m*55.7。由譜圖推導其結(jié)例9某化合物的最高質(zhì)量m/z為185。由譜圖推導其結(jié)構(gòu)。例9某化合物的最高質(zhì)量m/z為185。由譜圖推導其結(jié)構(gòu)。5.9.4質(zhì)譜應用實例（1）在天然有機化合物的有機中，提取、分離、鑒定和結(jié)構(gòu)測定，是幾項主要任務，質(zhì)譜是有機化合物鑒定和結(jié)構(gòu)測定的重要手段之一；（2）應用于天然有機化合物的立體結(jié)構(gòu)研究；（3）GC/MS、LC/MS跟蹤反應過程，分離、分析天然有機化合物。5.9.4質(zhì)譜應用實例總結(jié)：質(zhì)譜分析法的特點應用非常廣泛，可進行有機物的定性、定量分析及相對分子質(zhì)量的測定，進行無機物的定性、半定量和定量分析以及同位素分析等。(2)被分析對象可以是氣體、液體或固體。(3)靈敏度高，對于無機物的最高絕對靈敏度可達10-4g(4)分辨率高，能分辨同位素200Hg和201Hg，以及化學性質(zhì)極為相似的不同物質(zhì)。(5)分析效率高，分析速度快。缺點：質(zhì)譜分析儀器結(jié)構(gòu)復雜，價格昂貴，使用及維修比較困難?？偨Y(jié)：質(zhì)譜分析法的特點(3)靈敏度高，對于無機物的最高絕對靈5.10氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用（GC－MS）氣相色譜儀是質(zhì)譜法的理想的“進樣器”，試樣經(jīng)色譜分離后以純物質(zhì)形式進入質(zhì)譜儀，就可充分發(fā)揮質(zhì)譜法的特長。質(zhì)譜儀是氣相色譜法的理想的“檢測器”，色譜法所用的檢測器如氫焰電離檢測器、熱導池檢測器、電子捕獲檢測器等都有局限性，而質(zhì)譜儀能檢出幾乎全部化合物，靈敏度又很高。5.10氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用（GC－MS）氣相色譜儀是質(zhì)譜波普分析課件(二)質(zhì)譜儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)氣相色譜接口質(zhì)譜儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)氣相色譜接口質(zhì)譜聯(lián)用儀器（THEGC/MSPROCESS

）SampleSample

58901.0DEG/MINHEWLETTPACKARDHEWLETTPACKARD5972AMassSelectiveDetectorDCBA

ABCDGasChromatograph(GC)MassSpectrometer(MS)SeparationIdentificationBACD聯(lián)用儀器（THEGC/MSPROCESS）SamplGC-MS聯(lián)用的關(guān)鍵是接口裝置GC-MS聯(lián)用的關(guān)鍵是接口裝置在離子源與質(zhì)量分析器之間，有一個總離子流檢測器，以截取部分離子流信號利用質(zhì)譜儀自動重復掃描，由計算機收集，計算并再現(xiàn)出來，此時總離子流檢測系統(tǒng)可省略。總離子流強度的變化正是流入離子源的色譜組分變化的反映，因而總離子流強度與時間或掃描數(shù)變化曲線就是混合物的色譜圖總離子流色譜圖在離子源與質(zhì)量分析器之間，有一個總離子流檢測器，以截取部分離儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)氣相色譜接口質(zhì)譜總離子流檢測器儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)氣相色譜接口質(zhì)譜總離子流檢測器在相同條件下，由GC-MS得到的總離子流色譜圖與由普通氣相色譜儀所得色譜圖大體相同。各個峰的保留時間、峰高、峰面積可作為各峰的定量參數(shù)。一般TIC的靈敏度比GC的氫火焰離子化檢測器高1-2個數(shù)量級，它對所有的峰都有相近的響應值，是一種通用性檢測器。

在相同條件下，由GC-MS得到的總離子流色譜圖與由在聯(lián)用儀中一般用氦氣作載氣He的電離電位24.6eV，是氣體中最高的（H2,N2：為15.8eV),它難于電離，不會因氣流不穩(wěn)而影響色譜圖的基線；He的相對分子質(zhì)量只有4，易于與其它組分分子分離。另一方面，它的質(zhì)譜峰很簡單，主要在m/z4處出現(xiàn)，不干擾后面的質(zhì)譜峰。

在聯(lián)用儀中一般用氦氣作載氣He的電離電位24.6eV，是氣毛細管柱氣相色譜聯(lián)用

由于填充柱的分離效率不高，柱中固定液易流失而引致質(zhì)譜儀的污染和本底提高。因此毛細管柱氣相色譜在聯(lián)用中得到更廣泛的應用。由于毛細管柱載氣流量大大下降，一般為1-3mL·min-1，所以可實現(xiàn)直接導人式接口，亦即將毛細管色譜柱的末端直接插入質(zhì)譜離子源內(nèi)，接口只起保護插入段毛細管柱和控制溫度的作用，直接導入式接口的進樣可采用分流式和不分流式兩種方式。毛細管柱氣相色譜聯(lián)用由于填充柱的分分流式是在毛細管的出口處將載氣分為兩部分，然后將質(zhì)譜能承受的部分載氣和試樣引入質(zhì)譜儀中，其余部分放空，以保持色譜柱出口壓強為常壓，不降低毛細管柱的分離效率，并避免過量的試樣進入質(zhì)譜儀中和由此引起離子源的污染。

分流式和不分流式聯(lián)接分流式是在毛細管的出口處將載氣分為兩部分，然后將質(zhì)譜能承受的但采用分流進樣，引入質(zhì)譜儀的試樣只有幾十分之一，對微量組分的檢測不利，為此應采用不分流進樣，一般的GC-MS儀器同時具備這兩種操作方式，可根據(jù)分離情況與試樣中各組分的含量進行選擇。但采用分流進樣，引入質(zhì)譜儀的試樣只有幾十分之一，對微量組分的GC-MS的應用

由于GC-MS所具有的獨特優(yōu)點，目前已得到十分廣泛的應用。一般說來，凡能用氣相色譜法進行分析的試樣，大部分都能用GC-MS進行定性鑒定及定量測定。環(huán)境分析是GC-MS應用最重要的領(lǐng)域。水（地表水、廢水、飲用水等）、危害性廢棄物、本壤中有機污染物，空氣中揮發(fā)性有機物、農(nóng)藥殘留量等的GC-MS分析方法已被美國環(huán)保局（EPA）及許多國家采用，有的已以法規(guī)形式確認，這也促使其向其它法規(guī)性應用領(lǐng)域擴展，例如法醫(yī)毒品的檢定、公安案例的物證、體育運動中興奮冠的檢驗等等，已形成或?qū)⑿纬梢幌盗蟹ǘㄐ曰蚬J的標準方法。GC-MS的應用由于GC-MS所具有的5.11液相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用（LC——MS）

為了適應生命科學基礎(chǔ)研究及高技術(shù)發(fā)展的需要，質(zhì)譜技術(shù)研究的熱點集中于兩萬面：其一是發(fā)展新的軟電離技術(shù)，以分析高極性，熱不穩(wěn)定，難揮發(fā)的生物大分子（如蛋白質(zhì)、核酸、聚糖等）;其二是發(fā)展液相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用的接口，以分析生物復雜體系中的痕量組分。5.11液相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用（LC——MS）LC—MS難點

對于高極性、熱不穩(wěn)定，難揮發(fā)的大分子有機化合物，使用GC—MS有困難，液相色譜的應用不受沸點的限制，并能對熱穩(wěn)定性差的試樣進行分離、分析。然而液相色譜的定性能力更弱，因此液相色譜與有機質(zhì)譜的聯(lián)用，其意義是顯而易見．由于液相色譜的一些特點，在實現(xiàn)聯(lián)用時所遇到的困難比GC—MS大得多。它需要解決的問題主要有兩方面：液相色譜流動相對質(zhì)譜工作條件的影響以及質(zhì)譜離子源的溫度對液相色譜分析試樣的影響。

LC—MS難點對于高極性、熱不穩(wěn)定，難揮例如

HPLC流動相的流速一般為1-2mL·min-1，若為甲醇，其氣化后換算成常壓下的氣體流速為560mL·min-1（水則為1250mL·min-1）。質(zhì)譜儀抽氣系統(tǒng)通常僅在進入離子源的氣體流速低于10mL·min-1時才能保持所要求的真空。另一方面，液相色譜的分析對象主要是難揮發(fā)和熱不穩(wěn)定物質(zhì)，這與質(zhì)譜儀常用的離子源要求試樣氣化是不相適應的。例如HPLC流動相的流速一般為1-2mLLC—MS難點解決20世紀80年代以后，LC—MS的研究出現(xiàn)大氣壓化學電離（atmosphericpressurechemicalionization，APCI）接口、電噴霧電離（electrosprayionization,ESI）接口、粒子束（partidebeam,PB）接口等技術(shù)后才有突破性發(fā)展。液相色譜技術(shù)中3μm顆粒固定相及細徑柱的使用，提高了柱效，大為降低了流動相流量。

LC—MS難點解決20世紀80年代以后，LC—M第五章質(zhì)譜分析MassSpectroscopy，MS第五章質(zhì)譜分析MassSpectroscopy，MS原理概述

利用高速電子撞擊氣態(tài)試樣分子，生成各種碎片離子，帶正電荷的碎片離子在磁場及靜電場的作用下，按質(zhì)荷比m/z的大小順序分離，依次到達檢測器，記錄成按質(zhì)荷比順序排列的質(zhì)譜圖，根據(jù)質(zhì)譜峰的位置可進行定性分析和結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)質(zhì)譜峰的強度可進行定量分析。MS原理概述利用高速電子撞擊氣態(tài)試樣分子，生成各進樣系統(tǒng)離子源質(zhì)量分析器檢測器1.氣體擴散2.直接進樣3.氣相色譜1.電子轟擊2.化學電離3.場致電離4.場解析5.快原子轟擊6.高頻火花7.激光

1.單聚焦2.雙聚焦3.四極桿4.離子阱5.飛行時間質(zhì)譜儀需要在高真空下工作：離子源（10-310-5Pa

）

質(zhì)量分析器（10-6Pa

）5.1質(zhì)譜分析原理進樣系統(tǒng)離子源質(zhì)量分析器檢測器1.氣體擴散1.電子轟擊1.單5.2質(zhì)譜儀進樣系統(tǒng)離子源質(zhì)量分析器檢測器5.2質(zhì)譜儀進樣系統(tǒng)離子源質(zhì)量分析器檢測器5.2.1

真空系統(tǒng)質(zhì)譜儀的離子源、質(zhì)量分析器必須處于高真空狀態(tài)，若真空度低，則：（1）大量氧會燒壞離子源的燈絲；（2）會使本底增高，干擾質(zhì)譜圖；（3）引起額外的離子－分子反應，改變裂解模型，使質(zhì)譜解釋復雜化；（4）干擾離子源中電子束的正常調(diào)節(jié)；（5）用作加速離子的幾千伏高壓會引起放電；等等。通常用機械泵預抽真空，然后用擴散泵高效并連續(xù)地抽氣。

5.2.1真空系統(tǒng)5.2.2

進樣系統(tǒng)

進樣系統(tǒng)的作用是將試樣轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，然后送進電離室。

對于有機化合物的分析，目前較多采用色譜——質(zhì)譜聯(lián)用，此時試樣經(jīng)色譜柱分離后，經(jīng)分子分離器進入質(zhì)譜儀的離子源。

5.2.2進樣系統(tǒng)

進樣系統(tǒng)的作用是將試樣轉(zhuǎn)化為電離室原理與結(jié)構(gòu)儀器原理圖5.2.3電離室（離子源）電離室原理與結(jié)構(gòu)儀器原理圖5.2.3電離室（離子源）電子轟擊離子源電子轟擊離子源化學電離源

在離子源內(nèi)充滿一定壓強的反應氣體，如甲烷、異丁烷、氨氣等，用高能量的電子（100eV）轟擊反應氣體使之電離、電離后的反應分子再與試樣分子碰撞發(fā)生分子離子反應，形成準分子離子QM+（quasi-molecularion）（M＋1）+，（M－1）+，（M＋17）+，（M＋29）+和少數(shù)碎片離子。

化學電離源在離子源內(nèi)充滿一定壓強的反應氣d＜1mm7000～10000V場致電離源d＜1mm7000～10000V場致電離源波普分析課件(二)質(zhì)譜場解析電離源（試樣不需氣化）

將液體或固體試樣溶解在適當?shù)娜軇┲?，并滴加在特制的FD發(fā)射絲上，發(fā)射絲由直徑約10μm的鎢絲及在絲上用真空活化的方法制成的微針形碳刷組成。發(fā)射絲通電加熱使其上的試樣分子解析下來并在發(fā)射絲附近的高壓靜電場（電場梯度為107～108V·cm-1）的作用下被電離形成分子離子，其電離原理與場致相同。

場解析電離源（試樣不需氣化）將液體或固體快原子轟擊離子源

通常是將惰性氣體元素氬先電離成Ar+離子，在經(jīng)電場加速，使之具有很高的動能，然后通過一電荷交換室使氬高能離子被中和成高能的中性原子流。在離子源內(nèi)轟擊試樣分子，此時與試樣分子發(fā)生能量交換并使試樣分子電離和濺射出來生成離子流。利用FAB源得到的質(zhì)譜，不僅有較強的分子離子峰，而且有較豐富的結(jié)構(gòu)信息。快原子轟擊離子源通常是將惰性氣體元素氬先5.2.4

質(zhì)量分析法質(zhì)量分析器又稱為離子分離器。質(zhì)量分析器內(nèi)主要為一電磁鐵，自離子源發(fā)生的離子束在加速電極電場（800～8000V）的作用下，使質(zhì)量m的正離子獲得v的速度，以直線方向（n）運動其動能為：

zU＝1/2mv2

式中，z為離子電荷數(shù)，U為加速電壓。5.2.4質(zhì)量分析法zU＝1/2mv2Hzv＝mv2/RzU＝1/2mv2Hzv＝mv2/R

當此具有一定動能的正離子進入垂直于離子速度方向的均勻磁場（質(zhì)量分析器）時，正離子在磁場力（洛侖茲力）的作用下，將改變運動方向作圓周運動（半徑為R，則運動離心力mv2/R必然和磁場力Hzv相等：

Hzv＝mv2/R

式中H為磁場強度。

當此具有一定動能的正離子進入垂直于離子速度方向的

合并式上兩式，可得質(zhì)譜方程式：

m/z=H2R2/2U

可見，R與m/z、H、U有關(guān)。

若H、R固定，m/z∝l/U，只要連續(xù)改變加速電壓（電壓掃描）；或U，R固定，m/z∝H2，連續(xù)改變H（磁場掃描），就可使具有不同m/z的離子順序到達檢測器發(fā)生信號而得到質(zhì)譜圖。

合并式上兩式，可得質(zhì)譜方程式：

zU＝1/2mv2Hzv＝mv2/RzU＝1/2mv2Hzv＝mv2/R5.2.5

離子檢測器

經(jīng)過質(zhì)量分析器后的離子，到達檢測系統(tǒng)進行檢測。常以電子倍增器（electromultplier）檢測離子流。5.2.5離子檢測器

經(jīng)過質(zhì)量分析器后的離子，到5.3雙聚焦質(zhì)譜儀5.3雙聚焦質(zhì)譜儀5.4四極濾質(zhì)器、離子阱質(zhì)譜計及飛行時間質(zhì)譜計

上述儀器，在質(zhì)譜學中都屬于靜態(tài)儀

器。其電場、磁場、離子軌道半徑等在不

同時間內(nèi)都是穩(wěn)定的，隨時間而改變電場

（電壓掃描）或磁場（磁場掃描），是為

了連續(xù)記錄質(zhì)譜，不是質(zhì)量分離原理所必需。5.4四極濾質(zhì)器、離子阱質(zhì)譜計及飛行時間質(zhì)譜計

質(zhì)譜的另一類型儀器是所謂動態(tài)儀器，采用了隨時間而周期變化的電場（有的同時使用靜態(tài)磁場），以實現(xiàn)質(zhì)量分離，下面主要包括其中3種儀器：

四極濾質(zhì)器（quadrupolemassfilter）

離子阱質(zhì)譜計（iontrap）

飛行時間質(zhì)譜計（timeofflightspectromter，TOF－MS）

質(zhì)譜的另一類型儀器是所謂動態(tài)儀器，采用了隨時間而周期四極濾質(zhì)器四極濾質(zhì)器波普分析課件(二)質(zhì)譜波普分析課件(二)質(zhì)譜波普分析課件(二)質(zhì)譜波普分析課件(二)質(zhì)譜離子阱質(zhì)譜計離子阱質(zhì)譜計飛行時間質(zhì)譜計飛行時間質(zhì)譜計若忽略離子（質(zhì)量為m）的初始能量，根據(jù)式（12－l）可以認為離子動能為：

由此可寫出離子速度：

離子飛行長度為L的漂移空間所需時間t=L/v，故可得若忽略離子（質(zhì)量為m）的初始能量，根據(jù)式（12－l）可以認為5.5質(zhì)譜圖與離子峰（P363）5.5.1質(zhì)譜圖原始質(zhì)譜圖上豐度最大的離子峰稱為基峰，將基峰的豐度規(guī)定為100%，其他離子峰的豐度以相對于基峰的百分率來表示，稱為相對豐度?；?.5質(zhì)譜圖與離子峰（P363）基峰5.5.2主要離子峰的類型當氣體或蒸氣分子（原子）進入離子源（例如電子轟擊離子源）時，受到電子轟擊而形成各種類型的離子。以A，B，C，D四種原子組成的有機化合物分子為例，它在離子源中可能發(fā)生下列過程：5.5.2主要離子峰的類型波普分析課件(二)質(zhì)譜①分子離子峰：分子失去電子形成帶正電荷的陽離子ABCD+

，稱為分子離子，質(zhì)譜圖中相應的峰稱為分子離子峰或母峰。

分子離子峰是除同位素峰之外，質(zhì)量數(shù)最大的質(zhì)譜峰，據(jù)此可準確測定未知物的相對分子質(zhì)量。

①分子離子峰：分子失去電子形成帶正電荷的陽離子ABCD+，

對于有機物，雜原子上未共用電子（n電子）最易失去，其次是π電子，再其次是σ電子。

對于有機物，雜原子上未共用電子（n電子）最易失波普分析課件(二)質(zhì)譜②同位素離子峰：由于同位素的存在，質(zhì)譜圖中就會出現(xiàn)不同質(zhì)量數(shù)的同位素形成的峰，稱為同位素離子峰。同位素離子峰的豐度比，與同位素在自然界的豐度比是相當?shù)?。利用同位素離子峰可以判斷化合物中是否含有某種元素。通過測定質(zhì)譜圖上同位素離子峰與分子離子峰的豐度比，可以推斷化合物的分子式。②同位素離子峰：由于同位素的存在，質(zhì)譜圖中就會出現(xiàn)不同質(zhì)量數(shù)波普分析課件(二)質(zhì)譜③碎片離子峰：當轟擊電子的能量超過分子電離所需的能量時，原子之間的化學鍵會斷裂，形成碎片，帶有正電荷的碎片進入離子檢測器，在質(zhì)譜圖上出現(xiàn)許多碎片離子峰。

碎片離子的形成和化學鍵的斷裂與分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，利用碎片峰可協(xié)助闡明分子的結(jié)構(gòu)。③碎片離子峰：當轟擊電子的能量超過分子電離所需的能量時，原子④重排離子峰：在分子中有兩個或兩個以上的鍵斷裂時，分子內(nèi)原子或原子基團發(fā)生重排，某些原子或基團從分子或離子中的一個位置轉(zhuǎn)移到另一個位置所生成的離子，稱為重排離子，質(zhì)譜圖上相應的峰稱為重排離子峰。

重排離子峰的形成和化學鍵的斷裂與分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，利用碎片峰可協(xié)助闡明分子的結(jié)構(gòu)。④重排離子峰：在分子中有兩個或兩個以上的鍵斷裂時，分子內(nèi)原子⑤亞穩(wěn)離子峰：在電離、裂解、重排過程中的產(chǎn)生的離子，有一部分處于亞穩(wěn)態(tài)，它們有可能進一步發(fā)生裂解，部分亞穩(wěn)態(tài)離子進入離子檢測器，形成亞穩(wěn)離子峰。亞穩(wěn)離子峰鈍而小，一般要跨2～5個質(zhì)量單位，其質(zhì)荷比通常不是整數(shù)，故可利用這些特征加以區(qū)別。

亞穩(wěn)離子峰的形成和化學鍵的斷裂與分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，利用碎片峰可協(xié)助闡明分子的結(jié)構(gòu)。⑤亞穩(wěn)離子峰：在電離、裂解、重排過程中的產(chǎn)生的離子，有一部分

亞穩(wěn)離子的質(zhì)量用m＊表示，以區(qū)別于正常情況下產(chǎn)生的m2+。m1和m2和m＊有如下關(guān)系：

亞穩(wěn)離子的質(zhì)量用m＊表示，以區(qū)別于正常情況下波普分析課件(二)質(zhì)譜⑥兩價離子峰

分子受到電子轟擊，可能失去兩個電子而形成兩價離子M2+。在有機化合物的質(zhì)譜中，M2+是雜環(huán)、芳環(huán)和高度不飽和化合物的特征，可供結(jié)構(gòu)分析參考。

⑥兩價離子峰

分子受到電子轟擊，可能失去兩個電子而形⑦離子分子反應

在離子源壓強較高的條件下，正離子可能與中性碎片進行碰撞而發(fā)生離子分子反應，形成大于原來分子的離子。但離子源處于高真空時，此反應可忽略。

⑦離子分子反應

在離子源壓強較高的條件下，正離子可能舉例舉例分子離子分子離子碎片離子碎片離子波普分析課件(二)質(zhì)譜重排后裂解重排后裂解5.6有機質(zhì)譜中裂解反映機理及影響因素5.6.1裂解的表示方法（1）均裂：一個單鍵（σ鍵）斷裂，構(gòu)成該鍵的兩個電子回到原來提供電子的原子上，生成兩個自由基。5.6有機質(zhì)譜中裂解反映機理及影響因素5.6.1裂解例如異丙醇裂解：波普分析課件(二)質(zhì)譜（2）異裂（非均裂）：σ鍵的兩個電子向同一方向移動。例如苯甲酸裂解：（2）異裂（非均裂）：σ鍵的兩個電子向同一方向移動。（3）半異裂：已電離的σ鍵的裂解，一個電子轉(zhuǎn)移到碎片上成為自由基，另一碎片成為陽離子。例如：（3）半異裂：已電離的σ鍵的裂解，一個5.6.2離子的裂解類型（1）在分子離子中，雜原子上未共用電子（n電子）最易失去，其次是π電子，再其次是σ電子。例如：進一步碎裂：5.6.2離子的裂解類型（2）自由基中心引發(fā)的反應（α斷裂）:在奇電子離子（OE.+）中定域的自由基位置有強烈的電子配對傾向，它提供孤電子與毗鄰（α位置）原子上的電子形成新鍵，導致α原子的另一個斷裂，又稱為均裂。例如：（2）自由基中心引發(fā)的反應（α斷裂）:在烯烴的α斷裂：芳烴的α斷裂：波普分析課件(二)質(zhì)譜乙苯的質(zhì)譜圖乙苯的質(zhì)譜圖波普分析課件(二)質(zhì)譜波普分析課件(二)質(zhì)譜

在同一分子離子或碎片離子上，以同一碎裂機制（α斷裂）進行反應時，若有好幾個位置，α斷裂傾向于失去較大的烷基。例如2-丁醇。在同一分子離子或碎片離子上，以同

當分子中含有幾種雜原子時，這些雜原子提供電子形成新鍵的能力隨其電負性的增加而減小，即N>S>O>Cl。當分子中含有幾種雜原子時，這些雜原（3）正電荷中心引發(fā)的反應（i誘導斷裂）：在奇電子離子（OE.+）或偶電子離子（EE+）中，正電荷的誘導效應吸引某個鍵的一對電子導致該鍵斷裂，又稱異裂。（3）正電荷中心引發(fā)的反應（i誘導斷裂）例如

原則上，誘導效應隨原子的電負性降低而遞減，即鹵素>O、S?N、C；但斷裂過程迫使正電荷位置轉(zhuǎn)移，有利于生成穩(wěn)定的碎片離子。