1、第五章第五章 質譜質譜Mass SpectrometryM Sn液質聯用以某種方式使有機化合物的分子以某種方式使有機化合物的分子電離、碎裂電離、碎裂，然，然后按照離子的后按照離子的質荷比（質荷比（m/z）大小把生成的各種大小把生成的各種離子離子分離分離，檢測它們的，檢測它們的強度強度，并將其排列成譜，并將其排列成譜，這種研究物質的方法稱作這種研究物質的方法稱作質譜法質譜法。質譜發展歷史質譜發展歷史發現了發現了Ne的同位素：的同位素：22Ne和和20Ne(CI，激光離子化，FAB，ESI-MS)日本科學家田中耕一(Koichi Tanaka)1959年出生于日本富山縣首府富山市，1983年獲日本

2、東北大學學士學位，現任職于京都市島津制作所，為該公司研發工程師，分析測量事業部生命科學商務中心、生命科學研究所主任。他對化學的貢獻類似于約翰芬恩，因此也得到了14的獎金。美國科學家約翰芬恩1917年出生于美國紐約市，1940年獲耶魯大學化學博士學位，1967年到1987年間任該大學教授，1987年起被聘為該大學名譽教授，自1994年起任弗吉尼亞聯邦大學教授。他因為“發明了對生物大分子進行確認和結構分析的方法”和“發明了對生物大分子的質譜分析法”而獲得2002年諾貝爾化學獎14的獎金。瑞士科學家庫爾特維特里希1938年生于瑞士阿爾貝格，1964年獲瑞士巴塞爾大學無機化學博士學位，從1980年起擔

3、任瑞士蘇黎世聯邦高等理工學校的分子生物物理學教授，還任美國加利福尼亞州拉霍亞市斯克里普斯研究所客座教授。他因“發明了利用核磁共振技術測定溶液中生物大分子三維結構的方法”而獲得2002年諾貝爾化學獎一半的獎金。2002年諾貝爾化學獎獲得者質譜不屬波譜范圍質譜不屬波譜范圍質譜圖與電磁波的波長和分子內某種物理量質譜圖與電磁波的波長和分子內某種物理量 的改變無關的改變無關質譜是分子離子及碎片離子的質量與其相對質譜是分子離子及碎片離子的質量與其相對強度的譜強度的譜, , 譜圖與分子結構有關譜圖與分子結構有關 質譜法進樣量少質譜法進樣量少, , 靈敏度高靈敏度高, , 分析速度快分析速度快質譜是唯一可以給

4、出分子量譜是唯一可以給出分子量, , 確定分子式的方確定分子式的方法法, , 而分子式的確定而分子式的確定對化合物的結構鑒定是至關對化合物的結構鑒定是至關重要的。重要的。 特點特點：5.1 質譜的基本知識質譜的基本知識5.1.1 質譜儀質譜儀5.1.1 質譜儀的基本結構質譜儀的基本結構 質譜儀是通過對樣品電離后產生的具有不同的質譜儀是通過對樣品電離后產生的具有不同的m/z 的離子來進行分離分析的。的離子來進行分離分析的。 質譜儀包括質譜儀包括進樣系統、電離系統、質量分析系統和進樣系統、電離系統、質量分析系統和檢測系統檢測系統。 為了獲得離子的良好分離和分析效果，避免離子損為了獲得離子的良好分離

5、和分析效果，避免離子損失，凡有樣品分子及離子存在和通過的地方，必須處失，凡有樣品分子及離子存在和通過的地方，必須處于于真空狀態真空狀態。（離子源與質量分析器的壓力在。（離子源與質量分析器的壓力在10-410-5Pa和和10-510-6Pa ）計算機數據處理系統真空系統 加速區進樣系統離子源質量分析器檢測器 質譜儀質譜儀進樣系統進樣系統在不破壞真空度的情況下，使樣品進入離子源在不破壞真空度的情況下，使樣品進入離子源 氣體可通過儲氣器進入離子源氣體可通過儲氣器進入離子源易揮發的液體，在進樣系統內汽化后進入離子源易揮發的液體，在進樣系統內汽化后進入離子源難揮發的液體或固體樣品，通過探針直接插入離子源

6、。難揮發的液體或固體樣品，通過探針直接插入離子源。（1）直接進樣）直接進樣（2）色譜聯用導入樣品：）色譜聯用導入樣品：GC-MS，HPLC-MS離子源離子源分子失去電子，生成帶正電荷的分子離子分子失去電子，生成帶正電荷的分子離子 分子離子可進一步裂解，生成質量更小的碎片離子分子離子可進一步裂解，生成質量更小的碎片離子 M+ eM+.+2eM-. 小于1%M+.A+. +B+CD+. 中性分子或碎片中性分子或碎片 R.50-70eV離子源與高真空系統連接，小分子、中性碎片、自由基被抽出。離子源與高真空系統連接，小分子、中性碎片、自由基被抽出。常見離子源類型常見離子源類型準分子離子準分子離子質量分

7、析器質量分析器 質量分析器是質譜計的核心質量分析器是質譜計的核心不同質核比的離子經質量分析器分開，而后被檢測。不同質核比的離子經質量分析器分開，而后被檢測。不同類型的質量分析器構成不同類型的質譜計不同類型的質量分析器構成不同類型的質譜計 不同類型的質譜計其功能，應用范圍，原理，不同類型的質譜計其功能，應用范圍，原理， 實驗方法均有所不同。實驗方法均有所不同。 扇形磁場扇形磁場四極桿質量分析器四極桿質量分析器飛行時間質量分析器飛行時間質量分析器離子阱質量分析器離子阱質量分析器傅里葉變換離子回旋共振傅里葉變換離子回旋共振5.1.2 質譜儀主要性能指標質譜儀主要性能指標1靈敏度靈敏度2分辨率分辨率3

8、質量范圍質量范圍 質譜計的主要技術指標質譜計的主要技術指標 質量范圍： 指質譜計所能測量的最大質核比指質譜計所能測量的最大質核比 分辨率（R）：是質譜儀對質量非常接近的兩種離子是質譜儀對質量非常接近的兩種離子的分離能力。的分離能力。靈敏度：標準樣品產生一定信噪比的分子離子峰所需的最小檢測量作為儀器的靈敏度指標。R = m1(或或m2) / m mm為質譜計可分辨的兩種離子的質量差為質譜計可分辨的兩種離子的質量差 橫坐標：質核比橫坐標：質核比(m/z)，縱坐標，縱坐標:離子的相對豐度。離子的相對豐度。 豎線為質譜峰。最強的離子峰為豎線為質譜峰。最強的離子峰為基峰基峰，并定為相對強，并定為相對強度

9、為度為100%，其它離子峰以對基峰的相對百分值表示。，其它離子峰以對基峰的相對百分值表示。（質譜數據也可以用列表的方法表示）（質譜數據也可以用列表的方法表示）5.1.3 質譜圖質譜圖5.1.4 質譜的離子類型質譜的離子類型一、離子類型一、離子類型n有機化合物在質譜中可以形成多種離子類型，有機化合物在質譜中可以形成多種離子類型， 有分子離子、碎片離子、同位素離子、亞穩離子、有分子離子、碎片離子、同位素離子、亞穩離子、 重排離子和多電荷離子等。重排離子和多電荷離子等。 1. 分子離子分子離子分子受高速電子的轟擊失去一個價電子，即化合物失分子受高速電子的轟擊失去一個價電子，即化合物失去一個電子形成的

10、離子。用去一個電子形成的離子。用M+或或 表示M - e M+或或 + 正離子，正離子， 未成對電子未成對電子所以分子離子是奇電子離子。所以分子離子是奇電子離子。在質譜圖上對應的峰為分子離子峰。在質譜圖上對應的峰為分子離子峰。 容易電離的順序：容易電離的順序：n電子電子 電子電子 電子電子有機化合物分子離子的穩定性順序有機化合物分子離子的穩定性順序:芳香環芳香環共軛烯共軛烯孤立烯孤立烯環狀化合物環狀化合物酮酮醚醚酯酯胺胺酸酸醇醇直鏈烴直鏈烴支鏈烴支鏈烴MMM質譜中分子離子峰的識別及分子式的確定是至關重要的.分子離子峰的判別分子離子峰的判別 (1) 必須是質譜圖中必須是質譜圖中質量最高的離子質量

11、最高的離子，具有最高，具有最高的的m/z, 分子離子的數值等于化合物的相對分子質分子離子的數值等于化合物的相對分子質 量。必定位于譜圖的最右邊。量。必定位于譜圖的最右邊。M M+-e奇數個電子譜圖最右端確定分子量 奇電子離子奇電子離子OE（M+）： 帶有未成對電子的離子，如帶有未成對電子的離子，如 M+, A+, C+ 計算不飽和度計算不飽和度U，如果，如果U為整數，則為奇電子為整數，則為奇電子 離子（離子（OE），）， 為半整數時為偶電子離子（為半整數時為偶電子離子（EE， M+， D+ , E+,電子完全成對）電子完全成對）(2) 必須是必須是奇電子離子奇電子離子、符合、符合氮規則。氮規則

12、。 氮規則氮規則在組成有機物的的所有元素中，在組成有機物的的所有元素中，偶數質量的元素一般具有偶數化合價，如偶數質量的元素一般具有偶數化合價，如C（4），），O（-2），），S（-2，0，4，6）等，）等，奇數質量的元素一般具有奇數化合價，如奇數質量的元素一般具有奇數化合價，如H（1），），Cl（1），），P（-3, 5）等。）等。氮是特例，氮是特例， 質量數是偶數，但化合價是奇數。質量數是偶數，但化合價是奇數。所謂氮規則，即是：所謂氮規則，即是：有機化合物分子中不含氮或含有偶數個有機化合物分子中不含氮或含有偶數個N原子時，原子時，其分子離子的質量數一定是偶數其分子離子的質量數一定是偶數; 若

13、含有奇數個若含有奇數個N原子，分子離子的質量數為奇數。原子，分子離子的質量數為奇數。(3) 必須能通過丟失合理的中性離子，產生譜圖必須能通過丟失合理的中性離子，產生譜圖中高質量區的重要離子。中高質量區的重要離子。合理丟失碎片合理丟失碎片。即在比分子離子小即在比分子離子小414及及2025個質量單位處，個質量單位處，不應該有離子峰出現。否則，所判斷的質量數最不應該有離子峰出現。否則，所判斷的質量數最大的峰就不是分子離子峰。因為一個化合物不可大的峰就不是分子離子峰。因為一個化合物不可能失去能失去414個氫而不斷鍵，如果斷鍵，失去的最個氫而不斷鍵，如果斷鍵，失去的最小碎片應該是小碎片應該是CH3，即

14、減少，即減少15個質量單位，同樣，個質量單位，同樣，也不可能失去也不可能失去2025個質量單位。個質量單位。合理碎片丟失合理碎片丟失 na 與最大離子相鄰的離子差值為13，不合理。nb 最大離子為122，相鄰的120可以考慮為同位素峰，由于豐度近似，可能為Br，高質量離子與最大離子的差值合理，可能120為分子離子峰。nc 最大離子84，最近離子69，合理。2.2.碎片離子：碎片離子：廣義上指由分子離子裂解產生的所有離子。廣義上指由分子離子裂解產生的所有離子。 常見的質量丟失：常見的質量丟失：M-15(CH3) M-16(O, NH2)M-17(OH,NH3) M-18(H2O)M-19(F)

15、M-26(C2H2)M-27(HCN,C2H3) M-28(CO,C2H4)M-29(CHO,C2H5) M-30(NO)M-31(CH2OH) M-32(S,CH3OH)3、同位素離子、同位素離子許多元素存在同位素許多元素存在同位素最輕同位素天然豐度最大最輕同位素天然豐度最大最大豐度同位素最大豐度同位素 分子離子峰分子離子峰M+同位素離子峰同位素離子峰 M+1 或或M+2 峰峰。 由重同位素形成的離子峰叫同位素離子峰簇。由重同位素形成的離子峰叫同位素離子峰簇。單個的單個的S、Br、Cl1H 1.007825 99.985 1.007825 99.9852H 2.014102 0.015 2.

16、014102 0.01512C 12.000000 98.9 12.000000 98.913C 13.003354 1.113.003354 1.114N 14.003074 99.64 14.003074 99.64 15N 15.000108 0.36 15.000108 0.36 16O 15.994915 99.8 15.994915 99.8 17O 16.999133 0.04 16.999133 0.04 18O 17.999160 0.2 17.999160 0.2 同位素豐度同位素豐度 一些同位素豐度一些同位素豐度 Atomic Weights and approximat

17、e natural abundance of some isotopes Isotope Atomic weight Natural abundanceIsotope Atomic weight Natural abundance ( (1212C =12.000000) (%)C =12.000000) (%) 4、亞穩離子、亞穩離子從離子源出口到檢測器之間產生的離子。從離子源出口到檢測器之間產生的離子。不穩定，中途裂解。不穩定，中途裂解。5、重排離子、重排離子分子離子在裂解同時，可能發生某些原子或原子團分子離子在裂解同時，可能發生某些原子或原子團的重排，的重排， 生成比較穩定的重排離子。生

18、成比較穩定的重排離子。6、多電荷離子、多電荷離子失掉兩個以上電子的離子是多電荷離子。失掉兩個以上電子的離子是多電荷離子。5.2 離子裂解的機理離子裂解的機理（自學）5.2.1 離子的單分子裂解離子的單分子裂解ABCDABCDABCDAABCDBCDBCDDABCABCADBC+重排e5.2.2 離子豐度的影響因素離子豐度的影響因素（自學）1產物離子的穩定性 2Stevenson規則 3質子親合能(PA)4最大烷基丟失5中性產物的穩定性2Stevenson規則5.3 有機質譜中的裂解反應有機質譜中的裂解反應化學鍵的斷裂可分為下列三種情況化學鍵的斷裂可分為下列三種情況:1均裂均裂:2異裂：異裂：3

19、半異裂：半異裂： 半異裂 （ 斷裂）。 不含O，N等雜原子，也沒有電子電子.+ XYe已失掉一個電子的鍵開裂時，電子轉向其中一個碎片。 . n烷烴 n不飽和脂肪烴 n芳烴 n醇和酚 n醛和酮n羧酸及衍生物n胺類5.4 常見各類化合物的質譜常見各類化合物的質譜5.4 常見各類化合物的質譜常見各類化合物的質譜5.4.1 烴類烴類 1飽和脂肪烴飽和脂肪烴 1) 直鏈烴直鏈烴 弱，弱， C-C斷裂機會均等斷裂機會均等 具有典型的具有典型的CnH2n+1+系列系列(m/z29,43,57) 和和 CnH2n-1+系列系列(m/z27,41,55 )離子峰，離子峰， 含含3個或個或4個個C的離子豐度最大的

20、離子豐度最大 。 Mm/z有規律遞減有規律遞減m/z29,43,57,71,85均為均為CnH2n+1+系列離子峰系列離子峰m/z27,41,55,69,83均為均為CnH2n-1+系列離子峰系列離子峰m/z43和和m/z57的離子豐度最強，的離子豐度最強，即含即含3個和個和4個個C的離子豐度最大的離子豐度最大。 如圖如圖5-10所示為正十二烷的質譜圖所示為正十二烷的質譜圖 m/z 有規律遞減有規律遞減正十二烷正十二烷m/z2) 支鏈烴支鏈烴: 分子離子峰豐度降低，分子離子峰豐度降低， 更弱更弱 分支處先裂解，生成叔碳或仲碳分支處先裂解，生成叔碳或仲碳正離子正離子MCH3CH2CH2CH(CH

21、3)CH3+.CH3CH2CH2.+CH3CHCH3+m/e 43CH3.+ CH3CH2CH2CHCH3+m/e 71CH3CH2.+(CH3)2CHCH2+m/e 57CH3CH2CH2CH(CH3)CH3+.CH3CH2CH2.+CH3CHCH3+m/e 43CH3.+ CH3CH2CH2CHCH3+m/e 71CH3CH2.+(CH3)2CHCH2+m/e 57例：例：2-甲基戊烷：甲基戊烷：2甲基戊烷甲基戊烷例：例：2不飽和脂肪鏈烴不飽和脂肪鏈烴 鏈狀烯烴分子中的雙鍵能引起鏈狀烯烴分子中的雙鍵能引起M+.、CnH2n-1+及及CnH2n+系列離子豐度增大。系列離子豐度增大。 M+穩定

22、、豐度大（比比同碳數的同碳數的烷烴稍強）烷烴稍強）有有CnH2n-1+系列離子系列離子 41+14n, n=0, 1, 2, 易易發生發生烯丙基斷裂烯丙基斷裂（ 斷裂生成斷裂生成烯丙基正離子，烯丙基正離子，41）失失 電子電子 + CH2CH=CH2+R CH2=CHCH2+ m/z=41 烯丙基離子烯丙基離子 具有重排離子具有重排離子長鏈烯烴可以發生麥氏重排長鏈烯烴可以發生麥氏重排m/z 42n炔烴炔烴的質譜碎裂特征與烯烴類似，但生成的質譜碎裂特征與烯烴類似，但生成CnH2n-3+系列離子系列離子4.環烯烴環烯烴能進行逆能進行逆Diels-Alder反應和反應和H-轉移的斷裂轉移的斷裂4-甲

23、基環己烯的逆甲基環己烯的逆Diels-Alder反應和反應和H-轉移轉移H H轉移轉移H H轉移轉移4.芳烴芳烴 M+穩定，峰強大穩定，峰強大 特征碎片特征碎片：C6H5(CH2)n+ m/z: 39, 65,77,91, 105,119 取代芳烴：取代芳烴：經經 斷裂斷裂生成芐基離子生成芐基離子 鎓離子鎓離子 （m/z=91），可進一步離解成環戊二烯基），可進一步離解成環戊二烯基 離子和環丙烯基離子離子和環丙烯基離子練習：正丁苯的質譜如圖5-17所示，試解釋質譜中m/z91,92碎片離子的形成過程。5.4.2醇類醇類1. 飽和脂肪鏈醇飽和脂肪鏈醇（硫醇，分子離子峰強）（硫醇，分子離子峰強）失

24、水失水（ i斷裂斷裂,消除反應消除反應）生成生成的常常是的常常是圖譜中圖譜中m/z最大的離子最大的離子 i看不到分子離子峰看不到分子離子峰2）飽和醇羥基的）飽和醇羥基的CC鍵易發生斷裂，即發生鍵易發生斷裂，即發生-斷斷裂產生裂產生CnH2n+1O+（31+14n）特征系列離子峰特征系列離子峰 3)氧鎓離子氧鎓離子M-28 + M-29+ H轉移轉移H重排i斷裂5.4.4 醚類（硫醚，分子離子峰強）醚類（硫醚，分子離子峰強）n醚易發生醚易發生斷裂形成烊離子，并進一步重排反應斷裂形成烊離子，并進一步重排反應 .離子特征是離子特征是CnH2n+1O+（如：如：m/z 31、45、5931+14n）

25、H3CCH2OCH2CH3H3CCH2OCH2CH3OCH2HOCH2m/z 31H2CCHHH離子H重排CH2CH2+(100%)m/z59ORRROR+n醚還可以進行由電荷中心引發的醚還可以進行由電荷中心引發的i 斷裂，生斷裂，生成成m/z 29、43、57、71等烷基離子的反應等烷基離子的反應5.4.5 醛、酮類醛、酮類n直鏈醛、酮易發生-斷裂，丟失最大的烷基基團，產生酰基陽離子。醛基氫不容易失去，常產生m/z29的較強的離子碎片峰，而酮產生CnH2n1CO為通式的特征離子系列峰，如m/z 43、57，71 等 CCH3ROROCCH3m/z 43+-斷裂具有具有H的醛、酮可發生麥氏重排

26、反應的醛、酮可發生麥氏重排反應 OCCH2CH2CHRHAOHCACH2CHRCH2A= H: 醛AR: 酮+5.4.6 羧酸羧酸1脂肪羧酸脂肪羧酸見P249圖5-28、5-29（低級脂肪酸）（低級脂肪酸）2芳香羧酸的分子離子峰相當強，芳香羧酸的分子離子峰相當強，顯著特征是有顯著特征是有M17、M45離子峰。離子峰。 鄰位取代的芳香羧酸產生占優勢的鄰位取代的芳香羧酸產生占優勢的M18失水離子峰。失水離子峰。 5.4.7 酯酯n分子離子峰較弱，但可以看到分子離子峰較弱，但可以看到n裂解所產生的離子常為質譜圖中的強峰（有時裂解所產生的離子常為質譜圖中的強峰（有時為基峰）為基峰） RCOORRCOO

27、Rm/z 59、73、87 等M15、M29、M43 等或m/z 15、29、43、57 等M59、M73 等+RCOORRCOORm/z 43、57、71等(M-31、M45等)m/z 31、45、59等(M-43、M47等）或n酯也可以進行以下酯也可以進行以下H轉移、轉移、斷裂的麥氏重排斷裂的麥氏重排 產生的峰產生的峰：7414 nOCCH2CH2CHRHOHCROCH2OCROCH3CHRCH2+ROC2H5C3H7R=R=R=CH3時時時m/z =74：m/z =88：m/z =102有些酯也可以在有些酯也可以在CO處斷裂，發生另一種途徑的麥式處斷裂，發生另一種途徑的麥式重排（不作要求）。重排（不作要求）。n雙氫重排：比麥氏重排多一個氫（不作要求）雙氫重排：比麥氏重排多一個氫（不作要求）,OOHROOROORH-HHHOH2RHO+R = CH3 時 m/z =61 ,時Rm/z =75C2H5=,5.4.9 酰胺酰胺(1) 含含4個個C以上的伯酰胺主要發生麥氏重排反應以上的伯酰胺主要發生麥氏重排反應 OHCCHACH2CHRNH2OCCHACH2CHRHNH2OHCCHANH2+A=H : m/z =59m/z =73m/z =87A=C2H5 :A=CH3 :(2) 不可