1、第四章 質譜法Mass Spetrometry (MS)概述 分子質量精確測定與化合物結構分析的重要工具質譜儀的發展史1911年:世界第一臺質譜裝置（J. J. Thomson）早期應用： 原子質量、同位素相對豐度等40年代: 用于同位素測定和無機元素分析50年代：開始有機物分析（分析石油）60年代：研究GC-MS聯用技術70年代：計算機引入80年代：新的質譜技術出現：快原子轟擊電離子源，基質輔助激光解吸電離源，電噴霧電離源，大氣壓化學電離源；LC-MS聯用儀，感應耦合等離子體質譜儀，付立葉變換質譜儀等。 目前質譜分析法已廣泛地應用于化學、化工、材料、環境、地質、能源、藥物、刑偵、生命科學、運

2、動醫學等各個領域。特點：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 的改變無關質譜是分子離子及碎片離子的質量與其相對 強度的譜, 譜圖與分子結構有關 質譜法進樣量少, 靈敏度高, 分析速度快質譜是唯一可以給出分子量, 確定分子式的方法, 而分子式的確定對化合物的結構鑒定是至關重要。 一、 定義： 使待測的樣品分子氣化，用具有一定能量的電子束（或具有一定能量的快速原子）轟擊氣態分子，使氣態分子失去一個電子而成為帶正電的分子離子。分子離子還可能進一步斷裂成各種碎片離子，所有的正離子在電場和磁場的綜合作用下按質荷比（m/z）大小依次收集和記錄就得到質譜圖。5-1 質譜法的基本知識 二、質

3、譜儀質譜計主要由真空系統、進樣系統、離子源、質量分析器、檢測器、記錄系統等六大部分組成離子源是樣品分子電離成正離子的裝置，質量分析器是正離子按不同質荷比進行分離的裝置，是質譜儀的核心部分，各種質譜儀最重要的區別就在于離子源和質量分析器試樣經汽化經進樣系統離子源產生正離子同時被加速質量分析器按不同質荷比進行檢測器 得到離子信號質譜質量分析器有： 1.單聚焦 2.雙聚焦 3.飛行時間 4.四極桿質譜儀需要在高真空下工作：離子源（10-410 -5 Pa ） 質量分析器（10 -6 Pa ）以50-100eV能量的電子流轟擊試樣試樣在離子源中被 離子化的方法有1. 電子轟擊（EI）2. 化學電離（C

4、I）場致離（FI）和場解吸 （ FD ） 4. 快原子轟擊（FAB）5. 電噴霧電離（ESI）三、質譜的基本原理1、進樣化合物通過汽化引入離子源；.2、離子源在離子源中，試樣分子被一束加速電子碰撞（能量約70eV），撞擊使分子電離形成正離子；式中M為待測分子，M+為分子離子或母體離子3、離子也可因撞擊強烈而形成碎片離子：4、正電荷離子被加速電壓加速，產生一定的速度v，加速后其動能和位能相等，即： .（1）5、當被加速的離子進入質量分析器時，磁場再對離子進行作用（與其飛行方向垂直），使每個離子做弧形運動。其半徑決定于各離子的質量和所帶電荷的比值m/z。此時由離子動能產生的離心力(mv2/R)與由

5、磁場產生的向心力(Bzv)相等：其中：R為弧形半徑 B為磁場強度由此式得：(2)代入(1)式得：（質譜基本方程）注意：若加速電壓V和磁場強度B一定，不同m/z的離子，R不同的離子在質量分析器中被分開，一般重離子弧形半徑R大，輕離子R小若R一定，改變V和BR，V一定，改變B，為磁場掃描法，當B又小到大變化時，先收集到（分離出）的是輕離子R，B一定，改變V，為電場掃描法，當V由小到大變化時，先收集到的是重離子 質譜圖由橫坐標、縱坐標和棒線組成。橫坐標標明離子質荷比（m/z）的數值，縱坐標標明各峰的相對強度，棒線代表質荷比的離子。因多電荷離子比較少，質譜的橫坐標就是離子的質量，峰的相對強弱表示該離子

6、的數量多少，圖譜中最強的一個峰稱為基峰，將它的強度定為100。丁酮的質譜圖四、 質譜圖的組成五、 質譜中離子的主要類型1. 分子離子 分子被電子束轟擊失去一個電子形成的離子稱為 分子離子。分子離子用 M 表示。在質譜圖上，與分子離子相對應的峰為分子離子峰或母峰。特點：1）分子離子峰的質荷比就是化合物的相對分子質量，所以，用質譜法可測分子量。2）分子離子峰一般位于質譜圖的最右端（除同位素峰外）有機化合物分子離子峰的穩定性順序：芳香化合物共軛鏈烯烯烴脂環化合物直鏈烷烴酮胺酯醚酸支鏈烷烴醇2. 碎片離子一般有機化合物的電離能為13電子伏特，質譜中常用的電離電壓為70電子伏特，使分子離子的化學鍵進一步

7、斷裂，產生質量數較低的各種“碎片”離子，在質譜圖上出現相應的峰，稱為碎片離子峰。位于分子離子峰的左側正己烷碎片離子峰正癸烷3. 同位素離子 組成有機化合物的多數元素都具有天然同位素，如C、H、O、N、S、Cl、Br等，因此，在質譜中除了最輕同位素所形成的峰以外，還會現一個或多個重同位素形成的、等，這些峰成為同位素離子峰最輕同位素天然豐度最大 分子離子峰 M+同位素離子峰 M+1 或 M+2 峰一些同位素的自然豐度常見同位素及其豐度元素最大豐度同位素 其他同位素 12C 100 13C 1.08H 1H 100 2H 0.02N 14N 100 15N 0.37O 16O 100 17O 0.0

8、4 18O 0.20S 32S 100 33S 0.78 34S 4.4Cl 35Cl 100 37Cl 32.5Br 79Br 100 81Br 97.3分子離子峰和同位素離子峰的相對強度是可以估算的：同位素峰M+!的強度（豐度）同位素離子峰M+2的強度（豐度）不同種類的同位素，其同位素峰強度的求法各不相同，如下分別介紹：（1）對于含C、H、O、N、S的化合物，其分子式表示成CwHxNyOzSq，M+1同位素峰相對于分子離子峰M的強度：M+2同位素峰相對于分子離子峰M的強度：例如C8H12N3O，同位素離子峰M+1、M+2的相對強度M：M+1：M+2=100：10.03：0.594（2）對于

9、含有Cl、Br的化合物，可用（a+b)n展開式各項比來估計分子離子峰和同位素離子峰的相對強度；其中：a為輕同位素豐度，b為重同位素豐度，n 為鹵原子數目。含Cl原子含一個Cl原子 n=1 a:b=100:32.5=3:1所以（a+b)1=3+1 M: M+2=3:1b.含兩個Cl原子 n=2 所以（a+b)2=(3+1 )2=9+6+1M：M+2：M+4=9:6:1含Br原子a.含一個Br原子 n=1 a:b=100:97.3=1:1所以（a+b)1=1+1 M：M+2=1:1b. a.含兩個Br原子 n=2 所以（a+b)2=1+2+1 M：M+2：M+4=1:2:1c.若含3個Br原子 n

10、=3M：M+2：M+4：M+6=1：3：3：1(a+b)n3:19:6:127:27:9:1(1+1)(1+1)2(1+1)3(1+1)481Br/79Br=97.9:1001:11:11:2:11:3:3:11:4:6:4:1(a) 2-氯丙烷M+ 78M+2 80 (M+2)/M 1:3(b) 2-溴丁烷M+ 136M+2 138 (M+2)/M 1:14.亞穩離子 在離子源中產生的離子絕大多數能穩定的到達檢測器，而有些不穩定離子 ，在從離子源抵達檢測器途中會發生裂解質譜儀無法檢測到這種中途裂解的離子。一般，離子從離子源到達檢測器的時間為105s數量級，若離子M1,質量m1離子壽命105s

11、，足以到達檢測器,測的其本身m1/z當離子壽命105s，測的是m2/z 在質譜解析中，m*可提供母離子和子離子之間的關系。 10-6s離子壽命m/z 99m/z 1132.不飽和脂肪烴鏈狀烯烴產生M 具有CnH2n+1+、 CnH2n+和CnH2n-1+系列峰烯烴可以發生麥氏重排易發生烯丙斷裂，生成很強的烯丙離子3.醇、醚、胺(1)醇1）分子離子峰均很弱2）易在電流的轟擊下失水，形成脫水峰M-18,很強常為基峰3）似麥氏重排：失去烯、水；M1828 的峰。4）小分子醇出現 M1 的峰5）易發生a斷裂，產生CnH2n+1O+特征峰仲醇伯醇：叔醇醇的碎片離子峰為 m/z 31+14n1）分子離子峰

12、很弱；往往不出現。2）主要裂解方式為 斷裂和經過四元環過渡態的氫重排。3）出現 30、44、58、72系列 3014 n 的含氮特征碎 片離子峰。（2）胺當RC2發生H 重排，指-H 轉移到雜原子上，a鍵斷裂(3) 醚1）分子離子峰弱2） 裂解，再進行H生成系列 CnH2n+1O 的含氧碎片峰31+14n（31、45、59）3）裂解，生成一系列 CnH2n+1 碎片離子。（29、43、57、71）斷裂4.醛、酮類化合物1）分子離子峰一般較強。2）主要發生a-斷裂，優先丟失大基團，產生酰基陽離子。3）當有常r-H時常發生麥氏重排。4）對于醛常出現M-1、M-29的碎片峰， M-43和M-44是常

13、見峰5）醛與酮區別是醛能發生脫水反應，生成M-18峰重排離子峰 44+14n 當有r-H時，發生麥氏重排5.羧酸、酯、酰胺a. 發生a斷裂b. 化合物有r-H時，易發生麥氏重排重排離子峰 44+14n 其中x-OH、OR、NH2NHR、NR21）羧酸a斷裂產生m/z45的離子峰，CO+麥氏重排：2）酯a斷裂產生酰基陽離子m/z 43、57、71、系列峰麥氏重排:系列峰60+14nm/z 60, 系列峰為60+14n3）酰胺a斷裂伯酰胺 H2N-CO+ m/z 44仲酰胺、叔酰胺系列峰：43+14n麥氏重排：系列峰：59+14n6.鹵化物脂肪族鹵代烴的分子離子峰弱 1） 斷裂產生符合通式 CnH

14、2nX+ 的離子 2） 斷裂，生成（MX ）+的離子 3）含 Cl、Br 的直鏈鹵化物易發生重排反應，形成符合 CnH2nX+ 通式的離子4）易發生脫鹵化氫反應，生成（M-HX） 和CnH2n-1+二.芳香族化合物5.2 分子離子與分子式 5.1.1 分子離子峰的識別 1. 在質譜圖中，分子離子峰應該是最高質荷比的 離子峰（同位素離子及準分子離子峰除外）。 2. 分子離子峰是奇電子離子峰。 3. 分子離子能合理地丟失碎片（自由基或中性分子）， 與其相鄰的質荷比較小的碎片離子關系合理。 4. 氮律：當化合物不含氮或含偶數個氮時，該化合物 分子量為偶數；當化合物含奇數個氮時，該化合物 分子量為奇數

15、。5.2.2 分子離子峰的相對強度（RI） 1. 芳環（包括芳雜環） 脂環化合物 硫醚、硫酮 共軛烯 分子離子峰比較明顯。 2. 直鏈酮、酯、酸、醛、酰胺、鹵化物等通常顯示 分子離子峰。 3. 脂肪族醇、胺、亞硝酸酯、硝酸酯、硝基化合物 、腈類及多支鏈化合物容易裂解，分子離子峰通 常很弱或不出現。 5.2.3 M+. 峰和 (M+1)+ 峰或 (M-1)+ 峰的判別 醚、酯、胺、酰胺、腈化物、氨基酸酯、胺醇 等 可能有較強的 (M+1)+ 峰；芳醛、某些醇或某些含氮 化合物可能有較強的 (M-1)+ 峰。5.2.4 分子式的推導 1. 如何判斷分子式的合理性 該式的式量等于分子量；是否符合氮律

16、； 不飽和度是否合理。2. 低分辨質譜法 同位素相對豐度的計算法、查 Beynon 表法 1) 同位素峰簇及其相對豐度 除 F、P、I 外，都有同位素 分子離子或碎片離子峰常以同位素簇的形式存在。 低質量的同位素（A）豐度計為100 設某一元素有兩種同位素，在某化合物中含有 m 個該元素的原子，則分子離子同位素峰簇的各峰的相對豐度可用二項式 (a+b)m 展開式的系數推算； Cl : 個數 峰形 Br : 個數 峰形 1 3:1 1 1:1 2 9:6:1 2 1:2:1 3 27:27:9:1 3 1:3:3:1 若化合物含有 i 種元素，它們都有非單一的同位素組成，總的同位素峰簇各峰之間的

17、強度可用下式表示： (a1+b1)m1 (a2+b2)m2 (ai+bi)mi 2）利用同位素峰簇的相對豐度推導化合物的分子式 a. 從 M+1 峰與 M 峰強度的比值 可估算出分子中含碳的數目 式中 I(M+1) 和 I(M) 分別表示 M+1 峰和 M 峰的（相對）強度 b. 從 M+2 峰與 M 峰強度的比值 可估算出分子中含 S，Cl，Br 的數目 S 4.4% ； M+2, M+4, M+6 峰很特征 c. 其它元素的存在及其原子數目 氟的存在可以從分子離子失去20，50 u （分別對應失去HF，CF2）而證實 碘的存在可以從 M127 得到證實 若存在 m/z 31，45，59 的

18、離子，說明有醇、醚 形式的氧存在。從分子量與已知元素組成質量的 較大差額也可估計氧原子的存在個數。 從分子量與上述元素組成的質量差額可推測分子 中存在的氫原子數目。 3. 高分辨質譜法 可測得化合物的精確分子量 如： C5H14N2O3 C6H14O4 150 150 低 150.1004 150.0892 高例1：化合物 A 的質譜數據及圖如下，推導其分子式。解：圖中高質荷比區 m/z 73，74；設 m/z 73為 M+.，與相鄰強度較大的碎片離子58之間（15）為合 理丟失峰(.CH3)，可認為m/z 73為化合物 A 的分子離子峰，74為（M+1）峰。因 M+. 的 m/z 為奇 數，

19、說明 A 中含有奇數個氮。 通過計算可知，分子中碳的數目 5，若為5，則分子式為C5N，其分子量大于73，顯然不合理。若為4，則731412411，可 能的分子式為 C4H11N，0。該式組成合理，符合氮律，可認為 是化合物 A 的分子式。例2：化合物 B 的質譜數據及圖如下，推導其分子式。 解：設高質荷比區， RI 最大的峰 m/z 97 為分子離子峰，由于 m/z 97與m/z 98的相對強度之比約為2：1，既不符合C,H,N,O,S化合物的同位素相對豐度比，又 不符合 Cl,Br原子組成的同位素峰簇的相對豐度比，故 m/z 97可能不是分子離子峰。設 m/z 98 為分子離子峰，與 m/

20、z 71，70關系合理，可認為 m/z 98 為 M+., m/z 97 為(M1)峰。化合物不含氮或偶數氮（此處省略）。 由表中數據可知， m/z 98 (56) M+. , 99 (7.6) (M+1) , 100 (2.4) (M+2) 則 RI (M+1) / RI (M) 100=13.6，RI (M+2) / RI (M)100=4.3 由(M+2) 相對強度為 4.3 判斷化合物中含有一個硫原子， 983266，66125.5，說明羰原子數目只能小于等于 5； 若為 5，661256，可能分子式為 C5H6S，3是合理的。 若為4，6612418，此時分子式假設為 C4H18S， 4， 故不合理；假設分子中含有一個氧，此時分子式為 C4H2OS， 4 也是合理的。 所以化合物 B 的分子式可能為 ： C5H6S 或 C4H2OS例3：