第16章質譜法(MassSpectrometry,MS)16.1質譜分析原理及質譜儀一、基本原理概述二、質譜儀性能指標三、儀器組成16.2質譜圖及其應用一、質譜圖二、質譜峰類型三、質譜定性分析四、質譜定量分析發展歷史：1813年：Thomson運用MS報道了Ne是由22Ne和24Ne兩種同位素組成；隨后，同位素分析起先發展20世紀40年頭初：起先將MS用于石油工業中烴的分析，并大大縮短了分析時間20世紀50年頭初：質譜儀器起先商品化，廣泛用于各類有機物的結構分析。同時質譜方法與NMR、IR等方法結合成為分子結構分析最有效的手段20世紀80年頭：非揮發性或熱不穩定分子的分析進一步促進了MS的發展；20世紀90年頭：由于生物分析的須要，一些新的離子化方法得到快速發展；目前一些儀器聯用技術如GC-MS，HPLC-MS，GC-MS-MS，ICP-MS等正發揮重要作用。應用

質譜是應用最為廣泛的化合物結構分析方法之一，它可以為我們供應以下信息：a)

樣品元素組成；b)

無機、有機及生物分子的結構---結構不同，分子或原子碎片不同(質荷比不同)c)

困難混合物的定性定量分析---與色譜方法聯用(GC-MS，LC-MS)；d)固體表面結構和組成分析---激光燒蝕等離子體---質譜聯用；樣品中原子的同位素比。16.1質譜分析原理及質譜儀一、基本原理概述離子源轟擊樣品帶電荷的碎片離子電場加速(zeU)獲得動能(1/2mV2)磁場分離(m/z)檢測器記錄質譜分析是將樣品轉化為運動的帶電氣態離子，于磁場中按質荷比(m/z)大小分別并記錄的分析方法。

其過程為可簡潔描述為：其中，z為電荷數，e為電子電荷，U為加速電壓，m為碎片質量，V為電子運動速度。指質譜儀辨別相鄰質量數離子的實力。定義為：兩個相等強度的相鄰峰(質量分別為m1和m2)，當兩峰間的峰谷不大于峰高的10%時，則可認為兩峰已分開，其辨別率R為：可見在質量數小時，辨別率亦較小。

二、質譜儀的辨別率實際工作中很難找到上述兩相等的峰，常以下式表示：其中W0.05表示峰高5%處的峰寬。

R與離子通道半徑r、加速器和收集器狹縫寬度、離子源的性質和質量等因素有關。三、儀器組成按質量分析器(或者磁場種類)可分為靜態儀器和動態儀器，即穩定磁場（單聚焦及雙聚焦質譜儀）和變更磁場（飛行時間和四極桿質譜儀）。MS儀器：進樣系統電離源質量分析器真空系統檢測系統1.真空系統如圖所示，質譜儀中全部部分均要處高度真空的條件下(10-4-10-6Torr),其作用是削減離子碰撞損失。真空度過低，將會引起：a）大量氧會燒壞離子源燈絲；b）引起其它分子離子反應，使質譜圖困難化；c）用作加速離子的幾千伏高壓會引起放電；d）干擾離子源正常調整。2.進樣系統1.3-0.13Pa對進樣系統的要求：重復性、不引起真空度降低。進樣方式：a)間歇式進樣：適于氣體、沸點低易揮發的液體、中等蒸汽壓固體。注入樣品(10-100g)—貯樣器(0.5L-3L)—抽真空(10-2Torr)并加熱—樣品蒸汽(壓力梯度)—漏隙—高真空離子源b)

干脆探針進樣：高沸點液體及固體優點：1)引入樣品量小，樣品蒸汽壓可以很低；2)可以分析困難有機物；3)應用更廣泛。c)色譜進樣：利用氣相和液相色譜的分別實力，進行多組份困難混合物分析。探針桿通常是一根規格為25cm6mmi.d.，末端有一裝樣品的黃金杯(坩堝)，將探針桿通過真空閉鎖系統引入樣品，如圖所示。根據樣品離子化方式通常可將電離源分為：氣相源：先蒸發再激發，適于沸點低于500oC、對熱穩定的樣品的離子化，包括電子轟擊源、化學電離源、場電離源、火花源；解吸源：固態或液態樣品不需要揮發而直接被轉化為氣相，適用于分子量高達105的非揮發性或熱不穩定性樣品的離子化。包括場解吸源、快原子轟擊源、激光解吸源、離子噴霧源和熱噴霧離子源等。根據電離源能量高低，通常可將電離源分為硬源：離子化能量高，伴有化學鍵的斷裂，譜圖復雜，可得到分子官能團的信息；軟源：離子化能量低，產生的碎片少，譜圖簡單，可得到分子量信息。因此，可據分子電離所需能量不同可選擇不同電離源。3.電離源(室)將引入的樣品轉化成為碎片離子的裝置。a)

電子轟擊源(ElectronBombIonization，EI)作用過程：接受高速(高能)電子束沖擊樣品，從而產生電子和分子離子M+，M+接著受到電子轟擊而引起化學鍵的斷裂或分子重排，瞬間產生多種離子。水平方向：燈絲與陽極間(70V電壓)—高能電子—沖擊樣品—正離子垂直方向：G3-G4加速電極(低電壓)---較小動能---狹縫準直G4-G5加速電極(高電壓)---較高動能---狹縫進一步準直--離子進入質量分析器。特點：運用最廣泛，譜庫最完整；電離效率高；結構簡潔，操作便利；但分子離子峰強度較弱或不出現(因電離能量最高)。EIb)

化學電離源(ChemicalIonization,CI)作用過程：樣品分子在承受電子轟擊前，被一種反應氣(通常是甲烷)稀釋，稀釋比例約為103:1，因此樣品分子與電子的碰撞幾率微小，所生成的樣品分子離子主要由反應氣分子組成。進入電離源的分子R-CH3大部分與CH5+碰撞產生(M+1)+離子；小部分與C2H5+反應，生成(M-1)+離子：特點：電離能小，質譜峰數少，圖譜簡潔；準分子離子(M+1)+峰大,可供應分子量這一種要信息c)

場電離源(Fieldionization,FI)應用強電場(電壓梯度107-108V/cm)誘導樣品電離。過程：強電場(電極間距約10-4cm)—較大偶極矩和高極化率分子與陽極碰撞—帶正電荷的碎片離子—進入聚焦單元。陽極要求：電極尖銳，其上長滿微針(W絲上的苯基腈裂解生成)構成多尖陳設電極，既所謂“金屬胡須”放射器，可提高電離效率。樣品↓特點：電離溫順，碎片少，主要產生分子離子M+和(M+1)+峰。類似于場電離源，它也有一個表面長滿“胡須”(長0.01mm)的陽極發射器(Emitter)。過程：樣品溶液涂于發射器表面---蒸發除溶劑——強電場——分子電離——奔向陰極——引入磁場EIFIFDd)

場解吸源(Fielddesorption,FD)特點：特殊適于非揮發性且分子量高達100000的分子。樣品只產生分子離子峰和準分子離子峰，譜圖最為簡潔。過程：30kV脈沖電壓---火花---樣品局部高熱---元素蒸發---原子或離子---經加速進入磁場進行分別e)

火花源(Spark)：針對金屬合金或離子殘渣樣品等非揮發性無機物的分析，類似于AES中的激發光源。特點：元素分析靈敏度高，可分析困難樣品(60種元素)，譜圖簡潔，線性范圍寬。過程：高速電子——惰性氣體電離——電場加速——高速原子離子束——撞擊涂有樣品的金屬板——能量轉移給樣品分子——電離——引入磁場分別。質量分析器銅針探頭探針二次離子狹縫原子束樣品層FAB：特點：1）分子離子和準分子離子峰強；2）碎片離子峰也很豐富；3）適合于熱不穩定、難揮發的樣品。f)

快原子轟擊(Fastatombombardment,FAB)1）磁分析器單聚焦型：用一個扇形磁場進行質量分析的質譜儀4.質量分析器作用是將不同碎片按質荷比m/z分開。質量分析器類型：磁分析器、飛行時間、四極桿、離子捕獲、離子回旋等。帶電離子進入質量分析器，在磁場(場強為B)作用下，飛行軌道彎曲(曲率半徑為Rm)。當向心力Bzev與離心力mv2/Rm

相等時，離子才能飛出磁場區電場加速，U為加速電壓因此亦可得到當B、Rm、U三個參數中任兩個保持不變而變更其中一個參數時，可得質譜圖。現代質譜儀通常是保持U、Rm不變，通過掃描磁場來得到質譜圖的。單聚焦質量分析器只是將m/z相同而入射方向不同的離子聚焦到一點（或稱實現了方向聚焦）。但對于m/z相同而動能（或速度）不同的離子不能聚焦，故其辨別率較低，一般為5000。下圖是單聚焦型質量分析器更直觀地的工作過程。雙聚焦型(Doublefocusingspectrometer)

為克服動能或速度“分散”的問題，即實現所謂的“速度(能量)聚焦”，在離子源和磁分析器之間加一靜電分析器（ESA），如下圖所示，于兩個半徑固定的扇形電極板上加始終流電壓V，只有動能與其曲率半徑相應的離子才能通過狹縫B----實現能量聚焦了！

然后，變更V值可使不同能量的離子從其“出射狹縫”引出，并進入磁分析器再實現方向聚焦。思索：為什么雙聚焦儀比單聚焦儀有更高的辨別率？雙聚焦質量分析器辨別率可高達150,000!不同離子通過同一長度為L的無場漂移管所需時間相差：2）飛行時間分析器(Timeofflight,TOF)過程：不同荷電碎片在飛出離子源的速度（動能）基本一樣。某離子在到達無場漂移管前端時，其速度大小為：到達無場漂移管末端的時間為：由于不同m/z的離子，其飛出漂移管的時間不同，因而實現了離子的分別。因為連續電離和加速使檢測器產生連續輸出而不能得到有效信息，因此實際工作中常接受相同頻率的電子脈沖電離和脈沖電場加速，被加速的粒子經不同的時間到收集極上，并反饋到示波器上記錄，從而得到質譜圖。特點：掃描速度快(1000幅/s)，可用于探討快速反應或與GC聯用；可用于高質量離子分析；體積小，操作簡潔；辨別率比磁分析器稍差。過程：在兩個相對的極桿之間加電壓(U+Vcost)，在另兩個相對的極桿上加-(U+Vcost)。與前述雙聚焦儀的靜電分析器類似，離子進入可變電場后，只有具合適的曲率半徑的離子可以通過中心小孔到達檢測器。3）四極濾質器(Quadrupolemassfilter)特點：辨別率比磁分析器略低(max.2000);m/z范圍與磁分析器相當；傳輸效率較高；掃描速度快，可用于GC-MS聯用儀。4）離子阱(Iontrapanalyzer)離子阱的橫截面圖過程：上下端罩(Endcap)與左右環電極(Ringelectrode)構成可變電場(前者接地，后者施以射頻電壓)——帶電離子在確定軌道上旋轉——變更電壓——可使相同m/z離子依次離開進入電子倍增器而分別。特點：結構簡潔、易于操作、GC-MS聯用可用于m/z200-2000的分子分析。4、檢測器2）電子倍增器：類似于光電倍增管，可測10-18A電流。但有質量卑視效應。3）閃爍計數器：記錄離子的數目。包括Faraday杯、電子倍增器、閃爍計數器、照相底片等1)Faraday杯：下圖是Faraday杯結構原理圖特點：可檢測10-15A的離子流，但不適于高加速電壓下的離子檢測。16.2質譜圖及其應用一、質譜圖以質荷比m/z為橫座標，以對基峰(最強離子峰，規定相對強度為100%)相對強度為縱座標所構成的譜圖，稱之為質譜圖。二、質譜峰類型分子在離子源中可產生各種電離，即同一分子可產生多種離子峰：分子離子峰、同位素離子峰、碎片離子峰、重排離子峰、亞穩離子峰等。分子離子碎片離子重排裂解碰撞裂解設有機化合物由A，B，C和D組成，當蒸汽分子進入離子源，受到電子轟擊可能發生下列過程而形成各種類型的離子：1）分子離子峰ABCD+為分子離子峰，m/z即為分子的分子量。對于有機物，雜原子S，O，P，N等上的未共用電子對最易失去，其次是電子，再其次是電子。2）碎片離子峰因分子發生鍵的斷裂只須要十幾電子伏特的能量，而電子轟擊的能量為70eV，因而會產生更小的碎片離子峰。烷烴化合物斷裂多在C-C之間發生，且易發生在支鏈上：~~烯烴多在雙鍵旁的第二個鍵上開裂：~~苯的最強峰為M+，芳香族化合物將先失去取代基，再形成苯甲離子含C=O鍵化合物的開裂多在與其相鄰的鍵上：~~對含雜原子的分子，斷裂的鍵位順序為位、位和位：R—XR++X?~共振穩定化離子~分子離子峰和碎片離子峰的識別和解析，對有機分子的定性分析特別重要。可以通過選擇不同離子源來獲得不同的信息。下圖是不同離子源下麻黃堿的質譜圖。化學電離源電子轟擊源麻黃堿化學電離與電子轟擊源質譜圖比較分子離子峰3)同位素峰由于自然同位素的存在，因此在質譜圖上出現M+1，M+2等峰，由這些同位素所形成的峰稱之為同位素峰。4）重排離子峰原子或基團經重排后再開裂而形成一種特殊的碎片離子，稱重排離子。如醇分子離子經脫水后重排可產生新的重排離子峰。

1.麥氏重排

m/e=58,是具有γ-H甲基酮的特征峰。

γ位上有氫原子的烷基取代芳烴：2.逆狄爾斯—阿爾德反應（環烯斷裂反應)

3.飽和分子的氫重排（消退反應）X為鹵素原子時，消去HX

X為—OH時，消去H2O

X為—SH…，…H2S等。

過程：質量數為m1的帶電離子，由于碰撞等緣由，在進入質量分析器之前，失去中性碎片m而變成m2的離子(此時m1能量變小，在磁場中有更大的偏轉)從而形成亞穩離子峰m*，此時可將此峰看成m1和m2的“混合峰”，即形成“寬峰”，極易識別。且滿足下式：

此式可用于找尋裂解途徑(通過母離子m1與子離子m2的關系)。4）亞穩離子峰三、質譜定性分析分子量測定、化學式及結構式鑒定1、分子量確定依據分子離子峰質荷比可確定分子量，通常分子離子峰位于質譜圖最右邊，但由于分子離子的穩定性及重排等，質譜圖上質荷比最大的峰并不確定是分子離子峰。那么，如何辯認分子離子峰呢？1）原則上除同位素峰外，分子離子峰是最高質量的峰。但要留意“醚、胺、脂的(M+H)+峰”及“芳醛、醇等的(M-H)+峰”。2）分子離子峰應符合“氮律”。在C、H、O組成的化合物中，分子離子峰的質量數確定是偶數；在含C、H、O、N化合物中，含偶數個N的分子量為偶數，含奇數個N的分子量為奇數。3）分子離子峰與鄰近峰的質量差是否合理。有機分子失去碎片大小是有規律的：如失去H、CH3、H2O、C2H5…….，因而質譜圖中可看到M-1，M-15，M-18，M-28等峰，不行能出現M-3，M-14，M-24等峰，如出現這樣的峰，則該峰一定不是分子離子峰。4）利用同位素幫助識別分子離子峰。如含有Cl和Br時，由于其含有豐度較高的重同位素，Cl中含35Cl為75.77%,37Cl為24.23%，Br中79Br為50.54％，81Br為49.46％。因此，若分子中含有一個氯原子，則M和M＋2峰強度比為3：1；若分子中含有一個溴原子，則M與M＋2之比為1：1。5）EI源中，當電子轟擊電壓降低，強度不增加的峰不是分子離子峰。2、化學式的確定

高辨別質譜：可辨別質荷比相差很小的分子離子或碎片離子。如CO和N2分子離子的m/z均為28，但其精確質荷比分別為28.0040和27.9949，高辨別質譜可以識別它們。b)低辨別質譜：不能辨別m/z相差很小的碎片離子，如CO和N2。通常通過同位素相對豐度法來確定分子的化學式。對于化合物CwHxNyOz，其同位素離子峰(M+1)+和(M+2)+與分子離子峰的強度比分別為：忽略2H和17O的影響，上二式簡化為對于含有Cl,Br,S等同位素自然豐度較高的化合物其同位素離子峰相對強度可由（a+b)n綻開式計算，其中a、b分別為該元素輕重同位素的相對豐度，n為分子中該元素的原子個數。CH3Cl；因為，a=3,b=1,n=1,因此(3+1)1=3+1，