主讲：石文兵

1. 第十四章 质谱分析法 主讲：石文兵 swb02182001@126.com 化学化工学院

2. 质谱分析法简介以离子的质荷比（m/z）为序，排列的图或表称为质谱（Mass Spectrum）。利用质谱进行定性、定量分析及研究分子结构的方法称为质谱法（ Mass spectrometry）。

3. 从20世纪60年代开始，质谱法更加普遍地应用到有机化学和生物化学领域。化学家们认识到由于质谱法的独特的电离过程及分离方式，从中获得的信息是具有化学本性，直接与其结构相关的，可以用它来阐明各种物质的分子结构。正是由于这些因素，质谱仪成为多数研究室及分析实验室的标准仪器之一。

4. 质谱分析法的特点 1.它是至今唯一能确定物质分子质量的方法，在高分辨率质谱仪中不仅能准确测定分子质量，而且可以确定化合物的化学式和进行结构分析。 2.质谱法的灵敏度高，鉴定的最小量可达10-10g，检出限可达10-14g。

5. 第一节 质谱分析法原理和仪器 一、仪器分析法的基本原理 质谱法一般采用高速电子来撞击气态分子或原子，将电离后的正离子加速导入质量分析器中，然后按质荷比（m/z）大小顺序进行收集和记录，即得到质谱图。

6. 还可以进行断裂 根据质谱峰的位置进行物质的定性和结构分析；根据峰的强度进行定量分析。 一般步骤： （1）试样在离子源内被气化、电离。 M + e- M•+ + 2e-

7. （2）正离子被加速（800~8000 V）： （3）加速离子进入磁场后做弧形运动： 位能 动能 离心力 向心力

8. 可以得到离子质荷比与运动轨道曲线半径R的关系：可以得到离子质荷比与运动轨道曲线半径R的关系： 或者 离子的质荷比m/z与离子在磁场中运动的曲线半径R的平方成正比。若加速电压U和磁场强度B都一定时，不同m/z的离子，由于运动的曲线半径不同，在质量分析器中彼此分开，并记录各m/z离子的相对强度。

9. 二、质谱仪器 （一）高真空系统 为了降低背景以及减少离子间或离子与分子间的碰撞，离子源、质量分析器及检测器都必须处于高真空状态。离子源的真空度为10-4~10-5Pa，质量分析器为10-6Pa。

10. （二）进样系统 1.间接进样 一般气体或容易挥发的液 体试样采用此方式进样。 2.直接进样 高沸点的试液、固体试样 可以用探针或直接进样器 送入离子源中。 3.色谱进样 从色谱柱流出的组分通过 接口进入离子源。

11. （三）离子源 是试样分子或原子离子化，同时具有聚焦和准直的作用，使离子汇聚成具有一定几何形状和能量的离子束。常用的离子源主要有电子轰击离子源、化学电离源、高频火花离子源、ICP离子源等。 目前最常用的是电子轰击离子源（Electron Impact Ionization，EI），热丝阴极向阳极发射电子流，轰击气态试样分子使之电离为正离子，在离子推斥极和栅极之间保持一定的电压，于是正离子被推斥极推向栅极B。加速电极 C比栅极电位更负，这

12. 样正离子经过两次加速及聚焦成为离子束，离子束经过狭缝进入质量分析器。离子源中的负离子被离子推斥极吸引，负离子、游离基和中性分子不被加速，由真空泵抽出。样正离子经过两次加速及聚焦成为离子束，离子束经过狭缝进入质量分析器。离子源中的负离子被离子推斥极吸引，负离子、游离基和中性分子不被加速，由真空泵抽出。

14. 上图为一电子轰击源的示意图。在灯丝和阳极之间加入约70V电压，获得轰击能量为70eV的电子束（一般分子中共价键电离电位约10eV），它与进样系统引入气体束发生碰撞而产生正离子。正离子在第一加速电极和反射极间的微小电位差作用下通过第一加速电极狭缝，至质量分析器电极狭缝，而第一加速极与第二加速极之间的高电位使正离子获得其最后速度，经过狭缝进一步准直后进人质量分析器。上图为一电子轰击源的示意图。在灯丝和阳极之间加入约70V电压，获得轰击能量为70eV的电子束（一般分子中共价键电离电位约10eV），它与进样系统引入气体束发生碰撞而产生正离子。正离子在第一加速电极和反射极间的微小电位差作用下通过第一加速电极狭缝，至质量分析器电极狭缝，而第一加速极与第二加速极之间的高电位使正离子获得其最后速度，经过狭缝进一步准直后进人质量分析器。

15. （2）化学电离源 在质谱中可以获得样品的重要信息之一是其相对分子质量。但经电子轰击产生的M+峰，往往不存在或其强度很低。必须采用比较温和的电离方法，其中之一就是化学电离法。化学电离法是通过离子-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）与试样分子按下列方式进行反应，转移一个质子给试样或由试样移去一

16. 个H+或电子，试样则变成带+l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

17. 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，一旦小量样品（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：

18. 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C2H5+更弱的C4H9+（由异丁烷）、NH4+（由氨）、H3O+（由水）的试剂离子则可更进一步简化。

19. （四）质量分析器 将离子源产生的离子按m/z的大小分离聚焦。 1.单聚焦质量分析器 其主要部件为一个一定半径的圆形管道。在垂直方向上装有扇形磁铁，产生均匀、稳定磁场，从离子源射入的离子束在磁场的作用下，由直线运动变成弧形运动。

20. 不同m/z的离子，运动曲线半径R不同，被质量分析器分开。由于出射狭缝和离子检测器的位置固定，即离子弧形运动的曲线半径R是固定的，故一般采用连续改变加速电压或磁场的强度，使不同的m/z的离子依次通过射出狭缝，以半径为R的弧形运动方式到达离子检测器。不同m/z的离子，运动曲线半径R不同，被质量分析器分开。由于出射狭缝和离子检测器的位置固定，即离子弧形运动的曲线半径R是固定的，故一般采用连续改变加速电压或磁场的强度，使不同的m/z的离子依次通过射出狭缝，以半径为R的弧形运动方式到达离子检测器。 另外还有双聚焦质量分析器和四极滤质器。

22. 此时离子受到磁场施加的向心力Bzv作用，且离子的离心力mv2·R-1也同时存在，R为离子圆周运动的半径。只有在上述两力平衡时，离子才能飞出弯曲区，即此时离子受到磁场施加的向心力Bzv作用，且离子的离心力mv2·R-1也同时存在，R为离子圆周运动的半径。只有在上述两力平衡时，离子才能飞出弯曲区，即 Bzv=mv2/R 其中B为磁感应强度，z为电荷，v为运动速度，m为质量，R为曲率半径。调整后，可得 v=BzR/m , ∵ zU = 1/2mR2 ∴

23. [例 21-2]试计算在曲率半径为10cm的1.2T 的磁场中，一个质量数为100的一价正离子 所需的加速电压是多少？ 解: 据方程（上式） =6.94×103V

24. （五）离子检测器和记录系统 常用的离子检测器是静电式电子倍增器。经离子检测器检测后的电流，经放大器放大后，用记录仪快速记录到光敏记录纸上，或者用计算机处理结果。

26. 第二节 质谱图和主要离子峰 一、质谱图与质谱表 91 正丙苯的质谱图 100 相对强度/% 120 65 39 50 105 92 78 27 51 40 60 80 100 120 m/z

27. 二、质谱中主要离子峰 分子离子峰 质谱中主要离子峰 碎片离子峰 同位素离子峰 重排离子峰 亚稳离子峰

28. （一）分子离子峰 分子离子峰的m/z值就是中性分子的相对分子质量Mr。 分子峰的强弱顺序一般为：芳环>共轭烯烃>烯>酮>直链烷烃>醚>酯>胺>酸>醇>高分子烃。

29. （二）碎片离子峰 当电子轰击的能量超过分子离子电离所需要的能量时可能使分子离子的化学键进一步断裂，产生质量数较低的碎片，成为碎片离子。在质谱图上出现相应的峰，叫碎片离子峰。 （三）同位素离子峰 比如M+、（M+1）+、（M+2）+、（M+3）+

30. （四）重排离子峰 分子离子裂解成碎片时，有些碎片不是仅仅通过键的简单断裂，有时还会通过分子内某些原子或基团的重新排列或转移而形成离子，这种碎片离子称为重排离子。质谱上相应的峰称为重排离子峰。 可以发生麦氏重排的化合物有酮、醛、酸、酯等。

31. 可以发生这类重排的化合物有：酮、醛、酸、酯和其它合羰基的化合物，含P=O，与S=O的化合物以及烯烃类和苯环化合物等。不难看出，发生这类重排所需的结构特征是，分子中有一个双键以及在γ位置上有氢原子。

32. （五）亚稳离子峰 在电离、裂解、重排过程中有些离子处于亚稳状态。例如：在离子源中生成质量为m1的离子，在进入质量分析器前的无场飞行时发生断裂，使质量由m1变为m2，形成较低质量的离子。这类离子具有m1的速度，进入质量分析器时具有m2的质量，在磁场的作用下，离子运动的偏转半径大，它的表现质量m*=m22/m1，这类离子叫亚稳离子。

33. m*形成的质谱峰叫亚稳离子峰。在质谱图上，m*峰不在m2处，而出现在比m2更低的m*处。 m*形成的质谱峰叫亚稳离子峰。在质谱图上，m*峰不在m2处，而出现在比m2更低的m*处。

34. 亚稳离子峰由于其具有离子峰宽大（约2～5个质量单位）、相对强度低、m/z不为整数等特点，很容易从质谱图中观察出来。 通过亚稳离子峰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。

35. 第三节 质谱分析法的应用 一、相对分子质量的测定

36. 在质谱图上利用分子离子峰的m/z可以准确的确定该化合物的相对分子质量。一般来说，除同位素峰外，分子离子峰一定是质谱图上质量数最大的峰，它应该位于质谱图的最右端。在质谱图上利用分子离子峰的m/z可以准确的确定该化合物的相对分子质量。一般来说，除同位素峰外，分子离子峰一定是质谱图上质量数最大的峰，它应该位于质谱图的最右端。 （一）分子离子峰的质量数应该符合氮规律。在只含有C、H、O、N的化合物中，含有偶数（包括零）个氮组成的化合物，其相对分子质量必为偶数；含有奇数个氮的化合物相对分子质量为奇数。反过来讲，质荷比为偶数的分子离子峰，不含氮或含偶数个氮。

37. （二）利用碎片峰的合理性判断分子离子峰 在离子源中，化合物分子电离后，分子离子可以裂解出游离基、或中性分子等碎片。若裂解出一个H或CH3、H2O、C2H4碎片，对应的碎片峰为M-1、M-15、M-18、M-28等，这叫做存在合理的碎片峰。若出现M-3至M-14，M-21至M-25范围内的碎片峰，称为不合理峰。

38. （三）利用同位素峰识别分子离子峰 有些元素如35Cl、79Br、32S的同位素37Cl、81Br、34S相对丰度较大，其M+2同位素峰十分明显，通过M、M+2等质谱峰来推断分子离子峰。 （四）分子离子稳定性规律 一般来说，碳原子越多、碳链较长和有支链的分子，分裂的可能性大，其分子离子的稳定性差；而有键的芳香族化合物和共轭链烃的分子稳定，分子离子峰大。

39. （五）由分子离子峰强度变化判断分子离子峰。（五）由分子离子峰强度变化判断分子离子峰。 二、化学式的确定 一般是通过同位素峰相对强度法来确定。从质谱图上测得分子离子峰M、同位素峰M+1、M+2的强度，并计算其（M+1）/M、（M+2）/M的强度百分比，根据拜诺质谱数据表查出可能的化学式，在结合其他规律，确定化合物的化学式。如例题14-1（P273）。

40. 三、结构式的确定 首先要根据化学式算出该化合物的不饱和度，确定化合物化学式中双键和环的数目。然后，应该着重分析碎片离子峰，重排离子峰和亚稳离子峰，根据碎片峰的特点，确定分子断裂方式，提出未知化合物结构单元和可能结构。最后再用全部质谱数据复核结果。如例题14-2（P274）。

41. 四、质谱定量分析 （一）无机痕量分析 通过离子峰相对强度的测量可以进行质谱定量分析。 （二）同位素的测定 质谱定量分析最早用于同位素丰度的研究。例如确定氘苯C6D6的纯度，通常可用C6D6+与C6D5H+、C6D4H2+等分子离子峰的相对强度进行定量分析。 （三）混合物的定量分析

42. 第 四 节 色谱-质谱联用简介 质谱分析具有灵敏度高、定性能力强等特点，但对于多组分复杂混合物的鉴定、定量分析比较困难。

43. 色谱则具有高效分离多组分混合物和定量分析简便的特点，但定性性能较差。色谱则具有高效分离多组分混合物和定量分析简便的特点，但定性性能较差。 将两种分析技术联用，可以相互取长补短，以扩大应用范围。色谱是质谱法理想的进样器，试样进色谱柱分离以后以纯物质的形式进入质谱仪，从而避免了复杂混合物同时进入离子源，便于检测；质谱仪是色谱法理想的检测器，它几乎可以检测出全部的化合物，并且灵敏度高。