(完整版)质谱法

第九章质谱法

一．教学内容

1.质谱分析法的基本概念、发展概况及特点

2.由质谱仪器结合质谱法的基本

质谱仪的工作流程

各主要部件的基本结构、基本原理及性能

掌握联用技术

3.质谱峰的类型、离子碎裂途径及有机化合物的质谱

4.质谱法的图谱解析及基本应用

二．重点与难点

1．各种离子源的基本原理、特点及适应性

2．各种重量分析器的基本结构、分析原理、特点及适用性

3．各类离子的碎裂机理及规律

4．质谱法的基本应用（分子量、分子式、结构式的确定）

三．教学要求

1．较好地掌握质谱分析法的基本基本

2．掌握掌握仪的基本结构、工作流程及性能指标

3．在较深入掌握单、双聚焦质量分析器的基础上，比较其它质量分析器的基本原理及特点

4．一般了建质谱联用技术

5．掌握简单图谱的解析，进行较简单化合物分子量、分子式及结构式的分析

四．学时安排3学时

质谱法是通过将样品转化为运动的气态离子并按质荷比

（m/z）大小进行分离记录的分析方法。所获得结果即为质谱图（亦称质谱）。根据质谱图提供的信息可以进行多种有机物及无机物的定性和定量分析、复杂化合物的结构分析、样品中各种同位素比的测定及固体表面的结构和组成分析等。

质谱仪早期主要用于原子量的测定和定量测定某些复杂碳氢混合物中的各组分等。1960年以后，才开始用于复杂化合物的鉴定和结构分析。实验证明，质谱法是研究有机化合物结构的有力工具。

第一节质谱仪

一、质谱仪的工作原理

质谱仪是利用电磁学原理，使带电的样品离子按质荷比进行分离的装置。离子电离后经加速进入磁场中，其动能与加速电压及电荷z有关，即

z e U = 1/2 mν2

其中z为电荷数，e为元电荷（e=1.60×10-19C），U为加速电压，m为离子的质量，ν为离子被加速后的运动速度。

具有速度ν的带电粒子进入质谱分析器的电磁场中，根据所选择的分离方式，最终实现各种离子按m/z进行分离。根据质量分析器的工作原理，可以将质谱仪分为动态仪器和静态仪器两大类。

在静态仪器中用稳定的电磁场，按空间位置将m/z不同的离子分开，如单聚焦和双聚焦质谱仪。

在动态仪器中采用变化的电磁场，按时间不同来区分m/z不同的离子，如飞行时间和四极滤质器式的质谱仪。

二、质谱仪的主要性能指标

（1）质量测定范围

质谱仪的质量测定范围表示质谱仪所能进行分析的

样品的相对原子质量（或相对分子质量）范围，通常采用原子质量单位（u）进行度量。

测定气体用的质谱仪，一般质量测定范围在2～100，而有机质谱仪一般可达几千，现代质谱仪甚至可以研究相对分子量达几十万的生化样品。

2.分辨本领

所谓分辨本领，是指质谱仪分开相邻质量数离子的能力。

即：

对两个相等强度的相邻峰，当两峰间的峰谷不大于其峰高10%时，认为两峰已经分开，其分辨率为：

R= m1/（m2-m1）= m1/Δm

其中m1、m2为质量数，且m1

在实际工作中，有时很难找到相邻的且峰高相等的两个峰，同时峰谷又为峰高的10%。在这种情况下，可任选一单峰，测其峰高5%处的峰宽W0.05，即可当作上式中的Δm，此时的分辨率定义为

R= m/ W0.05

如果该峰是高斯型的，上述两式计算结果是一样的。

质谱仪的分辨本领由几个因素决定：

（1）离子通道的半径；

（2）加速器与收集器狭缝宽度；

（3）离子源的性质。

3.灵敏度

质谱仪的灵敏度有绝对灵敏度、相对灵敏度和分析灵敏度等几种表示方法。

绝对灵敏度是指仪器可以检测到的最小样品量；

相对灵敏度是指仪器可以同时检测的大组分与小组分含量之

比；

分析灵敏度则是指输入仪器的样品量与仪器输出的信号之

比。

三、质谱仪的基本结构

质谱仪是通过对样品电离后产生的具有不同的m/z的离子

来进行分离分析的。

质谱仪包括进样系统、电离系统、质量分析系统和检测系统。

为了获得离子的良好分析，避免离子损失，凡有样品分子及

离子存在和通过的地方，必须处于真空状态。

通过进样系统，使微摩尔或更少的试样蒸发，并让其慢慢

地进入电离室，电离室内的压力约为10-3P a。由热灯丝流向阳极的电子流，将气态样品的原子或分子电离成正、负离子（但一般分析正离子），在狭缝A处，以微小的负电压将正负离子分开，此后，借助于A、B间几百至几千伏的电压，将正离子加速，使准直于狭

缝刀的正离子流，通过狭缝B进入真空度高达10-5P a的质量分析器中，根据离子质荷比的不同，其偏转角度也不同，质荷比大的偏转角度小，质荷比小的偏转角度大，从而使质量数不同的离子在此得到分离。若改变粒子的速度或磁场强度，就可将不同质量数的粒子依次焦聚在出射狭缝上。通过出射狭缝的离子流，将落在一收集极上，这一离子流经放大后，即可进行记录，并得到质谱图。

质谱图上信号的强度，与达到收集极上的离子数目成正比。1.真空系统

质谱仪的离子产生及经过系统必须处于高真空状态（离子源真空度应达1.3×10-4-1.3×10-5P a，质量分析器中应达1.3×

10-6P a）。若真空度过低，则会造成离子源灯丝损坏，本底增高、副反应过多，从而使图谱复杂化、干扰离子源的调节、加速极放电等问题。

一般质谱仪都采用机械泵预抽空后，再用高效率扩散泵连续地运行以保持真空。现代质谱仪采用分子泵可获得更高的真空度。

2.进样系统

进样系统目的是高效重复地将样品引入到离子源中并且不能

造成真空度的降低。

常用的进样装置有三种类型：间歇式进样系统、直接探针进样、色谱进样系统（G C-MS、H PL C-M S）和高频感藕等离子体进样系统（I C P-MS）等。卡式进样系统卡式进样系统具有极好的抗腐蚀性和快速冲洗特征。由惰性多聚物材料构成的喷雾室以圆锥壮撞击球设计，以降低记忆效应。

雾化室由一个P el t i e r半导体制冷装置冷却和精确的温度控制，具有极高的稳定性和最少的多原子离子形成。带有蓝宝石、氧化铝和铂制喷射管的半可拆式管矩。

3.电离源

电离源的功能是将进样系统引入的气态样品分子转化成离子。由于离子化所需要的能量随分子不同差异很大，因此，对于不同的分子应选择不同的离解方法。通常称能给样品较大能量的的电离方法为硬电离方法，而给样品较小能量的电离方法为软电离方法，后一种方法适用于易破裂或易电离的样品。

使物质电离的方法很多，如电子轰击、化学电离、火花电离、场致电离、光致电离等。

（1）电子轰击源

电子轰击法是通用的电离法，是使用高能电子束从试样分子中撞出一个电子而产生正离子，即

M+ e M++2e

式中M为待测分子，M+为分子离子或母体离子。

右图是典型的电子轰击源的示意图。在离子源内，用电加热锑或钨的灯丝到2000℃，产生高速电子束，其能量为10～7O e V。

当气态试样由分子漏入孔进入电离室时，高速电子与分子发生碰撞，若电子的能量大于试样分子的电离电位，将导致试样分子的电离：

M＋e(高速) →M＋+ 2e（低速) 当电子轰击源具有足够的能量时(一般为7O e V)，有机分子

不仅可能失去一个电子形成分子离子，而且有可能进一步发生键的断裂，形成大量的各种低质量数的碎片正离子和中性自由基，这些碎片离子可用于有机化合物的结构鉴定。

（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（为区别于其它离子，称为试剂离子）与试样分子按一定方式进行反应，转移一个质子给试样或由试样移去一个H+或电子，试样则变成带+1电荷的离子。

化学电离源一般在1.3?102～1.3?103P a （现已发展为大气压下化学电离技术）压强下工作，其中充满甲烷C H4。首先用高能电子，使C H4电离产生C H5+和C2H5+，

即：

C H4+e→C H4+·+2e

C H4+·→C H3++H·

C H4+·和C H3+很快与大量存在的C H4分子起反应，即：

C H4+·+ C H4→C H5++ C H3·

C H3++ C H4→C2H5++H2

C H5+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（S H）发生下列反应：

C H5++ S H→S H2++C H4

C2H5++S H S++ C2H6

S H2+和S+然后可能碎裂，产生质谱。

由（M+H）或（M-H）离子很容易测得其相对分子质量。

（3）场离子源

应用强电场可以诱发样品电离。

场电离源由电压梯度约为107-108V·c m-1的两个尖细电极组成。流经电极之间的样品分子由于价电子的量子隧道效应而发生电离。电离后被阳极排斥出离子室并加速经过隧道进入质量分析器。

场离子化是一种温和的技术，产生的碎片很少。碎片通常是由热分解或电极附近的分子-离子碰撞反应产生的主要为分子离

子和（M+1）离子，结构分析中，往往最好同时获得场离子化源或化学离解源产生的质谱图和用

电子轰击源的质谱图，而获得相对分子质量及分子结构的信息。

（4）火花源

对于金属合金或离子型残渣之类的非挥发性无机试样，必须使用不同于上述离子化源的火花源。

火花源类似于发射光谱中的激发源。向一对电极施加约30k V 脉冲射频电压，电极在高压火花作用下产生局部高热，使试样仅靠蒸发作用产生原子或简单的离子，经适当加速后进行质量分析。（5）高频感耦等离子体（I C P）

4. 质量分析器

质谱仪的质量分析器位于离子源和检测器之间，依据不同方式将样品离子按质荷比m/z分开。质量分析器的主要类型有：磁分析器、飞行时间分析器、四极滤质器、离子捕获分析器和离子回旋共振分析器等。

（1）磁分析器

最常用的分析器类型之一就是扇形磁分析器。

离子束经加速后飞入磁极间的弯曲区，由于磁场作用，飞行轨道发生弯曲（如右图所示），此时离子受到磁场施加的向心力B z eν作用，并且离子的离心力mν2·r-1也同时存在，当两力平衡时，离子才能飞出弯曲区，即：

Bz eν= mν2/r

其中B为磁感应强度，z e为电荷，ν为运动速度，m为质量，r

为曲率半径。调整后可得：

ν=B z e r/m

m/z=B2r2e/2U

通过改变B、r、U这三个参数中的任一个并保持其余两个不变的方法来获得质谱图。

现代质谱仪一般是保持U、r不变，通过电磁铁扫描磁场而获得质谱图，故r即是扇形磁场的曲率半径，而使用感光板记录的质

谱仪中，B、U一定，r变化的。仅用一个扇形磁场进行质量分析的质谱仪称为单聚焦质谱仪，设计良好的单聚焦质谱仪分辨率可达5000。

若要求分辨率大于5000，则需要双聚焦质谱仪。一般商品化

双聚焦质谱仪的分辨率可达150,000；质量测定准确度可达0.03μg；即对于相对分子质量为600的化合物可测至误差士0.0002u。

（2）飞行时间分析器

这种分析器的离子分离是非磁方式达到的，因为从离子源飞出的离子动能基本一致，在飞出离子源后进入一长约1m的无场漂移管，在离子加速后的速度为：此离子达到无场漂移管另一端的时间为：

t= L/ν

故对于具有不同m/z的离子，到达终点的时间差

由此可见，?t取决于m/z的平方根之差。

因为连续电离和加速将导致检测器的连续输出而无法获得有

用信息，所以

T O F是以大约10K Hz的频率进行电子脉冲轰击法产生正离子，随即用一具有相同频率的脉冲加速电场加速，被加速的粒子按不同的（m/z）1/2的时间经漂移管到达收集极上，并馈入一个水平扫描与电场脉冲频率一致的示波器上，从而得到质谱图。

（3）四极滤质器

四极滤质器由四根平行的金属杆组成，其排布见右图所示。

被加速的离子束穿过对准四根极杆之间空间的准直小孔。通过在四极上加上直流电压U和射频电压V c os t，在极间形成一个射频场，离子进入此射频场后，会受到电场力作用，只合适m/z的离子才会通过稳定的振荡进人检测器。

只要改变U和V并保持U/V比值恒定时，可以实现不同m/z的检测。

四极滤质器

四极滤质器分辨率和m/z范围与磁分析器大体相同，其极限分辨率可达2000，典型的约为700。其主要优点是传输效率较高，入射离子的动能或角发散影响不大；其次是可以快速地进行全扫描，而且制作工艺简单，仪器紧凑，常用在需要快速扫描的GC-M S 联用及空间卫星上进行分析。

(4)离子阱检测器

离子阱是一种通过电场或磁场将气相离子控制并贮存一段时

间的装置。离子阱由一环形电极再加上下各一的端罩电极构成。以端罩电极接地，在环电极上施以变化的射频电压，此时处于阱中具有合适的m/z的离子

将在阱中指定的轨道上稳定旋转，若增加该电压，则较重离

子转至指定稳定轨道，而轻些的离子将偏出轨道并与环电极发生碰撞。

当一组由电离源(化学电离源或电子轰击源)产生的离子由上

端小孔中进人阱中后，射频电压开始扫描，陷入阱中离子的轨道则会依次发生变化而从底端离开环电极腔，从而被检测器检测。这种离子阱结构简单、成本低且易于操作，已用于GC-M S联用装置用于m/z200 ~ 2000的分子分析。

(5)离子回旋共振分析器

5. 检测与记录

质谱仪常用的检测器有法拉第杯、电子倍增器及闪烁计数器、照相底片等。现代质谱仪一般都采用较高性能的计算机对产生的信号进行快速接收与处理，同时通过计算机可以对仪器条件等进行严格的监控，从而使精密度和灵敏度都有一定程度的提高。

第二节质谱图及其应用

一、质谱图与质谱表

质谱法的主要应用是鉴定复杂分子并阐述其结构，确定元素

的同位素及分布等。一般的质谱给出的数据有两种形式：一是棒图即质谱图，另一个为表格即质谱表。质谱图是以质荷比（m/z）为横坐标，相对强度为纵坐标构成。一般将原始质谱图上最强的离子峰为基峰并定为相对强度为100%，其它离子峰以对基峰的相对百分值表示。

质谱表是用表格形式表示的质谱数据。质谱表中有两项即质荷比和相对强度。从质谱图上可以直观地观察整个分子的质谱全貌，而质谱表则可以准确地给出精确的m/z值及相对强度值，有助于进一步分析。

二、离子峰

分子在离子源中可以产生各种电离，即同一种分子可以产生多种离子峰，主要的有分子离子峰、碎片离子峰、亚稳离子峰和同位素离子峰等。

（一）分子离子峰

试样分子在高能电子撞击下产生正离子，即；

M+ e→M++2e

式中M为待测分子，M+为分子离子或母体离子。

几乎所有的有机分子都可以产生可以辨认的分子离子峰。有些分子如芳香环分子可产生较大的分子离子峰，而高分子量的脂肪醇、醚及胺等则产生较小的分子离子峰。若不考虑同位素的影响分子离子应该具有最高质量。

（二）碎片离子峰

分子离子产生后可能具有较高的能量，将会通过进一步碎裂或重排而释放能量，碎裂后产生的离子形成的峰称为碎片离子峰。

有机化合物受高能作用时产生各种形式的分裂，一般强度最大的质谱峰相应于最稳定的碎片离子。通过各种

碎片离子相对峰高的分析，有可能获得整个分子结构的信息。因为M+可能进一步断裂或重排，因此要准确地进行定性分析

最好与标准谱图进行比较。

（三）亚稳离子峰

若质量为m1的离子在离开离子源受电场加速后，在进入质量分析器之前，由于碰撞等原因很容易进一步分裂失去中性碎片而形成质量m2的离子，即

m1→m2+△m

由于一部分能量被中性碎片带走，此时的m2离子比在离子源中形成的m2离子能量小故将在磁场中产生更大的偏转，观察到的m/z 较小。这种峰称为亚稳离子峰，用m*表示。它的表观质量m*与m1、m2的关系是：

m* = （m2）2/m1

式中m1为母离子的质量，m2为子离子的质量。

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。

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与子离子的质量m2从而确定裂解途径。

（四）同位素离子峰

有些元素具有天然存在的稳定同位素，所以在质谱图上出现一些M+1，M+2的峰，由这些同位素形成的离子峰称为同位素离子峰。在一般有机分子鉴定时，可以通过同位素峰统计分布来确定其元素组成，分子离子的同位素离子峰相对强度之比符合一定的统计规律。

例如，在C H4的质谱图中，有其分子离子峰m/z=17、16，而其相对强度之比

I17/I16=0.011。而在丁烷中,出现一个13C的几率是甲烷的4倍，则分子离子峰m/z= 59、58的强度之比I59/I58= 4×0.011×13=0.044；同样，在丁烷中出现一个M+2（m/z）同位素峰的几率为6×0.011 ×0.011 ×12=0.0007；即I59/I58=0.0007，非常小，故在丁烷质谱图

中一般看不到（M+2）+峰。

（五）重排离子峰

在两个或两个以上键的断裂过程中，某些原子或基团从一个位置转移到另一个位置所生成的离子，称为重排离子。质谱图上相应的峰为重排离子峰。转移的基团常常是氢原子重排的类型很多，其中最常见的一种是麦氏重排。这种重排形式可以

归纳如下：

可以发生这类重排的化合物有:酮、醛、酸、醋和其它含羰基的化合物，含P =O，＞S= O的化合物以及烯烃类和苯类化合物等。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 位

置上有氢原子。

三、断裂方式及有机化合物的断裂图象

当电子轰击能量在50 ~ 70eV时，分子离子进一步分裂成各种不同m/z的碎片离子。碎片离子峰的相对丰度与分子中键的相对强度、断裂产物的稳定性及原子或基团的空间排列有关。其中断裂产物的稳定性常常是主要因素。由于碎片离子峰，特别是相对丰度大的碎片离子峰与分子结构有密切的关系，所以，掌握有机分子的

裂解方式和规律，熟悉碎片离子和碎片游离基的结构，了解有机化合物的断裂图象，对确定分子的结构是非常重要。

（一）断裂方式

有机化合物的断裂方式有三种类型：均裂、异裂和半异裂。

均裂：一个σ键的两个电子裂开，每个碎片上各保留一个电子。

异裂：一个σ键的两个电子裂开后，两个电子都归属于其中某一个碎片

半异裂：离子化σ键的开裂

（二）重要有机化合物的断裂规律和断裂图象

1. 脂肪族化合物

（1）饱和烃类

直链烷烃分子离子，首先通过半异裂失去一个烷基游离基并形成正离子，随后连续脱去28个质量单位（C H2=C H2）：

在质谱图上，得到实验式是C n H2n+1(即m/z29、43、57、…)的系列峰。此外，在断裂过程中，由于伴随失去一分子氢，故可在各比碎片离子峰低二个质量单位处出现一些链烯的小峰；从而在质谱图上得到实验式是C n H 2n-1（即m/z27、41、55…）的另一系列峰。在C n H 2n-1的系列峰中，一般m/z43、57峰的相对强度较大。分子离子峰的强度则随其相对分子质量的增加而下降，但仍可见。右图为癸烷的质谱图。支链烷烃的断裂，容易发生在被取代的碳原子上。这是由于在正碳离子中，稳定性顺序如下：通常，分支处的长碳链

将最易以游离基形式首先脱出。右图为2，2—二甲基庚烷的质谱图。在图中看不到分子离子峰。由于在分支处分子离子脱去游离基的顺序

熟悉碳氢化合物的质谱图是十分重要的。因为在许多脂肪族化合物的质谱中，除了不同官能团产生的峰外，同时也出现与烃类相同的断裂模型。

（2）羧酸、酯和酰胺

羧酸、酯和酰胺容易发生α开裂，产生酰基阳离子或另一种离子在羧酸和伯酰胺中，主要是α1断裂，产生m/z45（HO—C≡O+）和m/z 44（H2N—C≡O+）的离子。在酯和仲、叔酰胺中，主要发生α2断裂。当有γ-氢存在时，能发生麦氏重排，失掉一个中性碎片，产生一个奇电子的正离子。在酸、酯中得到的奇电子的正离子的

m/z 值符合60+ 14n，而酰胺符合59 +14n。

（3）醛和酮

醛和酮的分子离子峰均是强峰。

醛和酮容易发生α开裂，产生酰基阳离子。

通常，R1、R2中较大者容易失去。但是，醛上的氢不易失去，常常产生m/z29的强碎片离子峰。酮则产生经验式为C n H 2n+1C O+（m/z 43、57、71…）的碎片离子峰。这种碎片离子峰的m/z与C n H +离子一样，故需用高分辨质谱仪才能区分它们。

2n+1

当有γ-氢存在时，醛和酮均能发生麦氏重排，产生m/z符合44+14n的碎片离子。例如，甲基正丙基酮的重排峰为m/z 58，正丁醛为m/z 44。

（4）醇、醚和胺

醇、醚和胺容易发生β断裂，形成m/z符合31+14n的正离子或m/z符合30+14n的亚胺正离子，构成质谱图上的主要强峰。例如：醚类化合物除可发生β断裂外，也能发生α断裂。醇、醚和胺的分子离子峰都很弱，尤其是长链脂肪醇，容易发生1，3或1，4脱水，形

成（M-18）峰。此峰容易被误认为醇、醚等的分子离子峰。

（5）卤化物

卤化物容易发生C-X键断裂，正电荷可以留在卤原子上，也可留在烷基上。卤化物有类似于醇的脱水过程，脱去HX：此外，卤化物可发生β开裂，形成卤正离子：

（二）芳香族化合物

芳香族化合物有π电子系统，因而能形成稳定的分子离子。

在质谱图上，它们的分子离子峰有时就是基峰。此外，由于芳香族化合物非常稳定，常常容易在离子源中失去第二个电子，形成双电荷离子。

在芳香族化合物的质谱中，常常出现m/z符合C n H n+的系列峰(m/z78、65、52、39)和（或）m/z77、76、64、63、51、50、38、37的系列峰，后者是由于前者失去一个或两个氢后形成的。这两组系列峰可以用来鉴定芳香化合物。

芳香族化合物可以发生相对于苯环的β开裂。烷基芳烃的这种断裂，产生m/z91的基峰，进一步失去乙炔，产生m/z 65的正离子：环的α位上的碳被取代时，基峰就变成91+14n。

芳香醚发生β断裂后，产生的正离子为：

正离子不稳定，失去C O后，生成m/z65离子。

硝基化合物首先经历一个重排，然后失去NO，产生与芳香醚同样类型的离子，最后生成m/z 65离子：

芳香醛、酮和酯类化合物发生β断裂后，产生m/z 105的然后进一步失去C O，生成m/z77的苯基阳离子：芳香化合物也可发生α断裂，生成m/z 77的苯基阳离子，然后进一步失去C H3≡C H3生成m/Z51（C4H3+）离子：

四、质谱定性分析

质谱可以进行纯物质的相对分子质量测定、化学式确定及结构鉴定等。

五、质谱的定量分析

质谱检出的离子强度与离子数目成正比，通过离子强度可进行定量分析。