质谱分析原理及质谱仪一课件

第第16章章质谱法质谱法(MassSpectrometry,MS)第16章质谱法116.1质谱分析原理及质谱仪质谱分析原理及质谱仪一、基本原理概述一、基本原理概述二、质谱仪性能指标二、质谱仪性能指标三、仪器组成三、仪器组成16.2质谱图及其应用质谱图及其应用一、质谱图一、质谱图二、质谱峰类型二、质谱峰类型三、质谱定性分析三、质谱定性分析四、质谱定量分析四、质谱定量分析16.1质谱分析原理及质谱仪2发展历史：发展历史：1813年：年：Thomson使用使用MS报道了报道了Ne是由是由22Ne和和24Ne两种两种同位素组成；随后，同位素分析开始发展同位素组成；随后，同位素分析开始发展20世纪世纪40年代初：开始将年代初：开始将MS用于石油工业中烃的分析，用于石油工业中烃的分析，并大大缩短了分析时间并大大缩短了分析时间20世纪世纪50年代初：质谱仪器开始商品化，广泛用于各年代初：质谱仪器开始商品化，广泛用于各类有机物的结构分析。同时质谱方法与类有机物的结构分析。同时质谱方法与NMR、IR等方法结合成为分子结构分析最有效的手段等方法结合成为分子结构分析最有效的手段发展历史：320世纪世纪80年代：非挥发性或热不稳定分子的分析进年代：非挥发性或热不稳定分子的分析进一步促进了一步促进了MS的发展；的发展；20世纪世纪90年代：由于生物分析的需要，一些新的离年代：由于生物分析的需要，一些新的离子化方法得到快速发展；子化方法得到快速发展；目目前前一一些些仪仪器器联联用用技技术术如如GC-MS，HPLC-MS，GC-MS-MS，ICP-MS等正发挥重要作用。等正发挥重要作用。20世纪80年代：非挥发性或热不稳定分子的分析进4应用应用质质谱谱是是应应用用最最为为广广泛泛的的化化合合物物结结构构分分析析方方法法之之一一，它可以为我们提供以下信息：它可以为我们提供以下信息：a)样品元素组成；样品元素组成；b)无无机机、有有机机及及生生物物分分子子的的结结构构-结结构构不不同同，分分子子或或原原子碎片不同子碎片不同(质荷比不同质荷比不同)c)复杂混合物的定性定量分析复杂混合物的定性定量分析-与色谱方法联用与色谱方法联用(GC-MS，LC-MS)；d)固固体体表表面面结结构构和和组组成成分分析析-激激光光烧烧蚀蚀等等离离子子体体-质质谱谱联用；样品中原子的同位素比。联用；样品中原子的同位素比。应用质谱是应用最为广泛的化合物结516.1质谱分析原理及质谱仪质谱分析原理及质谱仪一、基本原理概述一、基本原理概述离子源离子源轰击样品轰击样品带电荷的带电荷的碎片离子碎片离子电场加速电场加速(zeU)获得动能获得动能(1/2mV2)磁场分离磁场分离(m/z)检测器记录检测器记录质质谱谱分分析析是是将将样样品品转转化化为为运运动动的的带带电电气气态态离离子子，于于磁磁场中按质荷比场中按质荷比(m/z)大小分离并记录的分析方法。大小分离并记录的分析方法。其过程为可简单描述为：其过程为可简单描述为：其中，其中，z为电荷数，为电荷数，e为电子电荷，为电子电荷，U为加速电压，为加速电压，m为碎片质量，为碎片质量，V为电子运为电子运动速度。动速度。16.1质谱分析原理及质谱仪离子源带电荷的电场加速(6指指质质谱谱仪仪分分辨辨相相邻邻质质量量数数离离子子的的能能力力。定定义义为为：两两个个相相等等强强度度的的相相邻邻峰峰(质质量量分分别别为为m1和和m2)，当当两两峰峰间间的的峰峰谷谷不不大大于于峰峰高高的的10%时时，则则可可认认为为两两峰峰已已分分开开，其其分分辨辨率率R为：为：可见在质量数小时，分辨率亦较小。可见在质量数小时，分辨率亦较小。二、质谱仪的二、质谱仪的分辨率分辨率指质谱仪分辨相邻质量数离子的能力。定义为：7实实 际际 工工 作作 中中 很很 难难 找找 到到 上上 述述 两两 相相 等等 的的 峰峰，常常 以以 下式表示：下式表示：其中其中W0.05表示峰高表示峰高5%处的峰宽。处的峰宽。R与与离离子子通通道道半半径径r、加加速速器器和和收收集集器器狭狭缝缝宽宽度度、离子源的性质和质量等因素有关。离子源的性质和质量等因素有关。实际工作中很难找到上述两相等的峰，常以8三、仪器组成三、仪器组成按按质质量量分分析析器器(或或者者磁磁场场种种类类)可可分分为为静静态态仪仪器器和和动动态态仪仪器器，即即稳稳定定磁磁场场（单单聚聚焦焦及及双双聚聚焦焦质质谱谱仪仪）和和变化磁场（飞行时间和四极杆质谱仪）。变化磁场（飞行时间和四极杆质谱仪）。MS仪器：仪器：进样系统进样系统电离源电离源质量分析器质量分析器真空系统真空系统检测系统检测系统三、仪器组成按质量分析器(或者91.真空系统真空系统如如图图所所示示，质质谱谱仪仪中中所所有有部部分分均均要要处处高高度度真真空空的的条条件件下下(10-4-10-6Torr),其其作作用用是是减减少少离离子子碰碰撞撞损损失失。真真空空度度过过低，将会引起：低，将会引起：a）大量氧会烧坏离子源灯丝；）大量氧会烧坏离子源灯丝；b）引起其它分子离子反应，使质谱图复杂化；）引起其它分子离子反应，使质谱图复杂化；c）用作加速离子的几千伏高压会引起放电；）用作加速离子的几千伏高压会引起放电；d）干扰离子源正常调节。）干扰离子源正常调节。1.真空系统如图所示，质谱仪中所有部分均要处高度真102.进样系统进样系统1.3-0.13Pa对进样系统的要求：重复性、不引起真空度降低。对进样系统的要求：重复性、不引起真空度降低。进样方式：进样方式：a)间间歇歇式式进进样样：适适于于气气体体、沸沸点点低低易易挥挥发发的的液液体体、中中等等蒸蒸汽汽压压固固体体。注注入入样样品品(10-100 g)贮贮样样器器(0.5L-3L)抽抽真真空空(10-2Torr)并并加加热热样样品品蒸蒸汽汽(压压力力梯梯度度)漏隙漏隙高真空离子源高真空离子源2.进样系统1.3-0.13Pa对进样系统的要求：重复性、11质谱分析原理及质谱仪一课件12b)直接探针进样：高沸点液体及固体直接探针进样：高沸点液体及固体优点：优点：1)引入样品量小，样品蒸引入样品量小，样品蒸汽压可以很低；汽压可以很低；2)可以分析复杂有机物；可以分析复杂有机物；3)应用更广泛。应用更广泛。c)色色谱谱进进样样：利利用用气气相相和和液液相相色色谱谱的的分分离离能能力力，进进行多组份复杂混合物分析。行多组份复杂混合物分析。探针杆通常是一根规格为探针杆通常是一根规格为25cm 6mmi.d.，末端末端有一装样品的黄金杯有一装样品的黄金杯(坩埚坩埚)，将探针杆通过真空闭锁，将探针杆通过真空闭锁系统引入样品，如图所示。系统引入样品，如图所示。b)直接探针进样：高沸点液体及固体优点：c)13根据样品离子化方式通常可将电离源分为：根据样品离子化方式通常可将电离源分为：气气相相源源：先先蒸蒸发发再再激激发发，适适于于沸沸点点低低于于500oC、对对热热稳稳定定的的样样品品的的离离子子化，包化，包括电子轰击源、化学电离源、场电离源、火花源；括电子轰击源、化学电离源、场电离源、火花源；解解吸吸源源：固固态态或或液液态态样样品品不不需需要要挥挥发发而而直直接接被被转转化化为为气气相相，适适用用于于分分子子量量高高达达105的的非非挥挥发发性性或或热热不不稳稳定定性性样样品品的的离离子子化化。包包括括场场解解吸吸源源、快快原子轰原子轰击源、激光解吸源、离子喷雾源和热喷雾离子源等。击源、激光解吸源、离子喷雾源和热喷雾离子源等。根据电离源能量高低，通常可将电离源分为根据电离源能量高低，通常可将电离源分为硬硬源源：离离子子化化能能量量高高，伴伴有有化化学学键键的的断断裂裂，谱谱图图复复杂杂，可可得得到到分分子子官官能能团的信团的信息；息；软源：软源：离子化能量低，产生的碎片少，谱图简单，可得到分子量信息。离子化能量低，产生的碎片少，谱图简单，可得到分子量信息。因此，可据分子电离所需能量不同可选择不同电离源。因此，可据分子电离所需能量不同可选择不同电离源。3.电离源电离源(室室)将引入的样品转化成为碎片离子的装置。将引入的样品转化成为碎片离子的装置。3.电离源(室)将引入的样品转化成为碎片离子的装置。14a)电子轰击源电子轰击源(ElectronBombIonization，EI)作用过程：作用过程：采采用用高高速速(高高能能)电电子子束束冲冲击击样样品品，从从而而产产生生电电子子和和分分子子离离子子M+，M+继继续续受受到到电电子子轰轰击击而而引引起起化化学键的断裂或分子重排，瞬间产生多种离子。学键的断裂或分子重排，瞬间产生多种离子。水水 平平 方方 向向：灯灯 丝丝 与与 阳阳 极极 间间(70V电电 压压)高高 能能 电电 子子 冲击样品冲击样品正离子正离子垂垂直直方方向向：G3-G4加加速速电电极极(低低电电压压)-较较小小动动能能-狭狭缝缝准准直直G4-G5加加速速电电极极(高高电电压压)-较较高高动动能能-狭缝进一步准直狭缝进一步准直-离子进入质量分析器。离子进入质量分析器。特点：特点：使用最广泛，谱库最完整；使用最广泛，谱库最完整；电离效率高；结构简单，操作方便；电离效率高；结构简单，操作方便；但分子离子峰强度较弱或不出现但分子离子峰强度较弱或不出现(因因电离能量最高电离能量最高)。a)电子轰击源(ElectronBombIonizat15EIEI16b)化学电离源化学电离源(ChemicalIonization,CI)作用过程：作用过程：样样品品分分子子在在承承受受电电子子轰轰击击前前，被被一一种种反反应应气气(通通常常是是甲甲烷烷)稀稀释释，稀稀释释比比例例约约为为103:1，因因此此样样品品分分子子与与电电子子的的碰碰撞撞几几率率极极小小，所所生生成成的的样样品品分分子子离离子子主要由反应气分子组成。主要由反应气分子组成。进进入入电电离离源源的的分分子子R-CH3大大部部分分与与CH5+碰碰撞撞产产生生(M+1)+离离子子；小小部部分分与与C2H5+反应，生成反应，生成(M-1)+离子：离子：特点：特点：电离能小，质谱峰数少，图谱简单；准分子电离能小，质谱峰数少，图谱简单；准分子离子离子(M+1)+峰大峰大,可提供分子量这一种要信息可提供分子量这一种要信息b)化学电离源(ChemicalIonization,17c)场电离源场电离源(Fieldionization,FI)应用强电场应用强电场(电压梯度电压梯度107-108V/cm)诱导样品电离。诱导样品电离。过过程程：强强电电场场(电电极极间间距距约约10-4cm)较较大大偶偶极极矩矩和和高高极极化化率率分分子子与与阳阳极极碰碰撞撞带带正电荷的碎片离子正电荷的碎片离子进入聚焦单元。进入聚焦单元。阳极要求：电极尖锐，其上长满微针阳极要求：电极尖锐，其上长满微针(W丝上的苯基腈裂解生成丝上的苯基腈裂解生成)构成多尖陈列电构成多尖陈列电极，既所谓极，既所谓“金属胡须金属胡须”发射器，可提高电离效率。发射器，可提高电离效率。样品样品特点：特点：电离温和，碎片少，主要产生分子离子电离温和，碎片少，主要产生分子离子M+和和 (M+1)+峰。峰。c)场电离源(Fieldionization,FI)18类类似似于于场场电电离离源源，它它也也有有一一个个表表面面长长满满“胡胡须须”(长长0.01mm)的的阳阳极极发发射射器器(Emitter)。过过程程：样样品品溶溶液液涂涂于于发发射射器器表表面面-蒸蒸 发发 除除 溶溶 剂剂 强强 电电 场场 分分 子子 电电 离离奔向阴极奔向阴极引入磁场引入磁场EIFIFDd)场解吸源场解吸源(Fielddesorption,FD)特特 点：点：特别适于非挥发性特别适于非挥发性且分子量高达且分子量高达100000的分子的分子。样品只产生分子离子峰和。样品只产生分子离子峰和准分子离子峰，谱图最准分子离子峰，谱图最为简单。为简单。类似于场电离源，它也有一个表面长满“胡须”(长0.01mm19过程：过程：30kV脉冲电压脉冲电压-火花火花-样品局部高热样品局部高热-元素蒸发元素蒸发-原子或离子原子或离子-经加速进入磁场进行分离经加速进入磁场进行分离e)火花源火花源(Spark)：针对金属合金或离子残渣样品等非挥发性无机物针对金属合金或离子残渣样品等非挥发性无机物的分析，类似于的分析，类似于AES中的激发光源。中的激发光源。特点：特点：元素分析灵敏度高，元素分析灵敏度高，可分析复杂样品可分析复杂样品(60种元素种元素)，谱图简单，谱图简单，线性范围宽。线性范围宽。过程：30kV脉冲电压-火花-样品局部高热e)火20过过 程：程：高速电子高速电子惰性气体电离惰性气体电离电场加速电场加速高速原高速原子离子束子离子束撞击涂有样品的金属板撞击涂有样品的金属板能量转移给样品分子能量转移给样品分子电离电离引入磁场分离。引入磁场分离。质量分析器质量分析器铜针探头铜针探头探针探针二次离子二次离子狭缝狭缝原子束原子束样品层样品层FAB：特点：特点：1）分子离子和准分子离子峰强；）分子离子和准分子离子峰强；2）碎片离子峰也很丰富；）碎片离子峰也很丰富；3）适合于热不稳定、难挥发的样品。）适合于热不稳定、难挥发的样品。f)快原子轰击快原子轰击(Fastatombombardment,FAB)过程：高速电子惰性气体电离电场加速高速原子211）磁分析器）磁分析器单聚焦型：单聚焦型：用一个扇形磁场进行质量分析的质谱仪用一个扇形磁场进行质量分析的质谱仪4.质量分析器质量分析器作用是将不同碎片按质荷比作用是将不同碎片按质荷比m/z分开。分开。质量分析器类型：磁分析器、飞行时间、四极杆、质量分析器类型：磁分析器、飞行时间、四极杆、离子捕获、离子回旋等。离子捕获、离子回旋等。1）磁分析器4.质量分析器作用是将不同碎片按质荷比m/z分22带电离子进入质量分析器，在磁场带电离子进入质量分析器，在磁场(场强为场强为B)作用下，作用下，飞行轨道弯曲飞行轨道弯曲(曲率半径为曲率半径为Rm)。当向心力。当向心力Bzev 与与离心力离心力mv2/Rm 相等时，离子才能飞出磁场区相等时，离子才能飞出磁场区电场加速，电场加速，U为加速电压为加速电压因此亦可得到因此亦可得到当当B、Rm、U三个参数中任两个保持不变而改变其中一个参数时，三个参数中任两个保持不变而改变其中一个参数时，可得质谱图。现代质谱仪通常是保持可得质谱图。现代质谱仪通常是保持U、Rm不变，通过扫描磁场来不变，通过扫描磁场来得到质谱图的。得到质谱图的。带电离子进入质量分析器，在磁场(场强为B)作用下，电场加速，23单单聚聚焦焦质质量量分分析析器器只只是是将将m/z 相相同同而而入入射射方方向向不不同同的的离离子子聚聚焦焦到到一一点点（或或称称实实现现了方向聚焦）。了方向聚焦）。但但对对于于m/z 相相同同而而动动能能（或或速速度度）不不同同的的离离子子不不能能聚聚焦焦，故故其其分分辨辨率率较较低低，一一般般为为5000。下图是单聚焦型质量分析器更直观地的工作过程。下图是单聚焦型质量分析器更直观地的工作过程。单聚焦质量分析器只是将m/z相同而入射方向24双聚焦型双聚焦型(Doublefocusingspectrometer)为为克克服服动动能能或或速速度度“分分散散”的的问问题题，即即实实现现所所谓谓的的“速速度度(能能量量)聚聚焦焦”，在在离离子子源源和和磁磁分分析析器器之之间间加加一一静静电电分分析析器器（ESA），如如下下图图所所示示，于于两两个个半半径径固固定定的的扇扇形形电电极极板板上上加加一一直直流流电电压压V，只只有有动动能能与与其其曲曲率率半半径径相相应应的的离离子子才才能能通通过狭缝过狭缝B-实现能量聚焦了！实现能量聚焦了！然然后后，改改变变V值值可可使使不不同同能能量量的的离离子子从从其其“出出射射狭狭缝缝”引引出出，并并进进入入磁磁分分析析器再实现方向聚焦。器再实现方向聚焦。思思考考：为为什什么么双双聚聚焦焦仪仪比比单单聚聚焦焦仪仪有有更更高高的的分分辨率？辨率？双聚焦质量分双聚焦质量分析器分辨率可析器分辨率可高达高达150,000!双聚焦型(Doublefocusingspectrome25不不同同离离子子通通过过同同一一长长度度为为L的的无无场场漂漂移移管管所需时间相差：所需时间相差：2）飞行时间分析器）飞行时间分析器(Timeofflight,TOF)过过 程：程：不同荷电碎片在飞出离子源的速度（动不同荷电碎片在飞出离子源的速度（动 能）基本一致。某离子在到达无场漂移能）基本一致。某离子在到达无场漂移 管前端时，其速度大小为：管前端时，其速度大小为：到达无场漂移管末端的时间为：到达无场漂移管末端的时间为：不同离子通过同一长度为L的无场漂移管所需时间相差：2）飞行时26由由于于不不同同m/z的的离离子子，其其飞飞出出漂漂移移管管的的时时间间不不同同，因因而而实实现现了了离离子子的的分分离离。因因为为连连续续电电离离和和加加速速使使检检测测器器产产生生连连续续输输出出而而不不能能得得到到有有效效信信息息，因因此此实实际际工工作作中中常常采采用用相相同同频频率率的的电电子子脉脉冲冲电电离离和和脉脉冲冲电电场场加加速速，被被加加速速的的粒粒子子经经不不同同的的时时间间到到收收集集极极上上，并并反反馈馈到到示示波波器器上上记记录，从而得到质谱图。录，从而得到质谱图。特特点点：扫扫描描速速度度快快(1000幅幅/s)，可可用用于于研研究究快快速速反反应应或与或与GC联用；可用于高质量离子分析；体联用；可用于高质量离子分析；体积小，操作容易；分辨率比磁分析器稍差。积小，操作容易；分辨率比磁分析器稍差。由于不同m/z的离子，其飞出漂移管的时间不同27过过程程：在在两两个个相相对对的的极极杆杆之之间间加加电电压压(U+Vcos t)，在在另另两两个个相相对对的的极极杆杆上上加加-(U+Vcos t)。与与前前述述双双聚聚焦焦仪仪的的静静电电分分析析器器类类似似，离离子子进进入入可可变变电电场场后后，只只有有具具合合适的曲率半径的离子可以通过中心小孔到达检测器。适的曲率半径的离子可以通过中心小孔到达检测器。3）四极滤质器）四极滤质器(Quadrupolemassfilter)特点：特点：分辨率比磁分析器分辨率比磁分析器略低略低(max.2000);m/z范围范围与磁分析器相当；传输效与磁分析器相当；传输效率较高；扫描速度快，可率较高；扫描速度快，可用于用于GC-MS联用仪。联用仪。过程：在两个相对的极杆之间加电压(U+Vcost)，在另两284）离子阱）离子阱(Iontrapanalyzer)离子阱的横截面图离子阱的横截面图过过程程：上上下下端端罩罩(Endcap)与与左左右右环环电电极极(Ringelectrode)构构成成可可变变电电场场(前前者者接接地地，后后者者施施以以射射频频电电压压)带带电电离离子子在在一一定定轨轨道道上上旋旋转转改改变变电电压压可可使使相相同同m/z离离子子依依次离开进入电子倍增器而分离。次离开进入电子倍增器而分离。特点：特点：结构简单、易于结构简单、易于操作、操作、GC-MS联用可联用可用于用于m/z 200-2000的分的分子分析。子分析。4）离子阱(Iontrapanalyzer)离子阱的横截294、检测器、检测器2）电子倍增器：类似于光电倍增管，可测）电子倍增器：类似于光电倍增管，可测10-18A电流。但有质量歧视效应。电流。但有质量歧视效应。3）闪烁计数器：记录离子的数目。）闪烁计数器：记录离子的数目。包括包括Faraday杯、电子倍增器、闪烁计数杯、电子倍增器、闪烁计数器、照相底片等器、照相底片等1)Faraday 杯：下图是杯：下图是Faraday杯结构原理图杯结构原理图特点：特点：可检测可检测10-15A的离子流，但不适于高加速电压下的离子检测。的离子流，但不适于高加速电压下的离子检测。4、检测器2）电子倍增器：类似于光电倍增管，可测3016.2质谱图及其应用质谱图及其应用一、质谱图一、质谱图以以质质荷荷比比m/z为为横横座座标标，以以对对基基峰峰(最最强强离离子子峰峰，规规定定相相对对强强度度为为100%)相相对对强强度度为为纵纵座座标标所所构构成成的的谱谱图图，称之为质谱图。称之为质谱图。16.2质谱图及其应用一、质谱图31二、质谱峰类型二、质谱峰类型 分子在离子源中可产生各种电离，分子在离子源中可产生各种电离，即同一分子可产生多种离子峰：即同一分子可产生多种离子峰：u分子离子峰、分子离子峰、u同位素离子峰、同位素离子峰、u碎片离子峰、碎片离子峰、u重排离子峰、重排离子峰、u亚稳离子峰等。亚稳离子峰等。二、质谱峰类型分子在离子源中可产生各32分子离子碎片离子重排裂解碰撞裂解设设有有机机化化合合物物由由A，B，C和和D组组成成，当当蒸蒸汽汽分分子子进进入入离离子子源源，受受到到电电子子轰轰击击可可能能发发生生下下列列过过程程而而形形成成各各种种类类型型的的离离子：子：分子离子碎片离子重排裂解碰撞裂解设有机化合物由A，B，C和D331）分子离子峰）分子离子峰ABCD+为为分分子子离离子子峰峰，m/z即即为为分分子子的的分分子子量量。对对于于有有机机物物，杂杂原原子子S，O，P，N等等上上的的未未共共用用电电子子对对最最易易失失去，其次是去，其次是 电子，再其次是电子，再其次是 电子。电子。2）碎片离子峰）碎片离子峰因因分分子子发发生生键键的的断断裂裂只只需需要要十十几几电电子子伏伏特特的的能能量量，而而电子轰击的能量为电子轰击的能量为70eV，因而会产生更小的碎片离子峰。，因而会产生更小的碎片离子峰。1）分子离子峰ABCD+为分子34烷烃化合物断裂多在烷烃化合物断裂多在C-C之间发生，且易发生在支链上：之间发生，且易发生在支链上：烯烃多在双键旁的第二个键上开裂：烯烃多在双键旁的第二个键上开裂：苯苯的的最最强强峰峰为为M+，芳芳香香族族化化合合物物将将先先失失去去取取代代基基，再形成苯甲离子再形成苯甲离子烷烃化合物断裂多在C-C之间发生，且易发生在支链上：烯烃35含含C=O键化合物的开裂多在与其相邻的键上：键化合物的开裂多在与其相邻的键上：对含杂原子的分子，断裂的键位顺序为对含杂原子的分子，断裂的键位顺序为 位、位、位和位和 位：位：RXR+X共振稳定化离子共振稳定化离子含C=O键化合物的开裂多在与其相邻的键上：对含杂原子的分36分分子子离离子子峰峰和和碎碎片片离离子子峰峰的的识识别别和和解解析析，对对有有机机分分子子的的定定性性分分析析十十分分重重要要。可可以以通通过过选选择择不不同同离离子源来获得不同的信息。子源来获得不同的信息。下图是不同离子源下麻黄碱的质谱图。下图是不同离子源下麻黄碱的质谱图。化学电离源化学电离源电子轰击源电子轰击源麻黄碱麻黄碱化学电离与电子轰击源质谱图比较化学电离与电子轰击源质谱图比较分子离子峰分子离子峰分子离子峰和碎片离子峰的识别和解析，对有机分子373)同位素峰同位素峰由由于于天天然然同同位位素素的的存存在在，因因此此在在质质谱谱图图上上出出现现M+1，M+2等等峰峰，由由这这些些同同位位素素所所形形成成的的峰峰称之为同位素峰。称之为同位素峰。3)同位素峰384）重排离子峰）重排离子峰原原子子或或基基团团经经重重排排后后再再开开裂裂而而形形成成一一种种特特殊殊的的碎碎片片离离子子，称称重重排离子。如醇分子离子经脱水后重排可产生新的重排离子峰。排离子。如醇分子离子经脱水后重排可产生新的重排离子峰。1.麦氏重排麦氏重排m/e=58,是具有是具有-H甲基酮的特征峰。甲基酮的特征峰。4）重排离子峰原子或基团经重排后39位上有氢原子的烷基取代芳烃：位上有氢原子的烷基取代芳烃：2.逆狄尔斯逆狄尔斯阿尔德反应（环烯断裂反应阿尔德反应（环烯断裂反应)位上有氢原子的烷基取代芳烃：2.逆狄尔斯阿尔德反应（环403.饱和分子的氢重排（消除反应）饱和分子的氢重排（消除反应）X为卤素原子时，消去为卤素原子时，消去HXX为为OH时，消去时，消去H2OX为为SH，H2S等。等。3.饱和分子的氢重排（消除反应）X为卤素原子时，消去HX41过过程程：质质量量数数为为m1的的带带电电离离子子，由由于于碰碰撞撞等等原原因因，在在进进入入质质量量分分析析器器之之前前，失失去去中中性性碎碎片片 m而而变变成成m2的的离离子子(此此时时m1能能量量变变小小，在在磁磁场场中中有有更更大大的的偏偏转转)从从而而形形成成亚亚稳稳离离子子峰峰m*，此此时时可可将将此此峰峰看看成成m1和和m2的的“混混合合峰峰”，即形成，即形成“宽峰宽峰”，极易识别。且满足下式：，极易识别。且满足下式：此此式式可可用用于于寻寻找找裂裂解解途途径径(通通过过母母离离子子m1与与子子离离子子m2的的关系关系)。4 4）亚稳离子峰）亚稳离子峰过程：质量数为m1的带电离子，由于碰撞等原因，在进入质量分析42三、质谱定性分析三、质谱定性分析分子量测定、化学式及结构式鉴定分子量测定、化学式及结构式鉴定1、分子量确定、分子量确定根根据据分分子子离离子子峰峰质质荷荷比比可可确确定定分分子子量量，通通常常分分子子离离子子峰峰位位于于质质谱谱图图最最右右边边，但但由由于于分分子子离离子子的的稳稳定定性性及及重重排排等等，质质谱谱图图上上质质荷荷比比最最大大的的峰峰并并不不一一定定是是分分子子离离子子峰。那么，如何辩认分子离子峰呢？峰。那么，如何辩认分子离子峰呢？1）原则上除同位素峰外，分子离子峰是最高质量的峰。）原则上除同位素峰外，分子离子峰是最高质量的峰。但但要要注注意意“醚醚、胺胺、脂脂的的(M+H)+峰峰”及及“芳芳醛醛、醇醇等等的的(M-H)+峰峰”。三、质谱定性分析分子量测定、化学式及结构式鉴定1、分子量确定432）分子离子峰应符合）分子离子峰应符合“氮律氮律”。u在在C、H、O组成的化合物中，分子离子峰的质量数组成的化合物中，分子离子峰的质量数一定是偶数；一定是偶数；u在含在含C、H、O、N化合物中，含偶数个化合物中，含偶数个N的分子量的分子量为偶数，含奇数个为偶数，含奇数个N的分子量为奇数。的分子量为奇数。2）分子离子峰应符合“氮律”。44质谱分析原理及质谱仪一课件453）分子离子峰与邻近峰的质量差是否合理。）分子离子峰与邻近峰的质量差是否合理。有机分子失去碎片大小是有规律的：有机分子失去碎片大小是有规律的：如失去如失去H、CH3、H2O、C2H5.，因而质谱图中，因而质谱图中可看到可看到M-1，M-15，M-18，M-28等峰，等峰，不可能出现不可能出现M-3，M-14，M-24等峰，如出现这样等峰，如出现这样的峰，则该峰一的峰，则该峰一定不是分子离子峰。定不是分子离子峰。3）分子离子峰与邻近峰的质量差是否合理。464）利用同位素帮助识别分子离子峰。如含有）利用同位素帮助识别分子离子峰。如含有Cl和和Br时，由于其含有丰度较高的重同位素，时，由于其含有丰度较高的重同位素，Cl中含中含35Cl为为75.77%,37Cl为为24.23%，Br中中79Br为为50.54，81Br为为49.46。因此，若分子中含有一个氯原子，则。因此，若分子中含有一个氯原子，则M和和M2峰强度比为峰强度比为3：1；若分子中含有一个溴原子，则；若分子中含有一个溴原子，则M与与M2之比为之比为1：1。5）EI源中，当电子轰击电压降低，强度不增加的峰源中，当电子轰击电压降低，强度不增加的峰不是分子离子峰。不是分子离子峰。4）利用同位素帮助识别分子离子峰。如含有Cl和Br时，由于其472、化学式的确定、化学式的确定a)高分辨质谱：可分辨质荷比相差很小的分子离子高分辨质谱：可分辨质荷比相差很小的分子离子b)或或碎碎片片离离子子。如如CO和和N2分分子子离离子的子的c)m/z均均为为28，但但其其准准确确质质荷荷比比分分别为别为d)28.0040和和27.9949，高高分分辨辨质质谱谱可以可以e)识别它们。识别它们。2、化学式的确定高分辨质谱：可分辨质荷比相差很小的分子离子48b)低分辨质谱：低分辨质谱：不能分辨不能分辨m/z相差很小的碎片离子，如相差很小的碎片离子，如CO和和N2。通常。通常通过同位素相对丰度法来确定分子的化学式。通过同位素相对丰度法来确定分子的化学式。对于化合物对于化合物CwHxNyOz，其同位素离子峰，其同位素离子峰(M+1)+和和(M+2)+与分子离子峰的强度比分别为：与分子离子峰的强度比分别为：忽略2H和17O的影响，上二式简化为b)低分辨质谱：忽略2H和17O的影响，上二式简化为49对于含有对于含有Cl,Br,S等同位素天然丰度较高的化合物等同位素天然丰度较高的化合物其其同同位位素素离离子子峰峰相相对对强强度度可可由由（a+b)n展展开开式式计计算算，其其中中a、b分分别别为为该该元元素素轻轻重重同同位位素素的的相相对对丰丰度度，n为为分分子中该元素的原子个数。子中该元素的原子个数。CH3Cl；因为，；因为，a=3,b=1,n=1,因此因此(3+1)1=3+1，即即m/z50(M):m/z52(M+2)=3:1CH2Cl2因为，因为，a=3,b=1,n=2,因此因此(3+1)2=9+6+1,即即m/z84(M):m/z86(M+2):m/z88(M+4)=9:6:1CHCl3：因为：因为a=3,b=1,n=3,因此，因此，(3+1)3=27+27+9+1即即m/z118(M):m/z120(M+2):m/z122(M+4):m/z124(M+6)=27:27:9:1对于含有Cl,Br,S等同位素天然丰度较高的化合物50对于含有两种或以上的杂原子对于含有两种或以上的杂原子则以（则以（a1+b1)n1(a2+b2)n2表示。表示。ClCH2Br:(3+1)1(1+1)1=3+4+1即：即：m/z128(M):m/z130(M+2):m/z132(M+4)=3:4:1对于含有两种或以上的杂原子513、结构鉴定：、结构鉴定：a)根根据据质质谱谱图图，找找出出分分子子离离子子峰峰、碎碎片片离离子子峰峰、亚亚稳稳离离子子峰峰、m/z、相相对对峰峰高高等等质质谱谱信信息息，根根据据各各类类化化合合物的裂规律，重组整个分子结构。物的裂规律，重组整个分子结构。b)采用与标准谱库对照的方法采用与标准谱库对照的方法.3、结构鉴定：a)根据质谱图，找出分子离子峰、碎片离子峰、52四、质谱定量分析四、质谱定量分析利用质谱离子流强度与离子数目成正比进行定量。利用质谱离子流强度与离子数目成正比进行定量。1、同位素测定：元素同位素测定和分子同位素测定。、同位素测定：元素同位素测定和分子同位素测定。a）C6D6纯度测定：由纯度测定：由C6D6+，C6D5H+，C6D4H2+，C6D3H3+等的相对强等的相对强度确定。度确定。b）同位素标记：用稳定同位素来标记化合物，用它作示踪来测定在）同位素标记：用稳定同位素来标记化合物，用它作示踪来测定在化学反应或生物反应中该化合物的最终去向，研究反应机理。如化学反应或生物反应中该化合物的最终去向，研究反应机理。如酯的水解机理就是用将酯基用酯的水解机理就是用将酯基用18O来标记，然后只要示踪来标记，然后只要示踪18O是在水是在水解生成的烷醇中，还是在酸中。若在烷醇中则是酰氧断裂；反之解生成的烷醇中，还是在酸中。若在烷醇中则是酰氧断裂；反之则是烷氧断裂。则是烷氧断裂。c）同位素年代测定：通过）同位素年代测定：通过36Ar与与40Ar的强度比求出的强度比求出40Ar(由由40K经经1.3 109a衰变而来衰变而来)含量，再据半衰期求出其年代。含量，再据半衰期求出其年代。2、无机痕量分析：、无机痕量分析：ICP-MS（无机质谱）（无机质谱）四、质谱定量分析利用质谱离子流强度与离子数目成正53