质谱法概念及质谱图.pptx

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1、第一节概述主要内容1、质谱法的概念及质谱图2、质谱法的发展3、质谱分析的特点第1页/共222页 质谱(MassSpectrum)法是分离和记录离子化的原子或分子的方法。按其研究对象可分为同位素质谱、无机质谱和有机质谱三个主要分支，本课程仅介绍有机质谱。质谱法是有机化合物结构分析的最重要方法之一，它能准确地测定有机物的分子量，提供分子式和其它结构信息；其灵敏度远高于其它结构分析法，如IR、1HNMR等。第一节：概述1、质谱法概念及质谱图有机化合物在高真空中受热汽化，受到50100ev(电子伏特)的电子轰击后，失去一个电子而形成的离子，称为分子离子在电子轰击下可进一步裂解为碎片离子这些离子在电场和

2、磁场的综合作用下，按照质量大小（实际是质荷比m/z）依次排列成谱，被记录下来称为质谱（MassSpectrometry）。可以看出在原理上质谱与波谱（包括红外、紫外、核磁共振）不同。它是一种质量谱，但在仪器中用到聚焦和色散。所以归到了波谱学中，是一种离子光谱学。第2页/共222页（1）质谱法提供的信息的表示形式：质谱图或质谱表格。1）质谱图：横坐标为离子的质荷比，纵坐标为离子的相对强度（或称为相对丰度），即以谱图中强度最大的离子为100来计算其它离子的百分强度（也有用总离子强度为100来计算各离子百分强度）这种质谱图叫做“棒图”，图中的离子信号叫做“峰”，相对强度为100的峰称为“基峰”。第3

3、页/共222页2）质谱表格形式离子质荷比（m/z)相对强度（%)153.2264.6291003030396440783）有时为了简化，在文献中用特征离子峰或8个最强峰表示化合物的质谱信息。第4页/共222页2、质谱法的发展 1898年是由W.Wein发现带正电荷的离子束在电磁场中发生偏转(质谱原理)。1918年由捷丹普斯特（J.Dempster）和1919佛、胡、阿斯顿（F.W.Aston）制造了最初的质谱是在用于测量某些同位素的相对丰度和原子质量。这种质谱成为无机质谱。1940年质谱仪才用于气体分析和化学元素的稳定同位素的测定。1950年后，Beynon和W.Mclafferty清楚得指出

4、了官能团对分子化学键的断裂有引导作用，才利用质谱测定有机化合物的分子结构。并成为了有机化合物结构研究的强有力的手段（这种质谱称为有机质谱）。近年来质谱仪发展很快。例如：基质辅助激光解析飞行时间质谱、电喷雾电离质谱和傅里叶变换回旋共振质谱以及多级串联质谱和联用质谱（红外-质谱，质谱-质谱）；特别是电子计算机的程序控制和电子计算机用于质谱的解析中，使的质谱的应用范围不断扩大。目前，质谱分析已成为有机化学、药物学、生物化学、石油化学、无机化学、食品、环境污染研究等领域中的重要分析技术之一。第5页/共222页3、质谱分析具有以下特点：（1）分析范围广：对气体、液体、固体样品都能进行分析。（2）可以测定

5、微小的质量和质量差。可以精确测量样品的分子量。（可以精确到小数的后四位），推测样品的分子式、结构式。（3）分析速度快，灵敏高，样品用量少。几分钟内可分析一个样品，样品用量约1mg左右，极限用量只需几个微克就够了。（4）样品无法回收。（5）在应用质谱法解析有机化合物分子结构时，应结合紫外、红外和核磁共振谱及化学反应的结果进行综合判断，才能得出正确结论。第6页/共222页第二节基本原理主要内容：1、样品的电离2、离子的分离第7页/共222页第8页/共222页 第二节 基本原理质谱分析的基本原理很简单，有机化合物在真空（10-5-10-6mmHg）中受热气化后，通过一个细孔（称为漏孔）进入电离室，使

6、样品电离、破碎后，按质核比大小分别检测各种离子。质谱法的关键是样品的电离和按质荷比分离。1、样品的电离有许多方法使分子离子化，最常用的是电子轰击法（ElectronImpact,EI）。即利用一定能量的电子（将极细的钨丝或者铼丝加热至2000左右,使发射出一定数量的电子流），与气相中的样品分子相互作用（“轰击”）使分子失去一个价电子，电离成分子离子，当分子离子具有剩余的能量大于某些化学键的键能时，分子离子发生碎裂生成碎片离子。例如：第9页/共222页注意：（1）离子的碎裂不仅仅限于一根化学键的简单断裂，有时可能会发生离子中原子连接次序的变化，即在断键的同时还有新化学键的生成，这种现象称为重排，

7、新生成的碎片离子叫重排离子。（2）EI电离法是电子与气态样品分子相互作用的，如果被测样品是液态或固态，则首先要气化，然后再与轰击电子作用，发生电离和进一步碎裂，所以它不能用于难气化和热不稳定的化合物的分析。EI电离法的特点：l方法成熟l谱图中有较多的碎片离子，能提供丰富的结构信息l灵敏度高，能检测纳克（ng)级样品l重复性好l离子源的结构简单，操作简单第10页/共222页EI缺点l70ev能量较高，易使分子碎裂，分子量测定困难l样品事先需气化才能电离，许多生命科学有关的物质或者受热易分解，或不能气化的样品不能使用。新的电离方法：“软电离技术”化学电离法、场致电离法和场解析电离法、快原子轰击法和

8、二次离子质谱法、基质辅助激光解析电离法、大气压电离法（包括大气压化学电离法和电喷雾电离）。各种技术围绕一个目的，即解决EI存在的问题，用温和的，低能量的方式使有机分子电离，以增加质谱图中分子离子峰的强度。第11页/共222页2、离子的分离在离子源中生成的各种不同的离子，必须用适当的方法将它们按m/z大小分开，然后依次送至检测器。离子按质荷比分离是在质量分析器中实现。下面以磁偏转质量分析器为例，讨论离子的分离。如果在离子源出口处设置一个加速电机，（见下图）由电子轰击产生的各种阳离子被电位差为几百至几千伏的电场加速，加速后的动能（1/2mv2）等于离子的位能（eE）。即：1/2mn n2=eE-m

9、：离子质量；n n：离子被加速后的速度；e：离子所带的电荷；E：电场的加速电压第12页/共222页正离子离开电场进入磁场之前作匀速直线运动，进入磁场后（质量分离器）电荷运动与磁场方向垂直，这时正离子的运动方向受到磁场的作用，将发生偏转。根据左手定则：左手手掌对着磁力线射来的方向（图中为垂直纸面指向读者），四指向电流的方向，拇指指的方向即为离子在磁场中受力的方向。由于磁场力的方向与正离子运动的方向垂直，这样就使正离子的运动在磁场中发生偏转而做弧形运动。第13页/共222页在磁场中离子受到的向心力（Hev）和离心力mv2/R相等。即：Mn n2/R=Hev-（1/2mn n2=eE-）H：均匀磁场

10、的磁场强度；R：离子轨道曲线半经；m、e、v与式相同，由式得：v2=2eE/m-，由式代入式，得：两边平方后，整理得第14页/共222页 m/e为质荷比，当离子带一个正电荷时，它的质荷比就是它的质量数，式是质谱的基本公式；质荷比m/e与正离子在磁场中的轨道半径R平方成正比，与磁场强度H的平方成正比，而与加速度电压成反比m/eR2m/eH2如果我们把质谱仪的收集狭缝（R）固定。（一般仪器是这样的）加速电压也固定，这时，质荷比只和磁场强度有关，m/e H2即质荷比小的离子在低磁场强度时通过收集狭缝，质荷比大的离子在高磁场强度时通过收集狭缝。实际工作中，通过调节磁场强度，使其由小到大逐渐改变，则m/

11、e不同的正离子将按m/e由小到大依次通过狭缝，打到收集器的片上，每个正离子要在收集片上得到一个电子，中和正离子所带的正电荷，这样就在收集的线路上产生电流，将此电流经放大记录出来，即成质谱图。每通过收集狭缝一种离子，就出现一个峰。峰的高度就取决于该种离子的数量。第15页/共222页磁场不但能使m/z不同的离子分离，而且还能使离开离子源时方向有一定发散的离子重新会合聚在检测器的狭峰处。这就是磁场的方向聚焦作用，单独用一个磁场作为质量分析器的质谱计叫单聚焦（Single-Focusing)质谱计。双聚焦质谱计（见后）四级滤质器（见后）第16页/共222页第17页/共222页质谱仪器工作原理第18页/

12、共222页第三节质谱仪简介主要内容一、单聚焦质谱仪的基本组成部分二、双聚焦质谱计：三四极滤质器（四极矩）质谱计第19页/共222页第三节质谱仪简介不同型号的质谱仪在分离和检测离子的装置上有相当大的差异。从分辨率高低来看有单聚焦质谱仪和双聚焦质谱仪。单聚焦质谱仪是低分辩率的，双聚焦质谱仪分辨率比较高。如果只需将质量差1的各种阳离子互相分离，用单聚焦质谱仪就可以了。一、单聚焦质谱仪的基本组成部分：质谱计主要由真空系统、进样系统、离子化室、质量分离器和检测记录系统等五部分组成。以下分别简述：第20页/共222页1、真空系统：为了减少离子碰幢损失，质谱计的整个系统都必须是高真空的（10-5-10-6m

13、mHg）。因此可根据需要而采用各种类型的真空泵。2、进样系统：进样一般有两种方法：加热进样法和直接进样法。加热进样法：这种方法是减压下把样品加热（一般是100300）（使它汽化，先把蒸汽储藏在瓶中，然后以一定的速度进入离子化室。用本方法测定时，可以保持一定的蒸汽压，所以图谱的重现性较好。当然样品为气体或挥发性的液体时，在室温下就可以测定。直接进样法：对于热不稳定的样品，用加热进样，由于加热时间长，往往造成在电离室前就开始分解，而得分解产物的质谱。还有一些高沸点的样品，即使加热到较高温度也只分解产生少量的气体。因而也无法测定。对于上述样品可以用直接进样法进行测定。即用探针杆直接进到离子室。如此样

14、品一旦气化就立即受到电子流的轰击。这样就不需较大的气化时间，而且避免热分解。但是本法重复测量时，由于各次样品的蒸汽压不恒定，所以图谱的气化性较差。（送样时，一般要告诉样品的沸点和熔点）第21页/共222页3.离子化室（离子源）（1 1）电子轰击流：如图所示：引入离子化室的分子，在垂直方向受到来自热铼丝或钨丝的高能离子束的轰击，如果电子束的能量大于分子的电离势。则分子就会失去一个电子变成离子的方法称为电子轰击法。（Electron.Impact简写为EI）。第22页/共222页 大多数有机物分子失去一个电子，仅需15-20电子伏特（ev）。而质谱仪通常使用70-80ev的能量。因而还有多余的能量

15、用于断裂分子离子中较不稳定的键，生成较分子离子质量小的碎片离子，所以质谱图除了有分子离子峰外，还有大量碎片离子峰。例如：苯甲醚的裂解：EI的优点是：产生许多碎片离子，对于推断化合物结构有利。缺点：通常产生的分子离子峰很弱，有时甚至检测不到。为了弥补电子轰击法的不足，目前已有多种新的电离方法，如化学电离法、场致电离子法、场解吸电离法等，使用这些电离法可以增加分子离子峰，且碎片分子大大减少。特别是对热不够稳定的化合物更为合适。但是碎片分子的减少，对判断结构不利。所以现在发展到有的仪器带有多种离子源，可按不同要求选择使用。第23页/共222页(2)化学电离法（chemicalionization简写

16、为CI）：化学电离是利用离子分子反应使样品分子电离。在一密闭性较好的电子轰击离子源中通入大量称作反应气的气体，使电离盒的气压达102Pa(通常电子轰击时为10-4Pa），其中样品蒸汽压仅为反应气的0.1%左右。此时轰击电子主要使反应气电离，生成大量的反应气离子。在102Pa的气压下，离子分子反应很容易发生，通过系列离子分子反应使样品分子电离。下面举例说明化学电离过程：设样品是氢化物RH，反应气体是CH4，将样品气体与反应气体混合后送入电离室中，先用能量大于50ev的电子束使反应气体CH4电离，发生一级电离反应。CH4+e-CH4.+CH3+CH2+C+H+2+H+ne-在CH4电离过程中，质量

17、小于14的碎片很少，碎片离子主要是CH4.+和CH+3。约占全部的90%。这些离子又与反应气体反应，发生二级离子反应：第24页/共222页 CH4.+CH4CH5+CH3。CH3+CH4C2H5+H2生成的C2H5+、CH5+等活性离子再和样品分子RH发生质子转移反应：CH5+RHCH4+RH2+C2H5+RHC2H4+RH2+C2H5+RHC2H6+R+上述RH+2及R+可写成（RH+1）+或（M+1）+及（RH-1）+或（M-1）+。反应所生成的离子主要是CH+4、C2H5+、（M+1）+、（M-1）+等正离子。第25页/共222页因此化学电离源的分子离子峰，不是M峰，而是（M+1）和（M

18、-1）峰，强度很大。因为反应气体的离子产生的峰可被仪器扣除。因此图上只是显示样品离子峰。注意：与EI生成的分子离子不同，这些准分子离子是偶电子离子。CI的优点是：即使对于不稳定的化合物，也可以得较强的准分子离子峰，有利于分子量的测定；可进行正、负离子检测。缺点是：碎片少，可提供的碎片结构信息少，所以现代质谱仪器将化学电离源和电子轰击源配合使用，可得到分子离子峰的离子化方法。此图简单相取偿补短第26页/共222页（3）场致电离法（fieldionization简写FI）如果将正高压加在金属丝或刀片或针尖等尖端半径极小的场发射体上，就能形成107108Vcm-1的高电场强度。当样品蒸汽处在该场发射

19、体附近时就会被电离。这种电离方式称为场致电离（FI）。FI提供给分子的能量约为1213eV，是一种温和的电离方式。FI方法优点：由场致电离形成的分子离子分子离子丰度很大，分子离子峰很强。有的分子离子采用电子轰击法（EI）时找不到分子离子峰，而采用场致电离源FI），则可得到很强的分子离子峰。第27页/共222页如：3，3-二甲基戊烷的质谱，采用电子轰击源（EI）几乎得不到分子离子峰，而选用场致离子源（FI）可得到很清楚的分子离子峰。CH3CH2C（CH3）2CH2CH3FI法的缺点是图谱比较简单，碎片峰很少，不能提供足够的结构信息，在解析结构时应与EI结合起来。3,3-二甲基戊烷的质谱 上述EI

20、、CI、FI几种离子源都需要将样品气化，对于不宜气化和热稳定性差的样品仍难以解决。为解决此题，1969年出现了场解吸电离源。第28页/共222页（4）场解吸电离源（Fielddesorption简写成FD）作用原理与FI相似，但在样品导入方法上不同，将场离子发射体用的细丝（一般都用活化过的钨丝）放在样品溶液浸一下，少量样品就吸附在上面。待溶液挥发后，作为阳极通以电流，样品解吸，并扩散到高强场的场发射区域进行离子化。离子源的工作温度略高于室温，所以称FD为一种温和的离子化方法。它的分子离子峰比FI的还强，质谱图比FI的还要简单。场解吸离子源的优点是它特别适合与难汽化和热稳定性差的样品如多肽、生物

21、碱等作定性鉴别结构测定。第29页/共222页（5）二 次 离 子 质 谱（Secondary Ion Mass SpctroscopySIMS）SIMS有两种制样方式 用一定能量（约几千eV）的离子，轰击涂布在金属靶上的样品，引起样品分子的“溅射”电离。涂布在金属靶上的样品需事先溶解或分散在称作基质（matrix)的高沸点极性溶剂中。常用的基质有甘油、硫代甘油、三乙醇胺等。初级离子（一级离子）常用氩气的离子。氩离子被加速后打在含样品的基质上，产生样品的二次离子从而被检测。样 品 分 子 形 成 的 二 次 离 子 为 准 分 子 离 子（M+H）+或（M+Met）+（Met代表金属元素）。用二

22、次离子质谱成功地分析了一些极性化合物。如：肽类化合物，维生素等。第30页/共222页（6）快原子轰击（FastAtomBombardmentFAB）二次离子质谱中，一次离子的轰击可能产生表面的电荷积累，采用快原子代替一次离子，可克服此缺点。快原子的产生是由于下列过程：氙原子（Xe）或Ar、He通过电场被电离并加速，从而具有较大的动能，然后快速的离子直接进入氙气（Xe）室，氙气原子与快速的离子（较大动能）发生电荷交换；即获得成为高动能的原子。第31页/共222页例如，氙气快原子的形成如下：Xe+.（快）+Xe（热运动的）Xe（快）+Xe+.（热运动经电荷交换后的低动能的Xe+被偏转出快原子流，而

23、获得高动能的中性分子（即快原子），对样品分子进行轰击。样品调在甘油基质之中，当快原子轰击到其上时，快原子的动能以各种方式消散，其中的一些能量导致样品的蒸发和离解。各种高极性、难挥发的有机化合物，都可采用此技术得到准分子离子峰（M+H）+。当有碱金属盐存在时，可生成（M+Na）+及（M+K）+，也可到（M+H+G）（G为甘油分子），同时得到少数碎片离子。第32页/共222页（7）电喷雾电离（ElectrosprayIonization,ESI)(略）（8）基质辅助激光解吸电离（Matrix-assistedLaserDesorptionIonization,MALDI)（略）第33页/共222页

24、 4、质量分离器 单聚焦质谱计是加速电压加速的离子，通过磁场，将磁场由小到大进行扫描，致使不同质荷比的离子也由小到大依次穿过收集狭缝，达到质量分离的目的。按照质量分离器的不同，质谱仪可以分单聚焦，双聚焦和四极滤质器质谱计。5、检测、记录系统 各种不同质量的离子流到达该系统中产生信号，这些信号经放大器放大后，输给记录器，就会在连续动的记录纸上画出m/e为横坐标，以各峰的强度为纵坐标的质谱图。峰越高，表示形成的离子越多。因此谱线的强度是与离子多寡成正比。第34页/共222页第35页/共222页二、双聚焦质谱计：如果只需将质量差为1的各种阳离子互相分开，用单聚焦质谱仪就可以了，若要求分辨率更清楚一些

25、，例如：CO、CH2=CH2和N2的质量数（整数）都是28左右。但精密质量数有一些差异，它们分别为：27.9949、28.0313、和28.0061。如果要将这些离子相互区分开就要用高分辨质谱仪双聚焦质谱仪。由于离子源产生的离子在加速之前就有动能，而且各不相同，只是这个动能与加速后获的动能相比甚小。这样质荷比相同的离子在被加速前动能各不相同，因此被加速后进入磁场时的动能就有一个范围，这个范围表现在他们的速度不同（动能1/2mv2不同，主要表现在V不同）。那么导致磁场中产生与向心力Hev相同的离心力mv2/R而进行圆运动的R（半径）不同。动能大，速度V大的离子，进行圆运动的半径大；第36页/共2

26、22页动能小，速度小的离子因运动的半径小，这样，质荷比相同的离子在磁场中的运动轨道就有差别，形成的谱带就比较宽，致使仪器的分辨率降低。为了避免进入磁场的离子动能不同，提高质谱计的分辨能力，在离子室和磁场之间加入一个静电分析器。（如下图），使离子在进入磁场分析器进行质荷比聚焦之前，先在静电分析器中进行能量聚焦。这种将离子束先在静电场分离聚焦，然后经过磁场再一次被偏转分离的质谱计叫双聚焦质谱计。这种双聚焦质谱计分辨率较高，可到几万。第37页/共222页高分辨质谱计可以得到准确的分子离子峰和碎片离子的元素质量。因此可以知道分子离子和碎片离子的元素组成，即可知道分子式和帮助解析裂解过程。第38页/共2

27、22页三四极滤质器（四极矩）质谱计四极滤质器的结构如下图所示。它由四个筒形电极组成，对角电极相连接，构成两组，两组电极间加以一定的直流电压U和高频电压Vcost。集中V为电压的交流幅值。为高频电压角频率。t为时间。当离子进入筒形电极所包围的空间后，离子做横向摆动，在一定的直流电压和交流电压比（u/v）以及场半径r固定条件下，对于一定高频电压V只有某一种（或一定范围）质荷比的离子能够到达收集器并发生信号。这些离子成为共振离子。其它离子在运动过程中撞击在筒形电极上而最后被真空抽走，这些称为非共振离子。第39页/共222页将交流电压的频率固定，而连续改变直流电压和交流电压的大小（u/v比值不变），称

28、为电压扫描。保持电压不便而连续改变交流电压的频率，称为频率扫描。利用电压扫描或频率扫描都可以使不同质荷比m/e的离子依次通过电极场到达接受器，然后记录绘出质谱图，这样四极矩起着一个质量过滤的作用。四极矩质谱计的优点是：利用四极杆代替笨重的电磁铁，体积小，质量轻，价格较低，加上具有较高分辨率（15000）和较高灵敏度，因而它成为十年来发展最快的质谱仪器，而且此质谱仪器和气相色谱联用特别适用。第40页/共222页第41页/共222页第42页/共222页四：质谱仪的主要的性能指标1.分辨率：所谓分辨率就是区分邻近的两个质谱峰的能力。显然，如果两个邻近的质谱峰大部分重叠在一起，我们就很难区别它们（则分

29、辨率就低）。国际上通常采用10%谷定义：若两峰重叠后形成的谷高为峰高的10，则认为两峰正好分开。第43页/共222页R=M/M，其中：M=（M1+M2）/2；M=M2-M1例如：已知N2+=28.0062，CO+=27.9949，C2H4+=28.0313（1）若 分 辨 开 N2+和 CO+，仪 器 的 分 辨 率 至 少 应 为：（28.0062+27.9949）/2=280006；28.0062-27.9949=0.0113；R=28.0006/0.011.=2478（2）若分辨开N2+和C2H4+则仪器的分辨率至少应为：（28.0062+28.0313）/2=28.0188；28.03

30、13-28.0062=0.0251；R=28.0188/0.0251=1117从分辨率R=M/M的式子可以看出，要分辨的离子质量越大，而且分辨的质量差越小，所需仪器的分辨率就越高。根据分辨率的不同，质谱仪可分为低分辨率、中分辨率、和高分辨率三种。它们的分辨率分别是小于2000，在2500-5000之间，和大于10000。（有的就分为R10000为低分辨，R10000为高分辨）。现在有的高分辨质谱仪分辨率可以达到10万。第44页/共222页2.质量范围：质量范围也叫工作范围，是指能够测量的最大质量数。低分辨质谱计一般测量范围约为200，高分辨质谱计的测量范围可达到5000。不同的仪器测量值不同。

31、例如：MAT-111为：1-1000，日立M-80为1-3000，所以送样时告诉所测分子的分子量。3.灵敏度：灵敏度指仪器出现峰（信号）的强度与样品用量的关系。使用样品量少出现的峰强度大。则说明仪器灵敏度高。解析结构时较大的离子峰一般都比较重要，但较小离子峰有时也可起一定的作用。所以要把强度小的离子峰检测出来，就要提高仪器的灵敏度。有时需要同时使用几种灵敏度，分别同时记录。利用提高灵敏度的方法就可以析出强度虽小，但很有意义的离子峰。第45页/共222页五、气相色谱质谱联用（GC-MS）技术 色谱-质谱联用技术，已有30多年的历史。色谱质谱联用仪分析系统是相当独特的，它结合了质谱优越的鉴定能力和

32、色谱的高效分离能力。用色谱仪将复杂的多组分进行分离，然后用质谱仪将每一个组分进行分析，这是以前做不到的。尤其是与计算机联用后，不仅在定性分析上有独到之处，而且可以得到半定量数据。计算机里存有操作程序的软件，还存有几万种化合物质谱图的数据库。在进行实验时，计算机不仅是一个总指挥，而且还是数据采集，数据存储，数据检索，数据计算的高速工作机。实现了GC-MS联用技术，结束了以前必须以用纯品进行分析测定的时代，把人们从繁重的手工操作中解放出来，这是仪器分析工作中的一个极大飞跃。当分析天然芳香精油，花的香味，分析大气，水质污染或其它组分样品时，用GC-MS联用仪，尤其是石英毛细管柱进行分离，可以达到分离

33、效率高，检出限量低的目的。第46页/共222页下面是气相色谱-质谱联用示意图第47页/共222页第四节质谱中常见的离子的类型主要内容：一一.分子离子和分子离子峰的判断二二.同位素离子（IsotopicIons）三、碎片离子及其断裂规律四、亚稳离子（MetastableIons）五双电荷离子：第48页/共222页第四节质谱中常见的离子的类型第49页/共222页一.分子离子和分子离子峰的判断1分子离子（molecularion缩写为）有机物分子经电子流轰击，失去一个电子后所生成的离子叫分子离子（又叫母离子）。如果分子离子在到达检测器前有足够的稳定性，那么它在质谱图上将出现于质荷比最高的位置（若不考

34、虑同位素峰），它的质量数就是该化合物的分子量。第50页/共222页分子失去电子通常发生在最易离子化的部位。最易失去的电子常常是杂原子的未共用电子对，其次是电子，再次是电子。例如酮类化合物中，羰基氧上未共用电子对的电离势为9.8eV，而电子为10.6eV，电子为11.5eV。质谱法所得的分子量是由天然丰度最大元素的原子组成的分子式。如：12C、1H、16O、32S、14N、35Cl、79Br（丰度最大的一般是质量最轻的同位素）。一定要和根据元素的平均原子量计算得到的分子量相区别。例如：甲烷分子（CH4）在质谱中得到的是：12+14=16。而甲烷的计算分子量为12.01115+1.007444=1

35、6.04303。第51页/共222页2分子离子峰的判断：用质谱法研究过的有机化合物中，大多数可以直接由谱图读出其分子量。如果分子离子不稳定，在质谱中就不出现分子离子峰，这时要注意不要把碎片离子误认为分子离子，通常判断分子离子峰的方法如下：（1）原则上除同位素峰外，分子离子峰是最高质量的峰。但要注意“醚、胺、脂的(M+H)+峰”及“芳醛、醇等的(M-H)+峰”。（2）分子离子峰应符合“氮规则”。在C、H、O组成的化合物中，分子离子峰的质量数一定是偶数；在含C、H、O、N化合物中，含偶数个N的分子量为偶数，含奇数个N的分子量为奇数。N数=O或偶数分子量=偶数N数=奇数分子量=奇数第52页/共222

36、页对对于于这这个个规规则则的的解解释释是是：有机化合物主要由C、H、O、N、S、Cl、Br、I、F等元素组成。C、O、S等的原子量和化合价均为偶数，而H、Cl、Br、I、F等原子量和化合价均为奇数；N则不同，N的原子量为偶数，而化合价为奇数（3或5）。那么由C、H、O、S、X组成分子中，或含有偶数个N原子的分子，总的化合价是偶数，那么结合H原子和卤原子总数必为偶数，故分子量一定是偶数。而对含奇数个N原子的分子，其H、卤素的原子之和必为奇数，故分子量也一定是奇数。第53页/共222页（3）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：如失去H、CH3、H2O、C2H5.，因

37、而质谱图中可看到M-1，M-15，M-18，M-28等峰，而不可能出现M-3，M-14，M-24等峰，如出现这样的峰，则该峰一定不是分子离子峰。因为化合物分子中,不可能连续失去3个H或失去比-CH2小的碎片.这样的裂解需要很高的能量,故在质谱中很少见。当二个峰之间的差别为3个质量单位，则标志分子是应该比最大峰大15，比次大峰大18，这很可能是由一个分枝的醇（醇的分子离子峰不稳定，质谱图上有时不见分子离子峰）。失去甲基得少15质量单位的峰，失去H2O得少18质量单位的峰，而这两个峰之间刚好差三个质量单位。（4）EI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。第54页/共222页（5）

38、被认为的分子离子峰的强度与假定的分子结构必须相适应如芳香族化合物和共轭链烯有利于正电荷的分散，分子离子比较稳定，因此，分子离子峰较强，有时分子离子峰就是基峰。环状化合物的分子离子峰也是比较强的，因为对环状化合物一次断裂不能使分子变成碎片，必须二次断裂才能形成碎片。在烷烃中，直链烷烃的分子离子峰最高，随支链的增多，分子离子峰减弱。烷烃断裂后，正电荷保留在取代较多的碳原子碎片上。在质谱中，有机化合物的分子离子的稳定性有如下顺序：芳香族化合物共轭烯烃烯烃脂环化合物硫化物直链烷烃硫醇酮胺酯醚羧酸分支较多的烷烃醇.第55页/共222页3、提高分子离子峰强度的常用技术：采用适当的实验技术，提高分子离子峰的

39、强度，也是常用的方法。如：、降低电子轰击的能量，减少分子离子的裂解，增加分子离子峰强度。、采用“软电离”技术。、制备适当的衍生物，如将酸变成酯，将醇变成醚进行测定，这样的衍生物分子离子峰容易出现，然后对比化合物转变前后的质谱，观察是否出现相应质量的变化。、对于一些难挥发的，分子量大的有机化合物，若改用直接进样法而不加热进样，使化合物受热温度降低，缩短受热时间，往往可以使分子离子峰强度增加。第56页/共222页 二、同位素离子（IsotopicIons）自然界中组成有机化合物的各种元素，如：C、H、O、N、S、F、Cl、Br、等等。实际上是各该元素的混合物。因此，有机化合物的分子离子，也是同位素

40、的混合物。元素的重同位素通常比轻同位素重12原子量单位。因此在分子离子峰的右面12质量单位处常出现含重同位素的分子离子峰。这些峰系由同位素峰引起的。所以称为同位素离子峰。用M+1，M+2等来表示。有机物中常见元素同位素的天然丰度见下表：第57页/共222页第58页/共222页同位素离子峰的强弱与分子中存在的原子的种类，（不同种类原子的同位素丰度不同）和每种元素的原子个数及每种元素的同位素丰度比有关。例 如：天 然 碳 的13C和 同 位 素12C的 丰 度 比 为：13C/12C100=1.107/98.893100=1.12.即表示每100个12C就有1个13C。所以在甲烷质谱中，质量单位为

41、17的峰为质量单位为16的峰的强度的1.1%（重氢仅含0.015%，质谱中可以忽略）。12C1H4=16M13C1H4=17M+112C1H32H=17M+1同位素很弱12C1H22H2=18M+2同位素很弱第59页/共222页含n个碳原子的分子，其中有n1.1%13C，因此峰的强度比M:M+1=100：n1.1%，这样由分子离子峰与高一个质量单位的同位素峰的强度比，可以获得化合物中含碳原子的数目。即也可利用同位素峰推测分子式。又如：35Cl和37Cl同位素天然丰度大约为3:1，如果化合物中只含一个Cl原子，在质谱图上M+2处出现一个强度为M峰的1/3的峰，这个峰就是该化合物的同位素峰。第60

42、页/共222页同位素峰对于鉴定分子中含氯、溴、硫原子很有用，因这些元素有较多的高2个质量单位的同位素，在M、M+2等处出现特征性很强的离子峰。如：含一个溴原子的化合物将在M和M+2处将出现近似1:1强度的峰。含一个硫原子的化合物将在M和M+2处将出现近似100:4.4强度的峰。由于分子中各元素的原子个数一定，以及其同位素的自然丰度一定，所 以 M+1和 M+2峰 与 M峰 强 度 比 值 一 定，所 以 在 1963年J.H.Beynon列成了一个Beynon表以便查阅。对于含卤原子的Cl、Br。如果有一个卤原子出现M+2峰。对于含两个卤原子（两个溴或一个溴一个氯），由于分子中可能含有两个重同

43、位素，在图谱中除了（M+2）峰以外，还出现（M+4）峰。在含三个氯（溴）化合物中可能出现（M+2）峰（M+4）峰和（M+6）峰，它们的丰度比可以近似的用二项式（a+b）n展开的方法来计算。第61页/共222页a轻同位素丰度；b重同位素丰度；n分子中该元素的原子个数。例如：在CH2Cl2中，含有两个氯原子。因此n=2，氯的同位素丰度比35Cl：37Cl=100:32.5=3:1，即a=3，b=1。代入二项式并展开，(a+b)2=a2+2ab+b2=32+2*3*1+12=9+6+1上述第一项是两个35Cl对M峰的贡献值，第二项是一个35Cl和37Cl对（M+2）峰的贡献值，第三项是两个37Cl对

44、（M+4）峰的贡献值。因此，在质谱图上显示的强度比是：M（CH235Cl2）:M+2（CH235Cl37Cl）:（M+4）（CH237Cl2）=9：6:1同样在含三个氯原子的化合物中，利用二项式展开的方法，计算出氯的同位素峰的丰度比是M:（M+2）:（M+4）:（M+6）=27:27:9:1.当分子中含有两种或两种以上具有同位素的不同元素时（例如氯和溴），可展开(a+b)n(c+d)m式计算出同位素的丰度比。第62页/共222页142140127125105711581567751110108959381792766645149292829C2H5ClC2H5BrBrClC2H5第63页/共2

45、22页三、碎片离子及其断裂规律1.碎片离子（FragmentIons）一般有机化合物的电离电压大约为10-15ev，例如苯的电离电压为9.24ev，甲烷的电离电压为13.1ev，甲醇的电离电压为10.97ev，而质谱所用的电子束能量通常为50-100ev范围内（一般为70ev），故除了生成分之离子外（M+），尚有剩余的能量，可使分子离子中某些不稳定的化学键断裂，从而产生各种质量更小的碎片离子，碎片离子的形成是受化学结构支配的，了解碎片形成的规律，即可根据碎片进行分析，推导出有机物分子的结构。第64页/共222页2碎片离子断裂的一般规律（1）含杂原子分子中往往引起断裂或断裂，断裂后，电子向缺少电

46、子的（杂）原子转移。例如：含羰基化合物的分子离子引起的断裂。（单电子转移）这是因为：键能小的共价键先断裂，双键与单键相比，单键键能弱，所以单键先断裂。单键中CX键较CH、CC键弱，而CX键中CI键，CBr键最弱，所以，卤代物也易发生断裂。（双电子转移）例如：第65页/共222页第66页/共222页胺及其衍生物则引起断裂：醇、酚、卤代物发生断裂：第67页/共222页这是因为双键或苯环的电子与P轨道发生了共轭作用，使正电荷得到分散，所以形成的正离子稳定。苄基正离子进一步形成更稳定的常常是基峰的卓翁离子（tropylliumion）。（2）有利于生成稳定离子开裂碎片有正离子，自由基、中性分子，其中以

47、正离子的稳定性最为重要。形成的正离子越稳定越易形成。例如：带有双键或苯环的衍生物常常发生-断裂：第68页/共222页有分枝的正碳离子是比较稳定的，故烷烃的断裂往往发生在取代基最多的碳原子上。（即分枝处断裂）。碳正离子的稳定性如下：R3C+R2CH+RCH2+CH3+叔碳仲碳伯碳甲基第69页/共222页m/e=71m/e=99m/e=113这是因为在质谱中的规律是：在同样条件下，优先丢失大的的基团。所以在质谱图这三个峰都有。但是这三个峰强度明显不同，它们的强度是：第70页/共222页第71页/共222页例如：脂肪醇脱水得M-18峰，硫醇脱硫化氢得M-34峰，胺失去氨得M-17峰，这些典型的断裂都

48、有利于我们判断化合物的种类。这些脱去小分子的开裂历程放在各类化合物的质谱中讨论。（3）脱去小分子的开裂：脱去小分子的开裂较容易发生，所谓的小分子就是指H2O、H2S、NH3、CH3COOH、CH3OH、CH2=C=O、CO、HCN、HX等中性小分子。第72页/共222页位置有可迁移的H，它通过六元环中间状态发生H向双键的碳或杂原子转移，同时脱去一个不饱和的中性化合物。麦氏重排的规律很强，故对解析质谱时非常有意义。在醛、酮、链烯、酰胺、酯、芳香族化合物、腈、甚至环氧化物等的质谱中都可以产生这类重排的离子。（4）重排离子：质谱解析的困难往往是因为出现重排离子，使图谱复杂化。重排有两大类，一类属于无

49、规则重排，这一般在烃类中才出现。另一类是特定重排，其中最主要的是麦氏重排：麦氏重排（Mclaffertyrearrangement）：发生麦氏重排的正离子应具有这样一个通式：第73页/共222页例如：酮：乙酸酯：麦氏重排：凡分子中具有不饱和基团，且在该基团的g g位碳原子上连有氢原子（g Hg H），都能发生麦氏重排，生成与分子结构有直接关联的特征的奇电子碎片离子。第74页/共222页逆（反）狄尔斯阿尔德（DielsAlder）重排：具有环己烯类型的化合物可发生逆DielsAlder的断裂重排，这是以双键为起点的重排。在脂环族、生物碱、萜类、和黄酮等的质谱中，经常可以看到有这种重排产生的碎片离

50、子峰。这种重排通常生成带正电荷的共轭二烯离子和中性烯类碎片。例如：第75页/共222页四亚稳离子（MetastableIons）亚稳离子是相对稳定离子和不稳定离子而言的。在离子源中形成，并在到达监测器时还没有发生进一步碎裂的离子为稳定离子。如果某个离子在离子源已经碎裂，那么它就是不稳定离子。第三种情况，即某个离子在从离子源到达监测器的运动过程中发生了碎裂，将这种离子称作亚稳离子。亚稳离子的平均寿命为510-6S，介于稳定离子和不稳定离子之间。亚稳离子峰的峰型弱且宽，呈小包状，可跨越2至5个质量单位。虽然亚稳离子与其母离子在正常电子轰击下裂解产生的子离子结构相同，但其被记录在质谱图上的质荷比值却