质谱分析法

6.1 概述

气体分子或固体、液体的蒸气受到一定能量的电子流轰击或强电场作用，丢失电子生成分子离子；同时，化学键发生某些有规律的裂解，生成各种碎片离子。这些带正电荷的离子在电场和磁场作用下，按质荷比的大小分开，排列成谱，记录下来，即为质谱。

质谱过程与光谱过程对比

上图显示了质谱的全过程：质谱与光谱的过程类似，但基本原理不同样品通过进样系统进入离子源，由于结构性质不同而电离为各种不同质荷比（m/z）的离子碎片，而后带有样品信息的离子碎片被加速进入质量分析器，在其磁场作用下，离子的运动半径与其质荷比的平方根成正比，因而使不同质荷比的离子在磁场中被分离，并按质荷比大小依次抵达检测器，经记录即得样品的质谱（mass spectrum MS）。

6.1.1质谱分析法的特点和用途

质谱是定性鉴定与研究分子结构的有效方法。主要特点是：

灵敏度高，样品用量少：目前有机质谱仪的灵敏度可达5 pg（pg为10^－12 g），有微克量级的样品即可得到分析结果。

分析速度快：扫描1～1000u[u=原子质量单位，1u=1.6605655×10^－27kg]，一般仅需1～几秒，可达1/1000秒，因此，可实现色谱-质谱在线联接。

测定对象广：不仅可测气体、液体，凡是在室温下具有10^－7Pa蒸气压的固体，如低熔点金属（如锌等）及高分子化合物（如多肽等）都可测定。

质谱法的用途：

求准确的分子量：由高分辨质谱获得分子离子峰的质量，可测出精确的分子量。

鉴定化合物：如果事先可估计出样品的结构，用同一装置，同样操作条件测定标准样品及未知样品，比较它们的谱图可进行鉴定。

推测未知物的结构：从离子碎片获得的信息可推测分子结构。

测定分子中Cl、Br等的原子数：同位素含量比较多的元素（Cl、Br等），可通过同位素峰强度比及其分布特征推算出这些原子的数目。

6.2 质谱仪及其工作原理

6.2.1原理

         下图是质谱仪的示意图。质谱仪由离子化、质量分离和离子检测等三部分组成。

         被气化的分子，受到高能电子流（～70eV）的轰击，失去一个电子，变成带正电的分子离子。这些分子在极短的时间内，又碎裂成各种不同质量的碎片离子、中性分子或自由基。

         在离子化室被电子流轰击而生成的各种正离子，受到电场的加速，获得一定的动能，该动能与加速电压之间的关系为：

         m——正离子质量，v——正离子速度

         z——正离子电荷，V——加速电压    

         加速后的离子在质量分析器中，受到磁场力（Lorentz 力）的作用，作圆周运动时，运动轨迹发生偏转。而圆周运动的离心力等于磁场力：

                                     m·v²/R=Hzv                         

式中H—磁场强度，R—离子偏转半径。

经整理：                        

后边两式，为磁偏转分析器的质谱仪方程。式中单位m，原子质量单位；z，离子所带电荷的数目；H，高斯；V，伏特；R，厘米。

         在上式，依次改变磁场强度H或加速电压V，就可以使具有不同质荷比m/z的离子按次序沿半径为R的轨迹飞向检测器，从而得到一按m/z大小依次排列的谱—质谱。

6.2.2 离子源

         离子源的功用是将样品分子或原子电离成离子。质谱仪的离子源种类很多，其原理和用途各不相同，离子源的选择对样品测定的成败至关重要，尤其当分子离子不易出峰时，选择适当的离子源，就能得到响应较好的质谱信息。下边简单介绍几种常用的离子源。

6.2.2.1电子轰击源（Electronimpact Source，EI）

         电子轰击源由离子化区和离子加速区组成。在外电场的作用下，用（8～100ev）的热电子流去轰击样品，产生各种离子，然后在加速区被加速而进入质量分析器。这是一种的离子化方法。

       利用电子轰击源得到的离子流稳定性好，碎片离子产额高，应用广泛。但当样品分子量太大或稳定性差时，常常得不到分子离子，因而不能测定分子量。

                                        电子轰击源

A：阳极   C：阴极（灯丝）  i：电子流   R：排斥   S1，S2：加速极   F：聚集极  I：离子流

6.2.2.2化学电离源（chemicalionization Source，CI）

         化学电离源是为解决上述问题而发明的一种软离子化技术。它与EI不同，样品不是通过电子碰撞而是与试剂离子碰撞而离子化。为化学电离源示意图。样品放在样品探头顶端的毛细管中，通过隔离子阀进入离子源。反应气经过压强控制与测量后导入反应室。反应室中，反应气首先被电离成离子，然后反应气的离子和样品分子通过离子——分子反应，产生样品离子。

                                    化学电离源

         ①灯丝 ②反应室 ③样品 ④真空测量规 ⑤气流控制阀 ⑥切换阀 ⑦前级真空室 ⑧隔离阀

6.2.2.3等离子解吸质谱（plasmadesorption MS，PDMS）

         用锎（252Cf）放射性衰变过程中产生的裂解碎片，使大分子离子化的方法称252Cf-PDMS。即用252Cf-PDMS离子源使非挥发性分子解离所产生的离子，主要是MH+、MNa+等。

6.2.2.4快速原子轰击源（fastatom bombardment，FAB）

         FAB电离法是在80年代初发展起来的。它利用快速中性原子来轰击样品溶液的表面，使分子电离的方法。此法常采用液体基质（如甘油）将样本溶于极性、粘稠的高沸溶剂中，然后快原子枪射出的快原子来轰击于基质中的样品而产生离子。这种方法使分子电离的能量很低，通常没有分子离子峰，而易得到加成离子峰MH⁺（M+1）峰。且FAB是研究极性、高分子量、非挥发性和热不稳定分子的重要离子化方法。

         但FAB离子化法缺点在于其基质会产生众多的质谱峰，几乎在每个质量座标处都产生化学噪音，有时有可能会错误解析。

6.2.2.5场解吸离子源（fielddesorption FD）

         EI、CI离子源需要使样品气化，所以难挥发或热不稳定的样品不宜用EI、CI方法电离。1969年Beckey提出了FD离子化法。该法将非挥发性有机化合物涂在发射器表面的微针上，然后将发射丝上通电流，使样品分子在强电场下电离解吸，并在减压条件下，施加一适当高电压（发射微针为正高压，电位差约1kV左右），从而可得到较强的MH⁺离子。该离子化法的特点是M+1峰很强，且碎片离子少。

         FD法的缺点是测定技术难度较大，重现性不太理想。

6.2.2.6场致电离（fieldionization FI）

FI离子源中有一场致射器是一个长满微针的细金属线上加上很高的电压（约10kV），当样品的气压分子一旦与这些针尖接触，就会因特别大的电位梯度而产生“隧道效应”使分子只接收很小的能量，失去电子后的正离子飞向分析器。FI源可得到较强的分子离子峰。

下图为D-葡萄糖的EI、FI和FD质谱。在EI（a）中，M峰和（M+1）峰不出现；而在FD和FI中的（M+1）峰为基峰，均有较为明显的M峰，且在FD中，碎片离子峰也较少。若将三谱对照，能较好地解析有机化合物的分子结构。

随着仪器分析的不断发展，科学工作者不断地推出不同的离子源如二次离子源，激光解吸离子源等等，此处不一一介绍。

 D-葡萄糖的质谱

（a） EI（b） FI和（c）FD

6.2.3质量分析器（MassAnalyzer）

         质量分析器种类很多，此处仅介绍常见的磁偏转质量分析器和四极杆质量分析器。

6.2.3.1磁偏转质量分析器

单聚焦质量分析器（Single focusing mass analyzer）在离子源生成的离子被加速后，在质量分析器中受到磁场力的作用，轨迹发生偏转，其偏转半径为原理中式所述，由V、H和m/z三者决定。单聚焦磁偏转质量分析器及其离子轨迹示意图

          在质谱仪中，离子接收器是固定的，即R是固定的，当加速电压V和磁场强度H为某一固定值时，只有满足一定质荷比的离子可以通过狭缝到达接收器。改变加速电压或磁场强度，均可改变离子的轨迹半径。如果使H保持不变，连续地改变V（电压扫描）可使不同m/z的离子顺序通过狭缝到达接收器，得到某个范围的质谱；加速电压越高可测的质量范围越小，反之越大；同样，使V保持不变，连续地改变H，（磁场扫描）也可使不同m/z的离子被接收。

                 单聚焦磁偏转质量分析器及其离子轨迹示意图

由上分析可知，由离子源发出的具有不同质量的离子，经过磁场后，可按一定的m/z顺序彼此分开，即磁场对不同质量的离子的质量色散作用。同时由一点发出的具有相同质量、不同发射角的离子束，以一定速度进入磁场，经磁偏转后会重新聚在一起。即磁场对于有一定发散角的质量相同的离子有会聚作用，这种会聚作用称为方向聚焦。它可同时提高质谱仪的分辨率和灵敏度。

但单聚焦质量分析器没有考虑离子束中各离子的能量实际是有差别的。这种差别的存在使同种离子沿略为不同的飞行半径偏转，造成质量记录的偏差，而使单聚焦质量分析器分辨率不高。为了克服之，人们又设计发明了双聚焦质量分析器。

双聚焦质量分析器（Doublefocusing mass analyzer）在磁偏转分析器的前面加一个由一对金属板电极组成的静电分析器。在测定时，静电器只允许特定能量的离子通过。然后通过狭缝进入磁偏转分析器，这样可使分辨率大大提高。

6.2.3.2四极杆质量分析器（Quadrupolemass analyzer）

四极杆质量分析器的主体是由四根平行的金属杆组成。为了加工方便，这四根极杆常用圆柱形电极代替。离子的质量分离在电极形成的四极场中完成。其工作原理是将四根电极分为四组，分别加上直流电压和具有一定振幅和频率的交流电压。当一定能量的正离子沿金属杆间的轴线飞行时，将受到金属杆交、直流叠加电压作用而波动前进。这时只有少数离子（满足m/z与四极杆电压和频率间固定关系的离子）可以顺利通过电场区到达收集极。其它离子与金属杆相撞、放电，然后被真空系统抽走。如果依次改变加在四极杆上的电压或频率，就可在离子收集器上依次得到不同m/z的离子信号。

四极杆质量分析器具有扫描速度快，结构简单、价格较低，易于控制等特点。

                              四极杆质量分析器示意图

6.2.4离子检测器和记录器

         作为离子检测器的电子倍增器种类很多，但基本工作原理相同。一定能量的离子打到电极的表面，产生二次电子，二次电子又受到多极倍增放大，然后输出到放大器，放大后的信号供记录器记录。电子倍增器常有10～20级，电流放大倍数为105～108倍。电子通过电子倍增器时间很短，利用电子倍增器可实现高灵敏度和快速测定。质谱仪常用的记录器是紫外线记录器。紫外线由高压水银灯发生，照射到振子（检流计）反射镜上，当放大后的离子流信号加到振子的动圈上时，振子产生偏转，偏转角与信号幅值成比例，因此，由振子反射镜反射的光线，表示了不同m/z离子流的强度。反射的紫外线通过透镜作用到转动的紫外感光记录纸上，即得到质谱图。

6.2.5  质谱仪的主要性能指标

         分辨率（resolutionpower）

    分辨率表示仪器分开两个相邻质量的能力，通常用R=M/△M表示。M/△M是指仪器记录质量分别为M与M+△M的谱线时能够辩认出质量差△M的最小值。在实际测量中并不一定要求两个峰分开，一般规定强度相近的相邻两峰间谷高小于两峰高的10%作为基本分开的标志，这时分辨率用R10%表示。

         例：CO和N₂所形成的离子，其质荷比分别为27.9949（M）及28.0061（M+△M），若某仪器刚能基本分开这两种离子则该仪器的分辨率为：

分辨率

         质量范围

    质谱仪的质量范围是指仪器所能测量的离子质荷比范围。如果离子只带一个电荷，可测的质荷比范围实际上就是可测的分子量或原子量范围，有机质谱仪的质量范围一般从几十到几千。

         灵敏度  

    有机质谱仪常采用灵敏度，它表示对于一个样品在一定分辨率情况下，产生具有一定信噪比的分子离子峰所需要的样品量。        

6.2.6  质谱

         质谱的表示方式很多，除用紫外记录器记录的原始质谱图外，常见的是经过计算机处理后的棒图及质谱表。其他尚有八峰值及元素表（高分辨质谱）等表示方式。现以多巴胺为例说明：

         棒图  多巴胺的原始质谱经计算机处理后，获得的棒图

         棒图中，横座标表示质荷比（m/z），其数值一般由定标器或内参比物定出来。纵座标表示离子丰度（ion abundance）即离子数目的多少。表示离子丰度的方法有两种，即相对丰度和丰度。

                                   多巴胺的质谱

         相对丰度（retaliveabundance），

    又称相对强度，是以质谱中峰的高度定为99%，并将此峰称为基峰（base peak）。然后，以此峰去除其他各峰的高度，所得的分峰即为其他离子的相对丰度。

         质谱表  

    把原始质谱图数据加以归纳，列成以质荷比为序的表格形式。

    八峰值  由化合物质谱表中选出八个相对强峰，以相对峰强为序编成八峰值，作为该化合物的质谱特征，用于定性鉴别。未知物，可利用八峰值查找八峰值索引（eight peak index of mass spectra）定性。用八峰值定性时应注意，由于质谱受实验条件影响较大，同一化合物质谱八峰值可能含有明显差异。

         元素表（elementlist）

    高分辨质谱仪可测得分子离子及其它各离子的精密质量，经计算机运算、对比，可给出分子式及其他各种离子的可能化学组成。质谱表中，具有这些内容时称为元素表。

6.3主要离子类型

6.3.1分子离子（MolecularIon）：

    一个分子电离通过电离，丢失一个外层价电子形成的带正电荷的离子，称为分子离子。分子离子的质量与化合物的分子量相等。分子离子峰一般位于质荷比的位置，但有时的质荷比的峰不一定是分子离子峰，这主要决定于分子离子的稳定性。而这和化合物的结构类型有关。

化合物的分子离子稳定性一般为：芳香化合物＞共轭链烯＞烯烃＞脂环化合物＞直链烷烃＞酮＞胺＞酯＞醚＞酸＞支链烷烃＞醇．

Ｎ规律：有机化合物通常由C、H、O、N、S、卤素等原子组成，分子量符合含Ｎ规律:由Ｃ，Ｈ，Ｏ组成的有机化合物，Ｍ一定是偶数;由Ｃ，Ｈ，Ｏ，Ｎ组成的有机化合物，Ｎ奇数，Ｍ奇数;由Ｃ，Ｈ，Ｏ，Ｎ组成的有机化合物，Ｎ偶数，Ｍ偶数。

分子离子峰的判断：

 分子离子峰必须有合理的碎片离子，如有不合理的碎片就不是分子离子峰；

 根据化合物的分子离子的稳定性及裂解规律来判断分子离子峰，如醇类分子的分

子离子峰很弱，但常在M－18有明显的脱水峰；

降低离子源能量到化合物的离解位能附近，避免多余能量使分子离子近一步裂解；

采用不同的电离方式，使分子离子峰增强。

6.3.2同位素离子（isotopicion ）

组成有机化合物的元素许多都有同位素，所以在质谱中就会出现不同质量的同位素形成的峰，称为同位素峰。同位素峰的强度比与同位素的丰度比是相当的。如自然界中丰度比很小的C、H、O、N的同位素峰很小，而S、Si、Cl、Br元素的丰度高，其产生的同位素峰强度较大，根据M和（M＋2）两个峰的强度比容易判断化合物中是否有S、Si、Cl等元素或有几个这样的原子，

如：因为35Cl: 37Cl=3:1: 若分子中含有一个Cl原子, M:(M+2)=3:1；含两个Cl原子，M:(M+2):(M+4)=9:6:1; 含三个Cl原子，M:(M+2):(M+4):(M+6)=27:27:9:1。

    因为79Br: 81 Br=1:1:若分子中含有一个Br原子, M:(M+2)=1:1；含两个Br原子， M:(M+2):(M+4)=1:2:1; 含三个Br原子， M:(M+2):(M+4):(M+6)=1:3:3:1。

 当化合物中存在两种不同的有同位素的元素时，各峰的强度比可用下式计算（a+b)m(c+d)n式中：a、 b 为甲元素同位素丰度比；c、 d 乙元素同位素丰度比；m和n 分别为甲元素和乙元素的同位素数目。

6.3.3碎片离子(FragmentIon)

    碎片离子是由分子离子进一步发生键的断裂而形成。由于断键的位置的不同，同一个分子离子能产生不同的碎片离子，而其相对量与键断裂的难易有关即与分子结构有关。一般有机化合物的电离能为7－13电子伏特，质谱中常用的电离电压为70电子伏特，使结构裂解，产生各种“碎片”离子。

6.3.4重排离子(RearrangementIon)

当分子离子裂解为碎片离子时，有些离子的形成不仅是通过简单的键的断裂，而且同时伴随分子内原子或基团的重排，这种特殊的碎片离子称为重排离子。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，其中见的是麦氏重排。其形式可以归纳如下：

                                   麦氏重排图

6.3.5亚稳离子

离子由电离区抵达检测器需一定时间（约为10^－5秒），因而根据离子的寿命可将离子分为三种。（1）寿命（约≥10^－4秒）足以抵达检测器的离子为稳定离子（正常离子）。这种离子由电离区生成，经加速区进分析器，而后抵达检测器，被放大、记录，获得质谱峰。（2）在电离区形成，而立即裂解的离子为不稳定离子，寿命约＜1×10^－6秒。仪器记录不到这种离子的质谱峰。（3）寿命约在1～10×10^－6秒的离子，在进入分析器前的飞行途中，由于部分离子的内能高或相互碰撞等原因而发生裂解，这种离子称为亚稳离子（metastable ion），过程称为亚稳跃迁（或变化）。裂解后形成的质谱峰为亚稳峰（metastable peak，m^*）。

对于单聚焦仪器，假定质量为m₁的母离子在进入磁场前发生亚稳变化，失去一个中性碎片，产生质量为m₂的离子m₂⁺。

 亚稳峰（m^*）、子离子峰（m₂）及母离子峰（m₁）的峰位示意图

    由于在离子飞行途中产生的m₂⁺离子的能量（速度）小于在电离室中产生的m₂⁺。因此这种在飞行途中产生的离子将在质谱上小于它的质量的位置m^*处出现，m^*称为表观质量。

亚稳峰的特点：①峰弱，强度仅为m₁峰的1～3%。②峰钝，一般可跨2～5个质量单位。③质荷比一般不是整数。

6.3.6多电荷离子

具有一个以上正电荷的离子称为多电荷离子（multiply charged ion）。一般情况下，正离子只带一个正电荷。只有非常稳定的化合物，如芳香族化合物或含有共轭双键的化合物，被电子轰击后，才会失去一个以上下电子，产生多电荷离子。通常双电荷离子还较常见。如吡啶能失去两个电子形成双正电荷离子，m/z 39.5（M²⁺）。

对于双电荷离子，如果质量数是奇数，它的质荷比是非整数，这样的两价离子在图谱中还易于识别；如果质量数是偶数，它的质荷比是整数，就较难以辨认，但它的同位素峰是非整数，可用来识别这种两价离子。总之，双电荷离子的质荷比较正常离子小一倍。

6.4 质谱法的应用

分子量的测定

分子失去一个电子而生成分子离子，其质荷比就等于分子量。因此，利用质谱测定分子量非常简便，但要注意有时分子离子峰很弱甚至不出现，而有时由于同位素的原因，质谱中出现M+1、M＋2等峰。

分子式的确定
　　根据质谱图确定分子式可采用：丰度法和高分辨质谱法。

推测化合物的结构
　　从质谱图推测化合物的结构，一般可以按照以下顺序进行：

1.确定分子离子峰，从分子离子峰的强弱初步判断是哪类化合物；

2.分子离子的质量是奇数还是偶数；

3.是否有明显的同位素峰；

4.初步提出化合物分子式，并计算出其不饱和单位数；

5.对碎片离子峰进行分析，根据质谱图中主要的代表分子不同部位的碎片离子峰，粗略推测化合物的大致结构；

6.以所有可能方式把各部分结构单元连接起来，再利用质谱数据和其它数据，将不合理的结构排除掉。

例1： 分子式为C6H12O的酮(A)，其质谱图如下，试确定结构。