第十七章 质谱法
Mass Spectrometry, MS
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)大小进行分离并记录其信息的分析方法。所得结果即为质谱图(亦称质谱，mass spectrum)。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结构和组成分析等。
早期质谱法最重要的工作是发现非放射性同位素，1913年Thomson J J报道了氖气是由20N
e和22Ne两种同位素组成。到20世纪30年代中叶，质谱法已经鉴定了大多数稳定同位素，精确的测定了质量，建立了原子质量不是整数的概念，大大促进了核化学的发展。但直到1942年，才出现了用于石油分析的第一台商品质谱仪。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独特的离子化过程及分离方式，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，质谱仪成为许多研究室及分析实验室的标准仪器之一。
随着气相色谱（GC）、高效液相色谱（HPLC）、电感耦合等离子体发射光谱等仪器和质谱联机成功以及计算机的飞速发展，使得色谱－质谱及ICP－MS等各类联用仪器分析法成为分析、鉴定复杂混合物及微量、痕量金属元素研究的最有效工具。目前，HPLC－ICP－MS联机技术已经解决，必将开创微量有机金属化合物分离分析研究新领域。
在有机化合物结构分析的四大工具中，与核磁共振波谱、红外光谱和紫外光谱比较，质谱法具有其突出的特点：
（1）质谱法是唯一可以确定分子式的方法；
（2）灵敏度高。通常只需要微克级甚至更少的样品，便可得到质谱图，检出限最低可达10
（3）根据各类有机化合物分子的断裂规律，质谱中的分子碎片离子峰提供了有关有机化合物结构的丰富的信息。
17.1质谱仪
用来检测和记录待测物质的质谱，并以此进行相对分子(原子)质量、分子式以及组成测定和结构分析的仪器称为质谱仪。
质谱仪的种类很多，按质量分析器的不同，主要可分为单聚焦质谱仪、双聚焦质谱仪、四极杆滤质器质谱仪、离子阱质谱仪及飞行时间质谱仪等；按进样状态不同，可分为气相色谱-质谱联用仪（GC－MS）、液相色谱-质谱联用仪（LC－MS）、毛细管电泳-质谱联用仪（CE－MS）和高频电感耦合等离子体-质谱联用仪（ICP－MS）等。
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。典型的方式
是将样品分子离子化后经加速进人磁场中，其动能与加速电压及电荷z有关，即
（17.1）
式中: z为电荷数，e为元电荷(e
= 1.6×10
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。在静态仪器中采用稳定的电场或磁场，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。而在动态仪器中采用变化电磁场，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。
1．质量测定范围
质谱仪的质量测定范围表示质谱仪所能够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(符号u)进行度量。原子质量单位是由
(17.2)
=1.66054×10
而在非精确测量的场合，常采用原子核中所含质子和中子的总数即“质量数”来表示质量的大小，其数值等于其相对质量数的整数。
无机质谱仪，一般质量数测定范围在2~250，而有机质谱仪一般可达数千。通过多电荷技术等方法，现代质谱仪甚至可以研究相对分子质量达几十万的生化样品。
2.分辨本领
分辨本领是指质谱仪分开相邻质量数离子的能力。其一般定义是: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，则认为两蜂已经分开(图17.1)，其分辨率
(17.3)
式中：m1, m2为质量数，且m1<m2，故在两峰质量相差越小时,要求仪器分辨率越大。
图17.1 质谱仪10%峰谷分辨率
而在实际工作中，有时很难找到相邻的且峰高相等的两个峰，同时峰谷又不大于峰高的10%。在这种情况下，可任选一单峰，测量其峰高5%处的峰宽W0.05，即可当作上式中的△m。此时分辨率定义为
R = m/ W0.05
(17.4)
如果该峰是高斯型的，上述两式计算结果是一样的。
[例17.1] 要鉴别
(m/z为28.006)和CO+ (m/z为27. 995 )两个峰，仪器的分辨率至少是多少?
在某质谱仪上测得一质谱峰中心位置为245
u,峰高5%处的峰宽为0.52
u，可否满足上述要求?
解:要分辨和CO+，要求质谱仪分辨率至少为
质谱仪的分辨率
Rneed < Rsp故不能满足要求。
质谱仪的分辨本领主要受下列因素影响:①磁式离子通道的半径或离子通道长度，②加速器与收集器狭缝宽度或离子脉冲;③离子源的性质。
质谱仪的分辨本领几乎决定了仪器的价格。分辨率在500左右的质谱仪可以满足一般有机分析的要求，此类仪器的质量分析器一般是四极滤质器、离子阱等，仪器价格相对较低。若要进行准确的同位素质量及有机分子质量的准确测定，则需要使用分辨率大于10000的高分辨率质谱仪，这类质谱仪一般采用双聚焦磁式质量分析器。目前这种仪器分辨率可达10000 0。当然其价格也比低分辨率仪器高得多。
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; 分析灵敏度则指输人仪器的样品量与仪器输出的信号之比。
质谱仪由进样系统、离子源（或称电离室）、质量分析器、离子检测和记录系统等部分组成,质谱仪构造框图如图17.2所示。为了获得离子的良好分析，必须避免离子损失。因此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,质谱仪还需有高真空系统。
质谱分析的一般过程为:通过合适的进样装置将样品引入并进行气化，气化后的样品引人到离子源进行离子化，然后离子经过适当的加速后进人质量分析器，按不同的m/z二进行分离。然后到达检测器，产生不同的信号而进行分析。
图17.2 质谱仪构造框图
1.真空系统
质谱仪离子产生及经过的系统必须处于高真空状态(离子源真空度应达1.3×10-4~1.3×10-5 Pa,质量分析器中应达1.3×10-6 Pa)。若真空度过低。则可能造成离子源灯丝损坏、本底增高、副反应过多。从而出现图谱复杂化、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真空后，再用高效率扩散泵连续地运行以保持真空。
2.进样系统
进样系统的作用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。目前常用的进样装置有间歇式进样系统、直接探针进样及色谱进样系统等三种类型。一般质谱仪都配有前两种进样系统以适应不同的样品需要。
（1）间歇式进样系统
该系统可用于气体、液体和中等蒸气压的固体样品进样，典型的设计如图17.3所示。
图17.3 典型间歇式进样系统
通过可拆卸式的试样管将少量(10~100 μg)固体和液体试样引人试样储存器中，由于进样系统的低压强及储存器的加热装置，使试样保持气态。实际上试样最好在操作温度下具有0. 13 ~ 1.3 Pa的蒸气压。由于进样系统的压强比离子源的压强要大，样品离子可以通过分子漏隙(通常是带有一个小针孔的玻璃或金属膜)以分子流的形式渗透进高真空的离子源中。
（2）直接探针进样
对那些在间歇式进样系统的条件下无法变成气体的固体、热敏性固体及非挥发性液体试样，可直接引入到离子源中。图17.4所示为一直接引入系统。
图17.4 直接探针引入进样系统
通常将试样放人小杯中，通过真空闭锁装置将其引人离子源，可以对样品杯进行冷却或加热处理。用这种技术不必使样品蒸气充满链个储存器，故可以引人样品量较小(可达1 ng )和蒸气压较低的物质。直接进样法使质谱法的应用范围迅速扩大，使许多少量且复杂的有机化合物和有机金属化合物得以进行有一效的分析，如甾族化合物、糖、双核昔酸和低摩尔质量聚合物等，都可以获得质谱。
在很多情况一下，将低挥发性物质转变为高挥发性的衍生物后再进行质谱分析也是有效的途径，如将酸变成酯、将微量金属变成挥发性鳌合物等。
3.离子源
离子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子化方法。通常称能给样品较大能量的离子化方法为硬离子化方法，而给样品较小能量的离子化方法为软离子化方法，后一种方法适用于易破裂或易离子化的样品。
表17.1 质谱研究中的几种离子源
|
名称 |
简称 |
类型 |
离子化试剂 |
应用年代 |
|
电子轰击离子化 Electron Bomb Ionization |
EI |
气相 |
高能电子 |
1920 |
|
化学离子化 Chemical Ionization |
Cl |
气相 |
试剂离子 |
1965 |
|
场离子化 Field Ionization |
FI |
气相 |
高电势电极 |
1970 |
|
场解吸 Field Desorption |
FD |
解吸 |
高电势电极 |
1969 |
|
快原子轰击 Fast Atom Bombandment |
FAB |
解吸 |
高能电子 |
1981 |
|
二次离子质谱 |
SIMS |
解吸 |
高能离子 |
1977 |
|
热喷雾离子化 Thermospray Ionization |
TSI |
|
荷电微粒能量 |
1985 |
离子源是质谱仪的心脏，可以将离子源看作是比较高级的反应器，其中样品发生一系列的特征降解反应，分解作用在很短时间（≈ 1μs）内发生。所以可以快速获得质谱。
对一个给定的分子而言，其质谱图的面貌在很大程度上取决于所用的离子化方法。离子源的性能将直接影响到质谱仪的灵敏度和分辨本领等。
许多方法可以将气态分子变成离子，它们已被应用到质谱法研究中。表17.1列出了各种离子源的基本特征。
(l)电子轰击源 电子轰击法是通用的离子化法，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为待侧分子，M+为分子离子或母体离子。
电子束产生各种能态的M十。若产生的分子离子带有较大的内能〔转动能、振动能和电子跃迁能)，可以通过碎裂反应而消去，如
式中：M1, M2……为较低质量的离子。而有些分子离子由于形成时获能不足，难以发生碎裂作用，而可能以分子离子被检测到。
（2）化学离子化源 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离子化方法，其中之一就是化学离子化法。化学离子化法是通过离子一分子反应来进行，而不是用强电子束进行离子化。
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个H+或电子，试样则变成带+1电荷的离子。
化学离子化源一般在1.3×102~1.3×103 Pa压强下工作(现已发展出大气压下化学离子化技术)，其中充满CH4。首先用高能电子进行离子化，即
CH4 + e-→CH4+·+2e-
CH4+·→CH3+·+H·
CH4+·和CH3+·很快与大量存在的CH4分子起反应，产生CH5+和C2H5+，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)导人离子源.试样分子（SH)发生下列反应:
CH5++SH→SH2++CH4,
C2H5++SH→S+ +C2H6
SH2+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。
化学离子化法可以大大简化质谱。若采用酸性比CH5+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。
(3)场离子化源 应用强电场可以诱发样品离子化。场离子化源由电压梯度约为107~108 V·cm-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离子化，离子化后被阳极排斥出离子室并加速经过狭缝进入质量分析器。阳极前端必须非常尖锐，才能达到离子化所要求的电压梯度。通常采用经过特殊处理的电极，在电极表面制造出一些微碳针(<1 μm)。大量的微碳针电极称为多尖陈列电极，在这种电极上的离子化效率比普通电极高几个数量级。
图17.5 谷氨酸的质谱图
(a)
电子轰击源 (b) 场离子化源 (c) 场解吸源
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，最好同时获得场离子化源或化学离子化源产生的质谱图和用电子轰击源所得的质谱图(见图17.5)，从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。火花源类似于原子发射光谱中的激发源。向一对电极施加约30 kV脉冲射颇电压，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。火花源的优点为:对于几乎所有元素的灵敏度较高，可达10-9；可以对极复杂样品进行元素分析。对于某个试样已经可以同时测定60种不同元素；信息比较简单，虽然存在同位素及形成多电荷离子因素，但质谱仍然比原子发射光谱法的光谱要简单得多；一般线性响应范围都比较宽，标准校准比较容易。但由于仪器设备价格高昂，操作复杂，其使用范围受到限制。
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。随着微电子技术的发展，也可以采用这些分析器的变型。
（1）磁分析器 最常用的分析器类型之一就是扇形磁分析器口离子束经加速后飞人磁极间的弯曲区，由于磁场作用，飞行轨道发生弯曲，见图17. 6。
图17.6 磁式质量分析器
此时离子受到磁场施加的向心力Bzev作用，并且离子的离心力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
(17.5)
式中：B为磁感应强度，ze为电荷，v为运动速率，m为质量，r为曲率半径。调整后，可得
(17.6)
代人式(17.1)，得
(17.7)
从式(17.7)可知，通过改变B,r,U这三个参数中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。
[例17.2] 试计算在曲率半径为
解 据式17.7，有
= 6.94×103 V
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。单聚焦质谱仪中影响分辨率提高的两个主要因家是离子束离开离子枪时的角分散和动能分散，因为各种离子是在离子源不同区域形成的。为了校正这些分散，通常在磁场前加一个静电分析器(electrostatic analyzer, ESA)。这种设备由两个扇形圆简组成，向外电极加上正电压，内电极为负压(见图17. 7)。
图17.7 双聚焦式质量分析器
对某一恒定电压而言，离子束通过ESA的曲率半径re为
re =2U/V (17. 8)
式中：V为两极板间的电压，U为离子源的加速电压。即不同动能的离子re不同，更准确地说，ESA用来将具粗同动能的离子分成一类，并聚焦到一点。这样,ESA使由离子源发散出的离子束按动能聚焦成一系列点，经过适当加工的极面使磁场将具有相同m/z。分开的离子束再聚焦到一点。
一般商品化双聚焦质谱仪的分辨率可达150000，质量测定准确度可达0.03 μg•g-1，即对于相对分子质量为600的化合物可测至误差士0. 0002 u。
双聚焦质谱仪有两种流行设计:Nier-Johnson型和Mattauch-Herzog型。前者只有单道检测器；而后者既可使用单道检测器，也可使用位于焦面的感光检测，用于无机及有机盐痕量分析的火花源质谱常用这种设计。
(2)飞行时间分析器(time of flight, TOF) 这种分析器的离子分离是用非磁方式达到的，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l m的无场漂移管。在离子加速后，其速率为
(17.9)
此离子达到无场漂移管另一端的时间为
t = L/V (17.10)
故对于其有不同m/z的离子，到达终点的时间差
(17.11)
由此可见，∆t取决于m/z的平方根之差。
因为连续离子化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TOF是以大约10 kHz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经漂移管在不同时刻到达收集极上，并馈人一个水平扫描频率与电场脉冲频率一致的显示器上，从而得到质谱图。用这种仪器，每秒钟可以得到多达l000幅的质谱。
从分辨本领、重现性及质量鉴定来说，TOF不及上述质量分析器，但其快速扫描质谱的性能。使得此类分析器可以用于研究快速反应以及与GC联用等，而用TOF质谱仪的质量检测上限没有限制，因而可用于一些高质量离子分析。与磁场分析器相比，TOF仪器的体积较小且易于移动与搬运，操作起来比较方便。
(3)四极滤质器(quadrupole mass filter) 四极滤质器由4根平行的金属杆组成，其排布见图17.8所示。理想的四杆为双曲线，但常用的是4支圆柱形金属杆，被加速的离子束穿过对准4根极杆之间空间的准直小孔。
图17.8四极滤质器示意图
通过在四极上加上直流电压U和射频电压Vcosωt，在极间形成一个射颇场，正电极电压为U+Vcosωt，负电极为-(U+Vcosωt) ，离子进人此射频场后，会受到电场力作用，只有合适的m/z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。
四极滤质器的分辨率和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，人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-MS联用及空间卫星上进行分析。
(4)离子阱检测器(ion trap detector) 离子阱是一种通过电场或磁场将气相离子控制并储存一段时间的装置。已有多种形式的离子阱使用，但常见的有两种:一种是后面要讲到的离子回旋共振技术。另一种是下述的较简单的离子阱。
图17.9离子阱检测器示意图(a)及工作原理图(b)
图17.9是离子阱的一种典型构造及示意图，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。当一组由离子化源（化学离子化源或电子轰击源)产生的离子由上端小孔进入阱中后，射频电压开始扫描，陷人阱中离子的轨道则会依次发生变化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GC-MS联用装置中。
(5) 离子回旋共振分析器( ion cyclntron resonance, ICR) 当一气相离子进人或产生于一个强磁场中时，离子将沿与磁场垂直的环形路径运动，称之为回旋。其频率为ωc。可用下式表示
(17.12)
回旋频率ωc。只与m/z倒数有关。增加运动速率时，离了回旋半径亦相应增加。
回旋的离子可以从与其匹配的交变电场中吸收能量(发生共振)。当在回旋器外加上这种电场，离子吸收能量后速率加快，随之回旋半径逐步增大；停止电场后，离子运动半径又变为原值。
当图17. 10中为一组m/z相同的离子时，合适的频率将使这些离子一起共振而发生能量变化，其他m/z离子则不受影响。由于共振离子的回旋可以产生称之为相电流的信号，相电流可以在停止交变电场后观察到。将图中开关置于2位时，离子回旋在两极之间产生电容电流，电流大小与离子数有关，频率由共振离子的m/z决定。在已知磁场B存在时，通过不同频率扫描，可以获得不同m/z的信息。
图17.10
离子回旋共振原理图
感应产生的相电流由于共振离子在回旋时不断碰撞而失去能量并归于热平衡状态并逐步消失，这个过程的周期一般在0.1~10 s之间，相电流的衰减信号与Fourier变换NMR中的自由感应衰减信号(FID signal)类似。
Fourier变换质谱仪通常是应用在ICR质量分析器的仪器上，首先用一个频率由低到高的线性增加频率(如0.070~3.6 MHz)的短脉冲(≈ 5 ms)；在脉冲之后，再侧定由离子室中多种m/z离子产生的相电流的衰减信号相干涉的图谱，并数字化储存。这样获得的时域衰减信号经Fourier变换后。成为频域的图谱即不同m/z的图谱。
由于可以测量不同脉冲及不同延迟的信息，脉冲离子回旋共振Fourier变换质谱法可以用于分子反应动力学研究。快速扫描的特性在GC-MS联用仪中有非常好的优越性，与常规
质量分析器的质谱仪相比，此种为一法可以获得较高分辨率及较大相对分子质量的信号。但此类仪器价格相对较高。
5.检测与记录系统
质谱仪常用的检测器有Faraday杯(Faraday cup)、电子倍增器及闪烁计数器、照相底片等。
图17.11 Faraday杯结构原理图
Faraday杯是其中最简单的一种，其结构如图17.11所示。Faraday杯与质谱仪的其他部分保持一定电位差以便捕获离子。当离子经过一个或多个抑制栅极进入杯中时，将产生电流，经转换成电压后进行放大记录。Faraday杯的优点是简单可靠，配以合适的放大器可以检测约10
电子倍增器的种类很多，其工作原理如图17.12所示。一定能量的离子轰击阴极导致电子发射，电子在电场的作用下，依次轰击下一级电极而被放大。电子倍增器的放大倍数一般在105~108。电子倍增器中电子通过的时间很短。利用电子倍增器，可以实现高灵敏、快速
测定。但电子倍增器存在质量歧视效应，且随使用时间增加，增益会逐步减小。
图17.12
电子倍增器工作原理
近代质谱仪中常采用隧道电子倍增器，其工作原理与电子倍增器相似。因为体积较小，多个隧道电子倍增器可以串列起来，用于同时检测多个m/z不同的离子，从而大大提高分析效率。
照相检测是在质谱仪，特别是在无机质谱仪中应用最早的检测方式。此法主要用于火花源双聚焦质谱仪。其优点是无需记录总离子流强度，也不需要整套的电子线路，且灵敏度可以满足一般分析的要求，但其操作麻烦，效率不高。
质谱信号非常丰富，电子倍增器产生的信号可以通过一组具有不同灵敏度的检流计检出，再通过镜式记录仪(不是笔式记录仪)快速记录到光敏记录纸上。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。
17.2 质谱图及其应用
在质谱分析中，质谱的表示方法主要两种形式：一是棒图，即质谱图（线谱）；另一种为表格，即质谱表（表谱）。
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定为基峰并定为相对强度100%，其他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及相对强度。从质谱图上可以很直观地观察到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。图l7.13为丙酸的质谱图与质谱表。
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丙酸 |
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|
ELC |
C3H6O2 |
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|
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RFN |
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|
PLT |
74 RF |
|
IF |
|
CF |
801800 |
LND |
|
|
|
PRS |
INT |
NRS |
INT |
PRS |
INT |
PRB |
INT |
NRS |
INT |
|
30 |
122 |
57 |
272 |
|
|
|
|
|
|
|
31 |
21 |
68 |
11 |
|
|
|
|
|
|
|
34 |
18 |
89 |
33 |
|
|
|
|
|
|
|
38 |
24 |
71 |
13 |
|
|
|
|
|
|
|
40 |
384 |
73 |
420 |
|
|
|
|
|
|
|
41 |
72 |
74 |
894 |
|
|
|
|
|
|
|
42 |
55 |
75 |
11 |
|
|
|
|
|
|
|
43 |
181 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
44 |
1000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
45 |
562 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
46 |
40 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
47 |
16 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
55 |
20 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
55 |
197 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
58 |
284 |
|
|
|
|
|
|
|
|
图 17.13 丙酸的质谱图与质谱表
最高峰质量=44，最大m/z=75
质谱信号十分丰富。分子在离子源中可以产生各种离子，即同一种分子可以产生多种离
子峰，其中比较主要的有分子离子峰、碎片离子峰、重排离子峰、亚稳离子峰和同位素离子峰等。
1.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-
M+称为分子离子或母离子(parrent ion)。
分子离子的质量对应于中性分子的质量，这对解释未知质谱十分重要。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相对强度较大的分子离子峰;而相对分子质量高的烃、脂肪醇、醚及胺等，则产生相对强度较小的分子离子峰。若不考虑同位素的影响，分子离子应该具有最高质量，而其相对强度取决于分子离子相对于裂解产物的稳定性。分子中若含有偶数个氮原子，则相对分子质量将是偶数；反之，将是奇数。这就是所谓的“氮律”，分子离子峰必须符合氮律。正确地解释分子离子峰十分重要，在有机化学及波谱分析课程中将有较详细的介绍。
2.碎片离子
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会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。但由此获得的分子拼接结构并不总是合理的，因为碎片离子并不是只由M+一次次碎裂产生，而且可能会由进一步断裂或重排产生，因此要准确地进行定性分析。最好与标准图谱进行比较。
有机化合物断裂方式很多，也比较复杂，但仍有几条经验规律可以应用。
有机化合物中，C-C键不如C-H键稳定，因此烷烃的断裂一般发生在C-C之间，且较易发生在支链上。形成正离子稳定性的顺序是三级>二级>一级，如2.2-二甲基丁烷，可以预期在高能离子源中断裂发生在带支链的碳原子周围，形成较稳定的。m/z=71或m/z =57的离子。
m/z=57 m/z=71
在烃烷质谱中C3H5+、C3H7+、C4H7+ C4H9+ (m/z依次为41，43，55和57)占优势，在m/z>57区出现峰的相对强度随m/z增大而减小，而且会出现一系列m/z相差14的离子峰，这是由于碎裂下来‒CH2‒的结果。
在含有杂原子的饱和脂肪族化合物质谱中，由于杂原子的定位作用，断裂将发生在杂原子周围。对于含有电负性较强的杂原子(如Cl、Br等)，发生以下反应
R—X→R++X·
而可以通过共振形成正电荷稳定化的离子时，可发生以下反应：
烯烃多在双键旁的第二个键上断裂，丙烯型共振结构对含有双键的碎片有着明显的稳定作用，但因重排效应，有时很难对长链烯烃进行定性分析。
含有C=O的化合物通常在与其相邻的键上断裂，正电荷保留在含C=O的碎片上
苯是芳香化合物中最简单的化合物，其图谱中M+通常是最强峰。在取代的芳香化合物中将优先失去取代基形成苯甲离子，而后进一步形成草鎓离子
因此在苯环上的邻、间、对位取代很难通过质谱法来进行鉴定。
3.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，在进人质量分析器之前，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为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的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 (17. 14)
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。 还有一系列可能发生的重排反应。可以改变分子的原来的骨架，使质谱信息更加复杂，但重排反应等亦可以为结构分析提供更有效的信息。
图
17.14 麻黄碱的化学离子化源(a)及电子轰击源(b)质谱
分子离子峰及碎片离子峰的准确运用与解析。对有机分子定性分析有很大的用处，可以通过选择合适的离子源来获得不同的信息，如选用电子轰击源获得碎片离子峰的信息，而化学离子化源、场离子化源可获得较多的分子离子峰的信息。如在进行麻黄碱分析时，选用化学离子化源和电子轰击源所获得的质谱图有明显的不同（见图17.14)。
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，由这此同位素形成的离子峰称为同位素离子峰。
一些常见的同位素相对丰度如表17.
2所示，其确切质量(以
表17.2
常见元素的稳定同位素相对丰度
|
元素 |
质量数 |
相对丰度/(%) |
峰类型 |
元素 |
质量数 |
相对丰度/(%) |
峰类型 |
|
H |
1 |
100.00 |
M |
Li |
6 |
8.11 |
M |
|
|
2 |
0.015 |
M+1 |
|
7 |
100.00 |
M+1 |
|
C |
12 |
100.00 |
M |
B |
10 |
25.00 |
M |
|
|
13 |
1.08 |
M+1 |
|
11 |
100.00 |
M+1 |
|
N |
14 |
100.00 |
M |
Mg |
24 |
100.00 |
M |
|
|
15 |
0.36 |
M+1 |
|
25 |
12.66 |
M+1 |
|
O |
16 |
100.00 |
M |
|
26 |
13.94 |
M+2 |
|
|
17 |
0.04 |
M+1 |
K |
39 |
100.00 |
M |
|
|
18 |
0.20 |
M+2 |
|
41 |
7.22 |
M+2 |
|
S |
32 |
100.00 |
M |
Ca |
40 |
100.00 |
M |
|
|
33 |
0.80 |
M +1 |
|
44 |
2.15 |
M +4 |
|
|
34 |
4.40 |
M +2 |
Fe |
54 |
6.32 |
M |
|
Cl |
35 |
100.00 |
M |
|
56 |
100.00 |
M +2 |
|
|
37 |
32.5 |
M +2 |
|
57 |
2.29 |
M +3 |
|
Br |
79 |
100.00 |
M |
Ag |
107 |
100.00 |
M |
|
|
81 |
98.0 |
M +2 |
|
109 |
92.94 |
M +2 |
表17.3
几种常见元素同位素的确切质量及天然丰度
|
元素 |
质量数 |
确切质量 |
天然丰度/(%) |
元素 |
质量数 |
确切质量 |
天然丰度/(%) |
|
H |
1H |
1．007 825 |
99.98 |
P |
31P |
30.973 763 |
100 |
|
|
2H(D) |
2.014 102 |
0.015 |
S |
32S |
31.972 072 |
95.02 |
|
C |
|
12.000 000 |
98.9 |
|
33S |
32.971 459 |
0.85 |
|
|
|
13.003 355 |
1.07 |
|
34S |
33.967 868 |
4.21 |
|
N |
14N |
14.003 074 |
99.63 |
|
35S |
35.967 079 |
0.02 |
|
|
15N |
15.000 109 |
0.37 |
Cl |
35Cl |
34.968 853 |
75.53 |
|
O |
16O |
15.994 915 |
99.76 |
|
37Cl |
36.965 903 |
24.47 |
|
|
17O |
16.999 131 |
0.04 |
Br |
79Br |
78.918 336 |
50.54 |
|
|
18O |
17.999 159 |
0.20 |
|
81Br |
80.916 290 |
49.46 |
|
F |
|
18.998 403 |
100.00 |
I |
127I |
126.904 477 |
100.00 |
在一般有机分子鉴定时，可以通过同位素峰的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总是符合统计规律的。如在CH4质谱中，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
在其他元素存在时也有同样的规律性，如在CH3Cl,
C2 H
质谱是纯物质鉴定的最有力工具之一，其中包括相对分子质量测定、化学式确定及结构鉴定等。
1.相对分子质量的测定
如前所述，从分子离子峰的质荷比数据可以准确地测定其相对分子质量，所以准确地确认分子离子峰十分重要。虽然理论上可认为除同位素峰外分子离子峰应该是最高质量处的峰，但在实际中并不能由此简一单认定。有时由于分子离子稳定性差而观察不到分子离子峰，因此在实际分析时必须加以注意。
在纯样品质谱中，分子离子峰应具有以下性质：
①原则上除同位素峰外，分子离子峰是最高质量的峰。但应予注意，某些样品会形成质子化离子(M+H)+峰(醚，脂，胺等)，去质子化离子(M–H)+峰（芳醛、醇等）及缔合离子(M+R)+峰。
②它要符合“氮律”。在只含(C, H, O, N的化合物中，不含或含偶数个氮原子的分子的质量数为偶数，含有奇数个氮原子的分子的质量数为奇数。这是因为在由C, H, O, N, P,卤素等元素组成的有机分子中。只有氮原子的化合价为奇数而质量数为偶数。
③存在合理的中性碎片损失。因为在有机分子中，经离子化后，分子离子可能损失一个H或CH3、H2O、C2H4……等碎片，相应为M-1, M-15, M-18, M-28……碎片峰，而不可能出现M-3至M-14、M-21至M-24范围内的碎片峰。若出现这些峰，则峰不是分子离子峰。
④在EI源中，若降低电子轰击电压，则分子离子峰的相对强度应增加；若不增加，则不是分子离子峰。
由于分子离子峰的相对强度直接与分子离子稳定性有关，其大致顺序是：
芳香环>共扼烯>烯>脂环>羰基化合物>直链碳氢化合物>醚>脂> 胺>酸>醇>支链烃
在同系物中，相对分子质量越大，则分子离子峰相对强度越小。
2.化学式的确定
由于高分辨的质谱仪可以非常精确地测定分子离子或碎片离子的质荷比(误差可小于10-5)，则可利用表17.3中的确切质量求算出其元素组成。如CO与N2两者的质量数都是28，但从表17.3可算出其确切质量为27. 9949与28. 0061，若质谱仪测得的质荷比为28.0040，则可推断其为N2。同样，复杂分子的化学式也可算出。
在低分辨的质谱仪上，则可以通过同位素相对丰度法推导其化学式，同位素离子峰相对强度与其中各元素的天然丰度及存在个数呈正比。通过几种同位素丰度的检测，可以说明质谱图的相对强度，其强度可以用排列组合的方法进行计算。
利用精确测定的(M+1)+、(M+2)+相对于M+的强度比值，可从Beynon表[1]。中查出最可能的化学式，再结合其他规则，确定化学式。
对于含有Cl、Br、S等同位素天然丰度较高的元素的化合物，其同位素离子峰相对强度可(a+b)n展开式计算，式中a、b分别为该元素轻、重同位素的相对丰度，n为分子中该元素个数。如在CH2Cl2中，对元素Cl来说a = 3, b = 1, n = 2, 故(a+b)2 = 9+6+1,则其分子离子峰与相应同位素离子峰相对强度之比为：
m/z 84 (M): m/z 84 (M+2): m/z 84 (M+4) = 9:6:1
若有多种元素存在时，则以(a+b)n(a'+b') n'···计算。
3．结构鉴定
纯物质结构鉴定是质谱最成功的应用领域。通过对谱图中各碎片离子、亚稳离子、分子离子的化学式、m/z、相对峰高等信息，根据各类化合物的分裂规律，找出各碎片离子产生的途径，从而拼凑出整个分子结构。再根据质谱图拼出来的结构，对照其他分析方法，以得出可靠的结果。
另一种方法就是与相同条件下获得的已知物质标准图谱比较来确认样品分子的结构。
总体说来, 质谱的解析与鉴定的程序如下:
（1）确定化合物的相对分子质量及分子式，计算其不饱和度。
（2）确认分子离子峰，根据分子离子峰和高质量数碎片离子峰之间的m / z差值，找到分子离子可能脱掉的中性分子或自由基，从此推测分子的结构类型。
（3）根据质谱中重要的碎片离子峰，结合分子离子的断裂规律及重排反应，确定分子的结构碎片。若有亚稳离子峰，利用m*=m22/m1的关系式，找到m1和m2，证实m
（4）按各种可能的方式，连接已知的结构碎片及剩余的结构碎片，排除不合理的结构式，确定可能的结构式。结合红外光谱，核磁共振等分子结构的信息，最终确定分子结构。
但注意，一般情况下，并不是每个质谱峰都能得到清楚的解释。
17.2.5 质谱定量分析
质谱检出的离子流强度与离子数目呈正比，因此通过离子流强度测量可进行定量分析。
1.同位素测量
同位素离子的鉴定和定量分析是质谱发展起来的原始动力，至今稳定同位素测定依然十分重要，只不过不再是单纯的元素分析而已。分子的同位素标记对有机化学和生命科学领域中化学机理和动力学研究十分重要，而进行这一研究前必须测定标记同位素的量，质谱法是常用的方法之一。如确定氘代苯C6D6的纯度，通常可用C6D6+与 C6D5H+、C6D4H2+等分子离子峰的相对强度来进行。 对其他涉及标记同位素探针、同位素稀释及同位素年代测定的工作，都可以用同位素离子峰来进行。后者是地质学、考古学等工作中经常进行的质谱分析，一般通过测定36Ar/40Ar(由半衰期为1.3×
2.无机痕量分析
火花源的发展使质谱法可应用于无机固体分析，成为金属合金、矿物等分析的重要方法，它能分析周期表中几乎所有元素，灵敏度极高，可检出或半定量测定10-9量级的浓度。由于其谱图简单且各元素谱线强度大致相当，应用十分方便。
电感耦合等离子体光源引人质谱后(ICP-MS)，有效地克服了火花源的不稳定、重现性差、离子流随时间变化等缺点，使其在无机痕量分析中得到了广泛的应用。
3.混合物的定量分析
利用质谱峰可进行各种混合物组分分析，早期质谱的应用很多是对石油工业中挥发性烷烃的分析。
在进行分析的过程中，保持通过质谱仪的总离子流恒定，使得到的每张质谱或标样的量为固定值，记录样品和样品中所有组分的标样质谱图，选择混合物中每个组分的一个共有的峰，样品的峰高假设为各组分这个特定。m/z峰峰高之和，从各组分标样中测得这个组分的峰高，解数个联立方程。以求得各组分浓度。
用上述方法进行多组分分析时费时费力且易引人计算及测量误差，故现在一般采用将复杂组分分离后再引入质谱仪中进行分析，常用的分离方法是色谱法。
17.3 色谱-质谱联用技术
质谱法可以进行有效的定性分析，但对复杂有机化合物分析就无能为力了，而且在进行有机物定量分析时要经过一系列分离纯化操作十分麻烦。而色谱法对有机化合物是一种有效的分离和分析方法，特别适合进行有机化合物的定量分析，但定性分析则比较困难，因此两者的有效结合必将为化学家及生物化学家提供一个进行复杂化合物高效的定性定量分析的工具。
这种将两种或多种方法结合起来的技术称为联用技术(hyphenated method)，利用联用技术的有气相色谱-质谱(GC-M5)，液相色谱一质谱(LC-MS)、毛细管电泳一质谱(CE-MS)及串联质谱(MSn)等，其主要问题是如何解决与质谱相连的接口及相关信息的高速获取与储存等问题。
GC-MS是目前最常用的一种联用技术，在销售的商品质谱仪中占有相当大的一部分。从毛细管气相色谱柱中流出的成分可直接引人质谱仪的离子化室，但填充柱必须经过一个分子分离器降低气压并将载气与样品分子分开(图17.15)
图 17.15 喷射式分子分离器
在分子分离器中，从气相色谱来的载气及样品离子经一小孔加速喷射入喷射腔中，具有较大质量的样品分子将在惯性作用下继续直线运动而进人捕捉器中，载气(通常为氦气)由于质量较小扩散速率较快，容易被真空泵抽走。必要时使用多次喷射，经分子分离器后，50%以上的样品被浓缩并进人离子源，而压力则由1.0×105 Pa降至1.3×10-2 Pa。
组分经离子源离子化后，位于离子源出口狭缝安装的总离子流检测器检测到离子流信号，经放大记录后成为色谱图。当某组分出现时，总离子流检测器发出触发信号，启动质谱仪开始扫描而获得该组分的质谱图。
用于与GC联用的质谱仪有磁式、双聚焦、四极滤质器式、离子阱式等质谱仪。其中四极滤质器及离子阱式质谱仪由于具有较快的扫描速率(≈ 10次/s)，应用较多；而离子阱式由于结构简单，价格较低，近些年发展更快。
GC- MS的应用十分广泛，从环境污染物分析、食品香味分析鉴定到医疗诊断、药物代谢研究等，而且GC- MS还是国际奥林匹克委员会进行兴奋剂检测的有力工具之一。
分离热稳定性差及不易蒸发的样品，气相色谱就有困难了，而用液相色谱则可以方便地进行。因此LC-MS联用技术亦发展起来了。LC分离要使用大量的流动相，由于流动相的挥发产生的气体压力，相对于真空系统一般来说是太高了。因此，如何有效地除去流动相而不损失样品，是LC-MS联用技术的难题之一。早期采用“传动带技术”，即将流动液滴到一条转动的样品带上，经加热除去溶剂，进入真空系统后再离解检测。现在广泛使用的是“离子喷雾"(ion spray)和“电喷雾”( electrospray)技术.有效地实现了LC与MS的连接。
离子喷雾及电喷雾技术是利用离子从荷电微滴直接发射入气相，这一离子蒸发过程如图17.16所示：将极性和热稳定性差的化合物不发生任何热降解而引入质谱仪中，从而实现任何液相分离技术如HPLC及CE等与质谱仪的联用。
17.16 离子蒸发过程
几种典型的LC-MS接口见图17.17。在实际应用时，可以依据分析物的极性来选择最适用的LC-MS接口。
图17.17 几种典型的LC-MS接口
(a)
热喷雾型 (b)离子喷雾型
在热喷雾接口中，来自HPLC的流出液通过不锈钢柱直接进入喷雾器中，靠高速空气或氮气的喷射变成细雾，细雾被同轴气体吹入一加热器内气化，进人大气压化学离子化源反应区离子化，样品离子再进入质谱仪分析。热喷雾LC-MS接口的方法可用于热稳定性较好的化合物分析。
在离子喷雾的接口中，被分析样品液体进人一个带有高电压的喷雾器，形成带有高电荷微滴的雾。当微滴蒸发时，经过一个非常低的能量转移过程形成含有一个或多个电荷的离子(与液相存在的形式相同)，进入质谱仪可以进行pg级分子完全分析，这对在只有极少量样品可供使用的情况(诸如生化分析)中应用极为重要。
思考题与习题
17.1质谱仪器的离子源主要有哪几种？各有何特点？
17.2质谱仪器的质量分析器主要有哪几种？简述各自的原理。
17.3酮类化合物发生a开裂后，生成经验式为CnH2n＋1CO+的碎片离子，当m
/ z为整数时，其m
/ z值与CnH2n+1离子的一样，容易混淆，如C2H5CO（m /
z 57.03414）与C4H9（m /
z 57.07042），若要将这两个离子分开，需要质谱仪的分辨率为多少？
17.4 计算下列分子的（M+2）与M峰之强度比（忽略
（1）C2H5Br; (2) C6H5Cl; (3) C2H4SO2
17.5试计算下列化合物的(M+2)/M和(M+4)/M峰之强度比(忽略
(1) C12H6Br; (2) CH2Cl2;
(13) C2H4BrCl。
17.6要分开下列各离子对，要求质谱仪的分辨本领是多少?
(1) C12H10O+和C12H11N+ (2)N2+和CO+ (3)C2H4+和N2+ (4)CH2O+和C2H6+
17.7某一含有卤素的碳氢化合物Mr =142, M+1峰强度为M峰强度的1.1%。请分析此化合物含有几个碳原子，可能的化学式是什么?
17.8某一未知物的质谱图如图17.18所示，m/z为93.95的谱线强度接近，m/z为79.81峰也类似，而m/z为49.51的峰强度之比为3:1。试推测其结构。
图 17.18某一未知化合物的质谱图
17. 9某一液体的化学式为C5H12O, bp
图 17.19化合物C5H12O的质谱图