第五章质谱法 1913年汤姆逊( J.J. Thomson)制成了第一台质谱装置,用其发现了20Ne、2Ne同位 素。随后,1919年,阿斯顿( F W. Aston)制成了第一台质谱仪,并用质谱发现了多种元素 的同位素,因此获得诺贝尔化学奖。早期质谱法最重要的工作是应用于同位素的测定。30 年代离子光学理论的建立,促进了质谱仪的发展。40年代起应用于石油碳氢化合物方面的 测定。随后的发展使化学家认识到质谱法的独特电离过程及分离方式,从中获得信息具有 化学本性,直接与其结构相关,可以用来阐明物质的分子结构。从60年代起质谱法开始普 遍应用于有机化学。近三十年来,质谱仪发展非常迅速,色谱质谱联用技术的发展,高频 电感耦合等离子源的引入,二次离子质谱仪的出现,使质谱技术成为解决复杂物质分析、 无机元素分析及物质表面和深度分析等方面的有力工具。用质谱方法研究生物物质已是当 今研究的热点。正由于此,质谱仪已成为近代化学实验室的标准仪器之一。 质谱法( Mass Spectrometry,MS)是利用电磁学原理,对荷电分子或亚分子裂片依其质 荷比(m/z)进行分离和分析的方法 质谱是指记录裂片的相对强度按其质荷比的分布曲线。根据质谱图提供的信息可进行有 机物、无机物的定性、定量分析,复杂化合物的结构分析,同位素比的测定及固体表面的 结构和组成的分析。 本章重点将介绍质谱方法及其在有机化合物结构鉴定中的应用。 §5.1质谱仪 5.1.1基本原理 质谱法的基本原理是有机物试样在离子源中发生电离,生成不同质荷比(m/)带正电 荷离子,经加速电场的作用形成离子束,进入质量分析器,在质量分析器中再利用电场和 磁场使其发生色散、聚焦,获得质谱图,从而确定不同离子的质量,通过解析,可获得有 机化合物的分子式,提供其一级结构的信息。 不同质荷比的离子,在磁场中是如何被分离的呢?不同质荷比的离子进入由磁场构成 的质量分析器后,从图5.1.1可见,离子流在磁场中飞行,在磁场作用下,飞行轨道发生弯
第五章 质谱法 1913 年汤姆逊（J.J.Thomson）制成了第一台质谱装置，用其发现了 20Ne、22Ne 同位 素。随后，1919 年，阿斯顿（F.W.Aston）制成了第一台质谱仪，并用质谱发现了多种元素 的同位素，因此获得诺贝尔化学奖。早期质谱法最重要的工作是应用于同位素的测定。30 年代离子光学理论的建立，促进了质谱仪的发展。40 年代起应用于石油碳氢化合物方面的 测定。随后的发展使化学家认识到质谱法的独特电离过程及分离方式，从中获得信息具有 化学本性，直接与其结构相关，可以用来阐明物质的分子结构。从 60 年代起质谱法开始普 遍应用于有机化学。近三十年来，质谱仪发展非常迅速，色谱质谱联用技术的发展，高频 电感耦合等离子源的引入，二次离子质谱仪的出现，使质谱技术成为解决复杂物质分析、 无机元素分析及物质表面和深度分析等方面的有力工具。用质谱方法研究生物物质已是当 今研究的热点。正由于此，质谱仪已成为近代化学实验室的标准仪器之一。 质谱法（Mass Spectrometry, MS）是利用电磁学原理，对荷电分子或亚分子裂片依其质 荷比（m/z）进行分离和分析的方法。 质谱是指记录裂片的相对强度按其质荷比的分布曲线。根据质谱图提供的信息可进行有 机物、无机物的定性、定量分析，复杂化合物的结构分析，同位素比的测定及固体表面的 结构和组成的分析。 本章重点将介绍质谱方法及其在有机化合物结构鉴定中的应用。 §5.1 质谱仪 5.1.1 基本原理 质谱法的基本原理是有机物试样在离子源中发生电离，生成不同质荷比（m/z）带正电 荷离子，经加速电场的作用形成离子束，进入质量分析器，在质量分析器中再利用电场和 磁场使其发生色散、聚焦，获得质谱图，从而确定不同离子的质量，通过解析，可获得有 机化合物的分子式，提供其一级结构的信息。 不同质荷比的离子，在磁场中是如何被分离的呢？不同质荷比的离子进入由磁场构成 的质量分析器后，从图 5.1.1 可见，离子流在磁场中飞行，在磁场作用下，飞行轨道发生弯 曲
图51.1离子流在磁场中的运动 图中所示扁形容器处于垂直纸面的磁场中心 若离子初始能量为0,在加速电压作用下,离子动能E为 E=zel=_mv2 (5.1.1) 式中z为离子电荷数,e为单位电荷电量(.60×10-C),U为加速电压(V),m为离子质 量,ν为离子运动速度。加速离子进入分析器后,离子受磁场力Bev作用,其运动轨迹发 生偏转,作圆周运动,圆周运动离心力mγ/r与磁场力平衡,即有 (5.1.2) 式中B为磁感应强度r为圆周运动半径。将式(5.1.2)调整后代入式(5.1.1)得 Um/e/B或mk=B2e/2U 式(5.1.3)称为磁分析器质谱仪方程。式中z一般为1。由式可见,当加速电压和磁场不变 时,不同质荷比的离子其运动半径不同,获得了分离 质谱仪中一般保持U、r不变,通过电磁铁扫描磁场B而获得质谱图。在扇形磁场结构 中,r便是扇形磁场的曲率半径。早期发展的质谱仪只依靠磁场进行质量分离,称为单聚焦 质谱仪。随后又发展了磁场前加一静电场的双聚焦质谱仪,以提高质谱仪的分辨率 质谱仪的构造框图如图51.2 图512质谱仪的结构框图
图 5.1.1 离子流在磁场中的运动 图中所示扁形容器处于垂直纸面的磁场中心 若离子初始能量为 0，在加速电压作用下，离子动能 E 为 E = zeU = 2 2 1 mv (5.1.1) 式中 z 为离子电荷数，e 为单位电荷电量 (1.60 10 −19 C), U 为加速电压（V），m 为离子质 量，v 为离子运动速度。加速离子进入分析器后，离子受磁场力 Bzev 作用，其运动轨迹发 生偏转，作圆周运动，圆周运动离心力 mv2 /r 与磁场力平衡，即有 Bzev r mv = 2 (5.1.2) 式中 B 为磁感应强度 r 为圆周运动半径。将式（5.1.2）调整后代入式（5.1.1）得 r = 2Um/ ze / B 或 m/z = (r2B 2 e)/2U (5.1.3) 式（5.1.3）称为磁分析器质谱仪方程。式中 z 一般为 1。由式可见，当加速电压和磁场不变 时，不同质荷比的离子其运动半径不同，获得了分离。 质谱仪中一般保持 U、r 不变，通过电磁铁扫描磁场 B 而获得质谱图。在扇形磁场结构 中，r 便是扇形磁场的曲率半径。早期发展的质谱仪只依靠磁场进行质量分离，称为单聚焦 质谱仪。随后又发展了磁场前加一静电场的双聚焦质谱仪，以提高质谱仪的分辨率。 质谱仪的构造框图如图 5.1.2。 图 5.1.2 质谱仪的结构框图
质谱分析时,通过合适的进样装置将试样引入,并蒸发汽化。汽化后的试样进入离子 源进行电离,电离后的离子经过适当的加速进入质量分析器,按m=比不同进行分离,依次 到达检测器,记录不同信号,获得质谱图。 5.1.2进样系统 进样系统的目的是将分析样品在可重复的低气压下以气体形式引入离子源,而且不能 使其真空度下降 有三种进样方式 1.间隙进样系统:适用于气体、液体或中等蒸汽压的固体样品。样品可直接或加热成 气态方式进入贮气球构成的进样系统,系统处在低气压状态,具有加热装置,使试样保持 气态。由于离子源的压强要比进样系统小1-2个数量级,所以采用分子漏孔方法,使在贮气 球中加热的样品通过小孔,以分子流的方式渗透入离子源。 2.直接探针进样:适用于高沸点的液体和固体。用探头直接将微克级以下的样品送入 离子源,并在数秒钟内将探头加热,使样品汽化。 直接进样法使质谱法应用范围扩大,许多少量的复杂的有机化合物,如甾族化合物、糖、 双核苷酸等,以及金属有机化合物都可进行有效的分析, 3.色谱进样系统:实际上是色谱仪与质谱仪之间的接口,在本章54.1节中叙述。 5.1.3离子源 离子源是将分子转化成离子的装置。由于质谱分析对象是样品离子,离子化所需能量 随分子的不同而不同,因此,对不同的分子应选择不同的离解方法。表51.1列出了几种不 同的离子源。由于电离过程种类很多,我们仅讨论用于有机分子的一些主要的离子源。 表511质谱仪中的几种不同离子源 名称 简称 类型离子化试剂 电子轰击电离E,( Electron impact lonization) 气相高能电子 化学电离 Cl, ( Chemical lonization 气相试剂离子 场电离 Fl, (Field lonization) 气相高电势电极 场解吸电离 FD, (Field Desorption) 解吸高电势电极 快原子轰击FAB( Fast atom bombardment)解吸高能原子束 二次离子质谱|SIMs,( Secondary lon MS) 解吸高能离子 激光解吸电离「LDI( Laser- Desorption- Ionization)解吸激光束 热喷雾离子化|TS,( Thermospray lonization 高温 电喷雾离子化|ESL,( Electrospray lonization 高电场
质谱分析时，通过合适的进样装置将试样引入，并蒸发汽化。汽化后的试样进入离子 源进行电离，电离后的离子经过适当的加速进入质量分析器，按 m/z 比不同进行分离，依次 到达检测器，记录不同信号，获得质谱图。 5.1.2 进样系统 进样系统的目的是将分析样品在可重复的低气压下以气体形式引入离子源，而且不能 使其真空度下降。 有三种进样方式： 1．间隙进样系统：适用于气体、液体或中等蒸汽压的固体样品。样品可直接或加热成 气态方式进入贮气球构成的进样系统，系统处在低气压状态，具有加热装置，使试样保持 气态。由于离子源的压强要比进样系统小 1-2 个数量级，所以采用分子漏孔方法，使在贮气 球中加热的样品通过小孔，以分子流的方式渗透入离子源。 2．直接探针进样：适用于高沸点的液体和固体。用探头直接将微克级以下的样品送入 离子源，并在数秒钟内将探头加热，使样品汽化。 直接进样法使质谱法应用范围扩大，许多少量的复杂的有机化合物，如甾族化合物、糖、 双核苷酸等，以及金属有机化合物都可进行有效的分析。 3．色谱进样系统：实际上是色谱仪与质谱仪之间的接口，在本章 5.4.1 节中叙述。 5.1.3 离子源 离子源是将分子转化成离子的装置。由于质谱分析对象是样品离子，离子化所需能量 随分子的不同而不同，因此，对不同的分子应选择不同的离解方法。表 5.1.1 列出了几种不 同的离子源。由于电离过程种类很多，我们仅讨论用于有机分子的一些主要的离子源。 表 5.1.1 质谱仪中的几种不同离子源 名称 简称 类型 离子化试剂 电子轰击电离 EI, (Electron impact Ionization） 气相 高能电子 化学电离 CI, (Chemical Ionization) 气相 试剂离子 场电离 FI, (Field Ionization) 气相 高电势电极 场解吸电离 FD, (Field Desorption) 解吸 高电势电极 快原子轰击 FAB, (Fast Atom Bombardment) 解吸 高能原子束 二次离子质谱 SIMS, (Secondary Ion MS) 解吸 高能离子 激光解吸电离 LDI,(Laser-Desorption-Ionization) 解吸 激光束 热喷雾离子化 TS, (Thermospray Ionization) 高温 电喷雾离子化 ESI, (Electrospray Ionization) 高电场
1.电子轰击电离源(EI 电子轰击电离是由电子直接与样品分子作用,使分子电离。它是应用最普遍,发展最 成熟的电离方法。其装置约在1.3×104Pa压强下工作,结构如图5.1.3所示。 图5.13电子轰击电离源工作示图 灯丝和阳极间加直流电压70V,使电子加速进入离子化区,电子束轰击气体束中的原 子或分子,轰击能量为70eV,产生正离子。加速极G3和推斥极微小的电位差,使正离子通 过G3狭缝。加速极G3和Gs之间的高电位(800-8000V)使离子获得最后速度。聚焦极狭 缝G4使离子流进一步准直。离子聚焦集中射向质量分析器。 其作用原理可表达成: M+e=M+2 (5.1.4) 上式中高速电子e从样品分子M中撞出一个电子,而成了分子离子或称为母离子M。在电 子轰击中,形成的分子离子往往具有很高的内能,而使一些化学键断裂或引起重排,以瞬 间速度裂解成多种碎片离子(正离子)。这使分子离子本身的丰度变得很低,甚至难以观察 到。真空状态防止了碎片离子的相互碰撞,结合成分子。 电子轰击电离源产生的离子流稳定性好,产额高,应用广泛。用此法得到的质谱图再 现性好,便于计算机检索及相互对照,谱图中含有较多的碎片离子信息,这对推测未知物 结构也是非常必要的。缺点是对分子量太大或稳定性差的样品分子,常常得不到分子离子 为了克服碎片离子峰太多,而分子离子峰太弱,甚至缺少的缺点,往往使用软电离技 术相配合 2.化学电高源(CI) 在化学电离时,样品分子的电离是经过离子-分子反应完成的。常与电子轰击电离源配 合使用。 化学电离源一般在103-103Pa压强下工作。反应气体分子常用甲烷、氨、异丁烷、甲醇 等。样品在毛细管中,经加热蒸发进入反应室。与反应气分子相比,样品分子是极少的
1．电子轰击电离源（EI） 电子轰击电离是由电子直接与样品分子作用，使分子电离。它是应用最普遍，发展最 成熟的电离方法。其装置约在 1.310-4 Pa 压强下工作，结构如图 5.1.3 所示。 图 5.1.3 电子轰击电离源工作示图 灯丝和阳极间加直流电压 70V，使电子加速进入离子化区，电子束轰击气体束中的原 子或分子，轰击能量为 70eV，产生正离子。加速极 G3 和推斥极微小的电位差，使正离子通 过 G3 狭缝。加速极 G3 和 G5 之间的高电位（800-8000V）使离子获得最后速度。聚焦极狭 缝 G4 使离子流进一步准直。离子聚焦集中射向质量分析器。 其作用原理可表达成： M + e = M+ + 2e （5.1.4） 上式中高速电子 e 从样品分子 M 中撞出一个电子，而成了分子离子或称为母离子 M+。在电 子轰击中，形成的分子离子往往具有很高的内能，而使一些化学键断裂或引起重排，以瞬 间速度裂解成多种碎片离子（正离子）。这使分子离子本身的丰度变得很低，甚至难以观察 到。真空状态防止了碎片离子的相互碰撞，结合成分子。 电子轰击电离源产生的离子流稳定性好，产额高，应用广泛。用此法得到的质谱图再 现性好，便于计算机检索及相互对照，谱图中含有较多的碎片离子信息，这对推测未知物 结构也是非常必要的。缺点是对分子量太大或稳定性差的样品分子，常常得不到分子离子 峰。 为了克服碎片离子峰太多，而分子离子峰太弱，甚至缺少的缺点，往往使用软电离技 术相配合。 2．化学电离源（CI） 在化学电离时，样品分子的电离是经过离子-分子反应完成的。常与电子轰击电离源配 合使用。 化学电离源一般在 102 -103 Pa 压强下工作。反应气体分子常用甲烷、氨、异丁烷、甲醇 等。样品在毛细管中，经加热蒸发进入反应室。与反应气分子相比，样品分子是极少的
若以CH4作反应气,对M样品进行反应 第一步,在电子轰击下,反应气体电离,有 H4+ 反应气离子CH4+,CH3很快再与反应气作用,有 CH4++CH4→CH5++CH3 CH3+CH4→C2H5++H2 (5.1.6) 从酸碱理论的角度,第一步中生成的这些离子都属于 Lewis酸。在气相中,它们将与中性 的样品分子发生质子的转移。 第二步,生成的CH5,C2H+与样品分子M反应,有 H5++M→(M+H)+CH C2Hs+M→(M+H)+C2H4 C2H5+M→(MH)+C2H6 (5.1.7) 反应生成离子也可能再分解 (M+H)→(M-H)+H2 (M+H)→A++C (5.1.8) 检测(M+H),(M-H),A’,B四种离子,可得样品质谱图。我们将观察到M的“准分子 离子”,如(M+H)峰。由于准分子离子过剩的能量小,因此化学电离属于软电离技术。准 分子离子峰的强度高,便于推算分子量 化学电离源特点是准分子离子峰很强,即使不稳定有机物也可得到。其次是图谱简化, 因为它的碎裂方式主要是失去中性小分子,碎片离子峰少,强度低。若采用酸性比CHs更 弱的C4H+(由异丁烷)NH4+(由氨),H3O(由水)的试剂离子则可进一步简化。 3.快原子轰击电高源(FAB) 快原子轰击电离是八十年代以来应用广泛的软电离技术。它由原子枪和靶组成。 含样品的基质涂布在金属靶上。基质是一类具有低蒸汽压、有流动性、呈现化学惰性, 并对样品有很好的溶解能力的极性溶剂,如甘油、硫代甘油、3-硝基苄醇、三乙醇胺和聚乙 烯醇等。 原子枪产生快原子束,一般使用惰性气体,如He及重原子Xe或Ar。下面以Ar原子 束为例说明快原子束的产生过程。在原子枪中,Ar原子先被电离为Ar+,用电位加速,使 其具有较大动能,具有高动能的Ar在原子枪内与其它处于热运动的原子Ar发生电荷交换 反应,高动能的Ar把电荷转移给处于热运动的Ar原子,而形成高动能的Ar原子和热运动 的Ar离子。处于热运动的低能量的Ar离子被电场偏转引出,从而形成高动能的Ar原子束
若以 CH4 作反应气，对 M 样品进行反应。 第一步，在电子轰击下，反应气体电离，有 CH4 + e → CH4 +．+ 2e CH4 +．→CH3 ++ H˙ （5.1.5） 反应气离子 CH4 +．，CH3 +很快再与反应气作用，有 CH4 +．+ CH4 → CH5 + + CH3˙ CH3 + +CH4 → C2H5 + + H2 （5.1.6） 从酸碱理论的角度，第一步中生成的这些离子都属于 Lewis 酸。在气相中，它们将与中性 的样品分子发生质子的转移。 第二步，生成的 CH5 + ，C2H5 +与样品分子 M 反应，有 CH5 + + M → (M+H) + + CH4 C2H5 + + M → (M+H) + + C2H4 C2H5 + + M → (M-H) + + C2H6 （5.1.7） 反应生成离子也可能再分解 (M+H) + → (M-H) + + H2 (M+H) + → A+ + C (M-H) + → B + + D （5.1.8） 检测(M+H) +，(M-H) +， A+，B + 四种离子，可得样品质谱图。我们将观察到 M 的“准分子 离子”，如(M+H) + 峰。由于准分子离子过剩的能量小，因此化学电离属于软电离技术。准 分子离子峰的强度高，便于推算分子量。 化学电离源特点是准分子离子峰很强，即使不稳定有机物也可得到。其次是图谱简化， 因为它的碎裂方式主要是失去中性小分子，碎片离子峰少，强度低。若采用酸性比 CH5 + 更 弱的 C4H9 +（由异丁烷）NH4 +（由氨），H3O+（由水）的试剂离子则可进一步简化。 3．快原子轰击电离源（FAB） 快原子轰击电离是八十年代以来应用广泛的软电离技术。它由原子枪和靶组成。 含样品的基质涂布在金属靶上。基质是一类具有低蒸汽压、有流动性、呈现化学惰性， 并对样品有很好的溶解能力的极性溶剂，如甘油、硫代甘油、3-硝基苄醇、三乙醇胺和聚乙 烯醇等。 原子枪产生快原子束，一般使用惰性气体，如 He 及重原子 Xe 或 Ar。下面以 Ar 原子 束为例说明快原子束的产生过程。在原子枪中，Ar 原子先被电离为 Ar+，用电位加速，使 其具有较大动能，具有高动能的 Ar+在原子枪内与其它处于热运动的原子 Ar 发生电荷交换 反应，高动能的 Ar+把电荷转移给处于热运动的 Ar 原子，而形成高动能的 Ar 原子和热运动 的 Ar+离子。处于热运动的低能量的 Ar+离子被电场偏转引出，从而形成高动能的 Ar 原子束