基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)課件質(zhì)譜法(MS)

2023/2/61質(zhì)譜法(MS）()2023/2/62§1概述

2023/2/63

氣態(tài)分子受一定能量的電子流轟擊后，失去一個(gè)外層價(jià)電子而成為帶正電的離子。在電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用下，這些陽(yáng)離子按照質(zhì)子質(zhì)量大小(質(zhì)荷比M／Z)依次排列而成的譜圖被記錄下來(lái)，稱為質(zhì)譜圖（亦稱質(zhì)譜，MassSpectrum）。2023/2/64

根據(jù)質(zhì)譜圖提供的信息可以進(jìn)行多種有機(jī)物及無(wú)機(jī)物的定性和定量分析、復(fù)雜化合物的結(jié)構(gòu)分析、樣品中各種同位素比的測(cè)定及固體表面的結(jié)構(gòu)和組成分析等。

從20世紀(jì)60年代開始，質(zhì)譜法更加普遍地應(yīng)用到有機(jī)化學(xué)和生物化學(xué)領(lǐng)域?；瘜W(xué)家們認(rèn)識(shí)到由于質(zhì)譜法的獨(dú)特的電離過(guò)程及分離方式，從中獲得的信息是具有化學(xué)本性，直接與其結(jié)構(gòu)相關(guān)的，可以用它來(lái)闡明各種物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)。正是由于這些因素，質(zhì)譜儀成為多數(shù)研究室及分析實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)儀器之一。

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§2基本原理()2023/2/66

通過(guò)電離源將進(jìn)樣系統(tǒng)引入的氣態(tài)樣品分子轉(zhuǎn)化成離子。由于離子化所需要的能量隨分子不同差異很大，因此，對(duì)于不同的分子應(yīng)選擇不同的離解方法。通常稱能給樣品較大能量的電離方法為硬電離方法，而給樣品較小能量的電離方法為軟電離方法，后一種方法適用于易破裂或易電離的樣品。

離子源是質(zhì)譜儀的心臟，可以將離子源看作是比較高級(jí)的反應(yīng)器，其中樣品發(fā)生一系列的特征降解反應(yīng)，分解作用在很短時(shí)間（～1μs）內(nèi)發(fā)生，所以可以快速獲得質(zhì)譜。許多方法可以將氣態(tài)分子變成離子，它們已被應(yīng)用到質(zhì)譜法研究中，表1列出了各種離子源的基本特征。一、離子的產(chǎn)生2023/2/672023/2/68（一）電子轟擊

電子轟擊法是通用的電離法，是使用高能電子束從試樣分子中撞出一個(gè)電子而產(chǎn)生正離子，即

M＋e→M+＋2e

式中M為待測(cè)分子，M+為分子離子或母體離子。電子束產(chǎn)生各種能態(tài)的M+。若產(chǎn)生的分子離子帶有較大的內(nèi)能（轉(zhuǎn)動(dòng)能、振動(dòng)能和電子躍遷能），可以通過(guò)碎裂反應(yīng)而消去，如

M+1→M+3M+

……M+2→M+4

式中M+1，M+2…為較低質(zhì)量的離子2023/2/692023/2/610

ABCD+e→

ABCD++2e(分子離子)→

A++.BCD或.A+ABCD+ABCD+.→

AB++.CD或.AB+CD+

→

ABC++.D或.ABC+CD+AB+→

A+或

B+(正碎片離子)ABCD+.→

AD++.BC或.AD+BC+(重排)2023/2/611（2）化學(xué)電離在質(zhì)譜中可以獲得樣品的重要信息之一是其相對(duì)分子質(zhì)量。但經(jīng)電子轟擊產(chǎn)生的M+峰，往往不存在或其強(qiáng)度很低。必須采用比較溫和的電離方法，其中之一就是化學(xué)電離法?；瘜W(xué)電離法是通過(guò)離子一分子反應(yīng)來(lái)進(jìn)行，而不是用強(qiáng)電子束進(jìn)行電離。離子（為區(qū)別于其他離子，稱為試劑離子）與試樣分子按下列方式進(jìn)行反應(yīng)，轉(zhuǎn)移一個(gè)質(zhì)子給試樣或由試樣移去一個(gè)H+或電子，試樣則變成帶+l電荷的離子?；瘜W(xué)電離源一般在1.3×102～1.3×103Pa壓強(qiáng)下工作（現(xiàn)已發(fā)展出大氣壓下化學(xué)電離技術(shù)），其中充滿CH4，首先用高能電子進(jìn)行電離產(chǎn)生CH5+和C2H5+，即2023/2/612

CH4

＋e→CH4+·＋2eCH4+·→CH3++H·CH4+和CH3+很快與大量存在的CH4分子起反應(yīng)，即

CH4+·＋CH4→CH5+＋CH3·CH3+＋CH4→C2H5+＋H2CH5+和C2H5+不與中性甲烷進(jìn)一步反應(yīng)，一旦小量樣品（試樣與甲烷之比為1:1000）導(dǎo)入離子源，試樣分子（SH）發(fā)生下列反應(yīng)：

CH5+＋SH→SH2+＋CH4C2H5+＋SH→S+

＋C2H6。

SH2+和S+然后可能碎裂，產(chǎn)生質(zhì)譜。由(<M十H)或(M-H)離子很容易測(cè)得其相對(duì)分子質(zhì)量.

化學(xué)電離法可以大大簡(jiǎn)化質(zhì)譜，若采用酸性比CH5+更弱的C4H9+（由異丁烷）、NH4+（由氨）、H30+（由水）的試劑離子則可更進(jìn)一步簡(jiǎn)化。2023/2/613（3）場(chǎng)致電離

應(yīng)用強(qiáng)電場(chǎng)可以誘發(fā)樣品電離。場(chǎng)電離源由電壓梯度約為107～108V·cm-1的兩個(gè)尖細(xì)電極組成。在距離很近的陰極和陽(yáng)極之間，施加高電壓(10~20kV)時(shí)，陽(yáng)極的尖端附近產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，利用這個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)可將接近尖端的氣態(tài)樣品分子中的電子拉走，形成正離子。電離后被陽(yáng)極排斥出離子室并加速經(jīng)過(guò)狹縫進(jìn)人質(zhì)量分析器。陽(yáng)極前端必須非常尖銳才能達(dá)到電離所要求的電壓梯度，通常采用經(jīng)過(guò)特殊處理的電極，在電極表面制造出一些微碳針（＜1μm），大量的微碳針電極稱為多尖陳列電極，在這種電極上的電離效率比普通電極高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。場(chǎng)離子化是一種溫和的技術(shù)，產(chǎn)生的碎片很少。碎片通常是由熱分解或電極附近的分子一離子碰撞反應(yīng)產(chǎn)生的，主要為分子離子和（M＋l）離子。結(jié)構(gòu)分析中，往往最好同時(shí)獲得場(chǎng)離子化源或化學(xué)離解源產(chǎn)生的質(zhì)譜圖和用電子轟擊源的質(zhì)譜圖，而獲得相對(duì)分子質(zhì)量及分子結(jié)構(gòu)的信息。2023/2/614

(4)場(chǎng)致解吸(FD)

場(chǎng)致解吸是通過(guò)浸漬或注射被測(cè)樣品在場(chǎng)致電離源的陽(yáng)極表面形成一層液膜而進(jìn)行的場(chǎng)致電離。該方法能用于電離不揮發(fā)或熱不穩(wěn)定的化合物。其缺點(diǎn)是所得到的總離子流比其它電離方法較低。

(5)快原子轟擊(FAB)

快原子轟擊是用2~10eV氬快原子轟擊聚集態(tài)樣品對(duì)濺射離子作質(zhì)量分析獲得快質(zhì)譜。其過(guò)程是用一個(gè)離子源將輸入的氬氣電離成離子，然后使氬離子與中性氬氣碰撞，用所發(fā)出的諧振電荷遷移過(guò)程，獲得與氬離子的能量相近的快原子束

Ar→Ar++eAr++Ar→Ar+Ar+2023/2/615（6）激發(fā)電離(火花源

)

對(duì)于金屬合金或離子型殘?jiān)惖姆菗]發(fā)性無(wú)機(jī)試樣，必須使用不同于上述離子化源的火花源。火花源類似于發(fā)射光譜中的激發(fā)源。向一對(duì)電極施加約30kV脈沖射頻電壓，電極在高壓火花作用下產(chǎn)生局部高熱，使試樣僅靠蒸發(fā)作用產(chǎn)生原子或簡(jiǎn)單的離子，經(jīng)適當(dāng)加速后進(jìn)行質(zhì)量分析?；鸹ㄔ淳哂幸恍﹥?yōu)點(diǎn)：對(duì)于幾乎所有元素的靈敏度較高，可達(dá)10-9；可以對(duì)極復(fù)雜樣品進(jìn)行元素分析，對(duì)于某個(gè)試樣已經(jīng)可以同時(shí)測(cè)定6O種不同元素；信息比較簡(jiǎn)單，雖然存在同位素及形成多電荷離子因素，但質(zhì)譜仍然比原子發(fā)射光譜法的光譜要簡(jiǎn)單得多；一般線性響應(yīng)范圍都比較寬，標(biāo)準(zhǔn)核準(zhǔn)比較容易。但由于儀器設(shè)備價(jià)格高昂，操作復(fù)雜，限制了使用范圍。

2023/2/616二、質(zhì)譜方程

離子電離后經(jīng)加速進(jìn)入磁場(chǎng)中，其動(dòng)能與加速電壓及正離子電荷e有關(guān)，即

正離子在磁場(chǎng)中受的向心力和離心力相等

即

離子在未進(jìn)入磁場(chǎng)前軌道是直線的，進(jìn)入軌道后受洛侖茲力的作用，使帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌道彎曲。2023/2/617磁場(chǎng)方向電荷運(yùn)動(dòng)方向洛侖茲力方向2023/2/618§3質(zhì)譜儀()2023/2/619一、質(zhì)譜儀的基本結(jié)構(gòu)

質(zhì)譜儀是通過(guò)對(duì)樣品電離后產(chǎn)生的具有不同m／z的離子來(lái)進(jìn)行分離分析的。質(zhì)譜儀須有進(jìn)樣系統(tǒng)、電離系統(tǒng)、質(zhì)量分析器和檢測(cè)系統(tǒng)。為了獲得離子的良好分析，必須避免離子損失，因此凡有樣品分子及離子存在和通過(guò)的地方，必須處于真空狀態(tài)。2023/2/620

2023/2/6212023/2/622(一)真空系統(tǒng)

質(zhì)譜儀的離子產(chǎn)生及經(jīng)過(guò)系統(tǒng)必須處于高真空狀態(tài)（離子源真空度應(yīng)達(dá)l．3×10-4～l．3×10-5Pa，質(zhì)量分析器中應(yīng)達(dá)l．3×10-6Pa）。若真空度過(guò)低，則會(huì)造成離子源燈絲損壞、本底增高、到反應(yīng)過(guò)多，從而使圖譜復(fù)雜化、干擾離子源的調(diào)節(jié)、加速極放電等問(wèn)題。一般質(zhì)譜儀都采用機(jī)械泵預(yù)抽真空后，再用高效率擴(kuò)散泵連續(xù)地運(yùn)行以保持真空?，F(xiàn)代質(zhì)譜儀采用分子泵可獲得更高的真空度。

2023/2/623(二)進(jìn)樣系統(tǒng)

進(jìn)樣系統(tǒng)的目的是高效重復(fù)地將樣品引人到離子源中并且不能造成真空度的降低。目前常用的進(jìn)樣裝置有三種類型：間歇式進(jìn)樣系統(tǒng)、直接探針進(jìn)樣及色譜進(jìn)樣系統(tǒng)。一般質(zhì)譜儀都配有前兩種進(jìn)樣系統(tǒng)以適應(yīng)不同的樣品需要，有關(guān)色譜進(jìn)樣系統(tǒng)將在專門章節(jié)介紹。2023/2/6241間歇式進(jìn)樣系統(tǒng)該系統(tǒng)可用于氣體、液體和中等蒸氣壓的固體樣品進(jìn)樣，典型的設(shè)計(jì)如圖3所示。通過(guò)可拆卸式的試樣管將少量（10～100μg）固體和液體試樣引入試樣貯存器中，由于進(jìn)樣系統(tǒng)的低壓強(qiáng)及貯存器的加熱裝置，使試樣保持氣態(tài)。實(shí)際上試樣最好在操作溫度下具有1.3—0.13Pa的蒸氣壓。由于進(jìn)樣系統(tǒng)的壓強(qiáng)比離子源的壓強(qiáng)要大，樣品離子可以通過(guò)分子漏隙（通常是帶有一個(gè)小針孔的玻璃或金屬膜）以分子流的形式滲透過(guò)高真空的離子源中。2023/2/6252023/2/6262直接探針進(jìn)樣

對(duì)那些在間歇式進(jìn)樣系統(tǒng)的條件下無(wú)法變成氣體的固體、熱敏性固體及非揮發(fā)性液體試樣，可直接引人到離子源中，圖4所示為一直接引人系統(tǒng)。2023/2/627(三)離子源2023/2/628(四)質(zhì)量分析器

質(zhì)譜儀的質(zhì)量分析器位于離子源和檢測(cè)器之間，依據(jù)不同方式將樣品離子按質(zhì)荷比m／z分開。質(zhì)量分析器的主要類型有：磁分析器、飛行時(shí)間分析器、四極濾質(zhì)器、離子捕獲分析器和離子回旋共振分析器等。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，也可以采用這些分析器的變型。（l）磁分析器最常用的分析器類型之一就是扇形磁分析器。離子束經(jīng)加速后飛入磁極間的彎曲區(qū)，由于磁場(chǎng)作用，飛行軌道發(fā)生彎曲，見(jiàn)圖7。2023/2/6292023/2/630

此時(shí)離子受到磁場(chǎng)施加的向心力Bzeυ作用，且離子的離心力mυ2·r-1也同時(shí)存在，r為離子圓周運(yùn)動(dòng)的半徑。只有在上述兩力平衡時(shí)，離子才能飛出彎曲區(qū)，即

HeV=mυ2/R

其中B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，e為電荷，υ為運(yùn)動(dòng)速度，m為質(zhì)量，r為曲率半徑。調(diào)整后，可得

υ2=HeR/m,∵eV=1/2mυ2∴2023/2/6312飛行時(shí)間分析器

（TimeofFlight，TOF）

這種分析器的離子分離是用非磁方式達(dá)到的，因?yàn)閺碾x子源飛出的離子動(dòng)能基本一致，在飛出離子源后進(jìn)入一長(zhǎng)約lm的無(wú)場(chǎng)漂移管，在離子加速后的速度為：此離子達(dá)到無(wú)場(chǎng)漂移管另一端的時(shí)間為

t=L/υ

2023/2/6322023/2/6333四極濾質(zhì)器

(QuadrupoleMassFilter)

四極濾質(zhì)器由四根平行的金屬桿組成，其排布見(jiàn)圖9所示。理想的四桿為雙曲線，但常用的是四支圓柱形金屬桿，被加速的離子束穿過(guò)對(duì)準(zhǔn)四根極桿之間空間的準(zhǔn)直小孔。通過(guò)在四極上加上直流電壓U和射頻電壓Vcosωt，在極間形成一個(gè)射頻場(chǎng)，正電極電壓為U＋Vcosωt，負(fù)電極為-(U＋Vcosωt).離子進(jìn)入此射頻場(chǎng)后，會(huì)受到電場(chǎng)力作用，只有合適m／z的離子才會(huì)通過(guò)穩(wěn)定的振蕩進(jìn)入檢測(cè)器。只要改變U和V并保持U／V比值恒定時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)不同m／z的檢測(cè)。四極濾質(zhì)器分辨率和m／z范圍與磁分析器大體相同，其極限分辨率可達(dá)2000，典型的約為700。其主要優(yōu)點(diǎn)是傳輸效率較高，人射離子的動(dòng)能或角發(fā)散影響不大；其次是可以快速地進(jìn)行全掃描，而且制作工藝簡(jiǎn)單，儀器緊湊，常用在需要快速掃描的GC－MS聯(lián)用及空間衛(wèi)星上進(jìn)行分析。2023/2/634

2023/2/6354離子阱檢測(cè)器

離子阱是一種通過(guò)電場(chǎng)或磁場(chǎng)將氣相離子控制并貯存一段時(shí)間的裝置。已有多種形式的離子阱使用，但常見(jiàn)的有兩種形式：一種是后面要講到的離子回旋共振技術(shù)，另一種是下述的較簡(jiǎn)單的離子阱。

圖10是離子阱的一種典型構(gòu)造及示意圖，由一環(huán)形電極再加上下各一的端罩電極構(gòu)成。以端罩電極接地，在環(huán)電極上施以變化的射頻電壓，此時(shí)處于阱中具有合適的m/z加的離子將在環(huán)中指定的軌道上穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，若增加該電壓，則較重離子轉(zhuǎn)至指定穩(wěn)定軌道，而輕些的離子將偏出軌道并與環(huán)電極發(fā)生碰撞。當(dāng)一組由電離源（化學(xué)電離源或電子轟擊源）產(chǎn)生的離子由上端小孔中進(jìn)入阱中后，射頻電壓開始掃描，陷入阱中離子的軌道則會(huì)依次發(fā)生變化而從底端離開環(huán)電極腔，從而被檢測(cè)器檢測(cè)。這種離子阱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低且易于操作，已用于GC－MS聯(lián)用裝置用于m／Z200－2000的分子分析。2023/2/6362023/2/6375離子回旋共振分析器

（IicCyclotronResonance，ICR）

當(dāng)一氣相離子進(jìn)入或產(chǎn)生于一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)中時(shí)，離子將沿與磁場(chǎng)垂直的環(huán)形路徑運(yùn)動(dòng)，稱之為回旋，其頻率ωc可用下式表示：回旋頻率只與m／z的倒數(shù)有關(guān)。增加運(yùn)動(dòng)速度時(shí)，離子回旋半徑亦相應(yīng)增加。2023/2/638

回旋的離子可以從與其匹配的交變電場(chǎng)中吸收能量（發(fā)生共振）。當(dāng)在回族器外加上這種電場(chǎng)，離子吸收能量后速度加快，隨之回旋半徑逐步增大；停止電場(chǎng)后，離子運(yùn)動(dòng)半徑又變?yōu)槌?shù)。當(dāng)圖11中為一組m／z相同的離子時(shí)，合適的頻率將使這些離子一起共振而發(fā)生能量變化，其他m／z離子則不受影響。由于共振離子的回族可以產(chǎn)生稱之為相電流的信號(hào)，相電流可以在停止交變電場(chǎng)后觀察到。將圖中開關(guān)置于2位時(shí)，離子回旋在兩極之間產(chǎn)生電容電流,電流大小與離子數(shù)有關(guān)，頻率由共振離子的m/z決定。在已知磁場(chǎng)B存在時(shí)通過(guò)不同頻率掃描,可以獲得不同m／z的信息。感應(yīng)產(chǎn)生的相電流由于共振離子在回旋時(shí)不斷碰撞而失去能量并歸于熱平衡狀態(tài)而逐步消失，這個(gè)過(guò)程的周期一般在0.1～0.10s之間,相電流的衰減信號(hào)與Fourier變換NMR中的自由感應(yīng)衰減信號(hào)（FIDSignal）類似。2023/2/6392023/2/640(五)檢測(cè)與記錄

質(zhì)譜儀常用的檢測(cè)器有法拉第杯(FaradayCup)、電子倍增器及閃爍計(jì)數(shù)器、照相底片等。

Faraday杯是其中最簡(jiǎn)單的一種，其結(jié)構(gòu)如圖12所示。Faraday杯與質(zhì)譜儀的其他部分保持一定電位差以便捕獲離子，當(dāng)離子經(jīng)過(guò)一個(gè)或多個(gè)抑制柵極進(jìn)入杯中時(shí)，將產(chǎn)生電流，經(jīng)轉(zhuǎn)換成電壓后進(jìn)行放大記錄。Faraday杯的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單可靠，配以合適的放大器可以檢測(cè)≈10-15A的離子流。但Faraday杯只適用于加速電壓＜1kV的質(zhì)譜儀，因?yàn)楦叩募铀匐妷菏巩a(chǎn)生能量較大的離子流，這樣離子流轟擊入口狹縫或抑制柵極時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量二次電子甚至二次離子，從而影響信號(hào)檢測(cè)。2023/2/6412023/2/642

二、質(zhì)譜儀類型

現(xiàn)代質(zhì)譜儀類型蘩多，分類方法不一。一般是按質(zhì)量分析器的工作狀態(tài)分為靜態(tài)質(zhì)譜儀和動(dòng)態(tài)質(zhì)譜儀兩大類型。靜態(tài)質(zhì)譜儀質(zhì)量分析器是利用穩(wěn)定的磁場(chǎng)，按空間位置來(lái)分離離子束（如單聚焦、雙聚焦質(zhì)譜儀），動(dòng)態(tài)質(zhì)譜儀的質(zhì)量分析器或者是利用純高頻電場(chǎng)，按離子軌跡穩(wěn)定或不穩(wěn)定來(lái)分離離子束（四極質(zhì)譜儀），或者是利用無(wú)場(chǎng)漂移空間，按離子飛行時(shí)間的快慢來(lái)分離（如飛行時(shí)間質(zhì)譜儀）。

()2023/2/643

僅用一個(gè)扇形磁場(chǎng)進(jìn)行質(zhì)量分析的質(zhì)譜儀稱為單聚焦質(zhì)譜儀，設(shè)計(jì)良好的單聚焦質(zhì)譜儀分辨率可達(dá)5000。若要求分辨率大于5000則需要雙聚焦質(zhì)譜儀。單聚焦質(zhì)譜儀中影響分辨率提高的兩個(gè)主要因素是離子束離開離子槍時(shí)的角分散和動(dòng)能分散，因?yàn)楦鞣N離子是在電離室不同區(qū)域形成的。為了校正這些分散，通常在磁場(chǎng)前加一個(gè)靜電分析器（ElctrostaticAnalyzer，ESA），這種設(shè)備由兩個(gè)扇形圓筒組成，向外電極加上正電壓，內(nèi)電極為負(fù)壓（見(jiàn)圖8）。一般商品化雙聚焦質(zhì)譜儀的分辨率可達(dá)150000，質(zhì)量測(cè)定準(zhǔn)確度可達(dá)0.03μg·g-1，即對(duì)于相對(duì)分子質(zhì)量為600的化合物可測(cè)至誤差上±0．0002u。2023/2/6442023/2/645三、質(zhì)譜儀的主要性能指標(biāo)

1．質(zhì)量測(cè)定范圍

質(zhì)譜儀的質(zhì)量測(cè)定范圍表示質(zhì)譜儀所能夠進(jìn)行分析的樣品的相對(duì)原子質(zhì)量（或相對(duì)分子質(zhì)量）范圍，通常采用原子質(zhì)量單位（unifiedatomicmassunit，符號(hào)u）進(jìn)行度量。原子質(zhì)量單位是由12C來(lái)定義的，即一個(gè)處于基態(tài)的12C中性原子的質(zhì)量的1/2，即=1.66054×10-24g/12C原子=1.66054×10-27kg/12C原子2023/2/646

而在非精確測(cè)量物質(zhì)的場(chǎng)合，常采用原子核中所含質(zhì)子和中子的總數(shù)即“質(zhì)量數(shù)”來(lái)表示質(zhì)量的大小，其數(shù)值等于其相對(duì)質(zhì)量數(shù)的整數(shù)。測(cè)定氣體用的質(zhì)譜儀，一般質(zhì)量測(cè)定范圍在2～100，而有機(jī)質(zhì)譜儀一般可達(dá)幾千。現(xiàn)代質(zhì)譜儀甚至可以研究相對(duì)分子質(zhì)量達(dá)幾十萬(wàn)的生化樣品。2023/2/6472．分辨本領(lǐng)

所謂分辨本領(lǐng)，是指質(zhì)譜儀分開相鄰質(zhì)量數(shù)離子的能力，一般定義是：對(duì)兩個(gè)相等強(qiáng)度的相鄰峰，當(dāng)兩峰間的峰谷不大于其峰高10％時(shí)，則認(rèn)為兩峰已經(jīng)分開，其分辨率其中m1、m2為質(zhì)量數(shù)，且叫m1＜m2。，故在兩峰質(zhì)量數(shù)較小時(shí)，要求儀器分辨率越大。

2023/2/6482023/2/6493．靈敏度

質(zhì)譜儀的靈敏度有絕對(duì)靈敏度、相對(duì)靈敏度和分析靈敏度等幾種表示方法。

絕對(duì)靈敏度是指儀器可以檢測(cè)到的最小樣品量；相對(duì)靈敏度是指儀器可以同時(shí)檢測(cè)的大組分與小組分含量之比；分析靈敏度則指輸入儀器的樣品量與儀器輸出的信號(hào)之比。

2023/2/650§4離子的主要類型()2023/2/651

質(zhì)譜信號(hào)十分豐富。分子在離子源中可以產(chǎn)生各種電離，即同一種分子可以產(chǎn)生多種離子峰，其中比較主要的有分子離子峰、同位素離子峰、碎片離子峰、重排離子峰、亞穩(wěn)離子峰等。

一、分子離子峰

試樣分子在高能電子撞擊下產(chǎn)生正離子，即M＋e→M+＋2eM+稱為分子離子或母離子(parrention）。2023/2/652

分子離子的質(zhì)量對(duì)應(yīng)于中性分子的質(zhì)量，這對(duì)解釋本知質(zhì)譜十分重要。幾乎所有的有機(jī)分子都可以產(chǎn)生可以辨認(rèn)的分子離子峰，有些分子如芳香環(huán)分子可產(chǎn)生較大的分子離子峰，而高分子量的烴、脂肪醇、醚及胺等則產(chǎn)生較小的分子離子峰。若不考慮同位素的影響，分子離子應(yīng)該具有最高質(zhì)量。分子中若含有偶數(shù)個(gè)氮原子，則相對(duì)分子質(zhì)量將是偶數(shù)；反之，將是奇數(shù)。這就是所謂的“氮律”。正確地解釋分子離子峰十分重要。2023/2/653二、同位素離子峰

有些元素具有天然存在的穩(wěn)定同位素，所以在質(zhì)譜圖上出現(xiàn)一些M＋l，M＋2的峰，由這些同位素形成的離子峰稱為同位素離子峰。一些常見(jiàn)的同位素相對(duì)豐度如表2所示，其確切質(zhì)量（以C為12.000000為標(biāo)準(zhǔn)）及天然豐度見(jiàn)p232表3。2023/2/654

在一般有機(jī)分子鑒定時(shí)，可以通過(guò)同位素峰的統(tǒng)計(jì)分布來(lái)確定其元素組成，分子離子的同位素離子峰相對(duì)強(qiáng)度之比總是符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律的。如在CH4質(zhì)譜中，有其分子離子峰m／z=17、16，而其相對(duì)強(qiáng)度之比I17／I16=0.011,而在丁烷中，出現(xiàn)一個(gè)13C的幾率是甲烷的4倍，則分子離子峰m／z=59、58的強(qiáng)度之比I59／I58=0.044同樣，在丁烷中出現(xiàn)M+2(m/z=60)同位素峰的幾率為0.00024，即I60/I58＝0．00O24，非常小，故在丁烷質(zhì)譜中一般看不到(M＋2)+峰。在其他元素存在時(shí)也有同樣的規(guī)律性，如在CH3Cl、C2H5Cl等分子中IM＋2／IM=32.5%,而在含有一個(gè)溴原子的化合物中(M+2)+峰的相對(duì)強(qiáng)度幾乎與M+峰的相等。2023/2/655三、亞穩(wěn)離子峰

若質(zhì)量為m1的離子在離開離子源受電場(chǎng)加速后，在進(jìn)入質(zhì)量分析器之前，由于碰撞等原因很容易進(jìn)一步分裂失去中性碎片而形成質(zhì)量為m2的離子，即m1→m2+Δm，由于一部分能量被中性碎片帶走，此時(shí)的m2離子比在離子源中形成的m2離子能量小，故將在磁場(chǎng)中產(chǎn)生更大偏轉(zhuǎn)，觀察到的m／z較小。這種峰稱為亞穩(wěn)離子峰，用m*表示，它的表觀質(zhì)量m*與m1、m2的關(guān)系是：

m*＝（m2）2/m1

式中m1為母離子的質(zhì)量，m2為子離子的質(zhì)量。

2023/2/656

亞穩(wěn)離子峰由于其具有離子峰寬大（約2～5個(gè)質(zhì)量單位）、相對(duì)強(qiáng)度低、m／z不為整數(shù)等特點(diǎn)，很容易從質(zhì)譜圖中觀察出來(lái)。通過(guò)亞穩(wěn)離子峰可以獲得有關(guān)裂解信息，通過(guò)對(duì)m*峰觀察和測(cè)量，可找到相關(guān)母離子的質(zhì)量m1與子離子的質(zhì)量m2，從而確定裂解途徑。如在十六烷質(zhì)譜中發(fā)現(xiàn)有幾個(gè)亞穩(wěn)離子峰，其質(zhì)荷比分別為32.8，29.5，28.8，25.7和21.7，其中29.5≈412／57，則表示存在分裂：

C4H9+→C3H5+＋CH4

（m／z=57）（m／z=41）但并不是所有的分裂過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生m*,因此沒(méi)有m*峰并不意味著沒(méi)有某一分裂過(guò)程。2023/2/657四、碎片離子峰

分子離子產(chǎn)生后可能具有較高的能量，將會(huì)通過(guò)進(jìn)一步碎裂或重然而釋放能量，碎裂后產(chǎn)生的離子形成的峰稱為碎片離子峰。有機(jī)化合物受高能作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種形式的分裂，一般強(qiáng)度最大的質(zhì)譜峰相應(yīng)于最穩(wěn)定的碎片離子，通過(guò)各種碎片離子相對(duì)峰高的分析，有可能獲得整個(gè)分子結(jié)構(gòu)的信息。但由此獲得的分子拼接結(jié)構(gòu)并不總是合理的，因?yàn)樗槠x子并不是只由M+一次碎裂產(chǎn)生，而且可能會(huì)由進(jìn)一步斷裂或重排產(chǎn)生，因此要準(zhǔn)確地進(jìn)行定性分析最好與標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行比較。2023/2/658

有機(jī)化合物斷裂方式很多，也比較復(fù)雜，但仍有幾條經(jīng)驗(yàn)規(guī)律可以應(yīng)用。有機(jī)化合物中，C－C鍵不如C－H鍵穩(wěn)定，因此烷烴的斷裂一般發(fā)生在C－C鍵之間，且較易發(fā)生在支鏈上。形成正離子穩(wěn)定性的順序是三級(jí)＞二級(jí)＞一級(jí)，如2，2′一二甲基丁烷，可以預(yù)期在高能離子源中斷裂發(fā)生在帶支鏈的碳原子周圍。形成較穩(wěn)定的m／z=71或m／z=57的離子2023/2/659

在烴烷質(zhì)譜中C3H5+、C3H7+、C4H7+、C4H9+（m／z依次為41，43，55和57）占優(yōu)勢(shì)，在m／z＞57區(qū)出現(xiàn)峰的相對(duì)強(qiáng)度隨m／z增大而減小，而且會(huì)出現(xiàn)一系列m／z相差14的離子峰，這是由于碎裂下來(lái)一CH2一的結(jié)果。2023/2/660

在含有雜原子的飽和脂肪族化合物質(zhì)譜中，由于雜原子的定位作用，斷裂將發(fā)生在雜原子周圍。對(duì)于含有電負(fù)性較強(qiáng)的雜原子如Cl、Br等，發(fā)生以下反應(yīng)：

R＋X→R+＋X·

而可以通過(guò)共振形成正電荷穩(wěn)定化的離子時(shí)，可發(fā)生以下反應(yīng)2023/2/661

烯烴多在雙鍵旁的第二個(gè)鍵上斷裂，丙烯型共振結(jié)構(gòu)對(duì)含有雙鍵的碎片有著明顯的穩(wěn)定作用，但因重排效應(yīng)，有時(shí)很難對(duì)長(zhǎng)鏈烯烴進(jìn)行定性分析。

CH3-CH==CH—CH3→CH—CH==C+H

含有C＝0的化合物通常在與其相鄰的鍵上斷裂，正電荷保留在含C＝0的碎片上：2023/2/662

苯是芳香化合物中最簡(jiǎn)單的化合物，其圖譜中M+通常是最強(qiáng)峰。在取代的芳香化合物中將優(yōu)先失去取代基形成苯甲離子，而后進(jìn)一步形成草嗡離子：

因此在苯環(huán)上的鄰、間、對(duì)位取代很難通過(guò)質(zhì)譜法來(lái)進(jìn)行鑒定。2023/2/663五、多電荷離子峰

一分子失去一個(gè)電子后，成為高激發(fā)態(tài)的分子離子，為單電荷離子．有時(shí)，某些非常穩(wěn)定的分子，能失去兩個(gè)或兩個(gè)以上的電子，這時(shí)在質(zhì)量數(shù)為m/ze（z為失去的電子數(shù)）的位置上，出現(xiàn)多電荷離子峰．應(yīng)該指出，多電荷離子峰的質(zhì)荷比，可能是整數(shù)，也可能不是整數(shù)，如是后者在質(zhì)譜圖上容易發(fā)現(xiàn)。多電荷離子峰的出現(xiàn)。表明被分析的樣品異常的穩(wěn)定，例如，芳香族化合物和含有共軛體系的分子，容易出現(xiàn)雙電荷離子峰．2023/2/664六、重排離子峰

在兩個(gè)或兩個(gè)以上鍵的斷裂過(guò)程中，某些原子或基團(tuán)從一個(gè)位置轉(zhuǎn)移到另一個(gè)位置所生成的離子，稱為重排離子．質(zhì)譜圖上相應(yīng)的峰為重排離子峰．轉(zhuǎn)移的基團(tuán)常常是氫原子．這種重排的類型很多．其中最常見(jiàn)的一種是麥?zhǔn)现嘏牛∕claffertyrearrangement）形式可以歸納如下：2023/2/665

可以發(fā)生這類重排的化合物有：酮、醛、酸、酯和其它合羰基的化合物，含P==O，夕S==0的化合物合物以及烯烴類和苯環(huán)化合物等．不難看出，發(fā)生這類重排所需的結(jié)構(gòu)特征是，分子中有一個(gè)雙鍵以及在γ位置上有氫原子．

2023/2/666§5分子的裂解()2023/2/667

1．相對(duì)分子質(zhì)量的測(cè)定

如前所述，從分子離子峰的質(zhì)荷比的數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確地測(cè)定其相對(duì)分子質(zhì)量，所以準(zhǔn)確地確認(rèn)分子離子峰十分重要。雖然理論上可認(rèn)為除同位素峰外分子離子峰應(yīng)是最高質(zhì)量處的峰，但在實(shí)際中并不能由此簡(jiǎn)單認(rèn)定。有時(shí)由于分子離子穩(wěn)定性差而觀察不到分子離子峰，因此在實(shí)際分析時(shí)必須加以注意。在純樣品質(zhì)譜中，分子離子峰應(yīng)具有以下性質(zhì)：

質(zhì)譜是純物質(zhì)鑒定的最有力工具之一，其中包括相對(duì)分子質(zhì)量測(cè)定、化學(xué)式確定及結(jié)構(gòu)鑒定等。2023/2/668（l）原則上除同位素峰外它是最高質(zhì)量的峰。但要注意某些樣品會(huì)形成質(zhì)子化離子(M＋H)+峰（醚，脂，胺等），去質(zhì)子化離子(M－H)+峰（芳醛、醇等）及締合離子(M＋R)+峰。（2）它要符合“氮律”。在只含C，H，0，N的化合物中，不含或含偶數(shù)個(gè)氮原子的分子的質(zhì)量數(shù)為偶數(shù)，含有奇數(shù)個(gè)氮原子的分子的質(zhì)量數(shù)為奇數(shù)。這是因?yàn)樵谟蒀，H，0，N,P鹵素等元素組成的有機(jī)分子中，只有氮原子的化合價(jià)為奇數(shù)而質(zhì)量數(shù)為偶數(shù)。2023/2/669

（3）存在合理的中性碎片損失。因?yàn)樵谟袡C(jī)分子中，經(jīng)電離后，分子離子可能損失一個(gè)H或CH3，H20，C2H4…等碎片，相應(yīng)為