1、5.3 质谱分析应用5.3.1 有机质谱定性分析及图谱解析质谱是有机纯物质鉴定的最有力的工具之一，包括相对分子量测定，化学式确定及结构鉴定。1分子量的测定用电子轰击质谱的一般情况下，离子质荷比的数值与该离子的质量数相等。分子离子是分子电离后聘并未碎裂的离子，是质谱测量中质量数最大的离子，质谱图中相应的分子离子峰应在谱图的最高质荷比处。因此，从分子离子峰的质荷比数据可以准确地确定其相对分子量。此法对有机分子具有独特效果 ， 比 一般经典分子量测定方法快而准确 ， 且 试样用量少。但在实际判断 质谱图的分子离子峰时，还应该注意到以下几点；1）由于同位素的存在，质谱图上最高质荷比的离子峰不一定是分子
2、离子峰，有机化合物分子常见元素并非以单一同位素组成，因此分子离子常以同位素簇形式出现在质谱图上。分子离子同位素峰簇中各峰的相对强度可用同位素丰度比来判断，有助于我们确定低质量同位素组成的分子离子的质荷比。例如 CH3Cl 由 C、H、Cl 三个元素构成，由于 1H 的同位素 2H 的天然丰度低（0.015%） ，因此仅考虑 12C、 13C 及 35Cl、 37Cl，在该质谱的分子离子峰簇中，除12CH335Cl（M ）峰外，还有 13CH335Cl（M+1）峰， 12CH337Cl（M+2）峰及13CH337Cl（M+3）峰，彼此间的强度可由丰度比（见表 5.2.1）计算：M M+1 = 1
3、.00 0.011 （仅与 12C 和 13C 丰度有关）M M+2 = 1.00 0.32 （仅与 35Cl 和 37Cl 丰度有关）（M+2） （M+3） = 1.00 0.011 （仅与 12C 和 13C 丰度有关）整理后有M （M+1） （M+2 ）（M+3）= 1.00 0.011 0.32 0.0035 2）分子离子存在着合理的中性碎片（小分子和自由基）损失，是判断分子离子峰的最重要依据。质谱图上不可能出现 M-3 至 M-14 及 M-20 至 M-25 范围内的碎片峰，若出现，则 M 不可能是分子离子峰。因此分子离子不可能碎裂两个以上的氢原子或小于甲基的基团，同时有机分子中也
4、不含有质量数在 2025 之间的基团。3）分子离子峰的质量数要符合“氮律” ，不符合氮律就不是分子离子峰。氮律，也称氮规律。表述如下：当分子中不含氮或含偶数个氮原子时，分子离子峰的m/z 值为偶数，即该化合物的分子量为偶数；当分子中含有奇数个氮原子时，分子离子峰的 m/z 值为奇数，即该化合物的分子量为奇数。之所以有上述规律，主要是由于有机化合物中除氮以外，其它元素的主要同位素的原子量和化合价（奇数化合价：1H、 31P、 19F、 35Cl、 79Br；偶数化合价 12C、 16O、 32S） ，同为奇数或同为偶数。4）分子离子的稳定性与分子结构有关，而稳定性愈好，获得分子离子峰的强度大。一
5、般稳定性顺序为：芳香环 共轭烯链 酯环化合物 某些含硫化合物 无分支直链烷烃类 硫醇 酮 胺 脂 醚 酸 多分支烷烃类 醇。脂肪族分子量较大的醇、胺、亚硝酸酯、硝酸酯等化合物，及高分支链化合物没有分子离子峰。但实际情况复杂，例外很多。如果未能出现分子离子峰，可以把电子轰击源常规操作使用 70 eV 电子能量降低，也可通过改变离子源的类型，采用软电离技术，或者通过制备衍生物等方法，求得分子量。5）要注意某些有机化合物产生质子化分子离子(M+H) + 峰，如醚、脂、胺、酰按、腈化物、氨基酸酯和胺醇等分子离子峰不稳定，可能会捕获质子，形成较强的(M+H) + 峰；也会产生去质子分子离子(M-H) +
6、峰，如芳醛、某些醇和含氮化合物；也会产生缔合离子峰。2分子式的确定有机化合物的分子式，可通过高分辨质谱仪的测量来确定。若以 12C 的相对原子量12.000000 作基准，则 1H 为 1.007825， 14N 为 14.003074， 16O 为 15.994915。对于C11H20N6O4 和 C12H20N4O5 两者的相对分子质量依次为 300.154592 和 300.143359，仅相差0.011233。低分辨质谱仪无法区别，用一台高分辨率，R 为 27000 质谱仪就可区别出不同。因此可将高分辨质谱仪测得相对分子质量，与质谱的分子量 Beynon 表查对，确定分子式。现代质谱仪
7、带有计算机系统，可以给出分子离子及重要的碎片离子的元素组成式。在低分辨的质谱仪上，可以用同位素相对丰度法推出其分子式。对于相对分子质量较小，分子离子峰较强的化合物，用质谱法测得分子离子峰 M 及其分子离子的同位素峰（M+1） （M+2）的相对强度，求算出相对强度的 (M+1)/M 和(M+2)/M 比值，即分子离子的同位素相对丰度数据，通过相对分子量及同位素相对丰度值，查阅 Beynon“质量和同位素丰度表” ，见表 5-3-1，确定化合物分子式。表 5-3-1 列出了按化学式标出相对分子质量顺序，列出了含 C、H、O、N 的各种组合。需要注意的是该表只适用于 C，H，O 和 N 的化合物，并
8、以分子离子峰为 100 标出同位素的相对丰度值。现举例说明，例如某一化合物在质谱图上的分子离子峰 m/z=206（M） ，相对强度为25.90%；同位素峰 m/z=207（ M+1） ，相对强度为 3.24%；m/ z=208（M+2） ，相对强度为2.48%。试确定其化学式。对上述问题首先要判别除含 C，H，O 和 N 外是否还有其它元素。方法是将质谱图的相对强度数据转换成以分子离子峰为标准的同位素丰度，即 206（M）为 100 时，则207（M+1）为 12.51，208（M+2 ）为 9.58。有（M+2）/M=0.0958，查表 5.2.1 可得出在此化学式中不可能存在 Cl 和 B
9、r 元素，而有可能存在 2 个 S。第二步是扣除 S 原子贡献后的同位素丰度值：9.58-24.44=0.70（M+2） ；12.51-20.82=10.87（M+1） 。修正后的相对分子量 206-232=142。再后查 Beynon 表（表 5.3.1） 。根据“氮律”可排除一些分子式，最后找到 C10H6O 数值与修正值最接近。因此某化合物的最可能化学式为 C10H6OS2。表 5.3.1 质量和同位素丰度表（节选）M+1 M+2 相对分子量141C4HN2O4 5.26 0.92 140.9936C4H3N3O3 5.63 0.73 141.0175. . . .142C4H2N2O4
10、 5.27 0.92 142.0014. . . .C9H6N2 10.58 0.51 142.0532C10H12 11.16 0.56 142.1722C10H6O 10.94 0.74 142.0419C10H8N 11.32 0.58 142.0657C11H10 12.05 0.66 142.07833结构的鉴定有机纯物质的结构鉴定是质谱最成功的应用领域。一种方法是将质谱图与相同条件下获得的已知物质的标准图谱比较来确认样品分子的结构。另一种方法是通过对质谱图的各碎片离子、亚稳离子、分子离子的化学式，质荷比及相对峰高等信息，根据各类化合物的断裂规律，找出各碎片离子形成的过程，拼出整个分
11、子结构。对照其他分析方法，最终获得可靠结构式。在获得化合物的相对分子量和化学式后，可按下列程序解析质谱。1） 化学式计算饱和度。2） 从分子离子峰相对于其他峰的强度，整个谱图碎片离子峰的多少，低质量端的碎片离子系列等可对化合物的结构类型提供线索。如芳香化合物分子离子峰较强，碎片峰少。3） 注意分子离子峰与高质量数碎片离子峰以及碎片离子峰之间的 m/z 的差值。找到分子离子峰可能脱掉的碎片或中性分子，以此推测分子结构和断裂的类型。4） 注意谱图上存在的那些重要离子 ， 特 别是奇电子离子，其质量数符合氮律，他们的出现意味着分子中发生重排或消去反应，这对推断结构有重要意义。5) 若有亚稳峰存在，利
12、用 m*=（m 2） 2/m1 的关系式，找出 m1 和 m2，并推断 M1M2的碎裂过程。6) 按多种可能方式，连接已知的结构碎片及剩余的结构碎片，提出可能结构式。需注意的是，对小分子量、结构较简单的化合物，仅靠质谱数据有可能推出结构；对分子量较大的化合物结构，必须依靠几种谱图的综合分析。表 5.3.2 从分子离子脱去的常见碎片的质量数质量数 碎片（游离基或中性分子） 质量数 碎片（游离基或中性分子）15 CH3 45 CH3CH2OH, CH3CH2O17 OH18 H2O46 CH3CH2OH, NO2,(H2O+CH2=CH2)26 CHCH, CN 47 CH3S27 CH2=CH,
13、HCN 48 CH3SH28 CH2=CH2, CO 49 CH2Cl29 CH3CH2, CHO 54 CH2=CH-CH=CH230 NH2CH2, CH2O, NO 55 CH=CHCHCH331 OCH3,CH2OH, CH3NH2 56 CH2=CHCH2CH332 CH3OH 57 C4H933 HS, (CH3+H2O) 59 , CH3CONH2CH3OC=O34 H2S 60 C3H7OH35 Cl 61 CH3CH2S36 HCl 62 (H2S+CH2=CH2)40 CH3CCH 64 CH3CH2Cl41 CH2=CHCH3, CH2=C=O 68 CH2=C(CH3)
14、-CH=CH243 C3H7,CH3CO,CH2=CH-O 71 C5H1144 CH2=CHOH, CO2 73 OC例如分析下面未知有机物质谱图，由碎片离子的断裂规律，确定有机物分子的组成和结构。图 5.3.1 未知有机物质谱图表 5.3.3 常见碎片离子m/e 离子 m/e 离子 m/e 离子15 CH3+18 H2O+ 26 C2H2+27 C2H3+28 CO+,C2H4+,N2+29 CHO+, C2H5+30 CH2=NH231 CH2=O+H36/38(3:1) HCl+39 C3H3+40 C3H4+41 C3H5+42 C2H2O+,C3H6+43 CH3CO+,C3H7+
15、44 C2H6N+,O=C=N+H244 CO2+,C3H8+44 CH2=CH(OH)+45 CH2=O+CH3CH3CH=OH+47 CH2=S+H49/51(3:1) CH2Cl+50 C4H2+51 C4H3+55 C4H7+56 C4H8+57 C4H9+,C2H5CO+58 CH2=C(OH)CH3+C3H8N+59 COOCH3+CH2=C(OH)NH2+C2H5CH=O+HCH2=O+-C2H560 CH2=C(OH)OH+61 CH3CO(OH2)+CH2CH2SH+66 H2S2+69 CF3+68 CH2CH2CH2CN+69 C5H9+70 C5H10+71 C5H11
16、+,C3H7CO+72 CH2=C(OH)C2H5+C3H7CH=N+H273 C4H9O+COOC2H5+(CH3)3Si+74 CH2=C(OH)OCH3+75 (CH3)2Si=O+HC2H5CO(OH2)+76 C6H4+77 C6H5+78 C6H6+79 C6H7+79/81(1:1) Br+80/82(1:1) HBr+80 C5H6N+81 C5H5O+83/85/87(9:6:1) HCCl2+85 C6H13+, C4H9CO+86 CH2=C(OH)C3H7+C4H9CH=NH2+87 CH2=CH-C(OCH3)OH+91 C7H7+92 C7H8+,C6H6N+91/
17、93(3:1) 93/95(1:1) CH2Br+94 C6H6O+ 95C6H7O+ 97 C5H5S+99105 C6H5CO+C8H9+106 C7H8N+107 C7H7O+107/109(1:1) C2H4Br+111121 C8H9O+122 C6H5COOH+123 C6H5COOH2+127 I+128 HI+135/137(1:1) 130 C9H8N+141 CH2I+147 33)()(SiO149160 C10H10NO+190 C11H12NO2+谱图中有四对强度接近，质量数相差 2 的离子双峰（I） ， （II ） ， （III ） ， （IV ） ，表明含有一Cl
18、+NHCO+OCO+O+ OO+SO+O+OO Br+COHCO+对溴原子的同位素 79Br、 81Br 丰度接近。m/z164 峰为分子离子峰，扣除 79Br 的原子量的分子离子为 m/z85 峰，相应于只含有 C 和 H 碎片 C6H13+。m/z93、107 峰分别为 +CH2-Br、 +CH2-CH2-Br。基峰 m/z43 表明有异丙基的碎裂。该溴烷基的结构为CH3CHCH2CH23 CH2Br (5.3.2)质谱图中 m/z84 峰是分子离子失去 HBr 后的碎片，m/z 69 峰是上面碎片进而失去甲基的结果。m/z149 峰是分子离子碎裂甲基而产生的CH3 CH2CH2CH3 C
19、H3CH3CH2 CH2+ +CH Br BrCHCH2CH2 (5.3.)+5.3.2 质谱的定量分析质谱的定量分析是建立在质谱检测的离子流强度与离子数目成正比的基础上的，并通过未知试样与标准试样比较，间接方法测定其含量。1同位素的测量 质谱用于同位素的测量，推动了早期质谱的发展。当今对稳定同位素的测量不再是单纯的元素分析，而是测定标记同位素的量，常用的方法是质谱法。在有机化学及生命化学领域中，采用同位素标记的方法研究化学机理及动力学过程是非常好的手段。此外，应用同位素的质谱分析推测地质年代，确定陨石、月球物质的同位素丰度，测定核燃料生产中消耗 235U 的浓度，测定矿渣核废水中的痕量铀等。
20、2无机物痕量分析质谱法可以分析无机物试样，它能分析周期表中几乎所有的元素，其相对灵敏度，即可同时检测低含量组份与高含量组份之比，可达 10-9，已成为金属合金、矿物等无机痕量分析的重要方法。早期的无机质谱分析使用火花离子源，它的稳定性差，影响了测定的重现性。火花离子源产生离子的动能范围大，需用双聚焦质谱仪。它不仅价格昂贵，而且操作使用复杂，难以广泛使用。80 年代，电感耦合等离子源（ICP）引入质谱后，克服了火花源质谱的缺点。使其在无机物痕量分析应用方面的特点得以充分展现。ICP 质谱仪由 ICP 源与质谱仪两部分构成。离子源与 ICP 原子发射光谱基本相同，样品溶液经过雾化由载气（Ar ）送
21、入 ICP 炬焰中，通过去溶剂、电离后，经离子提取系统，接口部件与四极滤质器或磁质量分析器相连，获得质谱图。当实验条件一定时，对于一定 m/z 质谱峰面积 S 与试样相应离子的浓度 c 有正比关系：S = c （5.3.4）式中为常数，它与试样的雾化率，被测元素在炬焰中的电离率，离子提取系统的萃取率，离子的加速电压等实验条件相关。式（5.3.4）便是质谱定量的基本关系式，通过与标准试样比较的办法，便可求得未知试样中元素的含量。ICP-MS 近二十年来的发展，已在环境样品中的超痕量分析，金属材料分析，地球化学样品分析，生物样品中的微量元素的形态分析等等方面得到很好的应用。3混合物定量分析利用质谱
22、峰可进行各种混合物组分分析。在分析过程中，保持质谱的总离子流恒定，记录样品和样品中所含组分标样的质谱图，选择混合物中每一组分的共有的峰。假定样品的峰高为各组分在这个特定峰的峰高的和，有(5.3.5)minjjii chH11式中 H 为混合组份在质谱图上某一 m/z 处的峰高，h 为单一组份在某一 m/z 处的峰高，c为某一组份的浓度，i 为指定 m/z 的质谱峰位置数（1，2，m） ，j 为混合物中组份的个数（1，2，n） ，并有 m n。通过多组份标样，求解出 hij值，再测定未知试样质谱图的 Hi，求得未知试样中的各组份浓度。在早期质谱定量分析中，将这个方法应用于石油工业中挥发性烷烃的各组份测定。由于多组分分析费时费力，易引入计算和测量误差，现在一般均用色谱分离后再引入质谱仪中分析。
