title: 有机质谱课件-质谱仪构造与解析 source: “有机质谱课件.pdf” author: 蛋白质组学网 (proteomics.com.cn) size: “1.24 MB” pages: 150 category: work original_path: “/工作相关/Personnal/2017工作/质谱相关/三重四级杆质谱仪/有机质谱课件.pdf” processed_date: “2026-09-20” method: “PDF文本提取(pdf-inspector)” status: done
有机质谱课件 - 质谱仪构造与解析
概述
这份课件来自蛋白质组学网(www.proteomics.com.cn),系统介绍了有机质谱的基本原理、仪器构造、电离方法、质量分析器以及有机化合物的质谱裂解规律。内容覆盖质谱发展史、质谱术语、分子离子识别、分子式推导、各类有机化合物的裂解反应机理等核心知识点。
一、质谱发展史
| 年份 | 人物 | 贡献 |
|---|---|---|
| 1898 | W. Wien | 发现带正电荷离子束在磁场中偏转 |
| 1910 | J. J. Thompson | 使用电场-磁场组合装置获得抛物线质谱,证明Ne同位素存在 |
| 1918 | A. J. Dempster | 采用电子轰击技术使分子离子化 |
| 1919 | F. W. Aston | 制成第一台速度聚焦质谱仪,提出质量亏损概念 |
二、质谱特点
- 质谱不属波谱范围,谱图与电磁波波长无关
- 质谱是分子离子及碎片离子的质量与相对强度谱,与分子结构有关
- 进样量少、灵敏度高、分析速度快
- 唯一能同时给出分子量和确定分子式的方法
三、质谱仪构造
基本组成框图
进样系统 → 真空系统 → 离子源 → 加速区 → 质量分析器 → 检测器 → 计算机数据处理
关键参数
- 真空系统:离子源和质量分析器压力需达到 Pa
- 加速电压:1000-8000 eV
四、电离方法
硬电离(Hard Ionization)
| 方法 | 全称 | 特点 |
|---|---|---|
| EI | 电子轰击电离 | 50-70eV轰击电压,应用最广泛,碎片丰富,约20%化合物分子离子峰弱或不见 |
| CI | 化学离子化 | 软电离,产生准分子离子[MH]+ |
软电离(Soft Ionization)
| 方法 | 全称 | 特点 |
|---|---|---|
| FI/FD | 场电离/场解吸 | 适用于气态样品,灵敏度不高 |
| FAB | 快原子轰击 | 软电离,适用于难汽化、极性强大分子,常用基质:甘油、硫代甘油、3-硝基苄醇 |
| MALDI | 基质辅助激光解析电离 | 适用于生物大分子(肽类、核酸),脉冲激光电离,无明显碎片 |
| ESI | 电喷雾电离 | HPLC-MS联用,单电荷或多电荷离子 |
| APCI | 大气压化学电离 | HPLC-MS联用 |
EI vs MALDI对比
- EI:50-70eV电子轰击,产生丰富碎片,适合结构解析
- MALDI:软电离,主要得到分子离子峰,适合生物大分子
五、质量分析器
1. 磁分析器(单聚焦)
- 原理:离子在磁场中受洛伦兹力作弧形运动
- 公式:
- 特点:方向聚焦(相同m/z离子重新聚于一点)
2. 静电分析器 + 磁分析器(双聚焦)
- 静电分析器:同心圆板间保持电位差E,只允许特定能量离子通过
- 能量聚焦:提高分辨率
3. 四极质量分析器(Quadrupole)
- 由四根平行棒状电极构成
- 特点:结构简单、价廉、体积小、扫描速度快
- 应用:适合GC-MS、LC-MS,分辨率不高
4. 飞行时间质谱仪(TOFMS)
- 核心:无场离子漂移管
- 原理:,m/z小的离子速度快先到达检测器
- 特点:
- 扫描速度快(μs或s数量级)
- 灵敏度高
- 质量范围宽
- 分辨率随m/z增大而降低
- 适合生物大分子
5. 傅立叶变换质谱仪(FT-MS)
- 原理:不同m/z离子在磁场B作用下产生不同回旋频率
- 特点:
- 分辨率极高
- 可得到精确度最高的精确质量
- 灵敏度髙、质量范围宽
六、质谱术语
基本术语
| 术语 | 符号 | 说明 |
|---|---|---|
| 基峰 | RI=100, RA | 最强峰,定为100% |
| 质荷比 | m/z | z=1,2,… |
| 精确质量 | - | 基于天然丰度最大同位素计算 |
质谱中的离子类型
- 分子离子:M⁺•,m/z等于天然丰度最大同位素原子量之和
- 碎片离子:除分子离子外的所有离子
- 重排离子:经重排、断裂一个以上化学键生成的离子
- 奇电子离子OE:带单电子的离子,如M⁺•
- 偶电子离子EE:带双电子的离子,如B⁺
- 准分子离子:[MH]⁺, [M-H]⁺
- 亚稳离子:寿命10⁻⁶~10⁻⁵s的离子,在离子源出口至检测器前裂解
亚稳离子峰
- 可提供前体离子和子离子之间的关系
- 峰宽2~3质量单位(内能转化为动能)
七、分子离子峰识别
N律
- 不含N或含偶数N的有机分子,分子离子峰m/z为偶数
- 含奇数N的有机分子,分子离子峰m/z为奇数
合理丢失判断
| Δm | 1 | 2 | 3 | 15 | 16 | 17 | 18 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 丢失 | H• | H₂ | H₂,H | CH₃ | O | OH | H₂O |
| NH₂ |
- Δm = 4-14, 21-24, 37-38… 通常认为不合理丢失
分子离子峰强度规律(EI)
- 强/可见:芳香族 > 共轭多烯 > 脂环化合物 > 某些含硫化合物 > 羰基化合物
- 弱/不见:脂肪族醇类、胺类、硝基化合物、多支链化合物
八、分子式推导
同位素峰簇法(C,H,N,O化合物)
通式:
含硫化合物
含氯/溴化合物
分子中含1个Cl:M:M+2 ≈ 3:1 分子中含1个Br:M:M+2 ≈ 1:1 分子中含2个Cl:M:M+2:M+4 ≈ 9:6:1 分子中含2个Br:M:M+2:M+4 ≈ 1:2:1
DBE(双键等价数)计算
- n: 4价原子数(C, Si)
- a: 3价原子数(N, P)
- b: 1价原子数(H, F, Cl, Br, I)
九、有机质谱裂解反应
裂解机理基础
电荷自由基定位理论:
- 自由基有强烈的电子配对倾向
- 正电荷有吸引或极化相邻成键电子引起裂解
偶电子规律
- OE⁺• → OE⁺•, OE⁺• → EE⁺
- EE⁺ → EE⁺, EE⁺ → OE⁺•(不允许)
不含氮化合物:m/z为偶数的是奇电子离子
烃类裂解规律
直链烷烃:
- M⁺• 峰弱,m/z CₙH₂ₙ₊₂
- M-29(·C₂H₅),CₙH₂ₙ₊₁⁺ 为主,m/z 43, 57, 71, 85…
- Δm = 14
支链烷烃:
- M⁺• 弱或不见
- M-15(·CH₃),优先失去大基团R•
烯烃:
- M⁺• 较弱但比相应烷烃强
- m/z CₙH₂ₙ⁺,β-键断裂(末端烯)m/z 41
- γ-H重排 m/z 42
芳烃:
- 烷基苯M⁺• 强
- β-键断裂产生m/z 91(tropylium离子)基峰
- γ-H重排产生m/z 92
含杂原子化合物裂解
醇、酚、醚:
- M⁺• 弱或不出现
- β-裂解:m/z 31, 45, 59…(CₙH₂ₙ₊₁O⁺)
- M-18(失水),M-18-28
- 与醚区别:醇有失水峰,醚无
胺类:
- M⁺• 较弱,仲胺、叔胺、大分子伯胺M⁺• 往往不出现
- 含奇数个N,M⁺• m/z为奇数
- β-键断裂,正电荷带在含N碎片上
- 特征碎片:m/z 30, 44, 58…(CₙH₂ₙ₊₂N⁺)
卤代烃:
- M⁺• RI:F→I依次增大
- RF:M-19, M-20(-F, -HF)
- RCl:同位素峰簇,M-35, M-36(-Cl, -HCl)
羰基化合物:
- 醛:M⁺• 明显,M-1, M-29,m/z 29强峰
- 酮:α-裂解,γ-H重排 m/z 58+14n
- 羧酸:M⁺• 弱,M-17, M-45, m/z 45, γ-H重排m/z 60
- 酯:甲酯M-31,乙酯M-45,γ-H重排m/z 74+14n
- 酰胺:类似酯,m/z 44+14n
重要重排反应
McLafferty重排:
- 羰基化合物:γ-H通过六元环过渡态转移到氧上
- 烯烃:γ-H通过四元环过渡态转移
逆Diels-Alder反应(RDA):
- 环己烯类化合物特征裂解
- 产生m/z 54, 66, 108等特征峰
十、质谱应用实例
实例1:GC-MS跟踪催化反应
反应物:C₆H₅CH₂CH₂CHO 中间产物:C₆H₅CH=CHCHO 产物:C₆H₅CH=CHCH₂OH
实例2:天然产物分析(香豆精类)
香豆精是苯并吡喃环酮类化合物:
- m/z 146 → 118(-CO)→ 90(-C₂H₂)→ 63
- m/z 176 → 148(-CO)→ 120(-CH₃)→ 93(-CHO)
实例3:硅橡胶裂解产物分析
通过质谱分析硅氧烷裂解产物,确认重复单元:
- m/z 222, 236, 296, 370, 444, 518…
- 差值144(-SiMe₂O-)
可行动点
- 质谱解析需结合N律、同位素峰簇、DBE计算综合判断分子式
- EI源碎片丰富适合结构解析,MALDI/ESI软电离适合分子量测定
- McLafferty重排、RDA反应是重要结构信息来源
- m/z 91(tropylium)是烷基苯特征峰
- 质谱解析需建立系统的裂解规律知识体系