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质谱法基本原理
学习目标：
1.熟悉质谱法分析样品的基本过程。
2.掌握离子类型。
3.熟悉分子离子的基本方程。
4.了解质谱法的特点和用途。
质谱法（mass spectrum，MS）是采用一定手段使被测样品产生各种离子，在电场和磁场的作用下，这些离子按照离子质量大小依次排列而成的图谱被记录下来，称为质谱图，然后以此为基础来进行分析的一种方法。所用仪器是质谱仪。质谱图中的每个峰表示一种质荷比（m/z）的离子，峰的强度表示该种离子的多少，所以，可以根据质谱峰的位置、强度等信息进行定性、定量和结构分析。
一、基本过程：
1．将样品气化，然后导入离子源，样品分子在离子源中被电离成分子离子，分子离子再进一步裂解，生成各种碎片离子；
2．各种离子在电场和磁场的综合作用下，按照其质荷比（m/z）的大小依次进入检测器检测；
3．记录各离子质量及强度信号即可得质谱图；
4．根据质谱图对有机物进行解析。
以上过程可简单概括为：离子源轰击样品→带电荷的碎片离子→电场加速（zeU）获得动能1/2mV2→磁场分离（m/z）→检测器记录
二、基本方程
在质谱分析法中，分子离子符合磁场质谱仪的基本方程：
式中m/z 为质荷比，R为离子在磁场内运动半径，H为磁场强度（磁场扫描），U为加速电压（电压扫描）
有规律地改变磁场强度或加速电压可使不同质荷比的离子具有相同的运动半径，依次排列成质谱。不带电荷的离子不能被电磁场加速，不出峰；带负电荷的离子运动方向相反，也不出峰。因此质谱指的是正离子的峰。
三、离子的类型
质谱中出现的离子类型主要包括：分子离子、碎片离子、亚稳离子、同位素离子、复合离子、多电子离子等。识别和了解这些离子的形成规律对质谱的解析十分重要。下面介绍几种常见的离子。
1.分子离子
有机化合物分子在电子轰击下失去一个电子所形成的离子称为分子离子，相应质谱峰称为分子离子峰，一般用符号M+·表示。其中“+”代表正离子，“· ”代表不成对电子。分子中不含C1、Br、S时，分子离子峰一般出现在质谱图的最右侧。分子离子是化合物失去一个电子形成的，因此，分子离子的质量就是化合物的分子量。
一般出现在质荷比最高的位置，但有例外。分子离子峰的稳定性取决于分子结构。分子离子峰的强度与结构的关系：
碳链越长，分子离子峰越弱；存在支链有利于分子离子裂解，故分子离子峰很弱；饱和醇类及胺类化合物的分子离子弱；有共振系统的分子离子稳定，分子离子峰强；环状分子一般有较强的分子离子峰
分子离子峰的相对强度取决于M+·相对于裂解产物的稳定性：芳香环＞共轭烯＞烯＞环状化合物＞羰基化合物＞醚＞酯＞胺＞酸＞醇＞高度分支的烃类
2.碎片离子
一般有机化合物的电离能为7－13电子伏特，质谱中常用的电离电压为70电子伏特，电离后有过剩内能的分子离子能以多种方式裂解成碎片离子，碎片离子还可能进一步裂解成更小的碎片离子，在裂解的同时也可能发生重排。
质谱图中低于分子离子质量的离子都是碎片离子。其产生是由于分子离子发生化学键的断裂和重排，其相对丰度随其稳定性的增强而增大。例如甲苯的质谱图中m/z 92为分子离子峰，m/z 27～91的峰为碎片离子峰。
3.亚稳离子
根据离子的稳定性或寿命，可分为三类：①在电离区形成后，能抵达检测器的离子为稳定离子(正常离子)，其质谱峰较强，为棒状；②在电离区形成，但立即裂解的离子为不稳定离子，这种离子不产生离子峰；③产生于电离区，飞往检测器途中裂解的母离子称为亚稳离子，记录器能够记录到中途产生的子离子m2，它是亚稳离子裂解释放能量的表征，因此又称这种离子为亚稳离子。由它形成的离子峰称为亚稳峰。亚稳峰的特点是：①峰弱，仅为其母离子峰的1％～3％；峰钝；质荷比一般不为整数。把称为母离子称为子离子。
只要在图谱中找出亚稳峰，根据上式就可找到和，并证明有→的裂解过程。亚稳峰(m*)、子离子峰(m2) 及母离子峰(m1) 的峰位如下图所示：
例如，对氨基回香醚
证明裂解过程为：
m/z 80 离子是由分子离子经过两步裂解产生的，而不是一步形成的。质谱图如下：
4.同位素离子
大多数元素都是由具有一定自然丰度的同位素组成。这些元素形成化合物后，其同位素就以一定的丰度出现在化合物中。因此在质谱图中会出现比主峰高1个以上质量数的小峰。我们把含有同位素的离子称为同位素离子，相应的质谱峰称为同位素离子峰。质量比分子离子峰大1个质量单位的同位素峰用M+1表示，大2个质量单位的同位素峰用M+2表示。
例如，在天然碳中有两种同位素，12C和13C。二者丰度之比为100∶1.1，如果由12C组成的化合物质量为M，那么，由13C组成的同一化合物的质量则为M+1。如果化合物中含有一个碳，则M+1离子的强度为M离子强度的1.1%；如果含有二个碳，则M+1离子强度为M离子强度的2.2%。
氯有两个同位素35Cl和37Cl，两者丰度比为100∶32.5，近似为3∶1。当化合物分子中含有一个氯时，如果由35Cl形成的分子质量为M，那么，由37Cl形成的分子质量为M+2。生成分子离子后，质量分别为M和M+2，离子强度之比近似为3∶1。在分子RCl2中，其组成方式可以有R35Cl35Cl、R35Cl37Cl和R37Cl37Cl，分子离子的质量有M，M+2，M+4。同位素离子的强度之比，可用二项式展开式各项之比来表示：
式中：a为某元素轻同位素的丰度；b为某元素重同位素的丰度；n为同位素个数。
例如，化合物RCl2中含有两个氯，其分子离子的三种同位素离子强度之比，由上式计算得：
==9+6+1 　　
即三种质量分别M，M+2，M+4的离子，强度之比为9∶6∶1。这样，如果知道了同位素的元素个数，可以推测各同位素离子强度之比。同样，如果知道了各同位素离子强度之比，可以估计出元素的个数。
自然界中35Cl与37Cl的丰度比约为3∶1；79Br与81Br的丰度比约为1∶1； 32S与34S的丰度比约为100∶4.4。因此他们的同位素峰非常明显，可以利用同位素峰强度比来推断分子中是否含有Cl、Br 、S原子以及含有的数目
四、质谱法的特点与主要用途
质谱法具有以下特点：
1.样品用量少，灵敏度高，精密度好 一般分析样品仅需1μg甚至更少，检出限可达10-14 g。这为中药提取物的分析带来了极大的方便。
2.分析速度快 一般几秒钟就可以完成一个复杂样品的分析。
3.分析范围广，适合联机 可对气体、液体、固体进行分析。
4.能够同时给出样品的精确分子质量和结构信息。
质谱法的主要用途有：
1.测定相对分子质量；
2.鉴定化合物的分子式；
3.推测未知物结构；
4.测定分子中Cl、Br等原子；
5.与色谱联机后用于多组分的定性与定量。
质谱的发展很快，主要表现在三个方面：一是普遍和计算机相连，由计算机控制操作和处理数据，使分析速度大大提高；二是出现了各种各样的联用仪器，如气相色谱-质谱（GC-MS）联用仪，液相色谱-质谱(LC-MS)联用仪，质谱-质谱(MS-MS)联用仪等；三是出现了很多新的电离技术。使质谱法在化学化工、环境科学、石油化工、医药检测、食品科学、地质等方面，发挥着越来越多的作用。研究质谱图所提供的信息已成为确定化合物分子结构的重要手段。

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