气质联用培训班讲义（扫盲）.pdf

农业部质检中心 气质联用培训班讲义 2004-03 海南.海口 农业部热带农产品质量监督检验测试中心 2 前 言 2004 年 3 月农业部对所属的质检中心在海口中国热带农业科学院分析测试中心（农业部热带农产品质检中心）举办 GCMS 农药残留检测的培训讲座。由于参加讲座的人员基础各异，需要一个基本的专题讲座，我和主讲教授编写了这本讲义，其中不少内容是 ctrl+C、ctrl+V 的结果，感谢原著作者的辛勤劳动，谢谢！本讲义的组织和编写编者倾注了一定的心血（呵呵），力争能在较少的篇幅内给读者一个明晰的概念，由于作者水平的问题本讲义可能存在一些错误，欢迎批评指正，谢谢！为了不让自己的劳动失去价值，现提供给大家，希望能够多多交流，谢谢！编写人：Honic 工作单位：农业部热带农产品质检中心 Email： QQ:79070964 3 目 录 一、质谱法概述.1 二、质谱仪.2 1质谱仪的简介.2 2仪器构造.2 2.1 进样系统.2（1）色谱进样.2（2）其他进样系统.2 2.2 离子源.3（1）电子轰击离子源（EI）.3（2）化学电离源（CI）.4 2.3 质量分析器.7（1）四极杆分析器（quadrupole mass filter）.7（2）离子阱(ion trap).8 2.4 真空系统.9 2.5 主要质谱仪分类.9 3基本参数.11 4离子的断裂规律.12 4.1 质谱图与质谱表.12 4.2 主要离子峰的类型.13（1）分子离子峰.13（2）准分子离子峰.14（3）碎片离子峰.14（4）重排离子峰.14（5）亚稳离子峰.14（6）同位素离子峰.15（7）多电荷离子.15 4.3 分子离子的确认.15 4.4 碎片离子和假分子离子.17 4.5 应用实例.17 4.6 主要有机物的断裂规律（产生分子离子、碎片离子等的方式）.18 三、气质联用仪.21 1气质联用仪的特点.21 2计算机及软件的应用.26 附录：12 种农药 EI 标准谱图.30 1 一、质谱法概述 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量和电荷的比值（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。质谱法的基本原理是有机物样品在离子源中发生电离，生成不同质荷比（m/z）的带正电荷离子，经加速电场的作用形成离子束，进入质量分析器，在其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。图表 1 离子流在磁场中运动示意图 若离子初始能量为 0，在加速电压作用下，离子动能 Ek为 式中 z 为离子电荷数，e 为单位电荷电量（1.6010-19C），U 为加速电压（单位为 V），m 为离子质量，为离子运动速度。加速离子进入分析器后，离子受磁场力 Bze作用，其运动轨迹发生偏转，作圆周运动，其离心力 m2/r 与磁场力平衡，即有 式中 B 为磁感应强度，r 为圆周运动半径。上述两式结合：2/rUm ze B=上式为磁分析器质谱仪方程。式中 z 一般为 1。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212kEzeUmv=vBzevr=2m2 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。二、质谱仪 1质谱仪的简介 质谱仪是通过对样品电离后产生的具有不同质荷比（m/z）的离子来进行分离分析的。先将待分析样品变成气态，在具有一定能量（50100eV）的电子束轰击下，生成不同 m/z的带正电荷的离子，在加速电场的作用下成为快速运动的粒子，进入质量分析器，这些粒子在电场与磁场作用下，按其质量与电荷的比值（质荷比）大小分开，进入分析器分离并得到质荷比以及相对的丰度。在进行质谱分析时，一般过程是：通过合适的进样装置将样品引入并进行气化。气化后的样品引入到离子源进行电离。电离后的离子经过适当的加速进入质量分析器，按不同的m/z 进行分离。然后到达检测器，产生不同的信号而进行分析。2仪器构造 图表 2 质谱仪构造框图 2.1 进样系统 有机质谱仪的进样装置要求能在既不破坏离子源的高真空工作状态，又不改变有机化合物的组成和结构的条件下，将有机化合物导入离子源，有机质谱仪的进样装置有以下几种：（1）色谱进样 色谱对混合的有机化合物有很强的分离能力，而有机质谱仪仅对单一组分的有机化合物有很强的定性能力，对混合的有机化合物则很难对其每一组分给出准确的定性结果。若将色谱分离后的、单一组分的有机化合物直接送入离子源内，即将这两种仪器串联在一起，将色谱仪器经过特殊的接口装置作为有机质谱仪的一种进样装置，则这种联用仪器将成为有机化合物分析的最强有力的工具，目前，气相色谱-有机质谱的联用已获得成功，液相色谱-有机质谱也取得了突破性的进展，现代的有机质谱仪几乎全部是色谱-质谱联用仪，色谱进样已成为现代有机质谱仪不可缺少的进样装置。（2）其他进样系统 加热进样系统、直接进样系统。3 2.2 离子源 离子源的作用是将被分析的有机化合物分子电离成离子，并使这些离子在离子光源系统的作用下会聚成有一定几何形状和一定能量的离子束，然后进入质量分析器被分离。离子源的结构、性能与有机质谱仪的灵敏度和分辨率有密切的关系。根据有机化合物的热稳定性和电离的难易程度，可以选择不同的离子源，以期能得到该有机化合物的分子离子。有机质谱仪常用的离子源有电子轰击离子源（EI），化学电离源（CI）和解吸化学电离源（DCI），场致电离源（FI）和场解吸电离源（FD），快中子轰击电离源（FAB）和离子轰击电离源（IB），激光解吸电离源（LD），锎-252 等离子解吸电离源（252Cf-PD）。LC-MS 联用仪中的热喷雾接口和电喷雾接口也可单独作为离子源使有机化合物分子电离。（1）电子轰击离子源（EI）电子轰击电离源是有机质谱仪中应用最广泛的离子源，所有有机质谱仪几乎都配有这种离子源，图是电子轰击离子源的示意图，从热灯丝发射的电子被加速通过电离盒，射向阳极（trap），此阳极用来测量电子流强度，通常所用的电子流强度为 50250A。改变灯丝与电离盒之间的电位，可以改变电离电压（即离子化能量）。当电子能量较小（即电离电压较小，如 714eV）时，电离盒内产生的离子主要是分子离子。当加大电子能量（如加大到50100eV，由于 70 eV 下产生的离子流最为稳定，获得的质谱图具有高度的重现性），产生的分子离子会部分发生断裂，成为碎片离子。可用降低电子能量的方法来简化谱图。现有的标准 EI 电离谱图都是用 70 eV 的电子能量得到的。电子轰击电离的特点是稳定，操作方便，电子流强度可精密控制，电离效率高，结构简单，控温方便，所形成的离子具有较窄的动能分散，所得谱图是特征的、重现性好。因此，目前绝大部分有机化合物的标准质谱图都是采用电子轰击电离源得到的。电子离子化中，灯丝发射电子束将组分打碎并离子化，见下图：图表 3 EI 反应示意图 4 图表 4 EI 源示意图 图表 5 EI 源结构示意图（TRACE MS）由于能够得到稳定并具有代表性的碎片离子，EI 是最常用的离子化模式。EI 谱图一般包括分子离子和一些可以理论拆分的离子。EI 谱图可以作为组分的指纹并可以同已知谱图比较来鉴定组分。图表 6 典型的 EI 谱图（对硫磷）上述图中，291、109、97、137、263 是组分碎片离子中的特征离子。EI 主要用于鉴定化合物，如定性分析和判定化学结构。（2）化学电离源（CI）很多情况下，EI 产生的碎片离子太多导致了鉴定困难。在这种情况下，化学离子化（CI）5 就非常有用，化学离子化是一种软电离技术，其主要特点是产生的分子离子较离子碎片要多，具有谱图简单、灵敏度高、非常适合气相色谱-质谱联用仪的离子源等特点。化学离子化中，相对高浓度的反应气体（通常是甲烷、异丁烷、氨气）进入离子源，样品只是所有分子总数的一小部分。电子束和反应气互相作用生成反应气离子。化学离子化有两种方式：CI+和 CI-。首先配制反应气体及样品气体的混合气样，使样品气体占混合气样总量的约千分之一。常用的反应气体有甲烷、丙烷、氨气、氢气、氦及氮气等。将 10300Pa 压力的混合气样送入电离室，在电离室会发生一系列反应：a、用 50500eV 的高能量电子束轰击反应气体，使其电离。例如甲烷的电离反应是 e +CH4 CH4+CH3+CH2+CH+C+H+生成的 CH4 及 CH3离子约占总离子数的 90%。b、电离的反应气体离子立即与反应气体进行离子-分子反应，生成反应离子：+CH4+CH4CH5+CH3 m/e17+CH3+CH4C2H5+H2 m/e29 C2H5+CH4C3H5+2H2 m/e41 c、反应离子与样品分子 M 进行离子-分子反应生成准分子离子。准分子离子是指获得或失掉一个氢原子的分子离子。CH5+MM+1+CH4 C2H5+MM+1+C2H4 或CH5+MM-1+CH4+2 C2H5+MM-1+C2H6 此外，下列反应也存在，形成加合离子：C2H5+MM+29+C3H5+MM+41+在生成的这些离子中，以M+1+或 M-1+的丰度为最大，成为主要的质谱峰，且通常为基峰，根据M+1+或M-1+及M+29+、M+41+离子峰可以确定化合物的分子量。注意，化学离子源质谱中没有分子离子峰。化学电离源是利用反应气体的离子和有机化合物样品的分子发生离子-分子反应而生成样品离子的一种“软”电离方法。化学电离源的结构基本上与离子轰击电离源相同，只是化学电离源的电离盒要有较好的密封性，使盒内反应气达到离子-分子反应所需的压强。现在有机质谱仪上配置的化学电离源大都是与电子轰击电离源结合在一起的 EI/CI 组合电离源。EI/CI 组合电离源的电离盒上一般装有一狭缝，在 EI 工作状态时，狭缝开得较大；而在 CI电离工作状态时，狭缝关闭，以保证电离盒的密封性。为使 EI 和 CI 工作状态能很快转换，使得 EI 电离工作状态和 CI 电离工作状态可交替扫描，以便能在一次进样时能同时得到该样品的 EI 谱图和 CI 谱图，就要使 EI 电离工作状态和 CI 电离工作状态转换的时间小于 1s。为此，很多厂家将 EI/CI 组合电离源的电离盒设计得很小，以便在 CI 电离工作状态扫描后能很快将反应气抽走而成为 EI 电离工作状态，而在 EI 电离工作状态扫描后通入反应气时，反6 应气压强能很快达到 CI 电离工作状态的需要。但是电离盒作得太小时，往往会使在作 EI电离时样品分子在电离盒内压强过大，而发生样品分子自身的离子-分子反应，从而得不到样品分子本身的分子离子峰，得到的是双分子的离子峰。这在谱图解析时需引起注意。化学电离源所用的反应气可根据所分析的有机化合物样品来选择，常用的有甲烷、异丁烷和氨。反应气在离子盒内的压强为 10100Pa，以 100eV 能量的电子使电离盒内气体电离。由于电离盒内气体中，反应气是样品的 103105倍，所以电离时得到的几乎全是反应气分子及其碎片的离子。这些离子与被测有机化合物分子相互碰撞，发生离子-分子反应，产生被测有机化合物样品分子的准分子离子（MH）+和少数碎片离子。在 CI 谱图中准分子离子（MH）+往往是最强峰，谱图较简单，易解释。CI+反应气离子和样品分子直接作用，如下图表示：图表 7 CI离子化 CI 电离源还可以用于负离子质谱。对于多数有机化合物，负离子的 CI 谱图灵敏度要比正离子的 CI 谱图高 23 个数量级。负离子 CI 谱图已逐步成为复杂混合物的定量分析方法。化学离子化一般适用于要求分子质量的条件，是 EI 谱图数据的补充。两种化学离子化反应在离子源内均会同时发生，但仪器同时检测的只是其中的一种，正离子（CI+）或负离子（CI-）。典型的化学离子化谱图如下：图表 8 典型的 CI 谱图 图表 9 CI-谱图（对硫磷）使用 CI 电离源时需将有机化合物气化后进入离子源，因此，CI 电离源不适用于难挥发、热不稳定或极性较大的有机化合物分析。7 2.3 质量分析器 质量分析器又称质量分离器，是将离子源中生成的各种正离子按质荷比大小分离的部件，是质谱仪的重要部件。质谱仪器的近期发展已发生了很大变化，原来占主导地位的磁分析仪已大大减少。因此本节着重介绍一些最重要的质量分析器，包括四级杆分析器、离子阱及飞行时间分析器。（1）四极杆分析器（quadrupole mass filter）四级杆分析器也称四极质量分析器，它由四根截面呈双曲面的平行电极组成，围绕离子束呈对称排列，离子束穿过对准四根杆之间的准直小孔。见图所示的结构示意。相对的一对电极是等电位的，两对电极之间的电位是相反的。离子源的电位比四级杆分析器的电位略高几个伏特，以提供离子沿传播中心轴飞行所需的动能。图表 10 四级杆分析器示意图 加在四极上的直流电压 U 和射频 V0cost（其中 V0为射频电压振幅，为射频振荡频率，t 为时间），在极间形成一个四极复合射频场，离子进入后，受到电场力的作用，可使离子围绕其传播中心轴振动，只有具有一定质荷比的粒子才会通过稳定的振荡而进入离子收集器。改变 U、V0，并使 U/V0比值恒定，便可以实现质量扫描）。离子进入四级杆分析器后的运动状况，可由四个电极间电位表达式和在电场作用下离子的运动方程求解得到下图的结果表达。图表 11 四级杆分析器稳定性图 图中，a,q 为离子在四级杆分析器中运动稳定与否的两个参数，表达式：8 222eUamr=0224eVqmr=式中 m 为离子质量，r 为电极间最小距离的一半，e 为电子的电荷量。只有处在稳定区，离子才能通过四级杆分析器到达收集器。在不稳定区，离子运动将会撞到某一电极上，不能到达收集器。U、V0、是可变的实验参数。一般固定，改变 U 和 V0、并保持 a/q 为常数，以及U/V0比值恒定，便可以实现质量扫描。此时，在图中获得直线 A，称为扫描线。通过控制a/q 的不同常数值，即改变扫描线的斜率，便可以改变通过四级杆分析器的离子质量范围。图中扫描线 B 要比 A 具有更窄的质量测定范围。当扫描线斜率接近稳定区顶点时，可获得高的分辨率。质量测定范围和分辨率是质谱仪器的重要性能指标。质量测定范围表示质谱仪能分析样品的相对原子质量或相对分子质量范围。通常用原子质量单位进行度量，即一个处于基态12C 中性原子的质量的 1/12，即 1231241(12.00000./6.02214 10)/121.66054 10ug molmolg=在非精确测定质量场合中，常用原子核中所包含的质子和中子的总数，即质量数来表示，其数值等于相对原子质量的整数。分辨率指分开相邻质量数离子的能力。定义为：对于两个等强度的相邻峰，两峰间的峰谷不大于峰高的 10%，则认为两峰已经分开。其分辨率为 1121/()/Rmmmmm=式中 m 为质量数，m1m2。例如鉴别2N+（m/z 为 28.006）和 CO+（m/z 为 27.995）两峰，要求质谱仪的分辨率至少为 R27.995/(28.006-27.995)=2545 四级杆分析器的主要优点是结构简单，体积小，质量轻，价格便宜，清洗方便，操作容易。只使用电场，便可实现快速扫描。最适合与气相色谱仪联用。四级杆分析器是目前应用最广泛的质量分析器，性能不断提高，质量测定范围已达到 3000u，质量准确度可达到0.1u(900u 时)，其缺点是分辨率不够高。（2）离子阱(ion trap)离子阱是一种通过电场或磁场将气相离子控制并贮存一段时间的装置，最早起步于 20世纪 50 年代，80 年代中期才作为有机质谱仪的质量分析器。一种较简单的离子阱质量分析器是由双曲线表面的中心环形电极和上下积压一的端罩电极构成，中间形成一个室腔（阱）。其结构见图：9 图表 12 离子阱质量分析器示意图 端罩电极接地，环形电极施以射频电压 V0cost。当一组电离的离子从顶端小孔进入阱内，处于阱内具有合适质荷比的离子，将在环内指定轨道上稳定旋转；射频电压扫描，陷入阱内离子的轨道则会依次发生变化，从而在底部离开环电极腔而被检测。离子阱结构简单，性能价格比高，体积小，有利于仪器小型化，同时也便于串接制成MS/MS 二次质谱仪。此外，由离子阱制成的质谱仪，其可检测的最小样品最低，即绝对灵敏度高，约为四级杆分析器 101000 倍。质量范围大，商品仪器已达 6000u。其缺点是所得的质谱图与标准谱图有一定差别。2.4 真空系统 有机质谱仪的离子源、质量分析器和检测器必须在高真空状态下工作，以减少本底干扰，避免发生不必要的离子-分子反应。离子源的真空度应达 10-310-4Pa，质量分析器和检测器的真空度应达 10-410-5Pa 以上。高真空的实现一般是由机械泵和油扩散泵或涡轮分子泵串联完成。机械泵作为前级泵先将体系抽到 10-110-2Pa，然后再由油扩散泵或涡轮分子泵继续抽到高真空。油扩散泵比较便宜，但会产生一定的本底；操作不当，可能造成反油，污染离子源和质量分析器，使用涡轮分子泵可以克服油扩散的缺点，但价格较高。在与色谱联用的有机质谱仪中，离子源的高真空泵抽速应足够大，以保证高的电离效率和色谱流动相进入离子源后能及时、迅速地被抽走，保证离子源的高真空度。2.5 主要质谱仪分类 表 1 质谱仪类别表 序号序号 质谱仪类别质谱仪类别 质量分离原理和说明质量分离原理和说明 单聚焦 MS 不同质量离子在磁场中以不同的曲率半径偏转而分离，仅有方向聚焦，质量分辨率较低 1 磁式质谱仪 单质量双聚焦 MS 分离原理同上，但对某一质量离子在保持方向聚焦的同时，在电场中的速度分散与磁场中速度分散相互抵消而获得速度聚焦，提高分辨率 10 序号序号 质谱仪类别质谱仪类别 质量分离原理和说明质量分离原理和说明 全质量双聚焦 MS 分离原理同上，在一定质量范围内（如 1：36）各质量离子均具有速度和方向聚焦的能力 2 四极质谱仪 QMS（二维四极 MS）离子在四极场(xyt)=(U+Vcoswt)(x2+y2)/R2中的运动，纵向（Z）是匀速运动，横向是振动运动。当直流/交流电压比（U/V）=0.165时，只有一定质量数的离子有稳定的轨道而接收，其他质量数离子终因振幅不断增加而偏离，所以又称四级杆分析器。内电离式 离子贮存在三维四极阱内作稳定的振动运动，当环形电极上的射频电压扫描时（或端电极电压轴向调制时），质量数从小到大的离子依次从四极阱的端电极逸出而接收，离子在阱内形成 3 离子阱质谱仪 ITMS三维四极 MS（3DQ）外电离式 离子的分离原理同上。但离子在阱外形成，注射到阱内 4 飞行时间质谱仪 TOF-MS 不同质量（相同能量）的离子，飞过固定距离时所需的时间不同而分离 5 离子回旋共振质谱仪 ICR-MS 离子在互为正交的均匀磁场和射频电场中作回旋共振运动，当回旋半径达到一定大小时被接收。其回旋频率与离子质量成反比 串联磁式质谱（多个扇形电磁场）磁式 MS-MS，前一个 MS 选择母离子，经高能碰撞活化分解成子离子，再由后一个 MS分析 串联四极 MS 四极 MS-MS，前一个四极选择母离子，经纯射频四极场低能碰撞活化分解成子离子，再由后一个四极分析 四极磁式混合型 前、后 MS 类型不同，但作用同上。常见的为磁式四极混合型 6 串联质谱仪 离子阱（MS）n 利用离子阱的选定质量离子贮存能力（采用轴向调制或过滤噪音场技术获得），经一定贮存时间分解成子离子，随后再由离子阱分析，并可重复多次，从而获得时间串联的MS-MS，简写为（MS）n 7 气体同位素比质谱仪（IRMS）质量分离原理同质谱仪。专用于测定气体同位素比，如13C/12C、15N/14N、18O/16O 等 8 离子迁移谱仪（IMS）它能像质谱一样实现气相离子分离，但在大气压下进行。离子在电场中的迁移速度决定于离子迁移率（单位电场下的漂移运动速度），离子按迁移率分离，称离子迁移谱仪。类比于飞行时间质谱和磁式质谱，它也有时间分离和空间位置分离两种，可视为特种质11 序号序号 质谱仪类别质谱仪类别 质量分离原理和说明质量分离原理和说明 谱 3基本参数 表 2 MS 基本参数表 指标名称指标名称 指标定义及实用意义指标定义及实用意义 指标数值指标数值 影响因素影响因素 质量数范围 GC-MS 联用仪可检测到的最高质量数离子和最低质量数离子之间的质量数复盖范围，质量数单位为平均质量单位，称为 amu，或称为道尔顿，记作 D 质量数范围一般指单电荷离子而言 小型 1-1000 中型 1-2000 左右（四极）1-2000（四极）1-10000（磁式）主要决定于质量分析器的设计参量 质量分辨率 R 在 GC-MS 联用仪所测的质谱图上，R 表征了分辨相邻两峰的能力。计算公式R=(M1+M2)/2(M2-M1(L/W5%)，其中 M1、M2为相邻两峰的离子质量数，L 为它们分开的距离，W5%为离子峰峰高水平%处的宽度。L和 W5%单位应一致（mm 或 amu）。骈质量分析器常用指数扫描，谱线间隔非等宽，但分辨率在整个质量范围内相等；四极质量分析器线性扫描，单位质量分辨，最高可测质量数即为最高分辨率。常以半峰宽W1/2作峰宽计算分辨率（如峰形呈高斯分布，W1/2=W5%/2）小型2000（四极）10000（磁式）1、决定于质量分析器的设计参量（如磁场曲率半径、离子出口缝大小、离子在四极场的振动周期数等）2、真空度越好，R 越大 3、扫描速度越快，R 越低 4、离子检测系统响应时间常数越小，R 越大 12 指标名称指标名称 指标定义及实用意义指标定义及实用意义 指标数值指标数值 影响因素影响因素 1、全扫描灵敏度 对某一固定样品（如硬脂酸甲酯），对某一电离方法（一般分电子轰击EI 和化学电离 CI 两种），对某一离子极性（可分为正、负离子两种）在给定操作条件下（一般为不分流进样，样品色谱峰半峰宽度约数秒，在样品全谱的质量范围内，以一定速度扫描），检测样品的分子离子（EI）或次分子离子（CI）的信噪比达到某一标准（一般为 10：1）所需的最小进样量为 GC-MS 的全扫描灵敏度 10001pg 1、灵敏度与仪器的质量分辨在一定范围内成反比 2、对不同样品，不同电离方式，不同离子极性，不同操作条件和不同信噪比要求，其最小检测量（即灵敏度）亦不同 2、选择离子检测灵敏度，除扫描方式（在选定的一组离子质量数内，以某一居留时间，如每峰 50ms，循环跳扫）与全扫描灵敏度规定不同外，其余同上 100.1pg 1、除扫描方式不同外，同上 2、灵敏度与居留时间成正比 灵 敏 度（最小检测量）3、选择反应检测灵敏度，除扫描方式（MS1 选定的一组离子质量数内，MS2 选定一组子离子，按一定母子关系循环跳扫）与全扫描灵敏度规定不同外，其余同上。应用于GC-MS 100.1pg 1、除扫描方式不同外，同上 2、灵敏度与测量离子的居留时间成正比 最高扫描速度 GC-MS 联用仪获得质谱图时最快扫描速度。速度越快，可获质谱图随 GC 样品变化的影响越小，质谱图越接近标准谱，再生总离子色谱图越逼真，一般以一个色谱峰能扫描十次左右。过快的扫描会降低仪器的灵敏度和质量分辨率。实际使用的扫描速度依分析要求和仪器性能作综合考虑 磁式质谱：指数扫描已快至每十倍程质量数0.10.2 秒，四极质谱：线 性 扫 描 已 快 至2000amu/s10000amu/s,离 子 阱 质 谱 快 至10000amu/s 对北扫描质谱，在铁感应线圈的自感。磁铁的涡流和磁滞都会影响扫描速度，一般采用叠层磁铁和低压大电流激磁线圈 4离子的断裂规律 4.1 质谱图与质谱表 质谱给出两种数据形式：质谱图、质谱表。质谱图以质荷比（m/z）为横坐标，相对强度（相对丰度）为纵坐标构成。一般以原始质谱图上的最强的离子峰定为基峰，其相对丰度为 100%，其他离子峰则以对基峰的相对百分值表示。也有把总离子流的强度定为 100%，依次计算各离子所占的百分数来表示。从图中可以直观地看到分子的整个质谱。质谱表以表格的形式表示质谱数据，有质荷比和相对强度两项。表可以给出精确的数值，13 有助于进一步分析。图表 13 棒式质谱图 表 3 质谱表 基 团 M/z 相对丰度 CH3+15 795 CO 28 3932 CH2=OH 31 100 CH3=C=OH 43 568 CH3CH=O 45 2773 分子离子 46 1023 此分子式可能是：CH3CH2OH 4.2 主要离子峰的类型 解析质谱图，必须要区别各种类型的质谱峰，研究峰的形成过程、变化规律及其与分子结构的关系。（1）分子离子峰 分子失去一个电子而生成的正离子称为分子离子或母离子，相应的质谱峰称为分子离子峰或母峰。分子离子标记为.M+，是一个自由基离子，其中“+”表示有机物分子 M 失去一个电子而电离，“”表示失去一个电子后剩下未配对的电子。具有未配对电子的离子，称为奇电子离子。这样的离子同时又是自由基，具有较高的反应活性。具有配对电子的离子，称为偶电子离子，它比奇电子离子稳定。分子离子峰是除同位素峰外，质量数最大的质谱峰，位于质谱图的高质荷比端。分子离子质量对应于中性分子的质量，因此可用其确定相对分子质量。几乎所有的有机化合物都可以产生可以辩认的分子离子峰，其稳定性决定于分子结构。芳香族、共轭烯烃及环状化合物的分子离子峰强，而相对分子质量大的烃、脂肪醇、醚、胺等则分子离子峰弱。分子离子峰的丰度与有机化合物结构的稳定性和离子化需要的总能量有关。在实际观察中，一些熔点低、不易分解、容易升华的化合物都能出现较强的分子离子峰，分子中含有较多羟基、胺基和多支链的化合物，分子离子峰较弱或观察不到。14（2）准分子离子峰 准分子离子是指分子获得一个质子或失去一个质子，记为M+H+、M-H+。其相应的质谱峰称为准分子离子峰。准分子离子不含未配对的电子，结构比较稳定，常由软电离技术产生。（3）碎片离子峰 在离子源中，当提供分子电离的能量超过分子解离所需的能量时，原子之间的一些键还会进一步断裂，产生质量数较低的碎片，称为碎片离子。碎片离子在质谱图上相应的峰称为碎片离子峰。广义的碎片离子指分子离子碎裂而产生的一切离子，而狭义的碎片离子仅指由简单碎裂而产生的离子。分子的碎裂过程与其结构有密切关系，研究质谱图中相对强度最大的，即最大丰度的离子碎裂过程，通过对各种碎片离子峰高的分析，有可能获得整个分子结构的信息。（4）重排离子峰 分子离子在裂解的同时，可能发生某些原子或原子团的重排，生成比较稳定的生排离子，其结构与原来分子的结构单元不同。其在质谱图上相应的峰称为重排离子峰。（5）亚稳离子峰 离子在离开电离源，尚未进入接受器前，在中途任何地方发生碎裂变成亚稳态离子，它在质谱图上的峰，称亚稳离子峰。若在电离源处发生分子离子的碎裂，设原离子即母离子1M+的质量为 m1，丢失质量为m1-m2 的中性碎片 Mn后，生成质量为 m2的子离子2M+，即1M+2M+Mn。若上述碎裂发生在中途，中性碎片不仅带走了 m1-m2质量，且还带走了1M+的部分动能。因此产生*2M的动能必然小于在离子源处正常产生的2M+的动能。动能小，易在磁场中偏转，其运动半径小。这种离子称为亚稳离子（*2M），其质量 m*可由下式求得：*221()/mmm=例如：当1M+的 m/z 值为 120，它形成的碎片离子2M+的 m/z 值为 105，在飞行途中1M+发生碎裂，形成的*2M离子，在质谱图上表现出的 m/z 值是多少？即 2*10510591.88120m=此时的子离子2M+不会出现的正常的 m/z 值为 105，的位置上。15 在质谱图中亚稳离子（*2M）峰呈现在离子峰2M+的左边，强度弱，峰宽，其 m/z 值往往不是整数。通过亚稳离子峰可以剖析离子的开裂部位，并确定丢失的中性碎片。（6）同位素离子峰 组成有机化合物的元素，常见的约有十余个，除 P、F、I 以外，其他元素大都存在着两种以上的同位素，因而质谱图会出现强度不等到的同位素离子峰。各元素的最轻同位素的天然丰度最大，因此与相对分子质量有关的分子离子峰 M+，是由最大丰度同位素所产生的。生成的同位素离子峰往往在分子离子峰右边 1 或 2 个质量单位处出现 M+1 或 M+2 峰，构成同位素离子峰簇，其强度比与同位素的丰度比是相当的，可由丰度比来推算，从表中可见含有 Br、Cl 的化合物的 M+2 的同位素强度较大。元素 同位素 精确相对原子质量 天然丰度 同位素 精确相对原子质量 天然丰度 丰度比/%H C N O S Cl Br 1H 12C 14N 16O 32S 35Cl 79Br 1.007825 12.000000 14.003074 15.994915 31.972072 34.968853 78.918336 99.985 98.893 99.634 99.759 95.02 75.77 50.537 2H 13C15N17O18O33S 34S 37Cl81Br2.014102 13.003355 15.000109 16.999131 17.999159 32.971459 33.967868 36.965903 80.916290 0.015 1.107 0.366 0.037 0.204 0.78 4.22 24.23 49.463 2H/1H 0.015 13C/12C 1.12 15N/14N 0.37 17O/16O 0.04 18O/16O 0.20 33S/32S 0.82 34S/32S 4.44 37Cl/35Cl 32.0 81Br/79Br 97.9 （7）多电荷离子 分子失去两个或两个以下电子的离子称为多电荷离子。由于离子带电荷多，而使质荷比下降。杂环、芳环和高度不饱和的有机化合物在受到电子轰击时，会失去两个电子而形成两价离子2M+，这是这类化合物的特征，可提供结构分析时参考。4.3 分子离子的确认 分子离子峰的 m/z 值示出准确的相对分子质量，高分辨质谱的分子离子峰还可提供精确的相对分子质量，由此可方便地推断出化合物的分子式，所以识别分子离子峰是很重要的。构成分子离子峰有三个必要条件：1）在质谱图中必须是最高质量的离子；2）必须是一个奇电子离子；3）在高质量区，它能合理地丢失中性碎片而产生重要的碎片离子。16 样品分子电离失去一个电子形成的分子离子除了伴随的同位素峰外，必然出现在质谱图中的最高质量处。中性分子失去孤电子对中或一对成键电子中的一个电子，而形成的分子离子必定是一个自由基正离子，即具有“奇电子”的离子(odd-electron ions,OE+)，分子离子继续断裂丢失自由基形成“偶电子离子”（even-electron ion,EE+）或丢失中性分子形成另一个“奇电子”离子碎片，如此继续。所丢失的中性碎片应为具有合理组成的有机基团或稳定的小分子，如 M-15（CH3），M-17（OH），M-18（H2O），M-31（OCH3）等等。Lederberg和 Djerassi 等认为质量差在 413，2126，3738，5053，65，66 是不可能的，也是不合理的。如在最高质量端出现这些差额，则此时最高质量峰就不是分子离子峰。后来发现在个别化合物的质谱上有时会出现质量差 25（C2H），26（C2H2 CN），37（H2Cl），51（CHF2），53（C4H5）也是合理的。在质谱中凡是分子离子都必须同时满足上述三个条件，这三个条件中任何一条不能满足都不应是分子离子。但以上三条还不是充分的条件，也就是说，这三个条件都满足了仍有可能不是分子离子，还需要用其他方法加以验证：1）氮规则。氮规则。在组成有机化合物的元素中，对绝大多数天然丰度最高的同位素而言，偶数质量的元素具有偶数化合价，奇数质量的元素具有奇数化合价，如12C、16O、32S、的化合价是偶数，1H、35Cl、31P 的化合价为奇数，只有氮同位素14N 的质量数为偶数，其化合价却为奇数，成为一种特例。因此得到如下规律：在有机化合物中，凡含有偶数氮原子或不含氮原子的，相对分子质量一定为偶数，反之，凡今吸奇数氮原子的，相对分子质量一定是奇数，这就是氮规则。据此可推论：当分子断裂一个单键而形成包括分子中全部氮原子的碎片离子时，则由具胡偶数质量的分子离子得到奇数质量的碎片离子，而由奇数质量的分子离子得到偶数质量的碎片离子。运用氮规则将有利于分子离子峰的判断和分子式的推定，经元素分析确定某化合物的元素组成后，若最高质量的离子的质量与氮规则不符，则该离子一定不是分子离子。2）分析碎片离子分析碎片离子 用高分辨质谱分析各碎片离子时，碎片离子的元素组成都应包含在分子离子峰内，若碎片离子的元素组成和数量超出估计的“分子离子”时，则肯定这种估计是错误的。一些化合物在质谱中常可以裂解为两大部分，如在这样的质谱图中找到最高质量峰恰为两个碎片离子质量之和，也可以作为这个最高质量峰为分子离子峰的一个证据。有时化合物的质谱仅出现比相对分子质量多一个氢或少一个氢的所谓“准分子离子”，则两个碎片之和也应比这种准确分子离子差一个质量单位。3）分子离子峰不出现或丰度极低难以确认，可根据不同情况改变实验条件予以验证。分子离子峰不出现或丰度极低难以确认，可根据不同情况改变实验条件予以验证。A、降低轰击电子的能量、降低轰击电子的能量 将常用的 70eV 改变 15eV 以减少形成的分子离子继续断裂的几率，降低了碎片离子的丰度，使分子离子峰的相对丰度增加，从而可能辨认出分子离子。B、用、用 CI，FI，FD 等软电离方法等软电离方法 降低轰击电子能量的结果会使仪器的灵敏度下降，虽然分子离子峰的丰度有所提高，但离子的绝对强度降低，一些由于热不稳定和低挥发性等原因而不出现分子离子峰的化合物，用这种办法不会得到预期的效果，这时可采取各种软电离的办法，虽然碎片离子大量减少，但可以突出分子离子峰。C、降低样品的气化温度、降低样品的气化温度 17 气化温度的降低可以减少分子离子进一步断裂的可能性，分子离子峰的相对丰度增加。如三十烷烃在 340时气化，不出现分子离子峰，改变 70气化时分子离子峰的丰度接近基峰。4.4 碎片离子和假分子离子 分子离子在离子源中获得过剩的能量转变为分子内能而发生进一步断裂生成的离子称为碎片离子。质谱图中低于分子离子 m/z 的离子都是碎片离子，碎片离子提供提供品的分子结构信息，对于结构鉴定具有重要的意义。在离子源中，分子离子处于多种可能裂解反应的竞争之中，结果形成一系列丰度不等的碎片离子。值得注意的是，分子离子发生的占优势的一级裂解，不一定是质谱图上丰度最高的碎片峰，因为它还可能进一步发生二级、三级、裂解。各种不同结构的有机化合物断裂的方式不同，产生碎片离子的种类和丰度也不相同。在一定能量的电轰击下，每一种化合物都有自己特定的质谱，为质谱用于有机结构鉴定提供信息，是核对标准质谱图并使用计算机贮存和解析的基础。4.5 应用实例 图表 14 甲胺磷标准质谱图 CH3OPSNH2OCH3CH3OPNH2O CH3S CH3OPSNH2O+.+.+.m/e 94m/e 47m/e 1261411221 图表 15 甲胺磷断裂示意图 18 图表 16 甲拌磷标准质谱图 CH3OPSSOCH2SCH2CH3CH2CH3H2CSCH2CH3 CH3OPSSOCH2SCH2CH3+.+.m/e 75m/e 231 1122 图表 17 甲拌磷断裂示意图 碎片离子基本由以下三种断裂方式产生：断裂方式：一般有均裂、异裂、半非异裂及、断裂、重排开裂等方式。如：均裂 X：YX+Y 异裂 X：YX