如何看EI-MS質(zhì)譜圖

王敬尊（北京微量化學(xué)研究所，北京100091）

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·知識(shí)介紹·

如何看EI-MS質(zhì)譜圖

王敬尊*
（北京微量化學(xué)研究所，北京100091）

摘要：電子轟擊源質(zhì)譜（EI-MS）是質(zhì)譜測定中經(jīng)常使用、也是提供質(zhì)譜結(jié)構(gòu)信息最豐富的技術(shù)之一。面對一張完全未知化合物質(zhì)譜圖中的任意一個(gè)峰，能馬上回答出是奇質(zhì)量、偶質(zhì)量、奇電荷、偶電荷峰，是分子峰、碎片峰、重排峰，含奇數(shù)氮、偶數(shù)氮（包括不含氮），含碳原子、硫原子、氯原子、溴原子數(shù)目等系列質(zhì)譜結(jié)構(gòu)信息，是質(zhì)譜結(jié)構(gòu)分析的基本功。

關(guān)鍵詞：EI-MS質(zhì)譜；質(zhì)譜解釋

質(zhì)譜是有機(jī)結(jié)構(gòu)分析的“四大譜”之一，用于提供化合物的相對分子質(zhì)量和結(jié)構(gòu)信息。質(zhì)譜技術(shù)中首選使用的電子轟擊源質(zhì)譜（EI-MS）是提供質(zhì)譜結(jié)構(gòu)信息最豐富的技術(shù)。正確地解釋EI-MS譜圖信息是質(zhì)譜結(jié)構(gòu)分析的基本功。由于軟電離質(zhì)譜技術(shù)、高分辨質(zhì)譜技術(shù)、質(zhì)譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)和計(jì)算機(jī)譜庫檢索的應(yīng)用，極大地簡化了質(zhì)譜的解釋，因而也弱化了常規(guī)EI-MS質(zhì)譜圖的解釋，以至于在一些研究論文中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)質(zhì)譜離子電荷標(biāo)識(shí)和結(jié)構(gòu)解釋的初級(jí)錯(cuò)誤。本文作者在質(zhì)譜分析實(shí)踐中，把質(zhì)譜解釋要點(diǎn)作了簡要概括總結(jié)，如能認(rèn)真理解和運(yùn)用這些知識(shí)，就能從一個(gè)完全未知物質(zhì)譜圖中的任意一個(gè)峰，僅看一眼，不需知道任何其他化學(xué)信息，就能回答出是奇質(zhì)量、偶質(zhì)量，奇電荷、偶電荷，分子峰、碎片峰、重排峰，含奇數(shù)氮、偶數(shù)氮（包括不含氮），含碳原子、硫原子、氯原子、溴原子數(shù)目等系列質(zhì)譜結(jié)構(gòu)信息，這對學(xué)習(xí)和應(yīng)用質(zhì)譜者是不可缺少的基本知識(shí)。

1 分子離子峰的識(shí)別

1）必須是最大質(zhì)量數(shù)的電荷峰。

2）必須是奇電荷峰。

3）可丟失合理碎片，出現(xiàn)質(zhì)量數(shù)合理相關(guān)的電荷峰，如M－1、M－15、M－18、M－28、M－44等；而不可能出現(xiàn)相差4－13和21－25質(zhì)量數(shù)的峰。

4）質(zhì)量數(shù)必須符合氮規(guī)則。

在常見的有機(jī)化合物分子中包含的元素，只有氮原子的化學(xué)鍵價(jià)是奇數(shù)、而質(zhì)量數(shù)為偶數(shù)，有一個(gè)巧合的規(guī)律是所有分子中含氮原子的數(shù)目和分子離子的質(zhì)量數(shù)是偶數(shù)或奇數(shù)相關(guān)，即質(zhì)譜中的“氮規(guī)則”。

分子不含氮原子或含偶數(shù)氮原子的分子離子質(zhì)量數(shù)一定為偶數(shù)；而含奇數(shù)氮原子的分子質(zhì)量數(shù)一定是奇數(shù)。

質(zhì)譜碎片則與此相反，不含氮原子或含偶數(shù)氮原子的質(zhì)譜碎片質(zhì)量數(shù)一定為奇數(shù)；而含奇數(shù)氮原子的質(zhì)譜碎片的質(zhì)量數(shù)一定是偶數(shù)。

5）同位素峰的識(shí)別和應(yīng)用。

在有機(jī)化合物常見的元素中，H1、F19、P31、I127無天然同位素。O16和N14在分子中的數(shù)目一般不多，且其天然同位素豐度遠(yuǎn)少于1%（O180.2%，N150.37%），對質(zhì)譜同位素峰的強(qiáng)度貢獻(xiàn)不大，通常可忽略不計(jì)。分子中常見C12原子的同位素C13，在自然界中的豐度為1.1%，當(dāng)分子中的碳原子數(shù)較多時(shí)，C13的豐度可給出有益的信息，如C13峰強(qiáng)度是C12的10%時(shí)，可由此推算出分子中碳原子的數(shù)目約為9個(gè)。分子中含硅原子時(shí)，由于硅的天然同位素（Si28100%，Si295.1%，Si303.4%）豐度皆可觀；有機(jī)硅聚合物中的含硅原子數(shù)目通常比較多，可根據(jù)Si29（5.1%）、Si30（3.4%）的峰強(qiáng)度計(jì)算分子中硅原子的數(shù)目，這對有機(jī)硅化合物的相對分子質(zhì)量測定很有幫助。硫原子S32在自然界中同位素S34的豐度為4.4%，可由S34峰的豐度準(zhǔn)確地推算出分子中S原子的數(shù)目。氯的同位素豐度為Cl35100%、Cl3732.5%，即Cl37約是Cl35的1/3；溴的同位素豐度為Br79100%、Br8198%，兩個(gè)同位素峰強(qiáng)度相近；當(dāng)含多個(gè)氯、溴原子時(shí)，可出現(xiàn)強(qiáng)度很大的A+2，A+4，A+6等系列峰。

6）輔助軟電離技術(shù)：如CI，F(xiàn)AB，F(xiàn)D，ESI，LMAD等，通常給出M+1，M+18（H2O），M+70（底物甘油）等的簇離子準(zhǔn)分子離子峰，這對識(shí)別分子離子峰非常有用。

2 碎片峰的解釋

1）試圖解釋全部質(zhì)譜碎片峰是比較困難的，因?yàn)樵谫|(zhì)譜電離源中會(huì)出現(xiàn)一些離子反應(yīng)產(chǎn)生的離子。所以只需要正確地識(shí)別和解釋譜圖中比較強(qiáng)的峰和某些結(jié)構(gòu)特征的峰即可。

2）離子的電荷和質(zhì)量數(shù)與分子中含氮原子的數(shù)目相關(guān)，即不含氮原子或含偶數(shù)氮原子的質(zhì)譜碎片質(zhì)量數(shù)一定為奇數(shù)；而含奇數(shù)氮原子的質(zhì)譜碎片的質(zhì)量數(shù)一定是偶數(shù)。

3）尋找結(jié)構(gòu)特征的重排峰，如下列結(jié)構(gòu)式中A、B、C、D代表不同結(jié)構(gòu)單元易出現(xiàn)的碎片離子［1］：

4）計(jì)算各個(gè)峰間的質(zhì)量差值，尋找合理的質(zhì)量相關(guān)碎片，給出重要的結(jié)構(gòu)信息；識(shí)別常見的丟失合理中性碎片的峰，如含長鏈烷烴基團(tuán)會(huì)給出質(zhì)量差14碎片峰；含羥基（―OH）基團(tuán)易出現(xiàn)M－18的峰；含苯環(huán)基團(tuán)會(huì)給出質(zhì)量數(shù)為77、65、51、39的碎片峰；含羰基（C=O）基團(tuán)易給出M－28的峰；含羧基（―COOH）基團(tuán)、環(huán)氧基團(tuán)的化合物易出現(xiàn)M－44的峰；含氧的醇、酸、酯化合物易出現(xiàn)含氧原子的101、87、73、59、43的質(zhì)量碎片；含砜基（―SO2）、亞砜基（―S=O）易出現(xiàn)M－48、M－64的峰；含硝基（―NO2）基團(tuán)易出現(xiàn)M－30、M－46的峰等。

3 由質(zhì)譜推測分子結(jié)構(gòu)的一般程序

1）綜合評(píng)價(jià)質(zhì)譜總圖。通常樣品的質(zhì)譜分析，在總離子流色譜圖（TIC）中會(huì)出現(xiàn)許多峰，由每個(gè)峰都可得到相應(yīng)的質(zhì)譜圖，從這些質(zhì)譜中選擇出合理的質(zhì)譜圖：首先找出總離子流圖中對應(yīng)較強(qiáng)組分的質(zhì)譜圖；觀察質(zhì)譜圖中是否出現(xiàn)分子離子峰；主要的碎片離子峰質(zhì)量是否合理相關(guān)；排除不相關(guān)的雜質(zhì)峰；如果譜圖中全是奇質(zhì)量，通常是分子離子峰未出現(xiàn)。

2）分子峰識(shí)別，輔助軟電離技術(shù)，如CI-MS，F(xiàn)AB-MS，ESI等。

3）找出合理重排的奇電離子和結(jié)構(gòu)特征離子峰。

4）重要的低質(zhì)量區(qū)的特征碎片峰。

5）同位素的識(shí)別應(yīng)用。

6）應(yīng)用高分辨質(zhì)譜技術(shù)可給出分子的元素組成和分子式。能獲取高分辨質(zhì)譜數(shù)據(jù)當(dāng)然很理想，遺憾的是大部分雙聚焦高分辨質(zhì)譜儀因高分辨實(shí)驗(yàn)操作比較麻煩和儀器狀態(tài)不佳，要獲得1萬的分辨率也很難實(shí)現(xiàn)；價(jià)格高昂的離子回旋共振FT-MS又不夠普及。

7）MS-MS質(zhì)譜-質(zhì)譜聯(lián)用。如果儀器具有質(zhì)譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析功能，充分利用這種技術(shù)，對有足夠強(qiáng)度的峰，做二次和多次質(zhì)譜分析，特別對樣品中存在的雜質(zhì)組分和混合物樣品的質(zhì)譜分析，是非常有效的質(zhì)譜技術(shù)。

8）質(zhì)譜譜庫參考譜圖檢索。許多質(zhì)譜儀配帶十幾萬張標(biāo)準(zhǔn)化合物的譜庫，可對得到的譜圖進(jìn)行方便的檢索，給出相似度較大的化合物。但質(zhì)譜譜庫給出的只是已有化合物的EI-MS譜圖，現(xiàn)有的譜庫不能給出各種軟電離譜圖信息和完全未知化合物的結(jié)構(gòu)信息。

9）綜合研究能獲取的所有光譜結(jié)構(gòu)信息。質(zhì)譜圖要求對大部分較大的譜峰和某些結(jié)構(gòu)特征的小峰作出合理解釋；如有條件需要結(jié)合紅外光譜圖和核磁共振譜圖進(jìn)行綜合分析，給出可信度最大的分子結(jié)構(gòu)信息。

10）最終確認(rèn)推測的分子結(jié)構(gòu)，還要通過獲取標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)后做全部化學(xué)、光譜信息和應(yīng)用理化性質(zhì)作符合檢查，最終確定推測化學(xué)結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性。

4 未知物綜合譜學(xué)結(jié)構(gòu)分析示例

作者在20世紀(jì)90年代曾領(lǐng)導(dǎo)我國一個(gè)國家實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)了聯(lián)合國禁止化學(xué)武器實(shí)驗(yàn)室水平核查任務(wù)。參加核查國家包括美國、俄羅斯等30多個(gè)軍事大國的國家級(jí)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，對聯(lián)合國配制的土壤、沙子、污水和機(jī)油等4個(gè)試樣，按聯(lián)合國規(guī)定的要求，在兩周的時(shí)間內(nèi)，對樣品中每個(gè)組分的結(jié)構(gòu)分析，必須包括GC-MS（EI、CI）、GC-IR、NMR（H譜，P譜）等綜合譜學(xué)分析并獲取完全一致的結(jié)論，報(bào)出的結(jié)構(gòu)才被判定為完整和準(zhǔn)確。我實(shí)驗(yàn)室最終從4個(gè)樣品中分離并確定出含有9個(gè)與化學(xué)武器相關(guān)的組分，與聯(lián)合國最后公示的結(jié)果完全相同，我國與美國同時(shí)以滿分名列世界第一。下面列舉其中一個(gè)污水樣品的質(zhì)譜分析測定數(shù)據(jù)［2］。

1）樣品的分離預(yù)處理。

水樣為外觀無色透明的液體，pH 7，總體積50 mL。取20 mL樣品用二氯甲烷萃取分離，將兩相蒸發(fā)至干，分別做甲基化和硅烷化，衍生物再做GC-MS和GC-IR，分離操作流程如圖1所示。另取20 mL樣品濃縮后用重水溶解，直接做NMR。

圖1 水樣分離操作流程簡圖

2）水樣中與化學(xué)武器相關(guān)可疑組分的GC-EIMS和GC-CIMS分析。

通過對樣品的預(yù)處理，對有機(jī)相和水相樣品同時(shí)用重氮甲烷做甲基化，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)可疑組分只出現(xiàn)在有機(jī)相中。圖2為甲基化后樣品的GC-EIMS總離子流TIC色譜圖，經(jīng)與空白本底對比，發(fā)現(xiàn)色譜圖中保留時(shí)間6:35的1號(hào)和保留時(shí)間12:46的2號(hào)兩個(gè)可疑峰，對此兩個(gè)峰做GC-MS分析。

圖2 水樣中有機(jī)污染物的GC-EIMS TIC色譜圖

圖2中1號(hào)峰的GC-EIMS和化學(xué)電離源的GC-CIMS圖，分別如圖3和圖4所示。對圖3的結(jié)構(gòu)解釋為：分子離子峰［m/z 124］；質(zhì)譜中主要裂解碎片解釋如下：

圖3 水樣中化合物1的EI圖

圖4 水樣中化合物1（甲基磷酸二甲酯）的CI-MS圖

由圖3中EI-MS最大m/z 124和圖4 CI-MS的m/z M+1峰125，可確認(rèn)1號(hào)峰的相對分子質(zhì)量為124；除了m/z 94為分子脫掉一個(gè)―OCH3重排一個(gè)氫的奇電荷峰（CH3，CH3OP（H）=O）+.；其他的奇質(zhì)量峰皆為偶電荷碎片峰，如m/z 109的峰為分子脫掉一個(gè)甲基的峰（124－15=109）；m/z 79為質(zhì)量94的碎片再丟掉一個(gè)甲基的峰（94－15=79）；m/z 63為有機(jī)磷毒劑中一個(gè)甲基磷酸的碎片（CH3―P（H）= O）+；綜合全部質(zhì)譜信息，可推測出1號(hào)峰的成分可能為甲基磷酸二甲氧基酯。

2號(hào)峰的GC-EIMS和化學(xué)電離源中GC-CIMS如圖5和圖6所示。質(zhì)譜中主要碎片解釋：

圖5中幾乎全部質(zhì)譜峰為奇質(zhì)量、偶電荷的碎片峰，表明該分子在EI源中不穩(wěn)定，未出現(xiàn)分子離子峰；圖6中CI源給出最大質(zhì)量數(shù)m/z 179，為準(zhǔn)分子離子M+1峰，即2號(hào)峰的相對分子質(zhì)量為178；由碎片峰m/z 79，94可知也是甲基磷酸的同系物，但質(zhì)量數(shù)比1號(hào)峰高54個(gè)質(zhì)量數(shù)（178－124=54），即把1號(hào)結(jié)構(gòu)中的一個(gè)甲氧基中的甲基換成一個(gè)環(huán)戊基C5H9―即（124－15+69=178）；m/z 111，碎片為分子丟掉環(huán)戊基團(tuán)后重排2個(gè)H的峰；m/z 93為分子的178峰脫一個(gè)環(huán)戊氧基的峰。

圖5 水樣化合物2（甲基環(huán)戊氧基磷酸甲酯）的EI-MS圖

圖6 水樣化合物2（甲基環(huán)戊氧基磷酸甲酯）的CI-MS圖

綜合質(zhì)譜圖5、6的數(shù)據(jù)，推測2號(hào)峰的結(jié)構(gòu)可能為甲基甲氧基環(huán)戊氧基磷酸酯。實(shí)驗(yàn)同時(shí)采用GC-IR、NMR-1H譜、31P譜綜合分析確認(rèn)，質(zhì)譜分析結(jié)果準(zhǔn)確無誤。

參考文獻(xiàn)

［1］McLafferty，F(xiàn).W.Interpretation of Mass Spectra；Mill Valley:CA，1980；pp 134－135.

［2］王敬尊，瞿慧生.復(fù)雜樣品的綜合分析.北京:化工出版社，2000:394－397.

中圖分類號(hào)：O6；G64

doi:10.3866/PKU.DXHX20160449www.dxhx.pku.edu.cn

*通訊作者，Email:jzwang824@sina.com

How to Interpret EI-MS Spectra

WANG Jing-Zun*
（Beijing Institute of Microchemistry，Beijing 100091，P.R.China）

Abstract:EI-MS is a frequently adopted technique which can provide rich information in compound structures.The following properties can be retrieved directly from the mass spectrum of an unknown compound，including the molecular or fragment ion peak，odd or even charge and mass，elemental numbers （C，N，Si，Cl，Br，etc.）.It is a basic skill to be able to acquire the aforementioned information from the mass spectrum.

Key Words:EI-MS Spectrum；Spectral interpretation