精细化工品的分离与分析2

精细化工品的分离与分析质谱（MS）质谱法：以某种方式使有机化合物的分子电离、碎裂，然后按照离子的质荷比（m/z）大小把生成的各种离子分离，检测它们的强度，并将其排列成谱。质谱图上提供的信息：样品元素组成；物质的相对分子质量；物质的结构信息---结构不同，分子的碎片不同(质荷比不同)；复杂混合物的定性定量分析---与色谱方法联用(GC-MS)；样品中原子的同位素比。质谱仪是通过对样品电离后产生的具有不同的m/z的离子来进行分离分析的。质谱仪包括进样系统、电离系统、质量分析系统和检测系统（必须处于真空状态），质谱仪的离子产生及经过系统必须处于高真空状态（离子源真空度应达1.3×10-4～1.3×10-5Pa，质量分析器中应达1.3×10-6Pa）。其作用是减少离子碰撞损失。真空度过低，将会引起：大量氧会烧坏离子源灯丝；引起其它分子离子反应，使质谱图复杂化；用作加速离子的几千伏高压会引起放电。质谱法分类：（按用途分：有机质谱、无机质谱、同位素质谱；按原理分：单聚焦质谱、双聚焦质谱、四极质谱、飞行时间质谱、回旋共振质谱；按联用方式分：气质联用、液质联用、质质联用）。进样装置有：间歇式进样（适于气体、沸点低且易挥发的液体、中等蒸汽压固体）、直接探针进样（适于高沸点液体及固体，其优点：引入样品量小，样品蒸汽压可以很低；）、色谱进样系统（GC-MS、HPLC-MS）（利用气相和液相色谱的分离能力，与质谱仪联用，进行多组份复杂混合物分析）、高频感藕等离子体进样系（ICP-MS）。电离源：电离源的功能是将进样系统引入的气态样品分子转化成离子。通常称能给样品较大能量的电离方法为硬电离方法，而给样品较小能量的电离方法为软电离方法，后一种方法适用于易破裂或易电离的样品。离子源：电子电离源(EI)、化学电离源(CI)、快原子轰击(FAB)、电喷雾源(ESI)、大气压化学电离（APCI)、基质辅助激光解吸电离（MALDI)电子电离法(EI)是通用的电离法，是使用高能电子束从试样分子中撞出一个电子而产生正离子，其优点：高的灵敏度；有达10万个化合物的数据库可快速检索；可根据碎片方式鉴定未知物；从碎片离子判定结构。缺点：质量范围小（只能用于远远小于生物有机分子的小分子(400Da以下)的检测）；有可能汽化前发生解离；碎片过多有时看不到分子离子。化学电离法(CI)是通过离子-分子反应来进行（离子与试样分子按一定方式进行反应，转移一个质子给试样或由试样移去一电子，试样则变成带+1电荷的离子）化学电离源一般在1.3×102～1.3×103Pa（现已发展为大气压下化学电离技术）压强下工作，使用时，往离子源中送入反应气和气化的样品。其特点：得到一系列准分子离子（M+1）+,（M-1）+，（M+29）+等等；CI源的的碎片离子峰少，图谱简单，易于解释；不适于难挥发成分的分析。电喷雾电离(ESI)结构：喷嘴，雾化气，干燥气原理：喷雾蒸发高电压。一般来说，极性溶剂（如甲醇、乙腈、丙酮等）更适合于电喷雾。对于水溶液，由于液体表面张力较大，ESI要求的阈电位也较高。为了避免高压放电，可向喷雾区引入有效的电子清除剂或使离子源加热以降低表面张力。通常小分子得到[M+H]+]+,[M+Na]+或[M-H]-单电荷离子，电喷雾电离是最软的电离技术，通常只产生分子离子峰，因此可直接测定混合物，并可测定热不稳定的极性化合物。电喷雾电离(ESI)其优点：1、质量数可达70，000Da2、灵敏度高达femtomole级3、软电离，可观察生物分子非共价反应。4、易于和LC串联，直接分析流速为1ml/min的LC洗脱液。5、没有基质干扰。6、适于联四极杆质量分析器、离子阱质量分析器做结构分析。7、带多电荷，允许质量范围窄的设备检测高质量数的离子。8、带多电荷，通过计算平均值给出更精确的质量数。9、特别适于测多肽的修饰。10、样品前处理简单可直接分析RP-HPLC脱盐处理的溶液。其缺点1、耐盐能力低。2、对某些化合物特别敏感，污染难清洗。3、带多电荷，在分析混合物时，产生混乱。4、定量时需内校准。大气压化学电离（APCI）喷出的液滴先汽化，随后空气中某些中性分子（H2O,N2,O2等）及溶剂分子被电离，发生化学电离的过程。适用于弱极性的小分子化合物(M1000)。其特点：大气压化学电离也是软电离技术，只产生单电荷峰，适合测定质量数小于2000Da的弱极性的小分子化合物；适应高流量的梯度洗脱/高低水溶液变化的流动相；通过调节离子源电压控制离子的碎裂。其主要的碎片应由化学键的诱导断裂和重排反应来产生。电喷雾与大气压化学电离的比较电离机理：电喷雾采用离子蒸发，而APCI电离是高压放电发生了质子转移而生成[M＋H]+或[M-H]-离子。样品流速（LG-MS）：APCI源可从0.2到2ml／min；而电喷雾源允许流量相对较小,一般为0.2-1ml／min.。断裂程度；APCI源的探头处于高温，对热不稳定的化合物就足以使其分解.灵敏度：通常认为电喷雾有利于分析极性大的小分子和生物大分子及其它分子量大的化合物，而APCI更适合于分析极性较小的化合物。多电荷：APCI源不能生成一系列多电荷离子。电子轰击电离—硬电离。CI化学电离—核心是质子转移。FD场解吸—目前基本被FAB取代。FAB:快原子轰击—或者铯离子(LSIMS,液体二次离子质谱)。ESI电喷雾电离—属最软的电离方式。适宜极性分子的分析，能分析小分子及大分子(如蛋白质分子多肽等)APCI大气压化学电离—同上，更适宜做弱极性小分子。APPI:大气压光喷雾电离—同上，更适宜做非极性分子。MALDI:基体辅助激光解吸电离。通常用于飞行时间质谱和FT-MS，特别适合蛋白质，多肽等大分子．单聚焦分析器m/z=B2r2/2U离子的m/Z大，偏转半径也大，通过磁场可以把不同离子分开；当r为仪器设置不变时，改变加速电压或磁场强度，则不同m/z的离子依次通过狭缝到达检测器，形成质谱。为什么要双聚焦：进入离子源的离子初始能量不为零，且能量各不相同，加速后的离子能量也不相同，运动半径差异，难以完全聚集。单聚焦质量分析器使用扇型磁场，结构简单，操作方便，但是分辨率低。双聚焦质量分析器使用扇型电场及扇型磁场，分辨率高，其缺点是价格贵，操作和调整比较困难。四极质量分析器优点：1）结构简单、容易操作、价格便宜；2）仅用电场而不用磁场，无磁滞现象，扫描速度快，适合与色谱联机；3）操作时的真空度相对较低，特别适合与液相色谱联机。缺点：1）分辨率不高（R=103-104）；2）对较高质量的离子有质量歧视效应。离子阱质量分析器突出优点在于高灵敏度（低至10-18克分子）、快速扫描（5000道尔顿/秒）以及可在一个离子阱检测器内实现程序扫描多级串联质谱功能。离子阱（iontrap）优点：1）单一的离子阱可实现多极“时间上”的串联质谱；2）结构简单、价格便宜，性能价格比高；3）灵敏度高，较四极质量分析器高达10-10000倍；4）质量范围大，可达6000。缺点：质谱与标准谱有差别。飞行时间质量分析器（TOF）优点：1）检测离子的质荷比范围非常宽；2）特别适合于与脉冲产生离子的电离源（MALDI-TOF）；3）灵敏度高，适合于作串联质谱的第二级；4）扫描速度快，适合研究极快过程；缺点：分辨率随质荷比的增加而降低。飞行时间质谱首先要考虑的问题是如何使离子在被注入漂移区后既无空间发散又无能量发散。如果相同质量的离子在不同时间离开离子源或存在能量发散，分辨率将大为下降。解决办法之一是采用离子反射技术。TOF对真空度的要求非常高10⁻⁷Torr傅立叶回旋共振质量分析器质量精度最高，达±0.001％串联质谱是通过对选定m/z离子反应产物的分析，对目标化合物进行结构鉴定或断裂机理等方面的研究。此法不须预先色谱分离,适合复杂混合物体系分析。质谱图上离子峰的类型：分子在离子源中可以产生各种电离，即同一种分子可以产生多种离子峰，主要的有分子离子峰、碎片离子峰、亚稳离子峰和同位素离子峰等。分辨率R是指质荷比相邻的两质谱峰的分辨能力。其中m1、m2为质量数，且m1m2，故在两峰质量数较小时，要求仪器分辨率越大。指所能检测的M/Z范围,取决质量分析器类型。四极质谱M/Z小于或等于1000磁式质谱M/Z可达到几千飞行时间质谱M/Z可达到几十万灵敏度对于一定样品（如硬脂酸甲酯），在一定的分辨率情况下，产生一定信噪比（如S/N50：1）的分子离子峰所需的样品量。各种化合物分子离子峰的相对强度：(1)芳香化合物共轭多烯脂环化合物低分子量直链烷烃某些含硫化合物。通常给出较强的分子离子峰。(2)直链的酮、酯、酸、醛、酰胺、卤化物等通常显示分子离子峰。(3)脂肪醇、胺、腈、硝酸酯、硝酸酯、缩醛和多支链的化合物通常没有分子离子峰。强度较弱的分子离子峰的确认。(1)降低电子能量（通常为70eV）。(2)采用软电离技术。(3)样品化合物衍生化。Ｎ律由Ｃ、Ｈ、Ｏ、X（卤素）组成的有机化合物，Ｍ一定是偶数。由Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎ组成的有机化合物，Ｎ奇数，Ｍ奇数。由Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎ组成的有机化合物，Ｎ偶数，Ｍ偶数。氮规则当化合物不含氮或含偶数个氮时，其分子量为偶数；当化合物含奇数个氮时，其分子量为奇数。就电离的容易程度而言，杂原子上孤对电子共轭π电子π电子σ电子。亚稳离子若质量为m1的离子在离开离子源受电场加速后，在进入质量分析器之前，由于碰撞等原因很容易进一步分裂失去中性碎片而形成质量m2的离子准分子离子：比分子多或少一个H的离子有些元素具有天然存在的稳定同位素，所以在质谱图上出现一些M+1，M+2，M+3的峰，由这些同位素形成的离子峰称为同位素离子峰。单分子裂解反应裂解反应只在活性反应中心的邻近发生。分子离子（M+﹒）裂解的三种方式：均裂自由基引发（α断裂）反应的动力来自自由基强烈的电子配对倾向。异裂电荷引发（诱导效应，i断裂）进行i断裂时，一对电子发生转移。半异裂（σ断裂）当化合物不含O、N等杂原子，也没有π键时，只能发生σ断裂。121mmmR脱离掉的中性小分子及所产生的重排离子均符合氮规则。重排离子质量数为偶数。麦氏重排条件：含有C=O，C=N，C=S及碳碳双键与双键相连的链上有γ碳，并在γ碳有H原子（γ氢）六圆环过度，Hγ转移到杂原子上，同时β键发生断裂，生成一个中性分子和一个奇电子离子。环状化合物的裂解说明：该重排正好是Diels-Alder反应的逆反应；含原双键的部分带正电荷的可能性大些；当环上有取代基时，正电荷也有可能在烯的碎片上偶电子规律:偶电子离子电离只能产生偶电子离子；奇电子离子电离既能产生奇电子离子，也能产生偶电子离子。碎片离子的稳定性当离子中的同一个原子上连接几个烷基，失去较大烷基概率高。产生电中性小分子的断裂优先H2OCO、CO2、HCN、CH3CN等小分子。有机化合物分子离子峰的稳定性顺序：芳香化合物＞共轭链烯＞烯烃＞脂环化合物＞直链烷烃＞酮＞醚＞酯＞胺＞酸＞醇＞多支链烷烃．正构烷烃的裂解规律：质谱特征是具有质量相差14（CH2）单位的CnH2n+1系列；碎片离子C3以上强度递减，各峰簇的顶端形成一平滑曲线，最高点在C3或C4。异构烷烃（支链烷烃）在支链处易断裂，优先失去大基团，正电荷留在多支链的碳上在支链处的断裂，伴随有失去单个氢的倾向，产生较强的CnH2n离子，有时可强于相应的CnH2n+1离子。支链烷烃的分子离子峰明显下降，支化程度高的烷烃检测不到分子离子峰。支链烷烃的裂解规律：支链烷烃的分子离子峰较直链烷烃降低。在支链处易断裂，优先失去大基团，正电荷留在多支链的碳上，产生CnH2n+1离子。在支链处的断裂，伴随有失去单个氢的倾向，产生较强的CnH2n离子，有时可强于相应的CnH2n+1离子。炔烃裂解规律分子离子峰较强。类似烯烃的炔丙基分裂，炔的a-断裂产生m/z39的偶电子离子。端位炔易脱去H·，形成很强的M-1峰。烷基取代苯（a）分子离子峰较强（b）简单断裂生成苄基离子C7H7+，m/z91的峰一般都较强。（c）当相对苯环存在γ氢时，易发生McLafferty重排，m/z92