质谱的原理和图谱的分析

1、定义化合物分子在真空条件下受电子流的“轰击”或强电场等其他方法的作用，电离成离子，同时发生某些化学键有规律的断裂，生成具有不同质量的带正电荷的离子，这些离子按质荷比（m/z）的大小被收集并记录的图谱。质谱一、质谱的基本知识计算机数据处理系统真空系统加速区进样系统离子源质量分析器检测器2、质谱计框图单聚焦质量分析器双聚焦质谱计:静电分析器+磁分析器静电分析器由两个同心圆板组成，两圆板之间保持一定的电位差(E)。加速后的离子通过静电场和磁场后,达到能量聚焦、方向聚焦和质量色散的目的，使仪器的分辨率大大提高。mmmmmR1121故在两峰质量数较小时，要求仪器分辨率越大。静电分析器加在磁分析器之前。加速后的离子在静电分析器中,受到外斥内吸的电场力(zE)的作用,迫使离子作弧形运动。2RmvzE静电分析器只允许具有特定能量的离子通过,达到能量聚焦,提高仪器分辨率。V:加速电压.E:电位差.v:速度.m:质量.zVmv221结合EVR2，导出3、基本原理质谱仪示意图离子在质谱仪中被电场加速。加速后其动能和位能相等,即：212mvzVm:离子质量；v:离子速度；z:离子电荷；V:加速电压被加速的离子进入磁分析器时，磁场再对离子进行作用，让每一个离子按一定的弯曲轨道继续前进。其行进轨道的曲率半径决定于各离子的质量和所带电荷的比值m/z。离子动能产生的离心力(mv2/R)与由磁场产生的向心力(Hzv)相等：2mvHzvRR:曲率半径H:磁场强度RHzvm22/2HRmzV质谱的基本方程212mvzV4、离子化的方法（1）电子轰击（electronimpact,EI）•轰击电压50-70eV•有机分子的电离电位一般为7-15eVM+e→M+·(分子离子)+2e•过剩的能量使分子离子进一步裂解•有些化合物的分子离子不出现或很弱（2）化学电离（chemicalionization,CI）高能电子束与小分子反应气(如甲烷、丙烷等）作用，使其电离生成初级离子，初级离子再与样品分子反应得到准分子离子。以CH4为例:CH4+e→CH4+.+2eCH4+.+CH4→CH5++CH3++CH5.+CH3.R+.+R→RH++(R-H).+RH.+(R-H)+RH++M→R+MH+(R-H)++M→R+(M-H)+准分子离子相对强度较大，碎片离子峰数目较少。（3）场致离（FI）和场解吸（FD）场致离（fieldionization,FI）•气态样品分子在在强电场（107-108V/cm）的作用下发生电离。•要求样品分子处于气态,灵敏度不高,应用逐渐减少.场解吸（fielddesorption,FD）•样品不需汽化,将样品吸附在作为场离子发射体的金属丝上,送入离子源,然后通以微弱电流,使样品分子从发射体上解吸下来,并扩散至高场强的场发射区,进行离子化.•适用于难汽化、热不稳定的样品.如:糖类.•FI、FD分子离子峰较强，碎片离子峰较少。(4)快原子轰击(fastatombombardment,FAB)•用高能量的快速Ar原子束轰击样品分子(用液体基质负载样品并涂敷在靶上，常用基质有甘油、间硝基苄醇、二乙醇胺等),使之离子化。•FAB灵敏度高，适用于对热不稳定、极性强的分子，如肽、蛋白质、金属有机物等。•样品分子常以质子化的[M+H]+离子出现•基质分子会产生干扰峰。（5）电喷雾电离（ESI）样品溶液在电场的作用下形成带高度电荷的雾状小液滴，在向质量分析器移动的过程中，液滴因溶剂不断挥发而缩小，导致表面电荷密度不断增大，当电荷之间的排斥力足以克服液滴的表面张力时，液滴发生裂分，如此反复进行，最后得到带单电荷或多电荷的离子。•使热敏感或不挥发的化合物由固相直接得到离子。•待测物质的溶液与基质的溶液混合后蒸发，使分析物与基质成为晶体或半晶体，用一定波长的脉冲式激光进行照射时，基质分子能有效的吸收激光的能量，使基质分子和样品分子进入气相并得到电离。MALDI适用于生物大分子，如肽类，核酸类化合物。可得到分子离子峰，无明显碎片峰。此电离方式特别适合于飞行时间质谱计。（6）基质辅助激光解析电离(MALDI)Matrix-AssistedLaserDesorptionIonization脉冲式激光质谱图由横坐标、纵坐标和棒线组成。横坐标标明离子质荷比（m/z）的数值，纵坐标标明各峰的相对强度，棒线代表质荷比的离子。图谱中最强的一个峰称为基峰，将它的强度定为100。丁酮的质谱图5、质谱图的组成6、质谱术语基峰：•离子强度最大的峰，规定其相对强度（RI）或相对丰度（RA）为100。精确质量：•精确质量的计算基于天然丰度最大的同位素的精确原子量。如：1H1.00782512C12.00000014N14.00307416O15.994915CO、N2、C2H4的精确质量依次为：27.9949、28.0062、28.03137、质谱中的各种离子（1）分子离子：分子被电子束轰击失去一个电子形成的离子。分子离子用M+•表示，是一个游离基离子。在质谱图上，与分子离子相对应的峰为分子离子峰。分子离子峰的应用：分子离子峰的质荷比就是化合物的相对分子质量，所以，用质谱法可测分子量。（2）同位素离子含有同位素的离子称为同位素离子。与同位素离子相对应的峰称为同位素离子峰。（3）碎片离子分子离子在电离室中进一步发生键断裂生成的离子。（4）重排离子经重排裂解产生的离子称为重排离子。其结构并非原来分子的结构单元。（5）母离子与子离子任何一个离子（分子离子或碎片离子）进一步裂解生成质荷比较小的离子。前者称为母离子，后者称为子离子。（6）奇电子离子与偶电子离子具有未配对电子的离子为奇电子离子。M+.，A+.这样的离子同时也是自由基，具有较高的反应活性。无未配对电子的离子为偶电子离子。如：D+（7）多电荷离子失掉两个以上电子的离子是多电荷离子。（8）准分子离子比分子量多或少1质量单位的离子称为准分子离子，如：(M+H)+、(M-H)+不含未配对电子，结构上比较稳定。（9）亚稳离子从离子源出口到达检测器之前裂解并被记录的离子称亚稳离子，其动能小于离子源生成的离子，以低强度于表观质量m*（跨2～3质量单位）处记录下来，其m/z一般不为整数。m*=m22/m1在质谱中，m*可提供前体离子和子离子之间的关系。离子在离子源的运动时间约106s数量级,寿命小于106s的离子在离子源内进一步裂解。离子从离子源到达检测器的时间约为105s数量级，离子寿命大于105s，足以到达检测器。寿命在106s到105s的离子可产生亚稳离子。二、分子离子与分子式（1）分子离子峰的识别•在质谱图中，分子离子峰应是最高质荷比的离子峰。（同位素离子及准分子离子峰除外）。•分子离子峰是奇电子离子峰。•分子离子能合理地丢失碎片（自由基或中性分子）。•符合氮律：当化合物不含氮或含偶数个氮时，分子量为偶数；当化合物含奇数个氮时，该化合物分子量为奇数。（2）分子离子峰的相对强度（RI）•芳环（包括芳杂环）＞脂环化合物＞硫醚、硫酮＞共轭烯分子离子峰比较明显。•直链醛、酮、酸、酯、酰胺、卤化物等通常显示分子离子峰。•脂肪族醇、胺、亚硝酸酯、硝酸酯、硝基化合物、腈类及多支链化合物容易裂解，分子离子峰通常很弱或不出现。（3）分子式的推导低分辨质谱数据（同位素相对丰度）高分辨质谱数据（分子量的尾数）•如何判断分子式的合理性该式的式量等于分子量；符合氮律；不饱和度要合理。利用低分辨质谱数据，推导分子式：同位素相对丰度计算法、查Beynon表法■含硫的样品32S:33S:34S=100:0.8:4.4RI(M+1)/RI(M)×100=1.1x+0.37z+0.8SRI(M+2)/RI(M)×100=（1.1x）2/200+0.2w+4.4S■对于C,H,N,O组成的化合物，其通式：CxHyNzOwRI(M+1)/RI(M)×100=1.1x+0.37z(2H0.016,17O0.04忽略)RI(M+2)/RI(M)×100=(1.1x）2/200+0.2w同位素相对丰度的计算法：若某一元素有两种同位素，在某化合物中含有m个该元素的原子，则分子离子同位素峰簇的各峰的相对丰度可用二项式(a+b)m展开式的系数推算若化合物含有i种元素，它们都有非单一的同位素组成，总的同位素峰簇各峰间的强度可用下式表示：(a1+b1)m1(a2+b2)m2…(ai+bi)mi■含重同位素（如Cl,Br）的样品35Cl:37Cl=100:32.5≈3:1;79Br:81Br=100:98≈1:1◎分子中含1Cl，(a+b)1,M:M+2≈3:1◎分子中含2Cl，(a+b)2,M:M+2:M+4≈9:6:1◎分子中含1Br，(a+b)1,M:M+2≈1:1◎分子中含2Br，(a+b)2,M:M+2:M+4≈1:2:1◎分子中含1Cl和1Br(a1+b1)(a2+b2),M:M+2:M+4≈3:4:1(3a+b)(a+b)=3a2+4ab+b2查Beynon表法CHNOm/zM+1M+2理论计算值，会出现不符合N律和不符合UN的一般规律。例如：已知某化合物的质谱图中，M为166；M+1为10.15，M+2为1.1。按Beynon表可以查到分子量为166的一些分子式为：M+1M+2M+1M+2C8H8NO39.270.98C9H10O310.001.05C8H10N2O29.650.82C9H12NO210.380.89C8H12N3O10.020.65C9H14N2O10.750.72C8H14N410.400.49C9H2N411.280.58由上述数据可以看出，C9H10O3最符合上述条件。高分辨质谱法精确质量，与分辨率有关※试误法精确质量的尾数=0.007825y+0.003074z-0.005085w※查表法BeynonandLederbey制作了高分辨质谱法数据表，可查出对应于某精确质量的分子式。※计算机处理HNO例：设m/z154为分子离子峰,154-139=15,合理m/z154155156157RI1009.85.10.5RI(M+1)/RI(M)×100=1.1x+0.37z+0.8SC数目=(9.80.8)/1.18RI(M+2)/RI(M)×100=（1.1x）2/200+0.2w+4.4S5.1/100×100=4.4SS=1(含1个硫）H数目=15432128=26不合理分子式为C8H10OSm/z154155156157RI1009.85.10.5164:166=1:1,164-85=79(Br),164:166≈1:1,分子中含有1Br,不含氮或含偶数氮m/z:85(49),86(3.2),87(0.11)m/z:164UN=0C5H9BrOUN=1例：化合物的质谱图如下，推导其分子式RI(M+1)/RI(M)×100=1.1x+0.37z+0.8Sx=3.2/49×100/1.1≈6x=6,y=13x=5,w=1,y=985÷12=7,7个及以下CRI(M+2)/RI(M)×100=(1.1x)2/200+0.2w=0.11/49×100＝0.22w=0，故C6H13Br合理。例：化合物A的质谱数据及图如下，推导其分子式。图中高质荷比区m/z73,74设m/z73为M+.，与相邻强度较大的碎片离子58之间（15）为合理丢失峰(.CH3)，可认为m/z73为分子离子峰，74为（M+1）峰。因M+.的m/z为奇数，说明A中含有奇数个氮。通过计算可知，分子中碳的数目＜5(73-14)/12）.若为4，则73－14－12×4＝11，可能的分子式为C4H11N，Ω＝0。该式组成合理，符合氮律。C3H7NO,Ω＝1。应有M+2峰，所以不可能例：化合物B的质谱数据及图如下，推导其分子式。解：m/z97为分子离子峰，由于m/z97与m/z98的相对强度之比约为2：1，既不符合C,H,N,O,S化合物的同位素相对丰度比，又不符合Cl,Br原子组成的同位素峰簇的相对丰度比，故m/z97可能不是分子离子峰。设m/z98