第二章 有机质谱

1第二章有机质谱（MassSpectrometry）化合物在高真空中受热汽化，气态分子受一定能量的电子束轰击以后，失去一个价电子成为带正电荷的离子:M+e→M++2e带正电荷的离子在电场和磁场综合作用下，按照质荷比（m/e）大小，依次排列所成的谱图，叫做质谱。研究化合物质谱的科学称为质谱学（MassSpectrometry）。由质谱图可以给出化合物（特别是有机化合物）分子质量，分子式及分子结构。22.1基本原理及仪器结构一．质谱的基本方程分子受电子束轰击以后失去价电子而得到质量为m电荷为e的正离子，若正离子生存时间大于10-6秒就能受到加速板上电位V的作用加速到速度为v，其动能为mv2/2，而在加速电场中所获得的电势能为eV，加速后离子的位能和动能相等，即（动能）mv2/2=eV（位能）……⑴式中：m为离子质量v为离子速度e为离子所带电荷V为加速电压（即电位）3当高速的正离子离开离子源进入磁场区后，在磁场的作用下，使正离子的轨道发生偏转，进入半径为R的径向轨道，这时离子所受的向心力为Hev，离心力为mv2/R，要保持离子在半径为R的径向轨道上运动的必要条件是离心力等于向心力，即:（向心力）Hev=mv2/R（离心力）所以：v=HeR/m……（2）将（2）代入（1）得：m/e=H2R2/2V……（3）式中：H为磁场强度R为离子轨道曲线半径由（3）式可知离子质荷比同其在磁场中径向轨道半径平方及磁场强度平方成正比，与离子加速电压成反比。4质谱仪:从分子产生离子，并按离子的质荷比将它们分离，记录和显示这些离子的相对丰度的一种仪器，由真空系统，进样系统，离子化室，质量分离器，检测记录系统五部分组成。5单聚焦质谱仪6有机化合物样品在高真空条件下（10-3Pa）受热汽化，蒸汽进入电离室，在电离室内，气态分子受到电子流（70ev）的轰击，从成键或非键轨道失去一个价电子产生带正电荷的离子M+e→M++2e因这种轰击使样品分子得到远远高于化学键能的过剩能量，使分子离子进一步裂解为一系列碎片离子，碎片离子可带正电荷，负电荷或电中性。正离子被排斥电压推出电离室，并被高压电场（2000V）加速，加速的正离子落到磁场分离器；负离子被排斥电位吸引而在后墙上消失电荷；中性分子及游离基不被加速，由真空泵抽走。7因而质谱是形成正离子质谱，欲将各种m/e的正离子分开，根据（3）式m/e=H2R2/2V，可知m/e与磁场强度，加速电压及轨道半径有关，一般质谱仪采用轨道半径固定不变而改变磁场强度或加速电压。（1）固定磁场强度H，即在电场扫描法中连续改变V（加速电压），由（3）式可知，离子m/e与V成反比，当加速电压由小到大逐渐增加时，先被收集到的是高质量离子。（2）固定加速电压V，当H增加时，因离子的m/e与H2成正比，先收集到的是低质量离子。被收集到的不同大小m/e的离子产生电流，经放大后记录器记录，产生质谱图。8二．离子源离子源的作用是使样品分子转变为离子。1．电子轰击源：EI（Electronimpact）电子轰击源是最基本和使用范围最广泛的一种离子源，对于有机化合物电离电压一般是70ev，不稳定的有机化合物可以降低电离电压10—20ev以减少碎片离子峰。电子轰击源结构简单、稳定、易于操作、电离效率高、灵敏度高、碎片离子多，能提供较多的结构信息，但要求样品具有一定的挥发性，有些类型的化合物分子离子峰很弱，甚至观察不到。9102．化学电离源：CI（Chemicalionization）化学电离源是通过分子—离子反应使样品电离，因此化学电离源需要使用反应试剂如甲烷和样品气体一起送入电离室，进入电离室的甲烷被电子轰击而电离。样品因含量少不被直接电离。甲烷受电子轰击后发生如下反应：CH4+e→CH4++CH3++CH2++CH++C++H2++H+其中CH4+和CH3+占全部离子的90%左右，进一步与反应气作用.11CH4++CH4→CH5++·CH3CH3++CH4→C2H5++H2反应生成的离子再与样品分子XH反应：CH5++XH→XH2++CH4C2H5++XH→XH2++C2H4C2H5++XH→X++C2H6XH2+和X+称为XH（样品分子）的准分子离子，它们比分子离子多一个或少一个质量数，便于确定化合物的分子量，而且由于转移到准分子离子上的能量小，碎片峰大为减少。采用化学电离对于不稳定的有机化合物也能得到很强的分子离子峰，同时谱图大为简化。123．场离子源FI（Fieldionization）场离子源是在距离很近的阳极和阴极之间加上7000—14000V的稳定的直流电压后，在阳极尖端附近将产生107—108V/cm的强电场。当样品分子进入这个强电场区时，它的价电子能被提高到金属费米能级以上，这些电子有一定的几率穿透位垒，脱离样品分子，到达金属发射丝，使之电离，这样形成的正离子过剩能量很小不足以碎裂，而分子离子峰很强。场离子源是一种软电离方法。场离子源的场发射丝种类很多，常用直径为10μ的钨丝。13场电离源的性能与发射丝制作好坏密切相关。FI源比EI源灵敏度低10~100倍，与CI源相比不需要反应试剂，不需很大的抽气速率，但需一套发射丝的活化装置（苯，甲腈活化处理装置），且发射丝脆、易断，FI不适于热不稳定和不易挥发样品，因需活化进样。4．场解吸源FD（FieldDesorption）场解吸源是场离子源的一种派生方法，适用于不挥发和热不稳定的化合物的相对分子质量的测定。它的工作原理和EI源相同，不同的是进样方式。14在此方法中，样品溶于溶剂，滴在场发射丝上或将发射丝浸入溶液中，待溶剂挥发后，将场发射丝插入离子源，在强电场作用下样品不经汽化而被电离。场能吸源需要一套插送发射体装置，不能连续进样，不能和色谱连用。5．快原子轰击源FAB（FastAtomBombardment）快原子轰击源是1981年出现的电离新技术。在电源中氩被电离为氩离子，在加速场中，Ar+被加速到5~10Kev，Ar+通过一个充中性Ar气的碰撞室，快速的Ar+与静止的Ar原子碰撞，产生电荷交换，形成快速的原子，快原子Ar射向仪器靶面的样品，使样品离子化：15ArAr++eAr++ArAr+Ar+FAB的特点：FAB源是在室温下操作的，因而特别适用于极性高、大分子量、低蒸气压、低热稳定性样品的分析，一般，将样品溶解于低挥发的液体基质（如甘油）中，送入离子源。其不足之处为：低于400质量范围内，甘油本底影响较大，此外，对非极性化合物灵敏度显著下降。16三．质量分离器质量分离器的作用是将离子源中形成的离子按m/e大小分开，质量分离器可分为静态和动态两类。静态分离器采用稳定不变的电磁场，按照空间位置将m/e不同的离子分开，单、双聚焦磁场分离器属于这一类。动态分离器采用变化的电磁场，按照时间或空间来区别m/e的离子，属于这一类的有飞行时间分离器、四极滤质器分离器。1．四极滤质器(Quadrupolemassspectrometer)四极滤质器是由两组对称的双曲面形状的电极组成的，图示：1718Z轴过原点O垂直于纸平面，原点O（场中心点）到极面的最小距离称为场半径r；在X轴方向的一组电极上加上+（u+Vcoswt）的射频电压，在Y轴方向的另一组电极上加-(u+Vcoswt)的射频电压。式中：u是直流电压v是交流电压中幅值Y_w是角频率t是时间+X~~19如果有一离子(质量为m，电荷为e，速度v0),从Z方向射入四极场中，由于在X轴和Y轴方向存在交变电场，离子要进行振荡运动。当w，u和v为某特征值时，只有具有一定质荷比的离子能沿着Z轴方向通过四极场到达接收器，这样的离子称为共振离子。质荷比为其他值的离子，因其振荡幅度大，撞在电极上，这样的离子称为非共振离子。在r(场半径)和e一定的条件下，通过四极场的正离子质量由u，v和w决定，改变这些参数就能使离子按m/e大小顺序依次通过射频四极场实现质量分离。20四极滤质器优点：①允许离子有较大的能量分散，对能量分散较大的离子束不会影响其分辨本领。②离子源的透射系统是圆孔（没有窄的狭缝）这样可允许较高的离子进入四极矩，因此可获得较高的灵敏度。③离子的质荷比与射频电压的幅值或成线性关系，因此质量可用电压来刻度，而磁质谱仪的质量是与磁场强度的平方成正比，其质量标定不如四极容易。④只要改变u/v的比值，就可实现分辨，比磁分析器调狭缝宽度方便。21例：质量69的离子传输效率比质量500的离子高400倍。质量歧视是四极质谱的一个严重缺点，由于这一问题的存在，使得磁质谱仪的标准谱图与四极质谱仪的相应谱图有差异。质量歧视的主要原因：高质量的离子速度小，入射到四极场的几率减小。100四极50质谱磁质谱100200300400500m/z22缺点：①由于V值一般为1000—6000伏，过高的射频电压幅值在线路上难以实现。因此，四极质谱仪的质量范围不高，目前最高仅为1000—2000。②由图可知：在四极质谱中小质量的灵敏度大于大质量，在大质量处强度很低，产生质量歧视。23）原子CmolCCmolCgu1212231212/1002214.6/00000.12(1211=1.66054×10-24g/12C原子=1.66054×10-27kg/12C原子四.质谱仪的主要性能指标1．质量测定范围质谱仪的质量测定范围表示质谱仪所能够进行分析的样品的相对原子质量（或相对分子质量）范围，通常采用原子质量单位（unifiedatomicmassunit，符号u）进行度量。原子质量单位是由12C来定义的，即一个处于基态的12C中性原子的质量的1/2，即:24而在非精确测量物质的场合，常采用原子核中所含质子和中子的总数即“质量数”来表示质量的大小，其数值等于其相对质量数的整数。测定气体用的质谱仪，一般质量测定范围在2～100，而有机质谱仪一般可达几千。现代质谱仪甚至可以研究相对分子质量达几十万的生化样品。2．分辨本领所谓分辨本领，是指质谱仪分开相邻质量数离子的能力，一般定义是：对两个相等强度的相邻峰，当两峰间的峰谷不大于其峰高10％时，则认为两峰已经分开，其分辨率为R：25mmmmmR1121其中m1、m2为质量数，且叫m1＜m2。，故在两峰质量数较小时，要求仪器分辨率越大。26而在实际工作中，有时很难找到相邻的且峰高相等的两个峰，同时峰谷又为峰高的10％。在这种情况下，可任选一单峰，测其峰高5％处的峰宽W0.05，即可当作上式中的Δm，此时分辨率定义为R=m/W0.05如果该峰是高斯型的，上述两式计算结果是一样的。27解:要分辨N+2和CO+，要求质谱仪分辨率至少为：2545995.27006.28995.27needR质谱仪的分辨率：Rsp=245/0.52=471Rsp＜Rneed，故不能满足要求。【例】要鉴别N+2（m/z为28．006）和CO+（m/z为27．995）两个峰，仪器的分辨率至少是多少?在某质谱仪上测得一质谱峰中心位置为245u，峰高5％处的峰宽为0.52u，可否满足上述要求？28质谱仪的分辨本领由几个因素决定：（i）离子通道的半径；(ii）加速器与收集器狭缝宽度；（iii）离子源的性质。质谱仪的分辨本领几乎决定了仪器的价格。分辨率在500左右的质谱仪可以满足一般有机分析的要求，此类仪器的质量分析器一般是四极滤质器、离子阱等，仪器价格相对较低。若要进行准确的同位素质量及有机分子质量的准确测定，则需要使用分辨率大于10000的高分辨率质谱仪，这类质谱仪一般采用双聚焦磁式质量分析器。目前这种仪器分辨率可达100000，当然其价格也将会是低分辨率仪器的4倍以上。293．灵敏度质谱仪的灵敏度有绝对灵敏度、相对灵敏度和分析灵敏度等几种表示方法。绝对灵敏度是指仪器可以检测到的最小样品量；相对灵敏度是指仪器可以同时检测的大组分与小组分含量之比；分析灵敏度则指输入仪器的样品量与仪器输出的信号之比。30质谱术语:基峰:RI100,RA100质荷比:m/z,z=1,z=2;m的计算：组成离子的各元素同位素的质子和中子之和。精确质量:精确质量的计算基于天然丰度最大的