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第六章质谱•1913年ThomsonJJ制成了第一台质谱装置，用其发现了20Ne,22Ne同位素。1919年AstonFW制成了第一台质谱仪，并用质谱发现了多种元素的同位素，因此获得了诺贝尔化学奖。20世纪30年代离子光学理论的建立，促进了质谱仪的发展。40年代起应用于石油碳氢化合物方面的测定。60年代起质谱法开始普遍应用于有机化学。近年来，质谱仪的发展非常迅速，联用技术的发展，高频电感耦合等离子源的引入，二次离子质谱仪的出现，使质谱技术成为解决复杂物质分析、无机元素分析及物质表面和深度分析等方面的有力工具，用质谱法研究生物物质是目前研究的热点。第一节基本原理•一、什么是质谱（MassSpectroscopy）气体分子或固体、液体的蒸气受到一定能量的电子流轰击或强电场作用，丢失电子生成分子离子；同时，化学键发生某些有规律的裂解，生成各种碎片离子。这些带正电荷的离子在电场和磁场作用下，按质荷比的大小分开，排列成谱，记录下来，即为质谱。二、质谱的用途目前质谱仪器已广泛应用于有机合成、石油化工、生物化学、天然产物等研究工作中，特别是使用了色谱-质谱联用以后，为混合物的分离和鉴定提供了快速、高效的分析手段。•三、质谱图的产生样品分子在离子源中发生电离，生成不同质荷比（m/e）的带正电荷离子，经高压电场加速后，在磁场中偏转，之后达到收集器，产生信号，其强度与离子数目成正比。以信号强度为纵坐标，质荷比（m/e）为横坐标，所得谱图即为质谱图。四、谱分析具有以下特点1.可对气体、液体、固体等进行分析，其分析范围宽;2.可以测定化合物的分子量，推测分子式、结构式，用途广;3.分析速度快，灵敏度高，样品用量少。五.质谱分析原理图•1、真空系统质谱仪中的离子的产生及传输系统必须处于高真空状态，这其中：•2、进样系统进样系统目的是高效、重复地将样品引入到离子源中并且不能造成真空度的降低。常用的进样装置有三种类型：间歇式进样系统直接探针进样色谱进样系统（GC-MS、HPLC-MS）和高频感藕等离子体进样系统（ICP-MS）等。•3、离子源离子源的作用是样品分子转化为离子。具体包括：电子轰击EI：最常用和最普通的方法；化学电离CI：软电离，易获得分子离子峰；场致电离FI：形成的离子束的能量分散不大，分子离子峰强；场解析电离源FD：适合于难气化和热稳定性差的样品；快原子轰击FAB:适用于极性大、分子量较大的化合物；激光解析LDI大气压电离API:包括电喷雾电离ESI和大气压化学电离APCI电喷雾电离ESI:很软的电离方式，可检测多电荷离子，通常很少有碎片例子，只有整体分子离子峰，对生物大分子的测定十分有利；大气压化学电离APCI：适用于极性小、分子量小的化合物，得到样品的准分子离子。•4、质量分析器常见的质量分析器种类有扇形磁场、四极分析器、离子阱、电行时间质量分析器、傅里叶变换离子回旋共振等。扇形磁场利用不同质量的离子在磁场中作圆周运动时具有不同轨道半径的性质分析离子，该分析器进行磁扫描的优点是能够保持灵敏度和分辨率不随质荷比值发生改变。•四极分析器利用不同质荷比的离子在四极场中产生稳定震荡所需的射频电压不相同的性质分析离子，这种分析器的扫描速度比磁扫描快，且体积小，结构简单，造价低，是使用数量最多的一种质谱分析器。离子阱原理上与四极分析器类似，常称为四极离子阱，它除了分析功能外，还可以选择、储存某一质荷比的离子，因而能实现多极串联质谱分析。•离子阱的灵敏度比四极质量分析器高。飞行时间质量分析器利用具有相同动能但不同质荷比的离子在离子漂移管中飞行速度不同的性质分析离子，此分析器最大的特点是测定的质量范围理论上无上限，扫描速度极快。傅里叶变换离子回旋共振分析器利用不同质荷比的离子在回旋池中具有不同回旋运动频率的性质分析离子，其优点是能够获得超高分辨率，具有多极串联质谱的功能，灵敏度随分辨率的提高而提高•离子阱原理上与四极分析器类似，常称为四极离子阱，它除了分析功能外，还可以选择、储存某一质荷比的离子，因而能实现多极串联质谱分析。离子阱的灵敏度比四极质量分析器高。•飞行时间质量分析器利用具有相同动能但不同质荷比的离子在离子漂移管中飞行速度不同的性质分析离子，此分析器最大的特点是测定的质量范围理论上无上限，扫描速度极快。•傅里叶变换离子回旋共振分析器利用不同质荷比的离子在回旋池中具有不同回旋运动频率的性质分析离子，其优点是能够获得超高分辨率，具有多极串联质谱的功能，灵敏度随分辨率的提高而提高。•质量分析的作用是将离子源中形成的离子按质荷比值的大小不同分开，分为静态和动态分析两类。静态分析器采用稳定不变的电磁场，并且按照空间位置把不同质量（m/e）的离子分开。它包括：单聚焦磁场分析器、双聚焦磁场分析器等。动态分析器采用变化的电磁场，按照时间和空间来区分质量不同的离子。这一类的仪器有：飞行时间质谱仪、四极滤质器等。图4.3单聚焦质谱仪•图4.4双聚焦质谱仪(DoubleFocusingMassSpectrometer)•图4.5四极滤质器(QuadrupoleMassFilter)•5、检测器及记录•经过质量分析器分离后的离子束，按质荷比的大小先后通过出口狭缝，到达收集器，它们的信号经电子倍增器放大后用记录仪记录在感光纸上或送入数据处理系统，由计算机处理以获得各种处理结果。•6、分辨率R分辨率是质谱仪最主要的性能指标。分辨率是指仪器分离质量分别为M1及M2的相邻两质谱峰的能力。若近似等强度的质量分别为•M1及M2的相邻两质谱峰正好分开，则有：a:相邻两峰的中心距离，b：其中一峰在高度为5%处的峰宽。所谓正好分开，是指两峰重叠后形成的谷高为峰高的10％。R小于1000的为低分辩质谱仪，R大于10000为高分辩质谱仪。第二节质谱术语及质谱中的离子一、质谱术语基峰：质谱图中离子强度最大的峰，规定其相对强度(relativeintensity，R1)或相对丰度(relativeabundance，RA)为100。质荷比：离子的质量与所带电荷数之比，用，m／z或m／e表示。m为组成离子的各元素同位素的原子核的质子数目和中子数目之和，如H1；C12，13；N14，15；O16，17，18；C135，37等，这与化学中基于平均原子量的计算方法不同。z或e为离子所带正电荷或所丢失的电子数目，通常z(或e)为1。••精确质量：低分辨质谱中离子的质量为整数，高分辨质谱给出分子离子或碎片离子的精确质量，其有效数字视质谱计的分辨率而定。分子离子或碎片离子的精确质量的计算基于精确原子量。部分元素的天然同位素的精确质量和丰度见表2．1。由表中数据计算CO，N2，C2H4的精确质量依次为27．9949，28．0062，28．0313，所以只要测得它们的精确(百分位)质量，就可以把这些分子离子区分开来。部分元素的天然同位素的精确质量和丰度•二、质谱的离子类型•EI质谱中的离子包括分子离子、碎片离子、同位素离子、亚稳离子、重排离子和多电荷离子,这些离子能为谱图解析及鉴定化合物的结构提供非常有用的信息。1、分子离子样品分子失去一个电子而形成的离子称为分子离子。分子离子常用符号M＋.。在质谱裂解反应式中，分子离子中自由基或电荷中心的形成与分子中化学键电子的电离能有关。电离能(I)越低的键电子越容易被电子束逐出。键电子容易电离的顺序是：n电子π电子σ电子。几种键电子电离而产生分子离子的情况如下识别谱图中的分子离子可以确定被测样品的相对分子质量甚至元素组成。尽管分子离子易于形成(所需的能量仅为约10eV)，但在EI质谱图中，相对强度最大的离子峰并不一定是分子离子峰，因为多数分子离子在电子束的轰击下会裂解成碎片，从而使一些碎片离子的数量超过分子离子。若样品的分子离子不稳定全部都发生裂解,则其EI质谱图不显示分子离子峰。对于用EI这种“硬”电离方法得不到M＋.峰的样品，可尝试采用FAB或CI等“软”电离方法，取得分子离子信息。•分子离子必须是谱图中质量最高的奇电子离子；必须能够通过丢失合理的中性碎片产生谱图中高质量区的重要离子。由于电子轰击采用70eV的能量远远超过分子电离所需的能量，分子离子会进一步裂解产生一些碎片离子。例如，甲醇谱图(图4-7)上几个强度较大的质谱峰，就可能是分子离子通过以下单分子裂解过程产生的。图4－7甲醇的质谱图•2．碎片离子•质谱碎片离子通过分子离子或较大碎片离子的单分子裂解反应而产生。一个特定碎片离子相对于分子离子和其他碎片离子的丰度，能够提供该碎片离子在分子中所处的结构位置及环境等宝贵信息。碎片离子既可以以奇电子离子、又可以以偶电子离子的形式存在。质谱中产生碎片离子的反应与裂解、光解、辐射分解以及其他高能反应极其相似，甚至与凝聚相(液相)有机反应也有许多大致的相似之处。碎片离子通过化学上合理的过程而形成。例如，在以下正丁醇的裂解反应中••（A)、(B)、(C)由分子离子直接裂解产生，而(D)、(E)、(F)则由较大的碎片离l步裂解而产生。(A)为奇电子碎片离子，(B)一(F)均为偶电子碎片离子。图4－8为正丁醇的质谱。•图4－8正丁醇的质谱。•3、同位素离子同位素离子由元素存在天然同位素引起。表4-1列出了有机化合物中常见同位素及其天然丰度。由质谱图中的同位素离子峰，可以了解被测物的元素生有关的结构信息。氯、溴的同位素35C1和37C1、79Br和81Br天然丰度较大，含这两种元素的同位素有明显的特征，较易辨认。如从氯乙烷的质谱图4-9、溴乙烷的质谱图4-10中可清楚地看到由氯、溴的同位素所产生的m/z64和m/z66、m／z108和m/z110同位素分子离子峰。表4－1有机化合物常见元素同位丰度表（低质量的同位素丰度计为100）图4－9氯乙烷的质谱图•图4－10溴乙烷的质谱图•4．亚稳离子在离子源中产生的离子绝大部分都能稳定地到达检测器。亚稳离子指那些不稳定、在从离子源抵达检测器途中会发生裂解的离子。由于质谱仪无法检测到这种中途裂解的母离子，而只能检测到由这种母离子中途产生的子离子，所以又常将这种子离子称为亚稳离子。亚稳离子峰的峰形弱且宽，呈小包状，可跨越2至5个质量单位。虽然亚稳离子与其母离子在正常电子轰击下裂解产生的子离子结构相同，但其被记录在质谱图上的质荷比值却比后者小，且大多不是整数。亚稳离子峰的质荷比值称为亚稳离子的表观质量，用m*表示。•某种母离子m1与其在离子源内裂解产生的子离子m2以及其按亚稳裂解方式产生的亚稳离子m*之间有如下关系•m*=m22／m1利用上述关系式，可以确定质谱图中哪两个离子成母子关系。例如，若某化合物的质谱图中存在m／z136、121、93质谱峰及m／z63．6亚稳离子峰，根据上式计算，可以确定m／z136和m／z93为母离子和子离子的关系，即m／z93离子由m／z136离子裂解而产生。亚稳离子对研究有机质谱的反应机理很有帮助。但一般化合物的质谱图中很少显示亚稳离子峰，有些情况下，可专门采用亚稳扫描技术取得亚稳离子质谱峰来确定主要碎片离子之间的母子关系，从而进一步分析离子和分子的结构。•5．重排离子重排离子是由原子迁移产生重排反应而形成的离子。重排反应中，发生变化的化学键至少有两个或更多。重排反应可导致原化合物碳架的改变，并产生原化合物中并不存在的结构单元离子。质谱图上相应的峰为重排离子峰。转移的基团常常是氢原子。重排的类型很多，其中最常见的是麦氏重排。其形式可以归纳如下：6．多电荷离子多电荷离子指带两个或两个以上电荷的离子。多电荷离子质谱峰的m／z值是相同结构单电荷离子m／z值的1／n，n为失去电子的数目。第三节有机化合物分子的裂解3．1裂解反应中电子转移的表示方法•(1)均裂当一个单键((σ键)断裂时，构成该键的两个电子回到原来提供电子的原子上，并生成两个自由基的裂解称为均裂。•(2)异裂(又称非均裂)σ键的两个电子向同一方向转移的断裂称为异裂(非均裂)。在异裂中正电荷转移的方向与电子转移的方向相反，两个电子留在同一碎片上形成阴离子，另一碎片为阳离子。•（3）半异裂已电离的σ键的裂解称为半异裂，一个电子转移到碎片上成