第十章 质谱分析法

1质谱分析法Massspectroscopy2一、概述二、质谱仪三、离子的类型及开裂规律四、质谱的分析应用质谱分析法-MS3概述—概念质谱按照离子的质量对电荷比值（质荷比）的大小依次排列所构成的谱图。质谱分析法（MS）通过对样品离子的质量和强度的测定来进行定量分析和结构分析的一种分析方法。4概述—发展1.1886年Goldstein发明阳极射线管可作为离子源；2.1888年Wein用抛物线质谱仪对阳极射线进行了研究；3.1918年A.J.Demster方向聚焦MS,测同位素丰度，第一台质谱仪；4.1919年F.W.Aston速度聚焦MS，测同位素丰度，原子量；5.1919年J.J.Thomson发现20Ne与22Ne,1923年发表成书；6.1922年NobelPrize.5概述—仪器1.1934-1936年双聚焦MS，期间各种形式仪器不断研制，2.1942年美国CEC公司第一台商品仪器单聚焦MS；3.1955年飞行时间MS仪；4.1958年火花源双聚焦MS英国联合电子工业（AEI）；1961年德国AltalMat商品四级滤质器；5.1965年LKB（瑞典）GC-MS；6.1970年FT-ICRMSn6概述—特点•同位素分析•精确测定原子量或分子量•多种形态分析•多组分分析•仪器结构复杂，造价高•破坏样品7基本原理分子在气态被电离离子在高压电场中加速在磁场中偏转到达收集器，产生信号强度与到达的离子数目成正比8质谱仪进样系统离子源质量分析器检测器1.气体扩散2.直接进样3.气相色谱4.液相色谱1.电子轰击2.化学电离3.电喷雾电离4.APCI1.单聚焦2.双聚焦3.飞行时间4.四极杆9质谱仪器--GC-MS10质谱仪器--LC-MS11质谱仪器--LC-MS12质谱仪•1.真空系统•2.进样系统•3.电离源•4.质量分析器•5.检测器13质谱仪需要在高真空下工作：离子源（10-310-5Pa）质量分析器（10-6Pa）1.大量氧会烧坏离子源的灯丝；2．用作加速离子的几千伏高压会引起放电；3．引起额外的离子－分子反应，改变裂解模型，使谱图复杂化。真空系统14进样系统•间歇进样器•直接进样杆•色谱进样不影响真空度15电离源•电子轰击源（EI)•化学电离源(CI)•场电离源(FI)•火花源（原子发射光谱源）•电喷雾电离源(ESI)•大气压化学电离(APCI)•基体辅助激光光解析（MALDI)16电子轰击源(electronimpact,EI)•高能电子轰击样品发生下述反应：•工作过程：真空中加热钨丝或钽丝，发射出电子，经加速电压作用后加速，能量0~100eV，经准直聚焦后与样品分子碰撞生成M+等•特点：能量高，碎片多，分子离子峰较小，主要用于易挥发性有机样品的电离。17化学电离源(ChemicalIonization)工作原理引进一种反应气体，如甲烷、异丁烷、氨等。灯丝发出的电子首先将反应气电离，然后反应气离子与样品分子进行分子-离子反应，并使样品气电离。谱图简单、灵敏度高碎片少、可提供的结构信息少.不适用于难挥发\热不稳定或极性较大的有机物特点18电子轰击与化学电离源50100150200250300350m/z0100%0100%0100%200183201217ScanCI+183105184211223ScanCI+10577517678182106181152183ScanEI+benzophenone,EIbenzophenonemethaneCI+benzophenoneammoniaCI+ComparisonofEIwithCI19电喷雾电离源(ElectronsprayIonization,ESI)应用---液相色谱-质谱联用仪作用---既是接口装置,又是电离装置。主要部件---两层套管组成电喷雾喷嘴内层是液相色谱流出物，外层是雾化气(氮气)适用对象---适合于分析极性强的大分子有机化合物，如蛋白质、肽、糖20基质辅助激光解吸电离源（MALDI)原理---被分析的样品置于涂有基质的样品靶上，激光照射到样品靶上，基质分子吸收并传递激光能量，与样品分子一起蒸发到气相，并使样品分子电离。适用对象---适合于生物大分子，如肽、蛋白质、核酸等。得到的质谱主要是分子离子，准分子离子。常用的基质---2，5-二羟基苯甲酸，芥子酸、烟酸、肉桂酸等。21ElectrosprayAPCIMolecularWeightNon-PolarPolar100,0001000WhichIonisationMode?EI/CI22质量分析器•电磁式•飞行时间•四极杆•离子阱作用：将离子源中形成的离子按质荷比的大小分开。23改变加速电压V,可以使不同m/e的离子进入检测器.在磁场存在下，带电离子按曲线轨迹飞行离心力=向心力m2/R=H0eV曲率半径：R=（m）/eH0质谱方程式：m/e=(H02R2)/2V电磁式-单聚焦24电场-磁场双聚焦提高分辨率电磁式-双聚焦25进入离子源的离子初始能量不为零，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。解决办法：加一静电场Ee，实现能量分散。对于动能不同的离子，通过调节电场能，达到聚焦的目的。eMeeRERmvE22eMeEER2双聚焦分析器的特点：分辨率高电磁式-双聚焦26++++获得相同能量的离子在无场的空间漂移不同质量的离子速度不同，到达时间不同质荷比与离子飞行时间的平方成正比结构简单,但分辨率较低。飞行时间分析器TimeofFlightAnalyzerTOF27四极杆分析器(quadrupoleanalyzer)28检测器–1)Faraday杯(加有一定电压的筒状或平板状金属电极）–2)电子倍增器–3)照相底板(主要用于火花源双聚焦)29离子的类型及开裂规律离子的类型1．分子离子峰：在电子轰击下,有机物分子电离一个电子形成的离子,叫分子离子分子离子的质量就是化合物的相对分子量。分子离子足够稳定，质谱中位于质荷比最高位置的峰就是分子离子峰。30辨认分子离子峰的方法1.不同有机化合物由于其结构不同，使其分子离子峰的稳定性不同:各类有机化合物分子离子峰稳定性顺序：芳香化合物＞共轭链烯＞烯烃＞脂环化合物＞直链烷烃＞酮＞胺＞酯＞醚＞酸＞支链烷烃＞醇．2.Ｎ律：由C,H,O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一定是奇数;由C,H,O,N组成的有机化合物，Ｎ偶数，Ｍ一定是偶数.不符合N律，不是分子离子峰。313.分子离子峰与相邻峰的质量差必须合理:以下质量差不可能出现：3~14，19~25等，如果出现这些质量差，最高质量峰不是分子离子峰。4.改变实验条件来检验分子离子峰。（1）采用电子轰击源时，降低电子流的电压，增加分子离子峰的强度。（2）采用化学电离源等软电离电离方法（3）把不稳定样品制成适当的衍生物。辨认分子离子峰的方法32同位素峰（M+1峰）组成有机化合物一些主要元素，如CH,O,N,S,Cl,Br等都具有同位素由于同位素的存在，可以观察到M+1，M+2，M+3（分子离子峰由丰度最大的轻同位素组成）根据同位素峰的相对强度确定分子式各种同位素相对丰度为二项式(a+b)n展开式各项之比,n为同位素原子个数。a为轻同位素的相对丰度，b为重同位素的相对丰度。33开裂的表示方法均裂---开裂后每个碎片各留一个电子异裂---开裂后电子都留在其中一个碎片上半异裂---离子化的键开裂,单个电子向一个方向转移离子的开裂规律碎片离子是分子离子碎裂产生的。碎片离子还可以进一步碎裂形成更小的离子。34影响开裂的因素化学键的相对强度碎片离子的稳定性诱导效应---取代基多的碳原子上键容易断裂碳原子相邻有π电子系统时,易产生稳定正离子碳原子相邻有杂原子时,易产生稳定正离子空间因素的影响35单纯开裂—断一个键，脱离一个游离基重排开裂—有两个键断裂，一个氢原子发生转移，脱去一个中性分子复杂开裂—几个键开裂，并有氢原子的转移双重重排—有两个氢的转移离子开裂的几种类型36烷烃－正构烷烃质谱的特征①直链烷烃分子离子峰强度不高，强度随碳链增长而降低，通常碳数40的烷烃分子离子峰(M+.)尚可观察到。②有相差14个质量数的一系列奇质量数的峰(CnH2n+1),即有质荷比m/z29、43、57、71、85、99…一系列篱笆离子的峰，强度逐渐减弱，m/z43和m/z57的峰强度较大。③在比CnH2n+1离子小一个质量数处有一个小峰，即CnH2n离子峰m/z28、42、56、70、84、98……一系列弱峰是由H转移重排成的④还有一系列CnH2n+1的碎片峰是有CnH2n+1脱去一个H2中性分子而形成的，可有亚稳离子得到证实：m/z29－H2=27，m*=25.14，m/z43－H2=41，m*=39.0937正构烷烃质谱38①分子离子峰的强度比正构烷烃的弱，支链越多分子离子峰（M+.）强度越弱。②在分支处容易断裂，正电荷在支链多的一侧，以丢失最大烃基为最稳定。其中，m/z71、85、113、127处峰的强度不规则，表明这四处一定是化合物的分支处。③在质谱图中若有m/z15、M-15或A-15的峰，则表明结构中存在甲基支链。烷烃－支链烷烃质谱的特征39①分子离子比烷烃强；②容易发生β-裂解得到m/z41+n×14的峰。③单烯的σ-断裂得到CnH2n-1的峰即m/z27、41、55、69、83……即27＋n×14一系列的峰。CH2CHCH2CH2CH2CH3CH2CHCH2+CH2CH2CH3βCH2CHCH2CH2CH2CH327694155烯烃质谱的特征40烯烃质谱的特征41④烯烃含Cγ和Hγ发生麦氏重排形成偶质量数的的峰┑+.CnH2nHCHH3CH2CCH2CHCH2┐H3CCHCH2┐+CH3CHCH2m/z84m/z42烯烃质谱的特征42①分子离子峰较强，苯的分子离子峰m/z78是基峰。稠环化合物的分子离子峰是基峰。萘的m/z128就是基峰。②碎片少具有苯环指纹的一系列特征峰m/z39、50、51、52、53、63、65、76、77和78等弱峰。③烷基苯以β-鎓离子m/z91是基峰④直链烷基取代苯中R≥3,即具有Cγ,Hγ时发生麦氏重排,形成m/z92的峰.⑤烷基苯的σ-裂解产生m/z77的苯基离子（C6H5+）峰，单取代苯环化合物的H重排还可以形成m/z78的（C6H6+.）离子峰。芳烃质谱的特征43芳烃44醇类---脂肪醇分子离子峰很弱，往往观察不到，判断醇类的分子离子峰时要谨慎,长链醇可发生α-、β-、γ-、δ-裂解.α-断裂是醇类的主要裂解，质谱图中的主要碎片几乎都是α-断裂产生的。正丁醇有两种裂解，伯醇α-断裂形成稳定的m/z31CH3CH2CH2CH2CH2OHM=8873δ(0.1)59(1.2)45(8.2)31(100.0)γβα45醇类---脂肪醇46醚类脂肪醚的分子离子不稳定是弱峰，主要裂解方式是α-断裂，生成较强的m/z45、59、73、87……的峰。脂醚的α断裂最多可有六种，例如：乙基异丁基醚47醚类48α-断裂得到的M-1峰是醛（芳醛和脂醛）的特征峰，有一定的强度，有时比分子离子峰还强。苯甲醛的M-1离子继续丢失CO后形成m/z77的苯基离子，再丢失得到m/z51的离子。这些丢失都是由亚稳离子得到证实。脂醛的α2-断裂丢失一个自由基，形成m/z29的离子峰是强峰，在C1~C3的醛中是基峰。RCOiCHOR+RHCOCHO羰基化合物---醛49羰基化合物---醛脂肪醛的分子离子峰较明显，大于C4的脂肪醛分子离子峰强度明显递减。芳香醛的分子离子峰更稳定。醛的α-断裂：m/zm/zCHO┒α,Hm*104COCOm*56.5┒CCHm*33.8C4H3┒m/zm/z1061057751m/zRCOHα2α2R+HCO29RCOHα1α1RCO+H(M-1)50酮的断裂与醛相似，重要的是α-断裂，酮羰基（C=O）两侧都可以发生，遵守丢失最大烃基规则。酮类有明显的分子离子峰m/z58（C3）72（C4）86（C5）……及α-断裂后形成的m/