第10章质谱分析法

第一节概述第二节质谱分析法的基本原理第三节质谱仪第四节质谱及其离子峰的类型第五节质谱法的应用主要内容第一节概述质谱利用电磁学原理，将化合物电离成具有不同质量的离子，按照离子的质量对电荷比值(即质荷比)的大小依次排列所构成的图谱，称为质谱。质谱不是波谱，而是物质带电粒子的质量谱。质谱分析法利用质谱进行定性、定量分析和结构分析的方法称为质谱分析法。质谱仪的发展史1912年:世界第一台质谱装置40年代:质谱仪用于同位素测定50年代：分析石油60年代：研究GC-MS联用技术70年代：计算机引入质谱法分类：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1.定性分析质谱法的应用1.化合物相对分子量的测定2．化合物分子式的确定3.分子结构的确定2.定量分析3.同位素的研究4.热力学方面的研究目前质谱分析法已广泛地应用于化学、化工、材料、环境、地质、能源、药物、刑侦、生命科学、运动医学等各个领域。质谱分析法与其他仪器分析法相比的优点：1、质谱法是唯一可以确定物质分子质量的方法，且可以确定化合物的化学式和进行结构分析。2、灵敏度极高，鉴定最小量达10-10g，检出限可达10-14g。第二节质谱分析法的基本原理样品经导入系统进入离子源，被电离成离子和碎片离子，由质量分析器分离并按质荷比大小依次抵达检测器，信号经过放大、记录得到质谱。试样在电离室内被气化、电离。在10-5Pa高真空下，以50~100eV能量的电子流轰击试样，形成带一个正电荷的正离子，称为分子离子，即M+e–(高速)→M++2e-(低速)·M表示分子；M+表示分子正离子，·表示不成对的单电子，分子离子的化学键可以断裂，形成碎片离子，碎片离子可以进一步断裂，形成多种质荷比不同的离子，提供试样结构信息。正离子被电位差为800~8000V的负高压电场加速，加速后离子的动能:zUm221m:离子质量:离子的速度z:离子所带的电荷数U:加速电压离心力=向心力；(1)若加速电压U和磁场强度B都一定时，不同m/z的离子，由于运动的曲率半径不同，在质量分析器重彼此被分开，并记录各m/z离子的相对强度。zBRm2曲率半径：212)2(zBUmR质谱方程式：URBzm222离子在磁场中的轨道半径R取决于:m/z;B;U(2)固定R，B，连续改变加速电压U，电场扫描法。固定R，U，连续改变磁场强度B，磁场扫描法。第三节质谱仪质谱分析法主要是通过对样品的离子的质荷比的分析而实现对样品进行定性和定量的一种方法。因此，质谱仪都必须有电离装置把样品电离为离子，有质量分析装置把不同质荷比的离子分开，经检测器检测之后可以得到样品的质谱图。进样系统离子源质量分析器检测器真空系统记录系统1、进样系统气体——直接导入或用气相色谱进样液体——加热汽化或雾化进样固体——用直接进样探头电子电离源(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)使试样分子或原子离子化，同时具有聚焦和准直的作用，使离子汇聚成一定几何形状和能量的离子束。2、离子源•电喷雾电离源是一种软电离方式，即便是分子量大，稳定性差的化合物，也不会在电离过程中发生分解，它适合于分析极性强的大分子有机化合物，如蛋白质、肽、糖等。•激光解吸源是利用一定波长的脉冲式激光照射样品使样品电离的一种电离方式。比较适合于分析生物大分子，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。碎片离子和多电荷离子较少。3、质量分析器将离子源产生的离子按m/z的大小分离聚焦。单聚焦分析器双聚焦分析器四极杆分析器离子阱分析器飞行时间分析器富立叶变换离子回旋共振单聚焦质量分析器：是处于扇形磁场中的真空扇形容器，因此，也称为磁扇形分析器。常见的单聚焦分析器是采用180°、90°、或60°的圆弧形离子束通道。下图为180°单聚焦质量分析器原理示意图。212mveU2mvHeUR12mRUHe质量分析器射出的离子具有一定的能量，轰击电子倍增管发射出二次电子，电子在电场的作用下，多次撞击倍增极，最后可以检测到10-17A的微弱电流，经放大器放大后，用记录仪快速记录到光敏记录纸上，或用计算机处理结果。检测器的种类：电子倍增管、法拉第筒、照相板、闪烁计数器等4、检测器和记录系统电子倍增器：一定能量的离子轰击阴极导致电子发射，电子在电场的作用下，依次轰击下一级电极而被放大。电子倍增器中电子通过的时间很短，利用电子倍增器可以实现高灵敏、快速测定。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）大量氧会烧坏离子源的灯丝；用作加速离子的几千伏高压会引起放电；引起额外的离子－分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。一般先用机械泵或分子泵预抽真空，然后用高效扩散泵抽至高真空5、高真空系统第四节质谱及其离子峰的类型一、质谱图与质谱表以质荷比m/z为横坐标，离子强度为纵坐标来表示质谱数据。以质谱中最强峰的高度为100%。最强峰称为基峰。质谱表是用表格形式表示质谱数据，准确给出m/z值和相对强度。二、离子峰的主要类型分子在离子源中可产生各种电离，即同一分子可产生多种离子峰：分子离子峰、同位素离子峰、碎片离子峰、重排离子峰、亚稳离子峰等1.分子离子峰：分子受电子束轰击后失去一个电子形成的分子离子所产生的峰。分子离子的质量与化合物的相对分子量相等．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＞胺＞酯＞醚＞酸＞支链烷烃＞醇．分子离子含有奇数个电子，一般出现在质谱的最右侧。是确定分子量及分子式的重要依据。ABCD+为分子离子峰，m/z即为分子的分子量。对于有机物，杂原子S，O，P，N等上的未共用电子对最易失去，其次是电子，再其次是电子。2.同位素离子峰：含有同位素的离子称为同位素离子。由这些同位素所形成的峰称之为同位素峰有机化合物一般由C、H、O、N、S、Cl及Br等元素组成，表中丰度比是以丰度最大的轻质同位素为100%计算而得。•重质同位素峰与丰度最大的轻质同位素的峰强比，用M+1、M+2、…表示，其数值由同位素丰度比及原子数目决定。同位素13C/12C2H/1H17O/16O18O/16O15N/14N33S/32S37Cl/35Cl81Br/79Br丰度比1.120.0150.0400.200.360.8031.9897.28分子中含一个氯原子M：M+2=100：32.0≈3：1分子中含一个溴原子M：M+2=100：97.3≈1：1分子中含三个氯M：M+2：M+4：M+6≈27：27：9：119272733)(32233babbaaba一般有机化合物的电离能为７－13电子伏特，质谱中常用的电离电压为70电子伏特，使分子离子的化学键进一步断裂，产生质量数较低的各种“碎片”离子，在质谱图上出现相应的峰，称为碎片离子峰。位于分子离子峰的左侧。3.碎片离子峰4.亚稳离子----在离子源生成的离子，如果在飞行中发生裂解，生成子离子和中性碎片，则把这种在飞行中发生裂解的母离子称为亚稳离子，由它形成的质谱峰为亚稳峰。•亚稳峰的特点：峰弱，强度仅为m1峰的1%～3%；峰钝，一般可跨2～5个质量单位；质荷比一般不是整数，与母离子和子离子有如下关系：可将此峰看成m1和m2的“混合峰”，因此形成“宽峰”，极易识别。可用于寻找裂解途径(通过母离子m1与子离子m2的关系)。122)(*mmm5.重排离子峰---原子或基团经重排后再开裂而形成一种特殊的碎片离子，称重排离子。如醇分子离子经脱水后重排可产生新的重排离子峰。三、有机分子裂解类型当有机化合物蒸气分子进入离子源受到电子轰击时，按下列方式形成各种类型离子（分子碎片）：ABCD+e-ABCD++2e-分子离子BCD•+A+B•+A+CD•+AB+A•+B+ABCD+D•+C+AB•+CD+C•+D+碎片离子表示裂解过程和结果的符号是：鱼钩“”表示单个电子的转移；箭头“”表示两个电子的转移；含奇数个电子的离子（oddelectron；OE）用“+”表示；含偶数个电子的离子（evenelectron；EE）用“+”表示；电荷位置不清楚时，用“”及“”表示。1、单纯裂解一个键发生裂解叫做单纯裂解。常见的化学键断裂方式有：均裂、异裂和半均裂三种。均裂：在键断裂后，两个成键电子分别保留在各自的碎片上的裂解过程。•异裂：在键断裂后，两个成键电子，全部转移到一个碎片上的裂解过程。2、重排---离子是通过断裂两个或两个以上的键，结构重新排列形成的，这种裂解方式称为重排。1）McLafferty重排：当化合物中含有不饱和中心C=X（X为O，N，S，C）基团，而且与该基团相连的键上具有γ氢原子时，此氢原子可以转移到X原子上，同时，β键发生断裂，脱掉一个中性分子。烷烃化合物断裂多在C-C之间发生，且易发生在支链上：烯烃多在双键旁的第二个键上开裂：CH3CH2CCH3CH3CH3CH2C+CH3CH3CH3CCH3CH3CH3m/z71m/z=57CH3CHCHCH3CH3CHCH+含C=O键化合物的开裂多在与其相邻的键上：RCR'ORO+OR'O+O苯的最强峰为M+，芳香族化合物将先失去取代基，再形成卓鎓离子（苯甲离子）：CH2RXCH2-Xm/z=91对含杂原子的分子，断裂的键位顺序为位、位和位：第五节质谱法的应用通过解析质谱图可以推断化合物的相对分子质量，确定化学式和结构式。已知化合物的质谱解析较易，而未知物的的解析比较困难。根据质谱图上的分子离子峰的m/z可以准确地确定该化合物的相对分子质量。除同位素峰外，分子离子峰一定是质谱图上质量数最大的峰，位于质谱图的最右端。但是若分子离子峰稳定性差、很弱或不存在，无法识别分子离子峰。谱图解析过程(1)首先确认分子离子峰，确定分子量；(2)用同位素峰强比法或精密质量法确定分子式；(3)计算不饱和度；(4)解析某些主要质谱峰的归属及峰间关系；(5)推定结构；(6)验证：查对标准光谱验证或参考其它光谱及物理常数。在判断分子离子峰时应注意以下问题：1、分子离子峰的质量数应该符合氮规律由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奇数。由Ｃ，Ｈ，Ｏ，Ｎ组成的有机化合物，Ｎ偶数，Ｍ偶数。凡不符合氮规律的离子峰一定不是分子离子峰。2、利用碎片峰的合理性判断分子离子峰在离子源中，化合物分子电离后，分子离子可以裂解出游离基或中性分子等碎片，所以若裂解出·H、·CH3、H2O、C2H4碎片，对应的碎片峰为M-1、M-15、M-18、M-28等，这些为合理的碎片峰。P272表4-2从分子离子中裂解出的常见碎片。3、利用同位素峰识别分子离子峰有些元素如35Cl、79Br、32S的同位素37Cl、81Br、34S相对丰度较大，其M+2同位素峰十分明显，通过M、M+2等质谱峰来推断分子离子峰。4、分子离子稳定性规律通常碳数较多、碳链较长和有支链的分子，分裂的可能性大，其分子离子的稳定性差；而芳香族化合物和含有共轭链烯的分子离子稳定，分子离子峰大。所以，当分子离子峰出现为基峰时，该化合物通常为芳环、杂环或共轭多烯类化合物；当分子离子峰很弱或不出现时，该化合物通常为醇类化合物。5、由分子离子峰强度变化判断分子离子峰当电子轰击离子源中，降低电子轰击电压，分子离子裂解减少，碎片离子减少，则分子离子峰的强度应增加；降低电子轰击电压，若m/z最大峰最后消失即为分子离子峰。