有机化学波谱-质谱资料

第五章有机质谱§1.1前言•什么是质谱？•按照带电粒子（即离子）的质量对电荷之比值（即质荷比）的大小，依次排列所成的图谱，叫做质谱（MassSpectrum,简称MS）。•研究质谱及其规律的科学称为质谱学（MassSpectrometry）。•如果各离子所带电荷数都是1，质谱实际上就是一系列离子的质量谱。质谱仪以电磁学的方法来测定物质原子、分子或碎片离子质荷比的装置。nx12C质谱方法灵敏、精确、直接。是最重要的分析仪器之一灵敏：只要小于1pmol的样品或几十皮克样品精确：可以优于10-6以下（如氢的质量精确到10-12）直接：告诉我们有什么、有多少（相对分子质量、元素组成等）利用串级质谱还可以获取分子结构信息质谱学同位素质谱无机质谱有机质谱发展较快理论基础是化学反应动力学生物质谱什么是有机质谱？•有机化合物分子在高真空条件下加热气化；•气化了的有机化合物的分子经过一定能量的电子流轰击以后，离解成各种质荷比的离子；•这些离子通过电场或磁场进行分离；•按其质荷比的大小排列成谱，这就是有机质谱。有机质谱是鉴定有机化合物结构的重要方法,它不仅提供化合物的分子量,还可通过精确质量的测量来确定其分子式,而且通过碎片离子还可以获得重要的结构信息;质谱发展简史•早在1912年，英国科学家Thomson就发现，有一种射线可使气体发光，他设法用电场和磁场使这种射线偏转，并用他自己设计的装置测定了一些原子的原子量。•1919年，FrancisWilliamAston和J.Demoster继续研究，他们终于制造成功了世界上第一台原始的，但较为完整的质谱仪，并首次引入“质谱”的概念。•1942年第一台商品质谱仪问世。弗朗西斯·威廉·阿斯顿（FrancisWilliamAston)•1900年毕业于伯明翰大学化学系。•英国实验物理学家兼化学家；•1877年9月1日生于伯明翰近郊的哈本；•1945年11月20日在剑桥逝世。•1922年因对质谱学的贡献获诺贝尔化学奖。•Aston用感光底片使带有相同电荷和相同质量的离子集中在同一点上，从而得到一系列的谱线，这就是最初的“质谱图”。•测定氖时，加入少量的CO2和O2，作为内标物指示质量数。实验结果出现16，18，28，44的谱线，这分别与O，H2O，CO，CO2相当；•但令人不解的是与氖原子量20.2相当的谱线却没有出现，而是出现了20和22两条谱线。•Aston经过反复实验和深入研究，推测氖是由两种质量不同的原子组成的混合物，二者的原子量分别为20和22，后者含量较少，故它们的平均原子量为20.2。•后来Aston又测定了氯和氩的原子量，发现氯是由原子量为35和37的原子组成的混合物，氩是由原子量为36和40的原子组成的混合物。•Aston首次提出“同位素”的概念。•Aston利用质谱在71种元素中发现了202种同位素。•他因此荣获1922年的诺贝尔化学奖。•最初的质谱仪主要是用来测定元素或同位素的原子量。在原子能和原子武器的研究中意义重大。特别是用于核裂变物质的分析，如铀238的研究。•20世纪50年代，石油工业开始应用MS技术,在同位素鉴定和烃类混合物的分析方面取得长足进展，能对复杂的有机分子给出确定的，具有可重复性的MS图。•MS技术科学家逐渐开始探讨有机分子结构与裂解方式的关系，发现由分子的质谱断裂规律可找出许多有用的结构信息。•人们开始根据裂解方式推测新化合物的分子结构。从而奠定了MS方法在有机分子结构鉴定上的应用地位。特别值得提出的是，1956年，美国康奈尔大学教授F.W.Mclafferty通过大量实验和深入研究发现了著名的“麦氏重排”以后，质谱学开始在有机化学领域发挥它的独特的日益重要的作用。有机质谱研究的任务：⑴有机化合物的结构鉴定，即组成化合物分子的各个原子是怎样结合在一起的，包括其连接的顺序和空间排布。⑵已知的有机化合物的识别，即定性分析（谱库检索）。⑶复杂的混合有机物全部或指定成分含量的测定，即定量分析。⑷研究并说明某些有机化合物生成和转化的规律。⑸质谱现象本身的规律。有机质谱的应用范围：•有机化学；•环境科学；食品科学；•药物科学；体育科学；•司法科学；•生命科学；临床医学；•石油化学；地质化学等。质谱分析的特点：优点：⑴质谱的灵敏度极高，检出量可低到10-12克。所需样品比IR、UV、NMR要少的多。⑵质谱给出的信息多（IR一般仅给出十几、二十几个峰，NMR的峰更少，而MS可给出上百个峰）。⑶分析速度快（0.1秒扫描一次）。不足：⑴MS要求样品要容易气化，故对大分子化合物、热不稳定的化合物的分析，受到一定限制。⑵对样品的纯度要求高。⑶高分辨MS仪造价昂贵。§1.2质谱仪的基本原理一、基本原理：普通质谱仪组成：⑴进样系统⑵离子源⑶质量分析器(4)检测器•计算机系统。•真空系统。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、质谱仪框图磁铁磁场根据质荷比分离正离子带电正离子束高质量离子低质量离子样品室气化样品的灯丝加速电场高能高能电子源分子被电离质谱仪原理示意图检测器例如：•高能量电子的轰击，会使分子离子本身获得远高于其化学键能的过剩能量，•这会使分子离子很快地发生进一步裂解，即其内部化学键发生断裂；形成了一系列的碎片；•这些碎片绝大部分带正电荷，很少部分带负电荷（约1％），还有一些中性碎片。OCH3RO+CH3RO+R+CH3•加速极把这些碎片从离子源引出到一个很强的正电场中（电位差高达数千伏），•带负电荷的离子被中和成中性碎片和在离子室产生的中性碎片以及未被电离的分子一起被真空系统抽走（因为这些粒子不会被加速）。•而正离子则由于正电场的排斥而被加速，进入分析系统。分析系统：•分析系统的主要部分是磁分离器，•加速后的正离子进入分析系统通过磁场的作用而分离。•高速运动的各种正离子受到磁场力的作用而发生偏转；•其偏转轨道的曲率半径R取决于各离子的质荷比，质荷比大的离子曲率半径R也大，弯曲程度小；反之，质荷比小的离子则曲率半径小，弯曲程度大。一个质量为m的带有电荷Z的正离子在电场中被电位为V的电压加速后，具有的动能为：zVmv221质量分析：经加速的正离子进入分析系统中，在磁场作用下，受到劳伦茨力而发生偏转，劳伦茨力与离心力平衡，即：RmvHzv2式中H为磁场强度，R是弯曲轨迹的曲率半径，z,v,m分别为电荷、离子速度和离子质量，合并上述二式，得：VRHzm222由上式可知，磁场强度H和加速电压V不变，质荷比m/z与曲率半径R成正比，质荷比不同，飞行的远近就不同，这就是质谱仪质量分析器的基本工作原理。•相同质荷比的离子以相同的曲率半径运动，按相同的轨道汇集成离子流，到达离子捕集器，从而达到按质荷比的大小使各种不同的碎片离子得以分离的目的。•对于只带一个正电荷的离子，其质荷比在数值上等于其质量值。即：质荷比=质量数•通过分子离子峰可以直接测得样品的精确分子量；•而通过对各种不同的碎片离子峰的种类、质量数、强度的分析，根据各种化合物断裂时的不同规律，可以作为推测样品分子结构的线索。•质谱仪的扫描过程主要是通过改变磁场强度H或改变离子加速电压V来实现的。分别叫磁扫描法和电扫描法。•大部分低分辨质谱仪都是通过改变H完成扫描过程的。•当连续扫描磁场时，不同质荷比的离子就被连续地、精确地测量和记录下来，即可得到一张MS图。离子捕集器：•离子捕集器按质荷比大小的顺序，依次捕集通过狭缝的离子流。•捕集器接受离子流后产生电信号，经电子倍增器或光电倍增管多级放大，信号的强度与离子的数量成正比，反应某离子的丰度（相对数量）。•经过数模转换、增强信噪比等复杂的技术处理，才能得到一张满意的MS图。样品分子电离电离、分解不同质荷比离子按质荷比分离质谱图能量组分分析结构分析分析器检测器用于有机质谱分析的几种重要的离子源：1.电子轰击源（ElectronimpactIonization，EI）2.场电离（FieldIonization，FI）3.场解吸电离（FieldDesorption，FD）4.化学电离（ChemicalIonization，CI）5.激光解析电离（LaserDesorptionIonization，LDI）6.电喷雾离子化（ElectrosprayIonization，ESI）下面做选择性重点介绍：1.电子轰击离子源（ElectronimpactIonization，EI）4、化学电离源(ChemicalIonization,CI)利用反应气体的离子与样品分子相互反应，而使样品分子离子化，本质是化学过程，故称化学电离。电子轰击化学电离气体分子，不直接作用于样品分子。化学电离试剂：甲烷、异丁烷、氨气，氢气，水、甲醇、胺等。5、基质辅助激光解吸电离(MatrixAssistedLaserDesorptionIonization,MALDI)试样溶解或悬浮于基质中，激光束辐射到基质和试样分子上。基质吸收激光束能量后汽化，部分试样分子伴随基质的汽化而解吸。基质吸收大部分激光能量，减少了试样分子被激光能量破坏及过度电离成碎片离子。激光：固体氮激光，紫外光功率：106~108W/cm2脉冲时间：10-6~10-9秒6、电喷雾电离(Electro-SprayIonization,ESI)•电喷雾电离的基本过程–电场下的喷雾带电雾滴–雾化气的作用下溶剂的蒸发–电荷的库仑作用带电雾滴的解体–极限表面张力和库仑斥力的平衡点•电喷雾电离产生多电荷离子：•可以用质谱仪的小的质量范围测定大的生物分子，相当于将质谱仪的质量范围放大了n倍。几种常用的质量分析器简介：1.四极滤质器（quadrupolemassfilter）优点：结构简单，体积小，质量轻，价格便宜，清洗方便，操作容易。只使用电场，便可实现快速扫描。最适合与气相色谱仪联用。是目前应用最广泛的质量分析器，性能不断提高，质量测定范围已达到3000u，质量准确度可达到0.1u（900u时）。缺点：分辨率相对来说不够高。四极滤质器原理示意图2.离子阱（lontrap）•处于离子阱内具有合适质荷比的离子，将在阱内指定轨道上稳定旋转；当射频电压扫描时，陷入阱内的离子的轨道则会依次发生变化，从而在底部离开环电极腔而被检测。离子阱结构简单，性价比高，体积小，有利于仪器小型化。•离子阱质谱仪，其绝对灵敏度高，约为四极滤质器10～1000倍，可检测很小量的样品；质量范围大，商品仪器已达6000u。•缺点是其质谱图与标准谱图有一定差别，不利于谱库检索。3.傅立叶变换离子回旋共振质量分析器(FourierTransformIonCyclotronResonance，FT-ICR)•也是离子阱的一种。离子沿平行于磁场方向进入ICR-Cell，加在垂直于磁场的捕集电极上的直流电压形成一个静电场将离子拘禁于室中。在磁场作用下，离子在垂直于磁场的圆形轨道上作回旋运动，其回旋频率仅与磁场强度B和离子的质荷比m/z有关：mzB710537.1mzB710537.14.飞行时间质量分析器(TimeOfFlightMassAnalyser,TOF)飞行时间分析器最大的优点：•扫描速度快，可用于极快过程的研究；•质量检测没有上限。特别适用于生物大分子的质谱测定；•体积小，质量轻，结构简单，操作方便。主要缺点：分辨率低。二、质谱仪的种类：按照质谱仪的核心部分－质量分析器的工作原理，分为两大类：1．静态质谱仪：其质量分析器采用稳定的电磁场把不同质荷比的离子区分开。⑴双聚焦高分辨质谱仪：其分辨率可达10000以上，可以准确地测出小数点后第五位数值，例如：C5H8O2100.0524299（理论计算）100.052426（实际测定）C7H16100.1252009（理论计算）100.1252007（实际测定）离子源收集器磁场S1S2+-方向聚焦：相同质荷比，入射方向不同的离子会聚；能量聚焦：相同质荷比，速度(能量)不同的离子会聚；质量相同，能量不同的离子通过电场和磁场时，会产生能量色散；而通过双聚焦可以大大提高分辨率；⑵单聚焦低分辨质谱仪：•