质谱总结

第5章质谱质谱法（MassSpectrometry,MS）是将被测物质离子化，按离子的质荷比分离，测量各种离子谱峰的强度而实现分析目的的一种分析方法。质量是物质的固有特征之一，不同的物质有不同的质量谱——质谱，利用这一性质，可以进行定性分析（包括分子质量和相关结构信息）；谱峰强度也与它代表的化合物含量有关，可以用于定量分析。5.1质谱的基本知识5.1.1质谱仪1.质谱仪一般由四部分组成：进样系统——按电离方式的需要，将样品送入离子源的适当部位；离子源——用来使样品分子电离生成离子，并使生成的离子会聚成有一定能量和几何形状的离子束；质量分析器——利用电磁场（包括磁场、磁场和电场的组合、高频电场、和高频脉冲电场等）的作用将来自离子源的离子束中不同质荷比的离子按空间位置，时间先后或运动轨道稳定与否等形式进行分离；检测器——用来接受、检测和记录被分离后的离子信号。一般情况下，进样系统将待测物在不破坏系统真空的情况下导入离子源（10-6～10-8mmHg），离子化后由质量分析器分离再检测；计算机系统对仪器进行控制、采集和处理数据，并可将质谱图与数据库中的谱图进行比较。2.离子源离子源的性能决定了离子化效率，很大程度上决定了质谱仪的灵敏度。常见的离子化方式有两种：一种是样品在离子源中以气体的形式被离子化，另一种为从固体表面或溶液中溅射出带电离子。在很多情况下进样和离子化同时进行。（1）电子轰击电离（EI）气化后的样品分子进入离子化室后，受到由钨或铼灯丝发射并加速的电子流的轰击产生正离子。离子化室压力保持在10-4～10-6mmHg。轰击电子的能量大于样品分子的电离能，使样品分子电离或碎裂。电子轰击质谱能提供有机化合物最丰富的结构信息，有较好的重现性，其裂解规律的研究也最为完善，已经建立了数万种有机化合物的标准谱图库可供检索。其缺点在于不适用于难挥发和热稳定性差的样品。（2）化学电离（CI）引入一定压力的反应气进入离子化室，反应气在具有一定能量的电子流的作用下电离或者裂解。生成的离子和反应气分子进一步反应或与样品分子发生离子-分子反应，通过质子交换使样品分子电离。常用的反应气有甲烷，异丁烷和氨气。化学电离通常得到准分子离子，如果样品分子的质子亲和势大于反应气的质子亲和势，则生成［M+H］+，反之则生成［M-H］+。根据反应气压力不同，化学电离源分为大气压、中气压（0.1～10mmHg）和低气压（10-6mmHg）三种。大气压化学电离源适合于色谱和质谱联用，检测灵敏度较一般的化学电离源要高2～3个数量级，低气压化学电离源可以在较低的温度下分析难挥发的样品，并能使用难挥发的反应试剂，但是只能用于傅里叶变换质谱仪。（3）快原子轰击（FAB）将样品分散于基质（常用甘油等高沸点溶剂）制成溶液，涂布于金属靶上送入FAB离子源中。将经强电场加速后的惰性气体中性原子束（如氙）对准靶上样品轰击。基质中存在的缔合离子及经快原子轰击产生的样品离子一起被溅射进入气相，并在电场作用下进入质量分析器。如用惰性气体离子束（如铯或氩）来取代中性原子束进行轰击，所得质谱称为液相二次离子质谱（LSIMS）。在FAB离子化过程中，可同时生成正负离子，这两种离子都可以用质谱进行分析。样品分子如带有强电子捕获结构，特别是带有卤原子，可以产生大量的负离子。负离子质谱已成功用于农药残留物的分析。（4）场电离（fieldionization，FI）和场解吸（fielddesorption，FD）FI离子源由距离很近的阳极和阴极组成，两极间加上高电压后，阳极附近产生高达10+7～10+8V/cm的强电场。接近阳极的气态样品分子产生电离形成正分子离子，然后加速进入质量分析器。对于液体样品（固体样品先溶于溶剂）可用FD来实现离子化。将金属丝浸入样品液，待溶剂挥发后把金属丝作为发射体送入离子源，通过弱电流提供样品解吸附所需能量，样品分子即向高场强的发射区扩散并实现离子化。FD适用于难气化，热稳定性差的化合物。FI和FD均易得到分子离子峰。（5）大气压电离源（API）API是液相色谱/质谱联用仪最常用的离子化方式。常见的大气压电离源有三种：大气压电喷雾（APESI），大气压化学电离（APCI）和大气压光电离（APPI）。电喷雾离子化是从去除溶剂后的带电液滴形成离子的过程，适用于容易在溶液中形成离子的样品或极性化合物。因具有多电荷能力，所以其分析的分子量范围很大，既可用于小分子分析，又可用于多肽、蛋白质和寡聚核苷酸分析。APCI是在大气压下利用电晕放电来使气相样品和流动相电离的一种离子化技术，要求样品有一定的挥发性，适用于非极性或低、中等极性的化合物。由于极少形成多电荷离子，分析的分子量范围受到质量分析器质量范围的限制。APPI是用紫外灯取代APCI的电晕放电，利用光化作用将气相中的样品电离的离子化技术，适用于非极性化合物。由于大气压电离源是独立于高真空状态的质量分析器之外的，故不同大气压电离源之间的切换非常方便。（6）基质辅助激光解吸离子化（MALDI）将溶于适当基质中的样品涂布于金属靶上，用高强度的紫外或红外脉冲激光照射可实现样品的离子化。此方式主要用于可达100000Da质量的大分子分析，仅限于作为飞行时间分析器的离子源使用。（7）电感耦合等离子体离子化（ICP）等离子体是由自由电子、离子和中性原子或分子组成，总体上成电中性的气体，其内部温度高达几千至一万度。样品由载气携带从等离子体焰炬中央穿过，迅速被蒸发电离并通过离子引出接口导入到质量分析器。样品在极高温度下完全蒸发和解离，电离的百分比高，因此几乎对所有元素均有较高的检测灵敏度。由于该条件下化合物分子结构已经被破坏，所以ICP仅适用于元素分析。5.1.2质谱仪主要性能指标1.灵敏度（sensitivity）对于一定样品（如硬脂酸甲酯），在一定的分辨率情况下，产生一定信噪比（如S/N501）的分子离子峰所需的样品量。2.分辨率（resolution）分辨率R是指质荷比相邻的两质谱峰的分辨能力。若近似等强度的质量分别为M1及M2的两个相邻峰正好分开，则质谱仪的分辨率定义为：R=𝑚1(或𝑚2)/∆𝑚∆m=𝑚2−𝑚13.质量范围（massrange）质谱仪所能测定的离子质荷比的范围。四极质谱：1000以内离子阱质谱：~6000飞行时间质谱：无上限5.1.3质谱图横坐标：质荷比(m/z)纵坐标：相对丰度(最强峰的强度定为100%)5.1.4质谱的离子类型1）分子离子（molecularion）样品分子失去一个电子而电离所产生的离子，记为M+·。也是奇电子离子。（奇电子与偶电子离子:具有未配对电子的离子称为奇电子离子，不具有未配对电子的离子称为偶电子离子。）2）碎片离子（fragmention）指由分子离子中某些化学键发生断裂而形成的离子。（任何一离子进一步产生某离子，前者称为母离子，后者称为子离子。）3）同位素离子（isotopicion）当元素具有非单一的同位素组成时，产生同位素离子。4）多电荷离子5）负离子通过电子捕获及电离时形成离子对等机理产生的。负电性原子产生负离子频率很高。6）离子－分子反应生成的离子EI中这种反应机会很少，CI就是利用离子－分子反应使样品分子电离。7）亚稳离子（metastableion）是从离子源出口到检测器之间产生的离子。5.2离子裂解的机理5.2.1质谱碎裂的一般规律和影响因素1.质子碎裂的一般规律（1）分子中电离电位最低的电子最容易丢失，生成的正电荷和游离基就定域在丢失电子的位置上。（2）离子具有过剩的能量以及带有的正电荷或不成对电子是它发生碎裂的原因和动力。（3）产物离子的相对丰度主要由它的稳定性决定。2.影响粒子碎裂的因素（1）化学键的相对强度（2）碎裂产物的稳定性（3）立体化学因素5.2.2正离子碎裂类型（1）简单开裂（只涉及一个化学键断裂）1）σ―键均裂2）-断裂（自由基引发）反应的动力来自自由基强烈的电子配对倾向。丢失最大烃基原则α―断裂——丢失最大烃基的可能性最大3)i断裂由正电荷引发的断裂，涉及一对电子的转移，是化学键的异裂，同时正电荷位置发生转移。（2）重排碎裂（rearrangementcleavage)重排的特点重排同时涉及至少两根键的变化，在重排中既有键的断裂也有键的生成。重排产生了在原化合物中不存在的结构单元的离子。最常见的是脱离中性小分子的重排反应。脱离中性小分子所产生的重排离子是奇电子离子。产生重排碎裂原因是重排离子更稳定；可以脱去稳定的中性分子；裂解需要的能量低；开裂中心在易于移动的氢附近。1）McLafferty重排（属于氢重排）麦式重排可产生两种重排离子，其通式为：含有C=O，C=N，C=S及碳碳双键；与双键相连的链上有-H原子（氢）；六元环过渡，-H转移到杂原子上，同时键发生断裂，生成一个中性分子和一个自由基阳离子。2）逆Diels-Alder反应（Retro-Diels-Alder,RDA）当分子中存在含一个键的六员环时，可发生RDA反应。该重排正好是Diels-Alder反应的逆反应；含原双键的部分带正电荷的可能性大些。3）某些含杂原子的化合物，失去中性分子（消去反应）常见的有醇失水或醇失水及乙烯。4）自由基引发或正电荷诱导，经过五、六元环过渡态氢的重排5）两个氢原子的重排这种重排在乙酯以上的羧酸酯较易找到。在碳酸酯、磷酸酯、酰胺、酰亚胺及其它含不饱和键的化合物都可能发生。该重排产生的离子比相应的简单断裂产生的离子质量数大2。6）其它重排（非氢重排，无规重排）链状氯化物、溴化物较易发生成环的重排。5.4常见化合物的质谱5.4.1脂肪烃1.直链烷烃显示弱的m/z：29，43，57，71，……CnH2n+1＋系列特征峰丰度最大的离子峰m/z：43，57（C3、C4）m/z:28、42、56、70、84、98……CnH2n＋一系列弱离子峰是由H转移重排成的。m/z：27，41，55，69，……CnH2n－1＋系列峰，脱去一个H2中性分子而形成。2.支链烷烃支化引丰度降低，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。RCRYRRCRYR''22MMm/z：29，43，57，71，……CnH2n+1＋系列峰m/z71、85、113、127处峰的强度不规则3.环烷烃丰度比对应非环烷烃大环上侧链烷基易失去，生成丰度较大的碎片离子，优先失去大的烷基侧链。低质谱端有CnH2n－1＋系列，而不是CnH2n+1＋。4.烯烃丰度比对应烷烃强m/z：27，41，55，69，……CnH2n－1＋系列特征峰。易发生烯丙基断裂（即断裂），长链烯会发生麦氏重排。炔烃与此类似，但生成CnH2n－3＋5.芳烃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+.）m/z128就是基峰。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。烷基苯以断裂最为重要，产生稳定的鎓离子m/z91是基峰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..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。5.4.2醇和酚分子离子峰很弱，C5往往观察不到，在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。伯醇-正丁醇有两种α-裂解，丢失和自由基。伯醇α断裂形成稳定的m/z31的离子是基峰。伯、仲醇通过五、六元环过渡态发生氢重排，易脱水，产生M-18离子，该离子可进一步发生i断裂，失去烯烃分子。直链伯醇会出现含羟基离子（m/z：31，45，59…），烷基离子（m/z：29，43，57，），链烯离子（m/z：27，41，55…）苯甲醇和酚的分子离子峰很强苯甲醇和酚的特征裂解都有经过H转移丢失CO产生M