第15章+质谱.ppt

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1、第一节 质谱概述及基本原理,质谱是将样品分子（或原子）在电离室中离子化后裂解成不同质荷比（m/z）的离子碎片，经过质量分析器在电场和磁场的作用下分离聚焦，将收集到的离子按质荷比和相对丰度的大小记录下来，排列成谱的方法。 获取信息： 分子离子峰的质量数，获得化合物的精确分子量 推测有机物的裂解方式及其与分子结构的关系 通过同位素峰强比及其分布特征推算Cl、Br、S等原子数,第十六章 质谱（Mass Spectrum, MS）,自从20世纪50年代后期以来，质谱就成为鉴定有机物结构的重要方法。相比与NMR、IR、UV方法，质谱的优点： 1. 质谱是唯一可确定分子量的谱学方法 2. 灵敏度远远高于其

2、他方法，样品通常用量可达ng级水平 3. 应用范围广，无机、有机、同位素分析 4. 不收试样物态限制 5. 分析速度快,应用离子化技术使物质分子失去外层价电子形成分子离子（M+),分子离子中的化学键又继续发生某些有规律的断裂而形成不同质量的碎片离子（fragment ion) M M+ + 碎片离子 + 中性分子 选择其中带正电荷的离子使其在电场或磁场的作用下，根据其质荷比的差异进行分离，按各离子质荷比的顺序及相对强度大小记录图谱及为质谱。 质谱计的简化框图如下：,一、 质谱分析原理,进样系统,离子源,质量分析器,检测器,1.直接进样 2.色谱导入,1.电子轰击 2.化学电离 3.快原子轰 击

3、离子源,1.单聚焦 2.双聚焦 3.四极杆,质谱仪需要在高真空下工作：离子源（10-3 10 -5 Pa ） 质量分析器（10 -6 Pa ） (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，谱图复杂化。,质谱计示意图：,原理与结构,电离室原理与结构,仪器原理图,质量分析器原理,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= H0 e V 曲率半径： R= (m ) / e H0 质谱方程式：m/e = (H02 R2) / 2V 离子在磁场中的轨道半径R取决于： m/e 、 H0 、

4、V 改变加速电压V, 可以使不同m/e 的离子进入检测器。 质谱分辨率 = M / M （分辨率与选定分子质量有关）,加速后离子的动能 : (1/2)m 2= e V = (2V)/(m/e)1/2,一般质谱图上质荷比最大的峰为分子离子峰；有例外。 形成分子离子需要的能量最低，一般约电子伏特。,质谱图上质荷比最大的峰一定为分子离子峰吗？ 如何确定分子离子峰？,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。,N律 由、组成的有机化合物，一定是偶数。 由、组成的有机化合物，奇数，奇数。 由、组成的有机化合物，偶数，偶数。 分子离子峰与相邻峰的质量

5、差必须合理。,在高质量区域，分子离子峰必须合理地丢失中性碎 片产生重要的碎片离子峰。不合理的碎片质量差值 为：314、2126、37、38、5053、65、66。 对于纯样品，分子离子峰必须是最高质量的离子峰。 分子离子必须是奇电子离子。离子电子上的奇偶性 可计算不饱和度来区别：分子离子由于没有丢失任 何碎片，所以其不饱和度为整数；而偶电子离子由 于为断裂一个单键而产生故其不饱和度为半整数。,例如：CH4 M=16 12C+1H4=16 M 13C+1H4=17 M+1 12C+2H+1H3=17 M+1 13C+2H+1H3=18 M+2,同位素峰,分子离子峰,由于同位素的存在，可以看到比分

6、子离子峰大一个质量单位的峰；有时还可以观察到M+2，M+3。；,仪器与结构,主要组成部分,高真空系统：避免离子散射、气体分子 样品导入系统：直接进样、色谱导入 离子源：电子轰击源 化学电离源 快原子轰击离子源 质量分析器：单聚焦、双聚焦、四级杆 离子检测器,联用仪器,仪器内部结构,联用仪器（ THE LC/MS PROCESS ）,二质谱仪器主要指标,1.质量范围（mass range） 指质谱仪器所检测离子的质荷比范围，对于碎片离子中常见的单电荷离子而言就是离子的质量范围。 2.分辨率（分辨本领， resolution, resolving power） 是两个相邻离子峰被分离程度大小的标志

7、。 两种相邻离子恰好被分离的定义是该两种离子峰之间的峰谷高度不高于两峰平均高度的10%。,分辨率定义：,R=M /M （被分辨的单电荷离子为 M, M+M） 式中 R-分辨率 M-离子的质量 M-两种恰好被分辨的相邻离子的质量差 通常 R 10000 称高分辨质谱, R10000称低分辨质谱。 3. 灵敏度（sensitivity） 灵敏度表明仪器中样品出峰的强度与所用样品量之间的关系，灵敏度越大所需样品量越少。,三质量分析器,质量分析器是质谱仪器的核心。不同质量分析器构成不同类型的质谱仪器。不同类型的质谱仪器有不同的原理、功能、指标和应用范围，以及涉及到不同的实验方法。 （一）单聚焦（sin

8、gle-focusing）和双聚焦（double-focusing）质量分析器 单聚焦质量分析器使用扇形磁场，双聚焦质量分析器使用扇形电场及扇形磁场。此二种曾经是有机质谱仪器的主体，现在仍在发挥重要作用。,单聚焦质量分析器原理：,1）在电位为V的加速极板的作用下，一个质量为m,电荷数为z的离子的动能为：1/2mv2=zV (3.1) 原则上，所有单电荷离子在离开加速区后都以相同的动能飞行，而速度平方与其质量成反比。 2）在进入质量分析器的磁场后，受磁场作用力飞行途径发生弯曲，离子运动的离心力与磁场作用力相等：mv2/r=Hzv (3.2) 由（3.1）（3.2）得，m/z=H2r2/(2V),

9、由于实际情况中，离子在加速之前其动能并非为零，所以同一质荷比的离子在加速后进入磁场中时速度与动能都略有差别，因此在经静磁场偏转后不能准确地聚焦于一点，造成离子峰宽加大，使仪器的分辨率不高。 为提高分辨率，在应用一个扇形磁场之前先通过一个扇形电场先将离子的动能聚焦，就构成双聚焦质量分析器，这样可以大大提高分辨率。,（二）四极质量分析器（quadrupole mass analyzer）,四极质量分析器又称四极滤质器（quadrupole mass filter）,由四根平行棒状电极组成，两组相对的电极杆上供给极性相反的直流电压和射频电压，依靠由此产生的组合电场达到质量分离。 由交变射频场造成的离

10、子运动振荡轨道使较轻的离子撞在正极杆上，而较重的离子撞在负极杆上，除指定的离子外其他离子全部滤掉。,四极杆式质谱计目前得到广泛应用，性能也不断提高，其质量范围已达3000u，质量精度可达0.1u(900u时)。 优点： 1) 结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、清洗方便、操作容易。 2) 仅用电场不用磁场，无磁滞现象，扫描速度快。很适合与色谱联机使用，特别是气相毛细管色谱。也适合跟踪快速化学反应。 3) 操作时真空度相对较低，适合与液相色谱联机。 缺点： 1) 分辨率不够高。 2) 对质量较高的离子有质量歧视效应。,四电离过程和方法（EI, CI, FI, FD, FAB, MALDI, AP

11、CI, ESI）,质谱中电离方式决定所得的质谱图，不同的电离方式所得到的质谱图很不一样，在结构测定中的作用也不相同。 1电子轰击电离（electron impact ionization, EI） 是应用最普遍，发展最成熟的电离方法。通常采用能量为70eV的电子来轰击样品，从分子中的电子受到激发而逐出，而产生分子离子，为奇电子离子（odd-electron ion,OE+）。 有机物分子电离电位一般在715eV，因分子电离后的离子能量大大高于此而发生裂解，产生碎片离子。,优点： 1）易于实现，图谱重现性好，便于计算机检索和相互对比 2）含有较多碎片离子信息，对于推测未知物结构很又必要，新药研究

12、指导原则中要求必须有化合物EI的图谱。质谱解析也主要针对EI而言。 缺点：样品如果不稳定，难气化时往往无法看到分子离子峰。需要其他软电离方式的质谱配合。,2化学电离（chemical ionization, CI）,所谓化学电离是将一种反应气体（如甲烷、丙烷、异丁烷、氨气、氢气、水蒸气等）充斥在离子化室中，如同EI一样将其电离，形成反应性离子（初级离子），这些反应性离子进一步与未电离的反应气体分子进行一系列离子分子碰撞反应形成较稳定的次级离子，所形成的次级离子再与样品分子发生碰撞反应而产生(M+1)+ 或(M-1)+ 的准分子离子（quasi-molecular ion, QM+），QM+进一

13、步裂解成各种碎片离子。经CI方式产生的QM+剩余的内能较EI方式低很多，而且产生的多为较稳定的偶电子离子（even-electron ion ，EE+ ），故丰度较大，碎片离子较少。,3场致电离（field ionization, FI）和场解析（field desorption, FD）,气体样品的分子在强电场作用下发生电离。在两极间加高压直流电，于是在阳极尖端附近产生107108V/cm的强电场，使附近1mm范围内的气态样品分子中的电子被夺去，形成分子离子。要求样品必须处于气态，灵敏度低，因而应用逐渐减少。,4电喷雾电离（electrospray ionization, ESI）,属于大气

14、压电离（atmospheric pressure ionization, API）中的一种（还有大气压化学电离），是现今最“软”的电离方式。一般没有碎片离子，只有整体分子峰，特别适合分析生物大分子样品，无论对亲水性还是疏水性样品都在很宽的浓度范围内有很好的效果，而且还可以做负离子的ESI，尤其是适用在混和生物样品中的分离鉴定。,五串联质谱和色谱质谱联机,1. 串联质谱（tandem MS，MS/MS） 空间上串联（tandem-in-space）和时间上串联（tandem-in-time) 1）空间上串联质谱 由串联两个及两个以上的质量分析器组成，可完成以下工作 i. 产物离子扫描 ii. 初

15、始离子（precuror ion, 母离子 parent ion）扫描 iii. 中性碎片丢失的扫描 2）时间上串联质谱 由离子阱或FT-ICR来实现，只需要一个质量分析器，而且可以做到多级串联（MS n）。 通过控制适当的加速电位和电极电位，按照特定的质荷比保留某种离子而逐出其他所有离子，再使此种离子发生诱导碰撞断裂（collision-induced dissociation, CID），检测生成的碎片离子。在生成的碎片离子中还可以继续控制保留某种质荷比的离子继续上述过程。,2. GC/MS 和LC/MS (HPLC/MS),色谱方法是复杂体系分离分析混合物的重要手段，将其与灵敏度高的MS

16、检测方法结合，是一种分离鉴定未知混合物的理想手段 。,第二节 质谱中的主要离子,在EI质谱中常见的主要离子有：分子离子、假分子离子、同位素离子（丰度表放在这里讲）、碎片离子、亚稳离子、多电荷离子等。 一分子离子（molecular ion） （一）分子量的确定以及分子离子的表示方法 在质谱中，分子被高速电子轰击失去一个电子，形成带一个孤电子的正离子（OE+）, 表示为 ，由分子离子峰的质荷比就可直接得到分子量。 在分子中不同的电子其能量不同，通常：n电子能量电子能量电子能量；发生电离的顺序先后依次是：n电子 电子 电子,失去电子的方式及表示方法：,（二）分子离子峰的相对丰度,在质谱中，由于不同

17、的化合物结构不同，形成分子离子的稳定性差别很大，所以分子离子峰的相对丰度有很大差别。总体而言，分子中存在有利于电荷分散（离域）的结构，可使稳定性增加，分子离子峰丰度较高。 有机物分子离子稳定性与结构关系： 1芳香环化合物利于电荷分散，分子离子稳定，分子离子峰比较强，有时为基峰 。,2共轭多烯及硫醇、硫醚化合物具有较强的分子离子峰 3烯烃的分子离子峰比相应的烷烃强，烯烃的对称性越高，其分子离子峰越强。 4环状化合物的分子离子也比较稳定，因为需要断裂至少两个键才能形成碎片，分子离子峰为中等强度。,5在烷烃化合物中，直链烷烃分子离子峰最强，并随支链的增加而减弱，支链越多越容易断裂。,6分子离子峰的相对丰度一般随同系物分子量增大而减小。,7含羟基、氨基、羧基、腈基和缩醛等官能团的化合物易发生断裂，分子离子峰相对丰度很低，有时不出现。,（四）提高分子离子峰相对丰度的方法,1. 降低样品的气化温度或降低轰击电子的能量，可降至15eV。 2. 采用前面所述的软电离方法，常用的有CI、FAB。 3. 制备衍生物，增大样品的挥发性或稳定性。如对于醇可以制成相应的酯或硅醚，对这些衍生物测定质谱。,结构未知（C6H12O，酮）,解析： 1 100，分子离子峰 285，失去CH3（15）的产物 357, 丰度最大, 稳定结构 失去CO(28)后的产物,