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1、质 谱,质 谱,质谱广泛用于有机分子结构测定。它可以与各种分离技术联用，如气相色谱质谱联用（GC-MS）、液相色谱质谱联用（LC-MS）等，成为复杂多组分化合物结构定性与定量分析极有效的手段。,质谱分析法是通过对样品的质量与强度的测定，进行成分和结构分析的方法。质谱就是化合物分子经电子流冲击或其它手段打掉电子，进行电离而转变成快速运动的离子，在电场或磁场作用下，将其分离成按质量与电荷比值（简称质荷比，以m/z表示，以前曾用m/e表示）大小排列而形成的谱图。 质谱图中，每个质谱峰代表一种质荷比离子，它的强度表示该种离子的多少。根据峰的位置，可进行定性分析；根据峰的强度，可进行定量分析。,一、质谱
2、谱图的产生与质谱仪,获得质谱的基本方法，是分子电离成不同质荷比的离子，然后将其加速，引进磁场。在磁场内，离子偏转轨道与其质荷比有关。质谱仪就是将化合物分子产生离子，并按其质荷比分离，同时记录和显示它们相对强度的仪器。目前有机结构分析的质谱仪，大多数只测量正离子。 典型的质谱仪一般由进样系统、离子源、分析器、接收器和记录器组成。此外还包括真空系统与电气系统等辅助设备。,1、进样系统,有机质谱仪多与色谱仪联用，组成GC-MS或LC-MS联用系统。色谱仪作为质谱仪的进样系统，两者之间经接口（分子分离器或传送带）装置联结。对于高沸点液体或固体有机样品，因难汽化，可直接用进样探头，将微克级或更少的样品直
3、接送入离子源。此外还有气体直接进样。其进样系统由管道、阀门、样气存储器及分子漏孔组成。,2、离子源,质谱分析的对象是样品离子，因此首先要把样品分子电离成离子。产生离子的装置称离子源。虽然有各种电离方法，从而构成相应的各种离子源，但在有机质谱中，最常用的是电子电离法（简称EI）和化学电离法（CI）。,（1）电子电离源：下图为电子电离源示意图。,灯丝一般为钨或铼丝。由它发射的电子，在正电位作用下，穿过电子狭缝进入电离室，最后到达阳极。在大约1.333104Pa压力下的电离室内电子束与样品分子碰撞，使样品分子电离。产生的正离子受推斥极与第一加速狭缝间一小静电场作用，穿过第一狭缝。一、二加速狭缝间的强
4、电场，将离子加速到最大速度后进入分析管。电子加速电压在50100V（一般为70V）之间，这一电压范围形成的离子流比较稳定。能量为70eV的电子，使有机分子可能失去一个电子成为分子离子，也可能使分子离子进一步发生键的断裂，形成碎片离子。当电子能量一定时，一种有机分子各碎片离子的相对强度是一定的，这就构成了质谱鉴定有机结构的基础。电子离子源虽然具有离子流稳定、离子产率高等优点，但当有机化合物分子量太大或稳定性差时，往往得不到分子离子，因而不能测定化合物的分子量。,（2）化学电离法（CI）,化学电离源因化学电离过程发生的能量转移低得多的场合，分子离子进一步碎裂大为减少，但其最突出的离子并不是分子离子
5、，而常常是增加或减少一个氢原子所形成的所谓准分子离子，化学电离的质谱就是以这样的方式提供有关分子量的资料。,化学电离是在约133.3Pa的甲烷、异丁烷或氨这些特殊反应气压力下工作的。在此压力下进行电离的电子，实际上全被反应气分子碰撞吸收，而离子源内的样品分子几乎都不被电离，因其浓度极低，压力仅在1.33310-2-4Pa(10-410-6mmHg)甚至更低。由反应气电离的离子与样品分子碰撞，才使样品电离。以甲烷作反应气，它首先被电离成CH4+和CH3+离子，这些离子再与甲烷分子作用，形成过剩内能较小的二次离子。 CH4+ CH4 CH5+ CH3. . CH3+ + CH4 C2H5+ CH2
6、. 二次离子与样品分子M碰撞，使样品分子电离，形成相当丰富的准分子离子： CH5+M MH+CH4 C2H5+M C2H5+ CH2.,3、分析器,分析器（又称离子分离器）是将离子源产生的离子，按m/z分开。各种质谱仪主要区别就在于质量分析器的不同。工作原理为： E=zV=1/2mv2 M/z=H2r2/2V H为磁场强度； r为偏转半径； v为加速电压。,4、 离子收集与记录系统,有两种方法记录离子，一种是照相法，另一种是电子学方法。照相法是干板上的感光乳剂随同各单一质荷比离子束的打击点而生成图像。照相法的优点是灵敏度高，缺点是精度差。在电子系统中，到达收集器的离子束，产生一股电流，强度与该
7、离子数目成正比。用静电计放大器或电子倍增器，可以准确而灵敏地测量这股电流。,二、质谱技术有关的名词术语,1、 质量数与质量范围 在质谱中，化合物分子或原子，都是以离子形式记录的。一般离子仅带一个正电荷，对于低分辨质谱，离子的质荷比在数值上就等于它的质量数，即离子质量数是它们质荷比。质谱仪的质量范围，是指仪器能测量的离子质荷比范围。若离子只带一个正电荷，则仪器可测范围实际上就是可测分子量或原子量范围。有机质谱仪的质量范围一般是几十到几千。,2、 分辨率 质谱仪的分辨率是分开两个相邻质量数离子的能力，以R=M/M决定。其中M为两相邻峰的第一个峰的质量数， M为两峰质量之差，分辨的程度通常用两峰间谷
8、值低于10的平均强度为依据。 3、 灵敏度 不同用途的质谱仪，灵敏度表示方法不同。有机质谱仪常采用绝对灵敏度，即在一定的分辨率之下，产生具有一定信噪比的分子离子峰所需样品量。有机质谱灵敏度可优于10-10g。,4、质谱图,仪器直接记录下来的质谱图，是一个个尖锐的峰。但在文献上发表或应用时，都将其简化成以相对丰度表示的条图，它的纵坐标为离子强度，以相对丰度表示。相对丰度，是以强度最大的峰（称基峰）为100，其余的峰按与它的比例计算的相对强度，也叫百分相对强度。除以质谱图方式表示质谱以外，也可以用表格形式。这种形式能更准确地表示出相对丰度，对定量分析非常适用。,三、质谱中的各类主要离子,目前质谱都
9、是检测的正离子，它们当中主要有分子离子，同位素离子，碎片离子，重排离子，多电荷离子，亚稳离子，及离子分子反应离子。 1、 分子离子 中性化合物受电子冲击失掉一个电子形成的离子，称为分子离子或母体离子，所对应的质谱峰称为分子离子峰或母体离子峰。分子离子是其它离子的先驱，它的标称质量相当于该化合物的分子量。,2、 同位素离子 分子离子含有其元素组成的最大丰度同位素，因含重同位素离子，故分子离子峰总是伴有较高质量数的其它同位素离子峰，组成“同位素柱族”。同位素离子峰的丰度与离子中存在的该元素的原子数目及该同位素的相对含量有关。,3、 碎片离子 碎片离子是分子离子在离子源中碎裂生成的，一般用于电离有机
10、物的轰击电子能量相当大，使分子离子处于激发状态，会断裂其中的一些化学键，产生质量较低的碎片离子。,4、 重排离子 由于分子重排或转位生成的离子叫重排离子。其成因不能不能用分子中键的简单断裂来解释。,5、 多电荷离子 分子失掉一个电子便成为激发态的分子离子，因此正常情况下都是单电荷离子。但有些分子，非常稳定，能承受两个或更多的电子丢失，从而产生m/2z，m/3z等多电荷的离子。,四、质谱测定分子式,质谱在有机化合物结构测定中的第一个功能，就是测定分子式。常用同位素丰度法测定分子式。因为与有机物关系密切的元素除碘、氟、磷不含同位素（称为A类元素）以外，其它都含同位素。碳、氮的同位素比普通元素多一个
11、中子，称为A+1类元素，O、S、Si、Cl、Br为A+2类元素。这些天然同位素相对丰度都是已知的。因此如果做Si原子的质谱，就可得到m/z值为28、29和30的三个峰，且每个峰的强度与其同位素百分数成比例。 对于分子式为CwHxNyOz时，其同位素丰度有如下近似计算方法 M+11.1w+0.36y M+20.006w(w-1)+0.2z 各种化学式（C、H、N、O的各种组合）的M+1和M+2值，已由贝农（Beynon）按上述公式计算出来，并编成表格，称为贝农质谱数据表。因此，若根据质谱图已知化合物的分子离子的质荷比和M+1和M+2值，便可方便地查出它的化学式。,（1）分子离子峰的判断：在运用同
12、位素丰度法测定化合物的分子式之前，必须从质谱图上判断出分子离子峰。分子离子峰通常应具有以下特征：,第一，它是质谱图中质量数最大的峰（不包括它的同位素伴峰），因为它是化合物分子失掉一个电子的离子产生的峰。 第二，它一定是含有奇数电子的离子，因为差不多所有的有机分子都含偶数电子。 第三，它应符合氮规律，即在有机分子中分子量为偶数时，该分子不含氮或含偶数氮，分子量为奇数时，分子中必含奇数氮。在有机分子中，奇数化合价的原子（H、N、P、卤素）数目之和必为偶数（称为原子价总数规则）。 第四，它能够通过丢失合理的中性碎片，在高质量区域产生重要的碎片离子。如在质谱图中出现质荷比差15或18的峰，则说明是脱掉
13、了CH.3或H2O。,（2）分子式的推定,如果从质谱图中测出了M+1和M=2值，利用贝农表就能推定化合物的分子式。例如，在质谱图上的最大质量数区域有三个峰：80（M）100,81(M+1)5.13，82（M+2）0.10，查质量数80，贝农表列出：,显然，质谱图上质量数80的峰，分子式应是C4H4N2，因为它的M+1和M+2值与表中计算值最接近。此外，C3H2N3，C4H6NO，C5H6N肯定不是分子离子，因为它们不符合原子价总数规则。,例1：某质谱分子离子同位素族：M(150)100，M+1(151)9.9，M+2(152)0.9，推断化合物分子式。 从M+2=0.9可知化合物除氧以外不含其
14、它A+2元素，因为其它A+2元素的M+2值均在3以上。由M+1=1.1w，即w=(M+1)/1.1=9.9/1.1=9(碳原子数)，由M+2=0.006w(w-1)+0.2z，即z2（氧原子数）。分子量质量数（150）为偶数，根据氮律，化合物不含氮或含偶数氮。由于分子量的限制，不可能含2个氮原子，因此化合物分子式应为C9H10O2。,五、质谱解析的一般程序,利用质谱鉴定有机化合物时，常常用谱库进行解析，有时也需对未知化合物进行解析。一般解析程序如下： 确认分子离子峰，注意它与基峰的相对强度比，从而获得分子稳定性方面的概念。 注意M+的奇偶性，若为奇数，则含奇数N，结合考查低质量区偶质量碎片丰度
15、，判断是否含偶数N。 从M+1和M+2推出分子式。 获得化合物分子式及有关不饱和情况的资料后，再进一步分析碎片离子：找出图上主要离子峰的m/z及相对强度；注意M+有何主要碎片脱掉，以此推测结构类型；注意重要的特征离子，尤其是奇电子离子，据此推测结构类型。,案例分析一,水杨酸正丁酯（Butyl salicylate）：是一种重要的化工原料，是我国允许使用的食用香料。无色液体，微有冬青油的香味。分子式为：C11H14O3，分子量194. 其结构如下：,案例分析一,案例分析一,根据质谱图可以分析出其结构,案例分析一,根据质谱图可以分析出其结构。,案例分析二,案例分析二,案例分析二,香豆是天然香精的重
16、要原料。利用其质谱可判断化合物的结构。香豆精质谱图如下 :,案例分析三,麦角酰二乙胺（LSD）是一种致幻剂，具有较强的滥用倾向，滥用后可造成精神和行为的改变。 LSD的有效剂量很小，为微克水平，直接用GC/MS检测，可以提高灵敏度至少10倍。 GC/MS分析条件,案例分析三,案例分析三,案例分析三,由上面的LSD衍生物谱图可以看出，或得了LSD分子离子峰M+m/z395、基峰m/z 253和特征碎片离子m/z 293；SIM方式内标定量分析。LSD和内标物麦角酸甲基丙胺（LAMPA）分别选m/z395、m/z293、m/z253和m/z395、m/z293作定量指标。SIM方式对低含量样品定量分析的准确性和精确度笔SCAN方式好，灵敏度高。,