質(zhì)譜材料研究方法課件

第五章質(zhì)譜（MassSpectrometry,MS）一、教學(xué)目的與要求掌握質(zhì)譜的概念、質(zhì)譜計(jì)的組成；了解樣品的電離方式種類；掌握EI電離方法的原理；掌握磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)的基本方程并會(huì)通過(guò)方程分析如何將不同m/z的離子分離；掌握四極質(zhì)量分析器的工作原理；理解分辨率、靈敏度的概念；理解主要離子類型的來(lái)源；掌握分子離子峰的判別規(guī)則；掌握分子式的推導(dǎo)規(guī)則；掌握質(zhì)譜裂解反應(yīng)機(jī)理；掌握質(zhì)譜碎裂的規(guī)律及影響因素；了解質(zhì)譜解析的步驟。二、學(xué)習(xí)重點(diǎn)及難點(diǎn)分析重點(diǎn)：離子源及質(zhì)量分析器的工作原理；分子離子峰的判別規(guī)則；質(zhì)譜裂解反應(yīng)機(jī)理；質(zhì)譜碎裂的規(guī)律及影響因素。難點(diǎn)：質(zhì)譜圖解析應(yīng)用。三、授課主要內(nèi)容第一節(jié)概述第二節(jié)基本原理及儀器簡(jiǎn)介第三節(jié)離子的主要類型第四節(jié)分子離子峰的判別第五節(jié)分子式的確定第六節(jié)有機(jī)質(zhì)譜中的裂解反應(yīng)第七節(jié)各類有機(jī)化合物的質(zhì)譜第八節(jié)質(zhì)譜解析及應(yīng)用質(zhì)譜法是分離和記錄離子化的原子或分子的方法。研究對(duì)象同位素質(zhì)譜無(wú)機(jī)質(zhì)譜有機(jī)質(zhì)譜作用：準(zhǔn)確測(cè)定有機(jī)物的分子量，提供分子式和其他結(jié)構(gòu)信息。特點(diǎn)：靈敏度遠(yuǎn)高于其他結(jié)構(gòu)分析方法。離子質(zhì)荷比（m/z）相對(duì)強(qiáng)度（100%）離子質(zhì)荷比（m/z）相對(duì)強(qiáng)度（100%）153.24150262.84268273543100284.3443.529305715301.75813730.5正戊烷的電子轟擊電離質(zhì)譜橫坐標(biāo)為離子的質(zhì)荷比縱坐標(biāo)為離子的相對(duì)強(qiáng)度質(zhì)譜計(jì)由離子源、質(zhì)量分析器、離子檢測(cè)系統(tǒng)三個(gè)主要部分和進(jìn)樣系統(tǒng)、真空系統(tǒng)兩個(gè)輔助部分組成。

第二節(jié)基本原理及儀器簡(jiǎn)介一、樣品的電離物質(zhì)的電離方法有：電子轟擊（EI）：分子離子、碎片離子?；瘜W(xué)離子化（CI）：準(zhǔn)分子離子（高能電子束與小分子反應(yīng)氣作用，電離生成初級(jí)離子，初級(jí)離子再與樣品分子反應(yīng)所得）較多，碎片離子較少。場(chǎng)致離（FI）和場(chǎng)解吸（FD）：分子離子峰較強(qiáng)，碎片離子峰較少?？煸愚Z擊（FAB）：適用于對(duì)熱不穩(wěn)定的、極性強(qiáng)的分子、生物大分子及絡(luò)合物的測(cè)試。EI中轟擊電子是由離子源中的鎢絲或錸鎢絲制成的陰極在通電流加熱到2000℃時(shí)產(chǎn)生的，轟擊電子的能量可通過(guò)陰極和柵極間的電位差調(diào)節(jié)。EI有以下特點(diǎn)：方法成熟；譜圖中有較多的碎片離子，能提供豐富的結(jié)構(gòu)信息；靈敏度高，能檢測(cè)納克級(jí)樣品；重復(fù)性好；離子源的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便。二、離子的分離以磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)量分析器為例討論離子的分離。zV=mv2/2

Hzv=mv2/R

m/z=H2R2/2V

磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)的基本方程（H：磁場(chǎng)強(qiáng)度；R：正離子運(yùn)動(dòng)的曲率半徑；V：加速電極電位）當(dāng)加速電位V固定時(shí)，m/zR2

；當(dāng)加速電位V固定時(shí)，m/zH2

；固定R、H，掃描加速電位，同樣能達(dá)到離子按m/z分離的目的。三、儀器簡(jiǎn)介1、質(zhì)譜儀器的基本部件1）離子源——使被分析物質(zhì)電離成離子，并將離子會(huì)聚成有一定能量和幾何形狀的離子束。

813456721-電離盒2-推斥極3-引出極4-聚焦極5-Z向偏轉(zhuǎn)極6-總離子流檢測(cè)器7-主狹縫8-燈絲電壓掃描：將交流電壓的頻率固定，而連續(xù)改變直流電壓和交流電壓的大?。ū３謚/v比值不變）；頻率掃描：保持電壓不變而連續(xù)改變交流電壓的頻率。常用的質(zhì)量分析器還有：雙聚焦磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)、飛行時(shí)間質(zhì)譜計(jì)、離子回旋共振質(zhì)譜計(jì)等。3）檢測(cè)器——用于檢測(cè)各種質(zhì)荷比離子的強(qiáng)度。最常用的是二次電子倍增器。電子倍增器的工作原理為：當(dāng)來(lái)自于質(zhì)量分析器的正離子打擊陰極表面時(shí)，陰極產(chǎn)生二次電子，然后用多級(jí)瓦片狀的二次電極（也稱作打拿極）使二次電子不斷倍增。二次電極由銅-鈹合金等特殊的材料制成，這種材料的二次發(fā)射系數(shù)大于1。所謂二次發(fā)射系數(shù)是指對(duì)于一個(gè)二次電極，發(fā)射的二次電子流強(qiáng)度i2與入射的電子流強(qiáng)度i1之比。

4）真空系統(tǒng)——一般要求在10-4~10-6Pa。

離子與別的粒子相互作用前所飛過(guò)的平均距離稱為“離子平均自由程”，它與體系中的氣體壓強(qiáng)成反比。5）進(jìn)樣系統(tǒng)氣體或低沸點(diǎn)液體樣品的進(jìn)樣只需用注射針穿過(guò)封墊圈將樣品注入加熱的真空儲(chǔ)存器，液體樣品進(jìn)入后立即氣化，并維持一定的樣品氣壓。a：兩峰的中心距離；b：峰高5%處的峰寬。兩峰分開的標(biāo)準(zhǔn)（10%谷）（A）10%的定義（B）實(shí)際常見情況靈敏度（Sensitivity）——顯示儀器對(duì)樣品在量的方面的檢測(cè)能力。

絕對(duì)靈敏度相對(duì)靈敏度指在記錄儀上得到可檢測(cè)的質(zhì)譜信號(hào)所需的樣品量（g）

指可檢測(cè)到的微量雜質(zhì)的最小濃度（如ug?ml-1）

第三節(jié)離子的主要類型一、分子離子（奇電子離子）分子失去一個(gè)價(jià)電子而生成的離子，通常用M+?表示。M右上角的“+”表示分子離子帶一個(gè)電子電量的正電荷，“?”表示它有一個(gè)不成對(duì)電子，是個(gè)游離基。分子離子是最重要離子的原因：

它的質(zhì)荷比值等于分子量；是質(zhì)譜中所有碎片離子的先驅(qū)。五、負(fù)離子是通過(guò)電子捕獲及電離時(shí)形成離子對(duì)等機(jī)理產(chǎn)生的。六、離子-分子反應(yīng)生成的離子EI：進(jìn)樣量大時(shí)，發(fā)生離子-分子碰撞，分子離子從中性分子取得一個(gè)原子或原子基團(tuán)；CI：利用離子-分子反應(yīng)使樣品分子分離，化合物化學(xué)電離生成[M+H]+或[M-H]+（準(zhǔn)分子離子）。七、亞穩(wěn)離子某個(gè)離子在從離子源到檢測(cè)器的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生了碎裂，這種離子稱作亞穩(wěn)離子。第四節(jié)分子離子峰的判別一、分子離子峰的判別分子離子峰應(yīng)該是EI質(zhì)譜圖中最高質(zhì)量的離子。解析時(shí)把譜圖中最高質(zhì)荷比的離子假設(shè)為分子離子，然后用下列標(biāo)準(zhǔn)判別：分子離子必須是一個(gè)奇電子離子。用不飽和度f(wàn)來(lái)判斷離子所含電子的奇偶性：f為整數(shù)，則離子一定是奇電子離子；f為半整數(shù)，離子為偶電子離子。分子離子的質(zhì)量奇偶性必須符合氮規(guī)則。氮規(guī)則：假如一個(gè)化合物中不含氮或含有偶數(shù)個(gè)氮原子，則其分子離子的質(zhì)量（即分子量）一定是偶數(shù)；如果分子中含有奇數(shù)個(gè)氮原子，則其分子離子的質(zhì)量必定是奇數(shù)。最大豐度的同位素質(zhì)量和化合價(jià)或均為偶數(shù)，或均為奇數(shù)。（氮除外）合理的中性丟失。分子離子與最靠近它的一些碎片離子之間應(yīng)有一個(gè)合理的質(zhì)量差，如果這個(gè)質(zhì)量差落在4~14和21~25之間就是不合理的。第五節(jié)分子式的確定一、利用同位素離子豐度推導(dǎo)分子式常見元素按同位素組成特點(diǎn)分成三類：第一類為“A”，只有一個(gè)天然穩(wěn)定的同位素的元素；第二類為“A+1”，有兩個(gè)同位素的元素，其中豐度較小的同位素比最豐富的重一個(gè)質(zhì)量單位；第三類為“A+2”，這類元素中有一個(gè)比最豐富的同位素大兩個(gè)質(zhì)量單位的重同位素。

1）分子中氯、溴元素的識(shí)別和原子數(shù)目的確定氯、溴均是A+2類元素，且它們的重同位素豐度特別高。

2）分子中硫、硅原子的識(shí)別和數(shù)量確定如果譜圖中出現(xiàn)明顯的M+2峰，但M+2：M的豐度比遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1：3，應(yīng)考慮分子中可能含有硫或硅原子。分子中硫、硅原子的數(shù)目可由下列公式分別計(jì)算：S原子數(shù)目=（[M+2]/[M]）/4.4%；Si原子數(shù)目=（[M+2]/[M]）/3.4%。同位素標(biāo)記法：常用的同位素標(biāo)記是氘標(biāo)記。二、質(zhì)譜裂解反應(yīng)機(jī)理

McLafferty提出的“電荷-自由基定位理論”被廣泛用于裂解反應(yīng)機(jī)理的探討。認(rèn)為分子離子中電荷或自由基定位在分子的某個(gè)位置上，然后以一個(gè)電子（用單魚鉤表示）或電子對(duì)（用箭頭表示）轉(zhuǎn)移來(lái)“引發(fā)”裂解。單電子轉(zhuǎn)移發(fā)生的裂解反應(yīng)稱均裂，雙電子轉(zhuǎn)移發(fā)生的裂解反應(yīng)稱異裂。（1）自由基位置引發(fā)的裂解反應(yīng)動(dòng)力來(lái)自自由基有強(qiáng)烈的電子配對(duì)傾向，在自由基位置易引發(fā)分裂，同時(shí)伴隨著原化學(xué)鍵的斷裂和新化學(xué)鍵的生成。

分子離子化時(shí)，自由基或電荷位置優(yōu)先發(fā)生在電離電位最低的電子上。

電離電位（I）由小到大的順序?yàn)椋悍擎In電子<共軛π電子<非共軛π電子<σ電子；同一族元素，從上至下，I值依次減??；同一周期元素，從左至右I值增大。自由基位置引發(fā)的裂解反應(yīng)主要是指含C-Y或C=Y(Y=O、N、S)基團(tuán)的化合物。α裂解反應(yīng)如下：σ碎裂過(guò)程是當(dāng)σ鍵形成陽(yáng)離子的自由基時(shí)發(fā)生的碎裂過(guò)程，如：σ碎裂常發(fā)生在飽和烴類中，優(yōu)先發(fā)生在支鏈和取代基所在位置。

（2）自由基位置引發(fā)的重排反應(yīng)重排反應(yīng)中，伴隨有一個(gè)以上原化學(xué)鍵的斷裂和新鍵的生成。McLaffferty重排為γ位氫轉(zhuǎn)移，經(jīng)過(guò)六元過(guò)渡態(tài)，丟失穩(wěn)定的中性分子的重排，又稱γ氫重排。（3）電荷位置引發(fā)的裂解反應(yīng)是由于正電荷具有吸引或極化相鄰成鍵電子的能力，用符號(hào)i表示，分為奇電子離子（用OE+?表示）型和偶電子離子（用EE+表示）型。i裂解通式為：三、質(zhì)譜碎裂的一般規(guī)律和影響因素1、質(zhì)譜碎裂的一般規(guī)律1）分子中電離電位最低的電子最容易丟失，生成的正電荷和游離基就定域在丟失電子的位置上。

2）離子具有過(guò)剩的能量和帶有的正電荷或不成對(duì)電子是它發(fā)生碎裂的原因和動(dòng)力。

正電荷——異裂；游離基——均裂。

3）質(zhì)譜中的碎片離子多而復(fù)雜，造成質(zhì)譜解析的困難。

4）產(chǎn)物離子的相對(duì)豐度主要由它的穩(wěn)定性決定。

2、影響離子碎裂的因素1）化學(xué)鍵的相對(duì)強(qiáng)度。鍵能大的化學(xué)鍵強(qiáng)度大，不容易斷裂。

鍵類型C-CC-NC-OC-SC-HC-FC-ClC-BrC-IO-H單鍵345304359272409485338284213462雙鍵607615748535三鍵835889

2）碎裂產(chǎn)物的穩(wěn)定性。

3）立體化學(xué)因素。

第七節(jié)各類有機(jī)化合物的質(zhì)譜一、烴類化合物的質(zhì)譜1、烷烴直鏈烷烴：直鏈烷烴的分子離子峰可見。出現(xiàn)M-29及一系列CnH2n+1（m/z29，43，57，71…）峰；相鄰的對(duì)應(yīng)峰Δm=14；m/z43，57相對(duì)強(qiáng)度較大，往往是基峰。支鏈烷烴：M+?峰較相應(yīng)的直鏈烷烴弱；烴類化合物質(zhì)譜中若出現(xiàn)M-15峰，表明化合物可能含有側(cè)鏈甲基。環(huán)烷烴：分子離子峰的相對(duì)豐度較強(qiáng)；質(zhì)譜圖中可見m/z41、55、56、69等碎片離子峰。

2、烯烴烯烴中雙鍵的引入，可增加分子離子峰的強(qiáng)度；相鄰的對(duì)應(yīng)峰Δm=14；烯烴峰群中CnH2n-1（m/z41、55、69、83…）峰較強(qiáng)，m/z41往往是基峰。

3、芳烴芳烴類化合物穩(wěn)定，分子離子峰強(qiáng)。芳烴化合物的苯核可裂解成C3H3（m/=39）、C4H2(m/z=50)、C4H3(m/z=51)、C4H5(m/z=53)、C6H5（m/z=77）的碎片離子。二、醇、酚、醚1、醇類化合物脂肪醇的分子離子峰很弱，一般進(jìn)行α-裂解，生成m/z=31的離子。但所有的伯醇（甲醇除外）、高分子量的仲醇和叔醇易失去水，形成M-18的峰。2、酚類化合物酚中最重要的裂解過(guò)程是失去CO和CHO，分別得到（M-28）和（M-29）峰。酚的分子離子峰強(qiáng)度大。3、醚類化合物脂肪族醚類的分子離子峰弱，易發(fā)生α-裂解及碳-碳σ鍵斷裂，生成系列CnH2n+1O的含氧碎片峰；芳香烴基醚的M+?較強(qiáng)，裂解主要發(fā)生C-O鍵斷裂。第八節(jié)質(zhì)譜解析及應(yīng)用一、譜圖解析步驟1、由分子離子峰獲取相對(duì)分子量及元素組成信息。除相對(duì)分子質(zhì)量之外，分子離子提供的信息還包括：是否含奇數(shù)氮原子。含雜原子的情況。對(duì)于化學(xué)結(jié)構(gòu)不是很復(fù)雜的普通有機(jī)物，根據(jù)其分子離