第六章質(zhì)譜分析模板課件

第十章質(zhì)譜分析法（MS）10.1概述

質(zhì)譜分析法（MassSpectrometry,MS）是在高真空系統(tǒng)中測定樣品的分子離子及碎片離子質(zhì)量，以確定樣品相對分子質(zhì)量及分子結(jié)構(gòu)的方法?；衔锓肿邮艿诫娮恿鳑_擊后，形成的帶正電荷分子離子及碎片離子，按照其質(zhì)量m和電荷z的比值m/z（質(zhì)荷比）大小依次排列而被記錄下來的圖譜，稱為質(zhì)譜。

質(zhì)譜分析法的特點（1）應(yīng)用范圍廣。測定樣品可以是無機物，也可以是有機物。應(yīng)用上可做化合物的結(jié)構(gòu)分析、測定原子量與相對分子量、同位素分析、生產(chǎn)過程監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、熱力學與反應(yīng)動力學、空間探測等。被分析的樣品可以是氣體和液體，也可以是固體。（2）靈敏度高，樣品用量少。目前有機質(zhì)譜儀的絕對靈敏度可達50pg（pg為10?12g），無機質(zhì)譜儀絕對靈敏度可達10?14

。用微克級樣品即可得到滿意的分析結(jié)果。（3）分析速度快，并可實現(xiàn)多組分同時測定。（4）與其它儀器相比，儀器結(jié)構(gòu)復雜，價格昂貴，使用及維修比較困難。對樣品有破壞性。

發(fā)展概況

從20世紀60年代開始，質(zhì)譜就廣泛應(yīng)用于有機化合物分子結(jié)構(gòu)的測定。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，質(zhì)譜儀已實現(xiàn)了與不同的分離儀器的聯(lián)用。例如，氣相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用、液相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用、質(zhì)譜和質(zhì)譜的聯(lián)用已成為一種用途很廣的有機化合物分離、結(jié)構(gòu)測定及定性定量分析的方法。另外，質(zhì)譜儀和電子計算機的結(jié)合使用，不僅簡化了質(zhì)譜儀的操作，又提高了質(zhì)譜儀的效能。特別是近年來從各種類型有機分子結(jié)構(gòu)的研究中，找出了一些分子結(jié)構(gòu)與質(zhì)譜的規(guī)律，使質(zhì)譜成為剖析有機物結(jié)構(gòu)的強有力的工具之一。在鑒定有機物的四大重要手段（NMR、MS、IR、UV）中，也是唯一可以確定分子式的方法（測定精度達10?4）。

目前質(zhì)譜技術(shù)已發(fā)展成為三個分支，即同位素質(zhì)譜、無機質(zhì)譜和有機質(zhì)譜。本章主要介紹有機質(zhì)譜。10.2質(zhì)譜分析法的基本原理質(zhì)譜儀有機質(zhì)譜儀包括離子源、質(zhì)量分析器、檢測器和真空系統(tǒng)?，F(xiàn)以扇形磁場單聚焦質(zhì)譜儀為例，將質(zhì)譜儀器各主要部分的作用原理討論如下。下圖為單聚焦質(zhì)譜儀的示意圖。

單聚焦質(zhì)譜儀（1）真空系統(tǒng)

質(zhì)譜儀的離子源、質(zhì)譜分析器及檢測器必須處于高真空狀態(tài)（離子源的真空度應(yīng)達10?3～10?5Pa，質(zhì)量分析器應(yīng)達10?6Pa），若真空度低，則：（i）大量氧會燒壞離子源的燈絲；（ii）會使本底增高，干擾質(zhì)譜圖；（iii）引起額外的離子-分子反應(yīng)，改變裂解模型，使質(zhì)譜解釋復雜化；（iv）干擾離子源中電子束的正常調(diào)節(jié)；（v）用作加速離子的幾千伏高壓會引起放電，等等。（2）進樣系統(tǒng)直接進樣桿進樣

對于氣體及沸點不高、易于揮發(fā)的樣品，可以用圖中上方的裝置。貯樣器為玻璃或上釉不銹鋼制成，抽低真空（1Pa），并加熱至150℃，試樣以微量注射器注入，在貯樣器內(nèi)立即化為蒸汽分子，然后由于壓力梯度，通過漏孔以分子流形式滲透入高真空的離子源中。對于高沸點的液體、固體，可以用探針（probe）桿直接進樣。調(diào)節(jié)加熱溫度，使試樣氣化為蒸汽。此方法可將微克量級甚至更少試樣送入電離室。探針桿中試樣的溫度可冷卻至約－100℃，或在數(shù)秒鐘內(nèi)加熱到較高溫度（如300℃左右）。（3）離子源(ionsource)

電子轟擊電離源(EI源)

被分析的氣體或蒸汽首先進入儀器的離子源，轉(zhuǎn)化為離子。使分子電離的手段很多。最常用的離子源是電子轟擊（electronimpact，EI）離子源，其構(gòu)造原理如圖電子轟擊離子源

在電離室內(nèi)，氣態(tài)的樣品分子受到高速電子的轟擊后，該分子就失去電子成為正離子（分子離子）：分子離子繼續(xù)受到電子的轟擊，使一些化學鍵斷裂，或引起重排以瞬間速度裂解成多種碎片離子（正離子）。在排斥極上施加正電壓，帶正電荷的陽離子被排擠出離子化室，而形成離子束，離子束經(jīng)過加速極加速，而進入質(zhì)量分析器。多余熱電子被鎢絲對面的電子收集極（電子接收屏）捕集。分子離子繼續(xù)受到電子的轟擊，使一些化學鍵斷裂，或引起重排以瞬間速度裂解成多種碎片離子（正離子）。在排斥極上施加正電壓，帶正電荷的陽離子被排擠出離子化室，而形成離子束，離子束經(jīng)過加速極加速，而進入質(zhì)量分析器。多余熱電子被鎢絲對面的電子收集極（電子接收屏）捕集。

化學電離源（CI）有些化合物穩(wěn)定性差，用EI方式不易得到分子離子，因而也就得不到分子量。為了得到分子量可以采用化學電離源（chemicalionization）。

現(xiàn)以甲烷作為反應(yīng)氣為例，說明化學電離的過程。在電子轟擊下，甲烷首先被電離：現(xiàn)以甲烷作為反應(yīng)氣為例，說明化學電離的過程。在電子轟擊下，甲烷首先被電離：

CH4+→CH4+＋CH3+＋CH2+＋CH+＋C+＋H+甲烷離子與分子進行反應(yīng)，生成加合離子：

CH4+＋CH4→CH5+＋CH3CH3+＋CH4→C2H5+＋H2加合離子與樣品分子反應(yīng)：

CH5+

＋XH→XH2+＋CH4C2H5+

＋XH→X+＋C2H6

生成的XH2+和X+比樣品分子多一個H或少一個H，可表示為(M±1)+，稱為準分子離子。事實上，以甲烷作為反應(yīng)氣，除(M±1)+之外，還可能出現(xiàn)(M＋17)+，(M＋29)+等離子，同時還出現(xiàn)大量的碎片離子?；瘜W電離源是一種軟電離方式，有些用EI方式得不到分子離子的樣品，改用CI后可以得到準分子離子，因而可以推斷相對分子質(zhì)量。但是由于CI得到的質(zhì)譜不是標準質(zhì)譜，所以不能進行庫檢索。電噴霧電離源（ESI）

電噴霧電離源利用位于一根毛細管和質(zhì)譜儀進口間的電位差來生成離子，在電場作用下產(chǎn)生以噴霧形式存在的帶電液滴。當使用干燥加熱時，溶劑蒸發(fā)，液體體積縮小，最終生成去溶劑化離子。ESI適于精細研究，如藥物及蛋白質(zhì)分析。

ESI也是一種軟電離方式?；|(zhì)輔助激光解析離子源（MALDI）利用對使用的激光波長范圍具有吸收并能提供質(zhì)子的基質(zhì)(一般常用小分子液體或結(jié)晶化合物)，與樣品按比例均勻混合，干燥后送入離子室。在真空下受激光照射，基質(zhì)吸收激光能且并傳遞給樣品，從而使樣品解吸和電離。MALDI的特點是：準分子離子峰很強，且碎片離子少。通常用于飛行時間質(zhì)譜，特別適合測定多肽、蛋白質(zhì)、DNA片斷、多糖等的相對分子質(zhì)量。三、質(zhì)量分析器（massanalyzer）

單聚焦質(zhì)量分析器：單聚焦質(zhì)量分析器所使用的磁場是扇性磁場，當被加速的離子流進入質(zhì)量分析器后，在磁場作用下，各種陽離子被偏轉(zhuǎn)。質(zhì)量小的偏轉(zhuǎn)大，質(zhì)量大的偏轉(zhuǎn)小，因此互相分開。當連續(xù)改變磁場強度或加速電壓，各種陽離子將按m/z大小順序依次到達離子檢測器（收集極），產(chǎn)生的電流經(jīng)放大，由記錄裝置記錄成質(zhì)譜圖。由于離子初始能量不同，經(jīng)過磁場后其偏轉(zhuǎn)半徑也不同，以能量大小順序分開，這樣就使得相鄰兩種質(zhì)量的離子很難分離，從而降低了分辨率。雙聚焦質(zhì)量分析器：為了消除離子能量分散對分辨率的影響，通常在扇形磁場前加一扇形電場，扇形電場是一個能量分析器，不起質(zhì)量分離作用。質(zhì)量相同而能量不同的離子經(jīng)過靜電電場后會彼此分開。即靜電場有能量色散作用。如果設(shè)法使靜電場的能量色散作用和磁場的能量色散作用大小相等方向相反，就可以消除能量分散對分辨率的影響。飛行時間質(zhì)量分析器離子阱質(zhì)量分析器：離子阱的結(jié)構(gòu)如圖所示。離子阱的主體是一個環(huán)電極和上下兩端蓋電極，環(huán)電極和上下兩端蓋電極都是繞Z軸旋轉(zhuǎn)的雙曲面。離子阱質(zhì)量分析器四極桿分析器(Quadrupoleanalyzer)四極桿分析器由四根棒狀電極組成。相對兩根電極間加有電壓（Vdc+Vrf），另外兩根電極間加有-（Vdc+Vrf）。其中Vdc為直流電壓，Vrf為射頻電壓。四個棒狀電極形成一個四極電場。只有滿足一定條件的離子才能到達離子收集器。四級桿質(zhì)譜原理toosmalltoobigright（5）離子檢測器

常以電子倍增器（electronmultiplier）檢測離子流。電子倍增器種類很多，其工作原理如下圖所示。一定能量的離子轟擊陰極導致電子發(fā)射，電子在電場的作用下，依次轟擊下一級電極而被放大，電子倍增器的放大倍數(shù)一般在105～108。電子倍增器中電子通過的時間很短，利用電子倍增器可以實現(xiàn)高靈敏、快速測定。但電子倍增器存在質(zhì)量歧視效應(yīng)，且隨使用時間增加，增益會逐步減小。電子倍增器質(zhì)譜儀工作過程及基本原理（1）將樣品由貯存器送入電離室。（2）樣品被高能量（70～100ev）的電子流沖擊。通常，首先被打掉一個電子形成分子離子（母離子），若干分子離子在電子流的沖擊下，可進一步裂解成較小的子離子及中性碎片，其中正離子被安裝在電離室的正電壓裝置排斥進入加速室。（只要正離子的壽命在10?5～10?6s）。（3）加速室中有2000V的高壓電場，正離子在高壓電場的作用下得到加速，然后進入分離管。在加速室里，正離子所獲得的動能應(yīng)該等于加速電壓和離子電荷的乘積（即電荷在電場中的位能）。式中z為離子電荷數(shù),U為加速電壓。顯然，在一定的加速電壓下，離子的運動速度與質(zhì)量m有關(guān)。

（4）分離管為一定半徑的圓形管道，在分離管的四周存在均勻磁場。再磁場的作用下，離子的運動由直線運動變?yōu)閯蛩賵A周運動。此時，圓周上任何一點的向心力和離心力相等。故：

mυ2/R=H

zυ

其中，R為圓周半徑，H為磁場強度。

合并上述兩式消去υ，可得

m/z=H2R2/2U

稱為磁分析器質(zhì)譜方程，是設(shè)計質(zhì)譜儀的主要依據(jù)。式中R為一定值（因儀器條件限制），如再固定加速電壓U，則m/z僅與外加磁場強度H有關(guān)。實際工作中通過調(diào)節(jié)磁場強度H，使其由小到大逐漸變化，則m/z不同的正離子也依次由小到大通過分離管進入離子檢測器，產(chǎn)生的信號經(jīng)放大后，被記錄下來得到質(zhì)譜圖。質(zhì)譜儀主要性能指標（1）分辨率分辨率是指儀器對質(zhì)量非常接近的兩種離子的分辨能力。一般定義是：對兩個相等強度的相鄰峰，當兩峰間的峰谷不大于其峰高10%時，則認為兩峰已經(jīng)分開，其分辨率：

其中m1、m2為質(zhì)量數(shù)，且m1＜m2，故在兩峰質(zhì)量數(shù)較小時，要求儀器分辨率越大。質(zhì)譜儀10%峰谷分辨率

而在實際工作中，有時很難找到相鄰的且峰高相等的兩個峰，同時峰谷又為峰高的10%。在這種情況下，可任選一單峰，測其峰高5%處的峰寬W0.05，即可當作上式中的△m，此時分辨率定義為：

（2）質(zhì)量范圍質(zhì)量范圍是指質(zhì)譜儀能測量的最大m/z值，它決定儀器所能測量的最大相對分子量。自質(zhì)譜進入大分子研究的分析領(lǐng)域以來，質(zhì)量范圍已成為被關(guān)注和感性趣的焦點。各種質(zhì)譜儀具有的質(zhì)量范圍各不相同。目前質(zhì)量范圍最大的質(zhì)譜儀是基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時間質(zhì)譜儀，該種儀器測定的分子質(zhì)量可高達1000000u以上。測定氣體用的質(zhì)譜儀，一般質(zhì)量測定范圍在2～100，而有機質(zhì)譜儀一般可達幾千。

質(zhì)譜圖質(zhì)譜圖中的豎線稱為質(zhì)譜峰，不同的質(zhì)譜峰代表有不同質(zhì)荷比的離子，峰的高低表示產(chǎn)生該峰的離子數(shù)量的多少。質(zhì)譜圖的質(zhì)荷比（m/z）為橫坐標，以離子峰的相對豐度為縱坐標。圖中最高的峰稱為基峰?；宓南鄬ωS度常定為100%，其它離子峰的強度按基峰的百分比表示。在文獻中，質(zhì)譜數(shù)據(jù)也可以用列表的方法表示丙酮的質(zhì)譜圖離子主要類型分子離子（1）分子離子形成樣品分子失去一個電子而形成的離子稱為分子離子。所產(chǎn)生的峰稱為分子離子峰或稱母峰，一般用符號表示。其中“+”代表正離子，“·”代表不成對電子。如：分子離子峰的m/z就是該分子的分子量。（2）形成分子離子時電子失去的難易程度及表示方法有機化合物中原子的價電子一般可以形成σ鍵、π鍵，還可以是未成鍵電子n（即獨對電子），這些類型的電子在電子流的撞擊下失去的難易程度是不同的。一般來說，含有雜原子的有機分子，其雜原子的未成鍵電子最易失去；其次π鍵；再次是碳-碳相連的σ鍵；而后是碳-氫相連的σ鍵。即失去電子的難易順序為：雜原子＞C=C＞C—C＞C—H

易難（3）分子離子峰的強度與結(jié)構(gòu)的關(guān)系分子離子峰的強度與結(jié)構(gòu)的關(guān)系有如下規(guī)律：

a碳鏈越長，分子離子峰越弱；

b存在支鏈有利于分子離子裂解，故分子離子峰很弱；

c飽和醇類及胺類化合物的分子離子弱；

d有共振系統(tǒng)的分子離子穩(wěn)定，分子離子峰強；

e環(huán)狀分子一般有較強的分子離子峰

綜合上述規(guī)律，有機化合物在質(zhì)譜中的分子離子的穩(wěn)定性（即分子離子峰的強度）有如下順序：芳香環(huán)＞共軛烯＞烯＞環(huán)狀化合物＞羰基化合物＞醚＞酯＞胺＞酸＞醇＞高度分支的烴類。

（4）分子離子峰的識別方法（i）注意m/z值的奇偶規(guī)律只有C.H.O組成的有機化合物，其分子離子峰的m/z一定是偶數(shù)。在含氮的有機化合物（N的化合價為奇數(shù)）中，N原子個數(shù)為奇數(shù)時，其分子離子峰m/z一定是奇數(shù)；N原子個數(shù)為偶數(shù)時，則分子離子峰m/z一定是偶數(shù)。（ii）同位素峰對確定分子離子峰的貢獻利用某些元素的同位素峰的特點（在自然界中的含量），來確定含有這些原子的分子離子峰。（iii）注意該峰與其它碎片離子峰之間的質(zhì)量差是否有意義通常在分子離子峰的左側(cè)3～14個質(zhì)量單位處，不應(yīng)有其他碎片離子峰出現(xiàn)。如有其它峰（出現(xiàn)），則該峰不是分子離子峰。因為不可能從分子離子上失去相當于3～14個質(zhì)量單位的結(jié)構(gòu)碎片。碎片離子

碎片離子是由于分子離子進一步裂解產(chǎn)生的。生成的碎片離子可能再次裂解，生成質(zhì)量更小的碎片離子，另外在裂解的同時也可能發(fā)生重排，所以在化合物的質(zhì)譜中，常看到許多碎片離子峰。碎片離子的形成與分子結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系，一般可根據(jù)反應(yīng)中形成的幾種主要碎片離子，推測原來化合物的結(jié)構(gòu)亞穩(wěn)離子

質(zhì)譜中的離子峰，不論強弱，絕大多數(shù)都是尖銳的，但也存在少量較寬（一般要跨2~5個質(zhì)量單位），強度較低，且m/z不是整數(shù)值的離子峰，這類峰稱為亞穩(wěn)離子（metastableion）峰。（1）亞穩(wěn)離子的產(chǎn)生正常的裂解都是在電離室中進行的，如質(zhì)量為m1的母離子在電離室中裂解：

m1+

m2+

＋中性碎片

生成的碎片離子就會在質(zhì)荷比為m2的地方被檢測出來。但如上述的裂解是在m1+離開了加速電場，進入磁場時才發(fā)生，則生成的碎片離子的能量要小于正常的m2+。因它在加速電場中是以m1的質(zhì)量被加速，而在磁場中是以m2的質(zhì)量被偏轉(zhuǎn)，故它將不在m2處被檢出，而是出現(xiàn)在質(zhì)荷比小于m2的地方，這就是產(chǎn)生亞穩(wěn)離子的原因。一般亞穩(wěn)離子用m*來表示。

m1、m2、和m*之間存在下列關(guān)系：

m*=m22/m1

（2）亞穩(wěn)離子的識別a一般的碎片離子峰都很尖銳，但亞穩(wěn)離子峰鈍而?。籦亞穩(wěn)離子峰一般要跨2~5個質(zhì)量單位；c亞穩(wěn)離子的質(zhì)荷比一般都不是整數(shù)。（3）亞穩(wěn)離子峰在解析質(zhì)譜中的意義亞穩(wěn)離子峰的出現(xiàn)，可以確定m1+

m2+

的開裂過程的存在。但須注意，并不是所有的開裂都會產(chǎn)生亞穩(wěn)離子。所以，沒有亞穩(wěn)離子峰的出現(xiàn)并不能否定某種開裂過程的存在

同位素離子

質(zhì)譜中還常有同位素離子（istopicion）。在一般有機化合物分子鑒定時，可以通過同位素的統(tǒng)計分布來確定其元素組成，分子離子的同位素離子峰相對強度比總是符合統(tǒng)計規(guī)律的。如在CH3CI、C2H5CI等分子中CIm+2/CIm=32.5%，而在含有一個溴原子的化合物中(M+2)+峰的相對強度幾乎與m+

峰的相等。同位素離子峰可用來確定分子離子峰。重排離子峰

重排離子是由原子遷移產(chǎn)生重排反應(yīng)而形成的離子。重排反應(yīng)中，發(fā)生變化的化學鍵至少有兩個或更多。重排反應(yīng)可導致原化合物碳架的改變，并產(chǎn)生原化合物中并不存在的結(jié)構(gòu)單元離子。質(zhì)譜法的應(yīng)用質(zhì)譜解析解析未知物的圖譜，可按下述程序進行。第一步對分子離子區(qū)進行解析（推斷分子式）（1）確認分子離子峰，并注意分子離子峰對基峰的相對強度比，這對判斷分子離子的穩(wěn)定性以及確定結(jié)構(gòu)是有一定幫助的。（2）注意是偶數(shù)還是奇數(shù)，如果為奇數(shù)，而元素分析又證明含有氮時，則分子中一定含有奇數(shù)個氮原子。（3）注意同位素峰中M+1/M及M+2/M數(shù)值的大小，據(jù)此可以判斷分子中是否含有S、CI、Br，并可初步推斷分子式。（4）根據(jù)高分辨質(zhì)譜測得的分子離子的m/z值，推定分子式。

第二步對碎片離子區(qū)的解析（推斷碎片結(jié)構(gòu)）（1）找出主要碎片離子峰。并根據(jù)碎片離子的質(zhì)荷比，確定碎片離子的組成。常見碎片離子的組成見表6-2

離子失去的碎片可能存在的結(jié)構(gòu)M-1H醛，某些醚及胺M-15CH3甲基M-18H2O醇類，包括糖類M-28C2H4，CO，N2C2H4，麥氏重排，COM-29CHO，C2H5醛類，乙基M-34H2S硫醇M-35CIM-36HCI氯化物M-43CH3CO，C3H7甲基酮，丙基M-45C00H

羧酸類M-60CH3COOH醋酸酯（2）注意分子離子有何重要碎片脫去m/e離子可能的結(jié)構(gòu)類型29CHO、C2H5

醛類、乙基30CH2NH2

伯胺43CH3COCH3COC3H7

丙基29、43、57、71等C2H5、C3H7

直鏈烷烴39、50、71芳香化合物芳香化合物52、65、7760CH3COOH羧酸類、醋酸類91C6H5CH2

芐基105C6H5CO苯甲?；?）找出亞穩(wěn)離子峰，利用m*=m22/m1，確定m1與m2的關(guān)系，確定開裂類型。第三步提出結(jié)構(gòu)式根據(jù)以上分析，列出可能存在的結(jié)構(gòu)單元及剩余碎片，根據(jù)可能的方式進行連接，組成可能的結(jié)構(gòu)式

例1某未知物經(jīng)測定是只含C、H、O的有機化合物，紅外光譜顯示在3100～3600cm?1之間無吸收，其質(zhì)譜如圖，試推測其結(jié)構(gòu)。未知物質(zhì)譜圖

解：第一步解析分子離子區(qū)（1）分子離子峰較強，說明該樣品分子離子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可能