第二節(jié) 質(zhì)譜中的主要離子.ppt

1、第二節(jié) 質(zhì)譜中的主要離子,在一張質(zhì)譜圖上可以看到許多峰及其相對強度的信息，這些峰的位置和強度和化合物分子種類及結(jié)構(gòu)有關(guān)。呈現(xiàn)在質(zhì)譜中的峰主要有分子離子峰、同位素離子峰、碎片離子峰、亞穩(wěn)離子峰、多電子離子峰。這些峰均有相對應(yīng)的離子產(chǎn)生。 質(zhì)譜解析既是對各化合物質(zhì)譜中各種離子峰加以識別和解析。以判斷化合物的元素組成、分子量、分子式和分子結(jié)構(gòu)。主要是分子離子及由分子離子確定的分子量和元素組成式的信息。其次是由碎片離子提供的結(jié)構(gòu)信息，即試樣分子中的結(jié)構(gòu)單元及其連接順序。,一、分子離子（molecular ion） 1、定義：是試樣分子受高速電子轟擊后丟失電子在尚未碎裂情況下形成的離子。其質(zhì)荷比在數(shù)值上

2、為該化合物的分子量。分子離子峰應(yīng)為EI譜中質(zhì)量數(shù)最大的峰，一般也就是譜中最右端的峰（不計其右邊的同位素峰）。 2、分子離子的產(chǎn)生： 有機化合物中，不同的電子具有不同的能量。通常，n電子的能量高于電子，而電子的能量又高于電子，所以，試樣分子在發(fā)生電離時，最容易失去的是n電子，其次是電子，再次是電子，即電離的順序為： n電子電子電子。 表現(xiàn)在化學(xué)鍵上：C-X C=C C-C C-H,3、分子離子的表示： 某些有機化合物，可以直接表示分子失去電子的位置；有些化合物難以直接確定是哪個電子被電離。,鍵電子 鍵電子 非鍵電子,試樣分子離子的電離狀態(tài)應(yīng)盡量直接表示出來，這對以后推測分子離子的裂解方式十分有用

3、。,4、分子離子峰的判斷原則,(1) 最大質(zhì)量數(shù)的峰可能是分子離子峰（同位素峰除外）。 (2) 它在高m/z區(qū)域應(yīng)有合理的、通過丟失中性碎片而形成的碎片峰。合理的中性碎片（小分子及自由基）的丟失，這是判斷分子離子峰的最重要依據(jù)。失去中性小分子在質(zhì)量上有一定的規(guī)律性，如失去H（M1）, CH3（M15）或H2O(M18)等。 M3到M13之內(nèi)不可能有峰，因分子離子峰不可能掉下四個氫原子而保持分子的完整性；M20到M25也不可能有峰，因為有機分子不含這些質(zhì)量數(shù)的基團。當發(fā)現(xiàn)上述差值存在時，說明最大質(zhì)量數(shù)的峰不是分子離子峰。 常見的失去離子類型有：,(3) 分子離子峰的質(zhì)量應(yīng)符合氮規(guī)則。 氮規(guī)則表述

4、為：當化合物不含氮或含偶數(shù)個氮時，該化 合物分子量為偶數(shù)；當化合物含奇數(shù)個氮時，該化合物分子量為奇數(shù)。 如果我們知道試樣不含氮而最高質(zhì)量端顯示奇數(shù)質(zhì)量峰時，則該峰不是分子離子峰。 (4) M+峰和M+1峰或M-1峰的判別: 醚、酯、胺、酰胺、腈化物、氨基酸酯、胺醇等可能有較強的M+1峰，芳醛、某些醇或某些化合物可能有較強的M-1峰。 另：可據(jù)經(jīng)驗，結(jié)合裂解規(guī)律進行確認。,5、分子離子峰的相對豐度,質(zhì)譜中，不同的化合物因結(jié)構(gòu)不同，分子離子的穩(wěn)定性差異很大，故分子離子峰的相對豐度是不同的。有的化合物，分子離子峰的相對豐度很大，有的甚至在質(zhì)譜中不出現(xiàn)分子離子峰。 分子結(jié)構(gòu)中有某種使分子離子穩(wěn)定的因素

5、時，其分子離子峰的相對豐度就大。 （1）具有離域電子系統(tǒng)的化合物，如芳香類化合物、共軛多烯化合物等。因為生成的分子離子，其正電荷能被共軛體系所分散，從而提高了它的穩(wěn)定性。 如甲苯的質(zhì)譜圖中m/z為91的碎片離子為基峰。,（2）具有環(huán)狀或多環(huán)類結(jié)構(gòu)的化合物，其分子離子峰的相對豐度也較大，這是因為一次裂解還不能使環(huán)狀分子變成碎片離子，需二次裂解才能形成碎片離子。 （3）含雜原子的化合物其分子離子峰的相對豐度小，如：如醇、胺等。如2戊醇的質(zhì)譜 。,由于碎片離子中的氧原子具有八偶體結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性大于分子離子。結(jié)果，促使生成的分子離子快速地裂解成碎片離子，減少了分子離子的數(shù)值和生存時間，使得分子離子峰的

6、相對豐度減弱。 結(jié)構(gòu)中具有高度分支的化合物，其分子離子峰的相對豐度也較小。這是因為在正碳離子中，穩(wěn)定性的次序是叔正離子仲正離子伯正離子，化合物結(jié)構(gòu)中的支鏈多，分子離子就容易通過裂解生成較穩(wěn)定的碎片離子。,如叔丁醇質(zhì)譜圖,其分子量為74，但質(zhì)譜中沒有分子離子峰。主要是因為該化合物在結(jié)構(gòu)中存在上述兩個使碎片離子穩(wěn)定的因素，致使質(zhì)譜中觀察不到分子離子峰。,綜上所述，有機化合物在質(zhì)譜中分子離子的穩(wěn)定性（即分子離子峰的相對豐度）有如下次序： 芳香族化合物共軛多烯脂環(huán)化合物短直鏈烷烴某些含硫化合物。這些化合物均能給出較顯著的分子離子峰。 直鏈的酮、酯、酸、醛、酰胺、醚、鹵化物等通常顯示分子離子峰。 脂肪族

7、且分子量較大的醇、胺、亞硝酸酯、硝酸酯等化合物及高分支鏈的化合物沒有分子離子峰。 由于化合物常含多個官能團，實際情況也復(fù)雜，因而上述三點僅是一個很粗略的概括，例外者甚多。,6、提高分子離子峰相對豐度的方法-如何獲得不穩(wěn)定化合物的分子離子峰, 制備易揮發(fā)性的衍生物：酸酯、醇醚。 降低轟擊電子流的能量（降低電壓）。 采用軟電離方法： 化學(xué)電離法（Chemical Ionization, CI） 利用一些惰性的試劑氣體（如甲烷、丁烷、異丁烷、甲醇 、氫氣、氮氣等。）在離子源中先產(chǎn)生試劑離子，隨后，試劑離子與樣品分子發(fā)生離子-分子反應(yīng)，使樣品分子電離，形成相對豐度較大的準分子離子峰（M+1、M-1)。

8、 采用化學(xué)法電離生成的最大m/z的峰不是分子離子峰，而是（M+1）或（M1）峰或其它峰，這些峰被稱為準分子離子峰，在求算分子量時，應(yīng)注意到這一點。 CI的離子源與EI相似，主要區(qū)別是離子源中含有較高濃度的反應(yīng)氣體，樣品離子化需要能量較低，進一步反應(yīng)發(fā)生裂解的可能性小，形成碎片少。,快原子轟擊 ( Fast Atom Bombardment, FAB) 將試樣溶解在基質(zhì)之中（常用基質(zhì)有甘油、硫代甘油、三乙醇胺 、聚乙二醇等），在將試樣溶液滴于一金屬靶上，直接插入FAB源中，用加速到數(shù)千ev的惰性氣體（常用中性氬原子）轟擊液滴表面離子，將液相進入氣相，在進入質(zhì)譜儀進行分析。 適用于高極性、難氣化的

9、及對熱敏感分子量較大的有機化合物。 場致電離法(Field Ionization,FI) 利用近距離（常小于1mm）高壓直流電壓（幾千上萬伏）產(chǎn)生的強電場（約107V/cm）將位于兩極間不到1mm處的樣品分子中的電子拉走，形成分子離子。,場解析電離法(Field Ionization,EI) 與場致電離法原理類似，主要是樣品引入方法不同。方法是將作場離子發(fā)射體的細絲（將活化的鎢絲、碳針）放在樣品溶液中浸一下，使少量樣品沾在細絲上，待溶劑揮發(fā)后，樣品吸附在發(fā)射體上，細絲通以電流使樣品解析，并擴散到高場強的發(fā)射區(qū)進行電離。因解析能較小，故產(chǎn)生的分子離子峰相對豐度比場致電離法產(chǎn)生的還要大。 基質(zhì)輔助

10、激光解析電離 (Matrix Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI） 與前述的CI、FAB等軟電離技術(shù)不同，該過程用的是試樣與基質(zhì)的共結(jié)晶體，激光聚焦于試樣表面，使試樣由凝集相解吸而形成離子。 對于熱敏感的化合物，如果對他們進行極快速的加熱，可以避免其加熱分解。利用這個原理，采用脈沖式的激光，在一個微小的區(qū)域內(nèi)，在極短的時間間隔（納秒數(shù)量級），激光可對靶物提供高的能量，在極短的時間內(nèi)穿越試樣，對熱敏感或不揮發(fā)的化合物可從固相直接得到離子從而進行質(zhì)譜分析,大氣壓電離（Atmospheric Pressure Ionization, API） 大氣

11、壓電離主要是應(yīng)用于高效液相色譜（HPLC）和質(zhì)譜計聯(lián)機時的電離方法。試樣的離子化在處于大氣壓下的離子化室中進行。它包括電噴霧電離（Electrospray Ionization, ESI）和大氣壓化學(xué)電離(Atmospheric Pressure Chemical Ionization, APCI)。 電噴霧電離 試樣溶液從具有霧化氣套管的毛細管端流出，在流出的瞬間受到“庫侖爆炸”等幾方面的作用，在大氣壓下噴成在溶劑蒸氣中的無數(shù)細微帶電荷的霧滴。 大氣壓化學(xué)電離 試樣溶液是由具有霧化氣套管的毛細管端流出，通過加熱管時被氣化。在加熱管端進行電暈尖端放電，溶劑分子被電離。以后是前述的化學(xué)電離過程，

12、得到試樣分子的準分子離子。 由于試樣分子氣化，大氣壓化學(xué)電離適合于弱極性的小分子化合物。,不同電離方式的特點及適宜的化合物類型,二、同位素離子(isotopic ion),1、定義：由元素的重質(zhì)同位素構(gòu)成的離子稱為同位素離子，他在質(zhì)譜圖中總是出現(xiàn)在相應(yīng)的分子離子或碎片離子的右側(cè)。通常比相應(yīng)的分子離子或碎片離子達12個單位，其強度比與同位素的豐度比是相當?shù)摹?2、表示：常用（M+1）、（M+2） 表示 3、意義： 據(jù)M、M+2的強度比判斷化合物中是否含有S、Cl、Br元素及幾個這樣的元素。 據(jù)M、 M+1 、M+2的強度比，通過查Beynon（貝農(nóng)）表或計算求出化合物的分子式。 對含量個以上同位

13、素的化合物，同位素峰的強度符合二項式(a+b)n的展開式強度比。,同位素離子峰鑒定分子中氯、溴、硫原子。,如: CH3CH2Br 天然豐度% 79Br 50.537% ; 81Br 49.463% 相對強度： M：100% M+2 97.87% 峰強度比：1 1,三、碎片離子（fragmention）,系由具有過剩能量的分子離子進一步產(chǎn)生鍵的斷裂而形成的。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，?？梢钥吹皆S多碎片離子峰。 由于碎片離子的形成及豐度與結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，因此，掌握離子的形成規(guī)律，對于利用質(zhì)譜推測化合物的結(jié)構(gòu)是有幫

14、助的?？蓳?jù)幾個主要的碎片離子峰粗略的推測化合物的大致結(jié)構(gòu)。 常見的碎片離子見附錄,四、亞穩(wěn)離子(metastable ion),1、定義：分子離子在離開電離室之后，在到達檢測室之前，這一區(qū)域發(fā)生裂解，亦即離子在飛行過程中形成的碎片離子稱亞穩(wěn)離子。表示為M*。在質(zhì)譜中一般呈現(xiàn)很弱的寬峰，且M/Z不是整數(shù)。 2、意義：可判斷離子的裂解過程。找出子離子與母離子的關(guān)系及未出現(xiàn)的分子離子峰。 對于任意兩個質(zhì)量數(shù)為m1, m2離子，若 m1 m2 中性碎片，則正常情況下觀察到的峰為m2峰，若m1裂解不是在離子源而是在飛行過程中，則形成小于m2的亞穩(wěn)離子峰m*，三者的關(guān)系為： M*=M22/M1 3、識別方法： 亞穩(wěn)離子峰鈍而小。（一般碎片離子峰很尖） 亞穩(wěn)離子峰的M/Z一般要跨25個質(zhì)量單位。 亞穩(wěn)離子峰的M/Z一般不是整數(shù)。,五、多電荷離子(mutiply-charged ions) 指帶有兩個或兩個以上電荷的離子。常具有非整數(shù)質(zhì)荷比，在質(zhì)譜中其質(zhì)荷比并不等于其質(zhì)量，雙電荷離子質(zhì)量等于質(zhì)荷比的一半。具有電子系統(tǒng)的芳香化合物、雜