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第六章质谱分析 MS 6 1概述 质谱分析法 MassSpectrometry MS 是在高真空系统中测定样品的分子离子及碎片离子质量 以确定样品相对分子质量及分子结构的方法 化合物分子受到电子流冲击后 形成的带正电荷分子离子及碎片离子 按照其质量m和电荷z的比值m z 质荷比 大小依次排列而被记录下来的图谱 称为质谱 质谱分析法有如下特点 1 应用范围广 测定样品可以是无机物 也可以是有机物 应用上可做化合物的结构分析 测定原子量与相对分子量 同位素分析 生产过程监测 环境监测 热力学与反应动力学 空间探测等 被分析的样品可以是气体和液体 也可以是固体 2 灵敏度高 样品用量少 目前有机质谱仪的绝对灵敏度可达50pg pg为10 12g 无机质谱仪绝对灵敏度可达10 14 用微克级样品即可得到满意的分析结果 3 分析速度快 并可实现多组分同时测定 4 与其它仪器相比 仪器结构复杂 价格昂贵 使用及维修比较困难 对样品有破坏性 发展概况 从20世纪60年代开始 质谱就广泛应用于有机化合物分子结构的测定 随着科学技术的发展 质谱仪已实现了与不同的分离仪器的联用 例如 气相色谱与质谱联用 液相色谱与质谱联用 质谱和质谱的联用已成为一种用途很广的有机化合物分离 结构测定及定性定量分析的方法 另外 质谱仪和电子计算机的结合使用 不仅简化了质谱仪的操作 又提高了质谱仪的效能 特别是近年来从各种类型有机分子结构的研究中 找出了一些分子结构与质谱的规律 使质谱成为剖析有机物结构的强有力的工具之一 在鉴定有机物的四大重要手段 NMR MS IR UV 中 也是唯一可以确定分子式的方法 测定精度达10 4 目前质谱技术已发展成为三个分支 即同位素质谱 无机质谱和有机质谱 本章主要介绍有机质谱 6 2质谱仪及基本原理 6 2 1质谱仪有机质谱仪包括离子源 质量分析器 检测器和真空系统 现以扇形磁场单聚焦质谱仪为例 将质谱仪器各主要部分的作用原理讨论如下 图6 1为单聚焦质谱仪的示意图 图6 1单聚焦质谱仪 1 真空系统 质谱仪的离子源 质谱分析器及检测器必须处于高真空状态 离子源的真空度应达10 3 10 5Pa 质量分析器应达10 6Pa 若真空度低 则 i 大量氧会烧坏离子源的灯丝 ii 会使本底增高 干扰质谱图 iii 引起额外的离子 分子反应 改变裂解模型 使质谱解释复杂化 iv 干扰离子源中电子束的正常调节 v 用作加速离子的几千伏高压会引起放电 等等 2 进样系统 图6 2两种进样系统 对于气体及沸点不高 易于挥发的样品 可以用图中上方的装置 贮样器为玻璃或上釉不锈钢制成 抽低真空 1Pa 并加热至150 试样以微量注射器注入 在贮样器内立即化为蒸汽分子 然后由于压力梯度 通过漏孔以分子流形式渗透入高真空的离子源中 对于高沸点的液体 固体 可以用探针 probe 杆直接进样 图6 2下图 调节加热温度 使试样气化为蒸汽 此方法可将微克量级甚至更少试样送入电离室 探针杆中试样的温度可冷却至约 100 或在数秒钟内加热到较高温度 如300 左右 3 离子源 ionsource 被分析的气体或蒸汽首先进入仪器的离子源 转化为离子 使分子电离的手段很多 最常用的离子源是电子轰击 electronimpact EI 离子源 其构造原理如图6 3 图6 3电子轰击离子源 在电离室内 气态的样品分子受到高速电子的轰击后 该分子就失去电子成为正离子 分子离子 分子离子继续受到电子的轰击 使一些化学键断裂 或引起重排以瞬间速度裂解成多种碎片离子 正离子 在排斥极上施加正电压 带正电荷的阳离子被排挤出离子化室 而形成离子束 离子束经过加速极加速 而进入质量分析器 多余热电子被钨丝对面的电子收集极 电子接收屏 捕集 分子离子继续受到电子的轰击 使一些化学键断裂 或引起重排以瞬间速度裂解成多种碎片离子 正离子 在排斥极上施加正电压 带正电荷的阳离子被排挤出离子化室 而形成离子束 离子束经过加速极加速 而进入质量分析器 多余热电子被钨丝对面的电子收集极 电子接收屏 捕集 i 化学电离源 CI 有些化合物稳定性差 用EI方式不易得到分子离子 因而也就得不到分子量 为了得到分子量可以采用化学电离源 chemicalionization 现以甲烷作为反应气为例 说明化学电离的过程 在电子轰击下 甲烷首先被电离 现以甲烷作为反应气为例 说明化学电离的过程 在电子轰击下 甲烷首先被电离 CH4 CH4 CH3 CH2 CH C H 甲烷离子与分子进行反应 生成加合离子 CH4 CH4 CH5 CH3CH3 CH4 C2H5 H2加合离子与样品分子反应 CH5 XH XH2 CH4C2H5 XH X C2H6 生成的XH2 和X 比样品分子多一个H或少一个H 可表示为 M 1 称为准分子离子 事实上 以甲烷作为反应气 除 M 1 之外 还可能出现 M 17 M 29 等离子 同时还出现大量的碎片离子 化学电离源是一种软电离方式 有些用EI方式得不到分子离子的样品 改用CI后可以得到准分子离子 因而可以推断相对分子质量 但是由于CI得到的质谱不是标准质谱 所以不能进行库检索 ii 场致电离源 FI 场致电离源是利用强电场诱发样品分子电离 它由两个尖细的电极组成 在相距很近 d 1mm 的阳极和阴极之间 施加7000 10000V的稳定直流电压 在阳极的尖端附近产生107 108V cm的强电场 依靠这个强电场把尖端附近纳米处的分子中的电子拉出来 使之形成正离子 然后通过一系列静电透镜聚焦成束 并加速到质量分析器中去 在场致电离的质谱图上 分子离子峰很清楚 碎片峰则较弱 这对相对分子质量测定是很有利的 但缺乏分子结构信息 为了弥补这个缺点 可以使用复合离子源 例如电子轰击 场致电离复合源 电子轰击 化学电离复合源等 iii 场解析电离源 FD 将液体或固体试样溶解在适当溶剂中 并滴加在特制的FD发射丝上 发射丝由直径约10 m的钨丝及在丝上用真空活化的方法制成的微针形碳刷组成 发射丝通电加热使其上的试样分子解吸下来并在加热丝附近的高压静电场 电场梯度为107 108V cm 的作用下被电离形成分子离子 其电离原理与场致电离相同 解吸所需能量远低于气化所需能量 故有机化合物不会发生热分解 因为试样不需气化而可直接得到分子离子 因此即使是热稳定性差的试样仍可得到很好的分子离子峰 在FD源中分子中的C C键一般不断裂 因而很少生成碎片离子 4 质量分析器 massanalyzer 质量分析器是由非磁性材料制成 单聚焦质量分析器所使用的磁场是扇性磁场 扇性开度角可以是1800 也可以是900 当被加速的离子流进入质量分析器后 在磁场作用下 各种阳离子被偏转 质量小的偏转大 质量大的偏转小 因此互相分开 当连续改变磁场强度或加速电压 各种阳离子将按m z大小顺序依次到达离子检测器 收集极 产生的电流经放大 由记录装置记录成质谱图 5 离子检测器 常以电子倍增器 electronmultiplier 检测离子流 电子倍增器种类很多 其工作原理如图6 4所示 一定能量的离子轰击阴极导致电子发射 电子在电场的作用下 依次轰击下一级电极而被放大 电子倍增器的放大倍数一般在105 108 电子倍增器中电子通过的时间很短 利用电子倍增器可以实现高灵敏 快速测定 但电子倍增器存在质量歧视效应 且随使用时间增加 增益会逐步减小 图6 4电子倍增器 6 2 2质谱仪工作过程及基本原理 1 将样品由贮存器送入电离室 2 样品被高能量 70 100ev 的电子流冲击 通常 首先被打掉一个电子形成分子离子 母离子 若干分子离子在电子流的冲击下 可进一步裂解成较小的子离子及中性碎片 其中正离子被安装在电离室的正电压装置排斥进入加速室 只要正离子的寿命在10 5 10 6s 3 加速室中有2000V的高压电场 正离子在高压电场的作用下得到加速 然后进入分离管 在加速室里 正离子所获得的动能应该等于加速电压和离子电荷的乘积 即电荷在电场中的位能 式中z为离子电荷数 U为加速电压 显然 在一定的加速电压下 离子的运动速度与质量m有关 6 1 4 分离管为一定半径的圆形管道 在分离管的四周存在均匀磁场 再磁场的作用下 离子的运动由直线运动变为匀速圆周运动 此时 圆周上任何一点的向心力和离心力相等 故 m 2 R Hz 6 2 其中 R为圆周半径 H为磁场强度 合并 6 1 及 6 2 消去 可得m z H2R2 2U 6 3 式 6 3 称为磁分析器质谱方程 是设计质谱仪的主要依据 式中R为一定值 因仪器条件限制 如再固定加速电压U 则m z仅与外加磁场强度H有关 实际工作中通过调节磁场强度H 使其由小到大逐渐变化 则m z不同的正离子也依次由小到大通过分离管进入离子检测器 产生的信号经放大后 被记录下来得到质谱图 6 2 3双聚焦质谱仪 在讨论单聚焦分析器质量分离原理时 曾假定离子的初始能量为零 离子的动能只决定加速电压 实际上 由离子源产生的离子 其初始能量并不为零 而且其能量各不相同 经加速后的离子其能量也就不同 因此即使是质量相同的离子 由于能量 或速度 的不同 在磁场中的运动半径也不同 因而不能完全会聚在一起 这就大大降低了仪器的分辨率 使相邻两种质量的离子m1和m2很难分离 见图6 5 图6 5离子能量分散对分辨率的影响 为了消除离子能量分散对分辨率的影响 通常在扇型磁场前附加一个扇型电场 扇型电场是同心圆筒一部分 进入电场的离子受到一个静电力的作用 改做圆周运动 离子所受电场力与离子运动的离心力平衡 即 6 5 E 扇形电场强度 m 离子质量 z 离子电荷 离子速度 Re 离子在电场中轨道半径 将与合并得 6 6 如果电场强度E一定 对质量相同的离子 离子轨道半径仅取决于离子的速度或能量 而与离子质量无关 所以扇型电场是一个能量分析器 不起质量分离的作用 对于质量相同的离子 它是一个速度分离器 这样 质量相同而能量不同的离子 经过静电场后将被分开 即静电场具有能量色散作用 如果设法使静电场和磁场对能量产生色散作用相补偿 则可实现方向和能量的同时聚焦 磁场对离子的作用也具有可逆性 由某一方向进入磁场的质量相同而能量不同的离子 经磁场后会按一定的能量顺序分开 反之 从相反方向进入磁场的以一定能量顺序排列的质量相同的离子 经磁场后可以会聚在一起 因此 把电场和磁场配合使用 使电场产生的能量色散与磁场产生的能量色散数值相等而方向相反 就可实现能量聚焦 在加上磁场本身具有的方向聚焦作用 这样就实现了能量和方向的双聚焦 这种静电分析器和磁分析器配合使用 同时实现方向和能量聚焦的分析器 称为双聚焦分析器 图6 6双聚焦质谱原理图 6 2 4质谱仪主要性能指标 1 分辨率分辨率是指仪器对质量非常接近的两种离子的分辨能力 一般定义是 对两个相等强度的相邻峰 当两峰间的峰谷不大于其峰高10 时 则认为两峰已经分开 其分辨率 6 7 其中m1 m2为质量数 且m1 m2 故在两峰质量数较小时 要求仪器分辨率越大 图6 7质谱仪10 峰谷分辨率 而在实际工作中 有时很难找到相邻的且峰高相等的两个峰 同时峰谷又为峰高的10 在这种情况下 可任选一单峰 测其峰高5 处的峰宽W0 05 即可当作上式中的 m 此时分辨率定义为 6 8 2 质量范围质量范围是指质谱仪能测量的最大m z值 它决定仪器所能测量的最大相对分子量 自质谱进入大分子研究的分析领域以来 质量范围已成为被关注和感性趣的焦点 各种质谱仪具有的质量范围各不相同 目前质量范围最大的质谱仪是基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱仪 该种仪器测定的分子质量可高达1000000u以上 测定气体用的质谱仪 一般质量测定范围在2 100 而有机质谱仪一般可达几千 6 2 5质谱图 图6 8是丙酮的质谱 图中的竖线称为质谱峰 不同的质谱峰代表有不同质荷比的离子 峰的高低表示产生该峰的离子数量的多少 质谱图的质荷比 m z 为横坐标 以离子峰的相对丰度为纵坐标 图中最高的峰称为基峰 基峰的相对丰度常定为100 其它离子峰的强度按基峰的百分比表示 在文献中 质谱数据也可以用列表的方法表示 图6 8丙酮的质谱图 6 3离子主要类型 6 3 1分子离子 1 分子离子形成样品分子失去一个电子而形成的离子称为分子离子 所产生的峰称为分子离子峰或称母峰 一般用符号表示 其中 代表正离子 代表不成对电子 如 分子离子峰的m z就是该分子的分子量 2 形成分子离子时电子失去的难易程度及表示方法有机化合物中原子的价电子一般可以形成 键 键 还可以是未成键电子n 即独对电子 这些类型的电子在电子流的撞击下失去的难易程度是不同的 一般来说 含有杂原子的有机分子 其杂原子的未成键电子最易失去 其次 键 再次是碳 碳相连的 键 而后是碳 氢相连的 键 即失去电子的难易顺序为 杂原子 C C C C C H易难 3 分子离子峰的强度与结构的关系分子离子峰的强度与结构的关系有如下规律 a碳链越长 分子离子峰越弱 b存在支链有利于分子离子裂解 故分子离子峰很弱 c饱和醇类及胺类化合物的分子离子弱 d有共振系统的分子离子稳定 分子离子峰强 e环状分子一般有较强的分子离子峰 综合上述规律 有机化合物在质谱中的分子离子的稳定性 即分子离子峰的强度 有如下顺序 芳香环 共轭烯 烯 环状化合物 羰基化合物 醚 酯 胺 酸 醇 高度分支的烃类 4 分子离子峰的识别方法 i 注意m z值的奇偶规律只有C H O组成的有机化合物 其分子离子峰的m z一定是偶数 在含氮的有机化合物 N的化合价为奇数 中 N原子个数为奇数时 其分子离子峰m z一定是奇数 N原子个数为偶数时 则分子离子峰m z一定是偶数 ii 同位素峰对确定分子离子峰的贡献利用某些元素的同位素峰的特点 在自然界中的含量 来确定含有这些原子的分子离子峰 iii 注意该峰与其它碎片离子峰之间的质量差是否有意义通常在分子离子峰的左侧3 14个质量单位处 不应有其他碎片离子峰出现 如有其它峰 出现 则该峰不是分子离子峰 因为不可能从分子离子上失去相当于3 14个质量单位的结构碎片 6 3 2碎片离子 碎片离子是由于分子离子进一步裂解产生的 生成的碎片离子可能再次裂解 生成质量更小的碎片离子 另外在裂解的同时也可能发生重排 所以在化合物的质谱中 常看到许多碎片离子峰 碎片离子的形成与分子结构有着密切的关系 一般可根据反应中形成的几种主要碎片离子 推测原来化合物的结构 6 3 3亚稳离子 质谱中的离子峰 不论强弱 绝大多数都是尖锐的 但也存在少量较宽 一般要跨2 5个质量单位 强度较低 且m z不是整数值的离子峰 这类峰称为亚稳离子 metastableion 峰 1 亚稳离子的产生正常的裂解都是在电离室中进行的 如质量为m1的母离子在电离室中裂解 m1 m2 中性碎片 生成的碎片离子就会在质荷比为m2的地方被检测出来 但如上述的裂解是在m1 离开了加速电场 进入磁场时才发生 则生成的碎片离子的能量要小于正常的m2 因它在加速电场中是以m1的质量被加速 而在磁场中是以m2的质量被偏转 故它将不在m2处被检出 而是出现在质荷比小于m2的地方 这就是产生亚稳离子的原因 一般亚稳离子用m 来表示 m1 m2 和m 之间存在下列关系 m m22 m1 2 亚稳离子的识别a一般的碎片离子峰都很尖锐 但亚稳离子峰钝而小 b亚稳离子峰一般要跨2 5个质量单位 c亚稳离子的质荷比一般都不是整数 3 亚稳离子峰在解析质谱中的意义亚稳离子峰的出现 可以确定m1 m2 的开裂过程的存在 但须注意 并不是所有的开裂都会产生亚稳离子 所以 没有亚稳离子峰的出现并不能否定某种开裂过程的存在 6 3 4同位素离子 质谱中还常有同位素离子 istopicion 在一般有机化合物分子鉴定时 可以通过同位素的统计分布来确定其元素组成 分子离子的同位素离子峰相对强度比总是符合统计规律的 如在CH3CI C2H5CI等分子中CIm 2 CIm 32 5 而在含有一个溴原子的化合物中 M 2 峰的相对强度几乎与m 峰的相等 同位素离子峰可用来确定分子离子峰 6 3 5重排离子 重排离子是由原子迁移产生重排反应而形成的离子 重排反应中 发生变化的化学键至少有两个或更多 重排反应可导致原化合物碳架的改变 并产生原化合物中并不存在的结构单元离子 6 4质谱解析及在环境科学中的应用 6 4 1质谱解析解析未知物的图谱 可按下述程序进行 第一步对分子离子区进行解析 推断分子式 1 确认分子离子峰 并注意分子离子峰对基峰的相对强度比 这对判断分子离子的稳定性以及确定结构是有一定帮助的 2 注意是偶数还是奇数 如果为奇数 而元素分析又证明含有氮时 则分子中一定含有奇数个氮原子 3 注意同位素峰中M 1 M及M 2 M数值的大小 据此可以判断分子中是否含有S CI Br 并可初步推断分子式 4 根据高分辨质谱测得的分子离子的m z值 推定分子式 第二步对碎片离子区的解析 推断碎片结构 1 找出主要碎片离子峰 并根据碎片离子的质荷比 确定碎片离子的组成 常见碎片离子的组成见表6 2 离子失去的碎片可能存在的结构M 1H醛 某些醚及胺M 15CH3甲基M 18H2O醇类 包括糖类M 28C2H4 CO N2C2H4 麦氏重排 COM 29CHO C2H5醛类 乙基M 34H2S硫醇M 35CIM 36HCI氯化物M 43CH3CO C3H7甲基酮 丙基M 45C00H羧酸类M 60CH3COOH醋酸酯 2 注意分子离子有何重要碎片脱去 m e离子可能的结构类型29CHO C2H5醛类 乙基30CH2NH2伯胺43CH3COCH3COC3H7丙基29 43 57 71等C2H5 C3H7直链烷烃39 50 71芳香化合物芳香化合物52 65 7760CH3COOH羧酸类 醋酸类91C6H5CH2苄基105C6H5CO苯甲酰基 3 找出亚稳离子峰 利用m m22 m1 确定m1与m2的关系 确定开裂类型 第三步提出结构式根据以上分析 列出可能存在的结构单元及剩余碎片 根据可能的方式进行连接 组成可能的结构式 例1某未知物经测定是只含C H O的有机化合物 红外光谱显示在3100 3600cm 1之间无吸收 其质谱如图6 9 试推测其结构 图6 9未知物质谱图 解 第一步解析分子离子区 1 分子离子峰较强 说明该样品分子离子结构稳定 可能具有苯环或共轭系统 分子量为136 2 根据M 1 M 9 可知该样品约含8个C原子 查贝农表 一般专著中都有此表 含C H O的只有下列四个式子 a C9H12O 4 b C8H8O2 5 c C7H4O3 6 d C5H12O4 0 第二步解析碎片离子区 1 质荷比105为基峰 提示该离子为苯甲酰基 C6H5CO 质荷比39 51 77等峰为芳香环的特征峰 进一步肯定了苯环的存在 2 分子离子峰与基峰的质量差为31 提示脱去的可能是CH2OH或CH3O 其裂解类型可能是简单开裂 3 质荷比33 8的亚稳离子峰表明有m z77m z51的开裂 56 5的亚稳离子峰表明有m z105m z77的