第六章--分子质谱法

第六章分子质谱法 一 概述质谱 试样分子在高能离子束作用下电离产生各种气态离子 采用电场磁场将离子按m z比大小分离 以此排列的图谱 二 质谱分析原理 进样系统 离子源 质量分析器 检测器 1 气体扩散2 直接进样3 气相色谱 1 电子轰击2 化学电离3 场致电离4 激光 1 单聚焦2 双聚焦3 飞行时间4 四极杆 质谱仪需要在高真空下工作 离子源 10 3 10 5Pa 质量分析器 10 6Pa 1 大量氧会烧坏离子源的灯丝 2 用作加速离子的几千伏高压会引起放电 3 引起额外的离子 分子反应 改变裂解模型 谱图复杂化 原理与结构 电离室原理与结构 仪器原理图 质量分析器原理 在磁场存在下 带电离子按曲线轨迹飞行 离心力 向心力 m 2 R Bze BzeR m 2 质谱方程式 m z B2eR2 2Um z不同 R不同 m z大 R大 反之 成立 离子在磁场中的轨道半径R取决于 m z B0 U改变加速电压U 可以使不同m z的离子进入检测器 加速后离子的动能 1 2 m 2 zeU 1 例 试计算在曲率半径为10cm的1 2T的磁场中 一个质量数为100的一价正离子所需的加速电压是多少 解 据方程 上式 6 94 103V 三 质谱图和质谱表 四 离子峰的主要类型 分子电离一个电子形成的离子所产生的峰 M e M 2e 分子离子的质量与化合物的分子量相等 即m z为改化合物的相对分子质量 1 分子离子峰 一般质谱图上质荷比最大的峰为分子离子峰 有例外 形成分子离子需要的能量最低 一般约 电子伏特 质谱图上质荷比最大的峰一定为分子离子峰吗 如何确定分子离子峰 1 符合 律 由 组成的有机化合物 一定是偶数 由 组成的有机化合物 奇数 奇数 由 组成的有机化合物 偶数 偶数 较少出现M 3至M 14 M 21至M 24的碎片离子峰 易于失去HCH3H2OC2H4M 1M 15M 18M 28不易失去CH2M 15至M 20CH3NH2OHH2OFHF 3 改变离子源强度 离子峰峰强度发生改变 2 分子离子峰与相邻峰的质量差必须合理 4 分子离子一定为奇电子离子 自由基离子 奇电子离子 外层电子有未成对电子偶电子离子 外层电子完全成对 2 同位素离子峰 M 1峰 由于同位素的存在 可以看到比分子离子峰大一个质量单位的峰 有时还可以观察到M 2 M 3 3 碎片离子峰 一般有机化合物的电离能为7 13电子伏特 质谱中常用的电离电压为70电子伏特 使结构裂解 产生各种 碎片 离子 正己烷 4 亚稳离子峰 若质量为m1的离子离开电离源之后 进入质量分析器之前 由于碰撞等原因 很容易失去中性碎片 中性碎片带走一部分能量 此时的m2离子比离子源中形成的m2离子能量小 将在磁场中产生较大的偏转 观察到的m z偏小 这种峰称为亚稳离子峰 用m 表示 1 2mv2 ZeU M m22 m1 特点 1 峰宽大 2 5个质量单位 2 m z不为整数 3 相对强度低 1 断裂 正己烷 五 有机分子裂解类型 2 断裂 断裂 CH3 CH2 9CH2NH2 M 157 断裂 丢失最大烃基的可能性最大丢失最大烃基原则 麦氏重排 Mclaffertyrearrangement 麦氏重排条件 含有C O C N C S及碳碳双键与双键相连的链上有 碳 并在 碳有H原子 氢 六圆环过度 H 转移到杂原子上 同时 键发生断裂 生成一个中性分子和一个自由基阳离子 3 重排断裂 一 质谱仪的主要性能指标 1 质量测定范围质谱仪的质量测定范围表示质谱仪所能够进行分析的样品的相对分子质量范围 通常采用原子质量单位 unifiedatomicmassunit 符号u 进行度量 原子质量单位是由12C来定义的 即一个处于基态的12C中性原子的质量的1 12 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 现代质谱仪甚至可以研究相对分子质量达几十万的生化样品 质谱仪器 2 分辨本领 所谓分辨本领 是指质谱仪分开相邻质量数离子的能力 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 其中m1 m2为质量数 且叫m1 m2 故在两峰质量数较小时 要求仪器分辨率越大 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R m W0 05如果该峰是高斯型的 上述两式计算结果是一样的 例16 1 要鉴别N 2 m z为28 006 和CO m z为27 995 两个峰 仪器的分辨率至少是多少 在某质谱仪上测得一质谱峰中心位置为245u 峰高5 处的峰宽为0 52u 可否满足上述要求 解 要分辨N 2和CO 要求质谱仪分辨率至少为 质谱仪的分辨率 Rsp 245 0 52 471Rsp Rneed 故不能满足要求 质谱仪的分辨本领几乎决定了仪器的价格 分辨率在500左右的质谱仪可以满足一般有机分析的要求 此类仪器的质量分析器一般是四极滤质器 离子阱等 仪器价格相对较低 若要进行准确的同位素质量及有机分子质量的准确测定 则需要使用分辨率大于10000的高分辨率质谱仪 这类质谱仪一般采用双聚焦磁式质量分析器 目前这种仪器分辨率可达100000 当然其价格也将会是低分辨率仪器的4倍以上 3 灵敏度 绝对灵敏度是指仪器可以检测到的最小样品量 相对灵敏度是指仪器可以同时检测的大组分与小组分含量之比 分析灵敏度则指输入仪器的样品量与仪器输出的信号之比 二 质谱仪的基本结构 1 真空系统 质谱仪的离子产生及经过系统必须处于高真空状态 离子源真空度应达l 3 10 4 l 3 10 5Pa 质量分析器中应达l 3 10 6Pa 若真空度过低 则会造成离子源灯丝损坏 本底增高 副反应过多 从而使图谱复杂化 干扰离子源的调节 加速极放电等问题 一般质谱仪都采用机械泵预抽真空后 再用高效率扩散泵连续地运行以保持真空 现代质谱仪采用分子泵可获得更高的真空度 2 进样系统 进样系统的目的是高效重复地将样品引人到离子源中并且不能造成真空度的降低 目前常用的进样装置有三种类型 间歇式进样系统 直接探针进样及色谱进样系统 一般质谱仪都配有前两种进样系统以适应不同的样品需要 有关色谱进样系统将在专门章节介绍 l 间歇式进样系统该系统可用于气体 液体和中等蒸气压的固体样品进样 典型的设计如图21 3所示 通过可拆卸式的试样管将少量 10 100 g 固体和液体试样引入试样贮存器中 由于进样系统的低压强及贮存器的加热装置 使试样保持气态 实际上试样最好在操作温度下具有1 3 0 13Pa的蒸气压 由于进样系统的压强比离子源的压强要大 样品离子可以通过分子漏隙 通常是带有一个小针孔的玻璃或金属膜 以分子流的形式渗透过高真空的离子源中 该系统可用于气体 液体和中等蒸气压的固体样品进样 典型的设计如图21 3所示 通过可拆卸式的试样管将少量 10 100 g 固体和液体试样引入试样贮存器中 由于进样系统的低压强及贮存器的加热装置 使试样保持气态 实际上试样最好在操作温度下具有1 3 0 13Pa的蒸气压 由于进样系统的压强比离子源的压强要大 样品离子可以通过分子漏隙 通常是带有一个小针孔的玻璃或金属膜 以分子流的形式渗透过高真空的离子源中 2 直接探针进样对那些在间歇式进样系统的条件下无法变成气体的固体 热敏性固体及非挥发性液体试样 可直接引人到离子源中 图21 4所示为一直接引人系统 任课教师 孙国英副教授 授课班级 090704100705 第六章分子质谱法 二 3 电离源将引入的样品转化成为离子的装置 根据样品离子化方式和电离源能量高低 通常可将电离源分为 气相电离源 先蒸发成气态 再受激离子化 适于沸点低于500oC 对热稳定的样品的离子化 包括电子轰击源 化学电离源 场电离源 火花源 解吸电离源 固态或液态样品不需要挥发而直接被电离 适用于分子量高达105的非挥发性或热不稳定性样品的离子化 包括场解吸源 快原子轰击源 激光解吸源 离子喷雾源和热喷雾离子源等 硬电离源 离子化能量高 如EI 伴有化学键的断裂 谱图复杂 可得到分子官能团的信息 软电离源 离子化能量低 如场解吸源 产生的碎片少 谱图简单 可得到分子量信息 因此 应根据分子电离所需能量的不同来选择不同电离源 l 电子轰击源 电子轰击法是通用的电离法 是使用高能电子束从试样分子中撞出一个电子而产生正离子 即M e M 2e 式中M为待测分子 M 为分子离子或母体离子 电子束产生各种能态的M 若产生的分子离子带有较大的内能 转动能 振动能和电子跃迁能 可以通过碎裂反应而消去 如M 1 M 3M M 2 M 4式中M 1 M 2 为较低质量的离子 作用过程 采用高速 高能 电子束冲击样品 从而产生分子离子M M 继续受到电子轰击而引起化学键的断裂或分子重排 瞬间产生多种离子 电子能量越大 被轰击分子获得的能量也越大 进一步裂解的可能性就越大 特点 使用最广泛 谱库最完整 70eV 电离效率高 结构简单 操作方便 但分子离子峰强度较弱或不出现 因电离能量最高 不同能量下获得的苯甲酸质谱图 2 化学电离源 作用过程 采用一种反应气体 通常是甲烷 异丁烷和氨气 反应气体与样品比例约为103 1 因此样品分子与电子的碰撞几率极小 电子首先将反应气体电离 然后反应气体离子与试样分子进行离子 分子反应 实现试样电离 进入电离源的分子R CH3大部分与CH5 碰撞产生 M 1 离子 小部分与C2H5 反应 生成 M 1 离子 特点 电离能小 软电离技术 质谱峰数少 图谱简单 准分子离子 M 1 峰大 可提供分子量这一种要信息 应用强电场 电压梯度107 108V cm 诱导样品电离 如下图 过程 强电场 电极间距0 5 2mm 分子电子的量子隧道效应 价电子逸出 分子离子 阳极排斥并加速进入磁场 量子隧道效应 Quantummechanicaltunneling 分子电子被微针 萃出 分子本身很少发生振动或转动 因而分子不过多碎裂 电极要求 电极尖锐 使用微碳针 W丝上的苯基腈裂解生成 构成多尖陈列电极可提高电离效率 特点 电离温和 碎片少 主要产生分子离子M 和 M 1 峰 3 场电离源 4 场解吸电离源 Fielddesorption FD 类似于场电离源 它也有一个表面长满 胡须 长0 01mm 的阳极发射器 Emitter 过程 样品溶液涂于发射器表面 蒸发除溶剂 强电场 分子电离 奔向阴极 引入磁场特点 特别适于非挥发性且分子量高的样品 离子峰和准分子离子峰 谱图最为简单 5 快原子电离源 FAB Ar 离子枪 原子枪 高速电子轰击氩气电离经电场加速电荷交换室共振电子转移高能中性原子束轰击试样浓缩液 甘油或硫甘油 6 基质辅助激光解析电离源 MALDI 脉冲式激光 脉冲激光束经平面镜和透镜系统照射到试样靶上 基质和试样分子吸收激光能量后气化 激光先将基质分子电离 然后在气相中基质将质子转移到试样分子上使试样分子电离 4 质量分析器 功能 依据不同方式把不同质荷比m z的离子分开排列成谱 是质谱仪的核心 类型 不同的质量分析器有不同的原理 特点 适用范围和功能 用于有机质谱仪的质量分析器有磁式双聚焦分析器 飞行时间分析器 四极杆分析器 离子阱分析器和回旋共振分析器等 l 磁式单聚焦分析器 质量色散能力 对不同质量的离子有分散能力 能量色散能力 质量相同 能量不同的离子不能聚焦到一点 方向聚焦能力 质量速度相同 方向不同离子可聚焦到一点 磁式双聚焦分析器 扇形电场特点 方向聚焦能力能量色散能力无质量色散能力 2 飞行时间分析器 TOF 不同荷电碎片在飞出离子源的速度 动能 基本一致 某离子在到达无场漂移管前端时 其速度大小为 到达无场漂移管末端的时间为 不同离子通过同一长度为L的无场漂移管 所需时间相差 由于不同m z的离子 其飞出漂移管的时间不同 因而实现了离子的分离 因为连续电离和加速使检测器产生连续输出而不能得到有效信息 因此实际工作中常采用相同频率的电子脉冲电离和脉冲电场加速 被加速的粒子经不同的时间到达收集极上 并反馈到示波器上记录 从而得到质谱图 特点 扫描速度快 1000幅 s 可用于研究快速反应或与GC联用 可用于高质量离子分析 体积小 操作容易 分辨率比磁分析器稍差 3 四极滤质器 QuadrupoleMassFilter 过程 在两个相对的极杆之间加电压 U Vcos t 在另两个相对的极杆上加 U Vcos t 与前述双聚焦仪的静电分析器类似 离子进入可变电场后 只有具合适的曲率半径的离子可以通过中心小孔到达检测器 改变U和V并保持U V比值一定 可实现不同m z离子的检测 特点 分辨率比磁分析器略低 max 2000 m z范围与磁分析器相当 传输效率较高 扫描速度快 可用于GC MS联用仪 4 离子阱检测器 由一环形电极再加上下各一的端罩电极构成 以端罩电极接地 在环电极上施以变化的射频电压 此时处于阱中具有合适的m z加的离子将在环中指定的轨道上稳定旋转 若增加该电压 则较重离子转至指定稳定轨道 而轻些的离子将偏出轨道并与环电极发生碰撞 当一组由电离源 化学电离源或电子轰击源 产生的离子由上端小孔中进入阱中后 射频电压开始扫描 陷入阱中离子的轨道则会依次发生变化而从底端离开环电极腔 从而被检测器检测 这种离子阱结构简单 成本低且易于操作 已用于GC MS联用装置用于m Z200 2000的分子分析 5检测与记录 质谱仪常用的检测器有法拉第杯 FaradayCup 电子倍增器及闪烁计数器 照相底片等 Faraday杯是其中最简单的一种 其结构如图21 12所示 Faraday杯与质谱仪的其他部分保持一定电位差以便捕获离子 当离子经过一个或多个抑制栅极进入杯中时 将产生电流 经转换成电压后进行放大记录 Faraday杯的优点是简单可靠 配以合适的放大器可以检测 10 15A的离子流 但Faraday杯只适用于加速电压 1kV的质谱仪 因为更高的加速电压使产生能量较大的离子流 这样离子流轰击入口狭缝或抑制栅极时会产生大量二次电子甚至二次离子 从而影响信号检测 质谱分析 一 饱合烃alkanes二 芳烃aromatichydrocarbons三 醇和酚alcoholsandphenols四 醚ethers五 醛 酮aldehydesandketones massspectrometry MS 1 直链烷烃 一 饱合烃的质谱图alkanes 1在烷烃质谱中C3H7 C4H9 m z依次为43 和57 占优势 在m z 57区出现峰的相对强度随m z增大而减小 而且会出现一系列m z相差14的离子峰 这是由于碎裂下来一CH2一的结果 正癸烷 2分子离子 C1 100 C10 6 C16 小 C45 0 3有m z 29 43 57 71 CnH2n 1系列峰 断裂 2 支链烷烃 二 芳烃的质谱图aromatichydrocarbons 1 芳香烃电离易失去 电子 芳香烃的 电子的电离势低 因此其分子离子丰度强 2 芳环最典型的质谱反应是苄基断裂反应 3 由芳香环碎裂生成系列离子 它们的质荷比为39 65 91 51 77 很容易通过这些离子的存在判断芳环存在 4烷基C 3 则H重排失去一个中性分子 生成m e92峰 三 醇和酚的质谱图alcoholsandphenols 1 由于OH基团反应活性高 M 易分解 分子离子峰很弱或消失 2 醇类化合物较易丢失最大烷基形成特征离子 3 直链醇易发生脱水反应 也可能发生麦氏重排 1 4失水 同时脱水和脱烯 而支链醇通常失去烷基 四 醚的质谱图ethers 1 羰基上孤对电子容易失去 因此M 较明显 芳香酮类化合物的M 更为明显 2 断裂特征主要是 断裂和麦氏重排 3 脂肪酮产生的几种主要离子 分别来自 断裂和i 断裂 五 酮 醛的质谱图 4 酮类化合物的麦氏重排是很特征的反应 而 位没有分支的酮类化合物 其麦氏重排离子为m z58 麦氏重排 甲基酮 芳香酮类化合物1 芳香酮类化合物的分子离子M 较强 2 断裂是其特征反应 生成稳定结构的苯酰离子 m z105 通常为基峰 是芳香酮的特征离子 醛类化合物1 羰基上孤对电子容易失去 因此M 较明显 芳香醛的M 更为明显 2 断裂特征主要是 断裂和麦氏重排 2 乙基已醛 一 相对分子质量测定1 分子离子峰必须符合氮律 有C H CO等有机化合物中 有偶数氮 含0个 分子离子峰m e一定是偶数 若有奇数N 分子离子峰m e是奇数 由于C H N O S X中 只有N化合价是3 奇数 而质量数是偶数 2 观察被确定离子峰与邻近离子峰的质量差 一般可以失去1 3H 不能同时失去4 13个H 失去14 20质量单位 不能失去21 25质量单位 分子质谱法应用 3化合物中含有Cl或Br时 可以利用M与M 2比例来确定分子离子峰 对卤素有机物 F I单一同位素35Cl 37Cl3 179Br 81Br1 1对于多个Cl Br化合物 有非常强的同位素离子峰M 2 M 4 M 6 其强度比值可由 a b n展开式计算