质谱原理.ppt

1、有机质谱原理,第二部分,第一节 质谱分析原理及质谱仪（Mass Spectrograph） 一、基本原理概述 二、质谱仪性能指标 三、仪器组成 第二节 质谱图及其应用 一、质谱图 （Mass Spectrum） 二、质谱峰类型 三、质谱定性分析 四、质谱定量分析 第三节质谱联用技术(Hyphenated method),二、质谱仪性能指标 1. 质量测量范围 质量测定范围以原子质量单位量度，1个原子质量单位： 1u=1.6605410-27kg/12C原子 如12C=12u, CH4=16.xxxx u 在非精确测量中，常直接以原子或分子量大小来表示。 2. 分辨本领 指质谱仪分辨相邻质量数离

2、子的能力。定义为：两个相等强度的相邻峰(质量分别为m1和m2)，当两峰间的峰谷不大于峰高的10%时，则可认为两已分开，其分辨率R为： 可见在质量数小时，分辨率亦较小。 实际工作中很难找到上述两相等的峰，常以 表示，其中W0.05表示峰高5%处的峰宽。 R与离子通道半径r、加速器和收集器狭缝宽度、离子源的性质和质量等因素有关。,三、仪器组成 按质量分析器(或者磁场种类)可分为静态仪器和动态仪器，即稳定磁场（单聚焦及双聚焦质谱仪）和变化磁场（飞行时间和四极杆质谱仪）。 MS仪器一般由进样系统、电离源、质量分析器、真空系统和检测系统构成。,1. 真空系统 如图所示，质谱仪中所有部分均要处于高度真空的

3、条件下(10-4-10-6托或mmHg柱), 其作用是减少离子碰撞损失。真空度过低，将会引起： a）大量氧会烧坏离子源灯丝； b）引起其它分子离子反应，使质谱图复杂化； c）干扰离子源正常调节； d）用作加速离子的几千伏高压会引起放电。,b)直接探针进样：高沸点液体及固体 探针杆通常是一根规格为25cm6mm i.d.，末端有一装样品的黄金杯(坩埚)，将探针杆通过真空闭锁系统引入样品，如图所示。,优点： 1）引入样品量小，样品蒸汽压 可以很低； 2）可以分析复杂有机物； 3）应用更广泛。,c) 色谱进样：利用气相和液相色谱的分离能力，与质谱仪联用，进行多组份复杂混合物分析。,离子源,电子轰击源

4、（Electro-Impact source, EI） 化学电离源（Chemical Ionization,CI） 场致电离源（Field Ionization, FI）和场解吸电离源（Field Desorption, FD） 液相色谱质谱联机的接口 粒子束（Particle Beam, PB）热束（Thermo Beam） 大气压电离源（Atmospheric Pressure ） 电喷雾电离（Electro Spary Ionization, ESI） 大气压化学电离（Atmospheric Pressure Chemical Ionization, APCI） 基质辅助激光解析电离（m

5、atrix-assisted laser desorption-ionization,MALDI） 快原子轰击（Fast atom bombardment,FAB）,a)电子轰击源(Electron Impact，EI) 作用过程： 采用高速(高能)电子束冲击样品，从而产生电子和分子离子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。 水平方向：灯丝与阳极间(70V电压)高能电子 冲击样品正离子 垂直方向：G3-G4加速电极(低电压)-较小动能-狭缝准直G4-G5加速电极(高电压)-较高动能-狭缝进一步准直-离子进入质量分析器。 特 点： 使用最广泛，谱库最完整；电离

6、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）。,EI,b)化学电离源(Chemical Ionization, CI) 作用过程： 样品分子在承受电子轰击前，被一种反应气(通常是甲烷)稀释，稀释比例约为103:1，因此样品分子与电子的碰撞几率极小，所生成的样品分子离子主要由反应气分子组成。 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，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。,c)场电离源(Field ionization, FI) 应用强电

7、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*分子热分解或碰撞带正电荷的碎片离子阳极排出并加速进入磁场 *量子隧道效应(Quantum mechanical tunneling): 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。,d)场解吸源(Field desorption, FD) 类似于场电离源，它也有一个表面长满“胡须” (长0

8、.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达 离子峰和准分子离子峰，谱图最 为简单。,EI,FI,FD,e)火花源(Spark)： 针对金属合金属或离子残渣样品等非挥发性无机物的分析，类似于AES中的激发光源。 过 程：30kV 脉冲电压-火花-样品局部高热-元素蒸发-原子或离子-经加速进入磁场进行分离 特 点：元素分析灵敏度高，可分析复杂样品(60种元素)、谱图简单、线性范围宽。 f) 快原子轰击(Fast atom bombardment, FAB) 过 程：高速电子惰性气体

9、电离电场加速高速原子离子束撞击涂有样品的金属板能量转移给样品分子电离引入磁场分离。,FAB：,电喷雾电离(ESI),4. 质量分析器 作用是将不同碎片按质荷比m/z分开。 质量分析器类型：磁分析器、飞行时间、四极杆、离子捕获、离子回旋等。 1）磁分析器 单聚焦型(Magnetic sector spectrometer)：用一个扇形磁场进行质量分析的质谱仪。,带电离子质量分析器，在磁场(场强为B)作用下，飞行轨道弯曲(曲率半径为r)。当向心力 Bev 与离心力 mv2/r 相等时，离子才能飞出磁场区，即， e为电子电荷；U为加速电压。 由于 （电场加速）,将上式带入得， 当B、r、U三个参数中

10、任两个保持不变而改变其中一个参数时，可得质谱图。 固定B和U，改变r，即通过移动检测器狭缝位置来收集不同r处的离子或以感光板照相技术记录的不同m/z的离子质谱仪（mass spectrograph）； 现代质谱仪通常是保持r不变，通过扫描电场U或磁场B，使不同m/z离子依次通过固定狭缝来获得质谱图质谱计（Mass Spectrometer)。,单聚焦质量分析器只是将m/z 相同而入射方向不同的离子聚焦到一点（或称实现了方向聚焦）。 但对于m/z 相同而动能（或速度）不同的离子不能聚焦，故其分辨率较低，一般为5000。,下图是单聚焦型质量分析器更直观地的工作过程。,2）飞行时间分析器(Time

11、of flight, TOF) 过 程：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

12、比磁分析器稍差。,5、检测器 包括Faraday杯、电子倍增器、闪烁计数器、照相底片等 1) Faraday 杯 下图是Faraday杯结构原理图 特点：可检测10-15A的离子流，但不适于高加速电压下的离子检测。 2）电子倍增器：类似于光电倍增管，可测10-18A电流。但有质量歧视效应。 3）闪烁计数器：记录离子的数目。,思考：电子倍增器与光电倍增管有何区别？,第二节 质谱图及其应用 一、质谱图 以质荷比m/z为横座标，以对基峰(最强离子峰，规定相对强度为100%)相对强度（或称丰度，abundance）为纵座标所构成的谱图，称之为质谱图。,分子离子,化合物失去一个或多个电子形成的离子 有机

13、物分子离子丰度大小 :芳香环共轭烯 孤立烯环状化合物酮醚酯胺酸醇直链烃支链烃 对于有机物，杂原子S，O，P，N等上的未共用电子对最易失去，其次是电子，再其次是 电子。 分子离子的判别 必须是化合物谱图中质量最高的离子 必须是奇电子离子、符合氮规则 必须能通过丢失合理的中性离子，产生谱图中高质量区的重要离子,奇电子离子 （OE）,带有未成对电子的离子 计算不饱和度U，如果U为整数，则为奇电子离子（OE），为半整数时为偶电子离子（EE）,氮规则,若一个化合物含有偶数个N原子，其分子离子的质量数一定是偶数，若含有奇数个N原子，分子离子的质量数为奇数。,合理碎片丢失,例如,与最大离子相邻的离子差值为1

14、3，不合理。 最大离子为122，相邻的120可以考虑为同位素峰，由于丰度近似，可能为Br，高质量离子与最大离子的差值合理，可能120为分子离子峰。 最大离子84，最近离子69，也合理，但84不是分子离子峰，其实84为（M-H2O）该谱图为己醇的谱图。,3）重排离子峰 原子或基团经重排后再开裂而形成一种特殊的碎片离子，称重排离子。如醇分子离子经脱水后重排可产生新的重排离子峰。 4）亚稳离子峰 过程：质量数为m1的多个带电离子，其中部分失去中性碎片m而变成m2(此时m1能量变小，在磁场中有更大的偏转)从而形成亚稳离子峰m*，此时可将此峰看成m1和m2的“混合峰”，即形成“宽峰”，极易识别。且满足下

15、式： 此式可用于寻找裂解途径(通过母离子m1与子离子m2的关系)。,亚稳离子峰的形成过程 其中所有M1+碎片的m/z仍相同，只是到达质量分析器时的动能不同，即偏转不同，因而形成宽峰！,亚稳离子（metastable ion）,稳定离子 寿命10-5秒，检测器记录 M1 不稳定离子 寿命10-6秒，检测器记录 M2 亚稳离子 寿命10-610-5秒，检测器记录M* M1 M2 表观质量数M* M*=M22/M1,CH3,CH3,CH-NH-CH,CH3,CH3,+, CH3,CH3-CH-NH-CH,CH2,CH3,+,H,CH3-CH=CH2（中性碎片）,CH3-CH=NH2 m/z44（强峰

16、）,+,m/z86,m/z101,例如： 二异丙胺质谱在m/z22.8处有亚稳离子峰，此外有两个强峰m/z86和m/z44和一个弱峰m/z101。 m/z44离子是m/z86离子的重排开裂产生的。亚稳离子峰为此种开裂历程提供了证据。 m*=22.8 442+/86 = 22.5,分子离子峰和碎片离子峰的识别和解析，对有机分子的定性分析十分重要。可以通过选择不同离子源来获得不同的信息。 下图是不同离子源下麻黄碱的质谱图。,对一种元素，用a,b分别代表其天然丰度，n为分子或碎片中所含该元素原子的个数，则它们同位素丰度的相对比值等于 （a+b）n=an+nan-1b+n(n-1)/2!an-2b2+

17、bn 对两种不同元素组成的分子或离子，其同位素丰度相对比值的计算公式： （a1+b1）n1(a2+b2)n2,5) 同位素峰 由于天然同位素的存在，因此在质谱图上出现M+1，M+2等峰，由这些同位素所形成的峰称之为同位素峰。,6) 离子裂解的机理,离子的单分子裂解,离子丰度的影响因素,1产物离子的稳定性 2Stevenson规则 3质子亲合能(PA) 4最大烷基丢失 5中性产物的稳定性,有机质谱中的裂解反应,化学键的断裂可分为下列三种情况: 1均裂: 2异裂： 3半异裂：,离子的开裂,简单断裂的规律,含杂原子化合物 易发生断裂 碳碳不饱和键相邻的CC键易断裂。 芳环相邻的CC键易断裂。（芳杂环

18、的情况也类似） 碳链分支处易发生断裂。 饱和环易在环与侧链连接处断开 当分支处由几种断裂可能时，大基团断裂优先 产生电中性小分子的开裂优先 空间位阻:二异丙基苯的三个异构体，邻位分子离子峰强度最低，对位最高,自由基中心引发的 断裂反应,自由基引发的断裂反应，动力来自自由基强烈的电子配对倾向。该反应由自由基中心提供一个电子与邻接的原子形成一个新键，而邻接原子的另一个化学键则发生断裂。下面分述几种含n、电子化合物发生断裂反应的情况。 饱和杂原子(Y) 化合物的断裂反应 电负性：N S O Cl 生成正离子的稳定性: N S O Cl 2. 含不饱和杂原子化合物的断裂反应 3. 碳不饱和键化合物的断

19、裂反应,电荷中心引发的i断裂反应 电荷中心引发的i断裂反应（诱导断裂），动力来自电荷的诱导效应，涉及正电荷对一对电子的吸引。,环状结构的裂解反应,对于环状结构的化合物，分子中必须有两个键断裂才能产生一个碎片。因此，环的裂解产物中一定有一个奇电子离子,环己烯的六元环可以通过相当于逆DielsAlder反应（RDA）发生裂解而形成碎片离子,麦氏（Mclafferty）重排反应,具有以下结构通式A的化合物，可进行H重排到不饱和基团上，并伴随发生键断裂的麦氏重排反应：,醛、酮、羧酸、酯都可发生麦氏重排，产生特征质谱峰。,正电荷中心引发的重排反应非环状偶电子离子可发生类似以下经四员环过渡态的重排：,氢重

20、排到饱和杂原子上并伴随邻键断裂的反应,三、质谱定性分析 1、分子量确定 根据分子离子峰质荷比可确定分子量，通常分子离子峰位于质谱图最右边，但由于分子离子的稳定性及重排等，质谱图上质荷比最大的峰并不一定是分子离子峰。那么，如何辩认分子离子峰呢？,利用化学结构来判断分子离子峰强度： 各类化合物分子离子峰稳定性顺序为：芳香环（芳香、杂环）脂环硫醚、硫酮共轭烯烃直链烷烃酰胺酮醛胺脂醚羧酸支链烃腈伯醇叔醇缩醛,利用经验规律： 1）原则上除同位素峰外，分子离子峰是最高质量的峰。但要注意，“醚、胺、脂、酰、胺腈和胺醇的(M+H)+峰”及“芳醛、醇或含氮化合物等的(M-H)+峰” 2）分子离子峰应符合“氮律”

21、。在C、H、O组成的化合物中，分子离子峰的质量 数一定是偶数；在含C、H、O、N化合物中，含偶数个N的分子量为偶数，含奇数个N的分子量为奇数不符合上述规律者必不是分子离子峰。,3）分子离子峰与邻近峰的质量差是否合理。有机分子失去碎片大小是有规律的：如失去H、CH3、H2O、C2H5.，因而质谱图中可看到M-1，M-15，M-18，M-28等峰，而不可能出现M-3，M-14，M-24等峰，如出现这样的峰，则该峰一 定不是分子离子峰。 质量差为(4-13)、19-25、37、38、50-53、65-66的不是分子离子峰，当差值为14=CH2时应小心，这表明可能有待测物的同系物存在。 4）根据断裂方

22、式判断分子离子峰：如醇的分子离子峰通常看不到，但经常看到最高质量的两峰相差3个质量单位的峰（M-CH3 峰和 M-H2O峰）。,通过改变仪器实验条件来检验： 1）降低电子流电压增加分子离子峰强度（当电子轰击电压降低，强度不增加的峰不是分子离子峰）。 2）采用化学电离源、场离子或场解吸源等电离方法； 3）制备易挥发的衍生物，如通过甲基化、乙酰基化、甲酯化、三甲基硅醚化、水解氧化或还原等方法将样品制备成适当的衍生物后再测定。,2、化学式的确定 高分辨质谱：可分辨质荷比相差很小的分子离子或碎片离子。如CO和N2分子离 子的m/z均为28，但其准确质荷比分别为28.0040和27.9949，高分辨质谱

23、可以识 别它们。 b) 低分辨质谱则不能分辨m/z相差很小的碎片离子，如CO和N2。通常通过同位素 相对丰度法来确定分子的化学式。 对于化合物CwHxNyOz，其同位素离子峰(M+1)+和(M+2)+与分子离子峰的强度比分别为：,例1：计算化合物C8H12N3O的M+1，M+2峰相对于M+峰的强度。 因为： I(M+1)% = 1.128 + 0.016 12 + 0.38 3 + 0.04 1 = 10.31% I(M+2)% = 1.21 82/200 + 0.20 1 = 0.597% 因此，I(M+):I(M+1):I(M+2) = 100:10.31:0.597,对于含有Cl, Br

24、, S 等同位素天然丰度较高的化合物，其同位素离子峰相对强度可由（a+b)n展开式计算，其中a、b分别为该元素轻重同位素的相对丰度，n 为分子中该元素的原子个数。 CH3Cl：因为，a=3, b=1, n=1, 因此(3+1)1=3+1 即m/z50(M):m/z52(M+2)=3:1 CH2Cl2：因为，a=3, b=1, n=2, 因此(3+1)2=9+6+1, 即m/z84(M):m/z86(M+2):m/z88(M+4)=9:6:1 CHCl3：因为a=3, b=1, n=3, 因此，(3+1)3=27+27+9+1 即m/z118(M):m/z120(M+2):m/z122(M+4):m/z124(M+6)=27:27:9:1 对于含有两种或以上的杂原子，则以（a1+b1)n1(a2+b2)n2 表示。 ClCH2Br: (3+1)1(1+1)1=3+4+1 (35Cl, 37Cl; 79Br, 81Br) 即：m/z128(M):m/z130(M+2):m/z132(M+4)=3:4:1,3、结构签定： a) 根据质谱图，找出分子离子峰、碎片离子峰、亚稳离子峰、m/z、相对峰高等质谱信息，根据各类化合物的裂规律，重组整个分子结构。 b) 采用与标准谱库对照的方法.,四、质谱定量分析 利用质谱离子流强度与离子