MIA-10-質(zhì)譜法

1、1第十章 質(zhì)譜法Mass spectrometry, MS10.1 質(zhì)譜和質(zhì)譜儀10.2 分子離子峰和同位素峰簇10.3 碎片離子和重排離子10.4 譜圖解析示例10.5 色質(zhì)聯(lián)用及波譜綜合解析示例210.1.1 質(zhì)譜310.1.2 質(zhì)譜儀由以下四個系統(tǒng)構(gòu)成：4離子源（ion sources）是質(zhì)譜儀的“心臟” 。離子源是樣品分子離子化的場所。質(zhì)譜分析時離子源的選擇至關(guān)重要。 離子源名稱 Ionizing aqent 特 點 電子流轟擊 electron impact, EI 高能電子流 常見，常產(chǎn)生各種離子 化學(xué)電離 chemical ionization, CI 反應(yīng)氣體離子 準分子離子峰

2、較明顯，碎片峰較少 場致電離 field ionization, FI M峰很清楚，碎片峰較弱 場解析 field desorption, FD 高電場 可用于 EI、CI、FI 難以勝任的難揮發(fā)或熱不穩(wěn)定性樣品的電離。M峰明顯、碎片離子很少 快原子轟擊 fast atom bombardment, FAB 高能中性原子流 不僅有較強的M，而且有較豐富的結(jié)構(gòu)信息。已廣泛用于低聚糖、肽類、核苷酸及金屬有機化合物的分析 5離子源中進行的反應(yīng)是頗復(fù)雜的，可能產(chǎn)生各種離子：離子源中進行的反應(yīng)是頗復(fù)雜的，可能產(chǎn)生各種離子： 分子離子分子離子母（體）離子母（體）離子 由分子（原子）失去一個價電子形成。由分

3、子（原子）失去一個價電子形成。記為記為 M 或或M 碎片離子碎片離子 由分子離子進一步產(chǎn)生鍵的斷裂而形成。由分子離子進一步產(chǎn)生鍵的斷裂而形成。 重排離子重排離子 經(jīng)重排反應(yīng)產(chǎn)生經(jīng)重排反應(yīng)產(chǎn)生 ABC AC+ + B 亞穩(wěn)離子亞穩(wěn)離子 半衰期半衰期s 級，實際上在電離、裂解或重排過程中所產(chǎn)生的離子中總有一部分級，實際上在電離、裂解或重排過程中所產(chǎn)生的離子中總有一部分處于亞穩(wěn)態(tài)。處于亞穩(wěn)態(tài)。 復(fù)合離子復(fù)合離子 由碎片離子和中性分子碰撞由碎片離子和中性分子碰撞發(fā)生離子分子反應(yīng)產(chǎn)生。發(fā)生離子分子反應(yīng)產(chǎn)生。離子源處于高真空時，離子源處于高真空時，可忽略?？珊雎浴?多電荷離子多電荷離子 當(dāng)轟擊電子能量較大

4、時，分子一開始就可能失去了一個以上當(dāng)轟擊電子能量較大時，分子一開始就可能失去了一個以上 e-而產(chǎn)生。而產(chǎn)生。 負離子負離子 轟擊電子進入分子的反鍵軌道產(chǎn)生，在轟擊電子進入分子的反鍵軌道產(chǎn)生，在 MS 中產(chǎn)生負離子的幾率極小。中產(chǎn)生負離子的幾率極小。 以下只討論分子離子碎片離子和重排離子，它們都是帶一個正電荷的離子。以下只討論分子離子碎片離子和重排離子，它們都是帶一個正電荷的離子。另外，另外，在離子源中也會產(chǎn)生許多中性碎片，但在質(zhì)譜中不出峰。在離子源中也會產(chǎn)生許多中性碎片，但在質(zhì)譜中不出峰。 6 質(zhì)量分析器質(zhì)量分析器（mass analyzer）的功能是分離離子。不同化合物形成的離子）的功能是分

5、離離子。不同化合物形成的離子具有特征性， 這種特征性主要體現(xiàn)在離子的質(zhì)量和電荷上， 質(zhì)量分析器分離離具有特征性， 這種特征性主要體現(xiàn)在離子的質(zhì)量和電荷上， 質(zhì)量分析器分離離子的依據(jù)是離子的質(zhì)荷比的差異。子的依據(jù)是離子的質(zhì)荷比的差異。 單單聚聚焦焦質(zhì)質(zhì)譜譜儀儀 7將將離離子子在在電電場場中中加加速速，進進入入磁磁場場。受受磁磁場場作作用用作作園園周周運運動動，可可導(dǎo)導(dǎo)出出磁磁場場質(zhì)質(zhì)譜譜儀儀的的基基本本方方程程： V：加加速速電電壓壓 VRHem2/22 H：磁磁場場強強度度 R：離離子子運運動動曲曲線線半半徑徑 固固定定 V，改改變變 H，則則特特定定 m/e 的的離離子子運運動動曲曲率率半半

6、徑徑（R）正正好好等等于于儀儀器器的的固固定定軌軌道道半半徑徑時時，這這種種離離子子即即通通過過狹狹縫縫進進入入檢檢測測器器，有有規(guī)規(guī)則則地地改改變變 H（磁磁掃掃描描）可可使使不不同同 m/e的的離離子子順順序序進進入入檢檢測測器器，實實現(xiàn)現(xiàn)分分離離。 同同理理，固固定定 H ，改改變變 V，通通過過電電壓壓掃掃描描也也可可實實現(xiàn)現(xiàn)分分離離。 單單聚聚焦焦質(zhì)質(zhì)譜譜儀儀的的質(zhì)質(zhì)量量分分析析器器只只包包括括一一個個磁磁場場，它它利利用用磁磁場場引引起起的的質(zhì)質(zhì)量量色色散散作作用用，對對能能量量、質(zhì)質(zhì)量量相相同同而而進進入入磁磁場場時時方方向向不不同同的的離離子子進進行行方方向向聚聚焦焦。 8 如

7、果采用電場和磁場所組成的質(zhì)量分析器， 不僅仍然可以實現(xiàn)方如果采用電場和磁場所組成的質(zhì)量分析器， 不僅仍然可以實現(xiàn)方向聚焦，而且使向聚焦，而且使 m/e 相同、速度不同的離子也可聚集在一起（速度聚相同、速度不同的離子也可聚集在一起（速度聚焦或能量聚焦） ，則稱為“雙聚焦” 。焦或能量聚焦） ，則稱為“雙聚焦” 。雙聚焦質(zhì)譜儀雙聚焦質(zhì)譜儀的分辨率較高。的分辨率較高。 9四極桿質(zhì)量分析器四極桿質(zhì)量分析器是一種無磁鐵分析器， 加在兩對電極桿上的電壓數(shù)值相是一種無磁鐵分析器， 加在兩對電極桿上的電壓數(shù)值相等，方向相反。每個電壓都具有直流（等，方向相反。每個電壓都具有直流（u）和射頻（）和射頻（vcosw

8、t）兩分量，在極桿）兩分量，在極桿之間形成之間形成振蕩電場振蕩電場，在一定條件下，只有具有特定，在一定條件下，只有具有特定 m/e 的離子作“穩(wěn)定振動”的離子作“穩(wěn)定振動”最終到達檢測器，其他的離子都作“不穩(wěn)定振動” ，會撞擊在極桿上而被“過最終到達檢測器，其他的離子都作“不穩(wěn)定振動” ，會撞擊在極桿上而被“過濾”掉。濾”掉。 若射頻頻率不變連續(xù)改變?nèi)羯漕l頻率不變連續(xù)改變 u 和和 v（但要保持（但要保持 u/ v 為一常做） ，這種操作方為一常做） ，這種操作方式稱為電壓掃描。若保持電壓不變而連續(xù)改變頻率，則稱為頻率掃描。這兩種式稱為電壓掃描。若保持電壓不變而連續(xù)改變頻率，則稱為頻率掃描。這

9、兩種方式都可使方式都可使 m/e 不同的離子依次到達檢測器，實現(xiàn)分離。不同的離子依次到達檢測器，實現(xiàn)分離。 四極桿質(zhì)譜儀核磁分析器體積小四極桿質(zhì)譜儀核磁分析器體積小、重量輕，操作方便，掃描速度快，常用、重量輕，操作方便，掃描速度快，常用于于 GC-MS 聯(lián)用。聯(lián)用。 10 檢測及記錄系統(tǒng)檢測及記錄系統(tǒng) 質(zhì)量分析器出來的離子流只有質(zhì)量分析器出來的離子流只有 10-9-10-10A，通，通常用電子倍增管和前置放大器放大，并將電流轉(zhuǎn)化為電壓，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)常用電子倍增管和前置放大器放大，并將電流轉(zhuǎn)化為電壓，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換，由計算機進行處理，給出質(zhì)譜圖和質(zhì)譜數(shù)據(jù)。換，由計算機進行處理，給出質(zhì)譜圖和質(zhì)譜數(shù)據(jù)。 縱

10、縱坐坐標(biāo)標(biāo)為為離離子子流流的的相相對對強強度度 （相相對對豐豐度度） ， 通通常常最最強強的的峰峰稱稱為為基基峰峰，其其強強度度定定為為 100%，其其余余的的峰峰以以基基峰峰為為基基礎(chǔ)礎(chǔ)確確定定其其相相對對強強度度。橫橫坐坐標(biāo)標(biāo)為為質(zhì)質(zhì)荷荷比比。一一條條直直線線代代表表一一個個峰峰（棒棒圖圖） ，也也可可以以表表格格的的形形式式給給出出質(zhì)質(zhì)譜譜數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)。 11表表 1 甲苯的質(zhì)譜甲苯的質(zhì)譜 m/e 基峰相對強度/% m/e 基峰相對強度/% 30 4.4 63 8.6 39 5.3 65 11 45 3.9 91 100（基峰） 50 6.3 92 68（分子離子峰） 51 9.1 93 4

11、.9(M+1) 62 4.1 94 0.21(M+2) M 為為分分子子離離子子峰峰，M+1, M+2, , 一一般般由由較較重重的的同同位位素素引引起起，稱稱為為同同位位素素離離子子峰峰。質(zhì)質(zhì)譜譜中中分分子子離離子子（或或碎碎片片離離子子）往往往往不不是是單單一一的的，而而是是成成簇簇的的，稱稱為為同同位位素素峰峰簇簇（isotpic cluster） 。 1210.2.1 分子離子峰的判斷分子離子峰給出分子量。分子離子峰給出分子量。將高分辨質(zhì)譜精確測定的分子量和各種組合的分子式將高分辨質(zhì)譜精確測定的分子量和各種組合的分子式的分子量的理論計算值比較，即可確定分子式。的分子量的理論計算值比較，

12、即可確定分子式。 184.1944m/e M 1939489.184 184.14633 NHCOHC2241122011 MS 中最高質(zhì)量的離子不一定是分子離子。中最高質(zhì)量的離子不一定是分子離子。 同位素峰同位素峰； 分子離子如果不穩(wěn)定，質(zhì)譜上就不會出現(xiàn)；分子離子如果不穩(wěn)定，質(zhì)譜上就不會出現(xiàn)； 有時分子離子一產(chǎn)生就與其他離子或分子碰撞，從而形成質(zhì)量更高的離子；有時分子離子一產(chǎn)生就與其他離子或分子碰撞，從而形成質(zhì)量更高的離子； 有時可能由于雜質(zhì)混入而產(chǎn)生高質(zhì)量的離子峰。有時可能由于雜質(zhì)混入而產(chǎn)生高質(zhì)量的離子峰。 13144. M+1 和和 M-1 峰峰 醚、酯、胺、酰胺形成的醚、酯、胺、酰胺形

13、成的M不穩(wěn)定、但不穩(wěn)定、但 M+1 峰卻相當(dāng)大。峰卻相當(dāng)大。 醛醛 確定分子離子（峰）的技術(shù)措施確定分子離子（峰）的技術(shù)措施 1. 測衍生物的測衍生物的 MS，看是否有對應(yīng)的質(zhì)量位移。，看是否有對應(yīng)的質(zhì)量位移。 2. EI 逐漸降低轟擊電壓，最后剩下來的峰很可能是逐漸降低轟擊電壓，最后剩下來的峰很可能是M峰。峰。 3. 應(yīng)用軟電離技術(shù)以獲得較強的應(yīng)用軟電離技術(shù)以獲得較強的M。 + R C O H H RC M1 O+ + O R +H R R O R + H M+1 M 1510.2.2 同位素離子峰簇利用同位素離子峰簇的相對豐度的差別可以確定未知物的分子式。利用同位素離子峰簇的相對豐度的差別

14、可以確定未知物的分子式。 1. 19F、31P、127I 不含同位素不含同位素 2. 若分子中只含若分子中只含 1 個個 C，由于，由于13C 的貢獻，相對豐度比的貢獻，相對豐度比%1 . 1M1M 分子中分子中 C 原子數(shù)原子數(shù)%1 . 1M1M 3. 若分子中含若分子中含 1 個個 Cl 31M2M 4. 若分子中含若分子中含 1 個個 Br 1M2M 5. 若分子中含若分子中含 1 個個 S %4 . 4M2M 16 例例1 1 151分子中含 1 個 N %4 . 9M1M分子中含 8 個 C 33M2M.1%分子中含 1 個 C1化合物分子式應(yīng)為 C8 H6 NCl注注意意： 實實測

15、測的的同同位位素素離離子子峰峰簇簇的的相相對對強強度度與與按按自自然然豐豐度度計計算算的的結(jié)結(jié)果果有有些些差差異異。 17 碎碎片片離離子子系系由由分分子子離離子子斷斷裂裂產(chǎn)產(chǎn)生生，而而重重排排反反應(yīng)應(yīng)往往往往伴伴隨隨著著脫脫除除小小分分子子，也也與與鍵鍵的的斷斷裂裂有有關(guān)關(guān)。有有機機質(zhì)質(zhì)譜譜中中最最常常見見的的斷斷裂裂類類型型是是半半異異裂裂，即即已已離離子子化化的的鍵鍵的的斷斷裂裂。 1810.3.1 簡單斷裂1. 烷烴的斷裂烷烴的斷裂 3CH 33e33CHCHCHCHCH3 脂族碳鏈在“分支”處容易斷裂，正電荷在取代較多的上。脂族碳鏈在“分支”處容易斷裂，正電荷在取代較多的上。 +CH

16、3 R +CH2 HCR2 CR3 除了脫除除了脫除CH3外外，還有還有C2H5、 C3H7等等，從而形成從而形成 M-29、M-43 等碎片離子。等碎片離子。 最大烷基優(yōu)先失去。最大烷基優(yōu)先失去。 M M15 192. 斷斷 裂裂 是是 指指 與與 具具 有有 電電 荷荷 的的 官官 能能 團團 原原 子子 直直 接接 相相 連連 的的 鍵鍵 斷斷 裂裂 20 3. 斷斷裂裂是是指指 -碳碳和和 -碳碳原原子子之之間間的的鍵鍵斷斷裂裂，含含雜雜原原子子的的化化合合物物容容易易發(fā)發(fā)生生。其其規(guī)規(guī)律律是是雜雜原原子子上上不不成成對對電電子子與與 -碳碳原原子子形形成成一一個個新新鍵鍵，同同時時發(fā)

17、發(fā)生生 -斷斷裂裂失失去去一一個個自自由由基基。 2110.3.2 Mclafferty重排 Mclafferty 重重排排是是重重排排反反應(yīng)應(yīng)中中一一種種常常見見而而重重要要的的方方式式。凡凡具具有有雙雙鍵鍵和和-H 結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的化化合合物物，如如醛醛、酮酮、羧羧酸酸、酯酯、酰酰胺胺、鏈鏈上上 C5以以上上的的烯烯烴烴及及側(cè)側(cè)鏈鏈芳芳烴烴等等均均可可發(fā)發(fā)生生。 22其其特特點點是是 經(jīng)經(jīng)六六員員環(huán)環(huán)過過渡渡，H 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移、生生成成新新雙雙鍵鍵、-斷斷裂裂脫脫除除一一中中性性碎碎片片，同同時時生生成成穩(wěn)穩(wěn)定定的的碳碳正正離離子子。 注注意意：1.分分子子離離子子的的斷斷裂裂是是比比較較復(fù)復(fù)雜雜

18、的的。 232. 碎碎片片離離子子常常進進一一步步斷斷裂裂，得得到到一一系系列列有有特特殊殊質(zhì)質(zhì)量量數(shù)數(shù)的的離離子子。 24 例例 1 1 甲甲基基異異丁丁基基酮酮 25 例例 2 2 某某化化合合物物相相對對分分子子量量為為 116。m/e 57(100)、43(27)、29(57) A. (CH3)2CHCO2C2H5 B. C2H5CO2(CH2)2CH3 C. CH3(CH2)2CO2CH3 三三個個都都是是酯酯，酯酯的的 斷斷裂裂特特征征，m/e 57 為為基基峰峰，即即（M59）離離子子特特征征。脫脫除除的的 59 的的中中性性碎碎片片應(yīng)應(yīng)為為 C3H7O m/e 43為+C3H726GC/MS 色色譜譜質(zhì)質(zhì)譜譜計計算算機機聯(lián)聯(lián)用用儀儀 “聯(lián)聯(lián)用用”的的關(guān)關(guān)鍵鍵是是色色譜譜儀儀和和質(zhì)質(zhì)譜譜儀儀之之間間的的“接接口口” 。GC/MS常常采采用用噴