有機(jī)波譜講解及譜圖分析 第二章 有機(jī)質(zhì)譜

第二章有機(jī)質(zhì)譜MassSpectrum,MSOrganicMassSpectra,OMS質(zhì)譜發(fā)展史本世紀(jì)初英國(guó)J.J.Thomson（1906年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）發(fā)明了質(zhì)譜1910年世界上第一臺(tái)現(xiàn)代意義質(zhì)譜儀在英國(guó)劍橋

Cavendish實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)；1917年電噴霧物理現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)（并非為了質(zhì)譜）1918年

Dempsten180°磁扇面方向聚焦質(zhì)譜儀；1919年

Aston第一臺(tái)速度聚焦質(zhì)譜儀；1935年

Marttauch&R.Herzog雙聚焦質(zhì)譜儀；1953年

Paul&Steinwedel

四極質(zhì)譜計(jì)；1954年

InghramMS/MS；1955年

Wiley&Mclarens

飛行時(shí)間質(zhì)譜儀；1960’s

開(kāi)發(fā)GC/MS；60’s-70’s

大氣壓電離源被發(fā)現(xiàn)，但未被廣泛應(yīng)用；70’s-80’s

開(kāi)始廣泛研究LC/MS；1974年后回旋共振質(zhì)譜儀；1979年傳送帶式LC/MS接口成為商業(yè)產(chǎn)品；1982年離子束LC/MS接口出現(xiàn)；1984年第一臺(tái)電噴霧質(zhì)譜儀宣告誕生；1988年電噴霧質(zhì)譜儀首次應(yīng)用于蛋白質(zhì)分析……質(zhì)譜法質(zhì)譜法是通過(guò)將樣品轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)的氣態(tài)離子并按質(zhì)荷比（m/z）大小進(jìn)行分離記錄的分析方法。所獲得結(jié)果即為質(zhì)譜圖（亦稱(chēng)質(zhì)譜）。根據(jù)質(zhì)譜圖提供的信息可以進(jìn)行多種有機(jī)物及無(wú)機(jī)物的定性和定量分析、復(fù)雜化合物的結(jié)構(gòu)分析、樣品中各種同位素比的測(cè)定及固體表面的結(jié)構(gòu)和組成分析等。質(zhì)譜儀早期主要用于原子量的測(cè)定和定量測(cè)定某些復(fù)雜碳?xì)浠旌衔镏械母鹘M分等。1960年以后，才開(kāi)始用于復(fù)雜化合物的鑒定和結(jié)構(gòu)分析。實(shí)驗(yàn)證明，質(zhì)譜法是研究有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的有力工具。質(zhì)譜儀是利用電磁學(xué)原理，使帶電的樣品離子按質(zhì)荷比進(jìn)行分離的裝置。離子電離后經(jīng)加速進(jìn)入磁場(chǎng)中，其動(dòng)能與加速電壓及電荷z有關(guān)，即

zeU=1/2m2其中z為電荷數(shù),e為元電荷(e=1.60×10-19C),U為加速電壓,m為離子的質(zhì)量,為離子被加速后的運(yùn)動(dòng)速度。具有速度

的帶電粒子進(jìn)入質(zhì)譜分析器的電磁場(chǎng)中,根據(jù)所選擇的分離方式,最終實(shí)現(xiàn)各種離子按m/z

進(jìn)行分離。質(zhì)譜儀的工作原理根據(jù)質(zhì)量分析器的工作原理，可以將質(zhì)譜儀分為動(dòng)態(tài)儀器和靜態(tài)儀器兩大類(lèi)。在靜態(tài)儀器中用穩(wěn)定的電磁場(chǎng)，按空間位置將m/z不同的離子分開(kāi)，如單聚焦和雙聚焦質(zhì)譜儀。在動(dòng)態(tài)儀器中采用變化的電磁場(chǎng)，按時(shí)間不同來(lái)區(qū)分m/z不同的離子，如飛行時(shí)間和四極濾質(zhì)器式的質(zhì)譜儀。◆質(zhì)譜不屬波譜范圍◆質(zhì)譜圖與電磁波的波長(zhǎng)和分子內(nèi)某種物理量的改變無(wú)關(guān)◆質(zhì)譜是分子離子及碎片離子的質(zhì)量與其相對(duì)強(qiáng)度的譜,譜圖與分子結(jié)構(gòu)有關(guān)

◆質(zhì)譜法進(jìn)樣量少,靈敏度高,分析速度快◆質(zhì)譜是唯一可以給出分子量,確定分子式的方法,而分子式的確定對(duì)化合物的結(jié)構(gòu)鑒定至關(guān)重要。

特點(diǎn)BlackBoxSamplesinAnswersoutWhatistheidealmassspectrometer?計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)高真空系統(tǒng)

加速區(qū)進(jìn)樣系統(tǒng)離子源質(zhì)量分析器檢測(cè)器

2.1.1質(zhì)譜計(jì)質(zhì)譜儀器的主要指標(biāo)質(zhì)量范圍：儀器所檢測(cè)的質(zhì)荷比范圍。對(duì)單電荷離子即為離子的質(zhì)量范圍；對(duì)多電荷離子，所檢測(cè)的離子質(zhì)量則擴(kuò)展到離子電荷數(shù)相應(yīng)的倍數(shù)。質(zhì)譜儀的質(zhì)量測(cè)定范圍表示質(zhì)譜儀所能進(jìn)行分析的樣品的相對(duì)原子質(zhì)量（或相對(duì)分子質(zhì)量）范圍，通常采用原子質(zhì)量單位（u）進(jìn)行度量。測(cè)定氣體用的質(zhì)譜儀，一般質(zhì)量測(cè)定范圍在2～100，而有機(jī)質(zhì)譜儀一般可達(dá)幾千，現(xiàn)代質(zhì)譜儀甚至可以研究相對(duì)分子量達(dá)幾十萬(wàn)的生化樣品。分辨率(resolution)：

分辨本領(lǐng):

是指質(zhì)譜儀分開(kāi)相鄰質(zhì)量數(shù)離子的能力。即:對(duì)兩個(gè)相等強(qiáng)度的相鄰峰，當(dāng)兩峰間的峰谷(半峰高寬)不大于其峰高10%時(shí)，認(rèn)為兩峰已經(jīng)分開(kāi)，其分辨率為：R=m1/(m2-m1)=m1/Δm其中m1、m2為質(zhì)量數(shù)，且m1<m2，故在兩峰質(zhì)量數(shù)較小時(shí)，要求儀器分辨率越大。在實(shí)際工作中，有時(shí)很難找到相鄰的且峰高相等的兩個(gè)峰，同時(shí)峰谷(半峰高寬)又為峰高的10%。在這種情況下，可任選一單峰，測(cè)其峰高5%處的峰寬W0.05，即可當(dāng)作上式中的Δm，此時(shí)的分辨率定義為

R=m/W0.05

如果該峰是高斯型的，上述兩式計(jì)算結(jié)果是一樣的。質(zhì)譜儀的分辨本領(lǐng)由幾個(gè)因素決定：（1）離子通道的半徑；（2）加速器與收集器狹縫寬度；（3）離子源的性質(zhì)。質(zhì)譜儀的靈敏度有絕對(duì)靈敏度、相對(duì)靈敏度和分析靈敏度等幾種表示方法。絕對(duì)靈敏度是指儀器可以檢測(cè)到的最小樣品量；相對(duì)靈敏度是指儀器可以同時(shí)檢測(cè)的大組分與小組分含量之比；分析靈敏度則是指輸入儀器的樣品量與儀器輸出的信號(hào)之比。靈敏度準(zhǔn)確度(accuracy):ppm(partpermillion)穩(wěn)定性(stability):儀器在一定時(shí)間間隔內(nèi)某離子的m/z測(cè)量值的變化.動(dòng)態(tài)范圍(dynamicrange):

在動(dòng)態(tài)范圍內(nèi),樣品量與儀器輸出的信號(hào)應(yīng)成正比例關(guān)系.VacuumSystemSampleInletDetectorDataSystemMassAnalyserIonisationMethodAtmosphere質(zhì)譜儀的構(gòu)成冷入口進(jìn)樣（Coldinletsystem)

全玻璃可加熱進(jìn)樣系統(tǒng)（Allglassheatedinletsystem,AGHIS)

隔膜入口系統(tǒng)（Septuminletsystem)

直接插入式進(jìn)樣桿（Directinsertionprobe,DIP)

動(dòng)態(tài)連續(xù)進(jìn)樣系統(tǒng)（GC/MS,LC/MS,CE/MS,微量入射泵等）

進(jìn)樣系統(tǒng)2.1.2離子化的方法電噴霧電離ElectrosprayIonization,ESI電子轟擊電離

ElectronImpactIonization,EI化學(xué)電離ChemicalIonization,CI場(chǎng)電離，場(chǎng)解吸FieldIonizationFI,FieldDesorptionFD快原子轟擊

FastAtomBombardment,FAB其他離子化的方法基質(zhì)輔助激光解析電離(MALDI)電感耦合電離(ICP)熱噴霧(HSI)電子轟擊電離EI

電子轟擊電離又稱(chēng)為電子轟擊，或電子電離。是應(yīng)用最普遍，發(fā)展最成熟的電離方法。

轟擊電壓50-70eV,有機(jī)分子的電離電位一般為7-15eV?？商峁┴S富的結(jié)構(gòu)信息。有些化合物的分子離子不出現(xiàn)或很弱EI優(yōu)點(diǎn)：(1)多數(shù)情況下，能獲得分子離子，即可獲得分子量的信息。同時(shí)也能獲得很多由于分子離子碎裂所表現(xiàn)出來(lái)的結(jié)構(gòu)信息。由分子離子及大量的碎片離子，可以推演出碎裂過(guò)程，從而可以推出被測(cè)有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)。(2)適應(yīng)性廣。(3)可以精確地控制電子束能量，從而能方便地控制有機(jī)分子的電離及分子離子的內(nèi)能，也即能控制分子離子的碎裂。EI缺點(diǎn)：（1）對(duì)有些化合物來(lái)說(shuō)，不能得到或僅能得到極弱的分子離子峰。如鏈烴、醇等，這時(shí)就難以確定被測(cè)物分子的分子量。（2）對(duì)一些位置異構(gòu)體（如二氯苯）和順?lè)串悩?gòu)體不能分辨，或鑒別起來(lái)十分困難。（3）對(duì)于那些十分依賴(lài)加溫才能揮發(fā)的有機(jī)物，有時(shí)因熱不穩(wěn)定而只能測(cè)得分解產(chǎn)物的質(zhì)譜（如肽類(lèi)化合物），有的因根本不揮發(fā)而測(cè)不到有用的譜（如聚苯乙烯）。化學(xué)電離CI通過(guò)引入大量的試劑氣，使樣品分子與電離電子不直接作用。試劑氣分子被電子轟擊電離后因離子－分子反應(yīng)產(chǎn)生一些活性反應(yīng)離子，這些離子再與樣品分子發(fā)生離子－分子反應(yīng)，使樣品分子實(shí)現(xiàn)電離。CH4+eCH4++2eCH4++CH4

CH3+CH5+

CH3++CH4

H2+C2H5+

CH2++CH4

H2+C2H4+

C2H3++H

C2H3++CH4

H2+C3H5+

常用反應(yīng)氣：甲烷、丙烷、異丁烷、氫氣、氨、氮?dú)?、一氧化碳、氬氣等?yōu)點(diǎn)：(1)分子量信息和結(jié)構(gòu)信息

(2)靈敏度高

(3)有時(shí)可區(qū)分異構(gòu)體缺點(diǎn)：對(duì)熱不穩(wěn)及不揮發(fā)的化合物不適用。場(chǎng)致和場(chǎng)解吸電離源FI&FD場(chǎng)電離源（Fieldionization）： 樣品蒸汽臨近或接觸帶高的正電荷的金屬針時(shí)，高曲率半徑的針端產(chǎn)生的很高的電壓強(qiáng)度使樣品分子電離。優(yōu)點(diǎn)：（1）能得到分子量信息；（2）能得某些有價(jià)值的結(jié)構(gòu)信息。缺點(diǎn)：（1）靈敏度低，結(jié)構(gòu)信息少。（2）不適用于不揮發(fā)的及對(duì)熱不穩(wěn)定樣品。場(chǎng)解吸(Fielddesorption)：

原理同場(chǎng)電離。但樣品是沉積在電極上。與前三種相比，最“軟”。優(yōu)點(diǎn)：（1）固態(tài)時(shí)就能使樣品分子電離，適合于難汽化和熱不穩(wěn)定樣品（2）有豐富的分子離子或準(zhǔn)分子離子（甚至是基峰）缺點(diǎn)：碎片離子極少，靈敏度一般不及EI和CI?？煸愚Z擊（FAB）

惰性氣體Ar或Xe的原子首先被電離并被加速，使之具有高的動(dòng)能，在原子槍(atomgun)內(nèi)進(jìn)行電荷交換反應(yīng)：

Ar+(高動(dòng)能的)+Ar(熱運(yùn)動(dòng)的)→Ar(高動(dòng)能的)+Ar+(熱運(yùn)動(dòng)的)高動(dòng)能的Ar或Xe原子束再轟擊樣品分子使其離子化

FAB是目前廣泛使用的軟電離技術(shù)，適用于難汽化,極性強(qiáng)的大分子。樣品用基質(zhì)調(diào)節(jié)后黏附在靶物上。

常用的基質(zhì)有甘油，硫代甘油，3-硝基芐醇，三乙醇胺等。

注意：FAB質(zhì)譜圖中會(huì)出現(xiàn)基質(zhì)分子產(chǎn)生的相應(yīng)的峰及基質(zhì)分子與樣品分子的結(jié)合峰。

例如：3-硝基芐醇作為基質(zhì)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)m/z154(MH),136（MH–H2O）,289(MMH–H2O)的峰。HPLC樣品溶液

氮?dú)忪F化

通過(guò)加熱管被汽化

霧化管端施加高電壓加熱管端尖端放電溶劑分子電離樣品分子電離單電荷或多電荷離子抽真空保溫層電噴霧電離（ESI）2.1.3質(zhì)量分析器

磁分析器,

靜電分析器只有一扇形磁場(chǎng)的質(zhì)量分析器又稱(chēng)為磁分析器。

加速后離子具有一定的動(dòng)能:（），該動(dòng)能是由離子在加速電場(chǎng)獲得的電勢(shì)能（zV）轉(zhuǎn)化的。

單聚焦質(zhì)譜計(jì)—磁分析器雙聚焦質(zhì)譜計(jì)—靜電分析器+

磁分析器

靜電分析器由兩個(gè)同心圓板組成，兩圓板之間保持一定的電位差(E)。

四極濾質(zhì)器四極濾質(zhì)器由四根平行的金屬桿組成，其排布見(jiàn)右圖所示。被加速的離子束穿過(guò)對(duì)準(zhǔn)四根極桿之間空間的準(zhǔn)直小孔。通過(guò)在四極上加上直流電壓U和射頻電壓Vcost，在極間形成一個(gè)射頻場(chǎng)，離子進(jìn)入此射頻場(chǎng)后，會(huì)受到電場(chǎng)力作用，只有合適m/z的離子才會(huì)通過(guò)穩(wěn)定的振蕩進(jìn)人檢測(cè)器。只要改變U和V并保持U/V比值恒定時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)不同m/z的檢測(cè)。

液體二次離子質(zhì)譜LiquidSecondaryIonMassSpectrometery,LSIMS用重離子取代重原子進(jìn)行轟擊,如使用Cs+.Cs+是一級(jí)離子,經(jīng)其轟擊產(chǎn)生的離子就是二次離子,用于液體樣品的分析,因此叫LSIMS.基質(zhì)輔助激光解吸電離Matrix-assistedLaserDisorptionIonization,

MALD為避免熱敏感化合物熱分解,需對(duì)他們進(jìn)行極快速的加熱,采用脈沖式激光對(duì)靶物提供高能量.方法是:將被分析物質(zhì)

(μmol/L級(jí)濃度)的溶液和某種基質(zhì)

(mmol/L級(jí)濃度)溶液相混合.蒸發(fā)溶劑,于是被分析物質(zhì)與基質(zhì)成為晶體或半晶體.用一定波長(zhǎng)的脈沖式激光進(jìn)行照射.基質(zhì)分子能有效地吸收激光的能量,使基質(zhì)分子和樣品投射到氣相并得到電離.常用的基質(zhì)有2,5-二羥基苯甲酸、芥子酸、煙酸、-氰基-4-羥基肉桂酸等.

樣品溶液仍由具有霧化氣套管的毛細(xì)管端流出,被氮?dú)饬黛F化,通過(guò)加熱管時(shí)被汽化.在加熱管端進(jìn)行電暈（corona）尖端放電,溶劑分子被電離,再通過(guò)CI過(guò)程使樣品分子進(jìn)行電離,得準(zhǔn)分子離子.大氣壓化學(xué)電離

AtmosphericPressureChemicalIonizationAPCI2.1.4串聯(lián)質(zhì)譜和色譜-質(zhì)譜聯(lián)機(jī)混合物的分析怎樣解決？1.碰撞誘導(dǎo)斷裂碰撞誘導(dǎo)斷裂（collision-induceddissociation,

CID）

又稱(chēng)為碰撞活化斷裂（collision-activateddissociation,

CAD）或簡(jiǎn)稱(chēng)碰撞活化（collisionalactivation,

CA）對(duì)CID，將碰撞前后的離子分別稱(chēng)為反應(yīng)物離子（reactantion）和產(chǎn)物離子（production）2.串聯(lián)質(zhì)譜（tandemMS）又表為，MSnn為串聯(lián)級(jí)數(shù)。

MS/MS分為兩類(lèi)：空間上串聯(lián)（tandem-in-space）

時(shí)間上串聯(lián)（tandem-in-time）§2.1.5色譜-質(zhì)譜聯(lián)機(jī)色譜是分離混合物的有效方法，但難以得到結(jié)構(gòu)信息，通常是與標(biāo)樣對(duì)比推測(cè)結(jié)構(gòu)。1.GC/MS色譜柱—常壓操作，質(zhì)譜—真空下操作。

常用電離方式：EI或EI和CI間斷進(jìn)行。2.LC/MS

（HPLC/MS）GC只能分離在操作溫度下能氣化且不分解的物質(zhì)，只有少數(shù)有機(jī)化合物滿(mǎn)足此要求，LC大大擴(kuò)充了分離范圍.質(zhì)譜圖及其應(yīng)用質(zhì)譜圖與質(zhì)譜表質(zhì)譜法的主要應(yīng)用是鑒定復(fù)雜分子并闡述其結(jié)構(gòu)，確定元素的同位素及分布等。一般的質(zhì)譜給出的數(shù)據(jù)有兩種形式：一是棒圖即質(zhì)譜圖，另一個(gè)為表格即質(zhì)譜表。質(zhì)譜圖是以質(zhì)荷比(m/z)為橫坐標(biāo)，相對(duì)強(qiáng)度為縱坐標(biāo)構(gòu)成。一般將原始質(zhì)譜圖上最強(qiáng)的離子峰為基峰并定為相對(duì)強(qiáng)度為100%，其它離子峰以對(duì)基峰的相對(duì)百分值表示。

2.1.5質(zhì)譜圖

橫坐標(biāo)為離子的質(zhì)核比，縱坐標(biāo)為離子相對(duì)強(qiáng)度或相對(duì)豐度。乙醇的質(zhì)譜圖如下：質(zhì)譜表是用表格形式表示的質(zhì)譜數(shù)據(jù)。質(zhì)譜表中有兩項(xiàng)即質(zhì)荷比和相對(duì)強(qiáng)度。從質(zhì)譜圖上可以直觀(guān)地觀(guān)察整個(gè)分子的質(zhì)譜全貌，而質(zhì)譜表則可以準(zhǔn)確地給出精確的m/z值及相對(duì)強(qiáng)度值，有助于進(jìn)一步分析。1.質(zhì)譜術(shù)語(yǔ)基峰:RI（relativeintensity)

100,

RA（relative

abundance)100質(zhì)荷比:

m/z,z=1,z=2，…

精確質(zhì)量:

精確質(zhì)量的計(jì)算基于天然豐度最大的同位素的精確原子量，如：

1H1.007825、12C

12.000000、

14N14.003074、

16O15.994915···

精確度與質(zhì)譜計(jì)的分辨率有關(guān)。2.1.4質(zhì)譜術(shù)語(yǔ)及質(zhì)譜中的離子2.質(zhì)譜中的離子:分子在離子源中可以產(chǎn)生各種電離，即同一種分子可以產(chǎn)生多種離子峰分子離子(molecularion)

準(zhǔn)分子離子(quasi-molecularion)

碎片離子(fragmention)

重排離子(rearrangemention)

亞穩(wěn)離子(metastableion)

奇電子離子(odd-electronion)

偶電子離子(even-electronion)

同位素離子(isotopicion)

多電荷離子(multiply-chargedion)分子離子(molecularion):M+·,M－e→M+·

z=1時(shí)，其m/z等于天然豐度最大的同位素的原子量之和。碎片離子(fragmention)：廣義指分子離子以外的所有離子。重排離子（rearrangemention)：經(jīng)過(guò)重排，斷裂一個(gè)以上化學(xué)鍵所生成的離子?；瘜W(xué)鍵的斷裂和生成同時(shí)發(fā)生。

準(zhǔn)分子離子：[MH]+,

[M－H]+同位素離子：非單一同位素的元素在電離過(guò)程中產(chǎn)生同位素離子，同位素離子構(gòu)成同位素峰簇。

母離子與子離子(parentionanddaughterion)：任何一個(gè)離子進(jìn)一步裂解為質(zhì)荷比較小的離子，前者是后者的母離子或前體子，后者是前者的子離子。有些元素具有天然存在的穩(wěn)定同位素，所以在質(zhì)譜圖上出現(xiàn)一些M+1，M+2的峰，由這些同位素形成的離子峰稱(chēng)為同位素離子峰。在一般有機(jī)分子鑒定時(shí)，可以通過(guò)同位素峰統(tǒng)計(jì)分布來(lái)