有机质谱2015.

分析测试中心胡耀铭宋国新二○一五年四月《高等结构分析》－有机质谱基本技术简介实验室：科学楼317/319室电话：65643012E-mail:[e-mail]@fudan.edu.cn质谱是什么?质谱是一种特殊的“称重”技术质谱是一种测定各种物质的原子、分子质量的分析方法。质量是物质的固有特性之一，不同的物质有不同的质量谱－质谱，利用这一性质，可以进行定性分析；质谱谱峰的强度也与它代表的化合物的含量有关，利用这一点，可以进行定量分析。质谱分析法是化学领域中非常重要的一种分析方法，这是一项测量离子质量和强度的技术，它通过测定分子质量和相应的离子电荷（质荷比m/z）实现样品中分子结构的分析。英国物理学家J.J.Thomson（1906年诺贝尔物理学奖获得者）在上世纪初即开展了正电荷离子束的物理学研究，并于1910年研制了世界上第一台质谱仪。Thomson利用低压放电离子源所产生的具有高速度的正电荷离子束，通过一组电场和磁场，这时不同质荷比的正电荷离子按不同质量发生曲率不同的抛物线轨道偏转，依次到达检测器，在感光干板上被记录下来，从而发明了质谱法。质谱分析法发展到今天，已在许多科学研究及生产领域发挥十分重要的作用。根据发展历程和使用的学科领域不同，可把质谱分成：同位素质谱无机质谱有机质谱生物质谱等几大类同位素质谱实际上，最初质谱分析工作是从同位素分析开始的，这方面的工作包括发现元素的新的同位素及测定同位素含量两个方面。英国物理学家F.W.Aston，长期从事同位素和质谱的研究。他首次制成了聚焦性能较高的质谱仪，并用此来对许多元素的同位素及其丰度进行测量，从而肯定了同位素的普遍存在。同时根据对同位素的研究，他还提出了元素质量的整数法则。因此他荣获了1922年的诺贝尔化学奖。早期的质谱分析工作集中于元素的天然同位素发现及丰度测定。这方面的数据积累为确立目前通用的以12C为基准的原子质量单位体系提供了基础。这是质谱对物理学和化学的一大贡献。目前这方面的分析、研究工作已基本结束，同位素分析集中到特定环境下的同位素含量测定上。质谱是同位素地质学研究的重要工具，通过测定地质样品（岩石、矿物、化石等）中某些同位素的含量，可确定其形成年代，为地质学及考古工作提供可靠的信息。用质谱分析同位素标记化合物也是研究有机反应历程以及生物体的新陈代谢机理，特别是人体内的代谢过程的有效方法。无机质谱包括无机物的定性、定量及材料的表面分析等。用火花源质谱分析法，原则上可测定周期表上从氢到铀的全部元素，检测灵敏度可达(10-12~10-13)g(pg级)。无机质谱分析的一个重要领域是对固体样品进行“立体”分析，包括微区分析、表面分析、纵深分析、逐层分析等。有机质谱它是针对有机物的质谱分析方法，与核磁共振谱、红外光谱、紫外光谱一起被称为有机结构分析的“四大谱”。有机质谱研究的真正兴起是在上世纪50年代以后，主要朝着两方面发展，其一是研究有机物离子裂解机理，另一方面是运用质谱推导有机分子结构。有机质谱分析虽起步较晚，但发展十分迅速，它已成为当前质谱学研究中的主要分支，是有机化合物结构和成分分析的主要工具。与其它“三大谱”相比，它提供了有机化合物最直观的特征信息，即分子量及官能团碎片结构信息。在某些情况下，这些信息足以确定一个有机化合物的结构。在高分辨条件下，将质谱信号通过计算机运算，可以获知其元素组成，因此，质谱仪还具有元素分析的功能，广泛应用于各种有机化合物的结构分析。同时，由于与分离型仪器（气相色谱仪、液相色谱仪等）实现了联用，质谱可以直接分析混合有机物，成为复杂混合物成分分析的最有效工具。在有机质谱应用方面，1985年英国萨塞克斯大学(UniversityofSussex)的波谱学家H.W.Kroto与美国莱斯大学(RiceUniversity)两名教授R.E.Smalley和R.F.Curl合作研究，利用质谱仪发现碳元素可以形成由60个或70个碳原子构成的有笼状结构的C60和C70分子，这一发现引起科学界特别是物理学和化学界的强烈反响，成为上世纪后半叶的重大科学发现之一。11年后，三位科学家因为发现C60并提出其分子结构模型而荣获1996年诺贝尔化学奖。“石墨烯概念”生物质谱随着科学技术的进步，特别是1988年以后，科学家们研究出了电喷雾电离质谱(ESI)和基质辅助激光解析电离飞行时间质谱(MALDI-TOF)，开创了有机质谱分析研究生物大分子的新领域。2002年诺贝尔化学奖分别表彰了两项成果，一项是美国科学家约翰·芬恩与日本科学家田中耕一发明了对生物大分子进行确认和结构分析的方法和发明了对生物大分子的质谱分析法，他们两人共享2002年诺贝尔化学奖一半的奖金；另一项是瑞士科学家库尔特·维特里希发明了利用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法，他获得了2002年诺贝尔化学奖另一半的奖金。用质谱技术分析研究糖、核酸、多肽、蛋白质，这方面的许多成功的研究工作都标志着质谱作为一种生化分析方法将占据重要的地位，有机质谱已跨出了近代结构化学和分析化学领域而进入了生命科学的范畴，生物质谱正在成为质谱研究中的一个热点。同位素质谱和无机质谱是质谱中的小分支，前者主要在与放射性同位素有关的部门应用，后者主要在矿产、地质、冶金、半导体材料和原子能工业中应用。生物质谱则是一个全新的领域，尚需作进一步探讨研究。相对而言，有机质谱是质谱中的最大分支，不仅应用学科领域广泛、部门多，而且仪器数量很大。据不完全统计，上世纪80年代，我国每年引进有机质谱仪器30多台，90年代每年引进50多台，进入新世纪后，每年更是超过100台。从事这项工作的人数也很多，目前我国从事有机质谱分析研究工作的专职科技人员近3000人。可以这样说，一切与有机化学有关联的学科与部门，诸如生物化学、生命科学、化工、医药、试剂、轻工、食品、商检、林业、农药、石油、地质、公安、法检、航天、国防、环境监测、致癌物质和兴奋剂检测等，都要装备有机质谱仪。因此，本课程将以介绍有机质谱的工作原理、实验仪器和图谱解析为主，希望能给大家今后的学习、工作有所帮助。有机质谱方法原理有机质谱分析的方法原理是：将被测物质分子电离成各种不同质荷比m/z的带电粒子，然后在电场、磁场或电与磁的组合场的作用下，使这些带电粒子按质荷比大小在空间或时间上产生分离，并测量离子峰的强度，以此获得化合物的分子量及其它有关结构信息。农药DDE质谱图由仪器直接纪录下来的质谱图是一系列尖峰，为了简化谱图，常用棒图表示。其横坐标为质荷比(m/z)，纵坐标为离子峰的强度。A:离子的相对强度(YAxis)B:离子的质量与电荷比(m/z,XAxis)C:质谱图中最强的峰称为基峰(BasePeak)D:相对于特定的检测器时称为峰的绝对强度E:所有质谱峰对应的是离子电信号强度和离子应在的m/z位置而非真实的离子强度和离子F:棒状谱(CentroidalPeak)G:高斯峰(GaussPeak）有机质谱图GF在质谱学中，质量是以12C的1/12为一个单位，记作amu或u。在12C的1/12定义中：1H=1.0078246，12C=12.0000000，13C=13.0033554，14N=14.0030738，15N=15.0001088，16O=15.9949141，18O=17.9991616，19F=18.9984082，32S=31.9720727，35Cl=34.9888531，37Cl=36.9659034。在有机质谱中，每个质量峰都是由一定数量的C、H、O、N、S、Cl等元素组成，因此每个质量峰有它的质量。高分辨有机质谱仪可以精确地测出一个质量峰的质量到小数点后4～5位。我们称构成一个质量峰的各元素中质子和中子数的总和为质量数，或者以原子质量单位计算的接近整数的数，例如O2=32，H2O=18，并以此来表示质量。低分辨有机质谱仪只能测出每个质量峰的质量数。质谱中的纵坐标可以是以电压，长度，电子数为单位，也可以是无量纲的相对比值，通常用归一化的相对比值。有机质谱常用术语有机化合物分子失去一个或数个电子，形成正离子；获得一个或数个电子就形成负离子。失去或得到一个电子形成的正离子或负离子叫单电荷离子；失去或得到数个电子形成的正离子或负离子叫多电荷离子。在质谱分析过程中，产生正离子的机会要比负离子多，一般情况下都取正离子进行分析，特殊情况下也作负离子分析（如分析有机氯农药等）。分子失去一个电子所形成的正离子称为分子离子，它的质荷比值即代表了试样分子所对应的分子量数值。分子得到一个质子所形成的正离子称为准分子离子。分子离子有可能进一步转化，由分子离子碎裂产生的离子称碎片离子，而伴有原子或原子团转移的碎裂过程所产生的离子称重排离子。有机质谱中，通常是把13C、2H、17O、15N、37Cl等低丰度同位素参与组成的分子离子称为同位素离子。DDE质谱图中，m/z316为DDE的分子离子峰，m/z318、320、322为它的同位素峰，其它低质量的离子为碎片离子峰，均由分子离子进一步碎裂所形成质谱是化合物固有的特性之一，不同的化合物除一些异构体之外，有不同的质谱，利用这个性质可以进行定性分析。有机质谱定性分析就是根据一张质谱给出的信息确定被分析化合物的分子量、分子式，并力求获得结构式。质谱峰的强度与它代表的化合物的含量成正比，混合物的质谱，是各成份的质谱的算术加和谱，利用这一点，可以进行定量分析。有机质谱仪器构成数据系统进样装置离子源质量分析器离子检测器真空系统离子源检测器质量分析器离子源（离子的产生）为了获得一个化合物的质谱，首先应将样品分子变成带电粒子—正离子或负离子，离子源就是使中性分子电离成离子的装置。在多数情况下，离子源还需完成第二个任务，就是将离子引出、加速和聚焦，使离子束具有一定的几何形状和一定的能量。常用的几种离子源有：电子轰击型离子源(ElectronImpact—EI源)化学电离源(ChemicalIonization—CI源)快原子轰击源（FastAtomBombardment－FAB源）大气压电离源(AtmosphericPressureIonization—API源)电子轰击型离子源(ElectronImpact—EI源)电子轰击电离(EI)电子轰击电离(EI)A+MB+C+......M-e这是一种试样分子经电子流轰击电离成离子的方法，是有机质谱中应用最广的常规型离子源。一般有机化合物的电离电位约为10电子伏特，当以大于这个能量的电子轰击化合物分子时，会使化合物分子处于激发态，可能使分子电离为离子，也可能发生断裂产生碎片离子。正是这些断裂和化合物的结构有关，在一定能量的电子轰击下，可以得到该化合物具有特征性的“指纹”信息。电子能量对质谱有很大的影响，通常采用降低电离电压(电子能量)的方法，以求获得较强的分子离子峰。但这时离子的绝对强度大大下降――灵敏度急剧下降，有时仍然没有分子离子峰。正因为如此，国际上采用70eV的质谱为标准谱，在70eV下电离效率达到最大值。WILEY质谱数据库第8版EI源能够获得广泛应用的原因是：电离效率高(确保质谱仪具有很高的灵敏度)，能量分散小(确保质谱仪有较高的分辨本领)，结构简单，操作简便，可给出化合物的“指纹”信息，可作质量校准。电子轰击源（EI源）尽管有上述多种优点，但它存在二个严重缺点：样品必须汽化为分子状态导入电离盒，方可实现电离。这对于热不稳定性物质或不易挥发性物质是不适用的。大多数情况下，找不到分子离子峰，不利于确定分子量。为了弥补EI源的不足，发展了其它类型离子源。化学电离源(ChemicalIonization—CI源)化学电离源需要一种反应物，最常用的是甲烷，当甲烷(CH4)和样品一起导入密封性良好的电离盒时，CH4分子首先被灯丝发射的电子轰击电离，而由于样品的分压很小，所以很少可能直接被电离。在高能量的电子轰击下，CH4分子被电离CH4+eCH4++2eCH4+CH3++H离子CH4+和CH3+与周围大量的CH4