质谱基本原理

12.7质谱基本原理第二部分•12.7质谱的基本原理•质谱：就是将样品转化为运动的气态离子碎片，并磁场中按质荷比(m/z)大小进行分离记录的分析方法。•质谱与其它分析方法相比，有以下特点：•(1)质谱法几乎是唯一能够确定有机化合物分子式的方法。低分辨率的质谱仪可以测定分子量，高分辨率的质谱仪不仅可以得准确的分子量(准确到小数点后3-4位)，而且还可以确定分子式。•(2)质谱分析法灵敏度高，试样通常只需微克级，就可得到一张很好的谱图，检出限量可达10-14g。•(3)此外，质谱法还能根据各类化合物分子离子断裂成碎片的规律，提供丰富的分子碎片信息，用于结构分析。•尤其是近年来，计算机在质谱上的应用，质谱与其它分析方法的联用，如气相色谱－质谱联用、液相色谱－质谱联用、质谱－质谱联用等技术的发展，使得质谱的应用更为广泛，作用更为重要。使它在生命科学、环境科学、药物检测等领域中已成为必不可少的手段。•一、质谱仪•化合物的质谱是由质谱仪测得的。一般质谱仪由以下几个部分组成：•最简单的质谱仪为单聚焦(磁偏转)质谱仪。它的结构如下图。进样系统离子源质量分析器离子接收器信号放大记录系统高真空系统样品真空泵abcdfqi图12-26单聚焦质谱仪示意图•整个系统是高真空的，气体样品从进样口a进入离解室，样品分子被一束高能量的电子撞击，结果使样品分子发生各种反应。首先是样品分子中的一个电子被击出，形成带正电荷的自由基分子离子。以甲烷为例：•该分子离子可继续反应形成碎片离子，碎片离子可进一步分裂成新的碎片离子。这样，一个化合物在离子室中可以产生若干个质荷比不同的离子，如甲烷：•这些离子进入一个具有几千伏电压的加速区c，加速后通过狭缝d进入磁场f。质量为m的离子经电场加速后获得的动能来源于加速电场的势能，即：zV=m2/2•而在磁场中，离子运动方向发生•改变，进行圆周运动。这时，•只有磁场施加给离子的向心•力(Hz)与离子的离心•力(m2/r)相等，才能达到•分析器的出口，被检测到。CH4+e[CH4]+2eCH4+e[CH4]CH3[CH2]CH[C]++++样品真空泵abcdfqi图12-26单聚焦质谱仪示意图mυ2/rHzυ=•合并上述两式，消去速度，可得到公式：•这是质谱的基本方程。m/z称为质荷比，由公式可知，当仪器的加速电压(V)和磁场强度(H)一定时，只有半径为r的离子才能达到分析器的出口，被检测器检测出来。•反过来，如果固定加速电压V和离子运动半径r，对磁场进行扫描，由于m/z与H2成正比，当H由小到大改变时，不同质荷比的离子就会由小到大，依次穿过狭缝q，被检测器i依次接收，从而得到所有m/z离子的质谱图。•二、质谱图•一般的质谱图用棒状图表示，其横坐标为不同离子的m/z，纵坐标为各峰的相对强度。左图为甲烷•的质谱图，在不同的m/z处，有强度•不同的峰，最高的峰称为基峰，把•它的强度定为100，其它峰高相对于•它的百分数为各峰的相对强度。峰的•相对强度表示不同质荷比离子的相对含量。m－zH2r22V－=161514131220406080100相对强度m/zM甲烷质谱图M+1•在上图中，m/z＝16的基峰为甲烷打掉一个电子生成的分子离子峰，常用M+表示。甲烷的分子离子较稳定，所以它的强度最大，可作为基峰。但是，在很多有机化合物的质谱中，分子离子峰并不一定是最强峰(基峰)。161514131220406080100相对强度m/zM甲烷质谱图M+1•12.8相对分子质量和分子式的确定•一、分子离子和相对分子质量•分子失去一个电子生成的自由基分子正离子叫做分子离子。因它只带一个正电荷，质荷比(m/z)在数值上与分子的质量相同，因此，在质谱中，找到分子离子峰就可确定相对分子质量。这是质谱的重要应用之一。它比用其它方法，如冰点降低、沸点升高法测定相对分子质量简单得多。•分子离子峰一般是质谱图中质荷比最大的峰。但多数情况下其右侧还伴随有弱的同位素峰和反应离子峰。有些化合物的分子离子比较稳定，峰的强度较大，在质谱图谱上容易找到；但有些化合物的分子离子不够稳定，容易生成碎片，此时，这些分子离子峰很弱或几乎找不到(如带支链的烷烃、醇类等)。这时，可采用降低质谱仪撞击电子流的能量的方法，或以其它经验方法来确定分子离子峰。•二、分子式的确定•确定了相对分子量，并不能写出分子式，因为多种分子可能具有相同的分子量。那么，如何确定分子式呢？常用的有两种方法。•1.高分辨率质谱法测定分子式•利用高分辨率质谱仪测定分子式的依据是，当规定12C的原子质量为12.000000时，其它各元素的原子质量严格地讲都不是整数。如：1H：1.007825，16O：45.994914，14N：14.003050。因此，即便是有的化合物分子在整数部分是相同的，但其在小数部分绝对不会相同。•因此，只要能足够精确地测出分子量，就能推断出分子式。现代高分辨率质谱已能精确到万分之一，误差仅为±0.006。能够符合这一精度的，可能的分子式数目已经很少了。若再配合其它信息，就可从这少数的几个分子式中推断出合理的分子式。•例如：用高分辨率质谱仪测得试样M.+为150.1045，该化合物在IR光谱中有明显的羰基吸收峰，求其分子式。•解：若质谱仪的误差是±0.006，那么分子量小数部分的范围是：0.0985－0.1105，查贝农表，质量整数为150，小数部分在这一范围的可能分子式有4个。•(1)C3H12N5O2,150.099093(2)C5H14N2O3,150.100435•(3)C8H12N3,150.103117(4)C10H14O,150.104459•首先，根据N规律，排除(1)和(3)。•所谓N规律是指：当有机分子的分子量为偶数时，该分子中不含N或含偶数个N；当分子量为奇数时，分子中必含有奇数个N原子。•再计算(2)和(4)的不饱和度。•UN(2)＝5＋1－0.5＊(14-2)＝0•UN(4)＝10＋1－0.5＊(14)＝4•由题义可知，分子中有一个羰基，说明只少有一个不饱和度。而(2)的不饱和度为0，也不合理。因此，只有(4)才是可能的分子式。•2.同位素丰度法推断分子式•在自然界中，组成有机化合物的各种元素按其同位素特征可分为三类：•A类元素：不含同位素的元素，如I、F、P等，氢的同位素D含量很少(0.016%)，常可以忽略不计，也归为A类元素。•A＋1类元素：C、N的同位素比普通的多一个中子，质量数多1，称为A＋1类元素。•A＋2类元素：O、S、Si、Br除了含质量数多2的同位素外，•O、S、Si还含有质量数多1的同位素。这些同位素在自然界中的相对丰度都是是已知的。详见表12-3。•因此，我们可以根据同位素的丰度和质谱图中同位素峰的相对强度来推断分子式。•在质谱图中，同位素离子峰的强度取决于三个因素：•(1)分子式，即分子由什么元素组成。•(2)分子中具有同位素的原子的个数。•(3)同位素的天然丰度。•例如：13C的天然丰度为1.1%，那么CH4的M＋1(17)峰的相对强度是M.+(16)峰的1.1%(只考虑了13C的影响，2D的影响忽略不计)。而乙烷的M＋1(31)峰的强度是M.+峰的2.2%。•由此可见，知道了化合物的分子式，就可计算出M.+，M＋1，M＋2峰的相对强度。•反过来，如果在质谱图中测得了这些峰的相对强度，就可计算或推断出分子式。•对于只含有C、H、N、O的化合物，设分子式为：CwHxNyOz。则同位素峰的相对强度可用下述公式近似计算出来：M+1M1.107100-1.1070.015100-0.0150.366100-0.3660.037100-0.037-0.204xyzw+++•同样也可推出M+2峰的相对强度：•只含有C、H、N、O的化合物，M＋2峰比较弱，但含有Br、Cl、S等元素的化合物M+2峰却很强，因为这些元素的同位素自然丰度较大。•科学家贝农已根据上述公式计算出结果，并编制成表，称为贝农质谱数据表。•根据贝农数据表，再在质谱图中测得分子离子的质量和同位素峰的相对强度，就可推测出分子式。•如：有一化合物在质谱图上最大的质量区有三个峰，分别是：132(M.+)100，133(M+1)7.85，134(M+2)0.26，试推测其分子式。•解：查贝农表，质量数为132，相对强度M+1峰在7.85附近，M+2峰在0.26附近的分子式有4个：•则N规律，分子量为132时，前两个不合理，•在后两个中，C7H16的M+1和M+2峰的•相对强度与测定值接近，因此，该化合物•的分子式为：C7H16。M+2M0.204100-0.204zw(w-1)×1.10722×(100-1.107)2+C6H14NC7H2NC7H16C8H4M+1M+27.090.227.890.287.820.268.710.3312.9碎片离子和分子结构的推断•分子离子在离解室中，获得到较高的能量，不能稳定存在，它会裂分为碎片离子，这些碎片离子又会再裂分成更小的碎片离子。各种碎片离子在质谱中以不同的m/z值和不同的强度显示成各种峰。这些碎片离子峰为判断分子结构提供了非常有用的信息。•利用质谱推断分子结构就像把打碎的器皿碎片再拼成完整的器皿一样。当然，要完整的拼装，就必须了解这些碎片的特征与原来器皿的关系。同样要利用质谱推断分子结构，首先要了解分子结构与碎片的关系。•一、离子分裂的一般规律•1.偶数电子规律•离子的分裂一般都遵循“偶数电子规律”，就是说：含奇数电子的自由基离子分裂可产生自由基和正离子，或产生含偶数电子的中性分子和自由基正离子。•含偶数电子的离子裂分不能产生自由基，只能生成偶数电子的中性分子和正离子。•偶数电子规律：•2.影响离子分裂的主要因素•离子分裂主要影响因素有三种，•(1)碎片离子的稳定性。离子在分裂时，主要生成较稳定的离子，这一点和一般的化学反应一样。如：•显然，前两种分裂生成较稳定的仲碳正离子，是主要的分裂途径，而后者生成不稳定的伯碳正离子，可能性很小。奇数电子离子偶数电子离子(偶数电子分子)MABCDEF+M+A+(偶数电子分子)++CH3CHCH2CH3CH3CH3CH3CHCH2CH3CH3CH2CH3CHCH3CH3CH3CHCH2CH3+•(2)易脱去一个稳定的中性分子•在离子分裂中，往往可以脱去一个小的中性正分子(如：CO、C2H4、H2O、HCN)，同时生成另一个离子，这也是离子分裂的一个主要途径。如：•醇自由基离子的脱水：•氧鎓离子脱CO：•麦氏重排：它是碎片分裂中一个很常见、很重要的分裂规律。对于醛酮、羧酸、羧酸衍生物，麦氏重排的通式为：•对于烯烃和取代芳烃，也有类似的麦氏重排，它们的通式为：CH3CH2CHCH3OHH2O+CH3CHCHCH3[CH3CH2CO]CO+CH3CH2OHZRROHZ+如果R=H,脱去的为乙烯+HR+HR-eHRH-eHH•(3)官能团和原子的空间位置也会影响离子裂分的途径，如上面的麦氏重排。•二、几类化合物的离子分裂及其质谱•1.烷烃•在直链烷烃中，所有C－C键的键能都是相等的，分子离子可以从任何一个C－C键处断裂，形成含不同碳的碎片离子，一般M-15、M-29、M-43、M-57等的峰均为直链烷烃质谱中较强的峰，它们分别相当于分子离子去掉甲基、乙基、丙基、丁基等生成的离子峰。•如图是正己烷•质谱图。CH3(CH2)4CH3•在烷烃的质谱图中，相邻的峰其质荷比(m/z)相差14，即相差一个亚甲基(-CH2-)，这是直链烷烃质谱的特点之一。•从讲义中正十二烷的质谱图可以看出，随着质荷比的增大，各峰的强度依次减弱，这是长直链烷质谱的另一特点。因为质荷比较小的峰除了由分子离子直接分裂生成外，还可由质荷比较大的碎片离子(多于四个碳)再分裂生成。•如：[C6H13]+可再分裂成[C4H9]++C2H4或[C3H7]++C3H6。•另外，在烷烃离子的分裂中，常常伴随着碳正离子重排，最可能生成较稳定的碎片CH3+CHCH3和(CH3)3C+。所以，质荷比为43,57的峰，在直链烷烃质谱图中常常是最强的两个峰。