质谱法

质谱分析法MassSpectrometry第一部分：概述质谱是什么？特殊的天平：称量离子的质量。原理：有机化合物经过离子源（EI,ESI,APCI等）的作用而成为带电荷的离子，这些离子在电场和磁场综合作用下，按照离子质量的大小依次排列成谱并被记录下来。质谱学：是一门研究气相离子结构、性质及反应行为的科学。质谱能做什么？定性：化合物的结构。定量：混合物的各组成含量。领域：化学、生物学、医学、药学、环境、物理、材料、能源等。（1）应用范围广。测定样品可以是无机物，也可以是有机物。被分析的样品可以是气体和液体，也可以是固体。（2）灵敏度高，样品用量少。目前有机质谱仪的绝对灵敏度可达50pg（pg为10−12g），无机质谱仪绝对灵敏度可达10−14g。用微克级样品即可得到满意的分析结果。（3）分析速度快，并可实现多组分同时测定。（4）与其它仪器相比，仪器结构复杂，价格昂贵，使用及维修比较困难。对样品有破坏性。质谱分析法的特点目前质谱技术已发展成为三个分支，即同位素质谱、无机质谱和有机质谱。常见的质谱图棒图（bargraph）：竖线为质谱峰；横坐标为质荷比；纵坐标为离子的相对强度离子源质量分析器进样系统检测器数据处理系统脉冲式质谱仪连续检测离子的质谱仪四级杆质谱仪磁质谱仪离子捕获式质谱仪飞行时间质谱仪电子轰击电离(EI)化学电离(CI)场电离(FI),场解吸(FD)快原子轰击(FAB)基质辅助激光解吸附电离(MALDI)电喷雾电离(ESI)大气压化学电离(APCI)第二部分：质谱仪质谱仪的基本结构1,质谱仪各部分工作原理（1）进样系统作用常用的进样方式有：直接进样。缺点：不能分析复杂的化合物体系。间接进样：经GC（气相色谱法）或HPLC（高效液相色谱法）分离后进到质谱的离子源内。如GC-MS，HPLC-MS。（2）电离源作用能给样品较大能量的电离方法为硬电离方法（EI），而给样品较小能量的电离方法为软电离方法（ESI、APCI）。1）电子轰击源（电子电离源）electronimpact，EI电子轰击法是硬电离方法，它是用高能电子束（10-70eV）使试样分子M失去一个电子形成带单电子的正离子M+.，即分子离子。在离子源内，用电加热铼或钨的灯丝到2000℃，产生高速电子束，其能量为10～7OeV。当气态试样由分子漏入孔进入电离室时，高速电子与分子发生碰撞，若电子的能量大于试样分子的电离电位，将导致试样分子的电离。碎片离子可用于有机化合物的结构鉴定优点：1）稳定,质谱图再现性好，便于计算机检索及比较；2）离子碎片多，可提供较多的分子结构信息。缺点：1）样品必须易于气化；2）当样品分子稳定性不高时，分子离子峰的强度低，甚至不存在分子离子峰。化学电离源是软电离方法，通过反应气体离子-待测物质分子反应来进行。反应气体常用的有CH4、NH3、H2等。2）化学电离源chemicalionization，CICH4+eCH4+·+2eCH4+·CH3++H·CH4+·+CH4CH5++CH3·CH3++CH4C2H5++H2（1）反应气的电离（2）产生准分子离子峰（反应气离子与样品分子发生反应）CH5++M[M+H]++CH4C2H5++M[M-H]++C2H6CI质谱中，一般有较强的准分子离子峰[M±H]+，还可能出现[M＋17]+，[M＋29]+等离子，而碎片离子较少。可以推断相对分子质量。3）电喷雾电离源（electrosprayionization,ESI）带电残渣机理：ESI-MS检测到的离子是小液滴中的全部溶剂蒸发后留有带电的残渣；离子蒸发理论：当小液滴的半径小于10nm时，溶液中溶解的离子可以从小液滴中直接发射出来。ESI特点1、电喷雾电离源是软电离方法，主要产生较强的准分子离子峰[M+H]+、[M+Na]+、[M+NH4]+、[M-H]-等，便于推断待测物相对分子质量。不能进行库检索。2、ESI可以产生多电荷离子，弥补了四极杆质量分析器等质量范围窄的缺点。ESI电离技术解决了两大问题问题之一：分析生物大分子化合物ESI质谱可以产生大分子化合物的多电荷离子从而使得现有质谱仪不需扩大质荷比范围就可测量大分子化合物J.B.FennKoichiTanaka(田中耕一)问题之二：为液相色谱和质谱联用提供有效接口一般质谱仪：低流速(1μl/min)；电喷雾质谱仪：高流速(2ml/min)4）基质辅助激光解吸离子源（MALDI）原理：是用激光照射样品与基质形成的共结晶薄膜，基质从激光中吸收能量传递给样品，从而使样品解吸和电离的过程。它是一种软电离技术，适用于混合物及生物大分子的测定。（3）质量分析器质谱仪的质量分析器位于离子源和检测器之间。作用：过滤质量分析器的主要类型有：磁分析器、飞行时间质量分析器、离子阱质量分析器和四级杆质量分析器等。1）磁质量分析器离子束经加速后飞入磁极间的弯曲区，由于磁场作用，飞行轨道发生弯曲，此时离子受到磁场施加的向心力Bze作用，并且离子的离心力m2/r也同时存在，当两力平衡时，离子才能飞出弯曲区，即：rmvBzev2其中B为磁感应强度，ze为电荷，为运动速度，m为质量，r为曲率半径。通过改变B、r、U这三个参数中的任一个并保持其余两个不变即可将不同质荷比的离子分开。现代质谱仪一般是保持U、r不变，通过电磁铁扫描磁场而获得质谱图。221mvzeUUerBzm222rmvBzev22）飞行时间质量分析器（TOF）原理：利用离子源飞出的离子动能基本一致，但在加速电压作用下，不同m/z的离子飞行速率不一样，m/z大的离子比小的飞行速率慢，通过不同m/z的离子到达检测器的时间不同而被检出。特点：质量范围宽，扫描速率快。应用：常与MALDI（基质辅助激光解吸电离）联用，分析有机大分子。3）离子阱质量分析器（IT）原理：由电离源产生的离子进入阱中后，在恒定的直流交流比下，射频电压开始扫描，陷入阱中离子的轨道依次发生变化而从底端离开环电极腔，从而被检测。特点：结构简单，易于操作，用于定性分析。4）四级杆质量分析器（TSQ）原理：由电离源产生的离子到达四级杆质量分析器的中心，只有满足一定条件的离子才能沿两对电极的中心轴飞行，从而被检测。特点：结构简单，扫描速率快，对真空度要求较低，适合与液相色谱联用，用于定量分析。（4）检测器常用电子倍增器（electronmultiplier）检测离子流。原理：一定能量的离子轰击阴极导致电子发射，电子在电场的作用下，依次轰击下一级电极而被放大，电子倍增器的放大倍数一般在104～106。但电子倍增器随使用时间增加，增益会逐步减小。2.质谱仪主要性能指标1）分辨率分辨率（R）是指质谱仪能区别临近两个质谱峰的能力。mmmmmR1121任选一单峰，测其峰高5%处的峰宽W0.05，即可当作上式中的△m，此时分辨率定义为：05.0WmR2）质量范围质量范围是指质谱仪能测量的最大m/z值。各种质谱仪具有的质量范围各不相同。目前质量范围最大的质谱仪是MALDI-TOF，测定的分子质量可高达1000000u以上。第三部分：质谱图图中最高的峰称为基峰。质谱数据也可以用列表的方法表示。丙酮质谱图特点：分子离子含有奇数个电子，一般出现在质谱的最右侧。是确定分子量及分子式的重要依据（分子离子的质量与化合物的分子量相等）。1.质谱图主要离子峰类型1）分子离子峰对于有机物，电离电位最低的电子最容易失去，生成的正电荷和游离基就固定在失电子的位置上。失电子的顺序为：n33CHCCHO分子离子峰相对强度取决于M+.的稳定性。有机化合物分子离子峰的稳定性顺序：芳香化合物＞共轭链烯＞烯烃＞脂环化合物＞直链烷烃＞酮＞胺＞酯＞醚＞酸＞支链烷烃＞醇如何鉴别分子离子峰？1)原则上除同位素峰外，分子离子峰是最高质量的峰。2)Ｎ律由Ｃ、Ｈ、Ｏ、X（卤素）组成的有机化合物，Ｍ一定是偶数。由Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎ组成的有机化合物，Ｎ奇数，Ｍ奇数。由Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎ组成的有机化合物，Ｎ偶数，Ｍ偶数。3)与邻近的峰相差是否合理分子离子不可能裂解出三个以上的氢原子和小于一个甲基的基团，故分子离子峰的左面不可能出现小于3～14个质量单位的峰。4）EI源中，当电子轰击电压(70eV)降低，强度不增加的峰不是分子离子峰。2）同位素离子峰由同位素形成的离子峰称为同位素离子峰，其m/z为M+1，M+2等。由于34S、37Cl及81Br的丰度比很大，利用同位素特征峰，来推断分子中是否含有S、Cl、Br及原子的数目。在一般有机分子鉴定时，可以通过同位素离子峰相对强度之比来确定其元素组成。例如：CH4M=1612C+1H×4=16M13C+1H×4=17M+112C+2H+1H×3=17M+113C+2H+1H×3=18M+2分子离子峰同位素离子峰而其相对强度之比I17/I16=0.011。而在丁烷(C4H10)中，出现一个13C的几率是甲烷的4倍，则分子离子峰m/z=59、58的强度之比I59/I58=4×0.011=0.044；同位素M+1峰及M+2峰贡献的计算a.分子中只含C、H、O原子（M+1）%=M+1/M×100%=1.12nc%≈1.1nc%（M+2）%=M+2/M×100%=(0.006nc2+0.20nc)%b.分子中只含C、H、O、N、S、F、I、P，而不含Cl、Br、Si原子（M+1）%=(1.1nc+0.36nN+0.80nS)%（M+2）%=(0.006nc2+0.20nO+4.44nS)%c.分子中含Cl、Br原子（M+2）%=(31.98nCl+97.28nBr)%≈(100/3nCl+100nBr)%分子中含一个氯原子M：M+2=75.8：24.2≈3：1分子中含一个溴原子M：M+2=50.5：49.5≈1：119272733)(32233babbaaban为分子中含同位素原子的数目；a、b分别为轻同位素和重同位素的丰度比例分子中含三个氯M：M+2：M+4：M+6分子中含三个氯M（3Cl35）：M+2（2Cl35Cl37）：M+4（Cl352Cl37）：M+6（3Cl37）同位素M+1峰及M+2峰贡献的计算3）碎片离子峰分子离子产生后可能具有较高的能量，将会通过进一步碎裂或重排而释放能量，碎裂后产生的离子形成的峰称为碎片离子峰。一般强度最大的质谱峰相应于最稳定的碎片离子。烷烃化合物断裂多在C-C之间发生，且易发生在支链上：H3CCH2CH2CH2CH2CH315712957434357297115H3CCH2CH2CH2CH2CH3H3CCH2CH2CH2CH2CH3H3CCH2CH2CH2CH2CH3H3CCH2CH2CH2CH2CH3CH3CH2CH2CH2CH2CH31529435771m/z15294357859911314271正癸烷烯烃多在双键旁的第一个键上开裂：4）亚稳离子峰离子m1在进入质量分析器之前发生裂解，失去中性碎片，形成子离子m2，即m1m2+△m；此时的m2离子比在离子源中形成的m2离子能量小，故将在磁场中产生更大的偏转，观察到的m/z较小，这种峰称为亚稳离子峰，用m*表示。它的表观质量m*与m1、m2的关系是：m*=（m2）2/m1亚稳峰的特点：峰弱，强度仅为m1峰的1%～3%；峰宽，一般可跨2～5个质量单位；m/z一般不是整数；通过亚稳离子峰有利于分子裂分机理的研究。两个亚稳峰的存在，证明了m/z80离子是由分子离子经两步裂解生成，而不是一步裂解。5）重排离子峰最重要的重排方式为麦氏重排。当化合物中含有不饱和中心C=X（X为O，N，S，C）基团，而且与这个基团相连的键上具有γ氢原子时，此氢原子可以转移到X原子上，同时，β键发生断裂，脱掉一个中性分子。重排离子：离子是通过断裂两个或两个以上的键，结构重新排列形成。经重排形成的离子峰称为重排离子峰。基本概念2.分子离子峰断裂方式及一般规律McLafferty:“电荷自由基定位理论”自由基有强烈的电子配对倾向；正电荷有吸引或极化相邻成键电子引起裂