第二章-有机质谱讲课稿

第二章-有机质谱一、质谱仪的基本结构质谱仪包括高真空系统、进样系统、电离系统（离子源）、质量分析系统、检测和记录系统。1、高真空系统为了获得离子的良好分离和分析效果，避免离子损失，凡有样品分子及离子存在和通过的地方，必须处于高真空状态。离子源和质量分析器的压力通常应达到10-5-10-6Pa。真空度过低，将会引起以下后果：一般质谱仪都采用机械泵预抽空后，再用高效率扩散泵连续地运行以保持真空。现代质谱仪采用分子泵可获得更高的真空度。◆在不破坏真空度的情况下，使样品进入离子源◆气体可通过储气器进入离子源◆易挥发的液体，在进样系统内汽化后进入离子源◆难挥发的液体或固体样品，通过探针直接插入离子源2、进样系统常用的进样装置有三种类型：间歇式进样、直接探针进样、色谱进样系统（GC-MS、HPLC-MS）和高频感藕等离子体进样系统（ICP-MS）等。固体和沸点较高的液体样品可通过进样推杆送入离子源，低沸点的样品在贮气器中汽化后进入离子源，气体样品可经贮气器进入离子源。3、离子源使物质电离的方法很多，如电子轰击、化学电离、火花电离、场致电离、光致电离等。离子源是样品分子离子化的场所，同时某些离子也会在离子源中裂解成碎片离子。4、质量分析器在离子源中生成的并经加速电场加速后的各种离子在质量分析器中按其质荷比（m/z)的大小进行分离并加以聚焦。质谱仪的质量分析器位于离子源和检测器之间，依据不同方式将样品离子按质荷比m/z分开。质量分析器的主要类型有：磁分析器、飞行时间分析器、四极滤质器、离子捕获分析器和离子回旋共振分析器等。5、检测、记录系统经过质量分析器分离后的离子束，按质荷比的大小先后通过出口狭缝，到达收集器。它们的信号经电子倍增管放大后记录在感光板上，或送入数据处理系统进行处理、记录。二、离子化的方法电离源的功能是将进样系统引入的气态样品分子转化成离子。由于离子化所需要的能量随分子不同差异很大，因此，对于不同的分子应选择不同的离解方法。通常称能给样品较大能量的电离方法为硬电离方法，而给样品较小能量的电离方法为软电离方法，后一种方法适用于易破裂或易电离的样品。离子化的方法有：电子轰击电离ElectronImpactIonization,EI化学电离ChemicalIonization,CI场致离，场解析FieldIonizationFI,FieldDesorptionFD快原子轰击FastAtomBombardment,FAB电喷雾电离ElectrosprayIonization,ESI基质辅助激光解析电离Matrix-AssistedLaserDesorptionIonization,MALDI电子轰击电离又称为电子轰击法，或电子电离。是最经典的传统方法，也是应用最普遍，发展最成熟的电离方法。轰击电压50-70eV,有机分子的电离电位一般为7-15eV。可提供丰富的结构信息。有些化合物的分子离子不出现或很弱。(a)电子轰击电离ElectronImpactIonization,EI分子失去电子，生成带正电荷的分子离子分子离子可进一步裂解，生成质量更小的碎片离子1981年英国的M.Barber等人发明FAB。FAB适用于挥发性极低、极性很强的有机化合物、离子型化合物、热不稳定和分子量较大的化合物，如氨基酸、多肽、糖类、金属化合物等。(e)快原子轰击FastAtomBombardment,FAB惰性气体Ar或Xe的原子首先被电离并被加速，使之具有高的动能，在原子枪(atomgun)内进行电荷交换反应：Ar+(高动能的)+Ar(热运动的)→Ar(高动能的)+Ar+(热运动的)高动能的Ar或Xe原子束再轰击样品分子使其离子化。常用的基质有甘油，硫代甘油，3-硝基苄醇，三乙醇胺等。m/z(RI):302(100,M+),303(75,MH),325(20,M+Na),271(48,M-NHNH2),215(73,M-CH2CH2CONHNH2)基质(G):3-硝基苄醇,m/z154(G-H),136（GH–H2O）,289(GGH–H2O)HNONH2(f)电喷雾电离ElectrosprayIonization,ESI电喷雾电离是随着液相色谱-质谱连用技术的发展而出现的一种电离技术。样品溶液从一根加有上千伏电压的不锈钢毛细管中喷出，在电场的作用下形成带高度电荷的雾状小液滴。当雾滴通过一个逆向的热氮气帘时，溶剂逐渐挥发，雾滴体积变小，导致其表面电荷的密度不断增大。当电荷之间的排斥力足以克服液滴的表面张力时，液滴发生裂分，最后得到带电荷的离子。MALDI可使热敏感或不挥发的化合物由固相直接得到离子。待测物质的溶液与基质的溶液混合后蒸发，使分析物与基质成为晶体或半晶体，用一定波长的脉冲式激光进行照射时，基质分子能有效的吸收激光的能量，使基质分子和样品分子进入气相并得到电离。MALDI适用于生物大分子，如肽类，核酸类化合物。可得到分子离子峰，无明显碎片峰。此电离方式特别适合于飞行时间质谱计。脉冲式激光基质辅助激光解析电离Matrix-AssistedLaserDesorptionIonization,MALDI三、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，依据不同方式将样品离子按质荷比m/z分开。质量分析器的主要类型有：磁分析器、飞行时间分析器、四极滤质器、离子捕获分析器和离子回旋共振分析器等。在电离源生成的质量为m、电荷为z的正离子经加速电压为V的加速，离子的速度为ｖ，其动能是由离子在加速电场获得的电势能（zV）转化的。221mvzV单聚焦磁分析器通常为一扇形磁场。下面介绍单聚焦磁分析器的结构和工作原理。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（如左图所示），此时离子受到磁场施加的向心力Bz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：rmvBzv2其中B为磁感应强度，z为电荷，为运动速度，m为质量，r为曲率半径。221mvzV又因：调整后可得：mBzrv通过改变B、r、V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。1、保持B、V不变，质荷比越小的离子，在磁场中运动的半径越小，即偏转的角度越大；2、保持B、r不变，电压由低到高，最先到达检测器的是质荷比最大的离子，这种方式称为电场扫描；3、保持V、r不变，磁场强度由低到高，最先到达检测器的是质荷比最小的离子，这种方式称为磁场扫描；当仪器的狭缝固定(R=常数)，B由小到大改变（扫场），则离子按m/z由小到大通过狭缝，到达检测器，被收集并记录下各质荷比的离子的相对强度。相同m/z的离子，速度相同，色散角不同，经磁场偏转后，会重新聚在一点上。即静磁场具有方向聚焦，称之单聚焦。VrBzm222静电分析器+磁分析器-双聚焦质谱计静电分析器由两个同心圆板组成，两圆板之间保持一定的电位差(E)。四、质谱术语及质谱中的离子1、质谱术语（1）基峰：质谱图中离子强度最大的峰，规定其相对强度或相对丰度为100。（2）质荷比：离子质量与所带电荷数之比。用m/z或m/e表示。其中m为离子的质量数，z为离子所带的正电荷数或失去的电子数。（3）精确质量：低分辨质谱中离子的质量为整数，高分辨质谱中分子离子或碎片离子的质量不为整数，称为精确质量。其有效数字的位数取决于质谱计的分辨率。精确质量的计算基于天然丰度最大的同位素的精确原子量，如：1H1.007825、12C12.000000、14N14.003074、16O15.994915·····精确度与质谱计的分辨率有关。2、质谱图上离子峰的类型（1）分子离子试样分子失去一个电子而生成的带正电荷的离子，ee2MMM+为分子离子或母体离子。分子离子是质谱中所有离子的起源，它在质谱图中所对应的峰称为分子离子峰。（2）碎片离子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。XCZYW+XHCZ++WYH+RCH2YR'+H2CYR'+Y=N,O,SCORR'R'CO+++RR（3）重排离子在两个或两个以上键的断裂过程中，某些原子或基团从一个位置转移到另一个位置所生成的离子，称为重排离子。质谱图上相应的峰为重排离子峰。转移的基团常常是氢原子的很多，其中最常见的一种是麦氏重排。（4）母离子与子离子任何一个离子进一步裂解为质荷比较小的离子，前者是后者的母离子或前体离子，后者是前者的子离子。（5）奇电子离子OE+·：带未配对电子的离子，如M+·,A+····在质谱解析中，奇电子离子很重要，因质荷比较小的奇电子离子是由质荷比较大的奇电子离子裂解生成的。偶电子离子EE+：无未配对电子的离子，如B+,D+···（6）多电荷离子一个分子失去多个电子所形成的离子称为多电荷离子。在正常条件下，有机化合物只产生单电荷或双电荷离子。双电荷离子仅存在于稳定的结构中。（7）准分子离子采用化学电离(CI)法，常得到比分子量多（或少）1质量数的离子，如（M+H）+、（M-H）+，这些离子称为准分子离子。醚类化合物的质谱图中可出现此类峰。（8）亚稳离子若质量为m1的离子在离开离子源受电场加速后，在进入质量分析器之前，由于碰撞等原因很容易进一步分裂失去中性碎片而形成质量m2的离子，即m1m2+△m由于一部分能量被中性碎片带走，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式中m1为母离子的质量，m2为子离子的质量。一、分子离子峰的识别§2.2分子离子和分子式质谱中分子离子峰的识别及分子式的确定是至关重要的.■假定分子离子峰:高质荷比区,RI较大的峰(注意：同位素峰)■判断其是否合理:与相邻碎片离子(m/z较小者)之间关系是否合理Δm1231516171820丢失H·H2H2,HCH3OOHH2ONH2Δm=4-14,21-24,37-38·····通常认为是不合理丢失■判断其是否符合N律不含N或含偶数N的有机分子,其分子离子峰的m/z为偶数。含奇数N的有机分子,其分子离子峰的m/z为奇数。根据氮律，化合物若不含氮，嘉定分子离子峰不m/z为奇数，或化合物只含奇数个氮，假定的分子离子峰m/z为偶数，则均不是分子离子峰。二、分子离子峰的相对强度分子离子峰的相对强度取决于分子离子的稳定性，而一般分子离子的稳定性与分子的化学稳定性是一致的。具有大共轭体系的分子离子稳定性很高，有π键的化合物分子离子的稳定性较高。分子离子的相对强度可归纳如下1、芳环脂环化合物硫醚、硫酮共轭烯这些化合物的分子离子峰均较强，芳烃、杂芳烃的分子离子峰在质谱图中往往是基峰。2、直链酮、酯、酸、醛、酰胺等化合物的分子离子峰通常可见。3、脂肪族醇、胺、亚硝酸酯、硝酸酯、硝基化合物及多支链化合物容易裂解，分子离子峰通常很弱或不出现。4、烯烃分子离子峰相对强度比烷烃高，烯烃的对称性越强，分子离子峰强度越大。当分子离子峰的强度较低或难以辨认时，可采用下列方法提高其强度：1、降低离子源的轰击电压，由通常的70eV降低到15eV，以降低分子离子的能量，减少其进一步断裂的几率；2、改用其它较温和的电离方法，如化学电离、场电离等；3、降低样品的汽化温度；4、制备衍生物，将极性高、沸点高、热不稳定的样品转变成沸点低的衍生物。三、分子式的推导推导化合物的分子式前，应首先根据两个方面判断分子式是否合理，即分子式是否符合氮律及不饱和度是否合理。1、不饱和度的计算定义：不饱和度是指分子结构中达到饱和所缺一价元素的“对”数。如：乙烯变成饱和烷烃需要两个氢原子，不饱和度为1。21banUN式中n,a,b分别为分子中四价(C,Si)，三价(N,P)，一价(H,F,Cl,Br,I)元素数目。例：C9H8O2其不饱和度为UN=9+1-8/2=62价元素(O,S)的存在，对不饱和度无影响。UN＜0,不合理，UN过大而组成分子式的原子数目过少，不符合