第14章質(zhì)分析

1、第第14章章質(zhì)譜分析質(zhì)譜分析質(zhì)譜分析 1913年年thomson j j 制成了第一臺(tái)質(zhì)譜裝置，用制成了第一臺(tái)質(zhì)譜裝置，用其發(fā)現(xiàn)了其發(fā)現(xiàn)了20ne,22ne同位素。同位素。1919年年aston f w 制成制成了第一臺(tái)質(zhì)譜儀，并用質(zhì)譜發(fā)現(xiàn)了多種元素的同位素了第一臺(tái)質(zhì)譜儀，并用質(zhì)譜發(fā)現(xiàn)了多種元素的同位素，因此獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。，因此獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。20世紀(jì)世紀(jì)30年代離子光學(xué)年代離子光學(xué)理論的建立，促進(jìn)了質(zhì)譜儀的發(fā)展。理論的建立，促進(jìn)了質(zhì)譜儀的發(fā)展。40年代起應(yīng)用于年代起應(yīng)用于石油碳?xì)浠衔锓矫娴臏y(cè)定。石油碳?xì)浠衔锓矫娴臏y(cè)定。60年代起質(zhì)譜法開始普年代起質(zhì)譜法開始普遍應(yīng)用于有機(jī)化學(xué)。近

2、年來(lái)，質(zhì)譜儀的發(fā)展非常迅速遍應(yīng)用于有機(jī)化學(xué)。近年來(lái)，質(zhì)譜儀的發(fā)展非常迅速，聯(lián)用技術(shù)的發(fā)展，高頻電感耦合等離子源的引入，聯(lián)用技術(shù)的發(fā)展，高頻電感耦合等離子源的引入，二次離子質(zhì)譜儀的出現(xiàn)，使質(zhì)譜技術(shù)成為解決復(fù)雜物二次離子質(zhì)譜儀的出現(xiàn)，使質(zhì)譜技術(shù)成為解決復(fù)雜物質(zhì)分析、無(wú)機(jī)元素分析及物質(zhì)表面和深度分析等方面質(zhì)分析、無(wú)機(jī)元素分析及物質(zhì)表面和深度分析等方面的有力工具，用質(zhì)譜法研究生物物質(zhì)是目前研究的熱的有力工具，用質(zhì)譜法研究生物物質(zhì)是目前研究的熱點(diǎn)。點(diǎn)。 第一節(jié) 基本原理 一、什么是質(zhì)譜（一、什么是質(zhì)譜（mass spectroscopymass spectroscopy） 氣體分子或固體、液體的蒸氣受到

3、一定能量的電子流轟擊或強(qiáng)電場(chǎng)作氣體分子或固體、液體的蒸氣受到一定能量的電子流轟擊或強(qiáng)電場(chǎng)作用，丟失電子生成分子離子；同時(shí)，化學(xué)鍵發(fā)生某些有規(guī)律的裂解，生成用，丟失電子生成分子離子；同時(shí)，化學(xué)鍵發(fā)生某些有規(guī)律的裂解，生成各種碎片離子。這些帶正電荷的離子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)作用下，按質(zhì)荷比的大各種碎片離子。這些帶正電荷的離子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)作用下，按質(zhì)荷比的大小分開，排列成譜，記錄下來(lái)，即為質(zhì)譜。小分開，排列成譜，記錄下來(lái)，即為質(zhì)譜。二、質(zhì)譜的用途二、質(zhì)譜的用途目前質(zhì)譜儀器已廣泛應(yīng)用于有機(jī)合成、石油化工、生物化學(xué)、天然產(chǎn)目前質(zhì)譜儀器已廣泛應(yīng)用于有機(jī)合成、石油化工、生物化學(xué)、天然產(chǎn)物等研究工作中，特別是使用了色

4、譜物等研究工作中，特別是使用了色譜- -質(zhì)譜聯(lián)用以后，為混合物的分離和質(zhì)譜聯(lián)用以后，為混合物的分離和鑒定提供了快速、高效的分析手段。鑒定提供了快速、高效的分析手段。三、質(zhì)譜圖的產(chǎn)生三、質(zhì)譜圖的產(chǎn)生樣品分子在離子源中發(fā)生電離，生成不同質(zhì)荷比（樣品分子在離子源中發(fā)生電離，生成不同質(zhì)荷比（m/em/e）的帶正電荷）的帶正電荷離子，經(jīng)高壓電場(chǎng)加速后，在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)，之后達(dá)到收集器，產(chǎn)生信號(hào)，離子，經(jīng)高壓電場(chǎng)加速后，在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)，之后達(dá)到收集器，產(chǎn)生信號(hào)，其強(qiáng)度與離子數(shù)目成正比。以信號(hào)強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，質(zhì)荷比（其強(qiáng)度與離子數(shù)目成正比。以信號(hào)強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，質(zhì)荷比（m/em/e）為橫坐）為橫坐標(biāo)，所得譜圖即為質(zhì)譜

5、圖。標(biāo)，所得譜圖即為質(zhì)譜圖。四、質(zhì)譜分析具有以下特點(diǎn)：四、質(zhì)譜分析具有以下特點(diǎn)：1. 1. 可對(duì)氣體、液體、固體等進(jìn)行分析，其分析范圍寬可對(duì)氣體、液體、固體等進(jìn)行分析，其分析范圍寬; ;2. 2. 可以測(cè)定化合物的分子量，推測(cè)分子式、結(jié)構(gòu)式，用途廣可以測(cè)定化合物的分子量，推測(cè)分子式、結(jié)構(gòu)式，用途廣; ;3. 3. 分析速度快，靈敏度高，樣品用量少。分析速度快，靈敏度高，樣品用量少。 五 . 質(zhì)譜分析原理圖 離子在磁場(chǎng)中的軌道半徑r 取決于：m/e 、b、 u改變加速電壓v, 可以使不同m/e 的離子進(jìn)入檢測(cè)器。 第二節(jié) 質(zhì)譜儀 一、 真空系統(tǒng) 質(zhì)譜儀中的離子的產(chǎn)生及傳輸系統(tǒng)必須處于高真空狀態(tài)，

6、這其中： 二、二、 進(jìn)樣系統(tǒng)進(jìn)樣系統(tǒng) 進(jìn)樣系統(tǒng)目的是高效、重復(fù)地將樣品引入到離子源中并且不能造成真空度的降低。常用的進(jìn)樣裝置有三種類型：間歇式進(jìn)樣系統(tǒng)直接探針進(jìn)樣色譜進(jìn)樣系統(tǒng)（gc-ms、hplc-ms）和電感耦合等離子體進(jìn)樣系統(tǒng)（icp-ms）等。 l 三、三、 離子源離子源 離子源的作用是樣品分子轉(zhuǎn)化為離子。具體包括： 電子轟擊ei：最常用和最普通的方法； 化學(xué)電離ci：軟電離,易獲得分子離子峰； 場(chǎng)致電離fi：形成的離子束的能量分散不大，分子離子峰強(qiáng)； 場(chǎng)解析電離源fd：適合于難氣化和熱穩(wěn)定性差的樣品； 快原子轟擊fab: 適用于極性大、分子量較大的化合物； 大氣壓電離api: 包括電噴

7、霧電離esi和大氣壓化學(xué)電離apci 電噴霧電離esi: 可檢測(cè)多電荷離子，通常很少有碎片粒子，只有整體分子離子峰，對(duì)生物大分子的測(cè)定十分有利； 大氣壓化學(xué)電離apci：適用于極性小、分子量小的化合物，得到樣品的準(zhǔn)分子離子。 四、質(zhì)量分析器四、質(zhì)量分析器質(zhì)量分析的作用是將離子源中形成的離子按質(zhì)荷比值的大小不同分開，分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析兩類。靜態(tài)分析器采用穩(wěn)定不變的電磁場(chǎng)，并且按照空間位置把不同質(zhì)量（m/e）的離子分開。它包括：?jiǎn)尉劢勾艌?chǎng)分析器、雙聚焦磁場(chǎng)分析器等。動(dòng)態(tài)分析器采用變化的電磁場(chǎng)，按照時(shí)間和空間來(lái)區(qū)分質(zhì)量不同的離子。這一類的儀器有：飛行時(shí)間質(zhì)譜儀、四極濾質(zhì)器等。 五、檢測(cè)器及記錄五、檢

8、測(cè)器及記錄1、質(zhì)譜儀常用的檢測(cè)器有法拉第杯、電子倍增器及閃爍計(jì)數(shù)器、照相底片等。2、 當(dāng)前質(zhì)譜儀一般都采用較高性能的計(jì)算機(jī)對(duì)產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行快速接收與處理，同時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)可以對(duì)儀器條件等進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控，從而使精密度和靈敏度都有一定程度的提高。 色譜質(zhì)譜聯(lián)用色譜質(zhì)譜聯(lián)用 色譜質(zhì)譜聯(lián)用分析過(guò)程示意圖色譜質(zhì)譜聯(lián)用分析過(guò)程示意圖 六、分辨率六、分辨率r分辨率是質(zhì)譜儀最主要的性能指標(biāo)。分辨率是指儀器分離質(zhì)量分別為m1及m2的相鄰兩質(zhì)譜峰的能力。若近似等強(qiáng)度的質(zhì)量分別為m1及m2的相鄰兩質(zhì)譜峰正好分開，則有： a: 相鄰兩峰的中心距離，b：其中一峰在高度為5%處的峰寬。 所謂正好分開，是指兩峰重疊后形成的谷

9、高為峰高的10。 r小于1000的為低分辯質(zhì)譜儀，r大于10000的為高分辯質(zhì)譜儀。 第三節(jié) 主要離子類型 一、分子離子（一、分子離子（molecular ion）：）：一個(gè)分子通過(guò)電離，丟失一個(gè)外層價(jià)電子形成帶正電荷的離子，稱為分子離子一個(gè)分子通過(guò)電離，丟失一個(gè)外層價(jià)電子形成帶正電荷的離子，稱為分子離子。分子離子的質(zhì)量與化合物的分子量相等。分子離子峰一般位于質(zhì)荷比最高的。分子離子的質(zhì)量與化合物的分子量相等。分子離子峰一般位于質(zhì)荷比最高的位置，但有時(shí)最高的質(zhì)荷比的峰不一定是分子離子峰，這主要決定于分子離子位置，但有時(shí)最高的質(zhì)荷比的峰不一定是分子離子峰，這主要決定于分子離子的穩(wěn)定性。而這和化合物

10、的結(jié)構(gòu)類型有關(guān)。的穩(wěn)定性。而這和化合物的結(jié)構(gòu)類型有關(guān)。1. 化合物的分子離子穩(wěn)定性化合物的分子離子穩(wěn)定性一般為：一般為：芳香化合物共軛鏈烯烯烴脂環(huán)化合物直鏈烷烴酮胺酯醚酸芳香化合物共軛鏈烯烯烴脂環(huán)化合物直鏈烷烴酮胺酯醚酸支鏈烷烴醇支鏈烷烴醇2. 規(guī)律規(guī)律有機(jī)化合物通常由有機(jī)化合物通常由c、h、o、n、s、鹵素等原子組成，分子量符合含規(guī)律、鹵素等原子組成，分子量符合含規(guī)律:由，組成的有機(jī)化合物，一定是偶數(shù)由，組成的有機(jī)化合物，一定是偶數(shù);由，組成的有機(jī)化合物，奇數(shù)，則奇數(shù)由，組成的有機(jī)化合物，奇數(shù)，則奇數(shù);由，組成的有機(jī)化合物，偶數(shù)，則偶數(shù)。由，組成的有機(jī)化合物，偶數(shù)，則偶數(shù)。3分子離子峰的判斷

11、：分子離子峰的判斷：1) 分子離子峰必須有合理的碎片離子，如有不合理的碎片就不是分子離子峰；分子離子峰必須有合理的碎片離子，如有不合理的碎片就不是分子離子峰；2) 根據(jù)化合物的分子離子的穩(wěn)定性及裂解規(guī)律來(lái)判斷分子離子峰，如醇類分子根據(jù)化合物的分子離子的穩(wěn)定性及裂解規(guī)律來(lái)判斷分子離子峰，如醇類分子的分子離子峰很弱，但常在的分子離子峰很弱，但常在m18有明顯的脫水峰；有明顯的脫水峰；3) 降低離子源能量到化合物的離解位能附近，避免多余能量使分子離子近一步降低離子源能量到化合物的離解位能附近，避免多余能量使分子離子近一步裂解；裂解；4) 采用不同的電離方式，使分子離子峰增強(qiáng)。采用不同的電離方式，使分

12、子離子峰增強(qiáng)。 二、二、 同位素離子（同位素離子（isotopic ion ） 組成有機(jī)化合物的元素許多都有同位素，所以在質(zhì)譜中就會(huì)出現(xiàn)不同質(zhì)量組成有機(jī)化合物的元素許多都有同位素，所以在質(zhì)譜中就會(huì)出現(xiàn)不同質(zhì)量的同位素形成的峰，稱為同位素峰。的同位素形成的峰，稱為同位素峰。 同位素峰的強(qiáng)度比與同位素的豐度比是相當(dāng)?shù)?。如自然界中豐度比很小的同位素峰的強(qiáng)度比與同位素的豐度比是相當(dāng)?shù)?。如自然界中豐度比很小的c、h、o、n的同位素峰很小，而的同位素峰很小，而s、si、cl、br元素的豐度高，其產(chǎn)生的同位素元素的豐度高，其產(chǎn)生的同位素峰強(qiáng)度較大，根據(jù)峰強(qiáng)度較大，根據(jù)m和（和（m2）兩個(gè)峰的強(qiáng)度比容易判斷化

13、合物中是否有）兩個(gè)峰的強(qiáng)度比容易判斷化合物中是否有s、si、cl等元素或有幾個(gè)這樣的原子，如：等元素或有幾個(gè)這樣的原子，如：因?yàn)橐驗(yàn)?5cl: 37cl=3:1: 若分子中含有一個(gè)若分子中含有一個(gè)cl原子原子, m:(m+2)=3:1；含兩個(gè)；含兩個(gè)cl原子，原子，m:(m+2):(m+4)=9:6:1; 含三個(gè)含三個(gè)cl原子，原子，m:(m+2):(m+4):(m+6)=27:27:9:1。因?yàn)橐驗(yàn)?9br: 81 br =1:1: 若分子中含有一個(gè)若分子中含有一個(gè)br原子原子, m:(m+2)=1:1；含兩個(gè)；含兩個(gè)br原子，原子， m:(m+2):(m+4)=1:2:1; 含三個(gè)含三個(gè)b

14、r原子，原子， m:(m+2):(m+4):(m+6)=1:3:3:1。 當(dāng)化合物中存在兩種不同的有同位素的元素時(shí)，各峰的強(qiáng)度比可用下式計(jì)當(dāng)化合物中存在兩種不同的有同位素的元素時(shí)，各峰的強(qiáng)度比可用下式計(jì)算算 （a+b)m(c+d)n式中：式中：a、 b 為甲元素同位素豐度比；為甲元素同位素豐度比；c、 d 乙元素同位素豐度比；乙元素同位素豐度比；m和和n 分別為分別為甲元素和乙元素的同位素?cái)?shù)目。甲元素和乙元素的同位素?cái)?shù)目。 三、碎片離子(fragment ion) 碎片離子是由分子離子進(jìn)一步發(fā)生鍵的斷裂而形成。由于斷鍵的位置的不同，同一個(gè)分子離子能產(chǎn)生不同的碎片離子，而其相對(duì)量與鍵斷裂的難易有

15、關(guān)即與分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。 一般有機(jī)化合物的電離能為713電子伏特，質(zhì)譜中常用的電離電壓為70電子伏特，使結(jié)構(gòu)裂解，產(chǎn)生各種“碎片”離子。 四、重排離子四、重排離子(rearrangement ion) 當(dāng)分子離子裂解為碎片離子時(shí)，有些離子的形成不僅是通當(dāng)分子離子裂解為碎片離子時(shí)，有些離子的形成不僅是通過(guò)簡(jiǎn)單的鍵的斷裂，而且同時(shí)伴隨分子內(nèi)原子或基團(tuán)的重排，過(guò)簡(jiǎn)單的鍵的斷裂，而且同時(shí)伴隨分子內(nèi)原子或基團(tuán)的重排，這種特殊的碎片離子稱為重排離子。質(zhì)譜圖上相應(yīng)的峰為重排這種特殊的碎片離子稱為重排離子。質(zhì)譜圖上相應(yīng)的峰為重排離子峰。轉(zhuǎn)移的基團(tuán)常常是氫原子。重排的類型很多，其中最離子峰。轉(zhuǎn)移的基團(tuán)常常是氫原子。

16、重排的類型很多，其中最常見(jiàn)的是麥?zhǔn)现嘏?。其形式可以歸納如下：常見(jiàn)的是麥?zhǔn)现嘏拧Ｆ湫问娇梢詺w納如下： 六、準(zhǔn)分子離子六、準(zhǔn)分子離子 指分子獲得一個(gè)質(zhì)子或失去一個(gè)質(zhì)子，記指分子獲得一個(gè)質(zhì)子或失去一個(gè)質(zhì)子，記為為mh+、 mh-所得的質(zhì)譜峰。準(zhǔn)分子所得的質(zhì)譜峰。準(zhǔn)分子離子不含未配對(duì)電子，結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，常由軟電離子不含未配對(duì)電子，結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，常由軟電離技術(shù)產(chǎn)生。離技術(shù)產(chǎn)生。第四節(jié) 有機(jī)化合物分子的裂解 飽和碳?xì)浠衔锪呀鈭D飽和碳?xì)浠衔锪呀鈭D 三三 . 羥基化合物羥基化合物 脂肪醇類脂肪醇類分子離子峰很小，有時(shí)測(cè)不出來(lái)，醇容易脫水并易生分子離子峰很小，有時(shí)測(cè)不出來(lái)，醇容易脫水并易生 a 開裂。開裂。 酚

17、類酚類分子離子峰較強(qiáng)，易失去分子離子峰較強(qiáng)，易失去 co 而形成豐度強(qiáng)的碎片子。而形成豐度強(qiáng)的碎片子。四四 . 羰基化合物羰基化合物 羰基化合物的分子離子峰較強(qiáng)。羰基化合物的分子離子峰較強(qiáng)。 脂肪酮化合物以脂肪酮化合物以 a 開裂為主。開裂為主。 芳酮化合物一般發(fā)生芳酮化合物一般發(fā)生 a 開裂，生產(chǎn)特征基峰，進(jìn)一步脫去開裂，生產(chǎn)特征基峰，進(jìn)一步脫去 co產(chǎn)產(chǎn)生生 c7h7 特征峰。特征峰。 醛類化合物有強(qiáng)的分子離子峰和較強(qiáng)的醛類化合物有強(qiáng)的分子離子峰和較強(qiáng)的 m 1 峰。峰。五五 . 羧酸和酯類化合物羧酸和酯類化合物 裂解方式主要是裂解方式主要是 a 開裂。開裂。六六 . 胺類化合物胺類化合物

18、 脂肪胺脂肪胺分子離子峰很弱，主要發(fā)生分子離子峰很弱，主要發(fā)生 a 開裂。生成強(qiáng)的亞胺正離子峰開裂。生成強(qiáng)的亞胺正離子峰m 1 峰。峰。 芳胺芳胺 分子離子峰很強(qiáng)，易形成分子離子峰很強(qiáng)，易形成 m 1 峰和峰和 m hcn 的碎片離子。的碎片離子。 第五節(jié)第五節(jié) 質(zhì)譜的應(yīng)用示例質(zhì)譜的應(yīng)用示例 一、一、 分子量的測(cè)定分子量的測(cè)定分子失去一個(gè)電子而生成分子離子，其質(zhì)荷比就等于分子量。因此分子失去一個(gè)電子而生成分子離子，其質(zhì)荷比就等于分子量。因此，利用質(zhì)譜測(cè)定分子量非常簡(jiǎn)便，但要注意有時(shí)分子離子峰很弱甚至不，利用質(zhì)譜測(cè)定分子量非常簡(jiǎn)便，但要注意有時(shí)分子離子峰很弱甚至不出現(xiàn)，而有時(shí)由于同位素的原因，質(zhì)

19、譜中出現(xiàn)出現(xiàn)，而有時(shí)由于同位素的原因，質(zhì)譜中出現(xiàn)m+1、m2等峰。等峰。 二、二、 分子式的確定分子式的確定根據(jù)質(zhì)譜圖確定分子式可采用：豐度法和高分辨質(zhì)譜法。根據(jù)質(zhì)譜圖確定分子式可采用：豐度法和高分辨質(zhì)譜法。三、三、 推測(cè)化合物的結(jié)構(gòu)推測(cè)化合物的結(jié)構(gòu)從質(zhì)譜圖推測(cè)化合物的結(jié)構(gòu)，一般可以按照以下順序進(jìn)行：從質(zhì)譜圖推測(cè)化合物的結(jié)構(gòu)，一般可以按照以下順序進(jìn)行：1.確定分子離子峰，從分子離子峰的強(qiáng)弱初步判斷是哪類化合物；確定分子離子峰，從分子離子峰的強(qiáng)弱初步判斷是哪類化合物；2.分子離子的質(zhì)量是奇數(shù)還是偶數(shù)；分子離子的質(zhì)量是奇數(shù)還是偶數(shù)；3.是否有明顯的同位素峰；是否有明顯的同位素峰；4.初步提出化合物

20、分子式，并計(jì)算出其不飽和單位數(shù)；初步提出化合物分子式，并計(jì)算出其不飽和單位數(shù)；5.對(duì)碎片離子峰進(jìn)行分析，根據(jù)質(zhì)譜圖中主要的代表分子不同部位的碎對(duì)碎片離子峰進(jìn)行分析，根據(jù)質(zhì)譜圖中主要的代表分子不同部位的碎片離子峰，粗略推測(cè)化合物的大致結(jié)構(gòu)；片離子峰，粗略推測(cè)化合物的大致結(jié)構(gòu)；6.以所有可能方式把各部分結(jié)構(gòu)單元連接起來(lái)，再利用質(zhì)譜數(shù)據(jù)和其它以所有可能方式把各部分結(jié)構(gòu)單元連接起來(lái)，再利用質(zhì)譜數(shù)據(jù)和其它數(shù)據(jù)，將不合理的結(jié)構(gòu)排除掉。數(shù)據(jù)，將不合理的結(jié)構(gòu)排除掉。 例例1： 分子式為分子式為c6h12o的酮的酮(a)，其質(zhì)譜圖如下，試確定結(jié)構(gòu)。，其質(zhì)譜圖如下，試確定結(jié)構(gòu)。 (d) gc-ecd1452+3is67+8910+11127.010.011.012.013.014.015.00.04.0 x1048.0 x1041.2x1051.6x1052.0 x105(a) ei1211109876is54321abundancet/min7.08.09.010.011.012.013