有機波譜講解及譜圖分析 第二章 有機質譜

第二章有機質譜MassSpectrum,MSOrganicMassSpectra,OMS質譜發(fā)展史本世紀初英國J.J.Thomson（1906年獲諾貝爾物理學獎）發(fā)明了質譜1910年世界上第一臺現(xiàn)代意義質譜儀在英國劍橋

Cavendish實驗室出現(xiàn)；1917年電噴霧物理現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)（并非為了質譜）1918年

Dempsten180°磁扇面方向聚焦質譜儀；1919年

Aston第一臺速度聚焦質譜儀；1935年

Marttauch&R.Herzog雙聚焦質譜儀；1953年

Paul&Steinwedel

四極質譜計；1954年

InghramMS/MS；1955年

Wiley&Mclarens

飛行時間質譜儀；1960’s

開發(fā)GC/MS；60’s-70’s

大氣壓電離源被發(fā)現(xiàn)，但未被廣泛應用；70’s-80’s

開始廣泛研究LC/MS；1974年后回旋共振質譜儀；1979年傳送帶式LC/MS接口成為商業(yè)產(chǎn)品；1982年離子束LC/MS接口出現(xiàn)；1984年第一臺電噴霧質譜儀宣告誕生；1988年電噴霧質譜儀首次應用于蛋白質分析……質譜法質譜法是通過將樣品轉化為運動的氣態(tài)離子并按質荷比（m/z）大小進行分離記錄的分析方法。所獲得結果即為質譜圖（亦稱質譜）。根據(jù)質譜圖提供的信息可以進行多種有機物及無機物的定性和定量分析、復雜化合物的結構分析、樣品中各種同位素比的測定及固體表面的結構和組成分析等。質譜儀早期主要用于原子量的測定和定量測定某些復雜碳氫混合物中的各組分等。1960年以后，才開始用于復雜化合物的鑒定和結構分析。實驗證明，質譜法是研究有機化合物結構的有力工具。質譜儀是利用電磁學原理，使帶電的樣品離子按質荷比進行分離的裝置。離子電離后經(jīng)加速進入磁場中，其動能與加速電壓及電荷z有關，即

zeU=1/2m2其中z為電荷數(shù),e為元電荷(e=1.60×10-19C),U為加速電壓,m為離子的質量,為離子被加速后的運動速度。具有速度

的帶電粒子進入質譜分析器的電磁場中,根據(jù)所選擇的分離方式,最終實現(xiàn)各種離子按m/z

進行分離。質譜儀的工作原理根據(jù)質量分析器的工作原理，可以將質譜儀分為動態(tài)儀器和靜態(tài)儀器兩大類。在靜態(tài)儀器中用穩(wěn)定的電磁場，按空間位置將m/z不同的離子分開，如單聚焦和雙聚焦質譜儀。在動態(tài)儀器中采用變化的電磁場，按時間不同來區(qū)分m/z不同的離子，如飛行時間和四極濾質器式的質譜儀?！糍|譜不屬波譜范圍◆質譜圖與電磁波的波長和分子內(nèi)某種物理量的改變無關◆質譜是分子離子及碎片離子的質量與其相對強度的譜,譜圖與分子結構有關

◆質譜法進樣量少,靈敏度高,分析速度快◆質譜是唯一可以給出分子量,確定分子式的方法,而分子式的確定對化合物的結構鑒定至關重要。

特點BlackBoxSamplesinAnswersoutWhatistheidealmassspectrometer?計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)高真空系統(tǒng)

加速區(qū)進樣系統(tǒng)離子源質量分析器檢測器

2.1.1質譜計質譜儀器的主要指標質量范圍：儀器所檢測的質荷比范圍。對單電荷離子即為離子的質量范圍；對多電荷離子，所檢測的離子質量則擴展到離子電荷數(shù)相應的倍數(shù)。質譜儀的質量測定范圍表示質譜儀所能進行分析的樣品的相對原子質量（或相對分子質量）范圍，通常采用原子質量單位（u）進行度量。測定氣體用的質譜儀，一般質量測定范圍在2～100，而有機質譜儀一般可達幾千，現(xiàn)代質譜儀甚至可以研究相對分子量達幾十萬的生化樣品。分辨率(resolution)：

分辨本領:

是指質譜儀分開相鄰質量數(shù)離子的能力。即:對兩個相等強度的相鄰峰，當兩峰間的峰谷(半峰高寬)不大于其峰高10%時，認為兩峰已經(jīng)分開，其分辨率為：R=m1/(m2-m1)=m1/Δm其中m1、m2為質量數(shù)，且m1<m2，故在兩峰質量數(shù)較小時，要求儀器分辨率越大。在實際工作中，有時很難找到相鄰的且峰高相等的兩個峰，同時峰谷(半峰高寬)又為峰高的10%。在這種情況下，可任選一單峰，測其峰高5%處的峰寬W0.05，即可當作上式中的Δm，此時的分辨率定義為

R=m/W0.05

如果該峰是高斯型的，上述兩式計算結果是一樣的。質譜儀的分辨本領由幾個因素決定：（1）離子通道的半徑；（2）加速器與收集器狹縫寬度；（3）離子源的性質。質譜儀的靈敏度有絕對靈敏度、相對靈敏度和分析靈敏度等幾種表示方法。絕對靈敏度是指儀器可以檢測到的最小樣品量；相對靈敏度是指儀器可以同時檢測的大組分與小組分含量之比；分析靈敏度則是指輸入儀器的樣品量與儀器輸出的信號之比。靈敏度準確度(accuracy):ppm(partpermillion)穩(wěn)定性(stability):儀器在一定時間間隔內(nèi)某離子的m/z測量值的變化.動態(tài)范圍(dynamicrange):

在動態(tài)范圍內(nèi),樣品量與儀器輸出的信號應成正比例關系.VacuumSystemSampleInletDetectorDataSystemMassAnalyserIonisationMethodAtmosphere質譜儀的構成冷入口進樣（Coldinletsystem)

全玻璃可加熱進樣系統(tǒng)（Allglassheatedinletsystem,AGHIS)

隔膜入口系統(tǒng)（Septuminletsystem)

直接插入式進樣桿（Directinsertionprobe,DIP)

動態(tài)連續(xù)進樣系統(tǒng)（GC/MS,LC/MS,CE/MS,微量入射泵等）

進樣系統(tǒng)2.1.2離子化的方法電噴霧電離ElectrosprayIonization,ESI電子轟擊電離

ElectronImpactIonization,EI化學電離ChemicalIonization,CI場電離，場解吸FieldIonizationFI,FieldDesorptionFD快原子轟擊

FastAtomBombardment,FAB其他離子化的方法基質輔助激光解析電離(MALDI)電感耦合電離(ICP)熱噴霧(HSI)電子轟擊電離EI

電子轟擊電離又稱為電子轟擊，或電子電離。是應用最普遍，發(fā)展最成熟的電離方法。

轟擊電壓50-70eV,有機分子的電離電位一般為7-15eV?？商峁┴S富的結構信息。有些化合物的分子離子不出現(xiàn)或很弱EI優(yōu)點：(1)多數(shù)情況下，能獲得分子離子，即可獲得分子量的信息。同時也能獲得很多由于分子離子碎裂所表現(xiàn)出來的結構信息。由分子離子及大量的碎片離子，可以推演出碎裂過程，從而可以推出被測有機分子的結構。(2)適應性廣。(3)可以精確地控制電子束能量，從而能方便地控制有機分子的電離及分子離子的內(nèi)能，也即能控制分子離子的碎裂。EI缺點：（1）對有些化合物來說，不能得到或僅能得到極弱的分子離子峰。如鏈烴、醇等，這時就難以確定被測物分子的分子量。（2）對一些位置異構體（如二氯苯）和順反異構體不能分辨，或鑒別起來十分困難。（3）對于那些十分依賴加溫才能揮發(fā)的有機物，有時因熱不穩(wěn)定而只能測得分解產(chǎn)物的質譜（如肽類化合物），有的因根本不揮發(fā)而測不到有用的譜（如聚苯乙烯）?；瘜W電離CI通過引入大量的試劑氣，使樣品分子與電離電子不直接作用。試劑氣分子被電子轟擊電離后因離子－分子反應產(chǎn)生一些活性反應離子，這些離子再與樣品分子發(fā)生離子－分子反應，使樣品分子實現(xiàn)電離。CH4+eCH4++2eCH4++CH4

CH3+CH5+

CH3++CH4

H2+C2H5+

CH2++CH4

H2+C2H4+

C2H3++H

C2H3++CH4

H2+C3H5+

常用反應氣：甲烷、丙烷、異丁烷、氫氣、氨、氮氣、一氧化碳、氬氣等優(yōu)點：(1)分子量信息和結構信息

(2)靈敏度高

(3)有時可區(qū)分異構體缺點：對熱不穩(wěn)及不揮發(fā)的化合物不適用。場致和場解吸電離源FI&FD場電離源（Fieldionization）： 樣品蒸汽臨近或接觸帶高的正電荷的金屬針時，高曲率半徑的針端產(chǎn)生的很高的電壓強度使樣品分子電離。優(yōu)點：（1）能得到分子量信息；（2）能得某些有價值的結構信息。缺點：（1）靈敏度低，結構信息少。（2）不適用于不揮發(fā)的及對熱不穩(wěn)定樣品。場解吸(Fielddesorption)：

原理同場電離。但樣品是沉積在電極上。與前三種相比，最“軟”。優(yōu)點：（1）固態(tài)時就能使樣品分子電離，適合于難汽化和熱不穩(wěn)定樣品（2）有豐富的分子離子或準分子離子（甚至是基峰）缺點：碎片離子極少，靈敏度一般不及EI和CI?？煸愚Z擊（FAB）

惰性氣體Ar或Xe的原子首先被電離并被加速，使之具有高的動能，在原子槍(atomgun)內(nèi)進行電荷交換反應：

Ar+(高動能的)+Ar(熱運動的)→Ar(高動能的)+Ar+(熱運動的)高動能的Ar或Xe原子束再轟擊樣品分子使其離子化

FAB是目前廣泛使用的軟電離技術，適用于難汽化,極性強的大分子。樣品用基質調(diào)節(jié)后黏附在靶物上。

常用的基質有甘油，硫代甘油，3-硝基芐醇，三乙醇胺等。

注意：FAB質譜圖中會出現(xiàn)基質分子產(chǎn)生的相應的峰及基質分子與樣品分子的結合峰。

例如：3-硝基芐醇作為基質時，會出現(xiàn)m/z154(MH),136（MH–H2O）,289(MMH–H2O)的峰。HPLC樣品溶液

氮氣霧化

通過加熱管被汽化

霧化管端施加高電壓加熱管端尖端放電溶劑分子電離樣品分子電離單電荷或多電荷離子抽真空保溫層電噴霧電離（ESI）2.1.3質量分析器

磁分析器,

靜電分析器只有一扇形磁場的質量分析器又稱為磁分析器。

加速后離子具有一定的動能:（），該動能是由離子在加速電場獲得的電勢能（zV）轉化的。

單聚焦質譜計—磁分析器雙聚焦質譜計—靜電分析器+

磁分析器

靜電分析器由兩個同心圓板組成，兩圓板之間保持一定的電位差(E)。

四極濾質器四極濾質器由四根平行的金屬桿組成，其排布見右圖所示。被加速的離子束穿過對準四根極桿之間空間的準直小孔。通過在四極上加上直流電壓U和射頻電壓Vcost，在極間形成一個射頻場，離子進入此射頻場后，會受到電場力作用，只有合適m/z的離子才會通過穩(wěn)定的振蕩進人檢測器。只要改變U和V并保持U/V比值恒定時，可以實現(xiàn)不同m/z的檢測。

液體二次離子質譜LiquidSecondaryIonMassSpectrometery,LSIMS用重離子取代重原子進行轟擊,如使用Cs+.Cs+是一級離子,經(jīng)其轟擊產(chǎn)生的離子就是二次離子,用于液體樣品的分析,因此叫LSIMS.基質輔助激光解吸電離Matrix-assistedLaserDisorptionIonization,

MALD為避免熱敏感化合物熱分解,需對他們進行極快速的加熱,采用脈沖式激光對靶物提供高能量.方法是:將被分析物質

(μmol/L級濃度)的溶液和某種基質

(mmol/L級濃度)溶液相混合.蒸發(fā)溶劑,于是被分析物質與基質成為晶體或半晶體.用一定波長的脈沖式激光進行照射.基質分子能有效地吸收激光的能量,使基質分子和樣品投射到氣相并得到電離.常用的基質有2,5-二羥基苯甲酸、芥子酸、煙酸、-氰基-4-羥基肉桂酸等.

樣品溶液仍由具有霧化氣套管的毛細管端流出,被氮氣流霧化,通過加熱管時被汽化.在加熱管端進行電暈（corona）尖端放電,溶劑分子被電離,再通過CI過程使樣品分子進行電離,得準分子離子.大氣壓化學電離

AtmosphericPressureChemicalIonizationAPCI2.1.4串聯(lián)質譜和色譜-質譜聯(lián)機混合物的分析怎樣解決？1.碰撞誘導斷裂碰撞誘導斷裂（collision-induceddissociation,

CID）

又稱為碰撞活化斷裂（collision-activateddissociation,

CAD）或簡稱碰撞活化（collisionalactivation,

CA）對CID，將碰撞前后的離子分別稱為反應物離子（reactantion）和產(chǎn)物離子（production）2.串聯(lián)質譜（tandemMS）又表為，MSnn為串聯(lián)級數(shù)。

MS/MS分為兩類：空間上串聯(lián)（tandem-in-space）

時間上串聯(lián)（tandem-in-time）§2.1.5色譜-質譜聯(lián)機色譜是分離混合物的有效方法，但難以得到結構信息，通常是與標樣對比推測結構。1.GC/MS色譜柱—常壓操作，質譜—真空下操作。

常用電離方式：EI或EI和CI間斷進行。2.LC/MS

（HPLC/MS）GC只能分離在操作溫度下能氣化且不分解的物質，只有少數(shù)有機化合物滿足此要求，LC大大擴充了分離范圍.質譜圖及其應用質譜圖與質譜表質譜法的主要應用是鑒定復雜分子并闡述其結構，確定元素的同位素及分布等。一般的質譜給出的數(shù)據(jù)有兩種形式：一是棒圖即質譜圖，另一個為表格即質譜表。質譜圖是以質荷比(m/z)為橫坐標，相對強度為縱坐標構成。一般將原始質譜圖上最強的離子峰為基峰并定為相對強度為100%，其它離子峰以對基峰的相對百分值表示。

2.1.5質譜圖

橫坐標為離子的質核比，縱坐標為離子相對強度或相對豐度。乙醇的質譜圖如下：質譜表是用表格形式表示的質譜數(shù)據(jù)。質譜表中有兩項即質荷比和相對強度。從質譜圖上可以直觀地觀察整個分子的質譜全貌，而質譜表則可以準確地給出精確的m/z值及相對強度值，有助于進一步分析。1.質譜術語基峰:RI（relativeintensity)

100,

RA（relative

abundance)100質荷比:

m/z,z=1,z=2，…

精確質量:

精確質量的計算基于天然豐度最大的同位素的精確原子量，如：

1H1.007825、12C

12.000000、

14N14.003074、

16O15.994915···

精確度與質譜計的分辨率有關。2.1.4質譜術語及質譜中的離子2.質譜中的離子:分子在離子源中可以產(chǎn)生各種電離，即同一種分子可以產(chǎn)生多種離子峰分子離子(molecularion)

準分子離子(quasi-molecularion)

碎片離子(fragmention)

重排離子(rearrangemention)

亞穩(wěn)離子(metastableion)

奇電子離子(odd-electronion)

偶電子離子(even-electronion)

同位素離子(isotopicion)

多電荷離子(multiply-chargedion)分子離子(molecularion):M+·,M－e→M+·

z=1時，其m/z等于天然豐度最大的同位素的原子量之和。碎片離子(fragmention)：廣義指分子離子以外的所有離子。重排離子（rearrangemention)：經(jīng)過重排，斷裂一個以上化學鍵所生成的離子?；瘜W鍵的斷裂和生成同時發(fā)生。

準分子離子：[MH]+,

[M－H]+同位素離子：非單一同位素的元素在電離過程中產(chǎn)生同位素離子，同位素離子構成同位素峰簇。

母離子與子離子(parentionanddaughterion)：任何一個離子進一步裂解為質荷比較小的離子，前者是后者的母離子或前體子，后者是前者的子離子。有些元素具有天然存在的穩(wěn)定同位素，所以在質譜圖上出現(xiàn)一些M+1，M+2的峰，由這些同位素形成的離子峰稱為同位素離子峰。在一般有機分子鑒定時，可以通過同位素峰統(tǒng)計分布來