YYVIP易游第1章质谱分析法ppt课件

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　　质谱法〔massspectrometryMS〕在高真空系统中测定样品的分子离子及碎片离子质量，以确定样品相对分子质量及分子结构的方法。

　　1、被分析样品的气态分子，在高真空中受到高速电子流或其它能量形式的作用，失去外层电子生成分子离子，或进一步发生化学键的断裂或重排，生成多种碎片离子。

　　2、将各种离子导入质量分析器，利用离子在电场或磁场中的运动性质，使多种离子按不同质荷比m/e的大小次序分开，并对多种的离子流进行控制、记录，得到质谱图。

　　把带电荷的的分子或经一定方式电离的碎片离子按照质核比〔m/z)的大小排列而成的图谱。

　　●由于分子离子峰可以提供样品分子的相对分子量的信息，所以质谱法也是测定分子量的常用方法。

　　b) 无机、有机及生物分析的结构---结构不同，分子或原子碎片不同(质荷比不同)；

　　c)  复杂混合物的定性定量分析------与色谱方法联用(GC-MS)；

　　d)  固体表面结构和组成分析-----激光烧蚀等离子体---质谱联用；样品中原子的同位素比。

　　1813年：Thomson使用MS报道了Ne是由22Ne和24Ne两种同位素组成；随后，同位素分析开始发展。

　　50年代初：质谱仪器开始商品化，并广泛用于各类有机物的结构分析。同时质谱方法与NMR、IR等方法结合成为分子结构分析的最有效的手段。

　　80年代：我国一些高校及科研单位自国外引进质谱仪后有机质谱的研究工作日益发展；

　　质谱分析是将样品转化为运动的带电气态离子，于磁场中按质荷比(m/z)大小分离并记录的分析方法。

　　其中，z为电荷数，e为电子电荷，V为加速电压，m为碎片质量，v为电子运动速度。

　　当H、R、V三个参数中任两个保持不变而改变其中一个参数时，可得质谱图。现代质谱仪通常是保持V、R不变，通过扫描磁场来得到质谱图的。

　　指质谱仪分辨相邻质量数离子的能力。定义为：两个相等强度的相邻峰(质量分别为m1和m2)，当两峰间的峰谷不大于峰高的10%时，则可认为两已分开，其分辨率R为：

　　实际工作中很难找到上述两相等的峰，常以表示，其中W0.05表示峰高5%处的峰宽。

　　R与离子通道半径r、加速器和收集器狭缝宽度、离子源的性质和质量等因素有关。

　　例：要鉴别N2+(m/z为28.006)和CO+(m/z为27.995)两个峰，仪器的分辨率至少是多少？在某质谱仪上测得一质谱峰中心位置为245u，峰高5%处的峰宽为0.52u，可否满足上述要求？

　　按质量分析器(或者磁场种类)可分为静态仪器和动态仪器，即稳定磁场〔单聚焦及双聚焦质谱仪〕和变化磁场〔飞行时间和四极杆质谱仪）。

　　质谱仪中所有部分均要处高度真空的条件下(离子源的高线Pa，质量分析器中应达1.3×10-6Pa),其作用是减少离子碰撞损失。真空度过低，将会引起：(1Torr=1.33322×102Pa)

　　a)间歇式进样：适于气体、沸点低且易挥发的液体、中等蒸汽压固体。如下图。注入样品(10-100g)—贮样器(0.5L-3L)—抽线Torr)并加热—样品蒸汽分子(压力陡度)—漏隙—高真空离子源。

　　探针杆通常是一根规格为25cm6mmi.d.,末端有一装样品的黄金杯(坩埚)，将探针杆通过真空闭锁系统引入样品，如下图。

　　将引入的样品转化成为碎片离子的装置。根据样品离子化方式和电离源能量高低，通常可将电离源分为：

　　气相源：先蒸发再激发，适于沸点低于500oC、对热稳定的样品的离子化，包括电子轰击源、化学电离源、场致电离源、火花源；

　　解吸源：固态或液态样品不需要挥发而直接被转化为气相，适用于分子量高达105的非挥发性或热不稳定性样品的离子化。包括场解吸源、快原子轰击源、激光解吸源、离子喷雾源和热喷雾离子源等。

　　硬源：离子化能量高，伴有化学键的断裂，谱图复杂，可得到分子官能团的信息；

　　软源：离子化能量低，产生的碎片少，谱图简单，可得到分子量信息。 因此，可据分子电离所需能量不同可选择不同电离源。

　　采用高速(高能)电子束冲击样品，从而产生电子和分子离子M+，M+继续受到电子轰击而引起化学键的断裂或分子重排，瞬间产生多种离子。

　　垂直方向：G3-G4加速电极(低电压)---较小动能---狭缝准直G4-G5加速电极(高电压)---较高动能---狭缝进一步准直--离子进入质量分析器。

　　特 点： 使用最广泛，谱库最完整；电离效率高；结构简单，操作方便；但分子离子峰强度较弱或不出现(因电离能量最高)。

　　热阴极发射出能量为70eV的高能电子束，在高速向阳极运动时，撞击来自进样系统的样品分子，使样品分子发生电离：

　　称为分子离子。当电离源有足够的能量使 带有较大内能时， 可能进一步发生键的断裂，形成大量的各种低质量数的碎片正离子和自由基或中性分子：

　　样品分子在承受电子轰击前，被一种反应气(通常是甲烷)稀释，稀释比例约为103:1，因此样品分子与电子的碰撞几率极小，所生成的样品分子离子主要由反应气分子组成。

　　进入电离源的分子R-CH3大部分与CH5+碰撞产生(M+1)+离子；小部分与C2H5+反响，生成(M-1)+离子：

　　过 程：高速电子——惰性气体电离——电场加速——高速原子离子束——撞击涂有样品的金属板——能量转移给样品分子——电离——引入磁场分离。

　　类似于场电离源，它也有一个表面长满“胡须” (长0.01mm)的阳极发射器(Emitter)。

　　过 程：样品溶液涂于发射器表面---蒸发除溶剂——强电场——分子电 离——奔向阴极——引入磁场

　　特 点：特别适于非挥发性且分子量高达100000的分子。样品只产生分子离子峰和准分子离子峰，谱图最简单。

　　它的结构与电喷雾源不同之处在于APCI喷咀的下游放置一个针状放电电极，通过放电电极的高压放电，使空气中某些中性分子电离，产生H3O+，N2+，O2+ 和O+ 等离子 ，溶剂分子也会被电离，这些离子与分析物分子进行离子-分子反应，使分析物分子离子化，这些反应过程包括由质子转移和电荷交换产生正离子，质子脱离和电子捕获产生负离子等

　　单聚焦质量分析器只是将m/z 相同而入射方向不同的离子聚焦到一点〔或称实现了方向聚焦）。

　　但对于m/z 相同而动能〔或速度〕不同的离子不能聚焦，故其分辨率较低，一般为5000。

　　过 程：不同荷电碎片在飞出离子源的速度〔动能〕基本一致。某离子在到达无场漂移管前端时，其速度大小为：

　　由于不同m/e的离子，其飞出漂移管的时间不同，因而实现了离子的分离。因为连续电离和加速使检测器产生连续输出而不能得到有效信息，因此实际工作中常采用相同频率的电子脉冲电离和脉冲电场加速，被加速的粒子经不同的时间到收集极上，并反馈到示波器上记录，从而得到质谱图。

　　特 点：扫描速度快(1000幅/s)，可用于研究快速反应或与GC联用；可用于高质量离子分

　　过程：在两个相对应的极杆之间加上电压(V+Ucost)，在另两个相对应的极杆上加电压-(V+Ucost)。其中V 和U分别为直流电压、交流电压，与前述双聚焦仪的静电分析器类似，离子进入可变电场后，只有具合适的曲率半径的离子可以通过中心小孔到达检测器。 改变V和 U并保持V/ U比值一定，可实现不同m/e离子的检测。

　　特点：分辨率比磁分析器略低(max.2000); m/e范围与磁分析器相当；传输效率比较高；扫描速度快，可用于GC-MS 联用仪。

　　上下端罩(End cap)与左右环电极(Ring electrode)构成可变电场(前者接地，后者施以射频电压)——带电离子在一定轨道上旋转——改变电压——可使相同m/e离子依次离开进入电子倍增器而分离。

　　结构简单、易于操作、GC-MS联用可用于m/e200-2000的分子分析。

　　处于磁场B中离子——回旋离子——吸收与B垂直的电场能量——当离子能量和吸收能量相等——共振——切断交变电场——回旋离子在电极上产生感应电流——感应电流衰减——记录该信号——通过Fourier变换将时域图转换为频域图(质谱图)。

　　可用于分子反应动力学研究、扫描速度快，可与GC 联用、分辨率高、分析质量大、但仪器昂贵。

　　2〕电子倍增器：类似于光电倍增管，可测10-18A电流。但有质量歧视效应。

　　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105～108

　　以质荷比m/z为横座标，以对基峰(最强离子峰，规定相对强度为100%)相对强度为纵座标所构成的谱图，称之为质谱图。

　　ABCD+为分子离子峰，m/e即为分子的分子量。对于有机物，杂原子S，O，P，N等上的未共用电子对最易失去，其次是电子，再其次是 电子。

　　1.分子离子是奇电子离子 ——分子离子是样品分子〔所有电子都成对〕失去一个电子而产生的，所以是一个自由基离子，其中有一个未成对的孤电子，离子中电子的总数是奇数，因此分子离子的表示为 。

　　●如果分子中有杂原子，则其中未成键的n电子对较易失去一个电子而带正电荷。所以正电荷在杂原子上；

　　●如果分子无杂原子，但有π键，则π电子对较易失去一个电子，所以正电荷在π键上；

　　3.分子离子是分子失去一个电子所得到的离子，所以其 数值等于化合物的相对分子量，是所有离子峰中 最大的〔除了同位素离子峰外），所以若质谱图中如有分子离子峰出现，必位于谱图的最右边，这在谱图解析中具有特殊意义。同时分子离子必然符合“氮律”。

　　4.质谱中，分子离子峰的强度和化合物的结构关系极大，它取决于分子离子与其裂解后所产生离子的相对稳定性。一般规律是，化合物链越长，分子离子峰越弱，酸类、醇类及高分支链的烃类分子，分子离子峰较弱甚至不出现。共轭双键或环状结构的分子，分子离子峰较强。一般顺序为：芳环＞共轭烯＞烯＞环状化合物＞酮＞不分支烃＞醚＞酯＞胺＞酸＞醇＞高分支烃。

　　因分子发生键的断裂只需要十几电子伏特的能量，而电子轰击的能量为70eV，因而会产生更小的碎片离子峰。

　　半异裂” 表示法——在离子断裂过程中，如果自由基离子的一个孤电子转移到一个碎片上，这种断裂叫“半异裂”，用一个鱼钩状的半箭号“ ”表示孤电子转移的途径；

　　在离子断裂过程中，如果一个键断开时的一对电子同时转移到同一个碎片上，这种断裂叫“异裂”，用一个完整的箭号“ ”表示一对电子的转移；

　　如果一个键断开时的一对电子分别转移到所断裂的两个碎片上，这种断裂叫“均裂”，用两条不同方向的鱼钩状半箭号“ ”表示两个电子的不同转移方向。 ：

　　如果化合物分子中具有σ键，如烃类化合物，则会发生σ键断裂。σ键断裂需要的能量大，当化合物中没有π电子和n电子时，σ键的断裂才可能成为主要的断裂方式。断裂后形成的产物越稳定，这样的断裂就越容易进行，阳碳离子的稳定性顺序为叔仲伯，因此，碳氢化合物最容易在分支处发生键的断裂。并且，失去最大烷基的断裂最容易进行。

　　游离基对分子断裂的引发是由于电子的强烈成对倾向造成的。由游离基提供一个奇电子与邻接原子形成一个新键，与此同时，这个原子的另一个键〔α键〕断裂。这种断裂通常称为α断裂。α断裂主要有下面几种情况：

　　电离时失去一个π电子，则π键上的自由基中心引发α断裂。如果是端烯则发生烯丙基断裂，形成稳定的典型烯丙基离子（ m/z＝41）

　　断裂后生成很强的苄基离子C7H7+（m/z 91），m/z 91离子是烷基苯类化合物的特征离子。所产生的苄基离子立即重排为典型的鎓离子C7H7+ （ ＝91），而且进一步丢失C2H2而产生C5H5+。

　　苯的最强峰为M+，芳香族化合物将先失去取代基，再形成苯甲离子(卓嗡离子）：

　　因此在苯环上的间、对位取代很难通过质谱法来进行鉴定，而邻位取代有邻位效应峰。

　　诱导断裂是由正电荷诱导、吸引一对电子而发生的断裂，其结果是正电荷的转移。诱导断裂常用i来表示。双箭头表示双电子转移。

　　①、一般情况下，电负性强的元素诱导力也强。在有些情况下，诱导断裂和α断裂同时存在，由于i断裂需要电荷转移，因此，i断裂不如α断裂容易进行。表现在质谱中，相应α断裂的离子峰强，i断裂产生的离子峰较弱。例如的断裂

　　②诱导断裂的能力随杂原子电负性的增强而增强：X＞O、S＞＞N＞C〔X为Cl、Br、I）。 一些饱和烃的偶电子离子，也发生 断裂，脱去一个烯：

　　在质谱的分子离子断裂反应中，环己烯可以生成丁二烯和乙烯，正好与上面反应相反，所以称为逆狄尔斯--阿德尔〔Retro-Diels-Alder〕反响，简称RDA。

　　原子或基团经重排后再开裂而形成一种特殊的碎片离子，称重排离子。如醇分子离子经脱水后重排可产生新的重排离子峰。

　　这种重排的类型很多．其中最常见的一种是麦氏重排〔Mclafferty rearrangement）。所谓麦氏重排，当化合物分子中含有C=X〔X为O、N、S、C〕基团，而且与这个基团相连的链上有γ氢原子，这种化合物的分子离子碎裂时，此γ氢原子可以转移到X原子上去，同时β键断裂。

　　可以发生这类重排的化合物有：酮、醛、酸、酯和其它合羰基的化合物，含P==O、S==0的化合物合物以及烯烃类和苯环化合物等．

　　同时有两个以上的键断裂并丢失一个中性小分子，生成的重排离子的质量数为偶数。

　　除麦氏重排外，重排的种类还很多，经过四元环，五元环都可以发生重排。重排既可以是自由基引发的，也可以是电荷引发的。自由基引发的重排：

　　过程：质量数为m1的多个带电离子，其中部分失去中性碎片m而变成m2(此时m1能量变小，在磁场中有更大的偏转)从而形成亚稳离子峰m*，此时可将此峰看成m1和m2的“混合峰”，即形成“宽峰”，极易识别。且满足下式：

　　其中所有M1+碎片的m/z仍相同，只是到达质量分析器时的动能不同，即偏转不同，因而形成宽峰！

　　由于天然同位素的存在，因此在质谱图上出现M+1，M+2等峰，由这些同位素所形成的峰称之为同位素峰。

　　同位素峰的相对强度与分子中所含元素的原子数目及各元素的天然同位素丰度有关。

　　(2) 如果分子离子只含C、H和O原子，其m/e值是否既可以是奇数，也可以是偶数？

　　(3) 如果分子离子只含C、H和N原子，其m/e值是否既可以是奇数，也可以是偶数？