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第六章質譜分析 MS 6 1概述 質譜分析法 MassSpectrometry MS 是在高真空系統中測定樣品的分子離子及碎片離子質量 以確定樣品相對分子質量及分子結構的方法 化合物分子受到電子流沖擊后 形成的帶正電荷分子離子及碎片離子 按照其質量m和電荷z的比值m z 質荷比 大小依次排列而被記錄下來的圖譜 稱為質譜 質譜分析法有如下特點 1 應用范圍廣 測定樣品可以是無機物 也可以是有機物 應用上可做化合物的結構分析 測定原子量與相對分子量 同位素分析 生產過程監(jiān)測 環(huán)境監(jiān)測 熱力學與反應動力學 空間探測等 被分析的樣品可以是氣體和液體 也可以是固體 2 靈敏度高 樣品用量少 目前有機質譜儀的絕對靈敏度可達50pg pg為10 12g 無機質譜儀絕對靈敏度可達10 14 用微克級樣品即可得到滿意的分析結果 3 分析速度快 并可實現多組分同時測定 4 與其它儀器相比 儀器結構復雜 價格昂貴 使用及維修比較困難 對樣品有破壞性 發(fā)展概況 從20世紀60年代開始 質譜就廣泛應用于有機化合物分子結構的測定 隨著科學技術的發(fā)展 質譜儀已實現了與不同的分離儀器的聯用 例如 氣相色譜與質譜聯用 液相色譜與質譜聯用 質譜和質譜的聯用已成為一種用途很廣的有機化合物分離 結構測定及定性定量分析的方法 另外 質譜儀和電子計算機的結合使用 不僅簡化了質譜儀的操作 又提高了質譜儀的效能 特別是近年來從各種類型有機分子結構的研究中 找出了一些分子結構與質譜的規(guī)律 使質譜成為剖析有機物結構的強有力的工具之一 在鑒定有機物的四大重要手段 NMR MS IR UV 中 也是唯一可以確定分子式的方法 測定精度達10 4 目前質譜技術已發(fā)展成為三個分支 即同位素質譜 無機質譜和有機質譜 本章主要介紹有機質譜 6 2質譜儀及基本原理 6 2 1質譜儀有機質譜儀包括離子源 質量分析器 檢測器和真空系統 現以扇形磁場單聚焦質譜儀為例 將質譜儀器各主要部分的作用原理討論如下 圖6 1為單聚焦質譜儀的示意圖 圖6 1單聚焦質譜儀 1 真空系統 質譜儀的離子源 質譜分析器及檢測器必須處于高真空狀態(tài) 離子源的真空度應達10 3 10 5Pa 質量分析器應達10 6Pa 若真空度低 則 i 大量氧會燒壞離子源的燈絲 ii 會使本底增高 干擾質譜圖 iii 引起額外的離子 分子反應 改變裂解模型 使質譜解釋復雜化 iv 干擾離子源中電子束的正常調節(jié) v 用作加速離子的幾千伏高壓會引起放電 等等 2 進樣系統 圖6 2兩種進樣系統 對于氣體及沸點不高 易于揮發(fā)的樣品 可以用圖中上方的裝置 貯樣器為玻璃或上釉不銹鋼制成 抽低真空 1Pa 并加熱至150 試樣以微量注射器注入 在貯樣器內立即化為蒸汽分子 然后由于壓力梯度 通過漏孔以分子流形式滲透入高真空的離子源中 對于高沸點的液體 固體 可以用探針 probe 桿直接進樣 圖6 2下圖 調節(jié)加熱溫度 使試樣氣化為蒸汽 此方法可將微克量級甚至更少試樣送入電離室 探針桿中試樣的溫度可冷卻至約 100 或在數秒鐘內加熱到較高溫度 如300 左右 3 離子源 ionsource 被分析的氣體或蒸汽首先進入儀器的離子源 轉化為離子 使分子電離的手段很多 最常用的離子源是電子轟擊 electronimpact EI 離子源 其構造原理如圖6 3 圖6 3電子轟擊離子源 在電離室內 氣態(tài)的樣品分子受到高速電子的轟擊后 該分子就失去電子成為正離子 分子離子 分子離子繼續(xù)受到電子的轟擊 使一些化學鍵斷裂 或引起重排以瞬間速度裂解成多種碎片離子 正離子 在排斥極上施加正電壓 帶正電荷的陽離子被排擠出離子化室 而形成離子束 離子束經過加速極加速 而進入質量分析器 多余熱電子被鎢絲對面的電子收集極 電子接收屏 捕集 分子離子繼續(xù)受到電子的轟擊 使一些化學鍵斷裂 或引起重排以瞬間速度裂解成多種碎片離子 正離子 在排斥極上施加正電壓 帶正電荷的陽離子被排擠出離子化室 而形成離子束 離子束經過加速極加速 而進入質量分析器 多余熱電子被鎢絲對面的電子收集極 電子接收屏 捕集 i 化學電離源 CI 有些化合物穩(wěn)定性差 用EI方式不易得到分子離子 因而也就得不到分子量 為了得到分子量可以采用化學電離源 chemicalionization 現以甲烷作為反應氣為例 說明化學電離的過程 在電子轟擊下 甲烷首先被電離 現以甲烷作為反應氣為例 說明化學電離的過程 在電子轟擊下 甲烷首先被電離 CH4 CH4 CH3 CH2 CH C H 甲烷離子與分子進行反應 生成加合離子 CH4 CH4 CH5 CH3CH3 CH4 C2H5 H2加合離子與樣品分子反應 CH5 XH XH2 CH4C2H5 XH X C2H6 生成的XH2 和X 比樣品分子多一個H或少一個H 可表示為 M 1 稱為準分子離子 事實上 以甲烷作為反應氣 除 M 1 之外 還可能出現 M 17 M 29 等離子 同時還出現大量的碎片離子 化學電離源是一種軟電離方式 有些用EI方式得不到分子離子的樣品 改用CI后可以得到準分子離子 因而可以推斷相對分子質量 但是由于CI得到的質譜不是標準質譜 所以不能進行庫檢索 ii 場致電離源 FI 場致電離源是利用強電場誘發(fā)樣品分子電離 它由兩個尖細的電極組成 在相距很近 d 1mm 的陽極和陰極之間 施加7000 10000V的穩(wěn)定直流電壓 在陽極的尖端附近產生107 108V cm的強電場 依靠這個強電場把尖端附近納米處的分子中的電子拉出來 使之形成正離子 然后通過一系列靜電透鏡聚焦成束 并加速到質量分析器中去 在場致電離的質譜圖上 分子離子峰很清楚 碎片峰則較弱 這對相對分子質量測定是很有利的 但缺乏分子結構信息 為了彌補這個缺點 可以使用復合離子源 例如電子轟擊 場致電離復合源 電子轟擊 化學電離復合源等 iii 場解析電離源 FD 將液體或固體試樣溶解在適當溶劑中 并滴加在特制的FD發(fā)射絲上 發(fā)射絲由直徑約10 m的鎢絲及在絲上用真空活化的方法制成的微針形碳刷組成 發(fā)射絲通電加熱使其上的試樣分子解吸下來并在加熱絲附近的高壓靜電場 電場梯度為107 108V cm 的作用下被電離形成分子離子 其電離原理與場致電離相同 解吸所需能量遠低于氣化所需能量 故有機化合物不會發(fā)生熱分解 因為試樣不需氣化而可直接得到分子離子 因此即使是熱穩(wěn)定性差的試樣仍可得到很好的分子離子峰 在FD源中分子中的C C鍵一般不斷裂 因而很少生成碎片離子 4 質量分析器 massanalyzer 質量分析器是由非磁性材料制成 單聚焦質量分析器所使用的磁場是扇性磁場 扇性開度角可以是1800 也可以是900 當被加速的離子流進入質量分析器后 在磁場作用下 各種陽離子被偏轉 質量小的偏轉大 質量大的偏轉小 因此互相分開 當連續(xù)改變磁場強度或加速電壓 各種陽離子將按m z大小順序依次到達離子檢測器 收集極 產生的電流經放大 由記錄裝置記錄成質譜圖 5 離子檢測器 常以電子倍增器 electronmultiplier 檢測離子流 電子倍增器種類很多 其工作原理如圖6 4所示 一定能量的離子轟擊陰極導致電子發(fā)射 電子在電場的作用下 依次轟擊下一級電極而被放大 電子倍增器的放大倍數一般在105 108 電子倍增器中電子通過的時間很短 利用電子倍增器可以實現高靈敏 快速測定 但電子倍增器存在質量歧視效應 且隨使用時間增加 增益會逐步減小 圖6 4電子倍增器 6 2 2質譜儀工作過程及基本原理 1 將樣品由貯存器送入電離室 2 樣品被高能量 70 100ev 的電子流沖擊 通常 首先被打掉一個電子形成分子離子 母離子 若干分子離子在電子流的沖擊下 可進一步裂解成較小的子離子及中性碎片 其中正離子被安裝在電離室的正電壓裝置排斥進入加速室 只要正離子的壽命在10 5 10 6s 3 加速室中有2000V的高壓電場 正離子在高壓電場的作用下得到加速 然后進入分離管 在加速室里 正離子所獲得的動能應該等于加速電壓和離子電荷的乘積 即電荷在電場中的位能 式中z為離子電荷數 U為加速電壓 顯然 在一定的加速電壓下 離子的運動速度與質量m有關 6 1 4 分離管為一定半徑的圓形管道 在分離管的四周存在均勻磁場 再磁場的作用下 離子的運動由直線運動變?yōu)閯蛩賵A周運動 此時 圓周上任何一點的向心力和離心力相等 故 m 2 R Hz 6 2 其中 R為圓周半徑 H為磁場強度 合并 6 1 及 6 2 消去 可得m z H2R2 2U 6 3 式 6 3 稱為磁分析器質譜方程 是設計質譜儀的主要依據 式中R為一定值 因儀器條件限制 如再固定加速電壓U 則m z僅與外加磁場強度H有關 實際工作中通過調節(jié)磁場強度H 使其由小到大逐漸變化 則m z不同的正離子也依次由小到大通過分離管進入離子檢測器 產生的信號經放大后 被記錄下來得到質譜圖 6 2 3雙聚焦質譜儀 在討論單聚焦分析器質量分離原理時 曾假定離子的初始能量為零 離子的動能只決定加速電壓 實際上 由離子源產生的離子 其初始能量并不為零 而且其能量各不相同 經加速后的離子其能量也就不同 因此即使是質量相同的離子 由于能量 或速度 的不同 在磁場中的運動半徑也不同 因而不能完全會聚在一起 這就大大降低了儀器的分辨率 使相鄰兩種質量的離子m1和m2很難分離 見圖6 5 圖6 5離子能量分散對分辨率的影響 為了消除離子能量分散對分辨率的影響 通常在扇型磁場前附加一個扇型電場 扇型電場是同心圓筒一部分 進入電場的離子受到一個靜電力的作用 改做圓周運動 離子所受電場力與離子運動的離心力平衡 即 6 5 E 扇形電場強度 m 離子質量 z 離子電荷 離子速度 Re 離子在電場中軌道半徑 將與合并得 6 6 如果電場強度E一定 對質量相同的離子 離子軌道半徑僅取決于離子的速度或能量 而與離子質量無關 所以扇型電場是一個能量分析器 不起質量分離的作用 對于質量相同的離子 它是一個速度分離器 這樣 質量相同而能量不同的離子 經過靜電場后將被分開 即靜電場具有能量色散作用 如果設法使靜電場和磁場對能量產生色散作用相補償 則可實現方向和能量的同時聚焦 磁場對離子的作用也具有可逆性 由某一方向進入磁場的質量相同而能量不同的離子 經磁場后會按一定的能量順序分開 反之 從相反方向進入磁場的以一定能量順序排列的質量相同的離子 經磁場后可以會聚在一起 因此 把電場和磁場配合使用 使電場產生的能量色散與磁場產生的能量色散數值相等而方向相反 就可實現能量聚焦 在加上磁場本身具有的方向聚焦作用 這樣就實現了能量和方向的雙聚焦 這種靜電分析器和磁分析器配合使用 同時實現方向和能量聚焦的分析器 稱為雙聚焦分析器 圖6 6雙聚焦質譜原理圖 6 2 4質譜儀主要性能指標 1 分辨率分辨率是指儀器對質量非常接近的兩種離子的分辨能力 一般定義是 對兩個相等強度的相鄰峰 當兩峰間的峰谷不大于其峰高10 時 則認為兩峰已經分開 其分辨率 6 7 其中m1 m2為質量數 且m1 m2 故在兩峰質量數較小時 要求儀器分辨率越大 圖6 7質譜儀10 峰谷分辨率 而在實際工作中 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 m 此時分辨率定義為 6 8 2 質量范圍質量范圍是指質譜儀能測量的最大m z值 它決定儀器所能測量的最大相對分子量 自質譜進入大分子研究的分析領域以來 質量范圍已成為被關注和感性趣的焦點 各種質譜儀具有的質量范圍各不相同 目前質量范圍最大的質譜儀是基質輔助激光解吸電離飛行時間質譜儀 該種儀器測定的分子質量可高達1000000u以上 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 6 2 5質譜圖 圖6 8是丙酮的質譜 圖中的豎線稱為質譜峰 不同的質譜峰代表有不同質荷比的離子 峰的高低表示產生該峰的離子數量的多少 質譜圖的質荷比 m z 為橫坐標 以離子峰的相對豐度為縱坐標 圖中最高的峰稱為基峰 基峰的相對豐度常定為100 其它離子峰的強度按基峰的百分比表示 在文獻中 質譜數據也可以用列表的方法表示 圖6 8丙酮的質譜圖 6 3離子主要類型 6 3 1分子離子 1 分子離子形成樣品分子失去一個電子而形成的離子稱為分子離子 所產生的峰稱為分子離子峰或稱母峰 一般用符號表示 其中 代表正離子 代表不成對電子 如 分子離子峰的m z就是該分子的分子量 2 形成分子離子時電子失去的難易程度及表示方法有機化合物中原子的價電子一般可以形成 鍵 鍵 還可以是未成鍵電子n 即獨對電子 這些類型的電子在電子流的撞擊下失去的難易程度是不同的 一般來說 含有雜原子的有機分子 其雜原子的未成鍵電子最易失去 其次 鍵 再次是碳 碳相連的 鍵 而后是碳 氫相連的 鍵 即失去電子的難易順序為 雜原子 C C C C C H易難 3 分子離子峰的強度與結構的關系分子離子峰的強度與結構的關系有如下規(guī)律 a碳鏈越長 分子離子峰越弱 b存在支鏈有利于分子離子裂解 故分子離子峰很弱 c飽和醇類及胺類化合物的分子離子弱 d有共振系統的分子離子穩(wěn)定 分子離子峰強 e環(huán)狀分子一般有較強的分子離子峰 綜合上述規(guī)律 有機化合物在質譜中的分子離子的穩(wěn)定性 即分子離子峰的強度 有如下順序 芳香環(huán) 共軛烯 烯 環(huán)狀化合物 羰基化合物 醚 酯 胺 酸 醇 高度分支的烴類 4 分子離子峰的識別方法 i 注意m z值的奇偶規(guī)律只有C H O組成的有機化合物 其分子離子峰的m z一定是偶數 在含氮的有機化合物 N的化合價為奇數 中 N原子個數為奇數時 其分子離子峰m z一定是奇數 N原子個數為偶數時 則分子離子峰m z一定是偶數 ii 同位素峰對確定分子離子峰的貢獻利用某些元素的同位素峰的特點 在自然界中的含量 來確定含有這些原子的分子離子峰 iii 注意該峰與其它碎片離子峰之間的質量差是否有意義通常在分子離子峰的左側3 14個質量單位處 不應有其他碎片離子峰出現 如有其它峰 出現 則該峰不是分子離子峰 因為不可能從分子離子上失去相當于3 14個質量單位的結構碎片 6 3 2碎片離子 碎片離子是由于分子離子進一步裂解產生的 生成的碎片離子可能再次裂解 生成質量更小的碎片離子 另外在裂解的同時也可能發(fā)生重排 所以在化合物的質譜中 ?？吹皆S多碎片離子峰 碎片離子的形成與分子結構有著密切的關系 一般可根據反應中形成的幾種主要碎片離子 推測原來化合物的結構 6 3 3亞穩(wěn)離子 質譜中的離子峰 不論強弱 絕大多數都是尖銳的 但也存在少量較寬 一般要跨2 5個質量單位 強度較低 且m z不是整數值的離子峰 這類峰稱為亞穩(wěn)離子 metastableion 峰 1 亞穩(wěn)離子的產生正常的裂解都是在電離室中進行的 如質量為m1的母離子在電離室中裂解 m1 m2 中性碎片 生成的碎片離子就會在質荷比為m2的地方被檢測出來 但如上述的裂解是在m1 離開了加速電場 進入磁場時才發(fā)生 則生成的碎片離子的能量要小于正常的m2 因它在加速電場中是以m1的質量被加速 而在磁場中是以m2的質量被偏轉 故它將不在m2處被檢出 而是出現在質荷比小于m2的地方 這就是產生亞穩(wěn)離子的原因 一般亞穩(wěn)離子用m 來表示 m1 m2 和m 之間存在下列關系 m m22 m1 2 亞穩(wěn)離子的識別a一般的碎片離子峰都很尖銳 但亞穩(wěn)離子峰鈍而小 b亞穩(wěn)離子峰一般要跨2 5個質量單位 c亞穩(wěn)離子的質荷比一般都不是整數 3 亞穩(wěn)離子峰在解析質譜中的意義亞穩(wěn)離子峰的出現 可以確定m1 m2 的開裂過程的存在 但須注意 并不是所有的開裂都會產生亞穩(wěn)離子 所以 沒有亞穩(wěn)離子峰的出現并不能否定某種開裂過程的存在 6 3 4同位素離子 質譜中還常有同位素離子 istopicion 在一般有機化合物分子鑒定時 可以通過同位素的統計分布來確定其元素組成 分子離子的同位素離子峰相對強度比總是符合統計規(guī)律的 如在CH3CI C2H5CI等分子中CIm 2 CIm 32 5 而在含有一個溴原子的化合物中 M 2 峰的相對強度幾乎與m 峰的相等 同位素離子峰可用來確定分子離子峰 6 3 5重排離子 重排離子是由原子遷移產生重排反應而形成的離子 重排反應中 發(fā)生變化的化學鍵至少有兩個或更多 重排反應可導致原化合物碳架的改變 并產生原化合物中并不存在的結構單元離子 6 4質譜解析及在環(huán)境科學中的應用 6 4 1質譜解析解析未知物的圖譜 可按下述程序進行 第一步對分子離子區(qū)進行解析 推斷分子式 1 確認分子離子峰 并注意分子離子峰對基峰的相對強度比 這對判斷分子離子的穩(wěn)定性以及確定結構是有一定幫助的 2 注意是偶數還是奇數 如果為奇數 而元素分析又證明含有氮時 則分子中一定含有奇數個氮原子 3 注意同位素峰中M 1 M及M 2 M數值的大小 據此可以判斷分子中是否含有S CI Br 并可初步推斷分子式 4 根據高分辨質譜測得的分子離子的m z值 推定分子式 第二步對碎片離子區(qū)的解析 推斷碎片結構 1 找出主要碎片離子峰 并根據碎片離子的質荷比 確定碎片離子的組成 常見碎片離子的組成見表6 2 離子失去的碎片可能存在的結構M 1H醛 某些醚及胺M 15CH3甲基M 18H2O醇類 包括糖類M 28C2H4 CO N2C2H4 麥氏重排 COM 29CHO C2H5醛類 乙基M 34H2S硫醇M 35CIM 36HCI氯化物M 43CH3CO C3H7甲基酮 丙基M 45C00H羧酸類M 60CH3COOH醋酸酯 2 注意分子離子有何重要碎片脫去 m e離子可能的結構類型29CHO C2H5醛類 乙基30CH2NH2伯胺43CH3COCH3COC3H7丙基29 43 57 71等C2H5 C3H7直鏈烷烴39 50 71芳香化合物芳香化合物52 65 7760CH3COOH羧酸類 醋酸類91C6H5CH2芐基105C6H5CO苯甲?；?3 找出亞穩(wěn)離子峰 利用m m22 m1 確定m1與m2的關系 確定開裂類型 第三步提出結構式根據以上分析 列出可能存在的結構單元及剩余碎片 根據可能的方式進行連接 組成可能的結構式 例1某未知物經測定是只含C H O的有機化合物 紅外光譜顯示在3100 3600cm 1之間無吸收 其質譜如圖6 9 試推測其結構 圖6 9未知物質譜圖 解 第一步解析分子離子區(qū) 1 分子離子峰較強 說明該樣品分子離子結構穩(wěn)定 可能具有苯環(huán)或共軛系統 分子量為136 2 根據M 1 M 9 可知該樣品約含8個C原子 查貝農表 一般專著中都有此表 含C H O的只有下列四個式子 a C9H12O 4 b C8H8O2 5 c C7H4O3 6 d C5H12O4 0 第二步解析碎片離子區(qū) 1 質荷比105為基峰 提示該離子為苯甲酰基 C6H5CO 質荷比39 51 77等峰為芳香環(huán)的特征峰 進一步肯定了苯環(huán)的存在 2 分子離子峰與基峰的質量差為31 提示脫去的可能是CH2OH或CH3O 其裂解類型可能是簡單開裂 3 質荷比33 8的亞穩(wěn)離子峰表明有m z77m z51的開裂 56 5的亞穩(wěn)離子峰表明有m z105m z77的開