第一章_質(zhì)譜1

1、第一章 質(zhì)譜1.1有機(jī)質(zhì)譜儀1.1.1 離子化方法1.1.2 質(zhì)量分析器類型1.2離子結(jié)構(gòu)的確定1.2.1 質(zhì)譜/質(zhì)譜基礎(chǔ)1.2.2 亞穩(wěn)離子動(dòng)能譜 (MIKES)1.2.3 碰撞誘導(dǎo)解離 (CID)1.2.4 用MI 和 CID譜來(lái)確定離子結(jié)構(gòu)1.2.5 離子的熱化學(xué)1.3質(zhì)譜裂解機(jī)理1.3.1 自由基和電荷中心引發(fā)的反應(yīng)1.3.2 重排反應(yīng)1.3.3 特征碎片離子1.3.4 影響離子豐度的因素1.4各類化合物的裂解特征1.4.1 烷烴、環(huán)烷烴1.4.2 烯烴1.4.3 炔烴1.4.4 芳香烴1.4.5 醇和苯酚1.4.6 醚1.4.7 醛、酮1.4.8 酯1.4.9 羧酸1.4.10 胺1

2、.4.11 含氮化合物1.4.12 氯代烷烴和溴代烷烴引言引言質(zhì)譜學(xué)及技術(shù)發(fā)展的歷史質(zhì)譜學(xué)及技術(shù)發(fā)展的歷史1906年年Thomson獲獲Nobel物理獎(jiǎng)物理獎(jiǎng) 1986年年P(guān)aul獲獲Nobel物理獎(jiǎng)物理獎(jiǎng)1996年年Kroto等獲等獲Nobel化學(xué)獎(jiǎng)化學(xué)獎(jiǎng)2002年年Fenn,Tanaka獲獲Nobel化學(xué)獎(jiǎng)化學(xué)獎(jiǎng)質(zhì)譜技術(shù)質(zhì)譜技術(shù) & Nobel獎(jiǎng)獎(jiǎng)Joseph John Thomson1906 Nobel Prize in Physics Francis William Aston1922 Nobel Prize in ChemistryWolfgang Paul1989 Nobe

3、l Prize in PhysicsJohn B. Fenn2002 Nobel Prize in ChemistryKoichi Tanaka2002 Nobel Prize in Chemistry Nobel Prize Winners for Mass SpectrometryAt first there were very few who believed in the existence of these bodies smaller than atoms. I was even told long afterwards by a distinguished physicist w

4、ho had been present at my 1897 lecture at the Royal Institution that he thought I had been pulling their legs.J.J. Thomson (1936). Recollections and Reflections. G. Bell and Sons: London. p. 341.The first mass spectrometer(1856 - 1940)Cambridge University,Cambridge, Great BritainThe Nobel Prize in P

5、hysics 1906.in recognition of the great merits of his theoretical and experimental investigations on the conduction of electricity by gases Nobel Laureate (1906): Joseph John Thomson(1877 - 1945)Cambridge UniversityCambridge, Great BritainThe Nobel Prize in Chemistry 1922for his discovery, by means

6、of his mass spectrograph, of isotopes, in a large number of non-radioactive elements, and for his enunciation of the whole-number rulemass spectrometry of isotopesNobel Laureate (1922): Francis William Aston(1913 - 1993)University of BonnBonn, GermanyThe Nobel Prize in Physics 1989“For the developme

7、nt of the ion trap techniqueQuadrupole and Quadrupole ion trap mass spectrometersNobel Laureate (1989): Wolfgang Paul(1917)Virginia Commonwealth UniversityRichmond, VirginiaThe Nobel Prize in Chemistry 2002for the development of soft desorption ionisation methods for mass spectrometric analyses of b

8、iological macromolecules Electrospray ionization of biomoleculesNobel Laureate (2002): John B. Fenn“Electrospray Ionization for Mass Spectrometry of Large Biomolecules”, Fenn J.B., Mann M., Meng C.K., Wong S.F., Whitehouse C.M. Science, 1989, 246 (4926), 64.1989 - ESI of Biomolecules“The application

9、 of ESI to biomolecules was one of the most important discoveries in mass spectrometry in the latter part of the twentieth century.”(1959-)Shimadzu CorporationThe Nobel Prize in Chemistry 2002for the development of soft desorption ionisation methods for mass spectrometric analyses of biological macr

10、omoleculesMatrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI)Nobel Laureate (2002): Koichi Tanaka Proceedings of the Second Japan-China Joint Symposium on Mass Spectrometry 185-188 (1987)InnovatorsKlaus BeimannMITBrian T. ChaitThe Rockefeller UniversityR. Graham CooksPurdue UniversityCatherine Fense

11、lauUniversity of MarylandFranz HillenkampUniversity of M黱sterMichael KarasUniversity of FrankfurtFred W. McLaffertyCornell UniversityAlfred Otto Carl NierUniversity of Minnesota(1923)Cornell University, Ithaca, New YorkA MS pioneer in gaseous ion reactions (the McLafferty rearrangement), instrumenta

12、tion (GC/MS, LC/MS, MS/MS), techniques (collisionally activated dissociation, neutralization-reionization, electron capture dissociation, IR photodissociation spectroscopy) computer data acquisition, reduction, and identification (Probability Based Matching), reference data (600K spectra), and high

13、resolution MS/MS characterization of biomolecules and gas-phase protein conformers.InnovatorsUniversity of Maryland Notable AchievementsBiomedical Applications of Mass Spectrometry Mechanisms of Acquired Drug Resistance Rapid Analysis of Intact Microorganisms by Mass Spectrometry(1941-)Department of

14、 Chemistry, Purdue UniversityWest Lafayette, IndianaMixture analysis by tandem mass spectrometry Kinetic method for measuring ion thermochemistry Surface induced dissociation and ion/surface reactions Hybrid mass spectrometers Energy partitioning in ion dissociation Matrix-assisted desorption/ioniza

15、tion Ion traps: simulations of ion motion, miniaturization 分析方法 檢測(cè)靈敏度（g）NMR10-310-5IR10-610-7GC10-610-13UV10-610-7MS10-1110-12第一章第一章 質(zhì)譜質(zhì)譜什么是質(zhì)譜？什么是質(zhì)譜？ 質(zhì)譜是按順序記錄各種質(zhì)荷比（m/z）離子相對(duì)豐度的 譜圖。 質(zhì)譜含有樣品分子或原子的質(zhì)量信息。 質(zhì)譜圖可以給出大量的結(jié)構(gòu)信息，因此質(zhì)譜圖是化合物的一種化學(xué)指紋圖譜。1901952002052100102030Relative Abundancem/z1981992002022042011020304

16、050600204060801005844424327261513Relative Intensity m/zCH3CCH3O4315MW=58真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)進(jìn)樣系進(jìn)樣系統(tǒng)統(tǒng)檢測(cè)器檢測(cè)器數(shù)據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)系統(tǒng)質(zhì)量分析質(zhì)量分析器器離子源離子源大氣壓大氣壓質(zhì)譜儀的基本結(jié)構(gòu)質(zhì)譜儀的基本結(jié)構(gòu)外部能量外部能量AB+, ABC+, CD+, A+, B+, C+, D+ABCD+ABCD碎片離子碎片離子分子離子分子離子分子結(jié)構(gòu)分子結(jié)構(gòu) 離子離子1.1 質(zhì)譜儀器介紹質(zhì)譜儀器介紹離子化方法離子化方法l 電子轟擊電離電子轟擊電離l 化學(xué)電離化學(xué)電離l 二次離子質(zhì)譜二次離子質(zhì)譜l ESIl MALDI離子離子極性極性

17、非極性非極性分子量分子量 (Da)EI 或或 CIESI或或MALDIAPCIThermosprayP B各種離子化方法的使用范圍各種離子化方法的使用范圍 選擇的依據(jù)選擇的依據(jù)揮發(fā)性揮發(fā)性 熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性 極性極性 要求取得的要求取得的結(jié)構(gòu)信息結(jié)構(gòu)信息 電子轟擊電離（Electron Impact）電子轟擊電離使用具有一定能量的電子直接作用于樣品分子，使其電離。推斥極燈絲源磁鐵收集極EI 離子源的結(jié)構(gòu)示意圖離子+ 4930 V + 5010 V 電離盒+ 5000 V在電子轟擊電離中，樣品分子M受到一定能量的 (如70 eV) 的電子轟擊后，生成分子離子M+ 。有機(jī)化合物的電離能在10 eV

18、左右，所以 M+ 具有很高的過(guò)剩能量，還可能進(jìn)一步碎裂，產(chǎn)生碎片離子F+等。這些離子在離子源中被加速電壓 (Vacc) 加速后具有一定的動(dòng)能：M + e M+ + 2eM+ F+ + N A+ + B + N .(1) m21eV2acc計(jì)算：計(jì)算：對(duì)于動(dòng)能為 70eV 的電子，穿過(guò)直徑為10 (1A=10-10 m) 的 分子需要多長(zhǎng)時(shí)間？提示：電子的 m 9.110-31 kg 1eV 1.6 10-19 J(s) 1021051010Lt(m/s) 105101 . 9106 . 1702mKE21661063119電子在如此短的時(shí)間內(nèi) ( 10-16 s) 使分子電離。顯然，電離速度比

19、振動(dòng)速度 (10-13 10-14 s) 快 2 3 個(gè)數(shù)量級(jí)。在發(fā)生電離過(guò)程中，分子內(nèi)原子核間距來(lái)不及發(fā)生改變。因此，電離過(guò)程遵守原理。MM+勢(shì)能核間距MM+勢(shì)能核間距IEvIEadIEad = IEv420電離過(guò)程可借勢(shì)能圖解釋。(a) 和 (b) 是兩種具有代表性的雙原子分子及其分子離子的勢(shì)能圖。(a) 中，分子離子與中性分子的能量最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的核間距相等或十分接近，電離生成的 M+ 處于振動(dòng)基態(tài)的幾率最大。這個(gè)電離過(guò)程需要的能量被稱為分子的絕熱電離能 IEad。這一情形可用以描述分子失去雜原子上的一個(gè)非鍵電子的電離。(b) 中，分子離子的能量最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的核間距大于中性分子的核間距，電離生

20、成的 M+ 更多地居于振動(dòng)激發(fā)態(tài)。圖中，0 4 躍遷的幾率最大。這個(gè)過(guò)程需要的能量被稱為分子的垂直電離能 IEv。分子失去一個(gè)成鍵電子的電離過(guò)程對(duì)應(yīng)于這一情形。顯然，(a) 中，IEad = IEv; (b) 中，IEad IEv。 對(duì)于分子 M 的電離過(guò)程，反應(yīng) (1) 的反應(yīng)熱既是該分子的電離能。因此， 其中，fH(M+) 和 fH(M) 分別是 M+ 和 M 的生成熱。 M + e M+ + 2e (1)IE (M) = fH (M+ ) fH (M) 對(duì)于分子離子 M+ 的碎裂過(guò)程，反應(yīng) (2) 所需的最低能量稱為臨界能。在質(zhì)譜儀中，為了能使反應(yīng)產(chǎn)生的碎片離子F+能夠到達(dá)檢測(cè)器，反應(yīng)的

21、速度必須足夠快。這就要求M+ 離子的熱力學(xué)能稍高于反應(yīng)的臨界能。這個(gè)能量被稱為碎片離子F+的出現(xiàn)能 (AE)，其超出反應(yīng)臨界能一部分稱為非固定能 (E)。(Er+ E) = Eex(過(guò)剩能量)，是動(dòng)能釋放的來(lái)源。M+ F+ + N (2)AE (F+) = fH (F+) + fH (N) fH (M) + Eex 中性分子的生成熱已經(jīng)積累了較多的數(shù)據(jù)。因此，通過(guò)測(cè)定分子的電離能 IE(M) 或離子的出現(xiàn)能 AE(F+)，可以得到相關(guān)離子的生成熱 (fH)。注意，為了使測(cè)量值足夠準(zhǔn)確，必須滿足以下三個(gè)條件： 1. 除了待測(cè)離子外的其他物質(zhì)的生成熱是已知的 2. M+ 的碎裂反應(yīng)不存在顯著的動(dòng)能

22、位移 (kinetic shift) 3. M+ 的碎裂反應(yīng)不存在顯著的逆活化能 (Er)MM+勢(shì)能反應(yīng)坐標(biāo)F + NF+ + NEexEr AE (F+)IE (M)E 化學(xué)電離 (Chemical Ionization)化學(xué)電離通過(guò)引入大量的試劑氣，是樣品分子與電子不直接作用。試劑氣分子被電子轟擊電離后因離子-分子反應(yīng)產(chǎn)生，這些離子再與樣品分子發(fā)生離子-分子反應(yīng)，使樣品分子電離。GH+ + M M + H+ + GG-H- + M M - H- + G G: , CH4, NH3 等等M: 燈燈 絲絲 過(guò)過(guò) 流流保保 護(hù)護(hù) 電電 路路燈燈 絲絲 電電 流流調(diào)調(diào) 控控 管管燈燈 絲絲供供 電

23、電 電電 源源樣樣 品品電電 子子加加 速速 電電 壓壓加加 熱熱 器器 及及溫溫 度度 控控 制制磁磁 鐵鐵電電 離離 室室離離 子子 引引 出出 及及聚聚 焦焦 透透 鏡鏡磁磁 鐵鐵燈燈 絲絲質(zhì)質(zhì) 量量 分分 析析 器器推推斥斥極極電電 子子 總總發(fā)發(fā) 射射 電電 流流反反 應(yīng)應(yīng) 試試 劑劑燈燈 絲絲 過(guò)過(guò) 流流保保 護(hù)護(hù) 電電 路路燈燈 絲絲 電電 流流調(diào)調(diào) 控控 管管燈燈 絲絲供供 電電 電電 源源樣樣 品品電電 子子加加 速速 電電 壓壓加加 熱熱 器器 及及溫溫 度度 控控 制制磁磁 鐵鐵電電 離離 室室離離 子子 引引 出出 及及聚聚 焦焦 透透 鏡鏡磁磁 鐵鐵燈燈 絲絲質(zhì)質(zhì) 量

24、量 分分 析析 器器推推斥斥極極電電 子子 總總發(fā)發(fā) 射射 電電 流流反反 應(yīng)應(yīng) 試試 劑劑反反 應(yīng)應(yīng) 試試 劑劑甲烷甲烷 I35 / I18 = 0.05 異丁烷異丁烷 I57 / I43 = 1 氨氨 I35 / I18 = 0.05CI 工作原理：工作原理： 離子離子( (反應(yīng)試劑反應(yīng)試劑)/)/分子反應(yīng)分子反應(yīng)電離室壓力：電離室壓力： 50 Pa (0.5 Torr) 平均自由程平均自由程 0.1 mm 充分發(fā)生碰撞充分發(fā)生碰撞電離室通道的孔徑：電離室通道的孔徑： 50 100 m甲烷作為反應(yīng)試劑甲烷作為反應(yīng)試劑CH4 CH4 CH3+ + HCH4 + CH4 CH5+ (反應(yīng)離子反

25、應(yīng)離子) + CH3 (質(zhì)子轉(zhuǎn)移質(zhì)子轉(zhuǎn)移) CH4 + CH3+ C2H5+ (反應(yīng)離子反應(yīng)離子) + H2+ - e+ m/z 16m/z 15m/z 17m/z 29CH4 質(zhì)子親合能質(zhì)子親合能 (Proton Affinity) PA 543 kJ/mol甘油甘油 (Glycerol) PA 874.8 kJ/mol 差值：差值： (874.8-543) kJ/mol = 331.8 kJ/mol 3.4 eV (內(nèi)能內(nèi)能)M + CH5+ M+H+ + CH4 M H+-CH4 M-H+ CH4 M + C2H5+ M-C2H5+ + (加合離子加合離子)m/z = M+1m/z = M+29M + C4H9+ M+H+ + C4H8 M H+-C4H8 M-H+ CH4M + C4H9+ M-C4H9+ ( (加合離子加合離子) )m/z = M+57m/z = M+1異丁烷作為反應(yīng)試劑異丁烷作為反應(yīng)試劑m/z 58iso-C4H10 C4H10 C3H7+ + CH3iso-C