質(zhì)譜分析法

（MassSpectroscopy，MS）1第一節(jié)質(zhì)譜的基本原理

質(zhì)譜是一種質(zhì)量分析方法，類似于天平稱量分析方法。但不是直接稱量，而是先將分子在一定的條件下電離形成氣態(tài)的離子，（例如分子失去1個(gè)電子后，形成分子離子；還有可能分子被粉碎形成許多帶電荷的碎片離子）。一般情況下，這些離子都帶1個(gè)正電荷，但質(zhì)量卻不相同，也就是說，各種離子的質(zhì)量/電荷比（簡稱質(zhì)荷比m/z）不同?？衫脙x器（質(zhì)譜分析器）將質(zhì)荷比不同的離子分開，然后利用離子檢測(cè)器逐一檢測(cè)。最后，通過計(jì)算機(jī)處理，給出各種質(zhì)荷比不同的離子的相對(duì)強(qiáng)度。2IonizerSample+_MassAnalyzerDetector34質(zhì)譜圖相對(duì)強(qiáng)度5質(zhì)譜的主要用途：（1）分子量：對(duì)于有機(jī)化合物，質(zhì)譜是唯一能給出分子量信息的分析方法，可用于確定分子式。分子式的確定對(duì)于有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)鑒定具有重要意義。（2）結(jié)構(gòu)鑒定；（3）同位素相對(duì)豐度；（4）固體樣品表面組成成分分析等6質(zhì)譜發(fā)展的歷史：（1）JJThomsonbuiltMSprototypetomeasurem/zofelectron,awardedNobelPrizein1906（2）MSconceptfirstputintopracticebyFrancisAston,aphysicistworkinginCambridgeEnglandin1919anddesignedtomeasuremassofelements.AstonAwardedNobelPrizein1922（３）1950年第一臺(tái)商品化的質(zhì)譜儀：石油產(chǎn)品組分定量；（４）1955-QuadrupoleionfiltersintroducedbyW.Paul,alsoinventstheiontrapin1983(wins1989NobelPrize)；1968-Tandemmassspectrometerappears

（５）1980年傅立葉變換用于質(zhì)譜：提高了分辨率與信噪比7一、質(zhì)譜的基本原理質(zhì)譜的原理=質(zhì)譜儀器的原理，不同的儀器，原理略有差異。質(zhì)譜儀一般分一下幾個(gè)部分：進(jìn)樣系統(tǒng)離子源質(zhì)量分析器檢測(cè)器高真空系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理顯示8進(jìn)樣系統(tǒng)在不破壞真空條件下，將樣品引入離子源離子源是樣品電離，形成各種離子。離子源是各類質(zhì)譜儀的重要區(qū)別部件之一。常見的離子源有：電子轟擊電離源(electronimpactionization,EI)，化學(xué)電離源(chemicalionization,CI)，場(chǎng)電離源(fieldionization)，快原子轟擊電離源(fastatombombardmentionization)，基質(zhì)輔助激光解吸電離源(matrixassistedlaserdesorptionionization)，電噴霧電離源(electrosprayionization)等9質(zhì)量分析器核心部件，作用是將質(zhì)荷比不同的離子分開。是各類質(zhì)譜儀區(qū)別的另一重要部件。單聚焦/雙聚焦質(zhì)量分析器，四極桿質(zhì)量分析器，飛行時(shí)間質(zhì)量分析器，離子阱質(zhì)量分析器，傅立葉變換質(zhì)量分析器等離子檢測(cè)器電子倍增管，法拉第環(huán)10計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（1）控制儀器；（2）檢索；（3）計(jì)算分子離子、碎片離子的組成高真空系統(tǒng)（1）分子的氣化；（2）減少離子之間及離子與空氣分子之間的碰撞；（3）出去中性碎片11以EI源為例，圖解質(zhì)譜過程12樣品分子的電離——EI源（1）高能電子束70eV，遠(yuǎn)高于分子的電離能（7-15eV)（2）分子的行進(jìn)路徑與電子束垂直13EI源的特點(diǎn)（1）電離效率高，靈敏度高；（2）應(yīng)用最廣，標(biāo)準(zhǔn)譜圖基本都是采用EI源得到的；（3）溫度，電流強(qiáng)度可精確控制；（4）結(jié)構(gòu)簡單，操控方便不足，產(chǎn)生的碎片離子較多，基峰一般不是分子離子峰，有時(shí)候甚至得不到分子離子峰14化學(xué)電離源（1）在離子化區(qū)引入反應(yīng)氣（甲烷等），保持一定的壓力和濃度（1千-萬倍于樣品）；（2）電子轟擊反應(yīng)氣，產(chǎn)生離子CH4+，CH3+及CH2+

；CH4++CH4=CH5++CH3；CH3++CH4=C2H5++H2（3）反應(yīng)氣離子與樣品（ＭＨ）碰撞，從而發(fā)生電離：CH5++MH=MH2++CH4;C2H5++MH=MH2++C2H4;C2H5++MH=M++C2H615化學(xué)電離源特點(diǎn)（1）譜圖簡單，；（2）常常得到（Ｍ＋１）＋，（Ｍ－１）＋峰16場(chǎng)致電離源（ＦＩ）在強(qiáng)電場(chǎng)中，氣態(tài)分子被電離特點(diǎn)：分子離子峰強(qiáng)，碎片離子峰少不適合結(jié)構(gòu)鑒定陽極+++++++++++++陰極d<1mm17以上三種電離源需要?dú)鈶B(tài)樣品，不適宜于測(cè)量分子量大沸點(diǎn)高或熱穩(wěn)定性不好的樣品。以下是幾種解吸源：（１）場(chǎng)解吸源（２）基質(zhì)輔助激光解吸電離源（MALDI）軟電離，不破壞分子結(jié)構(gòu)分子離子生物分子18（３）電噴霧電離源（LC-MS）軟電離，不破壞樣品

易形成多電荷離子大分子有機(jī)化合物如蛋白質(zhì)、肽等（４）快原子轟擊源Fastatombombardment(FAB)isanionizationtechniqueusedinmassspectrometry.Thematerialtobeanalyzedismixedwithanon-volatilechemicalprotectionenvironmentcalledamatrixandisbombardedundervacuumwithahighenergy(4000to10,000electronvolts)beamofatoms.Theatomsaretypicallyfromaninertgassuchasargonorxenon.Commonmatricesincludeglycerol,thioglycerol,3-nitrobenzylalcohol(3-NBA),18-Crown-6ether,2-nitrophenyloctylether,sulfolane,diethanolamine,andtriethanolamine.Thistechniqueissimilartosecondaryionmassspectrometryandplasmadesorptionmassspectrometry.

19質(zhì)量分析器質(zhì)量為m、電荷為z的正電荷離子經(jīng)加速電壓V加速后，離子的速度為ν,其動(dòng)能為：加速后的離子進(jìn)入扇形磁場(chǎng)，受到垂直于其飛行方向的均勻磁場(chǎng)（H）的作用，作圓周運(yùn)動(dòng)。其運(yùn)動(dòng)半徑為：20Ａ、離子在磁場(chǎng)中的軌道半徑與ｍ/ｚ、磁場(chǎng)、加速電壓有關(guān)B、改變加速電壓，可以使不同質(zhì)荷比的離子進(jìn)入檢測(cè)器Ｃ、現(xiàn)代質(zhì)譜儀是改變磁場(chǎng)21收集器離子源BS1S2磁場(chǎng)R單聚焦質(zhì)量分析器缺點(diǎn)：離子的動(dòng)能有一定的分布，導(dǎo)致分辨率低22雙聚焦質(zhì)量分析器方向聚焦＋能量聚焦離子源收集器磁場(chǎng)電場(chǎng)S1S2+-23除此之外（１）四極桿質(zhì)量分析器（２）飛行時(shí)間質(zhì)量分析器（３）離子阱質(zhì)量分析器（４）傅立葉變換質(zhì)量分析器24檢測(cè)器（１）電子倍增管類似于光電倍增管（２）法拉第環(huán)25第二節(jié)離子峰的主要類型

一、質(zhì)譜的表示方法質(zhì)譜圖：26質(zhì)譜表：甲苯的質(zhì)譜27二、質(zhì)譜中離子峰的主要類型（1）分子離子峰：分子電離一個(gè)電子形成的離子所產(chǎn)生的峰特點(diǎn)：分子離子的質(zhì)量等于分子的質(zhì)量，即質(zhì)荷比數(shù)值等于分子的分子量。形成分子離子時(shí)電子失去的難易程度：雜原子上的未成對(duì)電子〉C=C〉C-C〉C-H（X：鹵素原子）（Y：O、S等原子）失去雜原子上未成鍵電子而形成的分子離子28失去π鍵上的電子而形成的分子離子or失去σ鍵上的電子而形成的分子離子電離后的芳環(huán)：ororor難以判斷分子離子的位置時(shí)，可用下列方式表示：29注意：一般質(zhì)譜圖上質(zhì)荷比最大的峰為分子離子峰，但不絕對(duì)，也有例外，視分子離子的穩(wěn)定性。分子離子峰的判斷（1）N律有C、H、O組成的化合物，M一定是偶數(shù)有C、H、O、N組成的化合物，N奇數(shù)，M奇數(shù)有C、H、O、N組成的化合物，N偶數(shù)，M偶數(shù)（2）分子離子峰與相鄰峰的質(zhì)量差必須合理3031（2）同位素離子峰由于同位素的存在，可以看到比分子離子峰大一個(gè)質(zhì)量單位的峰，有時(shí)甚至可以觀察到M+2，M+3.…..32例如

CH4，M=1612C+1H×4=16M分子離子峰13C+1H×4=17M+112C+2H+1H×3=17M+113C+2H+1H×3=18M+21615m/zRA13.1121.0133.9149.2158516100171.133同位素豐度表81Br（1）M+1的峰主要是13C；（2）M+2的峰主要37Cl、81Br、34S（3）1個(gè)Br時(shí)，M+2和M的峰強(qiáng)度相等；1個(gè)Cl時(shí)，1/334MassSpectrumwithSulfur35MassSpectrumwithChlorine36MassSpectrumwithBromine37（3）碎片離子峰一般有機(jī)化合物的電離能為7-15eV，EI源所用的高能電子束的能量為70eV——有機(jī)分子被粉碎38碎片離子峰的質(zhì)荷比一般小于分子離子，但有例外，如準(zhǔn)分子離子，雙電荷離子，亞穩(wěn)離子等39402943577186M30405060708090H3CCH2CH2CH2H3CCCH3CH357H3CCH2CH2H3CCHCH343M=8641（4）重排離子峰經(jīng)重排反應(yīng)形成的碎片離子（5）亞穩(wěn)離子峰在離子源中，穩(wěn)定的離子壽命較長，可到達(dá)檢測(cè)器；不穩(wěn)定的離子則在離子源中進(jìn)一步碎裂成比較穩(wěn)定的碎片離子，也可到達(dá)檢測(cè)器。亞穩(wěn)離子介于兩者之間，在離子源中不碎裂，卻在離開離子源之后、到達(dá)檢測(cè)器之前分解產(chǎn)生碎片離子，相應(yīng)的質(zhì)譜峰就是亞穩(wěn)離子峰。42分子離子壽命＞10-5s分子離子的形式被記錄下來＜10-6s離子源中進(jìn)一步發(fā)生一級(jí)，二級(jí)或多級(jí)裂解，以碎片離子的形式記錄下來10-6s＜?jí)勖?0-5s穩(wěn)定離子離開離子源被加速后，在進(jìn)入磁分析器之前的路途中發(fā)生裂解母離子（原離子）子離子（碎片離子）中性自由基或小分子）動(dòng)能＜離子源生成的m2的動(dòng)能質(zhì)譜中m/z在m2出現(xiàn)質(zhì)譜中m/z在小于m2出現(xiàn)亞穩(wěn)離子(m*)43m*、m1和m2之間的關(guān)系m*:亞穩(wěn)離子的表觀質(zhì)量m1:母離子的質(zhì)量m2:子離子的真實(shí)質(zhì)量亞穩(wěn)離子的識(shí)別亞穩(wěn)離子的峰寬度較大（一般橫跨2~5個(gè)質(zhì)量單位），強(qiáng)度較低。亞穩(wěn)離子的質(zhì)荷比一般都不是整數(shù)。44三、有機(jī)化合物的一般碎裂規(guī)律（一）碎裂過程中共價(jià)鍵的斷裂方式1、均裂2、異裂3、半異裂45（二）簡單碎裂發(fā)生斷裂是僅有一個(gè)共價(jià)鍵斷裂，產(chǎn)生的碎片是分子中原已存在的結(jié)構(gòu)單元碎裂引發(fā)的機(jī)制：1、α碎裂：自由基引發(fā)，斷裂發(fā)生在帶奇電子原子的α位（α鍵），電荷保留在雜原子一側(cè)含飽和雜原子的碎裂：4647含不飽和雜原子的碎裂通式4820306070405080901003044m/zCH3(CH2)9CH2NH2M=15749α―斷裂——丟失最大烴基的可能性最大丟失最大烴基原則50512、i碎裂：電荷引發(fā)，斷裂時(shí)一對(duì)電子發(fā)生轉(zhuǎn)移。電荷保留在烷基i碎裂的重要性小于α碎裂523、σ碎裂：當(dāng)化合物不含O、N等雜原子，也不含派鍵，只能發(fā)生σ碎裂53小結(jié)：簡單碎裂的一般規(guī)律（1）含雜原子的化合物存在三種方式：i.對(duì)于含雜原子的化合物，α鍵發(fā)生斷裂；正電荷在雜原子一側(cè)，大的烷基優(yōu)先去掉ii.雜原子與碳原子之間的單鍵斷開，正電荷在烷基側(cè)iii.雜原子與碳原子之間的單鍵斷開，正電荷在雜原子側(cè)，類似于σ裂，但比較少見54（2）鄰接碳碳不飽和鍵的C-C鍵易斷裂（α斷裂），共振的結(jié)構(gòu)式越多，離子的穩(wěn)定性越高（3）鄰接苯環(huán)、雜芳環(huán)的C-C鍵易斷裂55（4）飽和環(huán)易于在環(huán)與側(cè)鏈連接處斷裂（5）碳鏈分支處易發(fā)生斷裂，某處分支越多，越易斷裂（6）當(dāng)在某分枝處有幾種斷裂的可能時(shí)，逐出大的基團(tuán)是有利的，進(jìn)行該反應(yīng)的可能性也就較大56（三）重排碎裂分子離子裂解成碎片時(shí),有些碎片離子不是僅僅通過鍵的簡單斷裂，有時(shí)還會(huì)通過分子內(nèi)某些原子或基團(tuán)的重新排列或轉(zhuǎn)移而形成離子，這種碎片離子稱為重排離子。特點(diǎn)重排反應(yīng)產(chǎn)生了在原化合物中不存在的結(jié)構(gòu)單元的離子57麥?zhǔn)现嘏牛∕cLaffertyRearrangement）麥?zhǔn)现嘏诺臈l件（1）含有C=O，C=N，C=S及碳碳雙鍵（2）與雙鍵相連的鏈上有碳，并在

碳有H原子（氫）（3）六圓環(huán)過度，H

轉(zhuǎn)移到雜原子上，同時(shí)

鍵發(fā)生斷裂，生成一個(gè)中性分子和一個(gè)自由基陽離子58第三節(jié)典型有機(jī)化合物的質(zhì)譜

一、烷烴的質(zhì)譜圖1.直鏈烷烴（1）顯示弱的分子離子峰；（2）質(zhì)譜峰成群，主要峰之間間隔14（CH2），如m/z29，43，57……CnH2n+1等離子，在各主要峰左邊有失去H原子后的CnH2n和CnH2n-1峰，右邊伴有同位素峰。（3）碎片離子的相對(duì)強(qiáng)度隨著m/z的減少而遞增，它們的強(qiáng)度以C3H7+（43）為最大。5960decane61octane

622.支鏈烷烴（1）分子離子峰的相對(duì)強(qiáng)度比直鏈烷烴還要低；（2）裂解在支鏈分叉處上最有力，優(yōu)先失去大基團(tuán)，正電荷留在多支鏈的碳上，產(chǎn)生CnH2n+1離子（3）在分支處斷裂的同時(shí)，常伴隨有氫原子的重排，產(chǎn)生較強(qiáng)的CnH2n離子63M（114）64653.環(huán)烷烴（1）分子離子峰的相對(duì)強(qiáng)度加強(qiáng)；（2）易在環(huán)的支鏈處斷開，給出CnH2n-1離子峰。常伴隨有氫原子的失去，產(chǎn)生較強(qiáng)的CnH2n-2

離子（3）

環(huán)的碎片特征是失去C2H4，或C2H5離子66分子離子峰較強(qiáng)67686970二、烯烴的質(zhì)譜圖大多數(shù)烯烴的分子離子峰相比烷烴強(qiáng)度增加，給出明顯的分子離子峰。烯丙基型裂解是主要的裂解方式。譜圖中出現(xiàn)一系列峰簇，如m/z41，55，69，83……CnH2n-1等離子，其中m/z41常常是基峰71分子中雙鍵在電離的情況下常發(fā)生位置遷移。同分異構(gòu)體的質(zhì)譜圖非常類似，特別是順反異構(gòu)幾乎完全相同當(dāng)相對(duì)雙鍵的γ-C上有氫時(shí)，可發(fā)生McLafferty重排環(huán)己烯常給出相當(dāng)于逆Diels-Alder反應(yīng)的特征碎片72分子離子峰較強(qiáng)CH2=CHCH2+1-丁烯的質(zhì)譜圖73m/zZ-2-丁烯的質(zhì)譜圖與1-丁烯的質(zhì)譜非常相像74M

（136

）140Limonene的質(zhì)譜圖分子離子峰較強(qiáng)75二、炔烴的質(zhì)譜圖分子離子峰略為加強(qiáng)，碎裂過程與烯烴類似。端炔易脫去·H，形成很強(qiáng)的M-1峰761-戊炔的質(zhì)譜失去H·分子離子峰較強(qiáng)α-裂解77四、芳烴的質(zhì)譜圖化合物穩(wěn)定，分子離子峰強(qiáng)。簡單斷裂生成的特征離子C7H7+（m/z91)的峰較強(qiáng)。當(dāng)相對(duì)苯環(huán)存在γ-H時(shí)，易發(fā)生McLafferty重排，產(chǎn)生m/z92的重排峰78出現(xiàn)苯環(huán)的特征碎片離子。含苯環(huán)化合物，可逐級(jí)丟失乙炔分子，形成m/z39，51，65，77等離子峰甲苯的質(zhì)譜79丙苯的質(zhì)譜80異丙苯的質(zhì)譜81五、醇的質(zhì)譜圖分子離子峰很弱，或不出現(xiàn)。醇容易脫水生成M-18峰，當(dāng)碳鏈增長時(shí)M-18峰強(qiáng)度增加。醇分子離子容易發(fā)生α-裂解，并優(yōu)先丟失較大的R基團(tuán)，生成m/z(31+14n)的含氧離子峰，小分子醇也常出現(xiàn)M-1峰（RCH=O+H）。82含有4個(gè)或4個(gè)以上碳的長鏈伯醇，能顯示M-46峰（丟失一個(gè)水和一個(gè)乙烯）。46個(gè)質(zhì)量單位脂環(huán)醇和叔醇除發(fā)生上述的α-裂解和氫重排脫水外，也能丟失·OHαi100%10%832-丁醇的質(zhì)譜M-1784叔丁醇的質(zhì)譜M-17858687苯甲醇的質(zhì)譜8889六、醚的質(zhì)譜圖分子離子峰很弱醚類主要發(fā)生α-斷裂，生成m/z31，45，59等RO+，ROCH2+偶電子離子峰也能發(fā)生i-斷裂，正電荷留在烴類碎片上，生成一系列m/z

29,43,57等碎片離子分子離子經(jīng)α-斷裂生成的偶電子離子可進(jìn)一步發(fā)生四元環(huán)氫重排裂解或i-斷裂90芳香醚類分子離子峰較強(qiáng)。裂解與脂肪醚類似，同時(shí)也進(jìn)行芳環(huán)碎裂的反應(yīng)（具有γ-H的芳醚可通過四元環(huán)重排，失去一分子烯產(chǎn)生m/z94的碎片離子。91例如二異丙基醚的質(zhì)譜分子離子峰很弱α-裂解i-裂解92七、醛的質(zhì)譜圖脂肪族醛有時(shí)分子離子峰很弱，但可以觀察得到。醛類容易發(fā)生α-斷裂，生成M-1或M-29碎片離子和m/z29（HCO+）離子峰，同時(shí)伴隨m/z43，57，71等烴類特征碎片峰。93醛類也發(fā)生β-斷裂易發(fā)生McLafferty重排94正丁醛的質(zhì)譜特征峰95八、酮的質(zhì)譜圖分子離子峰較強(qiáng)。酮類容易發(fā)生α-斷裂，優(yōu)先丟失大基團(tuán)。易發(fā)生McLafferty重排96丁酮的質(zhì)譜972-辛酮的質(zhì)譜麥?zhǔn)现嘏烹x子984-壬酮的質(zhì)譜99九、羧酸和脂的質(zhì)譜圖脂肪族一元羧酸具有較弱的分子離子峰，而芳香族一元羧酸顯示出強(qiáng)的分子離子峰。羧酸發(fā)生α-斷裂生成M-17（失去OH），m/z45離子以及M-18（失去水）碎片離子峰，i裂解形成M-45(失去COOH）的特征峰。100芳香酸的質(zhì)譜圖有明顯的M-17，M-45峰，若鄰位有帶氫的取代基，可發(fā)生重排失去水生成M-18峰當(dāng)有γ-H時(shí)能發(fā)生McLafferty重排。如果羧基的α-碳上氫原子沒有被烷基取代，則m/z60的重排離子是羧酸的特征峰（通常為基峰）101脂肪族一元酸酯具有較弱的分子離子峰，而芳香族一元酸酯顯示出強(qiáng)的分子離子峰當(dāng)有γ-H時(shí)能發(fā)生McLafferty重排。甲基酯生成m/z74峰，乙基酯生成m/z88峰102

芳香酸酯的基峰通常是脫去烷氧基形成的苯甲酰正離子（m/z105)峰如果鄰位具有帶氫的取代基，則易脫去醇分子（式中Y=CH2，O，NH等）。103正十八酸甲酯質(zhì)譜圖104正十八酸甲酯的碎裂過程1051062-甲基丁酸的質(zhì)譜圖107十、酰胺的質(zhì)譜圖有明顯的分子離子峰，裂解過程與酯類似。酰基的氧原子核氮原子均能引起裂解在長鏈的脂肪酰胺可發(fā)生McLafferty重排產(chǎn)生強(qiáng)的m/z59峰。也能進(jìn)行取代重排形成中等強(qiáng)度的m/z86偶電子離子峰108在長鏈的脂肪酰胺可發(fā)生McLafferty重排產(chǎn)生強(qiáng)的m/z59峰。也能進(jìn)行取代重排形成中等強(qiáng)度的m/z86偶電子離子峰109N,N-二乙基乙酰胺的質(zhì)譜圖110N,N-二乙基乙酰胺的碎裂過程111第四節(jié)有機(jī)物的解析

一、質(zhì)譜圖包涵的結(jié)構(gòu)信息1.分子離子峰——分子量；分子的穩(wěn)定性2.碎片離子峰：（1）低質(zhì)量離子系列---判斷化合物的類型

m/z30,44,58,72……氮系列峰

m/z31,45,59,73……氧系列峰

m/z39,51,65,77……芳香系列峰112（2）

高質(zhì)量區(qū)小的中性丟失---判斷可能含有的官能團(tuán)3.特殊的離子峰：重排離子峰，亞穩(wěn)離子峰等4.特征性的離子峰：如m/z77二、質(zhì)譜解析的一般步驟1.確認(rèn)分子離子峰及分子式2.根據(jù)分子式，計(jì)算不飽和度1133.碎片