Transcript 分子离子
质 谱 质谱法是有机物结构分析的最重要方法之一 测定有机物的准确分子量； 提供分子式和其他结构信息； GC－MS，LC－MS联用技术解决了复杂 有机混合物的快速分离和定性鉴定； “软电离”技术可测定生物大分子准确 分子量以及蛋白质中氨基酸序列等； 灵敏度远高于其他结构分析方法。 什么是质谱 以某种方式使有机分子电离、碎裂，然后按质荷 比（m/z）大小将生成的各种离子分离，检测其强度， 并依次排列成谱图的形式，这种研究物质的方法叫做 质谱（Mass Spectrometry, MS）。各类有机物有其特 定的、可以重复的质谱图， 人们已经发现了一些化 合物的的裂解规律。 分子的电离 和碎裂 （离子生成） 离子按 质荷比分离 离子的 检测记录 质谱用于有机物结构解析 图示质谱原理 质谱的表示方法 基峰 正戊烷的电子轰击质谱图 质谱表示方法 正戊烷的电子轰击质谱表 离子质荷比 （m/z） 15 26 27 28 29 30 39 40 相对强度 (%) 3.2 2.8 35 4.3 30 1.7 12 1.3 离子质荷比 (m/z) 41 42 43 44 57 58 72 73 相对强度 (%) 50 68 100 3.5 15 1.1 9 0.5 质谱的基本原理和仪器 样品的电离---电离方式 离子的分离 离子的检测与记录 质谱仪器的基本结构 样品的电离 电子轰击电离法（Electron Impact, EI） 利用一定能量的电子与气相中的样品分子相 互作用（“轰击”），使分子失去价电子电 离成分子离子，当分子离子具有的剩余能量 大于其某些化学键的键能时，分子离子便发 生碎裂，生成碎片离子。 有机分子电离、碎裂示意图 ABC+ + D · AB+ + C A+ + B ABCD ＋ e －2e ABCD+ · (气态分子) (70eV) (分子离子) ABC · + D+ AB++CD · AD+ · +BC … 轰击电子的能量 大部分有机物 的电离电位为 103eV，如： 甲烷为13.1eV 苯为9.24eV 所以分子离子 有较多剩余能量， 能产生丰富的碎 吡啶的电离效率曲线 片离子。 重排离子： 离子碎裂过程中还可能发生原子连接次序的变化，即在断键的 同时还有新化学键的生成，如ABCD+ AD+ · +BC中的AD+ · 就是重排离子。 注意：如果分子中含有较多弱键，过高的剩余能量将导致分子 离子大部分甚至全部断裂，质谱图上将不出现分子离子峰，在这 种情况下，一般可采用软电离技术测定其分子离子峰，也可降低 轰击电子能量以提高分子离子峰的强度，但是轰击电子能量降低 会使总电离效率下降，进而导致灵敏度下降。 EI的特点： 方法成熟，是经典、常规的有机物电离方法。已积累了数 万张标准谱图； 碎片离子提供丰富的结构信息； 灵敏度高，能检测纳克（ng）级样品； 相对其他质谱电离技术，重复性好； 离子源的结构简单，操作方便，是商品质谱计的基本配置。 70eV轰击能量使部分化合物分子离子峰信号太弱或不出现； 要求样品先气化然后才能电离，限制了应用范围。 其他电离技术 （统称为“软电离技 术” ） 化学电离法（CI） 场致电离法（FI）和场解吸电离法（FD） 快原子轰击法(FAB)和二次离子质谱法 (SIMS) 基质辅助激光解吸电离法(MALDI) 大气压电离法（包括大气压化学电离法 (APCI)和电喷雾电离(ESI)） 样品的电离 软电离技术的特点： 用温和的、低能量的方式使分子电离，实现分子量测定的 目的，如CI、FI。 使液、固样品不经气化直接电离，解决难挥发、热不稳定 样品的测定，如FD、FAB等。 脯氨酸的EIMS和CIMS比较 离子的分离原理 基于不同质荷比的离子在磁场或电场作用下 有不同的行为。 分析方法： 磁偏转质量分析器 四极滤质器 离子阱质量分析器 飞行时间质谱 离子回旋共振质谱 磁偏转质量分析器原理 zV = mv2 /2 （1） Hzv ＝ mv2 /R （2） m/z ＝ H2R2 /2V （3） 质谱仪器的基本结构 分子电离碎裂 离子的生成 离子 按m/z分离 离子检测、 记录 离子源 质量分析器 离子 检测系统 进样系统 真空系统 质谱仪器对真空的要求 质谱仪内的气压：10－3～10－5 Pa 要求高真空的原因： 避免离子与其他粒子碰撞而改变运动轨道 或能量及动量； 避免发生离子－分子反应； 防止电子轰击离子源中的灯丝烧断。 高真空对进样系统的特殊要求 质谱仪器的主要性能指标： 质量范围 m/z 分辨率 R=M/M 为两个离子的平均质量，为两个离子质 量之差。 灵敏度 质谱仪器中的各种离子 分子离子 同位素离子 碎片离子 多电荷离子 负离子 离子－分子反应产生的离子 亚稳离子 分子离子（M + ·） 最重要的一种离子，其质荷比为分子 量； 是奇电子离子；是分子失去一个价电 子而生成的离子。 注意：并非所有的有机物的分子离子 都能出现。 同位素离子 由元素的稳定天然同位素产生； 如存在 12C和 13C，甲烷就有 12CH4 (m/z16) 和 13CH4(m/z17)两种不同的分子。 又如 35Cl和 37Cl 。 质谱仪测定的是离子（由原子组成）的真 实质量，而化学家使用的是平均原子量。 碎片离子 由M + ·或碎片离子单分子裂解产生； 数量多，并提供丰富的结构信息； 通过裂解机理对其进行研究。 常规的EI谱图中最常见到的只有七种离子中的 三种—分子离子、碎片离子和同位素离子。有 许多化合物，如支化度高的烷烃、叔醇、多元 醇、缩醛等连分子离子都不出现。 正戊烷的 EIMS 谱 分子离子峰的判别标准 必须是谱图中最高质量的离子（不考 虑同位素离子）； 必须是一个奇电子离子； 质荷比的奇偶性必须符合氮规则； 有合理的中性丢失； 其丰度与化合物类型匹配。 奇电子离子的判别 当元素组成已知时，可用环加双键公式 判别。 环加双键公式： f ＝ 1＋n4＋1/2（n3－n1） 如果计算值为整数，则该离子为奇电子离子，计 算值为半整数时则为偶电子离子。 氮规则 某化合物中若含偶数个氮原子，其分子 离子的质量一定是偶数；若分子中含奇 数个氮原子，则其分子量一定是奇数。 例如：CH4 C2H5OH H2NCH2CH2NH2 C6H5Cl NH3 C6H5NH2 CH3SH等。 合理的中性丢失 分子离子与最靠近它的高质量碎片 离子之间有一个合理的质量差，如 这个质量差在4~14，21~25的区域内， 则不合理，原先假定的分子离子是 错误的。 丰度与化合物类型匹配 分子离子的丰度主要取决与它的稳定 性。 各类有机物分子离子稳定性顺序如下： 芳香族化合物、共轭烯烃、脂环化合物、 硫醚、直链烃、硫醇、酮、胺、酯、 醚、羧酸、支链烃和醇。 一些典型化合物分子离子峰的相对强度 化合物名称 化合物名称 萘、喹啉 M+·相对强度 /% 100 四氢萘 90 甲基己基硫 醚 4－壬 烯 45 3－乙基－庚 烷 二丁胺 11 20 辛胺 0.5 3－辛 酮 8 庚酸 0.5 2－辛 酮 3 辛醇 0.1 二丁醚 2 缩乙醛 0 正－壬 烷 M+·相对强度 /% 6 1 常见化合物的电子轰击质谱举例 气相色谱-质谱联用仪 gas chromatograph-mass spectrometer 气相色谱仪的高效分离能力与质谱仪的高灵敏度检测、 高鉴别分子结构的能力相结合的一种仪器，它是分析复 杂有机混合物的非常有效的工具。它的工作原理是：多 组分混合物样品经过色谱柱分离，得到各个单一组分， 按保留时间顺序随同载气逐一进入质谱仪的离子源，单 组分样品被电离成碎片（离子），经质量分析器和检测 器检测，可给出单一组分的质谱图，根据对所得质谱图 进行计算机检索和谱图解析的结果，便可以对这些单一 组分进行定性、定量分析。 液相色谱-质谱联用仪 liquid chromatograph-mass spectrometer LC／MS的联用始于70年代，90年代以来，由于大气压电离的成功应 用以及质谱本身的发展，液相色谱与质谱的联用，特别是与串联质谱 (MS/MS)的联用得到了极大的重视和发展。 LC-MS／MS已成为现代 分析手段中必不可少的组成部分。 LC-MS／MS联用的优点非常显著， 因为气相色谱只能分离易挥发且不分解的物质，而液相色谱则把分离 范围大大拓宽了，生物大分子也能分离，LC与高选择性、高灵敏度的 MS／MS结合，可对复杂样品进行实时分析，即使在LC难分离的情况 下，只要通过MS1及MS2对目标化合物进行中性碎片扫描，则可发现 并突出混和物中的目标化合物，显著提高信噪比。 在串联质谱方面，目前以四极杆串联质谱为主，它可进行 MS1和MS2操作(空间上)。离子阱质谱和傅里叶变换质谱 (FT—ICR—MS)亦可完成多级串联质谱分析(时间上)，离 子阱质谱通过改变阱里射频场最多可进行10级MS操作， FT-ICR-MS通过离子回旋共振进行多级MS操作。飞行时 间质谱(TOF)作为第二个质量分析器，由于其分辨率高、 质量范围宽、扫描快和灵敏度高等优点，成为一个重要的 发展方向。 毛细管电泳/质谱联用（CE/MS） 芯片/质谱联用Chip/MS） 毛细管电泳（CE）适用于分离分析极微量样品（nl体积）和 特定用途（如手性对映体分离等）。CE流出物可直接导入 质谱，或加入辅助流动相以达到和质谱仪相匹配。 微流控芯片技术是近年来发展迅速，可实现分离、过滤、衍 生等多种实验室技术于一块芯片上的微型化技术，具有高通 量、微型化等优点，目前也已实现芯片和质谱联用，但尚未 商品化。