有机质谱

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平潘
5 years ago
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1 质谱 Mass Spectrometry 周雪晴

2 质谱分析法 (MS) 1 概述 2 质谱仪器 3 质谱解析

3 1 概述质谱分析法 (MS) 质谱分析法是通过测定待测样品离子的质荷比 (mass-tocharge-ratio) 来进行分析的方法 Overview of Mass Spectrometry Sample Molecule (M) Ionization M + /Fragmentation Mass Analyzer Mass Spectrum

4 质谱例正戊烷的质谱图 m / z 谱图的横坐标是离子的质荷比, 纵坐标是离子的强度, 通常采用相对强度来表示, 即以谱图中强度最大的离子为 100 % 来计算其他离子的百分强度

5 1.1 特点质谱不属波谱范围质谱图与电磁波的波长和分子内某种物理量的改变无关质谱是分子离子及碎片离子的质量与其相对强度的谱, 谱图与分子结构有关质谱法进样量少, 灵敏度高, 分析速度快质谱是唯一可以给出分子量, 确定分子式的方法, 而分子式的确定对化合物的结构鉴定是至关重要的

6 1.2 质谱技术发展过程 20 世纪初 J.J. Thomson 制成第一台质谱仪主要是用来进行同位素测定和无机元素分析 20 世纪 40 年代开始用于有机物分析 20 世纪 60 年代出现了气相色谱 - 质谱联用仪成为有机物分析的重要仪器 20 世纪 80 年代质谱新技术 : 电喷雾电离源, 大气压化学电离源液相色谱 - 质谱联用仪感应耦合等离子体质谱仪

7 质谱仪分类 GC-MS SS-MS LC-MS 有机质谱仪无机质谱仪 ICP-MS 其他 SIMS 其他同位素质谱仪, 气体分析质谱仪

8 2 质谱仪模块组成高真空系统分子涡轮泵进样口离子源质量分析器检测器数据采集及分析 LC GC 流动注射样品盘 EI CI ESI APCI FAB MALDI 四极杆离子阱飞行时间磁质谱傅立叶变换电子倍增器光电倍增管 PC

9 2.1 质谱计构造 : 真空系统离子源和质量分析器的压力在 10 4 ~ 10 5 Pa 和 10 5 ~ 10 6 Pa 大量氧会烧坏离子源的灯丝 ; 用作加速离子的几千伏高压会引起放电 ; 引起离子运动轨道的偏离引起额外的离子 - 分子反应, 改变裂解模型, 谱图复杂化

10 2.2 进样系统在不破坏真空度的情况下, 使样品进入离子源气体可通过储气器进入离子源易挥发的液体, 在进样系统内汽化后进入离子源难挥发的液体或固体样品, 通过探针直接插入离子源

11 2.3 离子源 (Ion source): 实现离子化质谱仪的离子源种类主要介绍如下 : 电子电离源 (Electron Ionization EI) 化学电离源 (Chemical Ionization, CI ) 快原子轰击源 (Fast Atomic bombardment, FAB) 基质辅助激光解析电离 ( Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI) 电喷雾源 (Electron spray Ionization,ESI)

12 2.3.1 电子电离源 (electron ionization EI) 挥发性样品的电离应用最为广泛

13 电子电离源的特点 : 电子电离又称为电子轰击电离是应用最普遍, 发展最成熟的电离方法电离电压 :70eV 加一小磁场增加电离几率 EI 源碎片离子多, 结构信息丰富, 有标准化合物质谱库样品在气态下电离, 不能气化的样品不能分析, 主要用于气 - 质联用仪有些样品得不到分子离子适用于分子量低于 1000 的样品

14 化学电离 (Chemical Ionization,CI) 离子室内的反应气 ( 甲烷等 ;10~100Pa, 样品的 10 3 ~10 5 倍 ), 电子 (100~240eV) 轰击, 产生离子, 再与试样分离碰撞, 产生准分子离子最强峰为准分子离子 ; 谱图简单 ; 不适用难挥发试样 ; 气体分子 + + 试样分子 + 准分子离子电子 (M+1) + ;(M+17) + ;(M+29) + ;

15 快原子轰击 Fast Atom Bombardment(FAB) 惰性气体 Ar 或 Xe 的原子首先被电离并被加速, 使之具有高的动能, 在原子枪 (atom gun) 内进行电荷交换反应 : Ar + ( 高动能的 )+ Ar( 热运动的 ) Ar( 高动能的 )+ Ar + ( 热运动的 ) 高动能的 Ar 或 Xe 原子束再轰击样品分子使其离子化特别适合高极性难气化大分子量以及热稳定性差的样品分析

16 基质辅助激光解吸电离源 (Matrix Assisted Laser Desorption Ionization MALDI) 使用某种波长的脉冲激光束, 辐照离子源内的待测样品, 使其解析电离, 光束的功率很大, 以极快速度将能量传递给样品, 使他们瞬间被解析和电离, 避免了热不稳定物质的分解被分析样品事先与某种液体基质混合常用于 Time-of-flight mass spectrometry 特点 : 用于生物大分子, 尤其是蛋白质的质量测定主要产生 [M + H] + [M - H] + 和加和离子

17 电喷雾电离源 (electrospray ionization ESI) 结构 : 喷嘴 ( 金属毛细管 ), 雾化气, 干燥气 (curtain gas) 原理 : 喷雾蒸发电压离子在电压差和压力差的驱使下向下游移动

18 电喷雾源 (ESI) 的特点 : 1 电喷雾源属软电离技术, 只产生分子离子, 不产生碎片离子 2 产生的离子常常带有多电荷, 尤其是生物大分子 3 适用于强极性, 大分子量的样品分析如肽, 蛋白质, 糖等 4 主要用于液相色谱 - 质谱联用仪

19 离子源的适用范围及其选择 100,000 10,000 MW EI/CI APPI APCI ESI/FAB 10 Nonpolar Polarity Very Polar

20 2.4 质量分析器作用 : 将离子源产生的离子按质荷比 m/z 的大小分开 ion separation 1 单聚焦分析器 (single focusing mass analyzer) 2 双聚焦分析器 (double focusing mass analyzer) 3 四极杆分析器 (quadrupole analyzer) 4 离子阱分析器 (Ion trap analyzer) 5 飞行时间分析器 (time-of-flight analyzer)

21 ev B ev R B mv mv R 2 2 mv z 单聚焦分析器离子动能由加速电压引起离子所受磁力与圆周运动的离心力平衡离子所带电荷扇形磁铁的曲率半径 z e R 磁场不同质量的离子可通过改变磁场强度或加速电压使之依次通过出口狭缝 S 1 S 2 B 离子源收集器 R

22 单聚焦分析器 (single focusing mass analyzer) 磁扇形分析器,sector field 方向聚焦 ; 相同质荷比, 入射方向不同的离子会聚 ; 分辨率不高结论 : 1 离子的 m/z 与 R, B, V 有关通过改变磁场可以把不同离子分开 2 在一定磁感应强度 B 下, 改变加速电压 V 可以使不同离子先后通过检测器, 实现质量扫描, 得到质谱特点 : 结构简单, 操作方便只有方向聚焦, 无能量聚焦, 分辨率低

23 2.4.2 双聚焦分析器 (double focusing mass analyzer) 双聚焦磁扇形分析器,double focusing magnetic sector 2 mv 1 ee, ev mv Re 2 2 2V mv Re E Ee 动能大, 投射到 + 极动能小, 在 - 极放电一定能量的离子到达出口同能量的离子汇聚 2 电场 + - S 1 S 2 离子源收集器磁场结构 : 磁场电场任意顺序组合原理 : 双聚焦分析器具有能量聚焦和方向聚焦的特点特点 : 分辨率高 (>150,000) 可分辨公称质量 (nominal mass) 相同, 元素组成不同的离子

24 2.4.3 四极杆分析器 (quadrupole mass analyzer) 四极滤质器, quadrupole mass filter 结构 : 四根棒状电极, 相对的两个电极相连, 形成四极场 1,3 棒 :+(V dc + V rf ) 2,4 棒 :- (V dc + V rf ) 施加直流电压和交流电压, 离子进入后在受直, 交电流叠加电场的作用, 则以复杂的形式波动前进特点 : 扫描速度快, 灵敏度高适用于 GC-MS

25 四极杆分析器

26 2.4.4 离子阱质量分析器特定 m/z 离子在阱内一定轨道上稳定旋转, 改变端电极电压, 不同 m/z 离子飞出阱到达检测器 ;

27 LC-MS ( 离子阱 ) 联用仪器结构示意图 HPLC inlet Skimmers Octopole Capillary Nebulizer Lenses Ion Trap

2.4.5 飞行时间分析器 (time-of-flight analyzer, TOF) 正离子在电场作用下被加速所有离子同时飞越长度为 L 的无场空间, 先后到达检测器 ev m / e 1 mv 2 2V 2 L 2 t 2

28 2.4.5 飞行时间分析器 (time-of-flight analyzer, TOF) 正离子在电场作用下被加速所有离子同时飞越长度为 L 的无场空间, 先后到达检测器 ev m / e 1 mv 2 2V 2 L 2 t L m( ) t V,L 不变时, t 由 m/e 决定一般,1-30 s 2 TOF 特点 : 质量范围宽, 扫描速度快, 既不需电场也不需磁场作为一种高分辨质谱被广泛应用于 GC-MS LC-MS 和 ICP-MS 中

29 飞行时间分析器特点 : m/z 小的离子, 漂移运动的速度快, 最先通过漂移管, 到达检测器 m/z 大的离子, 漂移运动的速度慢, 最后通过漂移管, 到达检测器简单耐用, 无质量范围限制取样速度快, 适用于快速 GC/MS; 分析适用于脉冲离子化方式 ( 如 MALDI) 的大分子量的多肽蛋白质

30 2.5 检测器 (detector) 1 电子倍增器 electron photon multiplier 2 光子倍增器 photon multiplier

31 检测器 Ion collides with dynode Beryllium/copper Causes emission of electrons Repeated times Current gain»10 6 Current is then measured

32 Summary: acquiring a mass spectrum Ionization Mass Sorting (filtering) Detection Ion Source Form ions (charged molecules) Mass Analyzer Sort Ions by Mass (m/z) Ion Detector Detect ions Inlet Solid Liquid Vapor Mass Spectrum

33 2.6 质谱仪主要性能指标 (1) 分辨率分辨率是指仪器对质量非常接近的两种离子的分辨能力一般定义是 : 对两个相等强度的相邻峰, 当两峰间的峰谷不大于其峰高 10% 时, 则认为两峰已经分开, 其分辨率 : m1 m1 R m 2 m1 m 其中 m 1 m 2 为质量数, 且 m 1 <m 2, 故分离质量数愈大的离子, 要求仪器的分辨率越大

34 (2) 质量范围质量范围是指质谱仪能测量的最大 m/z 值, 它决定仪器所能测量的最大相对分子量自质谱进入大分子研究的分析领域以来, 质量范围已成为被关注和感兴趣的焦点各种质谱仪具有的质量范围各不相同目前质量范围最大的质谱仪是基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱仪, 该种仪器测定的分子质量可高达 u 以上测定气体用的质谱仪, 一般质量测定范围在 2~ 100, 而有机质谱仪一般可达几千

35 2.7 质谱图下图是丙酮的质谱图中的竖线称为质谱峰, 不同的质谱峰代表有不同质荷比的离子, 峰的高低表示产生该峰的离子数量的多少质谱图的质荷比 (m/z) 为横坐标, 以离子峰的相对丰度为纵坐标图中最高的峰称为基峰基峰的相对丰度常定为 100%, 其它离子峰的强度按基峰的百分比表示在文献中, 质谱数据也可以用列表的方法表示丙酮的质谱图

36 3.1 离子主要类型分子离子 (1) 分子离子形成样品分子失去一个电子而形成的离子称为分子离子所产生的峰称为分子离子峰或称母峰, 一般用符号表示其中 + 代表正离子, 代表不成对电子如 : M e M 2e 分子离子峰的 m/z 就是该分子的分子量

37 2) 形成分子离子时电子失去的难易程度及表示方法有机化合物中原子的价电子一般可以形成 σ 键 π 键, 还可以是未成键电子 n( 即独对电子 ), 这些类型的电子在电子流的撞击下失去的难易程度是不同的一般来说, 含有杂原子的有机分子, 其杂原子的未成键电子最易失去 ; 其次 π 键 ; 再次是碳 - 碳相连的 σ 键 ; 而后是碳 - 氢相连的 σ 键即失去电子的难易顺序为 : 杂原子 >C=C>C C>C H 易难

38 (3) 分子离子峰的强度与结构的关系分子离子峰的强度与结构的关系有如下规律 : a 碳链越长, 分子离子峰越弱 ; b 存在支链有利于分子离子裂解, 故分子离子峰很弱 ; c 饱和醇类及胺类化合物的分子离子弱 ; d 有共振系统的分子离子稳定, 分子离子峰强 ; e 环状分子一般有较强的分子离子峰

39 综合上述规律, 有机化合物在质谱中的分子离子的稳定性 ( 即分子离子峰的强度 ) 有如下顺序 : 芳香环 > 共轭烯 > 烯 > 环状化合物 > 羰基化合物 > 醚 > 酯 > 胺 > 酸 > 醇 > 高度分支的烃类

40 (4) 分子离子峰的识别方法 (i) 注意 m/z 值的奇偶规律只有 C. H. O 组成的有机化合物, 其分子离子峰的 m/z 一定是偶数在含氮的有机化合物 (N 的化合价为奇数 ) 中,N 原子个数为奇数时, 其分子离子峰 m/z 一定是奇数 ;N 原子个数为偶数时, 则分子离子峰 m/z 一定是偶数 (ii) 同位素峰对确定分子离子峰的贡献利用某些元素的同位素峰的特点 ( 在自然界中的含量 ), 来确定含有这些原子的分子离子峰 (iii) 注意该峰与其它碎片离子峰之间的质量差是否有意义在分子离子的碎裂过程中, 一般只有少数几种低质量的中性碎片被丢失, 它们有着特殊的质量数如 : 丢甲基 CH 3, 就丢 15; 失去一个羟基 (OH), 就丢 17; 丢一个 H 原子 (H), 就丢掉 1 所以分子离子与最靠近它的一些碎片离子之间有一个合理的质量差, 落在 4~14 之间就不合理

41 3.1.2 碎片离子碎片离子是由于分子离子进一步裂解产生的生成的碎片离子可能再次裂解, 生成质量更小的碎片离子, 另外在裂解的同时也可能发生重排, 所以在化合物的质谱中, 常看到许多碎片离子峰碎片离子的形成与分子结构有着密切的关系, 一般可根据反应中形成的几种主要碎片离子, 推测原来化合物的结构

42 碎片离子 EI (1) 自由基引发的断裂断裂 R 1 CH 2 CH 2 Y R 2 R 1 CH 2 + CH 2 Y R 2 R 1 CH 2 OH R 1 + CH 2 OH m / z 31 醇的特征离子 R 1 CH 2 NH 2 R 1 + CH 2 NH 2 O m / z 30 伯胺 R 1 C R 2 R 2 C O R 2 =CH 3 m / + z R 1 43 酮 R 1 CH 2 CH CH 2 R 1 CH 2 CH CH 2 R 1 + CH 2 CH CH 2 双键 CH 2 R CH 2 R CH 2 + 烷基苯 m / z 91 R

43 (2) 正电荷引发的断裂 R 1 R 2 Y R 1 + 双电子转移 YR 2 H 3 C CH 2 O CH 2 CH 3 CH 3 + CH 2 O C 2 H 5 H 3 C CH 2 O CH 2 CH 3 CH 3 CH 2 + OC 2 H 5 (3) 断裂碎片离子 EI n m / z i 断裂 29 无电子和电子的烷烃 m / z 59 分枝处易断裂易丢失最大烷基断裂 ( 几率大 ) 电荷引发 ( 几率小 ) CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 C C 2 H 5 CH 3 C C 2 H 5 CH 3 C + C2 H 5 CH 3 CH 3 CH 3

44 3.1.3 亚稳离子质谱中的离子峰, 不论强弱, 绝大多数都是尖锐的, 但也存在少量较宽 ( 一般要跨 2~5 个质量单位 ), 强度较低, 且 m/z 不是整数值的离子峰, 这类峰称为亚稳离子 (metastable ion) 峰它是从离子源出口到达检测器之前裂解并被记录的离子 m + 1 m 中性碎片 m 1 m 2 和 m* 之间存在下列关系 : m* = m 2 2 / m

45 3.1.4 重排离子重排离子是由原子迁移产生重排反应而形成的离子重排反应中, 发生变化的化学键至少有两个或更多重排反应可导致原化合物碳架的改变, 并产生原化合物中并不存在的结构单元离子

46 重排离子麦氏重排 (Mclafferty) 含有 C 含有 X X = O, N, S, C 氢原子 O CHCH 2 CH 2 CH 2 H H O C H CH 2 CH 2 C H 2 OH HC m / z CH CH 2 CH 2 H R H H + CHR m / z CH 2 92 CH 2

47 按同位素组成特点分成三类第一类为 A, 即只有一个天然稳定的同位素元素, 如 F,P,I; 第二类为 A+1, 即有两个同位素的元素, 如 C,N, H; 第三类为 A+2, 有一个比最丰富的同位素大两个质量单位的重同位素,Cl, Br, S, Si, O 均属于这类 M+1,M+2 等同位素峰的强度取决于分子中同位素原子的数目和天然丰度

48 3.2 分子式的确定利用同位素离子丰度推导分子式 (1) 分子中氯溴元素的识别和原子数目的确定 A+2 类元素 35 Cl : 37 Cl = 100:32.5, 近似于 3:1; 79 Br : 81 Br = 100:98, 近似于 1:1; 3 几率 CH 2 35 Cl 35 Cl CH 2 35 Cl 37 Cl CH 2 37 Cl 35 Cl CH 2 37 Cl 37 Cl CH 3 Cl CH 2 Cl CHCl 3

49 (2) 分子中硫, 硅原子的识别和数量确定 A+2 类元素,M+2:M 的丰度比远远小于 1:3, 可能含有硫或硅原子 S 原子数目 =([M+2]/[M]) 4.4% 取整数 Si 原子数目 =([M+2]/[M]) 3.4% 取整数 (3) 分子中碳原子数目的确定 A+1 类元素, 13 C: 12 C = 1.1:100 随着 C 原子数增加, 出现 13 C 同位素原子的几率也随之增加 C 原子数上限 = ([M+1]/[M]) 1.1% 取整数 [M+1]/[M]= 1.1% x % z 估算 x 为 C 原子数,z 为 N 原子数

利用同位素峰簇的相对丰度推导化合物的分子式例设 m/z 154 为分子离子峰, 154-139=15, 合理 m/z 154 155 156 157 RI 100 9.8 5.

50 利用同位素峰簇的相对丰度推导化合物的分子式例设 m/z 154 为分子离子峰, =15, 合理 m/z RI 分子中含有 S, C 数目 =( )/1.1 8 H 数目 = =26 不合理分子式为 C 8 H 10 OS

例 : 化合物的质谱图如下, 推导其分子式设 : 分子离子峰 :72 72 58=14? 73 73 58 = 15 合理 (1.9/37) 100 = 1.1x+0.

51 例 : 化合物的质谱图如下, 推导其分子式设 : 分子离子峰 : =14? = 15 合理 (1.9/37) 100 = 1.1x+0.37z, z=1, x=5, y= = 1? z=1, x=4, y= =11 合理分子式 C 4 H 11 N

例 : 化合物的质谱图如下, 推导其分子式 164:166=1:1, 164-85 = 79

52 例 : 化合物的质谱图如下, 推导其分子式 164:166=1:1, = 79 (Br), 164: : 1, 分子中含有 1Br, 不含氮或含偶数氮 m/z: 85 49(100), (6.5), (0.22) 85 C 6 H 13 or C 5 H 9 O m/z: 164 C 6 H 13 Br C 5 H 9 BrO

53 3.2.2 质谱解析步骤解析未知物的图谱, 可按下述程序进行第一步对分子离子区进行解析 ( 推断分子式 ) (1) 确认分子离子峰, 并注意分子离子峰对基峰的相对强度比, 这对判断分子离子的稳定性以及确定结构是有一定帮助的 (2) 注意是偶数还是奇数, 如果为奇数, 而元素分析又证明含有氮时, 则分子中一定含有奇数个氮原子 (3) 注意同位素峰中 M+1/M 及 M+2/M 数值的大小, 据此可以判断分子中是否含有 S CI Br, 并可初步推断分子式 (4) 根据高分辨质谱测得的分子离子的 m/z 值, 推定分子式

54 第二步对碎片离子区的解析 ( 推断碎片结构 ) (1) 找出主要碎片离子峰并根据碎片离子的质荷比, 确定碎片离子的组成常见碎片离子的组成见表 6-2 离子失去的碎片可能存在的结构 M-1 H 醛, 某些醚及胺 M-15 CH 3 甲基 M-18 H 2 O 醇类, 包括糖类 M-28 C 2 H 4,CO,N 2 C 2 H 4, 麦氏重排,CO M-29 CHO,C 2 H 5 醛类, 乙基 M-34 H 2 S 硫醇 M-35 CI M-36 HCI 氯化物 M-43 CH 3 CO,C 3 H 7 甲基酮, 丙基 M-45 C00H 羧酸类 M-60 CH 3 COOH 醋酸酯

55 (2) 找出亚稳离子峰, 利用 m* = m 22 / m 1, 确定 m 1 与 m 2 的关系, 确定开裂类型第三步提出结构式根据以上分析, 列出可能存在的结构单元及剩余碎片, 根据可能的方式进行连接, 组成可能的结构式

56 3.3 常见有机化合物的质谱烷烃 1 烃类断裂相差 14 个质量单位的离子系列, 特征系列离子通式为 :CnH2n 个,4-5 个碳原子的碎片出现几率大 m / z 43, 57 支链处容易断裂, 产生的碎片离子强度大 CH 3 (CH 2 ) 3 CH (CH 2 ) 9 CH 3 57 CH

57 3.3 常见有机化合物的质谱烯烃具有烷烃的特征, 特征系列离子通式为 :CnH2n-1 + 可发生重排 RCH 2 CH 2 CH 2 CH CH 2 RCH CH 2 + CH 2 CHCH 3 芳烃苄基容易断裂生成正离子 CH 2 R CH 2 + R m / z 91

58 3.3 常见有机化合物的质谱 2 醇和酚醇断裂 m / z 31 m / z M 1 脱水 m / z M 18 R CH 2 OH R + CH 2 OH H R C OH R CH OH + H H H R CH CH 2 OH R CH 2 CH 2 OH 2 R CH 2 CH 2

59 3.3 常见有机化合物的质谱酚较强的分子离子苯的特征 M 28 H O H O H 异构化 -CO -H m / z 94 m / z 66 m / z 65

60 3.3 常见有机化合物的质谱 3 醛和酮 C O 断裂麦氏重排 4 酯和酸酸 R C O O C OH m / z 45

61 3.3 常见有机化合物的质谱 5 胺脂肪胺伯胺仲胺叔胺芳胺断裂 m / z 30,44 碎片离子进一步重排与酚类似 R 1 CH 2 NH 2 R 1 + CH 2 NH 2 m / z 30 H R 1 CH NH CH 3 R 1 + CH NH 2 CH 3 m / z 44

62 本章要点 1. 原理 : 质谱分析的主要目的 ; 质谱图的横纵坐标 2. 仪器 : (1) 质谱仪器的方框图 ( 注意从进样系统至检测器部分需置于真空状态 ) (2) 离子源的种类特点及各自的适用性 (3) 质量分析器的作用及种类 3 质谱中的离子 (1) 分子离子峰及其判断 ; 碎片离子 ( 断裂断裂正电荷引发的断裂 ) 同位素离子和重排离子的形成规律 (2) 常见有机化合物的质谱特征烃 ( 烷烃烯烃芳烃 ) 醇有机酸酯醛酮

幻灯片 1

幻灯片 1 第九章质谱分析 Mass Spectrometry MS Agilent7500 系列 ICP-MS 教学目标 1.. 较好地掌握质谱分析法的基本原理 2.. 掌握掌握仪的基本结构工作流程及性能指标 3.. 在较深入掌握单双聚焦质量分析器的基础上, 比较其它质量分析器的基本原理及特点 4.. 一般了解质谱联用技术 5.. 在较深入掌握电子轰击基础上, 比较其它电离源的基本原理及特点 6..