第四章教案

第四章 质谱分析法及二次离子质谱分析法 自 60 年代以来, 质谱就广泛用于有机分子结构测定 当试样极微量时, 质谱几乎是唯一能确定结构的方法 随着仪器与技术的发展, 它不仅可以获得大多数有机物的质谱, 而且还可以获得热不稳定和不挥发化合物, 如分子量一万或更大的肽的质谱 质谱议还可以与各种分离技术联用, 例如气相色谱 质谱联用 (GC MS) 液相色谱 质谱联用 (LC MS) 等, 成为复杂多组分化合物结构定性与定量分析极有效的手段 因此, 今天的有机化学家以及与之相关的科技工作者, 对质谱的认识和运用, 已成为不可缺少的一个重要部分

一 质谱谱图的产生与质谱仪 ( 一 ) 质谱仪 获得质谱的基本方法, 是分子电离成不同质荷比的离子, 然后将其加速, 引进磁场 在磁场内, 离子偏转轨道与其质荷比有关 虽然质谱仪可以研究正 负两种离子, 但目前用于有机结构分析的质谱仪, 大多只测量正离子 质谱仪就是将化合物分子产生离子, 并按其质荷比分离, 同时记录和显示它们相对强度的仪器典型的质谱仪一般由进样系统 离子源 分析器 接收器和记录器组成 此外还包括真空系统与电气系统等辅助设备 对不同种类 不同用途的质谱仪, 其结构有所不同

总离子流检测器 放大记录系统 进样系统 离子源 电分析器 磁分析器 离子接受器 真空系统 数据处理系统 有机质谱仪的方框图

( 二 ) 质谱谱图的产生原理 ( 三 ) 仪器构造 1 进样系统目前有机质谱仪多与色谱仪联用, 组成 GC MS 或 LC MS 联用系统 色谱仪作为质谱仪的进样系统, 两者之间经接口 ( 分子分离器或传送带 ) 装置联结 对于高沸点液体或固体有机样品, 因难汽化, 则可用直接进样探头, 从而将微克级或更少的样品直接送入离子源 除了上面两种进样系统外, 常温下的气体或易挥发液体样品, 采用加热法进样, 其进样系统是由管道 阀门 样气存贮器及分子漏孔组成的

2 离子源 质谱分析的对象是样品离子, 因此首先要把样品分子电离成离子 产生离子的装置称离子源 虽然有各种电离方法, 从而构成相应的各种离子源, 但在有机质谱中, 最常用的是电子电离法 (Electronionization,E1) 此外, 另一些电离方法也十分重要, 如化学电离 (Chemicalionization, C1), 场解吸 (Fielddesorption, FD) 和快速原子轰击 (Fastatombombardment,FAB) 等

(1) 电子电离源 : 图 4 2 为电子电离源 ( 又称电子轰击源 ) 示意图 灯丝一般为钨或铼丝 由它发射的电子, 在正电位作用下, 穿过电子狭缝进入电离室 最后到达阳极 在大约 1.333X10 4Pa(10-6mmHg) 压力下的电离室内电子束与样品分子碰撞, 使样品分子电离 产生的正离子受推斥极与第一加速狭缝间一小静电场作用, 穿过第一狭缝 一 二加速狭缝间的强电场, 将离子加速到最大速度后进入分析管 在一 二狭缝间还装有一聚焦狭缝

电子加速电压常在 50~100V( 一般为 70V) 之间, 这一电压范围形成的离子流比较稳定 能量为 70eV 的电子, 使有机分子可能失去一个电子成为分子离子, 也可能使分子离子进一步发生键的断裂, 形成碎片离子 当电子能量一定时, 一种有机物分子各碎片离子的相对强度是一定的, 这就构成了质谱鉴定有机结构的基础 而其它的中性分子 阴离子则被真空系统抽走

分子 离子的形成 电子电离源虽然具有离子流稳定 离子产率高等优点, 但当有机化合物分子量太大或稳定性差时 往往得不到分子离子, 因而不能测定化合物的分子量 (2) 化学电离源 为了克服电子电离源的上述缺点, 发展了化学电离源新技术 因化学电离过程发生在能量转移低得多的场合, 分子离子进一步碎裂大为减少, 但其最突出的离子并不是分子离子, 而常常是增加或减小一个氢原子所形成的所谓准分子离子 (quasi molecularion), 化学电离的质谱就是以这样的方式提供有关分子量的资料

化学电离源是在约 133.3Pa (1mmHg) 的甲烷 异丁烷或氨这些特殊反应气压力下工作的 在此压力下进行电离的电子, 实际上全被反应气分子碰撞吸收, 而离子源内的样品分子几乎都不被电离, 因其浓度极低, 压力仅在 1.333X10-2 ~ -4 Pa (10-4 ~10-6 mmhg) 甚至更低 由反应气电离的离子与样品分子碰撞, 才使样品电离 若用甲烷作反应气时, 它首先被电离成 CH 4 + 和 CH 3 + 离子, 这些离子再与甲烷分子作用, 形成过剩内能较小的二次离子 : CH + 4 十 CH 4 CH + 5 十 CH 3 CH + 3 十 CH 4 C 2 H + 5 十 H 2

CI 源通常与 EI 源结合使用, 以便获得最有效的电离效果, 故商品仪器往往都设计成具有 C1 和 EI 的双重离子源 CI 源的反应气体还可用氮 氦等 GC 中常用的载气 这样, 在 GC MS 联用中, 就可以不必分离掉载气, 因而可大大提高样品利用率 二次离子与样品分子 M 碰撞, 使样品分子电离, 形成相当丰富的准分子离子 : CH 5 + 十 M MH + 十 CH 4 C 2 H 5+ +M MH + +C 2 H 4 若样品为非良好质子接受体, 则电离以样品分子失掉一个氢离子的方式进行 : CH 5 + 十 M (M-1) + 十 CH 4 +H 2 C 2 H 5 + 十 M (M-1) + 十 C 2 H 6

快速原子轰击 : 尽管 CI 法极大地扩大了能获得化合物分子量信息的样品范围, 但它仍要求分子具有适当的挥发与热稳定性, 这就使那些生物医学样品, 如肽和碳水化合物的 MS 分析产生了困难 最近发展了一种快速原子轰击电离技术 (FAB), 解决了这一问题 FAB 是把离子源产生的一束 2 10kev 能量的 Ar+( 更大质量的 Xe + 能使快速原子束具有更高能量, 从而使样品产生更多的离子 ) 聚焦在有 1.333X10-1~-3 Pa(10-3 ~10-4 mmhg) 的 Ar( 或 Xe) 气的碰撞室并与中性原子交换能量 : Ar + ( 快速 )+Ar Ar + +Ar( 快速 )

产生的快速原子对准样品进行轰击电离 通过改变电位极性, 便可检测正离子或负离子 FAB 相当简单, 接近温室下即可电离获得质谱, 而且对相当强的极性物质 ( 它们极易接受或给出电子 ) 非常有效, 一般产生丰富的准分子离子和少量具有结构特征的碎片离子 已经证明,FAB 对很不挥发和热不稳定的极性分子的质谱分析极有价值, 故象肽和甙分子的质谱在不经过衍生化之前即可获得

3. 分析器 分析器 ( 又称离子分离器 ) 是将离子源产生的离子, 按 m/z 分开 各种质谱仪主要区别就在于质量分析器的不同 (1) 磁偏单聚焦分析器 : 运动离子在磁场中受磁场力的作用, 发生偏转 (2) 磁偏双聚焦分析器 : 由于离子初始能量不真正为 0, 且彼此之间也不相同, 故即使是质量相同的离子, 经加速后, 能量 ( 或速度 ) 也是不同的, 在磁场中的运动半径也就不同, 所以不能完全会聚在一起, 使仪器的分辨率不高 为消除离子能量分散对分辨率的影响, 在磁场前加一径向电场, 使具有相同动能 ( 或速度 ) 的离子聚焦 ( 称 速度聚焦 或 能量聚焦 ), 目的是消除相同 M/e 而动能不同的离子 而后面经磁场分析器的聚焦, 则称 方向聚焦 两种聚焦结合, 谓之 双聚焦

(3) 四极滤质器四极滤质器是由四根平行的双曲形或圆形杆组成的 用陶瓷绝缘的四根杆子交错地连接成两对相反电压的电极, 电压的直流分量 U 和射频分量 V, 使四根杆子之间形成复杂的复合电场, 离子在此电场中绕其传播中心轴振动, 并使仅具一定质荷比的离子, 才能通过滤质器到达收集器 在保持 U/V 不变前提下, 改变 U 和 V. 可达到分离不同 m/z 离子 实现扫描的目的

4. 离子收集与记录系统 有两种方法记录离子, 一种是照相法, 另一种是电子学方法 前者是干板上的感光乳剂随同各单一质荷比离子束的打击点而生成图象 照相法的优点是灵敏度高, 缺点是精度差 在电子系统中, 到达收集器的离子束, 产生一股电流, 强度与该离子数目成正比 用静电计放大器或电子倍增器, 可以准确而灵敏地测量这股电流 最低可达 10-18 ~10-19 A( 相当于每秒 0.6 6 个单位电荷离子电流 ), 即单个到达收集器的离子也可以记录, 并能得到非常清晰的质谱峰

由于离子电流强度范围很宽 (10-9 ----10-18 A), 所以必须配备不同衰减的几根记录笔 以便对不同大小的信号电流都可记录出适当大小的质谱峰 除笔式记录器外, 还可采用紫外线快速记录器 它采用一组反射式检流计, 安插在磁铁当中, 电流通过小线圈, 使反射镜偏转, 该反射镜反射来自高压汞灯的强光到紫外感光纸上 因俭流计很小 ( 仅 6cm 长, 直径 0.3cm), 频率响应非常快, 灵敏度高达 20rev/mm, 在几秒钟之内即可在很宽的动态范围内扫描完毕

二 质谱技术有关的名词术语 1 质量数与质量范围 在质谱中, 化合物分子或原子, 都是以离子形式记录的 若离子仅带一个正电荷, 则对于低分辨质谱, 离子的质荷比在数值上就等于它的质量数, 即离子质量数是它们质荷比的标称值 如离子质荷比为 27.9949, 则其质量数为 28. 质谱仪的质量范围, 是指仪器能测量的离子质荷比范围 若离子只带一个正电荷, 则仪器可测范围实际上就是可测分子量或原子量范围 有机质谱仪的质量范围一般是几十到几千

2. 分辨率 质谱仪的分辨率是分开两个相邻质量数离子的能力, 以 R=M/ M 决定 其中 M 为两相邻峰的第一个峰的质量数, M 为两峰质量之差, 分辨的程度通常用两峰间谷值低于 10% 的平均强度为依据 ( 也有规定低于 50% 为依据的 ) 例如,CO 和 N 2 形成的离子, 其质荷比分别为 27.9949 和 28.0061, 若某仪器能刚好分开这两种离子, 则该仪器的分辨率应为 : R=27.9949/(28.0061-27.9949) 单聚焦磁偏式质谱仪,R 通常在 1000 以下, 称低分辨仪器 而双聚焦磁偏式质谱仪,R 通常可达 10000 以上, 称中分辨 (10000 至 30000) 或高分辨 (30000 以上 ) 仪器

3 灵敏度: 不同用途的质谱仪, 灵敏度表示方法不同 有机质谱仪常采用绝对灵敏度, 即在一定的分辨率之下, 产生具有一定信噪比的分子离子峰所需样品量 目前, 有机质谱灵敏度可优于 10-10 g 4 质谱图: 仪器直接记录下来的质谱图, 是一个个尖锐的峰 ( 如图 4 3) 但在文献上发表或应用时, 都将其简化成以相对丰度表示的条图 ( 或称棒图 )( 图 4 4), 它的纵坐标为离子强度, 以相对丰度表示 所谓相对丰度, 是以强度最大的峰 ( 称基峰 ) 为 100, 其余的峰按与它的比例计算的相对强度, 也叫百分相对强度 ( 见图 )

用表格形式. 这种形式能更准确地表示出相对丰度, 对定量分析非常适用但不太适合解释未知物质谱, 因为它不能直观展示出谱图的重要特征 如下图 : m/z 相对丰度 m/z 相对丰度 15 16 26 27 28 29 40 41 42 6.3 0.07 1.4 15 2.4 38 1.4 41 2.3 43 44 53 54 55 56 58 59 71 1.6 0.05 1.2 0.20 2.8 4.3 100 4.4 0.04

各类主要离子 一 质谱中的各类主要离子目前质谱都是检测的正离子, 它们当中主要有分子离子, 同离子, 碎片离子, 重排离子, 多电荷离子, 亚稳离子, 及离子 分子反应离子 1 分子离子 : 中性化合物受电子冲击失掉一个电子形成的离子, 称为分子离子或称母体离子, 所对应的质谱峰称为分子离子峰或母体离子峰 分子离子是其它离子的先驱, 它的标称质量相当于该化合物的分子量 分子离子峰常以 M. + 或 M + 表示

2 同位素离子 : 分子离子含有其元素组成的最大丰度同位素 因含重同位素离子, 故分子离子峰总是伴有较高质量数的其它同位素离子峰, 组成 同位素簇 (isotopiccluster). 碎片离子也一样, 往往比最丰同位素离子质量高 1~4 个质量单位 ( 甚至更多 ) 处出现由重同位素引起的小峰, 这些峰也是同位素离子峰, 它们也组成 同位素簇 同位素离子峰的丰度与离子中存在的该元素的原子数目及该同位素的相对含量有关 一些有机化合物中常见元素同位素的天然丰度 ( 相对含量 ) 和与最丰同位素的丰度比.

同位素离子峰的测定意义除了碘 氟 磷不含同位素 ( 称 A 类元素 ) 以外, 其它与有机物关系密切的元素都含有同位素 氢的同位素氘含量很少 (0.016%), 也列为 A 类元素 碳 氮的同位素比普通元素多一个中子 ( 多一个质量数 ) 称为 A 十 1 类元素,O S Si Cl Br 为 A+2 类元素 这些天然同位素相对丰度都是已知的 因此, 如果做 Si 原子的质谱, 就可得到 m/z 值为 28 29 和 30 的三个峰, 且每个峰的强度与其同位素百分数成比例

同位素峰的来源, 可用氯乙烷 (C 2 H 5 Cl) 说明 该分子离子同位素簇中的 M+1 峰是其离子含有一个比最丰同位素多一个质量单位的同位素 13 C 形成的峰, 即 13 C 12 CH 5 35 Cl + 离子形成的峰 而 M+2 峰, 是其分子离子中含一个比最丰同位素多两个质量单位的同位素 37 C1 的贡献, 同时又是其中含两个比最丰同位素多一个质量单位的同位素 13 C 贡献的结果, 即是 13 C 2 H 5 35 Cl + 和 12 C 2 H 5 37 C1 + 两种离子形成的峰 同位素离子峰的强度, 即取决于分子的种类, 也取决于分子中同位素的多少及天然丰度 例如甲烷, 13 C 的丰度是 1.1%, 故分子离子 M(m/z 16) 处的伴峰 M+1(m/z 17) 峰其强度是前者的 1.1%( 忽略氘的贡献 ) 乙烷的 M+1 峰 (m/z 31), 强度是 M 峰 (m/z 30) 的 2.2%, 因为它有两个碳原子

碎片离子碎片离子是分子离子在离子源中碎裂生成的, 一般用于电离有机物的轰击电子能量相当大 ( 约 70eV), 使分子离子处于激发状态, 会断裂其中的一些化学键, 产生质量较低的碎片离子 研究碎片离子形成的过程能帮助我们分析化合物的结构 重排离子由分子重排或转位生成的离子, 其成因不能用分子中键的简单断裂来解释 典型的 麦氏重排 离子即属此列, 其机理对于醛 酮 酸 酯这些化合物来说, 它们在相对于羰基的 γ 碳原子上含有一适合的氢原子, 这样的过程总是经过六元环的过渡态

多电荷离子 : 分子失掉一个电子便成为激发态的分子离子, 因此正常情况下都是单电荷离子 分子离子继续分裂, 生成单电荷的碎片离子 但有些分子, 非常稳定, 能承受两个或更多的电子丢失, 从而产生 m/2z, m/3z 等多电荷的离子, 它们出现在单电荷离子 1/2 1/3 等质量位置 芳香族和含共轭体系的分子, 有丌键系统, 能使双电荷离子稳定

亚稳离子 离子离开离子源后, 在飞行中发生开裂而形成低质量的离子, 这种离子称亚稳离子, 它所产生的峰称亚稳峰 由于亚稳离子是在离子飞行过程中产生的, 所以有一部分动量被开裂产生的中性碎片带走, 尽管它与在离子源中产生的同质荷比的稳定离子有相同质量, 但却出现在 m/z 值较低的位置, 形成一个低矮的宽峰, 其宽度跨 2 5 个质量单位, 且质荷比一般也都不是整数, 亚稳离子用 m* 表示. 离子 分子反应离子在离子源中, 被电离了的分子所形成的分子离子与中性分子碰撞, 可能从分子中取得一个原子或基团而生成一个较重的离子 但在一般情况下, 所形成的这种离子的丰度都是可以忽略不计的, 只有分子离子不稳定, 而相应的质子化分子离子是稳定的, 才会出现显著的 M+1 峰, 这时 M 峰则很小甚至看不到

第三节 质谱法的应用 (1) 分子量的测定 : 质谱在有机化合物结构测定中的第一个功能, 就是测定分子式, 对于未知物在没有准确测定其分子式之前想要用 IR NMR UV 以及其它手段来推断其结构, 往往是劳而无功的 测定分析过程 : 在质谱图中找到分子离子峰即可. 分子离子通常应具有以下特征 : 第一, 它是质谱中质量数最大的峰 ( 不包括它的同位素伴峰 ), 因为它是化合物分子失掉一个电子的离子产生的峰

第二, 它一定是含有奇数电子的离子 ( 即奇电子离子, 记为 OE +. ) 因为差不多所有的有机分子都含偶数电子 第三, 它应符合氮规律 ( 或称氮律 ), 即在有机分子中,( 因而在分子离子中 ) 分子量为偶数时, 该分子不含氮或含偶数氮 ; 分子量为奇数时, 分子中必含奇数氮 由此还可以得到一个重要的推论, 即有机分子中, 奇数化合价的原子 (H N P 卤素 ) 数目之和必为偶数 ( 又称原子价总数规律 ) (2) 用高分辨质谱数据测定分子式 由同位素分子离子峰可知, 元素的原子量当其与碳 12 作标准比较时, 都并非整数, 故尽管两种分子具有不同的非整数质量, 但可能有相同的整数质量, 如以下分子离子 A 与 B 其标称质量都是 200. A C 11 H 24 N 2 O + 200.1883 B C 10 H 20 N 2 O 2 + 200.1520

两者质量相差 0.0363, 这就需要约有 5500 分辨率才能分开这两个离子 当然用双聚焦的质谱仪这是很容易达到的, 而且其测量度可达 1X10-6 或 2X10-6. 这样,A 或 B 分子量的测量误差就是土 0.0004. 在大多数情况下, 这样的误差能在很小范围内或者能直接确定出分子式 一般计算机分析就是基于这样的方法, 以使所选择的合适分子式与所测得的分子量相吻合 同样, 高分辨质谱数据也能对各碎片离子的化学式进行精确测定, 这对化合物结构的推断, 无疑能提供很大方便

虽然高分辨质谱测量离子质量精度很高, 但化合物的分子离子若不能识别, 或者很弱甚至不出现, 还是不能测出分子式, 这就要求采用如前所介绍过的一些特殊的电离方法, 如 CI FD 以及 FAB 等 结构式的确定 : 各种化合物在一定能量的离子源中, 是按一定规律进行裂分而形成各种碎片离子的, 因而表现一定的质谱图, 因此, 根据裂分后形成各种离子峰就可以确定物质的组成和结构, 例如 :

定量分析 -------- 无机化合物分析 : 用于无机物分析的火花源质谱法能分析元素周期表上几乎所有的元素, 除 C H O N 外, 多数元素的检出线可达 10-6 ---10-7 %, 是近代无机分析最有效的方法之一, 尤其适用于半导体材料和高纯金属中痕量杂质的半定量分析 定性分析 确定样品中是否含有某一种或某几种指定元素对样品中杂质进行全分析定量分析与发射光谱相似, 一般采用内标法测定

二次离子质谱分析法 二次离子质谱是利用质谱法分析初级离子入射靶面后, 溅射产生的二次离子而获取材料表面信息的一种方法 二次离子质谱可以分析包括氢在内的全部元素, 并能给出同位素的信息, 分析化合物组分和分子结构 二次离子质谱具有很高的灵敏度, 可达到 ppm 甚至 ppb 的量级, 还可以进行微区成分成像和深度剖面分析

早在本世纪 30 年代,Arnot 等人就研究了二次离子发射现象 1949 年,Herzog 和 Viekbock 首先把二次离子发射与质谱分析结合起来 六十年代, 先后发展了离子探针和直接成像质量分析器 七十年代又提出和发展了静态二次离子质谱仪 这些二次离子质谱仪的性能不断改进, 使之成为一种重要的 有特色的表面分析手段

二次离子质谱 一定能量的离子打到固体表面会引起表面原子 分子或原子团的二次发射, 即离子溅射 溅射的粒子一般以中性为主, 其中有一部分带有正 负电荷, 这就是二次离子 利用质量分析器接收分析二次离子就得到二次离子质谱

二次离子质谱图 二次离子质谱 聚苯乙烯的二次离子质谱

二次离子质谱仪 二次离子质谱仪 二次离子质谱仪至少包括主真空室 样品架及送样系统 离子枪 二次离子分析器和离子流计数及数据处理系统等五部分

分析方法 定性分析 多价离子一般主要是二 三价离子 二价离子的强度约为一价离子强度的 10-3 倍, 三价离子更少 多原子离子 原子团离子, 如 Cu 2+, Cu 3+, 其强度随二次离子能量选择等因素有关, 约为单原子离子的 10% 以下 分子离子是入射离子与基体反应生成的, 如 CuN +, CuN + 2 等

定性分析 带氢的离子是因为在大部分的样品中含有氢, 且分析室内残留有 H 2, 如 CuH +, CuNH + 等, 其强度为一次元素离子的 10-2 ~10-4 带氢离子所占的比例随一次离子种类的不同而大幅度地变化 一次离子为 Ar + 时, 带氢离子的比例很大 ; 用 O + 2 则显著减少 烃离子是样品制备时引入的, 或由于与系统中残留气体作用引入的 在分析时, 应经常考虑到谱的干涉或干扰 同时应考虑同位素效应, 一般地说,SIMS 中同位素的比例接近于天然丰度, 这也是定性分析中所要掌握的一条法则 最后, 要考虑质谱仪分辨本领对 SIMS 的影响

定量分析 SIMS 在定性分析上是成功的, 关键是识谱, 灵敏度达 10-5 ~10-6, 在定量分析上还不很成熟 (a) 标准样品校正法利用已知成份的标准样品, 测出成份含量与二次离子流关系的校准曲线, 对未知样品的成分进行标定

定量分析 (b) 离子注入制作标准样品法 : 利用离子注入的深度分布曲线及剂量, 给出该元素的浓度与二次离子流的关系作为校准曲线, 然后, 进行 SIMS 分析 此外, 还有利用 LTE 模型, 采用内标元素的定量分析法和基体效应修正法