有机化学波谱-质谱资料

1、第第 五五 章章有有 机机 质质 谱谱1.1 前前 言言 什么是质谱？什么是质谱？ 按照带电粒子（即离子）的质量对电荷之按照带电粒子（即离子）的质量对电荷之比值（即比值（即质荷比质荷比）的大小，依次排列所成）的大小，依次排列所成的图谱，叫做的图谱，叫做 质谱质谱（Mass Spectrum, 简简称称 MS）。）。 研究质谱及其规律的科学称为研究质谱及其规律的科学称为质谱学质谱学（Mass Spectrometry）。）。 如果各离子所带电荷数都是如果各离子所带电荷数都是1，质谱实际上，质谱实际上就是一系列离子的就是一系列离子的质量谱质量谱。 质谱仪质谱仪以电磁学的方法来测定物质原子、以电磁学

2、的方法来测定物质原子、分子或碎片离子分子或碎片离子质荷比质荷比的装置。的装置。n x 12C质谱方法灵敏、精确、直接。是最重要的分析仪器之质谱方法灵敏、精确、直接。是最重要的分析仪器之一一 灵敏灵敏：只要小于：只要小于1pmol的样品或几十皮克样品的样品或几十皮克样品 精确精确：可以优于：可以优于10-6以下（如氢的质量精确到以下（如氢的质量精确到10-12） 直接直接：告诉我们有什么、有多少（相对分子质量、元：告诉我们有什么、有多少（相对分子质量、元素组成等）素组成等） 利用串级质谱还可以获取分子结构信息利用串级质谱还可以获取分子结构信息质质谱谱学学同位素质谱同位素质谱无机质谱无机质谱有机质

3、谱有机质谱发展较快发展较快理论基础是化学反应动力学理论基础是化学反应动力学生物质谱生物质谱什么是有机质谱？什么是有机质谱？ 有机化合物分子在高真空条件下加热气化；有机化合物分子在高真空条件下加热气化； 气化了的有机化合物的分子经过一定能量的电子气化了的有机化合物的分子经过一定能量的电子流轰击以后，离解成各种质荷比的离子；流轰击以后，离解成各种质荷比的离子； 这些离子通过电场或磁场进行分离；这些离子通过电场或磁场进行分离； 按其质荷比的大小排列成谱，这就是按其质荷比的大小排列成谱，这就是有机质谱有机质谱。 有机质谱是鉴定有机化合物结构的重要方法有机质谱是鉴定有机化合物结构的重要方法, 它不它不仅

4、提供化合物的仅提供化合物的分子量分子量, 还可通过精确质量的测量来还可通过精确质量的测量来确定其确定其分子式分子式, 而且通过碎片离子还可以获得重要的而且通过碎片离子还可以获得重要的结构信息结构信息;质谱发展简史质谱发展简史 早在早在1912年，英国科学家年，英国科学家Thomson就就发现，有一种射线可使气体发光，他设发现，有一种射线可使气体发光，他设法用电场和磁场使这种射线偏转，并用法用电场和磁场使这种射线偏转，并用他自己设计的装置测定了一些原子的原他自己设计的装置测定了一些原子的原子量。子量。 1919年，年，Francis William Aston和和J. Demoster继续研究，

5、他们终于制造成继续研究，他们终于制造成功了世界上第一台原始的，但较为完整功了世界上第一台原始的，但较为完整的质谱仪，并首次引入的质谱仪，并首次引入“质谱质谱”的概念。的概念。 1942年第一台商品质谱仪问世。年第一台商品质谱仪问世。弗朗西斯弗朗西斯威廉威廉阿斯顿阿斯顿（Francis William Aston) 1900年毕业于伯明翰年毕业于伯明翰大学化学系。大学化学系。 英国实验物理学家兼英国实验物理学家兼化学家；化学家； 1877年年9月月1日生于伯日生于伯明翰近郊的哈本；明翰近郊的哈本； 1945年年11月月20日在剑日在剑桥逝世。桥逝世。 1922年因对质谱学的年因对质谱学的贡献获诺

6、贝尔化学奖。贡献获诺贝尔化学奖。 Aston用感光底片使带有相同电荷和相同质用感光底片使带有相同电荷和相同质量的离子集中在同一点上，从而得到一系列量的离子集中在同一点上，从而得到一系列的谱线，这就是最初的的谱线，这就是最初的“质谱图质谱图”。 测定氖时，加入少量的测定氖时，加入少量的CO2和和O2，作为内标，作为内标物指示质量数。实验结果出现物指示质量数。实验结果出现16，18，28，44的谱线，这分别与的谱线，这分别与O，H2O，CO，CO2相相当；当； 但令人不解的是与氖原子量但令人不解的是与氖原子量20.2相当的谱线相当的谱线却没有出现，而是出现了却没有出现，而是出现了20和和22两条谱

7、线。两条谱线。 Aston经过反复实验和深入研究，推测氖是经过反复实验和深入研究，推测氖是由两种质量不同的原子组成的混合物，二者由两种质量不同的原子组成的混合物，二者的原子量分别为的原子量分别为20和和22，后者含量较少，故，后者含量较少，故它们的它们的平均原子量平均原子量为为20.2。 后来后来Aston又测定了氯和氩的原子量，发现又测定了氯和氩的原子量，发现氯是由原子量为氯是由原子量为35和和37的原子组成的混合物，的原子组成的混合物，氩是由原子量为氩是由原子量为36和和40的原子组成的混合物。的原子组成的混合物。 Aston首次提出首次提出“同位素同位素”的概念。的概念。 Aston利用

8、质谱在利用质谱在71种元素中发现了种元素中发现了202种种同位素。同位素。 他因此荣获他因此荣获1922年的年的诺贝尔化学奖诺贝尔化学奖。 最初的质谱仪主要是用来测定元素或同位素的原最初的质谱仪主要是用来测定元素或同位素的原子量。在原子能和原子武器的研究中意义重大。子量。在原子能和原子武器的研究中意义重大。特别是用于核裂变物质的分析，如铀特别是用于核裂变物质的分析，如铀238的研究。的研究。 20世纪世纪50年代，石油工业开始应用年代，石油工业开始应用MS技术技术, 在同在同位素鉴定和烃类混合物的分析方面取得长足进展，位素鉴定和烃类混合物的分析方面取得长足进展，能对复杂的有机分子给出确定的，具

9、有可重复性能对复杂的有机分子给出确定的，具有可重复性的的MS图。图。 MS技术科学家逐渐开始探讨有机分子结构与裂解技术科学家逐渐开始探讨有机分子结构与裂解方式的关系，发现由分子的质谱断裂规律可找出方式的关系，发现由分子的质谱断裂规律可找出许多有用的结构信息。许多有用的结构信息。 人们开始根据裂解方式推测新化合物的分人们开始根据裂解方式推测新化合物的分子结构。从而奠定了子结构。从而奠定了MS方法在有机分子结方法在有机分子结构鉴定上的应用地位。构鉴定上的应用地位。特别值得提出的是，特别值得提出的是，1956年，美国康奈尔大学教授年，美国康奈尔大学教授F. W. Mclafferty通过大量实验和深

10、入研究发现了著通过大量实验和深入研究发现了著名的名的“麦氏重排麦氏重排”以后，质谱学开始在有机化学领以后，质谱学开始在有机化学领域发挥它的独特的日益重要的作用。域发挥它的独特的日益重要的作用。 有机质谱研究的任务有机质谱研究的任务： 有机化合物的有机化合物的结构鉴定结构鉴定，即组成化合物分子的各，即组成化合物分子的各个原子是怎样结合在一起的，包括其连接的顺序和个原子是怎样结合在一起的，包括其连接的顺序和空间排布。空间排布。 已知的有机化合物的识别，即已知的有机化合物的识别，即定性分析定性分析（谱库检（谱库检索）。索）。 复杂的混合有机物全部或指定成分含量的测定，复杂的混合有机物全部或指定成分含

11、量的测定，即即定量分析定量分析。 研究并说明某些研究并说明某些有机化合物生成和转化的规律有机化合物生成和转化的规律。 质谱现象本身的规律质谱现象本身的规律。有机质谱的应用范围有机质谱的应用范围： 有机化学；有机化学； 环境科学；食品科学；环境科学；食品科学； 药物科学；体育科学；药物科学；体育科学； 司法科学；司法科学； 生命科学；临床医学；生命科学；临床医学； 石油化学；地质化学等。石油化学；地质化学等。 质谱分析的特点质谱分析的特点：优点优点： 质谱的质谱的灵敏度极高灵敏度极高，检出量可低到，检出量可低到10-12克。所需克。所需样品比样品比IR、UV、NMR要少的多。要少的多。 质谱给出

12、的质谱给出的信息多信息多（IR一般仅给出十几、二十几一般仅给出十几、二十几个峰，个峰，NMR的峰更少，而的峰更少，而MS可给出上百个峰）。可给出上百个峰）。 分析分析速度快速度快（0.1秒扫描一次）。秒扫描一次）。 不足不足： MS要求样品要要求样品要容易气化容易气化，故对大分子化合物、热，故对大分子化合物、热不稳定的化合物的分析，受到一定限制。不稳定的化合物的分析，受到一定限制。 对样品的对样品的纯度要求高纯度要求高。 高分辨高分辨MS仪造价仪造价昂贵昂贵。1.2 质谱仪的基本原理质谱仪的基本原理 一、基本原理：一、基本原理： 普通质谱仪组成：普通质谱仪组成： 进样系统进样系统 离子源离子源

13、 质量分析器质量分析器(4) 检测器检测器 计算机系统。计算机系统。 真空系统。真空系统。 计算机数据计算机数据处理系统处理系统真空系统真空系统 加速区加速区进样系统进样系统离子源离子源质量分析器质量分析器检测器检测器 2 2、质谱仪框图、质谱仪框图磁铁磁场根据质荷比分离正离子带电正离子束高质量离子低质量离子样品室气化样品的灯丝加速电场高高能能高能电子源分子被电离质谱仪原理示意图质谱仪原理示意图检测器例如例如： 高能量电子的轰击，高能量电子的轰击，会使分子离子本身获会使分子离子本身获得远高于其化学键能得远高于其化学键能的过剩能量，的过剩能量， 这会使分子离子很快这会使分子离子很快地发生进一步裂

14、解，地发生进一步裂解，即其内部化学键发生即其内部化学键发生断裂；形成了一系列断裂；形成了一系列的碎片；的碎片； 这些碎片绝大部分带这些碎片绝大部分带正电荷，很少部分带正电荷，很少部分带负电荷（约负电荷（约1），），还有一些中性碎片。还有一些中性碎片。OCH3RO+CH3RO+R+CH3 加速极把这些碎片从离子源引出到一个很加速极把这些碎片从离子源引出到一个很强的正电场中（电位差高达数千伏），强的正电场中（电位差高达数千伏）， 带负电荷的离子被中和成中性碎片和在离带负电荷的离子被中和成中性碎片和在离子室产生的中性碎片以及未被电离的分子子室产生的中性碎片以及未被电离的分子一起被真空系统抽走（因为这

15、些粒子不会一起被真空系统抽走（因为这些粒子不会被加速）。被加速）。 而而正离子正离子则由于则由于正电场的排斥正电场的排斥而被加速，而被加速，进入进入分析系统分析系统。 分析系统分析系统： 分析系统的主要部分是分析系统的主要部分是磁分离器磁分离器， 加速后的正离子进入分析系统通过加速后的正离子进入分析系统通过磁场磁场的作用而的作用而分离。分离。 高速运动的各种正离子受到磁场力的作用而发生高速运动的各种正离子受到磁场力的作用而发生偏转；偏转； 其偏转轨道的曲率半径其偏转轨道的曲率半径R取决于各离子的质荷比，取决于各离子的质荷比，质荷比大质荷比大的离子的离子曲率半径曲率半径R也大也大，弯曲程度小；，

16、弯曲程度小；反之，反之，质荷比小质荷比小的离子则的离子则曲率半径小曲率半径小，弯曲程度，弯曲程度大。大。一个质量为一个质量为m的带有电荷的带有电荷Z 的正离子在电场中被的正离子在电场中被电位为电位为V 的电压加速后，具有的动能为：的电压加速后，具有的动能为：zVmv221质量分析：质量分析：经加速的正离子进入分析系统中，在磁经加速的正离子进入分析系统中，在磁场作用下，受到劳伦茨力而发生偏转，劳伦茨力与场作用下，受到劳伦茨力而发生偏转，劳伦茨力与离心力平衡，即：离心力平衡，即：RmvHzv2式中式中H为磁场强度，为磁场强度，R是弯曲轨迹的曲率半径，是弯曲轨迹的曲率半径，z, v, m分别为电荷、

17、离子速度和离子质量，分别为电荷、离子速度和离子质量，合并上述二式，得：合并上述二式，得：VRHzm222由上式可知，由上式可知， 磁场强度磁场强度H和加速电压和加速电压V不变，质荷不变，质荷比比m/z与曲率半径与曲率半径R成正比，质荷比不同，飞行的远成正比，质荷比不同，飞行的远近就不同，这就是质谱仪质量分析器的近就不同，这就是质谱仪质量分析器的基本工作原基本工作原理理。 相同质荷比相同质荷比的离子以的离子以相同的曲率半径相同的曲率半径运动，按运动，按相同的轨道相同的轨道汇集成离子流，到达汇集成离子流，到达离子捕集器离子捕集器，从而达到按从而达到按质荷比的大小质荷比的大小使各种不同的碎片离使各种

18、不同的碎片离子得以分离的目的。子得以分离的目的。 对于只带一个正电荷的离子，其质荷比在数值对于只带一个正电荷的离子，其质荷比在数值上等于其质量值。即：上等于其质量值。即： 质荷比质荷比= =质量数质量数 通过通过分子离子峰分子离子峰可以直接测得样品的精确分子可以直接测得样品的精确分子量；量； 而通过对各种不同的碎片离子峰的种类、质量而通过对各种不同的碎片离子峰的种类、质量数、强度的分析，根据各种化合物断裂时的不数、强度的分析，根据各种化合物断裂时的不同规律，可以作为推测样品同规律，可以作为推测样品分子结构分子结构的线索。的线索。 质谱仪的扫描过程主要是通过改变质谱仪的扫描过程主要是通过改变磁场

19、强磁场强度度H或改变离子或改变离子加速电压加速电压V来实现的。分别来实现的。分别叫叫磁扫描法磁扫描法和和电扫描法电扫描法。 大部分低分辨质谱仪都是通过改变大部分低分辨质谱仪都是通过改变H完成完成 扫描过程的。扫描过程的。 当连续扫描磁场时，不同质荷比的离子就当连续扫描磁场时，不同质荷比的离子就被连续地、精确地测量和记录下来，即可被连续地、精确地测量和记录下来，即可得到一张得到一张MS图。图。 离子捕集器离子捕集器： 离子捕集器按质荷比大小的顺序，依次捕离子捕集器按质荷比大小的顺序，依次捕集通过狭缝的离子流。集通过狭缝的离子流。 捕集器接受离子流后产生电信号，经电子捕集器接受离子流后产生电信号，

20、经电子倍增器或光电倍增管多级放大，信号的强倍增器或光电倍增管多级放大，信号的强度与离子的数量成正比，反应某离子的度与离子的数量成正比，反应某离子的丰丰度度（相对数量）。（相对数量）。 经过数模转换、增强信噪比等复杂的技术经过数模转换、增强信噪比等复杂的技术处理，才能得到一张满意的处理，才能得到一张满意的MS图。图。 样品分子样品分子电离电离电离、分解电离、分解不同质荷比不同质荷比离子离子按质荷比分离按质荷比分离质谱图质谱图能量能量组分分析组分分析结构分析结构分析分析器分析器检测器检测器用于有机质谱分析的几种重要的离子源：用于有机质谱分析的几种重要的离子源：1. 电子轰击源电子轰击源（Elect

21、ron impact Ionization，EI）2. 场电离场电离（Field Ionization，FI）3. 场解吸电离场解吸电离（Field Desorption，FD） 4. 化学电离化学电离（Chemical Ionization，CI）5. 激光解析电离激光解析电离（Laser Desorption Ionization，LDI）6. 电喷雾离子化电喷雾离子化（Electrospray Ionization，ESI）下面做选择性重点介绍：下面做选择性重点介绍：1. 电子轰击离子源电子轰击离子源（Electron impact Ionization，EI） 利用反应气体的离子与样品

22、分子利用反应气体的离子与样品分子相互反应，而使样品分子离子化，相互反应，而使样品分子离子化，本质是化学过程，故称化学电离。本质是化学过程，故称化学电离。 电子轰击化学电离气体分子，电子轰击化学电离气体分子，不直接作用于样品分子。不直接作用于样品分子。 化学电离试剂：化学电离试剂：甲烷甲烷、异丁烷、异丁烷、氨气，氢气，水、甲醇、胺等。氨气，氢气，水、甲醇、胺等。 试样溶解或悬浮于基质中，激光束辐射到基质和试试样溶解或悬浮于基质中，激光束辐射到基质和试样分子上。样分子上。基质吸收激光束能量后汽化，部分试样分子伴随基基质吸收激光束能量后汽化，部分试样分子伴随基质的汽化而解吸。质的汽化而解吸。基质吸收

23、大部分激光能量，减少了试样分子被激光基质吸收大部分激光能量，减少了试样分子被激光能量破坏及过度电离成碎片离子。能量破坏及过度电离成碎片离子。激光：固体氮激光，紫外光激光：固体氮激光，紫外光功率：功率：106108W/cm2 脉冲时间：脉冲时间：10-610-9秒秒 电喷雾电离的基本过程电喷雾电离的基本过程 电场下的喷雾电场下的喷雾 带电雾滴带电雾滴 雾化气的作用下雾化气的作用下 溶剂的蒸发溶剂的蒸发 电荷的库仑作用电荷的库仑作用 带电雾滴的解体带电雾滴的解体 极限极限 表面张力和库仑斥力的平衡点表面张力和库仑斥力的平衡点 电喷雾电离产生电喷雾电离产生多电荷离子多电荷离子： 可以用质谱仪的可以用

24、质谱仪的小的质量范围小的质量范围测定测定大的生物分子大的生物分子，相当于将质谱仪的相当于将质谱仪的质量范围放大质量范围放大了了n n倍。倍。几种常用的质量分析器简介：几种常用的质量分析器简介：1. 四极滤质器四极滤质器（quadrupole mass filter）优点优点：结构简单，体积小，质量轻，价格：结构简单，体积小，质量轻，价格便宜，清洗方便，操作容易。只使用电便宜，清洗方便，操作容易。只使用电场，便可实现快速扫描。最适合与气相场，便可实现快速扫描。最适合与气相色谱仪联用。是目前应用最广泛的质量色谱仪联用。是目前应用最广泛的质量分析器，性能不断提高，质量测定范围分析器，性能不断提高，质

25、量测定范围已达到已达到3000u，质量准确度可达到，质量准确度可达到0.1u（900u时）。时）。缺点缺点：分辨率相对来说不够高。：分辨率相对来说不够高。四极滤质器原理示意图四极滤质器原理示意图 2. 离子阱离子阱（lon trap） 处于离子阱内具有合适质荷比的离子，将在阱内处于离子阱内具有合适质荷比的离子，将在阱内指定轨道上稳定旋转；当射频电压扫描时，陷入指定轨道上稳定旋转；当射频电压扫描时，陷入阱内的离子的轨道则会依次发生变化，从而在底阱内的离子的轨道则会依次发生变化，从而在底部离开环电极腔而被检测。离子阱结构简单，性部离开环电极腔而被检测。离子阱结构简单，性价比高，体积小，有利于仪器小

26、型化。价比高，体积小，有利于仪器小型化。 离子阱质谱仪，其绝对灵敏度高，约为四极滤质离子阱质谱仪，其绝对灵敏度高，约为四极滤质器器101000倍，可检测很小量的样品；质量范倍，可检测很小量的样品；质量范围大，商品仪器已达围大，商品仪器已达6000u。 缺点是其质谱图与标准谱图有一定差别，不利于缺点是其质谱图与标准谱图有一定差别，不利于谱库检索。谱库检索。 也是离子阱的一种。也是离子阱的一种。离子沿平行于磁场方向进入离子沿平行于磁场方向进入ICR-Cell，加在垂直于，加在垂直于磁场的捕集电极上的直流电压形成一个静电场将离磁场的捕集电极上的直流电压形成一个静电场将离子拘禁于室中。子拘禁于室中。在

27、磁场作用下，离子在垂直于磁场的圆形轨道上作在磁场作用下，离子在垂直于磁场的圆形轨道上作回旋运动，其回旋频率回旋运动，其回旋频率 仅与磁场强度仅与磁场强度 B 和离子的和离子的质荷比质荷比m/z有关有关：mzB710537. 1mzB710537.1飞行时间分析器最大的飞行时间分析器最大的优点优点： 扫描速度快扫描速度快，可用于极快过程的研究；，可用于极快过程的研究； 质量检测没有上限质量检测没有上限。特别适用于生物大分。特别适用于生物大分子的质谱测定；子的质谱测定； 体积小，质量轻体积小，质量轻，结构简单，操作方便。，结构简单，操作方便。主要缺点主要缺点：分辨率低：分辨率低。二、二、质谱仪的种

28、类质谱仪的种类： 按照质谱仪的核心部分质量分析器的工作原理，按照质谱仪的核心部分质量分析器的工作原理，分为两大类：分为两大类：1静态质谱仪静态质谱仪：其质量分析器采用稳定的电磁场：其质量分析器采用稳定的电磁场把不同质荷比的离子区分开。把不同质荷比的离子区分开。 双聚焦高分辨质谱仪双聚焦高分辨质谱仪：其分辨率可达：其分辨率可达10000以上，以上，可以准确地测出小数点后第五位数值，可以准确地测出小数点后第五位数值， 例如例如：C5H8O2 100.0524299（理论计算）（理论计算） 100.052426（实际测定）（实际测定） C7H16 100.1252009（理论计算）（理论计算） 10

29、0.1252007（实际测定）（实际测定）离子源离子源收集器收集器磁场磁场电场电场S1S2+-方向聚焦：方向聚焦： 相同质荷比，入相同质荷比，入射方向不同的离子会射方向不同的离子会聚；聚；能量聚焦：能量聚焦： 相同质荷比，速相同质荷比，速度度(能量能量)不同的离子不同的离子会聚；会聚； 质量相同，能量不同的离子通过电场和磁场时，会产生质量相同，能量不同的离子通过电场和磁场时，会产生能量色散；而通过双聚焦可以大大提高分辨率；能量色散；而通过双聚焦可以大大提高分辨率； 单聚焦低分辨质谱仪单聚焦低分辨质谱仪： 仅有方向聚焦仅有方向聚焦；即令相同质荷比入射方向不同的离子会聚；即令相同质荷比入射方向不同

30、的离子会聚； 分辨率不高，一般在分辨率不高，一般在10000以下，档次不等，最低的只能分以下，档次不等，最低的只能分辨整数质量。如对辨整数质量。如对C5H8O2和和C7H16都只能给出都只能给出100的质量数。的质量数。但价格要便宜得多。但价格要便宜得多。 收集器收集器离子源离子源BS1S2磁场磁场R 动态质谱仪动态质谱仪： 采用变化的电磁场构成质量分析器，按照时间或空采用变化的电磁场构成质量分析器，按照时间或空间区分不同质荷比的离子。间区分不同质荷比的离子。 四极矩质谱仪四极矩质谱仪：其质量分析器是一组或多组：其质量分析器是一组或多组四四 极极 杆杆。 在四极杆上加一个固定的直流电压在四极杆上加一个固定的直流电压V 和一个位相差和一个位相差180的的扫描射频电压扫描射频电压（V。coswt）。）。 由于射频电压的不断变化，使得四极杆之间产生了由于射频电压的不断变化，使得四极杆之间产生了一个一个特殊的振荡场；特殊的振荡场； 进入四极杆中的正离子将在其中进入四极杆中的正离子将在其中产生振荡产生振荡。四极滤质器原理示意图四极滤质器原理示意图工作原理工作原理： 质荷比不同的正离子，振荡的频率不一样；质荷比不同的正离子，振荡的频率不