第九章 质谱法Word格式.docx
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样品的相对原子质量(或相对分子质量)范围,通常采用原子
质量单位(u)进行度量。
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,现代质谱仪甚至可以研究相对分子量达几十
万的生化样品。
2.分辨本领
所谓分辨本领,是指质谱仪分开相邻质量数离子的能力。
即:
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,认为两峰已经分开,其分辨率为:
R=m1/(m2-m1)=m1/Δm
其中m1、m2为质量数,且m1<
m2,故在两峰质量数较小时,
要求仪器分辨率越大。
在实际工作中,有时很难找到相邻的且峰高相等的两个峰,
同时峰谷又为峰高的10%。
在这种情况下,可任选一单峰,测其峰
高5%处的峰宽W0.05,即可当作上式中的Δm,此时的分辨率定义为
R=m/W0.05
如果该峰是高斯型的,上述两式计算结果是一样的。
质谱仪的分辨本领由几个因素决定:
(1)离子通道的半径;
(2)加速器与收集器狭缝宽度;
(3)离子源的性质。
3.灵敏度
质谱仪的灵敏度有绝对灵敏度、相对灵敏度和分析灵敏度等
几种表示方法。
绝对灵敏度是指仪器可以检测到的最小样品量;
相对灵敏度是指仪器可以同时检测的大组分与小组分含量之
比;
分析灵敏度则是指输入仪器的样品量与仪器输出的信号之
比。
三、质谱仪的基本结构
质谱仪是通过对样品电离后产生的具有不同的m/z的离子
来进行分离分析的。
质谱仪包括进样系统、电离系统、质量分析系统和检测系统。
为了获得离子的良好分析,避免离子损失,凡有样品分子及
离子存在和通过的地方,必须处于真空状态。
通过进样系统,使微摩尔或更少的试样蒸发,并让其慢慢
地进入电离室,电离室内的压力约为10-3Pa。
由热灯丝流向阳极的
电子流,将气态样品的原子或分子电离成正、负离子(但一般分析
正离子),在狭缝A处,以微小的负电压将正负离子分开,此后,
借助于A、B间几百至几千伏的电压,将正离子加速,使准直于狭
缝刀的正离子流,通过狭缝B进入真空度高达10-5Pa的质量分析器
中,根据离子质荷比的不同,其偏转角度也不同,质荷比大的偏转
角度小,质荷比小的偏转角度大,从而使质量数不同的离子在此得
到分离。
若改变粒子的速度或磁场强度,就可将不同质量数的粒子
依次焦聚在出射狭缝上。
通过出射狭缝的离子流,将落在一收集极
上,这一离子流经放大后,即可进行记录,并得到质谱图。
质谱图上信号的强度,与达到收集极上的离子数目成正比。
1.真空系统
质谱仪的离子产生及经过系统必须处于高真空状态(离子
源真空度应达1.3×
10-4-1.3×
10-5Pa,质量分析器中应达1.3×
10-6Pa)。
若真空度过低,则会造成离子源灯丝损坏,本底增高、
副反应过多,从而使图谱复杂化、干扰离子源的调节、加速极放电
等问题。
一般质谱仪都采用机械泵预抽空后,再用高效率扩散泵连续
地运行以保持真空。
现代质谱仪采用分子泵可获得更高的真空度。
2.进样系统
进样系统目的是高效重复地将样品引入到离子源中并且不能
造成真空度的降低。
常用的进样装置有三种类型:
间歇式进样系统、直接探针进
样、色谱进样系统(GC-MS、HPLC-MS)和高频感藕等离子体进
样系统(ICP-MS)等。
卡式进样系统卡式进样系统具有极好的抗
腐蚀性和快速冲洗特征。
由惰性多聚物材料构成的喷雾室以圆锥壮
撞击球设计,以降低记忆效应。
雾化室由一个Peltier半导体制冷装置冷却和精确的温度控制,
具有极高的稳定性和最少的多原子离子形成。
带有蓝宝石、氧化铝
和铂制喷射管的半可拆式管矩。
3.电离源
电离源的功能是将进样系统引入的气态样品分子转化成离
子。
由于离子化所需要的能量随分子不同差异很大,因此,对于不
同的分子应选择不同的离解方法。
通常称能给样品较大能量的的电
离方法为硬电离方法,而给样品较小能量的电离方法为软电离方
法,后一种方法适用于易破裂或易电离的样品。
使物质电离的方法很多,如电子轰击、化学电离、火花电离、
场致电离、光致电离等。
(1)电子轰击源
电子轰击法是通用的电离法,是使用高能电子束从试样分
子中撞出一个电子而产生正离子,即
M+eM++2e
式中M为待测分子,M+为分子离子或母体离子。
右图是典型的电子轰击源的示意图。
在离子源内,用电加热
锑或钨的灯丝到2000℃,产生高速电子束,其能量为10~7OeV。
当气态试样由分子漏入孔进入电离室时,高速电子与分子发生碰
撞,若电子的能量大于试样分子的电离电位,将导致试样分子的电
离:
M+e(高速)→M++2e(低速)
当电子轰击源具有足够的能量时(一般为7OeV),有机分子
不仅可能失去一个电子形成分子离子,而且有可能进一步发生
键的断裂,形成大量的各种低质量数的碎片正离子和中性自由基,
这些碎片离子可用于有机化合物的结构鉴定。
(2)化学电离源
在质谱中可以获得样品的重要信息之一是其相对分子质
量。
但经电子轰击产生的M+峰,往往不存在或其强度很低。
必须采
用比较温和的电离方法,其中之一就是化学电离法。
化学电离法是通过离子-分子反应来进行,而不是用强电
子束进行电离。
离子(为区别于其它离子,称为试剂离子)与试样
分子按一定方式进行反应,转移一个质子给试样或由试样移去一个
H+或电子,试样则变成带+1电荷的离子。
化学电离源一般在1.3102~1.3103Pa(现已发展为大气压
下化学电离技术)压强下工作,其中充满甲烷CH4。
首先用高能电
子,使CH4电离产生CH5+和C2H5+,
CH4+eCH4+·
+2e
CH4+·
CH3++H·
CH4+·
和CH3+很快与大量存在的CH4分子起反应,即:
+CH4CH5++CH3·
CH3++CH4C2H5++H2
CH5+和C2H5+不与中性甲烷进一步反应,一旦小量样品(试样与甲
烷之比为11000)导入离子源,试样分子(SH)发生下列反应:
CH5++SHSH2++CH4
C2H5++SHS++C2H6
SH2+和S+然后可能碎裂,产生质谱。
由(M+H)或(M-H)离子很容易测得其相对分子质量。
(3)场离子源
应用强电场可以诱发样品电离。
场电离源由电压梯度约为107-108V·
cm-1的两个尖细电极组
成。
流经电极之间的样品分子由于价电子的量子隧道效应而发生电
离。
电离后被阳极排斥出离子室并加速经过隧道进入质量分析器。
场离子化是一种温和的技术,产生的碎片很少。
碎片通常是
由热分解或电极附近的分子-离子碰撞反应产生的主要为分子离
子和(M+1)离子,结构分析中,往往最好同时获得场离子化源或
化学离解源产生的质谱图和用
电子轰击源的质谱图,而获得相对分子质量及分子结构的信
息。
(4)火花源
对于金属合金或离子型残渣之类的非挥发性无机试样,必须
使用不同于上述离子化源的火花源。
火花源类似于发射光谱中的激发源。
向一对电极施加约30kV
脉冲射频电压,电极在高压火花作用下产生局部高热,使试样仅靠
蒸发作用产生原子或简单的离子,经适当加速后进行质量分析。
(5)高频感耦等离子体(ICP)
4.质量分析器
质谱仪的质量分析器位于离子源和检测器之间,依据不同方
式将样品离子按质荷比m/z分开。
质量分析器的主要类型有:
磁
分析器、飞行时间分析器、四极滤质器、离子捕获分析器和离子
回旋共振分析器等。
(1)磁分析器
最常用的分析器类型之一就是扇形磁分析器。
离子束经加速后飞入磁极间的弯曲区,由于磁场作用,飞行
轨道发生弯曲(如右图所示),此时离子受到磁场施加的向心力Bze
作用,并且离子的离心力m2·
r-1也同时存在,当两力平衡时,离子
才能飞出弯曲区,即:
Bze=m2/r
其中B为磁感应强度,ze为电荷,为运动速度,m为质量,r
为曲率半径。
调整后可得:
=Bzer/m
m/z=B2r2e/2U
通过改变B、r、U这三个参数中的任一个并保持其余两个不变
的方法来获得质谱图。
现代质谱仪一般是保持U、r不变,通过电磁铁扫描磁场而获
得质谱图,故r即是扇形磁场的曲率半径,而使用感光板记录的质
谱仪中,B、U一定,r变化的。
仅用一个扇形磁场进行质量分析的
质谱仪称为单聚焦质谱仪,设计良好的单聚焦质谱仪分辨率可达
5000。
若要求分辨率大于5000,则需要双聚焦质谱仪。
一般商品化
双聚焦质谱仪的分辨率可达150,000;
质量测定准确度可达0.03g;
即对于相对分子质量为600的化合物可测至误差士0.0002u。
(2)飞行时间分析器
这种分析器的离子分离是非磁方式达到的,因为从离子源飞
出的离子动能基本一致,在飞出离子源后进入一长约1m的无场漂移
管,在离子加速后的速度为:
此离子达到无场漂移管另一端的时间
为:
t=L/
故对于具有不同m/z的离子,到达终点的时间差
由此可见,t取决于m/z的平方根之差。
因为连续电离和加速将导致检测器的连续输出而无法获得有
用信息,所以
TOF是以大约10KHz的频率进行电子脉冲轰击法产生正离子,随即
用一具有相同频率的脉冲加速电场加速,被加速的粒子按不同的
(m/z)1/2的时间经漂移管到达收集极上,并馈入一个水平扫描与
电场脉冲频率一致的示波器上,从而得到质谱图。
(3)四极滤质器
四极滤质器由四根平行的金属杆组成,其排布见右图所示。
被加速的离子束穿过对准四根极杆之间空间的准直小孔。
通过在四
极上加上直流电压U和射频电压Vcost,在极间形成一个射频场,
离子进入此射频场后,会受到电场力作用,只合适m/z的离子才会
通过稳定的振荡进人检测器。
只要改变U和V并保持U/V比值恒定时,可以实现不同m/z的检
测。
四极滤质器
四极滤质器分辨率和m/z范围与磁分析器大体相同,其极
限分辨率可达2000,典型的约为700。
其主要优点是传输效率较高,
入射离子的动能或角发散影响不大;
其次是可以快速地进行全扫
描,而且制作工艺简单,仪器紧凑,常用在需要快速扫描的GC-MS
联用及空间卫星上进行分析。
(4)离子阱检测器
离子阱是一种通过电场或磁场将气相离子控制并贮存一段时
间的装置。
离子阱由一环形电极再加上下各一的端罩电极构成。
以
端罩电极接地,在环电极上施以变化的射频电压,此时处于阱中具
有合适的m/z的离子
将在阱中指定的轨道上稳定旋转,若增加该电压,则较重离
子转至指定稳定轨道,而轻些的离子将偏出轨道并与环电极发生碰
撞。
当一组由电离源(化学电离源或电子轰击源)产生的离子由上
端小孔中进人阱中后,射频电压开始扫描,陷入阱中离子的轨道则
会依次发生变化而从底端离开环电极腔,从而被检测器检测。
这种
离子阱结构简单、成本低且易于操作,已用于GC-MS联用装置用于
m/z200~2000的分子分析。
(5)离子回旋共振分析器
5.检测与记录
质谱仪常用的检测器有法拉第杯、电子倍增器及闪烁计数器、
照相底片等。
现代质谱仪一般都采用较高性能的计算机对产生的信
号进行快速接收与处理,同时通过计算机可以对仪器条件等进行严
格的监控,从而使精密度和灵敏度都有一定程度的提高。
第二节质谱图及其应用
一、质谱图与质谱表
质谱法的主要应用是鉴定复杂分子并阐述其结构,确定元素
的同位素及分布等。
一般的质谱给出的数据有两种形式:
一是棒图
即质谱图,另一个为表格即质谱表。
质谱图是以质荷比(m/z)为
横坐标,相对强度为纵坐标构成。
一般将原始质谱图上最强的离子
峰为基峰并定为相对强度为100%,其它离子峰以对基峰的相对百分
值表示。
质谱表是用表格形式表示的质谱数据。
质谱表中有两项即质
荷比和相对强度。
从质谱图上可以直观地观察整个分子的质谱全
貌,而质谱表则可以准确地给出精确的m/z值及相对强度值,有助
于进一步分析。
二、离子峰
分子在离子源中可以产生各种电离,即同一种分子可以产生
多种离子峰,主要的有分子离子峰、碎片离子峰、亚稳离子峰和同
位素离子峰等。
(一)分子离子峰
试样分子在高能电子撞击下产生正离子,即;
M+eM++2e
式中M为待测分子,M+为分子离子或母体离子。
几乎所有的有机分子都可以产生可以辨认的分子离子峰。
有些
分子如芳香环分子可产生较大的分子离子峰,而高分子量的脂肪
醇、醚及胺等则产生较小的分子离子峰。
若不考虑同位素的影响分
子离子应该具有最高质量。
(二)碎片离子峰
分子离子产生后可能具有较高的能量,将会通过进一步碎裂
或重排而释放能量,碎裂后产生的离子形成的峰称为碎片离子峰。
有机化合物受高能作用时产生各种形式的分裂,一般强度最
大的质谱峰相应于最稳定的碎片离子。
通过各种
碎片离子相对峰高的分析,有可能获得整个分子结构的信
因为M+可能进一步断裂或重排,因此要准确地进行定性分析
最好与标准谱图进行比较。
(三)亚稳离子峰
若质量为m1的离子在离开离子源受电场加速后,在进入质
量分析器之前,由于碰撞等原因很容易进一步分裂失去中性碎片而
形成质量m2的离子,即
m1m2+△m
由于一部分能量被中性碎片带走,此时的m2离子比在离子源中
形成的m2离子能量小故将在磁场中产生更大的偏转,观察到的m/z
较小。
这种峰称为亚稳离子峰,用m*表示。
它的表观质量m*与m1、
m2的关系是:
m*=(m2)2/m1
式中m1为母离子的质量,m2为子离子的质量。
亚稳离子峰由于其具有离子峰宽大(约2~5个质量单位)、
相对强度低、m/z
不为整数等特点,很容易从质谱图中观察。
通过亚稳离子峰可以获得有关裂解信息,通过对m*峰观察
和测量,可找到相关母离子的质量与子离子的质量m2从而确定裂解
途径。
(四)同位素离子峰
有些元素具有天然存在的稳定同位素,所以在质谱图上出现
一些M+1,M+2的峰,由这些同位素形成的离子峰称为同位素离子
峰。
在一般有机分子鉴定时,可以通过同位素峰统计分布来确定其
元素组成,分子离子的同位素离子峰相对强度之比符合一定的统计
规律。
例如,在CH4的质谱图中,有其分子离子峰m/z=17、16,而
其相对强度之比
I17/I16=0.011。
而在丁烷中,出现一个13C的几率是甲烷的4倍,则分
子离子峰m/z=59、58的强度之比I59/I58=4×
0.011×
13=0.044;
同
样,在丁烷中出现一个M+2(m/z)同位素峰的几率为6×
12=0.0007;
即I59/I58=0.0007,非常小,故在丁烷质谱图中一般看不到(M+2)+峰。
(五)重排离子峰
在两个或两个以上键的断裂过程中,某些原子或基团从一个
位置转移到另一个位置所生成的离子,称为重排离子。
质谱图上相
应的峰为重排离子峰。
转移的基团常常是氢原子重排的类型很多,
其中最常见的一种是麦氏重排。
这种重排形式可以
归纳如下:
可以发生这类重排的化合物有:
酮、醛、酸、醋和其它含羰
基的化合物,含P=O,>S=O的化合物以及烯烃类和苯类化合物
等。
发生这类重排所需的结构特征是分子中有一个双键以及在位
置上有氢原子。
三、断裂方式及有机化合物的断裂图象
当电子轰击能量在50~70eV时,分子离子进一步分裂成各种
不同m/z的碎片离子。
碎片离子峰的相对丰度与分子中键的相对强
度、断裂产物的稳定性及原子或基团的空间排列有关。
其中断裂产
物的稳定性常常是主要因素。
由于碎片离子峰,特别是相对丰度大
的碎片离子峰与分子结构有密切的关系,所以,掌握有机分子的
裂解方式和规律,熟悉碎片离子和碎片游离基的结构,了解有机化
合物的断裂图象,对确定分子的结构是非常重要。
(一)断裂方式
有机化合物的断裂方式有三种类型:
均裂、异裂和半异裂。
均裂:
一个键的两个电子裂开,每个碎片上各保留一个电子。
异裂:
一个键的两个电子裂开后,两个电子都归属于其中某一个碎片
半异裂:
离子化键的开裂
(二)重要有机化合物的断裂规律和断裂图象
1.脂肪族化合物
(1)饱和烃类
直链烷烃分子离子,首先通过半异裂失去一个烷基游离基并
形成正离子,随后连续脱去28个质量单位(CH2=CH2):
在质谱图上,得到实验式是CnH2n+1(即m/z29、43、57、…)
的系列峰。
此外,在断裂过程中,由于伴随失去一分子氢,故可在
各比碎片离子峰低二个质量单位处出现一些链烯的小峰;
从而在质
谱图上得到实验式是CnH2n-1(即m/z27、41、55…)的另一系列峰。
在CnH2n-1的系列峰中,一般m/z43、57峰的相对强度较大。
分子
离子峰的强度则随其相对分子质量的增加而下降,但仍可见。
右图
为癸烷的质谱图。
支链烷烃的断裂,容易发生在被取代的碳原子上。
这是由于在正碳离子中,稳定性顺序如下:
通常,分支处的长碳链将最易以游离基形式首先脱出。
右图为2,2—二甲基庚烷的质谱图。
在图中看不到分子离子峰。
由于在分支处分子离子脱去游离基的顺序
熟悉碳氢化合物的质谱图是十分重要的。
因为在许多脂肪族
化合物的质谱中,除了不同官能团产生的峰外,同时也出现与烃类
相同的断裂模型。
(2)羧酸、酯和酰胺
羧酸、酯和酰胺容易发生开裂,产生酰基阳离子或另一种离
子在羧酸和伯酰胺中,主要是1断裂,产生m/z45(HO—C≡O+)
和m/z44(H2N—C≡O+)的离子。
在酯和仲、叔酰胺中,主要发
生2断裂。
当有-氢存在时,能发生麦氏重排,失掉一个中性碎片,
产生一个奇电子的正离子。
在酸、酯中得到的奇电子的正离子的
m/z值符合60+14n,而酰胺符合59+14n。
(3)醛和酮
醛和酮的分子离子峰均是强峰。
醛和酮容易发生开裂,产生酰基阳离子。
通常,R1、R2中较大者容易失去。
但是,醛上的氢不易失去,
常常产生m/z29的强碎片离子峰。
酮则产生经验式为CnH2n+1CO+
(m/z43、57、71…)的碎片离子峰。
这种碎片离子峰的m/z与CnH2n+1+离子一样,故需用高分辨质谱仪才能区分它们。
当有-氢存在时,醛和酮均能发生麦氏重排,产生m/z符合
44+14n的碎片离子。
例如,甲基正丙基酮的重排峰为m/z58,正丁醛为m/z44。
(4)醇、醚和胺
醇、醚和胺容易发生断裂,形成m/z符合31+14n的正离子或
m/z符合30+14n的亚胺正离子,构成质谱图上的主要强峰。
例如:
醚类化合物除可发生断裂外,也能发生断裂。
醇、醚和胺的分子离子峰都很弱,尤其是长链脂肪醇,容易发生1,3或1,4脱水,形成(M-18)峰。
此峰容易被误认为醇、醚等的分子离子峰。
(5)卤化物
卤化物容易发生C-X键断裂,正电荷可以留在卤原子上,也
可留在烷基上。
卤化物有类似于醇的脱水过程,脱去HX:
此外,卤化物可发生开裂,形成卤正离子:
(二)芳香族化合物
芳香族化合物有电子系统,因而能形成稳定的分子离子。
在质谱图上,它们的分子离子峰有时就是基峰。
此外,由于芳香族
化合物非常稳定,常常容易在离子源中失去第二个电子,形成双电
荷离子。
在芳香族化合物的质谱中,常常出现m/z符合CnHn+的系列峰
(m/z78、65、52、39)和(或)m/z77、76、64、63、51、50、38、
37的系列峰,后者是由于前者失去一个或两个氢后形成的。
这两组
系列峰可以用来鉴定芳香化合物。
芳香族化合物可以发生相对于苯环的开裂。
烷基芳烃的这种
断裂,产生m/z91的基峰,进一步失去乙炔,产生m/z65的正离子:
环的位上的碳被取代时,基峰就变成91+14n。
芳香醚发生断裂后,产生的正离子为:
正离子不稳定,失去CO后,生成m/z65离子。
硝基化合物首先经历一个重排,然后失去NO,产生与芳香醚同样
类型的离子,最后生成m/z65离子:
芳香醛、酮和酯类化合物发生断裂后,产生m/z105的然后进
一步失去CO,生成m/z77的苯基阳离子:
芳香化合物也可发生断裂,
生成m/z77的苯基阳离子,然后进一步失去CH3≡CH3生成m/Z51
(C4H3+)离子:
四、质谱定性分析
质谱可以进行纯物质的相对分子质量测定、化学式确定及结
构鉴定等。
五、质谱的定量分析
质谱检出的离子强度与离子数目成正比,通过离子强度可进行定量分析。