第十六章（质谱法）第十六章：质谱法

第十六章：质谱法质谱法（MS）：应用多种离子化技术将物质分子转化为气态粒子，并按质荷比大小进行分离并记录其信息，从而进行物质成分核结构分析的方法。
特点：

灵敏度高
响应时间短，分析速度快
信息量大

第一节：质谱法的基本原子核质谱仪构成：样品导入系统、离子源、质量分析器、检测器、放大器记录器
质谱法基本原理
质谱表示方法
棒图（质谱图）、表格（质谱表）
质谱仪
组成：真空系统、样品导入系统、离子源、质量分析器、离子检测系统、计算机控制及数据处理系统
真空系统离子源真空度为10-310^-5^，质量分析器真空度10^-3^10-6
样品导入系统

间接式进样系统：气体和易挥发试样
直接探针进样系统：
色谱联用导入试样：

离子源 【第十六章（质谱法）】将气态样品分子转化成粒子并对粒子进行加速，同时具有准直和聚集作用，使离子汇聚成具有一定几何形状和能量的离子束进入质量分析器

电子轰击电离源EI：硬电离，小分子。
1. 优点：非选择性电离，电离效率高；应用广，技术成熟，重现性好；灵敏度高；稳定性好，操作简便
2. 缺点：试样必须汽化不适于难挥发、热敏性物质；有的化合物在EI方式下分子离子不稳定，得不到分子离子峰
电喷雾电离ESI：
化学电离CI：高能电子流轰击反应气体使之电离，生成初级离子；然后初级离子与未电离的反应气体反应生成二次加和离子，二次离子与样品分子碰撞，使样品电离
1. 优点：软电离，分子离子峰大；易获得有关化合物基团的信息；适宜做多离子检测；
2. 缺点：不能制作标准图谱；碎片粒子少；不适于热不稳定、难挥发物质
快原子轰击源FAB：
1. 优点：软电离，较强的分子离子或准分子离子；无需加热离子化能力强，适合于热不稳定、强极性分子、生物分子及配合物的分析
2. 缺点：重现性差、对于非极性化合物灵敏度低，基质在低质量区产生较多干扰峰
大气压电离源API：大气压下的质谱离子化技术总称，包括电喷雾离子化ESI、大气压化学离子化APCI大气压光离子化APPI
基质辅助激光解吸电离MALDI：利用激光波长范围具有吸收并能提供质子的基质，将样品与其混合物溶解并形成混合体，在真空下用激光束轰击样品和基质共结晶，基质吸收激光能量并传递给样品，从而使样品解吸电离。
1. 优点：准分子离子峰强，对杂质耐受量大，可测相对分子量40万以上物质

质量分析器

磁质量分析器：
1. 单聚焦质量分析器：方向聚焦
2. 双聚焦质量分析器：速度聚焦、方向聚焦（分辨率高但是价格贵体积大操作和调整困难）
四极杆质量分析器：可以快速扫描和在相对低真空下进行，有利于色谱联用；制作工艺简单，仪器紧凑；缺点：分辨率低于双聚焦质量分析器；质量范围窄；不能提供亚稳离子信息
飞行时间质量分析器TOF：质荷比越大到达接收器所用时间越长，质荷比越小，到达接收器所用时间越短
1. 优点：检测离子质荷比没有上限；可获得高分辨率质谱；结构简单便于维护
2. 缺点：要求离子尽可能同时开始飞行，需要脉冲开关
离子阱质量分析器：通过电场或磁场将气相离子控制并贮存一段时间

离子检测器法拉第环、光电倍增管、电子倍增管、微通道板、闪烁计数器
质谱仪的主要性能指标

质量范围：质谱仪能够进行分析的样品的相对原子质量或m/z最小到最大的质量范围
分辨率R：若有两个相等强度的相邻峰，当两峰的峰谷不大于其峰10%时，认为两峰已经分开
灵敏度：绝对灵敏度、相对灵敏度、分析灵敏度
质量准确度：离子质量实测值与理论值的相对误差

第二节：质谱中的主要离子及其裂解类型质谱中主要离子

分子离子：
碎片离子：
亚稳离子：飞行过程中失去中性碎片而形成低质量离子，一部分能量被中性碎片带走，具有峰宽大、相对强度低、m/z不为整数。亚稳离子的出现表明两个离子峰之间有母子亲缘关系，可以辅助判断裂解途径
同位素离子：C、S、Cl、Br；单独含有氯或溴的有机化合物，同位素的峰强度比可近似按二次展开式计算

阳离子的裂解类型
奇数电子离子OE：具有未配对电子的离子
偶数电子离子EE：无未配对电子的离子
判断碎片离子含有偶数还是奇数个电子有下列规律：由C、H、O、N如果N为偶数，离子质量数为偶数，必含奇数个电子，如果N为奇数，离子质量数为偶数，必含偶数电子。
失去电子难易程度：n>π>σ，断裂后正电荷一般在杂原子上，或在π键上
单纯开裂仅一个化学键发生断裂称为单纯开裂有均裂、异裂、半异裂（已离子化的σ键开裂）3种方式。
重排开裂质谱中某些离子通过断裂两个或两个以上的化学键重新排列形成

McLafferty重排：γ-H和双键之间
Retro Diels-Alder重排：不饱和环的开裂

第三节：有机化合物的质谱解析分子式的确定
分子离子峰的识别：

分子离子峰必须复合氮规则：
有机化合物分子离子峰稳定性顺序：芳环——共轭多烯——烯——环状化合物——羰基化合物——直链烷烃——醚——酯——胺——醇——高度分支链
分子离子峰与其相邻质荷比较小的碎片离子质量差应合理：4~14是不合理的，出现21~25、37~38、50~53也是不合理的
分子离子峰的强弱与实验条件有关
考虑准分子离子峰：M+1、M-1

相对分子质量测定：
分子式的确定：同位素离子峰确定（Beynon表）、高分辨率质谱仪精确测定
有机化合物的结构鉴定
几种有机化合物的质谱

烃类：
1. 烷烃：5条，直链烷烃，支链烷烃，氢重排
2. 烯烃：分子离子峰比烷烃强，容易发生β裂解、麦氏重排
3. 芳烃：分子离子稳定，烷基取代基易发生β-裂解，α裂解，麦氏重排，特征离子91、77、65、39
饱和脂肪醇：分子离子峰弱，容易失去一个水，α裂解
醛和酮：
1. 醛：分子离子峰强，α裂解（M-1是醛类特征峰），麦氏重排，长链脂肪醛还可以发生β裂解
2. 酮：与醛相似，重要的是α裂解，分子离子峰明显，α裂解后较大的酰基还可以丢失中性分子CO得到烷基正离子，具有γ氢的醛能发生麦氏重排
羧酸与酯类：脂肪酸分子离子峰弱，芳香羧酸分子离子峰强，易发生α裂解，麦氏重排，产生60的强特征离子峰
含氮化合物：
1. 脂肪胺类：分子离子峰弱，α裂解（课本上是β裂解），伯酰胺在R-CONH2处裂解
2. 芳胺：分子离子峰强，中等强度M-1峰伯胺易失去HCN，苯胺有明显的66、65环戊二烯离子峰，有烃基侧链的苯胺发生苄基断裂生成106峰
3. 酰胺：分子离子峰弱，具有羰基化合物开裂特点，α裂解，麦氏重排