武汉大学《分析化学》第五版课件 第十六章_质谱法.ppt

单击此处编辑母版样式,单击此处编辑幻灯片母版样式,第二层,第三层,第四层,第五层,*,第十六章 质 谱 法,（,Mass Spectrometry,，,MS,）,质谱法是通过将样品转化为运动的气态离子并按质荷比,(M,Z),大小进行分离并记录其信息的分析方法。,所得结果以图谱表达，即所谓的质谱图（亦称质谱，,Mass Spectrum,）。,根据质谱图提供的信息可以进行多种有机物及无机物的定性和定量分析、复杂化合物的结构分析、样品中各种同位素比的测定及固体表面的结构和组成分析等。,从,20,世纪,60,年代开始，质谱法更加普遍地应用到有机化学和生物化学领域。化学家们认识到由于质谱法的独特的电离过程及分离方式，从中获得的信息是具有化学本性，直接与其结构相关的，可以用它来阐明各种物质的分子结构。正是由于这些因素，质谱仪成为多数研究室及分析实验室的标准仪器之一,。,16.l,质谱仪,(,一）质谱仪的工作原理,质谱仪是利用电磁学原理，使带电的样品离子按质荷比进行分离的装置。离子电离后经加速进入磁场中，其动能与加速电压及电荷,Z,有关，即,其中,z,为电荷数，,e,为元电荷（,e=1.6010,-19,C,），,U,为加速电压，,m,为离子的质量，,为离子被加速后的运动速度。具有速度,的带电粒子进入质谱分析器的电磁场中，根据所选择的分离方式，最终实现各种离子按,m,z,进行分离。,（,二）质谱仪的主要性能指标,1,质量测定范围,质谱仪的质量测定范围表示质谱仪所能够进行分析的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（,unified atomic mass unit,，,符号,u,）,进行度量。原子质量单位是由,12,C,来定义的，即一个处于基态的,12,C,中性原子的质量的,1/12,，即,=1.66054,10,-24,g/,12,C,原子,=1.66054,10,-27,kg/,12,C,原子,而在非精确测量物质的场合，常采用原子核中所含质子和中子的总数即“质量数”来表示质量的大小，其数值等于其相对质量数的整数。,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质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，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,其中,m,1,、,m,2,为质量数，且叫,m,1,m,2,。，,故在两峰质量数较小时，要求仪器分辨率越大。,而在实际工作中，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,W,0.05,，,即可当作上式中的,m,，,此时分辨率定义为,R=m/W,0.05,如果该峰是高斯型的，上述两式计算结果是一样的。,【,例,16,1】,要鉴别,N,+,2,（,m/z,为,28,006,）和,CO,+,（,m/z,为,27,995,）两个峰，仪器的分辨率至少是多少,?,在某质谱仪上测得一质谱峰中心位置为,245u,，,峰高,5,处的峰宽为,0.52u,，,可否满足上述要求？,解,:,要分辨,N,+,2,和,CO,+,，,要求质谱仪分辨率至少为：,质谱仪的分辨率：,R,sp,=245/0.52=471,R,sp,R,need,，,故不能满足要求。,质谱仪的分辨本领由几个因素决定：,（,i,）,离子通道的半径；,(ii,）,加速器与收集器狭缝宽度；（,iii,）,离子源的性质。,质谱仪的分辨本领几乎决定了仪器的价格。分辨率在,500,左右的质谱仪可以满足一般有机分析的要求，此类仪器的质量分析器一般是四极滤质器、离子阱等，仪器价格相对较低。若要进行准确的同位素质量及有机分子质量的准确测定，则需要使用分辨率大于,10000,的高分辨率质谱仪，这类质谱仪一般采用双聚焦磁式质量分析器。目前这种仪器分辨率可达,100000,，当然其价格也将会是低分辨率仪器的,4,倍以上。,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,m,z,的离子来进行分离分析的。质谱仪须有,进样系统、电离系统、质量分析器和检测系统,。为了获得离子的良好分析，必须避免离子损失，因此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。,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,l,310,-4,l,310,-5,Pa,，,质量分析器中应达,l,310,-6,Pa,）。,若真空度过低，则会造成离子源灯丝损坏、本底增高、到反应过多，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真空后，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,进样系统的目的是高效重复地将样品引人到离子源中并且不能造成真空度的降低。目前常用的进样装置有三种类型：,间歇式进样系统,、,直接探针进样及色谱进样系统,。一般质谱仪都配有前两种进样系统以适应不同的样品需要，有关色谱进样系统将在专门章节介绍。,（,l,）,间歇式进样系统,该系统可用于气体、液体和中等蒸气压的固体样品进样，典型的设计如图,21,3,所示。,通过可拆卸式的试样管将少量（,10,100g,）,固体和液体试样引入试样贮存器中，由于进样系统的低压强及贮存器的加热装置，使试样保持气态。实际上试样最好在操作温度下具有,1.30.13Pa,的蒸气压。由于进样系统的压强比离子源的压强要大，样品离子可以通过分子漏隙（通常是带有一个小针孔的玻璃或金属膜）以分子流的形式渗透过高真空的离子源中。,（,2,）,直接探针进样对那些在间歇式进样系统的条件下无法变成气体的固体、热敏性固体及非挥发性液体试样，可直接引人到离子源中，图,21,4,所示为一直接引人系统。,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。,离子源是质谱仪的心脏,，可以将离子源看作是比较高级的反应器，其中样品发生一系列的特征降解反应，分解作用在很短时间（,1s,）,内发生，所以可以快速获得质谱。,许多方法可以将气态分子变成离子，它们已被应用到质谱法研究中，表,21,l,列出了各种离子源的基本特征。,（,l,）,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,e M,+,2e,式中,M,为待测分子，,M,+,为,分子离子,或,母体离子,。,电子束产生各种能态的,M,+,。,若产生的分子离子带有较大的内能（转动能、振动能和电子跃迁能），可以通过碎裂反应而消去，如,M,+,1,M,+,3,M,+,M,+,2,M,+,4,式中,M,+,1,，,M,+,2,为较低质量的离子,而有些分子离子由于形成时获能不足，难以发生碎裂作用，而可能以分子离子被检测到。图,21-5,所示为一电子轰击源的示意图。在灯丝和阳极之间加入约,70V,电压，获得轰击能量为,70eV,的电子束（一般分子中共价键电离电位约,10eV,），,它与进样系统引入气体束发生碰撞而产生正离子。正离子在第一加速电极和反射极间的微小电位差作用下通过第一加速电极狭缝，至质量分析器电极狭缝，而第一加速极与第二加速极之间的高电位使正离子获得其最后速度，经过狭缝进一步准直后进人质量分析器,。,（,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一分子反应来进行，而不是用强电子束进行电离。离子（为区别于其他离子，称为试剂离子）与试样分子按下列方式进行反应，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,+l,电荷的离子。,化学电离源一般在,1.310,2,1.310,3,Pa,压强下工作（现已发展出大气压下化学电离技术），其中充满,CH,4,，,首先用高能电子进行电离产生,CH,5,+,和,C,2,H,5,+,，,即,CH,4,e CH,4,+,2e,CH,4,+,CH,3,+,+H,CH,4,+,和,CH,3,+,很快与大量存在的,CH,4,分子起反应，即,CH,4,+,CH,4,CH,5,+,CH,3,CH,3,+,CH,4,C,2,H,5,+,H,2,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,1:1000,）,导入离子源，试样分子（,SH,）,发生下列反应：,CH,5,+,SH SH,2,+,CH,4,C,2,H,5,+,SH S,+,C,2,H,6,。,SH,2,+,和,S,+,然后可能碎裂，产生质谱。由,(M,十,H),或,(M-H),离子很容易测得其相对分子质量,.,化学电离法可以大大简化质谱，若采用酸性比,CH,5,+,更弱的,C,4,H,9,+,（,由异丁烷）、,NH,4,+,（,由氨）、,H,3,0,+,（,由水）的试剂离子则可更进一步简化。,（,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,10,7,10,8,Vcm,-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狭缝进人质量分析器。阳极前端必须非常尖锐才能达到电离所要求的电压梯度，通常采用经过特殊处理的电极，在电极表面制造出一些微碳针（,1m,），,大量的微碳针电极称为多尖陈列电极，在这种电极上的电离效率比普通电极高几个数量级。,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一离子碰撞反应产生的，主要为分子离子和（,M,l,）,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,30 kV,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。火花源具有一些优点：对于几乎所有元素的灵敏度较高，可达,10,-9,；可以对极复杂样品进行元素分析，对于某个试样已经可以同时测定,6O,种不同元素；信息比较简单，虽然存在同位素及形成多电荷离子因素，但质谱仍然比原子发射光谱法的光谱要简单得多；一般线性响应范围都比较宽，标准核准比较容易。但由于仪器设备价格高昂，操作复杂，限制了使用范围。,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。,随着微电子技术的发展，也可以采用这些分析器的变型。,（,l,）,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，见图,21,7,。,此时离子受到磁场施加的向心力,Bze,作用，且离子的离心力,m,2,r,-1,也同时存在，,r,为离子圆周运动的半径。只有在上述两力平衡时，离子才能飞出弯曲区，即,Bze,=m,2,/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,zeU,=1/2m,2 ,例,21-2,试计算在曲率半径为,10cm,的,1.2T,的磁场中，一个质量数为,100,的一价正离子所需的加速电压是多少？,解,:,据方程（上式）,=6.9410,3,V,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,。单聚焦质谱仪中影响分辨率提高的两个主要因素是离子束离开离子枪时的角分散和动能分散，因为各种离子是在电离室不同区域形成的。为了校正这些分散，通常在磁场前加一个静电分析器（,Elctrostatic,Analyzer,，,ESA,），,这种设备由,两个扇形圆筒组成，向外电极加上正电压，内电极为负压（见图,21-8,）,。,一般商品化双聚焦质谱仪的分辨率可达,150000,，质量测定准确度可达,0.03g,g,-1,，,即对于相对分子质量为,600,的化合物可测至误差上,0,0002u,。,（,2,）,飞行时间分析器 （,Time of Flight,，,TOF,）,这种分析器的离子分离是用非磁方式达到的，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,lm,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),的时间经漂移管到达收集极上，并馈入一个水平扫描频率与电场脉冲频率一致的示波器上，从而得到质谱图。用这种仪器，每秒钟可以得到多达,1000,幅的质谱。,(3),四极滤质器,(,Quadrupole,Mass Filter),四极滤质器由四根平行的金属杆组成，其排布见图,21-9,所示。理想的四杆为双曲线，但常用的是四支圆柱形金属杆，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，正电极电压为,U,Vcost,，,负电极为,-(U,Vcost,).,离子进入此射频场后，会受到电场力作用，只有合适,m,z,的离子才会通过稳定的振荡进入检测器。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。已有多种形式的离子阱使用，但常见的有两种形式：一种是后面要讲到的离子回旋共振技术，另一种是下述的较简单的离子阱,。,图,21-10,是离子阱的一种典型构造及示意图，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,加的离子将在环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入阱中后，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,Z 200,2000,的分子分析。,（,5,）,离子回旋共振分析器,（,Iic,Cyclotron Resonance,，,ICR,）,当一气相离子进入或产生于一个强磁场中时，离子将沿与磁场垂直的环形路径运动，称之为回旋，其频率,c,可用下式表示：,回旋频率只与,m,z,的倒数有关。增加运动速度时，离子回旋半径亦相应增加。,回旋的离子可以从与其匹配的交变电场中吸收能量（发生共振）。当在回族器外加上这种电场，离子吸收能量后速度加快，随之回旋半径逐步增大；停止电场后，离子运动半径又变为常数。,当图,21-11,中为一组,m,z,相同的离子时，合适的频率将使这些离子一起共振而发生能量变化，其他,m,z,离子则不受影响。,由于共振离子的回族可以产生称之为相电流的信号，相电流可以在停止交变电场后观察到。将图中开关置于,2,位时，离子回旋在两极之间产生电容电流,电流大小与离子数有关，频率由共振离子的,m/z,决定。在已知磁场,B,存在时通过不同频率扫描,可以获得不同,m,z,的信息。,感应产生的相电流由于共振离子在回旋时不断碰撞而失去能量并归于热平衡状态而逐步消失，这个过程的周期一般在,0.1,0.10s,之间,相电流的衰减信号与,Fourier,变换,NMR,中的自由感应衰减信号（,FID Signal,）,类似。,5,检测与记录,质谱仪常用的检测器有法拉第杯,(Faraday Cup),、,电子倍增器及闪烁计数器、照相底片等。,Faraday,杯是其中最简单的一种，其结构如图,21-12,所示,。,Faraday,杯与质谱仪的其他部分保持一定电位差以便捕获离子，当离子经过一个或多个抑制栅极进入杯中时，将产生电流，经转换成电压后进行放大记录,。,Faraday,杯的优点是简单可靠，配以合适的放大器可以检测,10,-15,A,的离子流。但,Faraday,杯只适用于加速电压,1kV,的质谱仪，因为更高的加速电压使产生能量较大的离子流，这样离子流轰击入口狭缝或抑制栅极时会产生大量二次电子甚至二次离子，从而影响信号检测。,16.2,质谱图及其应用,（）,质谱图与质谱表,质谱法的主要应用是鉴定复杂分子并阐明其结构、确定元素的同位素质量及分布等。一般质谱给出的数据有两种形式：一是棒图及质谱图，另个为表格即质谱表。,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定为基峰并定为相对强度,1O0,，,其他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及相对强度。从质谱图上可以很直观地观察到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。,丙 酸 的 质 谱 表。,（）,分子离子峰、碎片离子峰、亚稳离子峰及其应用,质谱信号十分丰富。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，其中比较主要的有分子离子峰、同位素离子峰、碎片离子峰、重排离子峰、亚稳离子峰等。,1,分子离子峰,试样分子在高能电子撞击下产生正离子，即,M,e M,+,2e,M,+,称为分子离子或母离子,(,parrent,ion,）。,分子离子的质量对应于中性分子的质量，这对解释本知质谱十分重要。,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，而高分子量的烃、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。,分子中若含有偶数个氮原子，则相对分子质量将是偶数；反之，将是奇数。这就是所谓的“氮律”。,正确地解释分子离子峰十分重要，在有机化学及波谱分析课程中将有较详细的介绍。,2,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然而释放能量，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会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息。但由此获得的分子拼接结构并不总是合理的，因为碎片离子并不是只由,M,+,一次碎裂产生，而且可能会由进一步断裂或重排产生，因此要准确地进行定性分析最好与标准图谱进行比较。,有机化合物断裂方式很多，也比较复杂，但仍有几条经验规律可以应用。,有机化合物,中，,C,C,键不如,C,H,键稳定，因此烷烃的断裂一般发生在,C,C,键之间，且较易发生在支链上。形成正离子稳定性的顺序是三级二级一级，如,2,，,2,一二甲基丁烷，可以预期在高能离子源中断裂发生在带支链的碳原子周围。形成较稳定的,m,z=71,或,m,z=57,的离子,在烃烷质谱中,C,3,H,5,+,、,C,3,H,7,+,、,C,4,H,7,+,、,C,4,H,9,+,（,m,z,依次为,41,，,43,，,55,和,57,）占优势，在,m,z,57,区出现峰的相对强度随,m,z,增大而减小，而且会出现一系列,m,z,相差,14,的离子峰，这是由于碎裂下来一,CH,2,一的结果。,在含有杂原子的饱和脂肪族化合物质谱中，由于,杂原子的定位作用,，断裂将发生在杂原子周围。对于含有电负性较强的杂原子如,Cl,、,Br,等，发生以下反应：,R,X R,+,X,而可以通过共振形成正电荷稳定化的离子时，可发生以下反应,烯烃多在双键旁的第二个键上断裂，丙烯型共振结构对含有双键的碎片有着明显的稳定作用，但因重排效应，有时很难对长链烯烃进行定性分析。,CH3-CH=CH CH3 CH,CH=C,+,H,含有,C,0,的化合物通常在与其相邻的键上断裂，正电荷保留在含,C,0,的碎片上：,苯是芳香化合物中最简单的化合物，其图谱中,M,+,通常是最强峰。在取代的芳香化合物中将优先失去取代基形成苯甲离子，而后进一步形成草嗡离子：,因此在苯环上的邻、间、对位取代很难通过质谱法来进行鉴定。,3,亚稳离子峰,若质量,为,m,1,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,为,m,2,的离子，,即,m,1,m,2,+m,，,由于一部分能量被中性碎片带走，此时的,m,2,离子比在离子源中形成的,m,2,离子能量小，故将在磁场中产生更大偏转，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,m,1,、,m,2,的关系是：,m*,（,m,2,）,2,/m,1,式中,m,1,为母离子的质量，,m,2,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出来。,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,m,1,与子离子的质量,m,2,，,从而确定裂解途径。如在十六烷质谱中发现有几个亚稳离子峰，其质荷比分别为,32.8,，,29.5,，,28.8,，,25.7,和,21.7,，其中,29.5412,57,，则表示存在分裂：,C,4,H,9,+,C,3,H,5,+,CH,4,（,m,z=57,）（,m,z=41,）,但并不是所有的分裂过程都会产生,m*,因此没有,m*,峰并不意味着没有某一分裂过程。,4.,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,这种重排的类型很多其中最常见的一种是麦氏重排,（,Mclafferty,rearrangement,）,形式可以归纳如下：,可以发生这类重排的化合物有：酮、醛、酸、酯和其它合羰基的化合物，含,P=O,，夕,S=0,的化合物合物以及烯烃类和苯环化合物等不难看出，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,5,多电荷离子峰,一分子失去一个电子后，成为高激发态的分子离子，为单电荷离子有时，某些非常稳定的分子，能失去两个或两个以上的电子，这时在质量数为,m/ze,（,z,为失去的电子数）的位置上，出现多电荷离子峰应该指出，多电荷离子峰的质荷比，可能是整数，也可能不是整数，如是后者在质谱图上容易发现。,多电荷离子峰的出现。表明被分析的样品异常的稳定，例如，芳香族化合物和含有共轭体系的分子，容易出现双电荷离子峰,（,三）同位素离子峰及应用,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,l,，,M,2,的峰，由这些同位素形成的离子峰称为同位素离子峰。,一些常见的同位素相对丰度如表,21-2,所示，其确切质量（以,C,为,12.000000,为标准）及天然丰度列于表,21.3,。,在一般有机分子鉴定时，可以通过同位素峰的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总是符合统计规律的。如在,CH,4,质谱中，有其分子离子峰,m,z=17,、,16,，,而其相对强度之比,I,17,I,16,=0.011,而在丁烷中，出现一个,13,C,的几率是甲烷的,4,倍，则分子离子峰,m,z=59,、,58,的强度之比,I,59,I,58,=0.044,同样，在丁烷中出现,M+2(m/z=60),同位素峰的几率为,0.00024,，即,I,60,/I,58,0,00O24,，,非常小，故在丁烷质谱中一般看不到,(M,2),+,峰。,在其他元素存在时也有同样的规律性，如在,CH,3,Cl,、,C,2,H,5,Cl,等分子中,I,M,2,I,M,=32.5%,而在含有一个溴原子的化合物中,(M+2),+,峰的相对强度几乎与,M,+,峰的相等。,（,四）质谱定性分析,质谱是纯物质鉴定的最有力工具之一，其中包括相对分子质量测定、化学式确定及结构鉴定等。,1,相对分子质量的测定,如前所述，从分子离子峰的质荷比的数据可以准确地测定其相对分子质量，所以准确地确认分子离子峰十分重要。虽然理论上可认为除同位素峰外分子离子峰应是最高质量处的峰，但在实际中并不能由此简单认定。有时由于分子离子稳定性差而观察不到分子离子峰，因此在实际分析时必须加以注意。,在纯样品质谱中，分子离子峰应具有以下性质：,（,l,）,原则上除同位素峰外它是最高质量的峰。但要注意某些样品会形成质子化离子,(M,H),+,峰（醚，脂，胺等），去质子化离子,(M,H)+,峰（芳醛、醇等）及缔合离子,(M,R),+,峰。,（,2,）它要符合“氮律”。在只含,C,，,H,，,0,，,N,的化合物中，不含或含偶数个氮原子的分子的质量数为偶数，含有奇数个氮原子的分子的质量数为奇数。这是因为在由,C,，,H,，,0,，,N,P,卤素等元素组成的有机分子中，只有氮原子的化合价为奇数而质量数为偶数。,（,3,）,存在合理的中性碎片损失。因为在有机分子中，经电离后，分子离子可能损失一个,H,或,CH,3,，,H,2,0,，,C,2,H,4,等碎片，相应为,M-l,，,M-15,，,M-18,，,M-28,碎片峰，而不可能出现,M,3,至,M,14,，,M,一,21,至,M,24,范围内的碎片峰，若出现这些峰，则峰不是分子离子峰。,（,4,）在,EI,源中，若降低电子轰击电压，则分子离子峰的相对强度应增加；若不增加则不是分子离子峰。,由于分子离子峰的相对强度直接与分子离子稳定性有关，其大致顺序是：芳香环共轭烯烯脂环羰基化合物直链碳氢化合物 醚脂胺酸醇支链烃,在同系物中，相对分子质量越大则分子离子峰相对强度越小。,2,化学式的确定,由于高分辨的质谱仪可以非常精确地测定分子离子或碎片离子的质荷比（误差可小于,10,-5,），则利用表,21-3,中的确切质量求算出其元素组成。如,CO,与,N,2,两者的质量数都是,28,但从表,21-3,可算出其确切质量为,27.9949,与,28.0061,，若质谱仪测得的质行比为,28.0040,则可推断其为,N,2,。,同样，复杂分子的化学式也可算出。,在低分辨的质谱仪上，则可以通过同位素相对丰度法推导其化学式，同位素离子峰相对强度与其中各元素的天然丰度及存在个数成正比，对于一个,C,w,H,x,N,y,O,z,的化合物，其同位素离子峰,(M+l),+,、,(M,2),+,与分子离子峰,M,+,的强度之比为,忽略,2,H,17,O,影响，则上述二式略为,利用精确测定的,(M+1)+,，,(M+2)+,相对于,M+,的强度比值，可从,Beynon,表中查出最可能的化学式，再结合其他规则，确定化学式。,对于含有,Cl,，,Br,，,S,等同位素天然丰度较高的元素的化合物，其同位素离子峰相对强度可由（,a,b,）,n,展开式计算，式中,a,，,b,分别为该元素轻、重同位素的相对丰度，,n,为分子中该元素个数。如在,CH,2,Cl,2,中，对元素,Cl,来说，,a=3,b,l,，,n,2,故（,a,b,）,n,=9,6,l,，,则其分子离子峰与相应同位素离子峰相对强度之比为,:,m/z84(M):m/z86(M+2):m/z88(M+4)=9:6:1,若有多种元素存在时，则以,(a+b),n,(a,+b,),n,计算。,例,16.3,某有机物的,Mr,为,104,(I,M+1,/I,M,)%=6.45,，,(I,M+2,/I,M,)%=4.77,，,试推出其化学式。,解,:,由于,(I,M+2,/I,M,)%,4.44,说明有,S,，,Cl,，,Br,等存在，但,32.5,（,I,M+2,/I,M,）,4.44,说明未知物中含有,1,个,S,，,且不含,Cl,、,Br,。因,Beynon,表只列有含,C,H,N,O,的有机物数值，故扣除,S,的贡献：,(I,M+1,/I,M,)=6.45-0.80=5.65,(I,M+2,/I,M,)%=4.77-4.44=0.33,剩余质量,=10432,72,查,Beynon,表，质量数为,72,的大组，共有,15,个元素组合，与上述,(I,M+1,/I,M,),(I,M+2,/I,M,),接近的列于表,21-4.,三者只有,C,5,H,12,的,(I,M+1,I,M,),最接近，故化学式可能为,C,5,H,12,S.,3.,结构鉴定,纯物质结构鉴定是质谱最成功的应用领域，通过对谱图中各碎片离子、亚稳离子、分子离子的化学式、,m/z,相对峰高等信息，根据各类化合物的分裂规律，找出各碎片离子产生的途径，从而拼凑出整个分子结构。根据质谱图拼出来的结构，对照其他分析方法，得出可靠的结果。,另一种方法就是与相同条件下获得的已知物质标准图谱比较来确认样品分子的结构。,（,五）质谱定量分析,1.,同位素测量,同位素离子的鉴定和定量分析是质谱发展起来的原始动力，至今稳定同位素测定依然十分重要，只不过不再是单纯的元素分析而已。分子的同位素标记对有机化学和生命化学领域中化学机理和动力学研究十分重要，而进行这一研究前必须测定标记同位素的量，质谱法是常用的方法之一。如确定氘代苯,C,6,D,6,。,的纯度，通常可用,C,6,D,6,+,与,C,6,D,5,H,+,、,C,6,D,6,H,2+,等分子离子峰的相对强度来进行。对其他涉及标记同位素探针、同位素稀释及同位素年代测定工作都可以用同位素离子峰来进行。后者是地质、考古等工作中经常进行的质谱分析，,一般通过测定,36,Ar,40,Ar,（,由半衰期为,1.310,9,的,40,K,之,K,俘获产生）的离子峰相对强度之比求出,4O,Ar,从而推算出年代。,2.,无机痕量分析,火花源的发展使质谱法可应用于无机固体分析，成为金属合金、矿物等分析的重要方法，它能分析周期表中几乎所有元素，、灵敏度极高，可检出或半定量测定,10,-9,范围内浓度。由于其谱图简单且各元素谱线强度大致相当，应用十分方便。,电感耦合等离子光源引入质谱后（,ICP,MS,），,有效地克服了火花源的不稳定、重现性差、离子流随时间变化等缺点，使其在无机痕量分析中得到了广泛的应用。,3,混合物的定量分析,利用质谱峰可进行各种混合物组分分析，早期质谱的应用很多是对石油工业中挥发性烷烃的分析。,在进行分析的过程中，保持通过质谱仪的总离子流恒定，以使用于得到每张质谱或标样的量为固定值，记录样品和样品中所有组分的标样的质谱图，选择混合物中每个组分的一个共有的峰，样品的峰高假设为各组分这个特定,m,z,峰峰高之和，从各组分标样中测得这个组分的峰高，解数个联立方程，似求得各组分浓度。,用上述方法进行多组分分析时费时费力且易引入计算及测量误差，故现在一般采用将复杂组分分离后再引入质谱仪中进行分析，常用的分离方法是色谱法。,16.3,色谱一质谱联用技术,质谱法可以进行有效的定性分析，但对复杂有机化合物分析就无能为力了，而且在进行有机物定量分析时要经过一系列分离纯化操作，十分麻烦。而色谱法对有机化合物是一种有效的分离和分析方法，特别适合进行有机化合物的定量分析，但定性分析则比较困难，因此两者的有效结合必将为化学家及生物化学家提供一个进行复杂化合物高效的定性定量分析的工具。,这种将两种或多种方法结合起来的技术称为联用技术（,Hyphenated Method,），,利用联用技术的有气相色谱一质谱（,G,MS,）、,液相色谱一质谱（,LC,MS,）、,毛细管电泳一质谱（,CZE,MS,）,及串朕质谱（,MS,MS,）,等，其主要问题是如何解决与质谱相连的接口及相关信息的高速获取与贮存等问题。,（）,气相色谱一质谱联用,用于与,GC,联用的质谱仪有磁式、双聚焦、四极滤质器式、离子阱式等质谱仪，其中四极滤质器及离子阱式质谱仪由于具有较快的扫描速度（,10,次秒），应用较多，其中离子阱式由于结构简单价格较低，近些年发展更快,GC,MS,的应用十分广泛，从环境污染分析、食品香味分析鉴定到医疗诊断、药物代谢研究等。而且,GC,MS,是国际奥林匹克委员会进行药检的有力工具之一。,（,二）液相色谱一质谱,(LC,MS),联用,16.4,质谱表面分析,