(生物学)质谱介绍

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第四章质谱法MassSpetrometry(MS)\n概述分子质量精确测定与化合物结构分析的重要工具质谱仪的发展史1911年:世界第一台质谱装置（J.J.Thomson）早期应用：原子质量、同位素相对丰度等40年代:用于同位素测定和无机元素分析50年代：开始有机物分析（分析石油）60年代：研究GC-MS联用技术70年代：计算机引入80年代：新的质谱技术出现：快原子轰击电离子源，基质辅助激光解吸电离源，电喷雾电离源，大气压化学电离源；LC-MS联用仪，感应耦合等离子体质谱仪，付立叶变换质谱仪等。目前质谱分析法已广泛地应用于化学、化工、材料、环境、地质、能源、药物、刑侦、生命科学、运动医学等各个领域。\n特点：◆质谱不属波谱范围◆质谱图与电磁波的波长和分子内某种物理量的改变无关◆质谱是分子离子及碎片离子的质量与其相对强度的谱,谱图与分子结构有关◆质谱法进样量少,灵敏度高,分析速度快◆质谱是唯一可以给出分子量,确定分子式的方法,而分子式的确定对化合物的结构鉴定是至关重要。\n一、定义：使待测的样品分子气化，用具有一定能量的电子束（或具有一定能量的快速原子）轰击气态分子，使气态分子失去一个电子而成为带正电的分子离子。分子离子还可能进一步断裂成各种碎片离子，所有的正离子在电场和磁场的综合作用下按质荷比（m/z）大小依次收集和记录就得到质谱图。§5-1质谱法的基本知识\n二、质谱仪质谱计主要由真空系统、进样系统、离子源、质量分析器、检测器、记录系统等六大部分组成\n离子源是样品分子电离成正离子的装置，质量分析器是正离子按不同质荷比进行分离的装置，是质谱仪的核心部分，各种质谱仪最重要的区别就在于离子源和质量分析器试样经汽化经进样系统离子源产生正离子同时被加速质量分析器按不同质荷比进行检测器得到离子信号质谱\n质量分析器有：1.单聚焦2.双聚焦3.飞行时间4.四极杆质谱仪需要在高真空下工作：离子源（10-410-5Pa）质量分析器（10-6Pa）以50-100eV能量的电子流轰击试样试样在离子源中被离子化的方法有1.电子轰击（EI）2.化学电离（CI）场致离（FI）和场解吸（FD）4.快原子轰击（FAB）5.电喷雾电离（ESI）\n三、质谱的基本原理1、进样化合物通过汽化引入离子源；.\n2、离子源在离子源中，试样分子被一束加速电子碰撞（能量约70eV），撞击使分子电离形成正离子；式中M为待测分子，M+为分子离子或母体离子3、离子也可因撞击强烈而形成碎片离子：\n4、正电荷离子被加速电压加速，产生一定的速度v，加速后其动能和位能相等，即：.（1）\n5、当被加速的离子进入质量分析器时，磁场再对离子进行作用（与其飞行方向垂直），使每个离子做弧形运动。其半径决定于各离子的质量和所带电荷的比值m/z。此时由离子动能产生的离心力(mv2/R)与由磁场产生的向心力(Bzv)相等：其中：R为弧形半径B为磁场强度由此式得：(2)代入(1)式得：（质谱基本方程）\n注意：①若加速电压V和磁场强度B一定，不同m/z的离子，R不同的离子在质量分析器中被分开，一般重离子弧形半径R大，轻离子R小②若R一定，改变V和B①R，V一定，改变B，为磁场扫描法，当B又小到大变化时，先收集到（分离出）的是轻离子②R，B一定，改变V，为电场扫描法，当V由小到大变化时，先收集到的是重离子\n质谱图由横坐标、纵坐标和棒线组成。横坐标标明离子质荷比（m/z）的数值，纵坐标标明各峰的相对强度，棒线代表质荷比的离子。因多电荷离子比较少，质谱的横坐标就是离子的质量，峰的相对强弱表示该离子的数量多少，图谱中最强的一个峰称为基峰，将它的强度定为100。丁酮的质谱图四、质谱图的组成\n五、质谱中离子的主要类型1.分子离子分子被电子束轰击失去一个电子形成的离子称为分子离子。分子离子用M表示。在质谱图上，与分子离子相对应的峰为分子离子峰或母峰。。特点：1）分子离子峰的质荷比就是化合物的相对分子质量，所以，用质谱法可测分子量。2）分子离子峰一般位于质谱图的最右端（除同位素峰外）\n有机化合物分子离子峰的稳定性顺序：芳香化合物＞共轭链烯＞烯烃＞脂环化合物＞直链烷烃＞酮＞胺＞酯＞醚＞酸＞支链烷烃＞醇．\n2.碎片离子一般有机化合物的电离能为７－13电子伏特，质谱中常用的电离电压为70电子伏特，使分子离子的化学键进一步断裂，产生质量数较低的各种“碎片”离子，在质谱图上出现相应的峰，称为碎片离子峰。位于分子离子峰的左侧正己烷\n碎片离子峰正癸烷\n3.同位素离子组成有机化合物的多数元素都具有天然同位素，如C、H、O、N、S、Cl、Br等，因此，在质谱中除了最轻同位素所形成的Ｍ峰以外，还会现一个或多个重同位素形成的Ｍ＋１、Ｍ＋２、Ｍ＋３等，这些峰成为同位素离子峰最轻同位素－天然丰度最大分子离子峰M+同位素离子峰M+1或M+2峰\n一些同位素的自然丰度\n常见同位素及其丰度元素　　最大丰度同位素％　　其他同位素％Ｃ12C10013C1.08H1H1002H0.02N14N10015N0.37O16O10017O0.0418O0.20S32S10033S0.7834S4.4Cl35Cl10037Cl32.5Br79Br10081Br97.3分子离子峰和同位素离子峰的相对强度是可以估算的：同位素峰M+!的强度（丰度）同位素离子峰M+2的强度（丰度）\n不同种类的同位素，其同位素峰强度的求法各不相同，如下分别介绍：（1）对于含C、H、O、N、S的化合物，其分子式表示成CwHxNyOzSq，M+1同位素峰相对于分子离子峰M的强度：M+2同位素峰相对于分子离子峰M的强度：\n例如C8H12N3O，同位素离子峰M+1、M+2的相对强度M：M+1：M+2=100：10.03：0.594\n（2）对于含有Cl、Br的化合物，可用（a+b)n展开式各项比来估计分子离子峰和同位素离子峰的相对强度；其中：a为轻同位素丰度，b为重同位素丰度，n为卤原子数目。①含Cl原子含一个Cl原子n=1a:b=100:32.5=3:1所以（a+b)1=3+1M:M+2=3:1b.含两个Cl原子n=2所以（a+b)2=(3+1)2=9+6+1M：M+2：M+4=9:6:1\n②含Br原子a.含一个Br原子n=1a:b=100:97.3=1:1所以（a+b)1=1+1M：M+2=1:1b.a.含两个Br原子n=2所以（a+b)2=1+2+1M：M+2：M+4=1:2:1c.若含3个Br原子n=3M：M+2：M+4：M+6=1：3：3：1\n(a+b)n3:19:6:127:27:9:1\n(1+1)(1+1)2(1+1)3(1+1)481Br/79Br=97.9:100〜1:11:11:2:11:3:3:11:4:6:4:1\n(a)2-氯丙烷M+78M+280(M+2)/M1:3(b)2-溴丁烷M+136M+2138(M+2)/M1:1\n4.亚稳离子在离子源中产生的离子绝大多数能稳定的到达检测器，而有些不稳定离子，在从离子源抵达检测器途中会发生裂解质谱仪无法检测到这种中途裂解的离子。一般，离子从离子源到达检测器的时间为105s数量级，若离子M1,质量m1①离子寿命>105s，足以到达检测器,测的其本身m1/z②当离子寿命<106s的离子在离子源内进一步裂解M1→M2(m2)若M2的寿命>105s，测的是m2/z\n在质谱解析中，m*可提供母离子和子离子之间的关系。③10-6s<离子寿命<105sM1→M2(m2)此时M2与M1速度相同，检测到的不是M2,而使m*。从离子源出口到达检测器之前裂解并被记录的离子称亚稳离子，以m*表示.m*=m22/m1m*为亚稳离子的表观质量，检测器检测到的是m*/z例如，某化合物的质谱图中存在m/z136、121、93的离子峰，及m/z63.6的亚稳离子峰，由于可以确定m/z136和m/z93为母子关系特点：①亚稳离子对应于亚稳离子峰，峰形弱且宽，呈小包状②亚稳离子质荷比m*/z一般不为整数③亚稳离子峰一般要跨2~5个质量单位\n重排离子是由原子迁移产生重排反应而形成的离子。重排反应中，发生变化的化学键至少有两个或更多。重排反应可导致原化合物碳架的改变，并产生原化合物中并不存在的结构单元离子。4.重排离子最常见的是麦氏重排可以发生麦氏重排的化合物，有醛、酮、酸、酯等含C=Z的化合物（Z为O、S、N、C等），及烯烃类和苯类化合物等。CHCHCHCZHR1R2R3R4CHCHR3R4HCCZHR1R2化合物必须具有的结构特征是分子中不仅有一个双键而且需要在r-位上有H原子\n5.多电荷离子失掉两个以上电子的离子是多电荷离子。醛、酮、羧酸、酯都可发生麦氏重排，产生特征质谱峰。\n1．产物离子的稳定性2．Stevenson规则3．质子亲合能(PA)4．最大烷基丢失5．中性产物的稳定性离子丰度的影响因素\n§5-2有机质谱中的裂解反应一、电荷表示方法：①电荷一般在π电子或者杂原子上分子离子以“”表示奇电子离子（OE），如CH3OH（带未成对电子）以“+”表示偶电子离子（EE），如CH3OH+(电子完全成对)②电荷不明用[]或[]+③结构复杂的化合物用┓或┓+\n偶电子规律偶电子离子裂解，一般只能生成偶电子离子。烃类化合物的裂解优先失去大基团，优先生成稳定的正碳离子。注意：\n二、有机质谱的裂解反应键的断裂为了表示化学键断裂时电子的转移方式常用鱼钩表示一个电子转移“”表示两个电子同时转移“”1.简单断裂从化学键断裂的方式可分为均裂、异裂和半异裂(键先被电离,然后断裂)。\n半异裂：均裂:异裂：单电子转移，σ键断裂后，各碎片上保留一个电子双电子转移，σ键断裂后，两个电子归一个碎片保留离子化σ键断裂\n（1）-断裂由自由基中心引发的断裂反应，均裂，动力来自于自由基强烈的电子配对倾向，该反应由自由基中心提供一个电子与邻近原子形成一个新键，而邻近原子的另一个化学键发生断裂。下面为含有n、π电子化合物的-断裂反应简单开裂从裂解机理可分为以下几种：（化合物如醇、醚、胺等）a.饱和杂原子化合物的a断裂反应\nb.不饱和杂原子（Y）化合物的a断裂含羰基化合物c.碳不饱和键化合物的a断裂aa烯丙基离子\n卓鎓离子烯烃和芳烃的分子离子通过a断裂形成烯丙基离子和卓鎓离子是质谱反应的一个重要规律\n（2）i-断裂(或叫正电荷诱导裂解)由正电荷（阳离子）中心引发的i-断裂反应，异裂，动力来自于电荷的诱导效应。它涉及两个电子的转移。i-断裂①对奇电子离子OE\n*i-断裂一般都产生一个碳正离子。*对于没有自由基的偶电子离子，只可能发生i-碎裂。-断裂与i-断裂是两种相互竞争的反应。N一般进行-断裂；卤素则易进行i-断b.对于偶电子离子（EE+）注意：当杂原子为单键时,i断裂和a断裂所引起键的断裂位置不同a断裂R1-CH2-YR（自由基中心原子的a位原子和β原子之间断裂）i断裂是R1-CH2-YR（电荷中心所在原子和与其相邻原子之间）\n同时涉及至少两个键的变化，在重排中既有键的断裂也有键的生成。2.重排反应常见的有麦克拉夫悌(Mclafferty)重排开裂(简称麦氏重排)和逆Diels-Alder开裂\n具有-氢原子的側链苯、烯烃、环氧化合物、醛、酮等经过六元环状过渡态使-H转移到带有正电荷的原子上，同时在、原子间发生裂解，这种重排称为麦克拉夫悌重排裂解。麦氏重排\n具有环己烯结构类型的化合物可发生此类裂解，一般形成一个共轭二烯正离子和一个烯烃中性碎片：逆Diels-Alder开裂碎片离子及裂解机制的应用（1）可以对一个具体的有机化合物的质谱进行解释（2）可以鉴定化合物。\n§5-3常见化合物的质谱一、脂肪族化合物1.饱和脂肪烃a.直链烷烃直链烷烃显示弱的分子离子峰，具有典型的CnH2n+1+和CnH2n-1+的系列峰m/z2943577185……均为CnH2n+1+系列峰，即29+14n(n≥1)m/z2741556983……均为CnH2n-1+系列峰，即27+14n(n≥1)含3、4个碳原子丰度最大，随碳原子数增加其离子峰减弱\nb.支链烷烃支链烷烃的断裂易发生在被取代的碳原子上，优先失去最大烷基，支链烷烃的系列峰为CnH2n+1+和CnH2n+断裂时大基团优先脱去，生成稳定的正离子基团，其在质谱图上的相对丰度大，所以碎片离子峰的强度顺序为m/z71>m/z99>m/z113\n2.不饱和脂肪烃①链状烯烃产生M具有CnH2n+1+、CnH2n+和CnH2n-1+系列峰②烯烃可以发生麦氏重排③易发生烯丙断裂，生成很强的烯丙离子\n3.醇、醚、胺(1)醇1）分子离子峰均很弱2）易在电流的轰击下失水，形成脱水峰M-18,很强常为基峰3）似麦氏重排：失去烯、水；M－18－28的峰。4）小分子醇出现M－1的峰5）易发生a断裂，产生CnH2n+1O+特征峰\n仲醇伯醇：叔醇醇的碎片离子峰为m/z31+14n\n1）分子离子峰很弱；往往不出现。2）主要裂解方式为α断裂和经过四元环过渡态的氢重排。3）出现30、44、58、72…系列30＋14n的含氮特征碎片离子峰。（2）胺\n当R‘>C2发生βH重排，指β-H转移到杂原子上，a键断裂\n(3)醚1）分子离子峰弱2）α–裂解，再进行βH生成系列CnH2n+1O的含氧碎片峰31+14n（31、45、59…）3）ί－裂解，生成一系列CnH2n+1碎片离子。（29、43、57、71…）ί－断裂\n4.醛、酮类化合物1）分子离子峰一般较强。2）主要发生a-断裂，优先丢失大基团，产生酰基阳离子。3）当有常r-H时常发生麦氏重排。4）对于醛常出现M-1、M-29的碎片峰，M-43和M-44是常见峰5）醛与酮区别是醛能发生脱水反应，生成M-18峰\n重排离子峰44+14n当有r-H时，发生麦氏重排\n5.羧酸、酯、酰胺a.发生a断裂b.化合物有r-H时，易发生麦氏重排重排离子峰44+14n其中x-OH、OR、NH2NHR、NR2\n1）羧酸a断裂产生m/z45的离子峰，ＨＯ－C≡O+麦氏重排：2）酯a断裂产生酰基阳离子m/z43、57、71、…系列峰麦氏重排:系列峰60+14nm/z60,系列峰为60+14n\n3）酰胺a断裂伯酰胺H2N-C≡O+m/z44仲酰胺、叔酰胺系列峰：43+14n麦氏重排：系列峰：59+14n\n6.卤化物脂肪族卤代烃的分子离子峰弱1）α断裂产生符合通式CnH2nX+的离子2）ί断裂，生成（M－X）+的离子\n3）含Cl、Br的直链卤化物易发生重排反应，形成符合CnH2nX+通式的离子4）易发生脱卤化氢反应，生成（M-HX）和CnH2n-1+\n二.芳香族化合物\n\n\n\n5.2分子离子与分子式5.1.1分子离子峰的识别1.在质谱图中，分子离子峰应该是最高质荷比的离子峰（同位素离子及准分子离子峰除外）。2.分子离子峰是奇电子离子峰。3.分子离子能合理地丢失碎片（自由基或中性分子），与其相邻的质荷比较小的碎片离子关系合理。4.氮律：当化合物不含氮或含偶数个氮时，该化合物分子量为偶数；当化合物含奇数个氮时，该化合物分子量为奇数。\n\n5.2.2分子离子峰的相对强度（RI）1.芳环（包括芳杂环）＞脂环化合物＞硫醚、硫酮＞共轭烯分子离子峰比较明显。2.直链酮、酯、酸、醛、酰胺、卤化物等通常显示分子离子峰。3.脂肪族醇、胺、亚硝酸酯、硝酸酯、硝基化合物、腈类及多支链化合物容易裂解，分子离子峰通常很弱或不出现。\n5.2.3M+.峰和(M+1)+峰或(M-1)+峰的判别醚、酯、胺、酰胺、腈化物、氨基酸酯、胺醇等可能有较强的(M+1)+峰；芳醛、某些醇或某些含氮化合物可能有较强的(M-1)+峰。5.2.4分子式的推导1.如何判断分子式的合理性该式的式量等于分子量；是否符合氮律；不饱和度是否合理。\n2.低分辨质谱法同位素相对丰度的计算法、查Beynon表法1)同位素峰簇及其相对丰度除F、P、I外，都有同位素分子离子或碎片离子峰常以同位素簇的形式存在。低质量的同位素（A）丰度计为100\n设某一元素有两种同位素，在某化合物中含有m个该元素的原子，则分子离子同位素峰簇的各峰的相对丰度可用二项式(a+b)m展开式的系数推算；Cl:个数峰形Br:个数峰形13:111:129:6:121:2:1327:27:9:131:3:3:1若化合物含有i种元素，它们都有非单一的同位素组成，总的同位素峰簇各峰之间的强度可用下式表示：(a1+b1)m1(a2+b2)m2…(ai+bi)mi\n2）利用同位素峰簇的相对丰度推导化合物的分子式a.从M+1峰与M峰强度的比值可估算出分子中含碳的数目式中I(M+1)和I(M)分别表示M+1峰和M峰的（相对）强度b.从M+2峰与M峰强度的比值可估算出分子中含S，Cl，Br的数目S4.4%；M+2,M+4,M+6峰很特征\nc.其它元素的存在及其原子数目①氟的存在可以从分子离子失去20，50u（分别对应失去HF，CF2）而证实②碘的存在可以从M－127得到证实③若存在m/z31，45，59…的离子，说明有醇、醚形式的氧存在。从分子量与已知元素组成质量的较大差额也可估计氧原子的存在个数。④从分子量与上述元素组成的质量差额可推测分子中存在的氢原子数目。\n3.高分辨质谱法可测得化合物的精确分子量如：C5H14N2O3C6H14O4150150低150.1004150.0892高\n例1：化合物A的质谱数据及图如下，推导其分子式。\n解：图中高质荷比区m/z73，74；设m/z73为M+.，与相邻强度较大的碎片离子58之间（15）为合理丢失峰(.CH3)，可认为m/z73为化合物A的分子离子峰，74为（M+1）峰。因M+.的m/z为奇数，说明A中含有奇数个氮。通过计算可知，分子中碳的数目≌5，若为5，则分子式为C5N，其分子量大于73，显然不合理。若为4，则73－14－12×4＝11，可能的分子式为C4H11N，Ω＝0。该式组成合理，符合氮律，可认为是化合物A的分子式。\n例2：化合物B的质谱数据及图如下，推导其分子式。\n解：设高质荷比区，RI最大的峰m/z97为分子离子峰，由于m/z97与m/z98的相对强度之比约为2：1，既不符合C,H,N,O,S化合物的同位素相对丰度比，又不符合Cl,Br原子组成的同位素峰簇的相对丰度比，故m/z97可能不是分子离子峰。设m/z98为分子离子峰，与m/z71，70关系合理，可认为m/z98为M+.,m/z97为(M－1)峰。化合物不含氮或偶数氮（此处省略）。由表中数据可知，m/z98(56)M+.,99(7.6)(M+1),100(2.4)(M+2)\n则RI(M+1)/RI(M)×100=13.6，RI(M+2)/RI(M)×100=4.3由(M+2)相对强度为4.3判断化合物中含有一个硫原子，98－32＝66，66÷12＝5.5，说明羰原子数目只能小于等于5；若为5，66－12×5＝6，可能分子式为C5H6S，Ω＝3是合理的。若为4，66－12×4＝18，此时分子式假设为C4H18S，Ω＝－4，故不合理；假设分子中含有一个氧，此时分子式为C4H2OS，Ω＝4也是合理的。所以化合物B的分子式可能为：C5H6S或C4H2OS\n例3：化合物C的质谱数据及图如下，推导其分子式。\n解：由表及图可知，m/z164与166，135与137的相对强度之比均近似为1：1，m/z164与相邻碎片离子峰m/z135（M-29）和85（M-79）之间关系合理，故认为m/z164为化合物C的分子离子峰，且分子中含有一个溴原子，不含氮或偶数氮。85÷12≈7，即碳原子数目小于等于7。（若用计算碳原子个数的方法计算，碳原子数目约等于6。）①若为7，可能的分子式为C7HBr，Ω＝7，此时不饱和度过大，而组成式子的原子数目过少，不符合有机化合物的结构，不合理。\n②若为6，则85－12×6＝13，可能的分子式为C6H13Br，Ω＝0，可知该式合理。③若为5，则85－12×5＝25，假设分子式为C5H25Br，Ω＜0，不合理。假设分子式中含有一个氧，其分子式为C5H9OBr，Ω＝1，也是合理的分子式。所以化合物C的可能分子式为C6H13Br或C5H9OBr由图中的碎片离子可判断其分子式为C6H13Br\n5.3有机质谱中的裂解反应5.3.1研究有机质谱裂解反应的实验方法1.亚稳离子法2.同位素标记法5.3.2有机质谱裂解反应机理裂解方式分为简单开裂和重排开裂\n（3）σ-断裂当化合物不含杂原子、也没有键时，只能发生σ-断裂。与分子结构的关系(a)有利于稳定碳正离子：\n(b)有利于共轭体系的形成(c)当分子中存在杂原子时，裂解常发生于邻近杂原子的C-C键上(d)有利于形成稳定的中性小分子(象H2O，CO，NH3，ROH等)