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分子质谱法的应用

发布时间:2015-08-13 00:00 作者:中国标准物质网 阅读量:1012

分子质谱法可根据质谱图的质谱峰或m/z数据及相对强度对化合物进行定性、定量和结构测定。

化合物的定性分析

质谱定性分析主要指对已知化合物的定性鉴定。所谓已知化合物是指人们已研究或已有文献记录的化合物。

(一)标准谱图检索定性

将在一定质谱分析条件下获得的质谱图与相同条件下标准谱图对照是对已知纯化合物最简便定性方法。应用最多的是El电离(70eV)图谱。

1.标准谱图汇编

常用的有;

(1)RegistryofMassSpectralData,StenhagenE等主编,JohnWiley出版,共收集近20000张谱图。

(2)由MassSpectrometryDataCenter出版的EightPeakIndexofMassSpectra等。

这些谱图集均比较老,但可靠性较好。

2.质谱数据库检索

现代质谱仪器均配有质谱数据库可供计算机检索定性分析,检索结果可以给出几个可能的化合物。并以匹配度大小顺序排列出这些化合物的名称、分子式、相对分子质量和结构式等。使用者可根据检索结果和其他的信息,对未知物进行定性分析。现应用最为广泛的有NIST库和Willey库,前者现有标准化合物谱图130000张,后者有近300000张。此外还有毒品库、农药库、药物库等专用谱库。目前色谱一质谱联用广泛采用质谱数据库检索定性。

3.互联网上检索最新质谱数据和谱图

通过互联网利用其他实验室、仪器制造公司提供或文献报导的谱图数据亦可用作定性依据之一。

(二)相对分子质量测定

分子离子峰的m/z可提供准确相对分子质量,是分子鉴定的重要依据。获得分子离子、准确地确认分子离子峰是质谱定性分析的主要方法之一。

获得分子离子峰M+或离子一离子、离子一分子相互作用生成准分子离子峰,如质子化分子离子[M+1]+、去质子化分子离子[M-1]+、缔合分子离子[M十R]+等,可采用各种技术措施,主要有:

(1)对强极性、难挥发、热稳定性差的试样,制备成易挥发、热稳定的衍生物,如有机酸、氨基酸、醇可衍生化成醋、甲醚,易得到相应衍生物分子离子。

(2)不用加热进样,而采用直接进样,分子离子峰会增强。

(3)如采用El源,可降低轰击电子的能量至7-12eV,裂解成碎片离子可能性降低,分子离子峰强度增加,这也是获得和确认分子离子的方法之一。

(4)降低加热进样或直接进样气化温度,均有利获得分子离子峰。

(5)采用Cl,FI,FAB等软电离源离子化技术,一般可产生分子离子或准分子离子。

分子离子的形成和相对强度或稳定性,不仅与电离方法及条件有关,还决定于分子结构。分子链长增加、存在分子支链,含经基、氨基等极性基团等一般导致分子离子稳定性下降;具有共扼双键系统及芳香化合物、环状化合物分子离子一般较强。有机化合物分子离子稳定性有如下顺序:芳香环>共轭烯烃>烯烃>脂环>酮>直链烃>醚>酯>胺>酸>醇>支链烃。在同系物中,相对分子质量越大则分子离子相对强度越小。

在质谱图中,可根据如下特点确认分子离子峰:

(1)原则上除同位素峰外,分子离子或准分子离子是谱图中最高质量峰,两者均可推导出相对分子质量。

(2)它要符合氮律。由C,H,O元素组成的化合物,分子离子峰的质量一定是偶数。由C,H,O,N组成的化合物,分子中含奇数个氮原子,分子离子峰的质量一定是奇数;如果分子中含偶数个氮原子,分子离子峰的质量一定是偶数。这是因为组成有机化合物的主要元素C,H,O,N,S和卤素中,只有氮的化学价是奇数(一般为3)而质量数是偶数,因而出现氮律。

(3)判断最高质量峰与失去中性碎片形成碎片离子峰是否合理。分子电离可能失去H,CH3,H2O,C2H4等碎片,出现相应的M-1,M-15,M-18,M-28等碎片离子峰而不可能出现M-3至M-14,M-21至M-24等碎片离子峰,若出现这些峰,则最高质量峰不是分子离子。

(4)当化合物含有氯和漠元素,有时可帮助识别分子离子峰。氯和溴含有丰度较高的重同位素,Cl中含35Cl为75.77%,37Cl为24.23%,溴中含79Br为50.54%,而81Br为49.46%。因此,若分子中含有一个氯原子,则M和M+2峰强度比为3:1;若分子中含有一个溴,则M与M+2之比为1:1。

二 新化合物的结构鉴定

对于新化合物,即人们未研究或尚无文献报导的合成或天然产物中获得的新化合物定性,则需测定其分子结构。首先按上述求出相对分子质量,然后确定分子式,进而根据化合物的质谱裂解规律推导分子结构。

(一)分子式确定

利用质谱决定分子式有两种方法:

1.由同位素相对丰度法推导分子式

有机化合物一般由C,H,O,N,S,Cl,Br等组成,这些元素都有同位素,因此在质谱上会出现一个或多个含这些同位素的分子离子峰M,M+1,M+2等,并可估算其相对强度。在自然界各元素同位素的比例是恒定的,一般用百分比来表示同位素的丰度比。列出各种高质量同位素与丰度比最高的低质量同位素的百分比。例如13C下面的1.08%表示(13C/12C)×100。所谓丰度比最高的低质量同位素是12C,1H,14N,32S,35Cl和79Br。

用I表示质谱峰相对强度,同位素离子峰相对强度与其元素天然丰度及存在原子个数成正比。对于由C、H、O、N组成的分子CwHxNyOz,同位素离子峰[M十1]+,[M+2]+与M+的强度比值可由下式近似的计算:

Beynon等人根据上两式计算出含C、H、O、N组成的不同相对分子质量各种组合的质量和同位素丰度[M+l]十,[M十2]+与M+的强度比值,并编制成表,称为Beynon表。相对分子质量500以下的各种组合均可查到。一般有机质谱专著均附有该表或该表一部分。由表23-2的数据可知,可由不同元素组成相同分子质量而分子式不同的各种化合物,IM+1/IM,IM+2/IM的百分比都不一样。只要质谱图上得到的分子离子峰足够强,其高度和M十19M+2同位素峰高度都能准确测定,根据式(23-12)、式(23一13)计算数据,结合氮律、碎片离子峰或其他波谱信息,即可从Beynon表确定分子式。

对于含有S,Cl,Br等同位素天然丰度比较高的元素的化合物,其同位素离子峰相对强度一般相当大,其强度比值可由((a+b)n展开式计算,若有多种元素存在,则以(a+b)n×(a'+b')n’××…计算。
例2计算说明,利用Beynon表确定分子式时,表中未列人的元素应从相对分子质量中扣除这些元素所具有的质量数,并从同位素峰中扣除它们对同位素峰的贡献,从一Beynon表中找到相应含C、H、O、N组成的分子式,然后加上扣除的元素,即为所求分子式。

2.用高分辨质谱仪器确定分子式

高分辨质谱仪器测定分子离子或碎片离子质荷比的误差可小于10-5,可求出分子离子峰的精密质量。Beynon等人列出由不同数目C、H、O、N元素组成的各种分子式的精密相对分子质量表,测定误差达±0.006。因此,用高分辨质谱仪器测定精确相对分子质量与Beynon表的数据对照,配合其他信息即可确定合理的分子式。

(二)化合物的结构鉴定

相对分子质量和分子式的确定是分子结构鉴定的前提。进一步鉴定分子结构大致采取如下一些方法。

(1)根据各类化合物分子裂解规律研究碎片离子与分子离子、各种碎片离子之间关系,推导分子中所含官能团、分子骨架。

(2)注意谱图中的一些重要特征离子、奇电子数的离子,并与各类化合物特征离子比较,以推导分子类型和可能存在的消去、重排反应。例如,饱和烷烃形成间隔14个质量单位CH2的系列质谱峰;醇类生成稳定的m/z为31的CH2==OH离子(oxeniumion);羧酸通过麦氏重排生成m/z为60的CH2==(OH)2的高强度或基峰离子。

(3)若有亚稳离子,根据裂解过程推导相结构。

(4)结合UV,IR,NMR等结构分析方法所提供的信息,以排除不可能并确定可能的结构。

需要说明的是:(1)对新化合物结构鉴定通常需各种仪器、化学方法结合,技术上从易到难,仪器设备从简单到复杂,而分子质谱提供化合物质量信息是必不可少的手段。(2)新化合物质谱图的解释要以质谱文献资料为依据,已有各种质谱手册、专著和文献报导可供使用,否则需采用同位素示踪等特殊实验方法验证。(3)质谱解释或在分子结构分析中应用,是质谱学、有机结构分析的重要组成部分,已超越仪器分析基本范围,这里仅提供这方面的入门思路。

三 分子质谱定量分析

分子质谱已经广泛地应用于具有一种或多种成分的复杂有机棍合物(有时也有无机物)的定量分析。比如,它已应用于石油化工,医药以及环境检测等领域。

(一)质谱直接定量分析

质谱直接定量分析有几个基本假设或条件:

(1)试样中任何一个组分的特征离子峰和相对灵敏度,与该纯化合物获得的特征谱和灵敏度相同,即组分特征峰及强度不受试样中其他组分或本底干扰。

(2)试样中任何组分的离子流强度与其在进样装置中的分压成正比。

(3)试样中存在具有相同特征谱峰的组分,发生质谱峰叠加时,叠加峰的强度是各被叠加峰强度的线性累加。

1.单一组分定量

操作比较简单,可在质谱上确定合适的m/z值,其峰高与组分浓度成正比,这个技术称为选择离子检测。采用外标法或校准曲线定量测定,可以从质谱峰的峰高直接得到组分的浓度或百分含量。

2.混合的试样多组分定量

当各组分特征峰无叠加现象,可以找到代表各个组分具有特定m/z值的质谱特征峰强度作为定量依据,作各峰高对浓度的校准曲线就可以测定试样的相应各组分的浓度。若组分特征峰发生叠加,则需通过叠加特征峰强度的线性累加方程计算各组分含量。这与紫外一可见光谱多组分定量方法相似,是比较经典的计算方法。

例如,一个混合物由3个组分组成,选择谱图中显示的4个较强特征峰,经与3个组分的纯化合物谱图比较说明,混合物谱图中峰1(H1)由3个组分1,2,3的特征峰高((h11,h12,h13)叠加而成;峰2(H2)由组分1,3两组分特征峰((h21,h23)叠加;峰3(H3)由组分1,2两组分特征峰(h31、h32)叠加;峰4(H4)由三个组分特征峰(h41,h42,h43)叠加。设混合物谱图中三个组分的相对灵敏度、分压或相对含量分别为S1,S2,S3和p1,p2,p3,根据线性叠加可列出下面方程:

H1=h1S1p1+h2S2p2+h3S3p3+h4S4p4

H2=h21S1p1+h23S3p3

H3=h31Slp1+h32S2p2

H4=h41Slp1+h42S2p2+h43S3p3

一般特征峰的数目总是大于组分数,且相对灵敏度常为已知,因而方程数目对于求解是充分的。只要选择系数少,离子强度适当,即可求解各组分相对含量。

无论单一组分或多组分定量均可采用内标法,选择待测物与内标物特征或碎片离子作为定量依据,待测物相对内标的峰信号强度之比是被分析物浓度的函数。加入内标是为了减少试样制备和引入过程中的误差。一种方便的内标就是用同位素标记被分析物的相似物。通常,标记要求制备被分析试样,包含一个或多个下列原子:13C,15N,2H(D)等。假设在分析过程中,被标记和未标记的物质一切行为完全相同,质谱就可以很容易区分它们。例如,欲测定氘代苯C6D5的纯度,通常可通过C6D6+与C6D5H+,C6D4H2+等分子离子的相对强度来确定。

另一种内标是分析物的同系物,它可以得到和被分析物碎片相似碎片峰,并且具有相当的强度,可以被检测到。

按照上述方法利用质谱进行定量测量,相对精确度为2%-5%。分析精确度会依据所分析的混合物的复杂程度及其成分的性质而发生较大的变化。对于含有5-10种成分的气态碳氢化合物的混合物来说,绝对误差通常为0.2到0.8摩尔分数。

(二)复杂混合物定量

对于含10个以上,数十乃至数百个组分的复杂混合物,求解联立方程过于复杂,难以质谱直接定量,通常采用色谱一质谱联用分析,让试样先通过各种色谱柱分离,再将流出物引入质谱检测。如果在质谱上设定合适的m/z值,那么记录下的离子流就是时间的函数。在这个检测过程中,质谱只是一个具有选择性的检测器,采用总离子流色谱图、单离子或多离子检测对多组分进行定性和定量测定,定量测定与色谱法相同。

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