第五章质谱法.ppt

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1、第五章 质谱分析 第一节 基本原理与质谱仪 第二节 离子峰的主要类型 第三节 有机分子裂解类型 第四节 质谱图与结构解析 第五节 色谱-质谱联用仪 结束 Date 第五章 质谱分析 一、 概述 generalization 二、质谱仪与质谱分析 mass spectrometer and mass spectrometry 第一节 基本原理与质谱仪 mass spectrometry，MS basic principle and Mass spectrometer * 一、概述 generalization 分子质量精确测定与化 合物结构分析的重要工具； 第一台质谱仪：1912年； 早期应用：

2、原子质量、 同位素相对丰度等； 40年代：高分辨率质谱仪出现，有机化合物结构分析； 60年代末：色谱-质谱联用仪出现，有机混合物分离分析 ； 促进天然有机化合物结构分析的发展； 同位素质谱仪；无机质谱仪；有机质谱仪； Date 二、 质谱仪与质谱分析原理 mass spectrometer and mass spectrometry 进样系统离子源质量分析器检测器 1.气体扩散 2.直接进样 3.气相色谱 1.电子轰击 2.化学电离 3.场致电离 4.激光 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（10-3 10 -5 Pa ） 质量分析器（10 -6

3、 Pa ） (1)大量氧会烧坏离子源的灯丝； (2)用作加速离子的几千伏高压会引起放电； (3)引起额外的离子分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化 。 Date 1 进样系统 作用：在不降低真空度的条件下，将样品 分子引入到离子源中 间歇式进样系统 直接探针进样 色谱进样系统 间歇式进样系统 Date 2 离子源 Electron Ionization (EI)源 + + + + : R1 : R2 : R3 : R4 : e + M+ (M-R2)+ (M-R3)+ Mass Spectrum (M-R1)+ Date EI 源的特点： H电离效率高,灵敏度高； H应用最广，标准质谱图基本都是

4、采用EI源得到的； H稳定，操作方便，电子流强度可精密控制； H结构简单，控温方便； EI源：可变的离子化能量 (10240eV) 对于易电离的物质降低电子能量，而对于难电离的物质 则加大电子能量（ 常用70eV ）。 电子能量电子能量 分子离子增加碎片离子增加 Date 离子室内的反应气（甲烷等；10100Pa，样品的 103105倍），电子（100240eV）轰击，产生离子，再与 试样分离碰撞，产生准分子离子。 化学电离源（Chemical Ionization，CI）: 最强峰为准分子离子； 谱图简单； 不适用难挥发试样； + + 气体分子 试样分子 + 准分子离子电子 (M+1)+;(

5、M+17) +;(M+29) +; Date 场致电离源（FI） 电压：7-10 kV；d1 mm； 强电场将分子中拉出一个电子； 分子离子峰强； 碎片离子峰少； 不适合化合物结构鉴定； 阳极 + + + + + + + + + + + + + 阴极d1mm Date 电喷雾电离源(ESI) 多电荷离子 测定的样品分子量大 Date 3 质量分析器 在磁场存在下，带电离子按曲线轨迹飞行； 离心力 =向心力；m 2 / R= H0 e V 曲率半径： R= （m ）/ e H0 质谱方程式：m/e = (H02 R2) / 2V 离子在磁场中的轨道半径R取决于： m/e 、 H0 、 V 改变加

6、速电压V, 可以使不同m/e 的离子进入检测器。 质谱分辨率 = M / M （分辨率与选定分子质量有关） 加速后离子的动能 : (1/2)m 2= e V = (2V)/(m/e)1/2 Date 单聚焦磁场分析器 收集器离子源 B S1S2 磁场 R 方向聚焦； 相同质荷比， 入射方向不同 的离子会聚； 分辨率不高 Date 双聚焦分析器 离子源 收集器 磁场 电场 S1S2 + - 方向聚焦： 相同质荷比，入 射方向不同的离子会 聚； 能量聚焦： 相同质荷比，速 度(能量)不同的离子 会聚； 质量相同，能量不同的离子通过电场和磁场时，均产生 能量色散；两种作用大小相等，方向相反时互补实现

7、双聚焦 ； Date 其他类型质量分析器 双聚焦质谱仪体积大； 色谱-质谱联用仪器的发展及仪器小型化（台式）需要； 体积小的质量分析器： 四极杆质量分析器 飞行时间质量分析器 离子阱质量分析器 体积小，操作简单； 分辨率中等； Date 四级杆分析器 Date 4 检测器 （1）电子倍增管 1518级；可测出10-17A微弱电流； （2）渠道式电子倍增器阵列 Date 5 真空系统 作用： 1) 避免大量氧烧坏离子源的灯丝； 2) 消减离子的不必要碰撞，避免离子损失； 3) 避免离子分子反应改变裂解模式，使质 谱复杂化；4) 减小本底。 离子源 质量分析器 真空度要求： 10-4 Pa 机械泵

8、 扩散泵 真空泵 Date 第五章 质谱分析 一、分子离子峰 molecular ion peak 二、同位素离子峰 isotopic ion peak 三、碎片离子峰 fragment ion peaks 第二节 离子峰的主要类型 mass spectrometry，MS main types of ion peaks * 一、分子离子峰 molecular ion peak 分子电离一个电子形成的离子所产生的峰。 分子离子的质量与化合物的分子量相等。 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 Date 1. 分子离子峰的特点

9、一般质谱图上 质荷比最大的峰为 分子离子峰；有例 外,由稳定性判断。 形成分子离子 需要的能量最低， 一般约10电子伏特 。 质谱图上质荷比最大的峰一定为分子离子峰吗？。 如何确定分子离子峰？。 Date 2. 分子离子的判断 由C，H，O 组成的有机化合物，M 一定是偶数。 由C，H，O，N 组成的有机化合物，N 奇数，M 奇数。 由C，H，O，N 组成的有机化合物，N 偶数，M 偶数。 分子离子峰与相邻峰的质量差必须合理。 (1)律 (2)质量差是否合理 Date 3. 分子离子的获得 (1)制备挥发性衍生物 (2)降低电离电压，增加进样量 84 84 85 98 98 85 70ev 1

10、2ev Date m /z m /z 391 279 261 149 113 279 167 149 113 71 57 EI CI （3）降低气化温度 m/zm/z M 206206 T=160 CT=250 C M=390 COOC8H17 COOC8H17 （4）采用软电离技术 Date 4.分子离子峰强度与结构的关系 Date 例如：CH4 M=16 12C+1H4=16 M 13C+1H4=17 M+1 12C+2H+1H3=17 M+1 13C+2H+1H3=18 M+2 同位素峰 分子离子峰 二、同位素离子峰（M+1峰） isotopic ion peak 由于同位素的存在，可以

11、看到比分子离子峰大一个质量单 位的峰；有时还可以观察到M+2，M+3。； 16 15 m/z RA 13.1 121.0 133.9 149.2 1585 16 100 171.1 Date 贝农(Beynon)表 例如： M=150 化合物 M+1 M+2 化合物 M+1 M+2 C6H14NOCl 8.15 0.49 C7H11N4 9.25 0.38 C6H14O4 6.86 1.0 C8H6 O3 8.36 0.95 C7H2 O4 7.75 1.06 C8H8N O2 9.23 0.78 C7H4N O3 8.13 1.06 C8H11N2 O 9.61 0.61 C7H6N2 O2

12、 8.50 0.72 C8H12N3 9.98 0.45 C7H8N3 O 8.88 0.55 C9H10 O2 9.96 0.84 Date 三、碎片离子峰 fragment ion peaks 一般有机化合物的电离能为713电子伏特，质谱中常用 的电离电压为70电子伏特，使结构裂解，产生各种“碎片”离子 。 正己烷 Date 碎片离子峰 正癸烷 Date 碎片离子峰 Date 碎片离子峰 142 140 127 125 105 71 158 156 77 51 110 108 95 9381 79 27 66 64 51 49 29 28 29 C2H5Cl C2H5Br Br Cl C2

13、H5 Date 碎片离子峰 29 43 57 71 86 M 30 405060 708090 H 3C CH 2 CH 2 CH 2 H 3C CCH 3 C H3 57 H 3C C H2 C H 2 H 3C C H C H3 43 M=86 Date 内容选择： 第一节 基本原理与质谱仪 basic principle and Mass spectrometer 第二节 离子峰的主要类型 main kinds of ion peaks 第三节 有机分子裂解类型 cleavage types of organic compounds 第四节 质谱图与结构解析 mass spectrogr

14、aph and structure determination 第五节 色谱-质谱联用仪 hyphenated methods of GC-MS 结束 Date 第五章 质谱分析 一、 有机分子的裂解 cleavage types of organic molecular 二、断裂 - cleavage 三、断裂 cleavage 四、重排断裂 rearrangement cleavage 第三节 有机分子裂解类型 mass spectrometry，MS cleavage types of organic compounds * 一、 有机分子的裂解 cleavage types of or

15、ganic molecular 当有机化合物蒸气分子进入离子源受到电子轰击时，按 下列方式形成各种类型离子（分子碎片）： ABCD + e - ABCD+ + 2e - 分子离子 BCD + A + B + A + CD + AB + A + B + ABCD+ D + C + AB + CD + C + D + 碎 片 离 子 Date 二、断裂 - cleavage 正己烷 Date 三、断裂 cleavage Date 断裂 20 3060 7040 5080 90 100 30 44 m/z CH3(CH2)9CH2NH2 M=157 Date 断裂丢失最 大烃基的可能性最大 丢失最大

16、烃基原则 Date Date Date Date 开裂 RC H 2 C HH2C R C H 2 C HH2C R C H 2 C HH CR R C H 2 C HH CR R C H 2 C HH CR C H 2 R R C H 2 m/z=91 m/z=91 m/z=39 HC 扩环 苄基离子 卓鎓离子 HC HCHC m/z=65 Date 麦氏重排（Mclafferty rearrangement) 麦氏重排条件： 含有C=O， C=N，C=S及碳碳双键 与双键相连的链上有碳，并在 碳有H原子（氢） 六圆环过度，H 转移到杂原子上，同时 键发生断裂， 生成一个中性分子和一个自由基

17、阳离子 四、重排断裂 rearrangement cleavage Date 分子碎片重排后再次裂解： Date Date Date Date Date 内容选择： 第一节 基本原理与质谱仪 basic principle and mass spectrometer 第二节 离子峰的主要类型 main kinds of ion peaks 第三节 有机分子裂解类型 cleavage types of organic compounds 第四节 质谱图与结构解析 mass spectrograph and structure determination 第五节 色谱-质谱联用仪 hyphenat

18、ed methods of GC-MS 结束 Date 第五章 质谱分析 一、饱和烃 alkanes 二、芳烃的 aromatic hydrocarbons 三、醇和酚 alcohols and phenols 四、 醚 ethers 五、 醛、酮 aldehydes and ketones 六、 其他化合物 other compounds 第四节 质谱图与结构解析 （电子轰击质谱EIMS ） mass spectrometry，MS mass spectrograph and structure determination * 1.直链烷烃 一、饱和烃的质谱图 alkanes Date 正癸

19、烷 v分子离子：C1(100%)， C10(6%)， C16(小)， C45(0) v有m/z ：29，43，57，71，CnH2n+1 系列峰(断裂) v有m/z ：27，41，55，69，CnH2n-1 系列峰 C2H5+（ m/z =29） C2H3+（ m/z =27）+H2 v有m/z ：28，42，56，70，CnH2n系列峰(四圆环重排) Date 2.支链烷烃 Date 3.环烷烃 Date Date Date 二、芳烃的质谱图 aromatic hydrocarbons Date Date 三、醇和酚的质谱图 alcohols and phenols Date Date Da

20、te 四、 醚的质谱图 ethers Date 五、 醛、酮的质谱图 aldehydes and ketones Date Date Date 六、 其他化合物的质谱图 other compounds Date Date 结构未知（C6H12O，酮） 解析： 1 100，分子离子峰 285，失去CH3（15）的产物 357, 丰度最大, 稳定结构 失去CO(28)后的产物 Date EI质谱的解释 1 分子量的确定 分子离子峰一般是质谱图中质荷比最大的峰 分子离子峰应具有合理的质量丢失 不可能出现(M-314)+及(M-2025)+离子峰 质量数应符合氮规则 氮原子个数 奇数：分子量为奇数 偶

21、数：分子量为偶数 Date 2 分子式的确定 高分辨质谱法 同位素丰度法 Date 3 分子结构的确定 1) 谱图解释的一般方法 由质谱的高质量端确定分子离子峰，求出分子量 。 采用高分辨质谱法或同位素丰度法，求出分子式 。 计算不饱和度 Date 研究高质量端离子峰, 确定化合物中的取代基 M15(CH3); M16(O, NH2); M17(OH, NH3); M18(H2O); M19(F); M26(C2H2); M27(HCN, C2H3); M28(CO, C2H4); M29(CHO, C2H5); M30(NO); M31(CH2OH, OCH3); M32(S, CH3OH)

22、 M35(Cl); M42(CH2CO, CH2N2) M43(CH3CO, C3H7); M44(CO2, CS2) Date 研究低质量端离子峰，寻找化合物的特征离 子或特征离子系列，推测化合物类型。 由以上研究结果，提出化合物的结构单元或 可能的结构。 验证所得结果。 质谱断裂规律；标准质谱图 Date 例1：推测化合物C8H8O2的结构。 2) 谱图分析举例 Date 1. 计算不饱和度 =1+8+1/2(-8)=5 分子中可能有苯环、一个双键 2. 质谱中无m/z为91的峰，说明不 是烷基取代苯 ; C2H3O2 Date 可能的结构： (A) (B) (C) (D) Date (A

23、) 3. 质谱验证 (B) 105 105 Date (C) 得不到m/z为105的碎 片离子，可排除。 (D) Date 或 (A) (B) 4. 结论 C8H8O2的结构是 Date 有机波谱综合解释 1. 质谱(MS)：确定分子量、分子式 4. 红外光谱(IR)：官能团类型 5. 核磁共振氢谱(1H-NMR)：质子类型(具 有哪些种类的含氢官能团)；氢分布(各种官能 团中含氢的数目)；氢核间的关系 3. 紫外光谱(UV)：是否具有共轭基团， 是芳香族还是脂肪族化合物。 6. 质谱(MS)：验证所推测的未知物结构的 正确性 2. 计算不饱和度，推测化合物的大致类型 Date 例2: 某未知

24、化合物的四谱数据如下，试推测 其结构式。 max乙醇 乙醇 268 264 262 257 252 248 243 max101 158 147 194 153 109 78 紫外光谱 Date 红外光谱 核磁共振 Date 质谱 M+ Date 150M+1M+2 C7H10N4 C8H8NO2 C8H10N2O C8H12N3 C9H10O2 C9H12NO C9H14N2 9.25 9.23 9.61 9.98 9.96 10.34 10.71 0.38 0.78 0.61 0.45 0.84 0.68 0.52 Beynon表 Date 解：1) 质谱 M = 150 查Beynon表

25、，可知分子式为： C9H10O2 Date 2) 计算不饱和度 =1+9+1/2(-10)=5 分子中可能有苯环、一个双键 3) UV谱 指示有苯环 Date 4) IR谱 1745 cm-1 强： 1225 cm-1 强： 3100-3000 cm-1 弱 1600-1450 cm-1 两个弱带 749 cm-1 强 697 cm-1 强 单取代苯 Date 5) 1H-NMR谱 三类氢核，均为单峰，说明无自旋偶合作用 Date 6) 可能的结构 C9H10O2 Date (A)(B) (C) (D) Date 7) 验证 (C) 甲基与亚甲基化学位移与图 谱不符，排除。 (D) 甲基化学位

26、移与图谱不符， 且共轭体系应使C=O伸缩振 动峰向低波数方向移动，排 除。 Date (B) 质谱得不到m/z为91的离子，排除 Date (A) 91 43 m/z108: 重排峰，分子离子失去乙酰基，伴 随重排一个氢原子生成的。 m/z91: 苯环发生断裂，形成离子产生的。 m/z43: 酯羰基断裂，形成的 离子产 生的。 Date 内容选择： 第一节 基本原理与质谱仪 basic principle and mass spectrometer 第二节 离子峰的主要类型 main kinds of ion peaks 第三节 有机分子裂解类型 cleavage types of organ

27、ic compounds 第四节 质谱图与结构解析 mass spectrograph and structure determination 第五节 色谱-质谱联用仪 hyphenated methods of GC-MS 结束 Date 第五章 质谱分析 一、概述 generalization 二、 GC-MS联用技术 hyphenated technology of GC-MS 三、LC-MS联用仪 hyphenated technology of LC-MS 第五节 色谱-质谱联用仪 mass spectrometry，MS hyphenated methods of GC-MS *

28、一、概述 generalization 质谱：纯物质结构分析 色谱：化合物分离 色谱-质谱联用：共同优点 GC-MS；LC-MS；CZE-MS （毛细管电泳-质谱） 困难点： 载气(或流动液)的分离； 出峰时间监测； 仪器小型化； 关键点：接口技术(分子分离器) Date 二、GC-MS联用仪器 hyphenated technology of GC-MS Sample Sample 5890 1.0 DEG/MI N HEWLETT PACKARD HEWLETT PACKARD 5972A Mass Selective Detector D C B A A B C D Gas Chroma

29、tograph (GC)Mass Spectrometer SeparationIdentification B A C D A D B C MS Date 仪器结构 色谱-四极杆质谱仪结构示意图 Date 四极杆质量分离器 Date 仪器与结构 Date 飞行时间质量分析器 Date 三、LC-MS联用仪器 hyphenated technology of LC-MS 1. 大气压电离技术（API） （1）电喷雾电离（ API Electrospray） Rayleigh Limit Reached + + + + + + + + + + - - - - - + + + + + + + +

30、+ + - - - - - + + + + +- + + + + +- Evaporation + + Charged Droplets 试样离子 准分子离子 Analyte Ions Solvent Ion Clusters Salts/Ion pairs Neutrals + + + + + + +- 其他离子 Date Electrospray， API 电喷雾电离 流出液在高电场下形成带电喷雾，在电场力作用下穿过气帘 ； 气帘的作用：雾化；蒸发溶剂；阻止中性溶剂分子 Date Electrospray， API 电喷雾电离 电喷雾产生多电荷离子， 相对分子质量Mr计算： 选相邻峰，电荷n， n +1 m1=(Mr + n)/2 m2=(Mr + n+1)/ (n+1) 计算结果如 表。 不适用于非 极性化合物 Date （2）大气压化学电离（ APCI ） 热喷雾(100-120C)， 化学电离; 适用于热稳定化合物分析 Date 2.离子阱质量分析器 特定m/z离子在阱内一 定轨道上稳定旋转，改变 端电极电压，不同m/z离子 飞出阱到达检测器； Date 3. LC-MS (离子阱)联用仪器结构示意图 Date 4. LC-MS (四极杆)联用仪器结构示意图 Date