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1、第一章、质 谱（MS）,质谱发展历史,质谱的起源： 19和20世纪之交对kanalstrahlen的研究 阴极管中正离子束流，在磁场和静电场的作 用下发生偏转， 偏转的程度取决于离子的质量,Joseph John Thomson,第一个在实验中发现同位素的存在,第一次世界大战，经过大约五年的时间，质谱仪器渐成雏形 起初只是用于实验，而不是集成为工作的仪器 后来设计规范化，被越来越多的人所熟悉而被广泛地使用 不可避免的局限性，因而不断改进设计，故出现各种各样的质谱仪,first mass spectrometer,Francis William Aston,第一次世界大战后，质谱得到明确地证明
2、Francis W. Aston 在Cambridge设计 Thomsons的装置，并使它工作 Arthur J. Dempster, 在 Chicago. Dempster 用磁分析器把离子聚焦在电收集器上而Aston 用静电场和磁场把离子聚焦在照相感光板上,Nobel Prize (in chemistry),主要结果在原子和核物理方面： 发现和测量了丰度和质量的存在 多种同位素 确定了同位素的核稳定性及能量,Wolfgang Paul,1953 年Wolfgang Paul 和同事发明四极质量分析器（离子陷阱）代替磁质量分析器（using crossed radio-frequency
3、and electrostatic fields ）,(1913 - 1993)University of Bonn Bonn, GermanyThe Nobel Prize in Physics 1989 “for the development of the ion trap technique“,quadrupole and quadrupole ion trap mass spectrometers,1960年代： 化学电离质谱（chemical ionization mass spectrometry (or CIMS) ）和场分解质谱（ field desorption MS (F
4、DMS)）出现 一些关于质谱的杂志开始发行 1970代年：二级离子质谱（secondary ionization MS） 傅立叶变换质谱（Fourier transform MS） 等离子解吸质谱（ plasma desorption MS） 电水动力学质谱（electrohydrodynamic MS） 激光解吸质谱（ laser desorption MS） 热解吸质谱（thermal desorption MS） 瞬间放电质谱（spark source MS） 火花放电质谱（glow discharge MS ） 新的杂志出现,同时质谱仪的尺寸的发展走两个极端 大型化：为了高效的要求，把
5、质谱仪串联起来工作，前一个是后一个的源 微型化：便携式的医用质谱 用于研究火星、金星、哈雷彗星等,1980年代，除了新杂志外出现了： 激光共振电离质谱（ included laser resonance ionization MS） 基质辅助激光解吸质谱（matrix-assisted laser desorption MS） 快原子轰击质谱（fast atom bombardment MS） 电喷质谱（ electrospray MS ） 液相色铺质谱 （ liquid chromatography MS）. 1990年代初，在文献中出现综述性文章， 尽管出现许多新型的质谱，但早期的设计并未
6、被丢弃，所谓的“Nier机器s” 和四极分析器仍然唱主角。 所有的质谱都是以质量来对离子进行筛选的,(1917)Virginia Commonwealth University Richmond, VirginiaThe Nobel Prize in Chemistry 2002 “for the development of soft desorption ionisation methods for mass spectrometric analyses of biological macromolecules“,electrospray ionization of biomolecule
7、s,(1959)Shimadzu CorporationThe Nobel Prize in Chemistry 2002 “for the development of soft desorption ionisation methods for mass spectrometric analyses of biological macromolecules“,matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI),John B. Fenn,Koichi Tanaka,1985年, 英国Sussex大学的Kroto, 与美国rice大学的克尔,
8、 斯莫利(Richard E. Smalley)教授合作, 进行宇宙尘埃的模拟研究, 采用激光加热蒸发石墨并通过甲苯收集获得碳的团簇, 质谱分析发现以C60和C70为主的新谱线. 是由60个碳原子组成一个封闭的32面体结构, 其中20个六边形和十二个五边形. 1996年Nobel Physics Prize,质谱按其研究对象可分为： 同位素质谱 无机质谱 有机质谱 准确测定有机物的分子量 分子式 提供结构信息 高灵敏度（相对其他结构分析方法）,概述 质荷比：m/z 原理：按离子质荷比大小把生成的各种离子分离、检测他们的强度，并将其排列成谱,二. 质谱分析的基本原理和质谱仪,1. 基本原理(EI
9、法),产生离子的方法：电子轰击(EI)、化学电离(CI)等。,电子轰击离子化法是有机化合物电离的常规方法。,化学电离法可得到丰度较高的分子离子或准分子离子峰。,电离效率：20-25eV达到最大值；常规电子轰击能量为70eV 碎裂的原因：分子离子的剩余能量大于分子中的化学键断裂所需要的能量,EI优点： 方法成熟 碎片多，提供丰富的结构信息 灵敏度高，ng量级样品 重复性好 离子源结构简单 缺点： 对样品要进行气化，不能用于难气化和热不稳定的样品的分析 70eV高能量造成某些分子离子检测不到,软电离方法： 化学电离法 场致电离法和场解吸法 快原子轰击法和二次离子质谱法 基质辅助激光解吸法 大气压电
10、离法（大气压化学电离法和电喷雾法） 解决轰击法存在的问题，增加分子离子的强度,离子的分离,离子加速能量,洛仑兹力,V固定： H固定，因运动轨道的曲率半径 不同而分离,V固定： R固定，扫描磁场，分离离子,R、H固定： 扫描加速电压，分离离子,分离离子的三种模式,1）离子源 2）质量分析系统 3）离子收集，检定系统。,1.2.3 仪器简介,1）离子源： 钨丝产生电子，栅极聚焦后入射到电离盒与气态分 子作用，使分子电离 排斥极和引出极拉出离子 聚焦极和z向偏转极聚焦成束 经狭逢射入质量分析器,2） 质量分析器： 质谱仪的核心部件 双聚焦磁偏转质量分析器,静电场使得离子偏转 静电场后的狭逢，固定曲率
11、半径R, 因此进入磁场的离子几乎具有相同的动能，从而大大提高仪器的分辨率 m/z的精度可达到amu的小数点后第四位,四极质量分析器,共振离子通过,调制模式： 电压调制，频率固定， u/v比值不变 频率调制， 电压不变 优点： 体积小 重量轻 价格低 扫描电场比磁场扫描快，更适合于色谱联用,飞行时间质谱（Time of Flight,TOF）,动能 飞行速度 飞行时间,优点： 结构简单，不需要磁场或电场，只需要漂移空间 扫描速度快，一张谱约需10-5-10-6s, 适合色谱联用 测量离子质荷比没有上限，特别适合生物大分子测定 检测灵敏度高，因为不存在聚焦狭逢,3）检测器,10-20个二次电极可获
12、得106-108增益,4）真空系统 要求真空度10-4-10-6 Pa 5) 进样系统 （2）质谱仪的主要性能指标 质量范围 分辨率,1.3 离子的主要类型、形成及其应用,1.3.1 分子离子,化合物分子通过某种电离方式，失去一个外层电子而形成的带 正电荷的离子。,分子离子特点： 正离子 游离基（奇电子离子）,1.3.2 碎片离子 EIMS中数目最多的离子 质荷比和相对强度与分子的结构密切相关,1.3.3 同位素离子 以元素最大丰度的同位素质量计算分子离子和碎片离子的质荷比. 其他称为同位素离子,1.3.4 多电荷离子 如苯分子离子峰m/z78, 双电荷离子m/z39,1.3.5 负离子 产生
13、的几率10-4,1.3.6 离子-分子反应生成的离子 CI利用离子分子反应使样品电离,他们往往生成M+H+或M-H+,1.3.7 亚稳离子,1.4 分子离子峰的判别和分子量测定,判别标准 1) 分子离子必须是一个奇电子离子(谱图上反映不出来),不饱和度f 用来判断分子所含电子的奇偶性,不饱和度:化合物中所有双键(三键相当于两个双键)和环数目的之和,乙烯,乙炔,苯,f = 1,f = 2,f = 4,不饱和度 f=1+n4+1/2(n3-n1) n1、n3、n4分别为一价、二价和四价原子的数目 整数： 奇电子离子 半整数： 偶电子离子,f,例题 ： C10H22 f=1+10-22/2=0 C7
14、H6O f=1+7-6/2=5,C10H21 f=1+10-21/2=1/2 C7H5O f=1+7-5/2=11/2,2） 分子离子的质量的奇偶性符合氮规则 一个化合物中不含氮或含偶数个氮原子，其分子离子的质量一定为偶数 含奇数个氮原子，其分子离子质量必定为奇数 3）合理的中性丢失 丢失CH3 15 丢失 OH 17 4-14和21-25不合理,当分子中含有偶数个氮原子或不含氮原子时，分子量应为偶数； 当分子中含有奇数个氮原子时，分子量应为奇数。,氮规则,试判断下列化合物的分子离子峰的质荷比是偶数还是奇数？,偶数,分子离子峰,同位素子峰,79Br和 81Br,M-Br+,溴代丙烯,偶数，符合
15、氮规则,己醇质谱图（分子量102）,m/z84=M-H2O+,1.5 分子式的确定 1.5.1 利用同位素离子丰度推导分子式 三类同位素: A-只有一个天然稳定的同位素, F、P、I； A+1 C、N、H A+2 Cl、Br、S、Si、O,（1） 分子中氯、溴元素的识别和原子数目的确定 A+2类元素 35Cl：37Cl=100：32.5 3:1 79Br:81Br=100:98 1:1,二氯甲烷CH2Cl2 可能性及几率,质量(出现几率),1#Cl原子 35 (3) 35(3) 37 (1) 37 (1),2#Cl原子 35 (3) 37(1) 35 (3) 37 (1),CH2Cl2分子 8
16、4 (3x3) 86(3x1) 86 (1x3) 88 (1x1),M-Cl,(2) 分子中硫、硅的识别和数量确定 也是A+2类元素 S原子数目=（M+2/M)/4.4% （取整数） Si原子数目=(M+2/M)/3.4% （取整数）,(3) 分子中碳原子数目的确定 C原子数目上限=(M+1/M)/1.1% (取整数）,对于一般有机物电子失去的程度： n ,失去一个电子形成的分子离子：,当正电荷位置不确定时用 表示。,失去一个n电子形成的分子离子：,分子离子峰主要用于分子量的测定。,失去一个电子形成的分子离子：,2. 同位素离子,含有同位素的离子称同位素离子。,同位素离子峰一般出现在相应分子离
17、子峰或碎片离子峰的右 侧附近，m/e用M+1，M+2等表示。,（表11-11）,同位素峰间的强度比与同位素的天然丰度比相当。,同位素峰的相对强度与分子中所含元素的原子数目及各元素的 天然同位素丰度有关。,同位素离子峰的强度比为 (a+b)n 展开后的各项数值比。,通过分子离子峰与同位素离子峰的相对强度比导出化合物的 分子式 (即利用同位素确定分子式)。,a:轻同位素丰度; b:重同位素丰度; n:该元素在分子中的个数。,例：某化合物的质谱数据：M=181，PM%=100% P(M+1)%=14.68% P(M+2)%=0.97%,查贝诺表,根据“氮规则”、M=181，化合物分子式为(2)。,利
18、用高分辨质谱仪给出精确分子量，以推出分子式。,如：高分辨质谱仪测定精确质量为166.0630（0.006）。,MW： 166.0570166.0690,同位素离子峰鉴定分子中氯、溴、硫原子。,如:CH3CH2Br 天然丰度% 79Br 50.537% ; 81Br 49.463%,相对强度： M：100% M+2 97.87% 峰强度比：1 1,3. 碎片离子和重排离子,问题 (1) 烃类化合物的分子离子的m/e值可能为奇数吗？ (2) 如果分子离子只含C、H和O原子，其m/e值是否既 可以是奇数，也可以是偶数？ (3) 如果分子离子只含C、H和N原子，其m/e值是否既 可以是奇数，也可以是偶
19、数？,裂解方式：均裂、异裂、半异裂；裂解、-裂解.,半裂解：离子化键的裂解。,a. 醛酮等化合物的a-裂解,1）产生氧正离子、氮正离子、卤正离子的裂解,a-裂解:带电荷的有机官能团与相连的碳原子之间的裂解。,b. 醇、醚、胺和卤代烷等化合物的裂解,裂解：与带电荷的有机官能团相连的碳原子与碳原子之 间的裂解。,b. 烷基芳烃类化合物的裂解,c. 烷烃类化合物的裂解,a. 烯烃类化合物的裂解,2) 产生碳正离子的裂解,Hexane,2-methylbutane,Neopentane,3) 脱去中性分子的裂解,RDA反应,Mclafferty rearrangement(麦氏重排),分子中有不饱和基
20、团和氢原子的化合物能发生麦氏重排。,氢原子重排到不饱和基团上(通过六元环状过渡态), 同时伴随 ,原子间的键断裂。,讨论,1. 某胺类化合物其质谱图上于m/e30处有一强峰，试问其结构 可能为下列化合物中的哪一个？,2. 3-甲基-2-戊酮在m/e72处有一吸收峰，该峰是Mclafferty重排 裂解产生的碎片离子峰，试写出其裂解过程。,五. 利用质谱和其它谱确定化合物结构,2) 某酮分子式C10H12O，其质谱图给出如下m/e值： 15、43、57、91、105、148，试写出此化合物的结构。,1) 分子式为C6H12O的酮(A)、酮(B)，它们的质谱图如下， 试确定酮(A)与酮(B)的结构。,（A）,（B）,某未知化合物的分子式C9H10O2, 其质谱,红外,核磁数据 如下图所示. 它的紫外光谱数据 ：268, 264, 262, 257 252nm(max 101, 158, 147, 194, 153)。试推断其结构。,丰度%,m/e,思考题,(ppm),波长(m),吸光度,