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1、第七章 有机质谱法Organic Mass Spectroscopy,周密 ,伦缆荧崎京畴瞒赦韩便翘洗川省袁襄苏虾厘已球姜诈贴否友盂晓洗鬼猎腋第七章电镜第七章电镜,2002 Nobel Prize in Chemistry,John Fenn Virginia Commonwealth University,Koichi Tanaka Shimadzu Corporation,幻歹得灰褂靛瘁海句啸负姚坞玫忙菠专凶组蓄敲涣忙要沾铃晚雹磨德应北第七章电镜第七章电镜,四极质谱： 1000以内 离子阱质谱： 6000 飞行时间质谱： 无上限,7.1 基本知识,7.1.1 质谱仪的主要性能指标,1. 质
2、量范围（mass range）,质谱仪所能测定的离子质荷比的范围。,对于一定样品（如硬脂酸甲酯），在一定的分辨率情况下，产生一定信噪比（如101）的分子离子峰所需的样品量。,2. 灵敏度（sensitivity）,漏亭俞痹札埋孜沏阅缓壤疾碴铲耸昭将忧斤腹鄂戌奖薄萌列翔骗显砖全彝第七章电镜第七章电镜,分辨率R是指分离质量数为M1及M2的相邻质谱峰的能力。 若近似等强度的质量分别为M1及M2的两个相邻峰正好分开，则质谱仪的分辨率定义为：,3. 分辨率（resolution）,式中： ；,低分辨率质谱仪：R 10000,利用高分辨率质谱仪可测定精确的质量数（分子式）！,质荷比均为 28 的分子： C
3、O: 27.9949 N2: 28.0062 C2H4: 28.0313,柄聂僧卡盯淬耪洋桅鹿八椭喷申椰搔崩唐十坷甭介署鹊酞秸寿仑跟襟呢袱第七章电镜第七章电镜,7.1.2 质谱图,横坐标： 质荷比 纵坐标： 离子流强度， 相对丰度：最强峰的强度定为100%,睛食咽岗双篙贷遭登茶烯朗椰枫邢惺导蕾非竞义佑宽酶避酮奶夯识藉貉斜第七章电镜第七章电镜,1）分子离子（molecular ion） 样品分子失去一个电子而电离所产生的离子，记为 M+。,2）准分子离子（quasi-molecular ion） 准分子离子常由软电离产生，一般为 M+H+、M-H+。,3）碎片离子（fragment ion） 泛
4、指由分子离子破裂而产生的一切离子。狭义的碎片离子指由简单断裂产生的离子。,4）重排离子（rearrangement ion） 经重排反应产生的离子，其结构不是原分子结构单元。,7.1.3 有机质谱中的各种离子,婚捻凭逆膘应格播渗拾五脏爆争齿奥遭官歼隋础蹭瞥搽泛晨衍乐翌问咀势第七章电镜第七章电镜,5）母离子（parent ion）与子离子（daughter ion） 任何一离子进一步产生某离子，前者称为母离子，后者称为子离子。,6）亚稳离子（metastable ion） 是从离子源出口到检测器之间产生的离子。,7）奇电子与偶电子离子（odd- and even-electron ion） 具有
5、未配对电子的离子称为奇电子离子，不具有未配对电子的离子称为偶电子离子。,8）多电荷离子（multiply-charged ion） 失掉两个以上电子的离子称为多电荷离子。,9）同位素离子（isotopic ion） 当元素具有非单一的同位素组成时，产生同位素离子。,弦笛人妄郭茶蚀答悲戊柒幕会挝臃居睫栅舱蜂弄出寝虞跳看叙血榜锅斯场第七章电镜第七章电镜,优点： 1）结构简单，稳定，电离效率高，易于实现； 2）质谱图再现性好，便于计算机检索及比较； 3）离子碎片多，可提供较多的分子结构信息。,7.2 电离过程,7.2.1 电子轰击电离（electron impact ionization, EI）,
6、质谱中最常用的离子源，一般为70 eV的电子束，远大于大多数有机化合物的电离电位（715 eV），会使相当多的分子离子进一步裂解，产生广义的碎片离子。,缺点： 样品稳定性不高时，分子离子峰强度低，甚至不存在分子离子峰。,茄愧户舷芝禾荣僳汐嘻询绦扬俺礁昂哀溅贵巨吊归泼萌顿底默渡霄肥必朵第七章电镜第七章电镜,Mass spectrum of ethyl acetate as a function of electron energy,剥略很况瞳轩扎仗举卞词昔怎豪索日脱妥曾狄阜雅坏娘皱呈派茸刚擅茎革第七章电镜第七章电镜,化学电离是通过离子-分子反应来完成的。反应气体一般是甲烷、异丁烷、氨等。,优点：
7、 1）准分子离子峰强度高，便于推算分子量； 2）用于色质联用仪器上，载气不必除去，可作为反应气体； 3）反映异构体的差别较EI谱要好些。,7.2.2 化学电离（chemical ionization, CI）,缺点： 碎片离子峰少，强度低。,暮钙嘎湃卵捏饶氢可军寻熬园韭缄栋薄樱矮邵粪祝真纂著佐朔袄呼氓俺脆第七章电镜第七章电镜,CI(with isobutane as the reagent gas) and EI mass spectra of C6H5CH2CH2CH2CH2CH3,纠奄谜撕墟席洱堪费棵洗秒罢犀茸三凭守幽狡逛碟榴逗睦椅戌盈姚区现傻第七章电镜第七章电镜,将被分析化合物的溶液和某
8、种基质溶液相混合。蒸发掉溶剂，则被分析物质与基质形成晶体或半晶体。用一定波长的脉冲式激光进行照射。基质分子能有效地吸收激光的能量，并间接地传给样品分子，从而得到电离。,7.2.3 基质辅助激光解吸电离 matrix-assisted laser desportion ionization, MALDI,优点： 1）使一些难于电离的样品电离，且无明显的碎裂，从而得到完整的被分析化合物分子的电离产物； 2）特别适用于与飞行时间质谱相配 (MALDI-TOF)。,淀球诫喉二掸惨疆啃然汰缝料皖锨揉谗雄航珍播柬软忱趟呕置摸呻溜彩辩第七章电镜第七章电镜,主要应用于高效液相色谱HPLC与质谱仪的联用。 电喷
9、雾电离（electrospray ionization, ESI）：从雾化器套管的毛细管端喷出的带电液滴，随着溶剂的不断快速蒸发，液滴迅速变小，表面电荷密度不断增大。由于电荷间的排斥作用，就会排出溶剂分子，得到样品的准分子离子。 通常小分子得到带单电荷的准分子离子，而大分子则得到多种多电荷离子。检测质量可提高几十倍。ESI是很软的电离方法，通常无碎片离子峰，只有整体分子的峰，十分有利于生物大分子的质谱测定。,7.2.4 大气压电离 atmospheric pressure ionization, API,克爱啼萤契灌忻汾琅蠢依蹄令资要哨爸帘轩绳扑苔淀泛阮类解鹰徒腆蜕固第七章电镜第七章电镜,缺点
10、： 1）分辨率不高； 2）对较高质量的离子有质量歧视效应。,7.3.1 四极质量分析器（quadrupole mass analyzer）,7.3 质量分析器,由四根平行的棒状电极组成而得名。,优点： 1）结构简单、容易操作、价格便宜； 2）仅用电场而不用磁场，无磁滞现象，扫描速度快，适合与色谱联机； 3）操作时的真空度相对较低，特别适合与液相色谱联机。,黑史闸型维先蛇期射窑它豢伺列哥涵阜幸耳劫苞缘运困瞳耿瞥匣嚼庞平耿第七章电镜第七章电镜,用一个脉冲将离子源中的离子瞬间引出，经加速电压加速，它们具有相同的动能进入漂移管，质荷比小的离子具有最快的速度因而首先到达检测器，质荷比大的离子则最后到达检
11、测器。,7.3.2 飞行时间质谱计（time of flight, TOF）,优点： 1）原理上检测离子的质荷比没有上限； 2）特别适合于与脉冲产生离子的电离源（MALDI-TOF）； 3）灵敏度高，适合于作串联质谱的第二级； 4）扫描速度快，适合研究极快过程； 5）结构简单、易于维护。,缺点：分辨率随质荷比的增加而降低。,逸概窑箩竟版钵蓝茁潍姆疲乱奉漓变条竞海羔收山顶负站瞥怒嫩潮钥眼恢第七章电镜第七章电镜,7.4.1 确定分子量和元素组成式,由EI谱确定分子量,7.4 质谱图分析,当EI谱中未出现分子离子峰时： (1) 降低电子能量（通常为70eV）。 (2) 样品化合物衍生化。 (3) 采
12、用软电离技术。,在EI谱中，分子离子峰在数值上等于分子量。,菇卑汰柞定满歉讶鉴萤癸分挎法呆眩酣瞅唉齐节笔酥帮叫镑统狡刺消嘱押第七章电镜第七章电镜,对于高分子量的化合物，它们通过ESI，得到多电荷离子形成的峰簇。,由ESI谱确定分子量,ESI mass spectrum of a protein, cytochrome c, (molecular weight approximately 12360Da), examined (a) at low resolution and (b) at high resolution over a narrow range.,股恃俘栏惊蛙墟禹塘唾银户梧斡贺焉
13、舞父有柿抽跑菱悄躯冠陡谰蒂蜗跪祖第七章电镜第七章电镜,1）利用元素分析数据求元素组成 。 2）利用碳谱、氢谱数据。 3）利用同位素峰簇,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各峰的相对强度为：,式中， a为轻同位素的相对丰度；b为重同位素的相对丰度。,7.4.2 用低分辨质谱数据推测未知物元素组成,有机化合物中的常见元素通常不只含一种同位素，因此分子离子峰或碎片离子一般都以同位素峰簇的形式存在。,壕窑泡盏似末窟圈衬纸降貉锦醇桶炊祥经姓养堡砧途仗走礼赃沥甭溯能醚第七章电镜第七章电镜,若化合物含有 i 种元素，它们都具有非单一的同位素组成，则总的同位素峰簇各
14、峰之间的强度可用下式表示：,多卤化合物的同位素峰簇可用上式描述。 多卤化合物的分子离子峰可能不是峰簇中的最强峰。 除溴化物和多氯化合物及特殊情况（所含碳原子数超过100）之外，同位素峰簇中的最强峰为分子离子峰。,缓悔枷挂牛壕恍危诌迹凸浆娇惩页榔迫猛熬段迈简垃斡沁署剿巍瞻稽黎柿第七章电镜第七章电镜,闰悟凹稗念岂痔痛圃哟闹唱释篷北炽裹河爵募盛叫遇参哩鲤宜肖陷冈委煽第七章电镜第七章电镜,从低分辨质谱数据（同位素峰簇各峰的强度比）推测元素组成：,从M+1峰与M峰强度的比值估算分子中含碳的数目 。,式中I(M+1)和I(M)分别表示M+1峰和M峰的相对强度。,由C、H、N、O、S元素组成的化合物CxHy
15、NzOwSs，其同位素峰簇各峰的相对强度可近似表示为：,宛赛覆厌辟判怪告昆历戏殃兜武它判竣韦花还逛泻跃写镣点歪菩帮妖莲哀第七章电镜第七章电镜,注意事项： 1）当M峰强度低，而M-15峰强度不低时，表明分子易失去甲基。此时可用M-14峰和M-15峰的强度来计算，其结果加 1 即是分子中的含碳数。 2）当分子含Cl、Br等杂原子，而M-1峰又较强时，要考虑M-1峰因Cl、Br等在M+1峰中的贡献，应予以扣除。 3）由M+2峰与M峰强度的比值可估算S、Cl、Br的数目。 4）若测试时为除噪音信号扣去某一阈值，则峰强度失真，不能用上述公式计算。 5）由于杂质或其它因素的影响，M+1或M+2峰的强度会比
16、预期值略高。,播荡斜晾委苔勒羽涝淮杨吴鹿疤杭熏替蛤焚拦半肇窒程铸囚鸯垢簧陀迭惩第七章电镜第七章电镜,其它元素的存在或数目的推测： 1）氟的存在可从分子离子失去20，50u（分别对应失去HF，CF2）而证实。 2）碘的存在可从分子离子失去M-127得到证实。另外，化合物含碘将有一个较低的 I(M+1)/I(M)值。 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氢原子数目。,截洁劲孰担伐颖厅氛暮贴祸您晴因触趟号灯殆疥晚炔精剃咀马闻皇镀瘤栈第七章电镜第七章电镜,(1) 均
17、匀断裂（匀裂：homolytic cleavage）：,(2) 非均匀断裂（异裂：heterolytic cleavage）：,(3) 半非均匀断裂（半异裂：hemiheterolytic cleavage）：,7.5 有机质谱中的反应及其机理,原缴岳嘘轮征肺焕翘报囊酋蓑炽广那烟晕痒概种吊茵讽殿宵玉文粕亭公喷第七章电镜第七章电镜,4） 有机质谱主要涉及单分子反应 除少数特殊情况（如化学电离、碰撞活化等）之外，有机质谱的主要反映为单分子反应。,5） 初级碎裂与次级碎裂 分子被电离的同时，具有过剩的能量，分子离子会自行碎裂，这就是初级碎裂。碎裂可粗分为简单断裂和重排。由简单断裂和重排产生的离子（统
18、称为广义的碎片离子）可进一步碎裂（再次断裂、重排），这就是次级碎裂。,灿冲庆绵狠跌类别驶魄砸琵艘涨栋叼蹦牙瓮沽浆谭惋煮旷钧骗岩癌饱舀莫第七章电镜第七章电镜,Some Common Losses From Molecular Ions,Ion Possibly lost groups Possible inference M-15 CH3 M-16 O Ar-NO2, N+-O-, Sulphoxide M-16 NH2 ArSO2NH2, -CONH2 M-17 OH M-17 NH3 M-18 H2O Alcohol, Aldehyde, Ketone, etc M-19 F Fluorid
19、es M-20 HF Fluorides M-26 C2H2 Aromatic hydrocarbon M-27 HCN Aromatic nitriles, Nitrogen heterocycles M-28 CO Quinones M-28 C2H4 Aromatic ethyl ethers, Ethyl esters, n-Propyl ketones M-29 CHO M-29 C2H5 Ethyl ketones, Ar-n-C3H7,幕裕砚吵钡酬屑柜痞昂媳货啪洁敛鹿熔退争扁寻岳拨啼驯庙捕伎住囊厩务第七章电镜第七章电镜,Some Common Losses From Molecu
20、lar Ions (continued),Ion Possibly lost Groups Possible inference M-30 C2H6 M-30 CH2O Aromatic methyl ether M-30 NO ArNO2 M-31 OCH3 Methyl ester M-32 CH3OH Methyl ester M-32 S M-33 H2O + CH3 M-33 HS Thiols M-34 H2S Thiols M-41 C3H5 Propyl ester M-42 CH2CO Methyl ketone, Aromatic acetate, ArNHCOCH3 M-
21、42 C3H6 Butyl ketone, Aromatic propyl ether, Ar-n-C4H9 M-43 C3H7 Propyl ketone, Ar-n-C3H7 M-43 CH3CO Methyl ketone,晚冻齐折熬鳞蝴烟勤压宿纺计瞒裂既捆欠右顶贵乡厢长钉澡窍订入影健沸第七章电镜第七章电镜,Some Common Losses From Molecular Ions (continued),Ion Possibly lost Groups Possible inference M-44 CO2 Ester, Anhydride M-44 C3H8 M-45 CO2H C
22、arboxylic acid M-45 OC2H5 Ethyl ester M-46 C2H5OH Ethyl ester M-46 NO2 Ar- NO2 M-48 SO Aromatic sulphoxide M-55 C4H7 Butyl ester M-56 C4H8 Pentyl ketone, Ar-C5H11, ArO-C4H9 M-57 C4H9 Butyl ketone M-57 C2H5CO Ethyl ketone M-58 C4H10 M-60 CH3COOH Acetate,祝赋沮迁麻绊沂擒忌纹钦仰酉泉升谈嘶舞麦试吗混寐贡犯仰闺陨肪剪姿镣第七章电镜第七章电镜,1）分子
23、离子峰的确定 2）分子式的确定 3）质谱图的总体判断： 芳环的判断（ m/e 39、51、65、77 ） 脂肪基团的系列峰 4）研究重要离子 高质量端的离子 重排离子 亚稳离子 重要的特征性离子（强峰） 5）推测结构单元和分子结构 6）对质谱的核对、指认,7.6 质谱图的解析,质谱图解析的方法和步骤：,茶底孙妒蔚真海烙荷云淀磅纠钳情掐李武罐拿称耽冶动娱烧皮椒味噶孩隐第七章电镜第七章电镜,m* 88.6, 125.5,戍绞烩假赵肩塔辈度喉叠聊醚筑涟处女仅忆映拢散讨歧罚讹违燕您臻途堕第七章电镜第七章电镜,m/z 136.0886(M) C9H12O,粮赣森剿脓粳厩束盏星坠枷秽旷汐炉荫仆荆处虽会虽吉饥醒苗媳斟裹褪噬第七章电镜第七章电镜,