现代分析测试技术分子质谱.ppt

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1、第三章 质谱法,3.1 原子质谱 3.2 分子质谱 3.3 二次离子质谱,3.2 分子质谱,3.2.1 分子质谱仪 3.2.2 有机化合物的碎裂 3.2.3 分子质谱法的应用,质谱仪需要在高真空下工作： 离子源（10-310-5Pa）； 质量分析器（10-6 Pa）。,3.2.1 分子质谱仪,单聚焦分析器 双聚焦分析器 傅立叶变换质谱仪,3.2.1 分子质谱仪,单聚焦分析器 单聚焦质量分析器（Single focusing analyzer）实际上是处于扇形磁场中的真空扇形容器，因此，也称为磁扇形分析器。 是通过磁场来实现按质荷比的大小将离子分开。常见的单聚焦质量分析器多采用180、90或60

2、的圆形离子束通路。,电离室原理与结构,90单聚焦质量分析器,180单聚焦质量分析器,在磁场存在下，带电离子作半径为R的圆周运动，圆周运动的离心力与洛伦兹力平衡：m 2 / R= BeV 曲率半径： R=(m ) / (eB) 质谱方程式：m/e = (B2R2) / (2V) 离子在磁场中的轨道半径R取决于： m/e 、 B 、 V 改变加速电压V, 可以使不同m/e 的离子进入检测器。,加速后离子的动能 : (1/2)m 2=eV,3.2.1 分子质谱仪,单聚焦分析器,单聚焦分析器 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 离子源产生的离子在进入加速电场前，初始能量并不为零

3、，且具有一定的分散性，即使是m/z相同的离子，其初始能量也具有一定的分布，所以对于m/z相同的离子最后也不能全部聚焦在一起，所以单聚焦分辨率较低（一般500以下），主要用于同位素测定。,3.2.1 分子质谱仪,3.2.1 分子质谱仪,双聚焦分析器 Double focusing analyzer 是在单聚焦分析器的基础上，为了解决离子能量分散的问题，提高仪器的分辨本领，在扇形磁场前加一扇形电场，先进行能量（速率）聚焦，再实现方向聚焦。可在一定程度上消除离子能量分散对分辨率的影响。 能量聚焦：加速的离子进入电场后，只有初试动能与其曲率半径相应的离子才能通过狭缝，进入到扇形磁场中分离，在方向聚焦之

4、前，首先实现能量上的聚焦。,3.2.1 分子质谱仪,双聚焦分析器 能量聚焦： 相同质荷比、能量 不同的离子会聚； 方向聚焦： 相同质荷比、方向 不同的离子会聚； 通过设计和加工磁分析器的极面，使静电场分析器按不同能量分散开的而m/z相同的离子通过磁分析器后又会聚在一起，然后进行检测，实现了能量（或速度）和方向的双聚焦。,3.2.1 分子质谱仪,双聚焦分析器 优点： 分辨率极高，可达15万，甚至上百万。 缺点： 扫描速度慢； 仪器昂贵，调整、操作、维护均较为困难。,3.2.1 分子质谱仪,傅立叶变换质谱仪 离子回旋共振傅立叶变换质谱仪 （Ion cyclotron resonance fouri

5、er transform spectrometer，ICR-FTMS） 傅立叶变换离子回旋共振质谱仪 （Fourier transform ion cyclotron resonance spectrometer，FT-ICRMS） 由于傅立叶技术的发展，FT-ICRMS 与同期发展的FT-IR 和超导FT-NMR，开辟了现代有机结构傅立叶谱学分析的新时代。,3.2.1 分子质谱仪,傅立叶变换质谱仪 离子回旋共振分析器的基本原理 当一定质荷比m/z的离子进入磁感应强度为B的磁场中时，受磁场力的作用，离子做圆周运动，圆周运动的离心力与洛伦兹力平衡： m 2 / R = BeV 或 f = / R

6、 =Be / m f 为离子运动的回旋频率，与其质荷比成线性关系，当磁场强度固定后，只需精确测得离子的共振频率，就能准确得到离子的质量。测定离子共振频率的方法是外加一个射频辐射（交变电场）。,离子回旋共振工作原理图,3.2.1 分子质谱仪,傅立叶变换质谱仪 离子回旋共振分析器的基本原理 当射频频率等于离子共振频率时，离子就会吸收外加辐射能量而改变圆周运动的轨道，沿着阿基米德螺线加速，离子收集器放在适当的位置就能接收到共振离子。改变辐射频率，就可以接收不同的离子。 由于共振离子的迥旋可以产生称之为相电流的信号，相电流可以在停止交变电场时观察到。感生的相电流由于共振离子在迥旋时不断碰撞失去能量并归

7、于热平衡状态而逐步消失，这个过程一般在0.110s之间，因此可以得到相电流的衰减信号。,3.2.1 分子质谱仪,傅立叶变换质谱仪 离子回旋共振傅立叶变换质谱仪 普通的回旋共振分析器扫描速度很慢、灵敏度低、分辨率也很差。傅立叶变换质谱仪在分析器上施加一个频率由低到高线性增加（0.0703.6MHz）的短脉冲（15ms），使相应范围内的所有离子都产生回旋共振，脉冲之后，所有离子都发生感生相电流的衰减信号，测定在各时刻中所有离子相电流衰减信号的相干谱图。经过重复累加、放大后输入计算机，进行快速傅立叶变换，便可检出各种频率成分的谱图频域谱，并利用频率与量的关系，得到常见的质谱图。,3.2.1 分子质谱

8、仪,傅立叶变换质谱仪 ICR-FTMS 的核心部分是由超导磁体组成的强磁场，和置于磁场中的离子盒组成。离子盒有三对互相垂直的平板电极： 第一对电极为发射极，发射一定射频的脉冲，使各种离子以特定的频率在离子盒内作共振回旋； 第二对电极为捕集极，与磁场方向垂直，极板上加上一定的正电压，延长离子在室内的回旋滞留时间； 第三对是收集极，用于接受离子作检测电极。,3.2.1 分子质谱仪,傅立叶变换质谱仪 优点： 分辨率高，可达25万，容易区分相同标称分子质量的离子，如N2、C2H4、和CO,对推断精确的经验式极有价值； 可检测的离子质量范围宽，可达103； 可以测量不同的脉冲及不同延迟时间的信息，扫描速

9、度快，故可以研究气态离子或分子反应动力学。,3.2.1 分子质谱仪,傅立叶变换质谱仪 缺点： 仪器较为昂贵，工作条件较为苛刻。 因为有超导磁体存在，必须在液氮和液氦的温度下工作，离子盒须在10-8Pa 的高真空系统下维持其正常工作，所以对工作环境要求较高。,3.2.1 分子质谱仪 3.2.2 有机化合物的碎裂 3.2.3 分子质谱法的应用,3.2 分子质谱,有机分子的碎裂 cleavage types of organic 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, B

10、CD + A+ B + A+ CD + AB+ A + B+ ABCD+ D + C+ AB + CD+ C + D+,碎 片 离 子,3.2.2 有机化合物的碎裂,碎裂方式 碎裂的引发机制 简单碎裂的一般规律 重排,3.2.2 有机化合物的碎裂,碎裂方式 有机化合物的碎裂方式有三种类型： 均裂 异裂 半异裂,3.2.2 有机化合物的碎裂,碎裂方式 均裂 指碎裂键的两个电子分别在每个碎片上，即： 键：由两个相同或不相同的原子轨道沿轨道对 称轴方向相互重叠而形成的共价键。 异裂 指碎裂键的两个电子归属于某一个碎片，即：,3.2.2 有机化合物的碎裂,碎裂方式 半异裂 指碎裂离子化的键的一个电子转

11、移，即：,3.2.2 有机化合物的碎裂,碎裂方式 碎裂的引发机制 简单碎裂的一般规律 重排,3.2.2 有机化合物的碎裂,碎裂的引发机制 碎裂反应是通过分子离子 发生的，丢失电子将按n顺序进行。 n电子：孤对电子，是非键电子，能量高最容易失去。 健：成键原子的未杂化p轨道，通过平行、侧面重叠而形成的共价键。重叠程度比键小，不如键稳定。 碎裂 i碎裂 碎裂,3.2.2 有机化合物的碎裂,碎裂的引发机制 碎裂 是由自由基的强烈的电子配对倾向引发的，称为自由基引发。 碎裂的倾向与自由基处原子的给电子能力有关，其顺序为： NS、O、不饱和烃、烷烃ClBrI,3.2.2 有机化合物的碎裂,碎裂的引发机制

12、 i碎裂 由诱导效应，即正电荷引发发生碎裂。 i碎裂是一对电子发生转移，使原来带电荷位置发生转移。在i碎裂时顺序为： 卤素OSN、C。,3.2.2 有机化合物的碎裂,碎裂的引发机制 碎裂 发生在不含O、N等杂原子，或没有键的化合物中，是由键形成正离子自由基时发生的碎裂。 化合物发生何种碎裂，实际上是各种碎裂反应的相互竞争，一般而言碎裂重要性大于i碎裂。,3.2.2 有机化合物的碎裂,碎裂方式 碎裂的引发机制 简单碎裂的一般规律 重排,3.2.2 有机化合物的碎裂,简单碎裂的一般规律 什么是简单碎裂？ 简单碎裂是指分子中仅断开一个化学键，碎裂反应的产物是分子中原来存在的结构。,3.2.2 有机化

13、合物的碎裂,简单碎裂的一般规律 对于含杂原子的化合物， 连接杂原子的-C上的另一键发生碎裂，另一键相连的可以是C、H或其它杂原子，键断裂时，正电荷常在含杂原子一侧； 与碳原子不饱和键或苯环、杂芳环相连的C-C键易断裂； 碳链分支处易碎裂，分支越多，该处越易断。,3.2.2 有机化合物的碎裂,碎裂方式 碎裂的引发机制 简单碎裂的一般规律 重排,3.2.2 有机化合物的碎裂,重排 重排涉及链的碎裂和新键的生成，产生原来化合物中不存在的结构单元。 一些重要的重排反应有： 麦克拉佛特（McLafferty）重排 失去中性分子重排,3.2.2 有机化合物的碎裂,重排 麦克拉佛特（McLafferty）重

14、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（六圆环电子转移），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阳离子。,3.2.2 有机化合物的碎裂,重排 失去中性分子重排 烷基碎片离子可失去氢分子。 如： 某些含杂原子的化合物失去中性分子，如醇失水或乙烯，卤化物失去卤化氢，苯环衍生物失去中性小分子碎片等等。,分子碎片重排后再次裂解：,3.2.1 分子质谱仪 3.2.2 有机化合物的碎裂 3.2.3 分子质谱法的应用,3.2 分子质谱,3.2.3 分子质谱法的应用,有机质谱定性分析及图谱解析 有机质谱的定量分

15、析,3.2.3 分子质谱法的应用,有机质谱定性分析及图谱解析 相对分子质量的测定 分子式的确定 化合物结构的鉴定,3.2.3 分子质谱法的应用,有机质谱定性分析及图谱解析 相对分子质量的测定 从分子离子峰可以准确地测定该物质的相对分子质量，这是质谱分析的独特优点，它比经典的相对分子质量测定方法（如冰点下降法，沸点上升法，渗透压力测定等）快而准确，且所需试样量少（一般0.1mg）。,3.2.3 分子质谱法的应用,有机质谱定性分析及图谱解析 相对分子质量的测定 关键是分子离子峰的判断，因为在质谱中最高质荷比的离子峰不一定是分子离子峰，这是由于存在同位素和分子力反应等原因，可能出现M+1 或M+2

16、峰；另一方面，若分子离子不稳定，有时甚至不出现分子离子峰。因此，在判断分子离子峰时可参考以下几个方面的规律和经验方法：,3.2.3 分子质谱法的应用,有机质谱定性分析及图谱解析 相对分子质量的测定 分子离子稳定性的一般规律 分子离子峰质量数的规律（氮规则） 分子离子峰与邻近峰的质量差是否合理 M + 1 峰 M - 1 峰 降低电子轰击源的能量，观察质谱峰的变化,3.2.3 分子质谱法的应用,有机质谱定性分析及图谱解析 相对分子质量的测定 分子离子稳定性的一般规律 分子离子的稳定性与分子结构有关。碳数较多、碳链较长（也有例外）和有支链的分子，分裂几率较高，分子离子的稳定性低；而具有 键的芳香族

17、化合物和共轭烯烃分子，分子离子稳定，分子离子峰大。分子离子稳定性的顺序为：芳香环共轭烯烃脂环化合物直链的烷烃类硫醇酮胺酯醚分支较多的烷烃类醇。,3.2.3 分子质谱法的应用,有机质谱定性分析及图谱解析 相对分子质量的测定 分子离子峰质量数的规律（氮规则） 由C、H、O 组成的有机化合物，分子离子峰的质量一定是偶数；而由C、H、O、N 组成的化合物，含奇数个N，分子离子峰的质量是奇数，含偶数个N，分子离子峰的质量则是偶数。这一规律称为氮规则。 凡不符合氮规则者，就不是分子离子峰。,3.2.3 分子质谱法的应用,有机质谱定性分析及图谱解析 相对分子质量的测定 分子离子峰与邻近峰的质量差是否合理 如

18、有不合理的碎片峰，就不是分子离子峰。例如分子离子不可能裂解出两个以上的氢原子和小于一个甲基的基团，故分子离子峰的左面，不可能出现比分子离子的质量小314 个质量单位的峰；若出现质量差15 或18，是由于裂解出-CH3 或一水分子，因此这些质量差都是合理的。,3.2.3 分子质谱法的应用,有机质谱定性分析及图谱解析 相对分子质量的测定 M + 1 峰 某些化合物（如醚、酯、胺、酰胺等）形成的分子离子不稳定，分子离子峰很小，甚至不出现；但M+1 峰却相当大。这是由于分子离子在离子源中捕获一个H 而形成的。如：,3.2.3 分子质谱法的应用,有机质谱定性分析及图谱解析 相对分子质量的测定 M - 1

19、 峰 有些化合物没有分子离子峰，但M-1 峰却较大，醛就是一个典型的例子，这是由于发生如下的裂解而形成的， 因此在判断分子离子峰时，应注意形成M + 1 或M - 1 峰的可能性。,3.2.3 分子质谱法的应用,有机质谱定性分析及图谱解析 相对分子质量的测定 降低电子轰击源的能量，观察质谱峰的变化 在不能确定分子离子峰时，可以逐渐降低电子流的能量；使分子离子的裂解减少。这时所有碎片离子峰的强度都会减小，但分子离子峰的相对强度会增加。仔细观察质荷比最大的峰是否在所有的峰中最后消失。 最后消失的峰即为分子离子峰！,3.2.3 分子质谱法的应用,有机质谱定性分析及图谱解析 相对分子质量的测定 有机化

20、合物的质谱分析，最常应用电子轰击源作离子源，但在应用这种离子源时，有的化合物仅出现很弱的，有时甚至不出现分子离子分子峰，这样就使质谱失去一个很重要的作用。 为了得到分子离子峰，可以改用其它一些离子源，如场致电离源、化学电离源等。,3.2.3 分子质谱法的应用,有机质谱定性分析及图谱解析 分子式的确定 各元素具有一定的同位素天然丰度，因此不同的分子式，其(M +1) /M 和(M + 2) /M 的百分比都将不同。若以质谱法测定分子离子峰及其分子离子的同位素峰（M +1，M + 2 ）的相对强度，就能根据(M +1) /M 和(M + 2) /M 的百分比确定分子式。,3.2.3 分子质谱法的应

21、用,有机质谱定性分析及图谱解析 分子式的确定 拜诺表 J. H. Beynon 等计算了含碳、氢、氧的各种组合的质量和同位素丰度比。,3.2.3 分子质谱法的应用,有机质谱定性分析及图谱解析 分子式的确定 例如： 某化合物，根据其质谱图，已知其相对分子质量为150，由质谱测定，m/z150、151 和152 的强度比为M(150)=100%，M+1(151)=9.9%，M+2(152)=0.9%，试确定此化合物的分子式。,3.2.3 分子质谱法的应用,有机质谱定性分析及图谱解析 分子式的确定 从（M+2）/ M=0.9%可见，该化合物不含S，Br 或C1。 查Beynon 表，相对分子质量为1

22、50的分子式共29 个，其中（M+1）/ M 的百分比为911 的分子式有如下7 个：,3.2.3 分子质谱法的应用,有机质谱定性分析及图谱解析 分子式的确定 此化合物的相对分子质量是偶数，根据前述氮规则，可以排除上列第2、4、6 三个式子； 剩下四个分子式中，M+1 与9.9最接近的是第5 式（C9H10O2），这个式子的M+2 也与0.9 很接近，因此分子式应为C9H10O2。,3.2.3 分子质谱法的应用,有机质谱定性分析及图谱解析 化合物结构的鉴定 结构鉴定是质谱最成功的应用领域，方法有二： 其一：将质谱图与相同条件下获得的已知物质的标准图谱进行比较，来确认样品分子的结构； 其二：通过

23、对质谱图的各碎片离子、亚稳离子、分子离子的化学式，质荷比及相对峰高等信息，根据各类化合物的断裂规律，找出各碎片离子形成的过程，拼出整个分子结构，对照其它分析方法，最终获得可靠的结构式。,3.2.3 分子质谱法的应用,有机质谱定性分析及图谱解析 化合物结构的鉴定 在获得化合物的相对分子质量和化学式后，可按下列程序解析质谱： 根据化学式计算饱和度； 从分子离子峰相对其它峰的强度，整个谱图碎片的多少，低质量端碎片离子系列等可对化合物的结构提供线索；如芳香化合物分子离子峰较强，碎片峰少。,3.2.3 分子质谱法的应用,有机质谱定性分析及图谱解析 化合物结构的鉴定 注意分子离子峰与高质量数碎片离子峰以及

24、碎片离子峰之间的m/z的差值。找到分子离子峰可能脱掉的碎片或中性分子，依次推测分子结构和断裂的类型。 注意谱图上存在的那些重要离子，其质量数符合氮律，它们的出现意味着分子中发生重排或消去反应，这对推断结构有重要意义。,3.2.3 分子质谱法的应用,有机质谱定性分析及图谱解析 化合物结构的鉴定 若有亚稳峰的存在，利用 的关系式，找出m1和m2，并推断出M1M2的碎裂过程。 最后按多种可能的方式，连接已知的结构碎片及剩余的结构碎片，提出可能的结构式。,3.2.3 分子质谱法的应用,有机质谱定性分析及图谱解析 化合物结构的鉴定 注意：对于相对分子质量、结构较简单的化合物，仅靠质谱数据就有可能推出结构

25、；而对于相对分子质量较大的化合物结构，必须依靠几种谱图的综合分析，才可能推出可靠的结构。,3.2.3 分子质谱法的应用,有机质谱定性分析及图谱解析 有机质谱的定量分析,3.2.3 分子质谱法的应用,有机质谱的定量分析 质谱的定量分析是建立在质谱检测的离子流强度与离子数目成正比的基础上的，并通过未知样品与标准样品比较，以测定其含量。 但是，进行定量分析应满足一些必要的条件：,3.2.3 分子质谱法的应用,有机质谱的定量分析 组分中至少有一个与其它组分显著不同的峰； 各组分的裂解模型具有重现性； 组分的灵敏度具有一定的重现性（1）； 每种组分对峰的贡献具有线性加和性； 有适当的供校正仪器用的标准物

26、等。,3.2.3 分子质谱法的应用,有机质谱的定量分析 对于n 个组分的混合物：,3.2.3 分子质谱法的应用,有机质谱的定量分析 可以以纯物质校正 imn ， pn ，测得未知混合物m ，通过解上述多元一次方程组即可求出各组分的含量。 实际应用中，一般都是和气相色谱法联用GC-MS 先用GC将烷烃和芳烃分离，然后以MS进行分析。,3.2.3 分子质谱法的应用,有机质谱的定量分析 傅里叶变换离子回旋共振质谱对中国高硫原油的分子组成表征 青藏高原冰川雪冰中多环芳烃的分布特征及其来源研究 黔南坳陷油苗来源_碳_硫同位素及生物标志物证据 四川盆地东北部海_陆相储层沥青组成特征及来源 不同纬度地区植物中正构烷烃及其同位素组成 用高分辨率质谱揭示塔中4油田原油成因机制,单聚焦、双聚焦、离子回旋傅立叶变换质量分析器原理 有机化合物的碎裂 （碎裂方式，简单碎裂的一般规律，重排） 有机质谱的图谱解析 (相对分子质量的测定；分子式的确定；化合物结构的鉴定),3.2 分子质谱,