第十四章质谱法.ppt

《第十四章质谱法.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第十四章质谱法.ppt（78页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、质谱分析法,第十四章,Mass SpectrometryMS,Spectroscopy n.光谱学,波谱学,光谱仪Spectrometry n.质谱术，质谱计,主要内容,14.1 概述14-2 质谱法基本原理及质谱仪器14-3 质谱解析基础知识14-4 有机波谱综合解释,质谱法：,14-1 概 述,将气态离子混合物按质荷比m/z大小不同进行分离分析的技术。,质谱法分类：,原子质谱法(无机质谱法)atomic mass spectrometry分子质谱法(有机质谱法)molecular mass spectrometry,质谱分析动画,质谱法优点：,唯一可以确定分子量的方法，特别适用于生物大分子

2、分子量（数十万）测定；极高灵敏度，检测限达10-14g；,根据质谱峰的质荷比测定化合物的分子量，推测分子式及结构式根据峰强度进行定量分析,质谱表,质谱图,质谱的发展,1918年J.J.Thomson发明了第一台EI质谱；1966年Munson和Field提出了CI电离技术；1981年出现了快原子轰击（FAB）电离技术；随后出现了各种软电离技术：如基质辅助激光解吸电离源（MALDI）；电喷雾电离源（ESI）；大气压化学电离源（APCI）；感应耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）；富立叶变换质谱仪（FT-ICR MS）；,14-2 质谱法基本原理及质谱仪器,一、质谱法的基本原理,质谱仪器结构框图,电

3、子轰击离子化EI（50100 eV）,离子被电场加速后，动能和位能相等(加速后的电子势能转化为动能),分子离子，可裂解为碎片离子,加速后的离子进入磁场，圆周运动的离心力和向心力相等,代入上式，消去v：,质谱方程式,m：离子质量v：离子速度z：离子电荷U：电场电压,R：离子运动半径H：磁场强度,二、质谱仪器,质谱仪器结构框图,(一)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,(二)离子源,作用：使气态样品分子电离，转化为带有样品 信息的离子,1.电子轰击源(EI),灯丝,电子束,硬电离,EI源：可变的离子化能量(1070 eV)

4、,电子能量,电子能量,分子离子增加,碎片离子增加,标准质谱图基本都是采用EI源(70eV)获得的,适用性强,图谱重现性好但图谱复杂,分子离子峰难寻找,有机分子的电离电位一般为7-15eV。可提供丰富的结构信息。,2.化学电离源(CI),甲烷电离,甲烷离子与分子反应生成加合离子,软电离(分子不稳定),反应气体有甲烷、氨气、异丁烷,90%,加合离子与样品分子反应,(M+17)+,(M+29)+,采用CI源,图谱简单，易测得分子量,3.电喷雾电离源(ESI)Electrospray Ionizaton,多电荷离子 测定的样品分子量大,最软电离,高电场,其它离子源：快原子轰击FAB 基质辅助激光解吸M

5、ALDI 场电离FI，场解吸FD 大气压化学电离APCI,(三)质量分析器,1.单聚焦分离器,只有磁场：方向聚焦,结构简单,操作方便,体积小但分辨率低,2.双聚焦分离器,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，两能量色散大小相等方向相反，使质量相同的离子会聚。,3.四级杆分析器,双曲面电场（离子振荡运动）改变电参数，使不同m/z离子通过,（大小相等，方向相反）,飞行时间质量分析器离子阱质量分析器,(四)检测器,电子倍增器示意图,105108,法拉第环照相感版,(五)真空系统,作用

6、：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,机械泵扩散泵,真空泵,二、质谱仪的主要性能指标,1.质量范围,质谱仪所能测定的离子质荷比范围,单电荷离子：质量范围即分子量范围,多电荷离子：分子量测定范围比质量范围大。,2.分辨率：分开相邻质量数离子的能力,定义：,R1000低分辨R1000高分辨,14-3 质谱解析基础知识,1.分子离子(奇电子离子),分子离子的质量与化合物的分子量相等,一、质谱中几种主要的离子(EI源),分子离子,中性分子,一般有机物失去

7、电子的程度是 n电子电子电子,确定分子量和分子式,(Molecular ion),分子离子或准分子离子峰,质谱中分子离子峰的识别及分子式的确定是至关重要的.,分子离子峰的识别,1.假定分子离子峰:高质荷比区，RI 较大的峰(注意：同位素峰),2.判断其是否合理:与相邻碎片离子(m/z较小者)之间关系是否 合理,3.判断其是否符合N律,不含N或含偶数N的有机分子,其分子离子峰的m/z为偶数。含奇数N的有机分子,其分子离子峰的m/z为奇数。,同位素离子：,2.同位素离子(isotopic ion),由重同位素组成的分子形成的离子,例如：CH4,13C+1H4=17 M+112C+2H+1H3=17

8、 M+113C+2H+1H3=18 M+2,12C+1H4=16 M,同位素离子峰一般出现在相应分子离子峰或碎片离子峰的右侧附近，m/z用M+1，M+2等表示。,C、H、O、N的稳定同位素相对丰度,化合物分子式：CwHxNyOz,同位素离子峰与分子离子峰相对强度的计算公式：,根据质谱图上同位素离子峰与分子离子峰的相 对强度，可以推测化合物的分子式(Beynon表)。,如CH4:,含卤素化合物：,1.氟、碘是单一同位素2.35Cl37Cl=31，79Br81Br=11，计算分子离子峰与同位素离子峰强度比：(a+b)n n=2，a2+2ab+b2 a是轻质同位素丰度 n=3，a3+3a2b+3ab

9、2+b3 b是重质同位素丰度 如：分子中有三个氯，n=3，a=3,b=1:(a+b)3=27+27+9+1 即 M(M+2)(M+4)(M+6)=272791,同位素离子峰鉴定分子中氯、溴、硫原子,C6H13Br,Mr=164,含硫的样品 32S:33S:34S=100:0.8:4.4,3.碎片离子(fragment ion),1)断裂,带有电荷的官能团与相连的碳原子之间的断裂,断裂方式均裂：XY=X+Y异裂：XY=X+Y-半异裂：X+Y=X+Y,已电离,含不饱和杂原子,均裂,烯烃(烯丙断裂),烷基苯(苄基断裂),2)断裂,碳原子和碳原子之间的键的断裂,3)断裂,较易发生,sigma,4.重排

10、离子(rearrangement ion),麦氏(Mclafferty)重排,R1=H、R、OH、OR、NR2,5.亚稳离子(metastable ion):m*,离子源内,亚稳离子（m1速度，m2质量）,离子源后飞行中,特点：强度低、宽、跨几个质量数，m/z非整数，易辨认用处：证明m1m2裂解过程,二、常见有机化合物的质谱,（一）烃类,正构烷烃：每隔14个质量单位出峰,正癸烷质谱图,CnH2n+1离子系列,支链烷烃：支链取代位置裂解,3-乙基己烷质谱图,芳烃,基峰,裂解,裂解,扩环,麦氏重排,裂解途径,（二）醇和酚,醇,(M-18)+,(M-1)+,+,酚,麦氏重排,（三）醛和酮,（四）酯和

11、酸,麦氏重排,三、EI质谱的解释,1.分子量的确定（分子离子峰的识别）,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-414)+及(M-2125)+离子峰,质量数应符合氮规则,氮原子个数,奇数：分子量为奇数偶数：分子量为偶数,特征同位素峰：有一个氯时，M和M+2强度比 为31，对一个溴，比例为11,2.分子式的确定,高分辨质谱法,同位素丰度法 Beynon表,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,研究高质量端离子峰,确定化合物中的取代基,M15(

12、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)M35(Cl);M42(CH2CO,CH2N2)M43(CH3CO,C3H7);M44(CO2,CS),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,例1：推测化合物C8H8O2的结构。,2)谱图分析举例,1.计算不饱

13、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,C8H8O2,可能的结构：,(A),(B),(C),(D),(A),3.质谱验证,(B),105,105,(C),得不到m/z为105的碎片离子，可排除。,(D),或,(A),(B),4.结论,C8H8O2的结构是,14-4 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

14、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,例2:某未知化合物的四谱数据如下，试推测其结构式。,紫外光谱,红外光谱,核磁共振,质谱,M+,Beynon表,解：1)质谱,M=150,查Beynon表，可知分子式为：,C9H10O2,2)计算不饱和度=1+9+1/2(-10)=5 分子中可能有苯环、一个双键.,UV谱 指示有苯环（B吸收带）,C9H10O2,苯环特征吸收230-290,E1,E2,B,4)IR谱,1745 cm-1 强：1225 cm-1 强：3100-3000 cm-1 弱 1600-1450 cm

15、-1 两个弱带749 cm-1 强697 cm-1 强,单取代苯,5)1H-NMR谱,三类氢核，均为单峰，说明无自旋偶合作用,6)可能的结构,C9H10O2,(A),(B),(C),(D),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。,6.26.5,8.658.8,(B),质谱得不到m/z为91的离子，排除,(A),91,43,m/z 108: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/z 91:苯环发生断裂，形成离子产生的,m/z 43:酯羰基断裂，形成 离子产生的,107+H,本章基本要求,质谱法的基本原理质谱仪的基本构成质谱裂解类型和质谱解析一般步骤,作 业,p301-304：3，4，5，10，11，13，14，15，16,更正：13题:（A）的结构去掉第二个-CH-,