质谱法(推算结构)—非常有用.ppt

质谱分析法,根据质谱峰的质荷比测定化合物的分子量。 依据质荷比及不同质荷比峰的相对强弱推测分子结构 根据特征峰强度进行定量分析,7-1 概述,将样品转化为运动的气态离子并按荷质 比（m/z）大小进行分离记录的方法。 历史 特点 应用,7-2 质谱仪,一 质谱仪的结构及工作原理,(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（高真空下操作）, 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,(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,EI源：可变的离子化能量 (1070 eV),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,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,加合离子与样品分子反应,(M + 17)+,(M + 29)+,采用CI源, 易测得分子量,场电离源（FI）,电极要求：电极尖锐，使用微碳针（W丝上的苯基腈裂解生成，1 m）构成多尖陈列电极可提高电离效率。 特点：电离温和，碎片少，主要产生分子离子M+和(M+1)+峰,阳极,阴极,阴极,样品气流,量子隧道效应,107108 V/cm的强电场,0.2-2 mm,聚焦单元,入射狭缝,分子中电子被为微电极“萃出”，同时分子离子被排斥进入质量分析器,场解析源（FD）,类似于场电离源，它也有一个表面长满“胡须”（长0.01mm）的阳极发射器。 过程：样品溶液涂于发射器表面蒸发除溶剂强电场分子电离奔向阴极引入磁场。 特点：解吸需要的能量远低于气化所需要的能量，因此试样不需气化可以直接得到分子离子，特别适于非挥发性且分子量高达100000的分子。样品只产生分子离子峰和准分子离子峰，谱图最为简单,快原子轰击源（FAB）,金属 探针,样品涂层,原子枪,样品离子束,分析器,聚焦狭缝,电离过程中不必加热气化，适合分析大分子量、难气化、热稳定性差的样品。如肽类、低聚糖、天然抗生素、有机金属络合物等。FAB源得到的质谱不仅有较强的准分子离子峰，而且有较丰富的结构信息。,激光解吸源（LD）,利用一定波长的脉冲式激光照射样品使样品电离。被分析的样品置于涂有基质（ 2,5二羟基苯甲酸、芥子酸、烟酸、-氰基-4-羟基肉桂酸等）的样品靶上，激光照射到样品靶上，基质分子吸收激光能量，与样品分子一起蒸发到气相并使样品分子电离。 合适的基质才获得到较好的离子产率，因此也常称为基质辅助激光解吸电离（MALDI）。特别适合于飞行时间质谱仪（TOF），属于软电离技术，比较适合分析生物大分子，如肽、蛋白质、核酸等。得到的质谱主要是分子离子，准分子离子、碎片离子和多电荷离子较少。,无机样品离子源,火花 ICP 特点：元素分析灵敏度高，可分析复杂样品（60种元素）、谱图简单、线性范围宽，广泛应用于水分析，血液中微量元素分析，食品分析及同位素比测定等。,3 电喷雾电离源(ESI),多电荷离子 测定的样品分子量大,(三) 质量分析器,1 单聚焦,方向聚焦,2 双聚焦,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双聚焦。,飞行时间分析器TOE（2）,质量范围宽，扫描速度快，无需电场和需磁场。但是离子进入漂移管前产生时间的先后，产生空间的前后和初始动能的大小不同，达到检测器的时间就不相同，因而降低了分辨率。目前，通过采取激光脉冲电离方式，离子延迟引出技术和离子反射技术，可使分辨率可达20000以上，最高可检质量超过300000 Da，并且具有很高的灵敏度。广泛应用于气相色谱-质谱联用仪，液相色谱-质谱联用仪和基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪中。,3 四级杆分析器,离子阱检测器（ITA）,离子源,环形电极,端罩电极,放大器和射频 发生器（基本 射频电压）,放大器和射频 发生器（附加 射频电压）,计算机,电子倍增管,上下端罩（End cap）与左右环电极（Ring electrode）构成可变电场（前者接地，后者施以射频电压）电离子在一定轨道上旋转改变电压可使相同m/z离子依次离开进入电子倍增管而分离。,特点：结构简单、易于操作、GC-MS联用，可用于m/z 200-2000的分子分析。,傅立叶离子回旋共振分析器（FTICR）,分辨率极高（106），并且不影响灵敏度，高精密度，有多级质谱功能，适于任何离子源。,相电流记录FI质谱图,线性调频脉冲共振（吸收能量）,样品,真空泵,底片,灯丝,正极,(四) 检测器,(四) 检测器,电子倍增器示意图,(五) 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 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,定义：,实际测量：,7-3 质谱解析基础知识,1 分子离子, 分子离子的质量与化合物的分子量相等,一 几种主要的离子( EI源 ),分子离子,同位素离子：,2 同位素离子,由重同位素组成的分子形成的离子,例如：CH4,13C+1H4=17 M+1 12C+2H+1H3=17 M+1 13C+2H+1H3=18 M+2,12C+1H4=16 M,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：表中列有相对分子质量500。,CH4:,3 碎片离子,1) 断裂, 含饱和杂原子,带有电荷的官能团与相连的碳原子之间的断裂, 含不饱和杂原子, 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,4 重排离子,麦氏重排,5 亚稳离子,离子源,亚稳离子,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,扩环,麦氏重排,（二）醇和酚,醇,(M-18)+,(M-1)+,酚,麦氏重排,（三）醛和酮,（四）酯和酸,麦氏重排,1. 直链烷烃,饱合烃的质谱图,正癸烷,分子离子：C1(100%)， C10(6%)， C16(小)， C45(0) 有M /e ：29，43，57，71，CnH2n+1 系列峰(断裂) 有M /e ：27，41，55，69，CnH2n-1 系列峰 C2H5+（ M /e =29） C2H3+（ M /e =27）+H2 有M /e ：28，42，56，70，CnH2n系列峰(四圆环重排),2. 支链烷烃,3.环烷烃,二、芳烃的质谱图,三、醇和酚的质谱图,四、 醚的质谱图,五、 醛、酮的质谱图,六、 其他化合物的质谱图,三 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-414)+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 偶数：分子量为偶数,N规律,对于同位素纯净的稳态分子，含有奇数N原子的，分子量的整数部分一定是奇数；不含或者含有偶数N原子的，分子量的整数部分一定是偶数。符合N律的一定是奇电子离子（分子离子必须是奇电子离子），而违背N律 的一定是偶电子离子（不可能是分子离子） 奇电子离子： 偶电子离子：,2 分子式的确定, 高分辨质谱法, 同位素丰度法,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(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, CS2),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,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,7-4 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,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,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。,(B),质谱得不到m/z为91的离子，排除,(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。,1 含芳环和稠环化合物的NIST谱库检索结果 可靠 2 小分子烃类化合物的NIST谱库检索结果 一定程度可靠 3 中等分子量烃类化合物的NIST谱库检索结果 一定的参考价值 4 大分子量烃类化合物的NIST谱库检索结果 参照过程中更需要特别小心,NIST库,色谱-质谱联用技术（1）,GC-MS GC在常压下工作，MS需要高真空。因此GC色谱仪使用填充柱，必须经过一种接口装置一分子分离器，将色谱载气去除，使样品气进入质谱仪；若GC使用毛细管柱，由于毛细管载气流量比填充柱小得多，不会破坏质谱仪真空，则可以将毛细管直接插入质谱仪离子源。,色谱具有分离复杂混合物的能力，定量易定性难；而MS多用于纯物质定性分析。二者有机结合，可提供复杂混合物定性定量极为有效的工具。,分子分离器,载气+样品分子分离器（He被抽走，样品借惯性前进；真空度大大下降）MS离子室,GC-MS示意图,GC-MS的离子源主要是EI源和CI源，质量分析器多为四极杆及离子阱。,GC-MS分析方法,分析条件选择 GC MS（电离电压，电子电流，扫描速度，质量范围） 数据记录 全扫描 选择离子扫描（SIM）,总离子色谱图（TIC）,质量色谱图,色谱-质谱联用技术（2）,LC-MS LC分离需用大量溶剂，如何去除溶剂并使样品离子化是LC-MS联用的关键。早期使用过的传送带接口，热喷雾接口，粒子束接口等十余接口装置均存在一定的缺点，