质谱的认识与了解.doc

对有机化学中质谱学习的认识与了解一质谱法简介质谱法是将样品离子化，变为气态离子混合物，并按质荷比（m/z）分离的分析技术;质谱仪是实现上述分离分析技术,从而测定物质的质量与含量及其结构的仪器。质谱分析法是一种快速,有效的分析方法,利用质谱仪可进行同位素分析,化合物分析,气体成分分析以及金属和非金属固体样品的超纯痕量分析。在有机混合物的分析研究中证明了质谱分析法比化学分析法和光学分析法具有更加卓越的优越性，其中有机化合物质谱分析在质谱学中占最大的比重,全世界几乎有3/4仪器从事有机分析, 现在的有机质谱法，不仅可以进行小分子的分析，而且可以直接分析糖，核酸，蛋白质等生物大分子，在生物化学和生物医学上的研究成为当前的热点，生物质谱学的时代已经到来，当代研究有机化合物已经离不开质谱仪。二质谱仪的结构与原理2.1质谱仪简介质谱仪以离子源、质量分析器和离子检测器为核心。离子源是使试样分子在高真空条件下离子化的装置。电离后的分子因接受了过多的能量会进一步碎裂成较小质量的多种碎片离子和中性粒子。它们在加速电场作用下获取具有相同能量的平均动能而进入质量分析器。质量分析器是将同时进入其中的不同质量的离子，按质荷比m/e大小分离的装置。分离后的离子依次进入离子检测器，采集放大离子信号，经计算机处理，绘制成质谱图。离子源、质量分析器和离子检测器都各有多种类型。质谱仪按应用范围分为同位素质谱仪、无机质谱仪和有机质谱仪；按分辨本领分为高分辨、中分辨和低分辨质谱仪；按工作原理分为静态仪器和动态仪器。下图为一质谱仪。 2.2质谱仪工作原理质谱仪能用高能电子流等轰击样品分子，使该分子失去电子变为带正电荷的分子离子和碎片离子。这些不同离子具有不同的质量，质量不同的离子在磁场的作用下到达检测器的时间不同，其结果为质谱图。原理公式：q/m=2v/B2r2三 质谱图解析31谱图解析的一般过程1. 确定分子离子峰，求出相对分子质量，初步判断化合物类型及是否含有Cl、Br、S等元素。2. 根据分子离子峰的高分辨数据，给出化合物的组成式。3. 计算化合物的不饱和度，确定环和双键的数目。4. 研究高质量端离子峰。通过失去的碎片确定含哪些取代基。5. 研究中部质量区离子峰和亚稳离子峰，要特别注意处于中部质量区的特征峰和亚稳峰。6. 研究低质量端离子峰，寻找不同化合物断裂后生成的特征离子和特征离子系列（正构烷烃的特征离子系列，烷基苯的特征离子系列）。7. 提出化合物的结构单元,一种或几种最可能的结构。 验证所得结果。3.2 谱图解析举例例1. 某化合物C14H10O2，红外光谱数据表明化合物中含有酮基，试确定其结构式。 解析：(1) m/z=210，分子离子峰；(2)不饱和度为10；(3)质谱图上出现苯环的系列峰m/z51，77，说明有苯环存在；(4)m/z105 m/z77 的断裂过程(5) M m/z105正好是分子离子峰质量的一半，故具有对称结构。 其结构为：例二 确定分子量解：最大荷质比m/z为102，下一个荷质比的峰m/z为87，相差15，对应一个-CH3，中性碎片丢失合理，所以可以确定m/z(102)为分子离子峰，分子量为102。例三确定分子量解：有m/z=228，(m+2)/z=230，所以可能有A+2类元素（Cl、Br、Si、S），由于两个峰等值，且228与149相差79，正好是一个Br的原子量，而228，230；183，185；169，171几乎等高峰强度，所以可以认为此化合物只含一个Br，其分子量为228。例四一种物质的质谱红外和核子共振如下分析结构。先由质谱图确定分子式。题中质谱提供的数据M = 2.44不是以100%计，因此需要将相对丰度换算为以M100%的值： 由(M+2) / M = 1.23知，它不含Cl、Br和S。根据“氮律”，并查Beynon表，因相对分子质量为116，则可排除4个含奇数氮的分子式。 根据（M + 1）/ M（5.74）和（M + 2）/ M(1.23)值，只有C5H8O3的实验值与Beynon表中的值接近。 因此，该未知化合物的化学式为C5H8O3。计算不饱和度u= 2。 从红外谱图可得到如下信息： 在1700cm-1附近有中等宽度、强的吸收带，羰基。在31003400cm-1有宽的nOH吸收带，在925cm-1附近有d OH吸收带，说明为羧基。在1470 cm-1有吸收带，则有CH2存在。 从1H-NMR可得到如下信息： 根据上述分析该未知化合的结构式为 四几种与质谱连用的技术4.1气相色谱-质谱联用仪 气相色谱仪的高效分离能力与质谱仪的高灵敏度检测、高鉴别分子结构的能力相结合的一种仪器，它是分析复杂有机混合物的非常有效的工具。它的工作原理是：多组分混合物样品经过色谱柱分离，得到各个单一组分，按保留时间顺序随同载气逐一进入质谱仪的离子源，单组分样品被电离成碎片（离子），经质量分析器和检测器检测，可给出单一组分的质谱图，根据对所得质谱图进行计算机检索和谱图解析的结果，便可以对这些单一组分进行定性、定量分析。4.2液相色谱-质谱联用仪 LCMS的联用始于70年代，90年代以来，由于大气压电离的成功应用以及质谱本身的发展，液相色谱与质谱的联用，特别是与串联质谱(MS/MS)的联用得到了极大的重视和发展。 LC-MSMS已成为现代分析手段中必不可少的组成部分。 LC-MSMS联用的优点非常显著，因为气相色谱只能分离易挥发且不分解的物质，而液相色谱则把分离范围大大拓宽了，生物大分子也能分离，LC与高选择性、高灵敏度的MSMS结合，可对复杂样品进行实时分析，即使在LC难分离的情况下，只要通过MS1及MS2对目标化合物进行中性碎片扫描，则可发现并突出混和物中的目标化合物，显著提高信噪比。4.3毛细管电泳/质谱联用（CE/MS）毛细管电泳（CE）适用于分离分析极微量样品（nl体积）和特定用途（如手性对映体分离等）。CE流出物可直接导入质谱，或加入辅助流动相以达到和质谱仪相匹配。微流控芯片技术是近年来发展迅速，可实现分离、过滤、衍生等多种实验室技术于一块芯片上的微型化技术，具有高通量、微型化等优点，目前也已实现芯片和质谱联用，但尚未商品化。 五 .有机质谱的特点与应用4.1.优点(1)定分子量准确,其它技术无法比。(2)灵敏度高,常规10-710-8g,单离子检测可达10-12g。(3)快速,几分甚至几秒。(4)便于混合物分析,GC/MS,LC/MS,MS/MS对于难分离的混合物特别有效,如药物代谢产物,中草药中微量有效成分的鉴定等,其它技术无法胜任。(5)多功能,广泛适用于各类化合物。X-RAY要求好的结晶,NMR要溶。4.2.局限性(1)异构体,立体化学方面区分能力差。(2)重复性稍差,要严格控制操作条件。所以不能象低场NMR,IR等自己动手,须专人操作(3)有离子源产生的记忆效应,污染等问题。(4)价格昂贵,操作复杂。 所以与其他分析方法配合,能发挥更大作用,可以先做一下质谱,提供指导信息,如结构类型,纯度等。4.3.应用(1)有机化工a.合成中原料及产品杂质分析LC/MSb.中间步骤监测c.反应机理的研究(2)石油(3)环保 样品还需进行前处理，并非全都能直接进入质谱a.农药残毒检测b.大气污染c.水分析d.特定成分定量测定,单离子和多离子检测,灵敏度可达10-12g,借助于内标或标定曲线,可定量,在痕量分析中非常有用。(4)食品、香料a.酒：判断真酒假酒,有无害,GC/MS是唯一客观准确的。b.化妆品中除基料外,香料起关键性作用,通过MS,找出天然产物中有效成分后合成。(5)生化、医药a.蛋白质,多肽研究,前沿生命科学,FAB,ESI等,可测几十万分子量的生物大分子，定氨基酸序列,十几个肽,比氨基酸分析仪快且准。b.天然产物,这也是最重要的内容之一,例如生物合成研究室拿到一个样品,据NMR推出的结构与MS图不符,元素分析也对不上号,从MS上看到有S元素,而元素分析未做S,故不对,NMR因其他干扰,所以H数也不对,碳谱少一个C，后来根据MS，重新换了NMR溶剂，才使C数吻合，