第十四章+质谱法.ppt

知识回顾 仪器分析InstrumentAnalysis 光分析法 原子光谱 AAS AES AFS 电分析法 分离分析 其他方法 分子光谱 UV VIS IR RS MFS MPS 电导和电位法伏安和极谱法电解和库仑法 气相色谱法GC液相色谱法HPLC毛细管电泳CE超临界流体色谱SFC 核磁共振波谱法NMR质谱MS热分析TA 应用 头发中铜 锌 钙 铁 铅等微量元素的分析 唾液中饱和脂肪酸总量分析 化学角度 物质的微观组成分析化学思维 分子结构 理化性质 存在形式 含量 化合物最基本的信息 分子量 分子结构 饱和酸和非共轭酸在220nm以下的波长区域有吸收峰 质谱法 第十四章 MassSpectroscopyMS Spectroscopyn 光谱学 波谱学 光谱仪Spectrometryn 质谱术 质谱计Spectrumn 光 光谱 以偏重直接观测或转化成图像的 而转化后才可见且结果偏重于计算 主要内容 14 1概述14 2质谱法基本原理14 3质谱仪14 4质谱解析基础知识14 5有机波谱综合解释 质谱法 14 1概述 将样品转化为运动的气态离子并按质荷比 m z 大小不同进行分离记录的分析方法 质谱法分类 原子质谱法 无机质谱法 atomicmassspectrometry分子质谱法 有机质谱法 molecularmassspectrometry 质谱法发展 1918年美国A J Dempster发明了第一台单聚焦质谱仪 1966年Munson和Field提出了化学电离 CI 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 ICRMS 质谱仪分类 按离子源分类 电子轰击EI化学电离CI快原子轰击FAB大气压电离ESI APCI基质辅助激光解吸电离源MALDI 按检测器分类 单聚焦质谱SFMS双聚焦质谱DFMS离子阱质谱ITMS四级杆质谱Quadrupole飞行时间质谱TOFMS 优点 唯一确定分子量的方法 特别是生物大分子分子量 数十万 测定 极高灵敏度 检测限达10 14g 同位素分析 多种形态分析 快速 多组分分析 缺点 质谱法特点 仪器昂贵 测试费用高 破坏样品 质谱表 质谱图 质谱数据表示 A ESIMSofanisodine 樟柳碱 B MS2ofanisodine 樟柳碱的MS和MS2图谱 质谱法应用 分子量 同位素峰和碎片m z 峰强度 定量分析 但校正复杂主要是GC MS或LC MS定量分析 分子量测定 结构分析 分子离子峰m z 化合物分子量 定量分析 新应用 学科前沿 质谱成像 蛋白质组学 代谢组学 NMR IR UV VIS 分子式结构式 从化学角度来看 质谱法应用 从对象来看 生物学 医药 刑侦 农业 环境 食品 14 2质谱法基本原理 质谱法实验流程 质谱仪器结构框图 电子轰击离子化EI 分子离子 可裂解为碎片离子 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 质谱方程 50 100eV 离子源中 电场中 磁场中 离心力 向心力 两式消去v 质谱方程式 结语 m z R2 H U一定时 m z R 空间上分离m z H2 R U一定时 磁场扫描 m z H 时间上分离m z 1 U R H一定时 电压扫描 m z U 时间上分离 质谱仪器结构框图 14 3质谱仪 美国FinniganESIMS仪 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 气体 挥发性液 固体 直接探针进样 固体 非挥发 不稳定样品 色谱进样系统 毛细管电泳进样 接口 复杂样品 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 电子轰击源EI化学电离源CI电喷雾离子源ESI 丰度 m z EI示意图 EI源实验技术 可变的离子化能量 10 70eV 电子能量 电子能量 分子离子增加 碎片离子增加 EI标准质谱图 70eV获得 用于分子结构分析 有机分子的电离电位一般为7 15eV 可提供丰富的结构信息 EIMS特点 适用性强 图谱重现性好但图谱复杂 分子离子峰难寻找 2 化学电离源 CI 软电离 分子不稳定 反应气体 甲烷 氨气 异丁烷等 气体分子 试样分子 准分子离子 电子 甲烷电离 甲烷离子与分子反应生成加合离子 90 CH4 e CH4 CH3 CH2 CH C H 加合离子与样品分子反应 CI源特点 图谱简单 易测得分子量 M 17 M 29 CH5 RH RH2 CH4 C2H5 RH R C2H6 M 1 M 1 准分子离子 M 1 EI和CI质谱图比较 M 390 EI CI 3 电喷雾电离源 ESI ElectrosprayIonizaton 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MALDI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 105 108 法拉第环照相感版 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 4Pa 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 R 1000低分辨R 1000高分辨 14 4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 一般有机物失去电子的程度是n电子 电子 电子 确定分子量和分子式 Molecularion 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 isotopicion 由重同位素组成的分子形成的离子 例如 CH4 13C 1H 4 17M 112C 2H 1H 3 17M 113C 2H 1H 3 18M 2 12C 1H 4 16M 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 35Cl 37Cl 3 1 79Br 81Br 1 1 计算分子离子峰与同位素离子峰强度比 a b nn 2 a2 2ab b2a是轻质同位素丰度n 3 a3 3a2b 3ab2 b3b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 27 27 9 1 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 fragmention 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 X Y X Y 异裂 X Y 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 重排离子 rearrangemention 麦氏 Mclafferty 重排 R1 H R OH OR NR2 5 亚稳离子 metastableion 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m1 m2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 3 14 及 M 21 25 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3 1 对一个溴 比例为1 1 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 M 15 CH3 M 16 O NH2 M 17 OH NH3 M 18 H2O M 19 F M 26 C2H2 M 27 HCN C2H3 M 28 CO C2H4 M 29 CHO C2H5 M 30 NO M 31 CH2OH OCH3 M 32 S CH3OH M 35 Cl M 42 CH2CO CH2N2 M 43 CH3CO C3H7 M 44 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 5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 B吸收带 C9H10O2 苯环特征吸收230 290 E1 E2 B 4 IR谱 1745cm 1强 1225cm 1强 3100 3000cm 1弱1600 1450cm 1两个弱带749cm 1强697cm 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