第五章 质谱分析法.ppt

第五章质谱分析法（MassSpectrometry,MS）,2,内容,第一节、质谱法的基本原理第二节、质谱仪（自学）第三节、质谱及主要离子峰的类型第四节、质谱法的应用,3,第一节、质谱法的基本原理,一、概述质谱分析法是在高真空系统中测定样品的分子离子及碎片离子质量，以确定样品相对分子质量及分子结构的方法。化合物分子受到电子流冲击后，形成的带正电荷分子离子及碎片离子，按照其质量m和电荷z的比值m/z（质荷比）大小依次排列而被记录下来的图谱，称为质谱。,4,质谱分析特点：,应用范围广；灵敏度高，样品用量少；分析速度快，并可实现多组分同时测定；与其它仪器相比，仪器结构复杂，价格昂贵，使用及维修比较困难；对样品有破坏性，无法回收。,5,质谱分析的发展,第一台质谱仪：1912年，J.J.Thomson；早期应用：原子质量、同位素相对丰度等；40年代：高分辨率质谱仪出现，有机化合物结构分析；60年代末：色谱-质谱联用仪出现，有机混合物分离分析；80年代以来：迅速发展。同位素质谱、有机质谱、无机质谱。,6,二、质谱法的产生机理及基本过程,产生机理质谱法是将样品置于高真空中（10-3Pa），并受到高速电子流或强电场等作用，失去外层电子而生成分子离子，或化学键断裂生成各种碎片离子，然后将分子离子和碎片离子引入到一个强的正电场中，使之加速，加速电位通常用到68kV，此时可认为各种带正电荷的离子都有近似相同的动能。,7,但是不同质荷比（m/z）的离子具有不同的速度，利用离子不同质荷比及其速度差异，质量分析器可以将其分离，然后由检测器测量其强度，记录后得到一张以质荷比为横坐标，以相对强度为纵坐标的质谱图。,8,质谱分析的四个过程,通过合适的进样装置将样品引入并进行气化；气化后的样品引入到离子源进行电离离子化过程；电离后的离子经过适当的加速后进入质量分析器，按不同的质荷比（m/z）进行分离；经检测、记录，获得一张谱图。,进样系统,离子源,质量分析器,记录（质谱图）,检测器,9,第二节、质谱仪,质谱仪按用途分：同位素质谱仪（测定同位素）、无机质谱仪（测定无机化合物）、有机质谱仪（测定有机化合物）等。根据质量分析器的工作原理分：静态仪器：采用稳定磁场，按空间位置区分不同质荷比的离子单聚焦和双聚焦质谱仪动态仪器：采用变化的电磁场，按时空来区分不同质荷比的离子飞行时间和四极滤质器式质谱仪,10,质谱仪的组成,进样系统,离子源,质量分析器,检测器,1.间歇式进样2.直接进样3.色谱进样,1.电子轰击2.化学电离3.场致电离4.场解析5.激光6.快原子轰击7.电喷雾8.ICP,1.单聚焦2.双聚焦3.飞行时间4.四极杆5.离子阱,1.电子倍增器2.闪烁检测器3.法拉第杯4.照相检测,质谱仪一般由进样系统、离子源、质量分析器、检测器和记录系统等组成，还包括真空系统和自动控制数据处理等辅助设备。,11,一、真空系统,质谱仪的离子产生及经过系统必须处于高真空状态离子源：1.310-41.310-5Pa质量分析器：1.310-6Pa如果真空度过低，则：大量氧会烧坏离子源的灯丝；会使本底增高，干扰质谱图；引起额外的离子-分子反应，改变裂解模型，使质谱解析复杂化；干扰离子源中电子束的正常调节；用作加速离子的几千伏高压会引起放电等。,12,二、进样系统,对进样系统的要求：重复性、不引起真空度降低。进样方式：间歇式进样直接探针进样色谱进样,13,三、离子源,离子源的作用是将被分析的样品分子电离成带电的离子，并使这些离子在离子光学系统的作用下，会聚成有一定几何形状和一定能量的离子束，然后进入质量分析器被分离。常用离子源：电子轰击电离源（EI）、化学电离源（CI）、场致电离源（FI）、场解析电离源（FD）、快原子轰击电离源（FAB）、激光解析电离源（LD）、电喷雾电离源（ESI）等。硬源：离子化能量高，伴有化学键的断裂，谱图复杂，可得到分子官能团的信息；软源：离子化能量低，产生的碎片少，谱图简单，可得到分子离子峰，即得到分子量信息。,14,1.电子轰击电离源（EI）,采用高速(高能)电子束冲击样品，从而产生电子和分子离子M+：M+eM+2e高能电子束产生的分子离子M+的能态较高的那些分子，将进一步裂解，释放出部分能量，产生质量较小的碎片离子和中性自由基：,M+,M1+N1,M2+N2,15,水平方向：灯丝与阳极间(70V电压)高能电子冲击样品正离子垂直方向：G3-G4加速电极(低电压)较小动能狭缝准直G4-G5加速电极(高电压)较高动能狭缝进一步准直离子进入质量分析器。特点：使用最广泛，谱库最完整；电离效率高；结构简单，操作方便；但分子离子峰强度较弱或不出现(因电离能量最高)。,加速,加速,聚焦,16,2.化学电离源（CI）,样品分子在承受电子轰击前，被一种反应气(通常是甲烷)稀释，稀释比例约为104:1，因此样品分子与电子的碰撞几率极小，所生成的样品分子离子主要经过离子-分子反应组成。在电子轰击下，甲烷首先被电离：CH4+CH4+CH3+CH2+CH+C+H+甲烷离子与分子进行反应，生成加合离子：CH4+CH4CH5+CH3CH3+CH4C2H5+H2,17,加合离子与样品分子反应：CH5+MMH+CH4C2H5+MMH+C2H4CH5+M(M-H)+CH4+H2C2H5+M(M-H)+C2H6复合反应：CH5+M(M+CH5)+(M+17)+C2H5+M(M+C2H5)+C2H4(M+29)+,(M+1)+,(M-1)+,18,CI和EI所获得到质谱图比较,特点：电离能小，质谱峰数少，图谱简单；准分子离子(M+1)+峰大，可提供分子量这一种要信息；不适用于难挥发，热不稳定或极性较大的有机物分析。,19,3.场致电离源（FI）,应用强电场诱导样品电离：(电压：710kV，d电子,失去一个电子形成的分子离子：,正电荷位置不确定时用表示:,失去一个n电子形成的分子离子：,分子离子峰主要用于分子量的测定。,失去一个电子形成的分子离子：,40,分子离子峰的特点：,一般出现在质荷比最高的位置，但有例外。分子离子峰的稳定性取决于分子结构。分子离子峰的强度与结构的关系：a碳链越长，分子离子峰越弱；b存在支链有利于分子离子裂解，故分子离子峰很弱；c饱和醇类及胺类化合物的分子离子峰弱；d有共振系统的分子离子稳定，分子离子峰强；e环状分子一般有较强的分子离子峰分子离子峰的相对强度取决于M+相对于裂解产物的稳定性：芳香环共轭烯烯环状化合物羰基化合物醚酯胺酸醇高度分支的烃类,41,分子离子峰的识别：,（1）氮规则：由C，H，O组成的有机化合物，M一定是偶数。由C，H，O，N组成的有机化合物，N奇数，M奇数。由C，H，O，N组成的有机化合物，N偶数，M偶数。（2）分子离子峰与相邻峰的质量差是否合理：通常在分子离子峰的左侧邻位314、2125、37、38、5053、65、66个质量单位处，不应有其他碎片离子峰出现。如有其它峰（出现），则该峰不是分子离子峰。,42,2.同位素离子峰,除P、F、I外，组成有机化合物的十几种元素都有同位素。因而在质谱中会出现由不同质量的同位素形成的峰（M+1、M+2等），称为同位素离子峰。,43,几种常见元素同位素的确切质量及天然丰度,44,对于含S的化合物：I(M+2)+/IM+n4.40（n是分子含S个数）如在CH3Cl、C2H5Cl等分子中ClM+2/ClM=32.5%而在含有一个溴原子的化合物中(M+2)+峰的相对强度几乎与M+峰的相等。利用同位素离子峰可用来确定分子离子峰。,同位素峰的相对强度：,同位素离子峰的强度比为(a+b)n展开后的各项数值比。,通过分子离子峰与同位素离子峰的相对强度比导出化合物的分子式(即利用同位素确定分子式)。,a:轻同位素丰度;b:重同位素丰度;n:该元素在分子中的个数。,各元素同位素比率是恒定的，可近似计算：（M+1）+/M+100=（W1.107/98.893+X0.015/99.985+Y0.36/99.64+Z0.037/99.759）=1.1W+0.015X+0.37Y+0.038Z（M+2）+/M+100=（1.1W+0.02X）2/200+0.20Z,若分子式为：CWHXNYOZ,例：某化合物的质谱数据：M=181，PM%=100%P(M+1)%=14.68%P(M+2)%=0.97%,查贝诺表,根据“氮规则”M=181，化合物分子式为(2)。,利用高分辨质谱仪给出精确分子量，以推出分子式。,如：高分辨质谱仪测定精确质量为166.0630（0.006）。,MW：166.0570166.0690,48,3.碎片离子峰,一般有机化合物的电离能为713电子伏特，质谱中常用的电离电压为70电子伏特，电离后有过剩内能的分子离子能以多种方式裂解成碎片离子，碎片例子还可能进一步裂解成更小的碎片离子，在裂解的同时也可能发生重排。,49,4.亚稳离子峰,质量为m1的离子在离开电离室到质量分析器之前的飞行过程中，发生分解而形成低质量（质量为m2）的离子所产生的峰。m1+m2+中性碎片由于该离子具有的m2质量和m1的速度，所以不出现在m/z=m2处，而是出现在m/z=m*处：m*=m22/m1,50,亚稳离子的识别：,a一般的碎片离子峰都很尖锐，但亚稳离子峰钝而小；b亚稳离子峰一般要跨25个质量单位；c亚稳离子的质荷比一般都不是整数。,51,5.重排离子峰,分子离子裂解为碎片离子时，有些碎片离子不仅仅通过简单的键的断裂，还可能通过分子内原子或基团的重排或转移而形成离子，称为重排离子。麦氏重排：,52,44,53,失去中性分子的重排,如醇类、长链脂肪酸脱水，硫醇脱H2S，卤代烃脱卤化氢等。,54,四、离子的断裂类型,设有机化合物由A，B，C和D组成，当蒸汽分子进入离子源，受到电子轰击可能发生下列过程而形成各种类型的离子：,裂分为碎片离子,重排后裂分,分子离子,碰撞络合后裂解,电子转移表示方法：,断裂方式：,半异解：已电离的键的裂解。,a.醛酮等化合物的a-裂解,1)产生氧正离子、氮正离子、卤正离子的裂解,a-裂解:带电荷的有机官能团与相连的碳原子之间的裂解。,57,在醛中，醛基的氢不易失去，常产生m/z=29（H-CO+）的强峰，高碳直链醛会产生(M-29)+峰；酮类易失去R、R中较大者；羧酸与伯酰胺中，主要是1开裂，生成m/z=45（HO-CO+）和m/z=44（H2N-CO+）的离子。在酯和仲、叔酰胺中，主要是2开裂。,b.醇、醚、胺和卤代烷等化合物的裂解,裂解：与带电荷的有机官能团相连的碳原子与碳原子之间的裂解。,b.烷基芳烃类化合物的裂解,c.烷烃类化合物的裂解,a.烯烃类化合物的裂解,2)产生碳正离子的裂解,61,正庚烷,有m/z：29，43，57，71，CnH2n+1系列峰(断裂)有m/z：27，41，55，69，CnH2n-1系列峰：,C2H5+（m/z=29）C2H3+（m/z=27）+H2,d.i-裂解产生碳正离子,Hexane,2-methylbutane,Neopentane,3)脱去中性分子的裂解,RDA反应,Mclaffertyrearrangement(麦氏重排),分子中有不饱和基团和氢原子的化合物能发生麦氏重排。,氢原子重排到不饱和基团上(通过六元环状过渡态)，同时伴随,原子间的键断裂。,最小重排离子质荷比：烯烃42烷基苯92醛44酮58羧酸60酰胺59,例：2-戊酮在m/e58处有一个吸收峰，该峰是Mclafferty重排裂解产生的碎片离子峰，试写出其裂解过程。,69,饱和分子的氢重排（消除反应）,X为卤素原子时，消去HXX为OH时，消去H2OX为SH，H2S等。,70,多中心裂解,反应涉及一个以上键的断裂如：逆狄尔斯阿尔德反应（也可看作是重排的一种方式）,71,随机裂解,有机化合物在离子源中受到电子流的轰击，会按照一定规律将有机化合物进行裂解，类似的化合物会有类似的裂解碎片，然而在电子流轰击中也会发生随机性的裂解。对质谱中的每一个峰都未必能解释清楚。,72,五、常见有机化合物的质谱,1饱和脂肪烃（1）直链烃直链烃显示弱的分子离子峰，有m/z：M-29，29，43，57，71，CnH2n+1系列峰(断裂)伴有m/z：27，41，55，69，CnH2n-1系列较弱峰（2）支链烃:分子离子峰丰度降低,73,环烷烃：分子离子峰强度增加，会出现m/z=41，55，56，69等系列碎片离子峰。烷基取代的环烷烃易丢失烷基，优先失去最大基团，正电荷保留在环上。,74,2.烯烃容易发生烯丙基断裂，产生一系列27，41，55，69，CnH2n-1峰，41常是基峰,75,烷烃CnH2n+1峰强度较大烯烃CnH2n+1峰强度较大m/z=41常常是基峰,76,环状不饱和脂肪烃：符合条件发生RDA（环烯断裂反应），支链碎裂反应类似链烃。,77,3.芳烃,分子离子峰强，易发生C-C键的裂解，生成的苄基m/z91往往是基峰。随正构烷基取代链越长，m/z91丰度越大。若基峰比91大14n，表明苯环碳上另有烷基取代。会出现39，51，65，77，91，105，119，等一系列峰。侧链含-H的会产生重排离子峰，m/z=92,78,79,4.醇和酚,醇的分子离子峰往往观察不到，M-H有时可以观察到饱和醇羟基的CC键易发生断裂，产生（31+14n）特征系列离子峰，伯醇的m/z31较强。开链伯醇还可能发生麦氏重排，同时脱水和脱烯（M-18-28）。酚的分子离子峰较强，出现(M-28)（-CO），(M-29)（-CHO）峰,80,M-1,M-18,M-46,81,5.醛、酮,直链醛、酮显示有CnH2n1CO为通式的特征离子系列峰，如m/z29、43、57等具有H的醛、酮可发生麦氏重排反应,82,83,6.羧酸,脂肪羧酸的分子离子峰很弱，m/z60是丁酸以上碳原子上没有支链的脂肪羧酸最特征的离子峰，由麦氏重排裂解产生：低级脂肪酸还常有M17（失去OH）、M18（失去H2O）、M-45(失去CO2H)的离子峰。,84,芳香羧酸的峰相当强，显著特征是有M17、M45离子峰。邻位取代的芳香羧酸产生占优势的M18失水离子峰。,85,7.酯,羧酸酯进行裂解所产生（M-R）或（M-OR）的离子常成为质谱图中的强峰（有时为基峰）。,86,酯也可以进行以下H转移、断裂的麦氏重排,87,8.胺类,1.酰胺含4个C以上的伯酰胺主要发生麦氏重排反应：酰胺的重要碎片离子峰主要是羰基碳裂解产物：,m/z44,88,（2）脂肪胺,链状脂肪胺发生CC键断裂形成胺鎓离子，并以失去较大烷基为主要反应，直链脂肪族伯胺断裂生成m/z30离子支链脂肪伯胺类进行CC键裂解产生的m/z44、58等离子，符合通式CnH2n+2N+，并优先失去较大基团,89,第四节、质谱法的应用,一、定性分析1.相对分子质量的测定2.确定化合物的分子式3.结构式的确定（质谱解析）二、定量分析质谱检测出的离子流强度与离子数目成正比,90,1.相对分子量的确定,从分子离子峰可以准确地测定该物质的相对分子量关键是分子离子峰的判断：（i）注意m/z值的氮规律只有C.H.O组成的有机化合物，其分子离子峰的m/z一定是偶数。在含氮的有机化合物（N的化合价为奇数）中，N原子个数为奇数时，其分子离子峰m/z一定是奇数；N原子个数为偶数时，则分子离子峰m/z一定是偶数。,91,（ii）注意该峰与其它碎片离子峰之间的质量差是否有意义通常在分子离子峰的左侧314个质量单位处，不应有其他碎片离子峰出现。如有其它峰（出现），则该峰不是分子离子峰。因为不可能从分子离子上失去相当于314个质量单位的结构碎片。（iii）同位素峰对确定分子离子峰的贡献利用某些元素的同位素峰的特点（在自然界中的含量），来确定含有这些原子的分子离子峰。,92,2.分子式的确定,（1）用高分辨质谱确定分子式高分辨质谱仪可精确测定分子离子或碎片离子的质核比（误差小于10-5），因此可以利用元素的精确质量及丰度比求其元素组成。,93,如高分辨质谱测定某未知物的相对分子质量为126.0328000电子计算机给出其可能的分子式为：（A）C9H4ON126.0328016（B）C2H2ON6126.0327962（C）C4H4O2N3126.0327976（D）C6H6O3126.0327989其中（A）（C）不符合氮数规律，（B）很难写出一个合理的结构式，该化合物最合理的分子式应该是C6H6O3。,94,2.分子式的确定,（2）由同位素离子峰确定分子式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。如果以质谱法测定分子离子峰及分子离子峰的同位素峰(M+1，M+2)的相对强度，就能根据(M+1)/M和(M+2)/M的百分比来确定分子式。Beynon表：Beynon等人计算了相对分子量在500以下的只含有C、H、O、N的化合物的(M+1)和(M+2)同位素峰与分子离子峰的相对强度，并编制为表格。,95,只要质谱图中的分子离子峰够强，能准确测定分子离子峰和(M+1)、(M+2)同位素峰，计算出(M+1)/M和(M+2)/M的百分比，就能根据Beynon表确定可能的经验分子式。,表Beynon表中M102的部分数据,96,例1：某化合物，根据质谱图确定其分子量为126，测得M+1，M+2的相对丰度比如下，试确定该化合物的分子式。,表Beynon表中M126的部分数据,97,例