第15章 质谱法

1、.,有机波谱中的四大谱,紫外光谱 UV 分子中生色团和助色团,红外光谱 IR 分子中官能团和化学键,核磁共振波谱 NMR 分子中的原子,质谱 MS分子中的结构单元，分子量,不属于光谱法,.,质谱法 Mass Spectroscopy，MS,质谱：通过一定的方式，破坏中性化合物分子，使之产生分子离子和各种碎片离子，这些离子按照质量和电荷之比(质荷比m/z)的大小顺序被记录下来所形成的谱图。,质谱与质谱分析法 (mass spectrum and mass spectrometry),质谱分析法：利用质谱对化合物进行定性、定量分析的方法。,质谱不属光谱范畴,质谱图与电磁波波长和分子内某种物理量改变

2、无关,质谱是分子离子及碎片离子的质量与其相对强度的谱, 谱图与分子结构有关,质谱是唯一可以给出分子量, 确定分子式的方法, 而分子式的确定对化合物的结构鉴定是至关重要的,特点：,质谱法进样量少, 灵敏度高,特点：,检测限10-11g ,样品用量几微克, 仪器结构复杂，造价高 破坏样品,测定对象广：无机、有机、同位素分析。,分析速度快，可实现色谱-质谱联用,一、质谱分析原理,质谱分析过程,试样的电离,离子引入质量分析器，按质荷比（m/z）由小到大进入检测器 其它离子和中性碎片等被真空抽出系统,.,经计算机处理得质谱图：,最强峰,棒图： m/z为横座标，基峰相对强度为纵座标。,质荷比（m/z）：离

3、子质量和该离子所带静电单位 数的比值 基峰：最强离子峰，规定相对强度为100%,.,质谱,质谱表：以m/z和相对强度列表，可以准确地给出精确的m/z值及相对强度值,八峰值：八个相对强峰，以相对强度编成八峰值。查八峰值索引（工具书，类似于Saltlar图谱的用途）。用于定性。,元素表：较少用。,质谱, 判断M 峰，求精确相对分子质量 M, 定性鉴别，相同的化合物，相同条件下，质谱相同, A+产生符合一定的规律，可用来推测结构。相对强度（丰度）大小，代表键断裂难易。, 用同位素峰计算Cl、Br等原子个数,用途,二、 质谱仪器,质谱计框图,真空系统 Vacuum System,进样系统Sample

4、Inlet,检测器 Detector,数据处理系统 Data System,质量分析器Mass Analyser,离子源Ionization Source,1. 真空系统,离子源(10-3 10 -5 Pa) 质量分析器(10 -6 Pa),主要部件需要在高真空下工作,(1) 大量氧会烧坏离子源的灯丝； (2) 用作加速离子的几千伏高压会引起放电； (3) 引起额外的离子分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。,要求：重复性好、不引起真空度降低。,2. 进样系统,直接进样：单组分 挥发性较低的固、液体：进样杆 气体或低沸点液体：储罐,色谱进样：混合物 气相色谱-质谱联用（GC-MS） 高效液相色谱

5、-质谱联用（HPLC-MS） 毛细管电泳-质谱联用（CE-MS）,3. 电离源(室),将欲分析样品电离，得到带有样品信息的离子,气相源：先蒸发再激发，适于沸点低、对热稳定的样品的离子化 电子轰击源 EI 、化学电离源CI、火花源SI 等。,解吸源：固、液态样品直接转化为气相，适用于分子量高达105非挥发性或热不稳定性样品的离子化 快原子轰击源FAB、激光解吸源MALDI、电喷雾源ESI等。,3. 电离源(室),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，可得到分子量信息。,可据分子电离所需能量不同可选择不同电离源,.,电

6、子轰击源(EI),Me(高速,50100eV) M+ + 2e （低速),应用最为广泛的离子源,样品蒸气分子被打掉一个电子形成分子离子 分子离子进一步发生化学键断裂形成各种碎片离子,.,电子轰击源(EI),优点：重现性好，信息量大，有标准图谱可检索； 有成熟的开裂理论，便于结构分析及鉴别。,适用于易挥发有机样品的电离，用于GC-MS联用仪。,缺点：不适于难挥发、热不稳定的化合物分析； 分子量大或稳定性差的分子常得不到分子离子峰,.,化学电离源( CI),反应气(CH4、N2、He等),CH4+ e CH4+ + CH3+ + CH2+ + CH+ C+ + H+,CH4+ + CH4 CH5+

7、 + CH3,CH3 + + CH4 C2H5+ + H2,CH5+ + XH XH2+ + CH4,C2H5+ + XH X+ +C2H6,.,化学电离源( CI),优点：图谱简单；最强峰为准分子离子(M+1)+ 缺点：重现性差，不能制作标准图谱 不适用难挥发、热不稳定化合物试样分析,生成的XH2+ 和 X+ 比样品分子XH多一个H或少一个H，可表示为(M1)，称为准分子离子,CI源主要用于GC-MS联用仪，适用于易汽化的有机物样品分析。,.,快原子轰击源（FAB）,Cu靶,电场使氙原子电离并加速，产生快速离子 通过快原子枪产生电荷交换得到快速原子 快速原子轰击涂在金属板上的样品，使样品电离

8、。,.,快原子轰击源（FAB）,样品无需加热气化，适于分析大分子量、难气化、热稳定性差的样品。 如肽类、低聚糖、天然抗生素等。,特点： 软电离方式，有较强的准分子离子峰； 有较丰富的结构信息； 影响因素多，重现性差。,.,电喷雾源 (ESI),特点：易形成多电荷离子 分子量10000Da的分子 带有10个电荷 质荷比只有1000Da,适于分析极性强的大分子有机物，如蛋白、肽、糖。用于HPLC-MS联用仪。,将离子源产生的离子按m/z顺序分开并排列成谱。,4. 质量分析器,质量分析器类型： 磁分析器、四极杆、飞行时间、离子捕获、离子回旋等。,.,单聚焦型磁分析器：,方向聚焦：m/z 相同, 入射

9、方向不同的离子聚焦 m/z 相同而动能(或速度)不同的离子不能聚焦 早期使用，分辨率低：一般为5000,仪器R固定，H不变，改变加速电压V由小至大，离子m/z由大至小进入检测器,.,双聚焦型磁分析器,能量聚焦：相同m/z，速度(能量)不同的离子会聚 方向聚焦：相同m/z，入射方向不同的离子会聚,分辨率高，可达15000，目前高分辨质谱仪中最常用质量分析器,.,四级杆质量分析器,目前低分辨质谱仪最常用的分析器。,优点：较低的真空度下工作；扫描速度快，有利于与色谱仪联用；结构简单、自动化程度高。 缺点：分辨率低；质量范围窄，101000 Da 不能提供亚稳离子信息。,5、检测器,1) Farada

10、y 杯 可检测10-15A的离子流，但不适于高加速电压下的离子检测。 2）电子倍增器： 类似光电倍增管，可测10-18A电流。 3）微通道板检测器： 记录离子的数目。,分辨率：分开相邻质量的能力： R=M/M,6、质谱仪主要性能指标,相邻两峰峰谷高10%基本分开标志,如仪器能分开质量为27.9949和28.0061峰,高分辨率质谱仪：分辨率大于10000（小数点后5位） 低分辨率质谱仪：分辨率小于1000,6、质谱仪主要性能指标,质量准确度(质量精度)：实测值与理论值相对误差,质量范围：有效测量的离子质荷比范围 10几千 灵敏度：产生具有一定信噪比的分子离子峰所需的样品量,质量精度一般应小于1

11、0ppm才能满足定性分析要求,二、 质谱仪器,Quattro Premier XE UPLC/三重四极杆串联质谱仪 美国 WATERS,ABI4800MALDI TOF-TOF 基质辅助激光解析质谱系统 美国应用生物系统公司,二、 质谱仪器,1200RRLC/6410B QQQ 液质联用仪 美国Agilent,Autoflex III 临床蛋白芯片飞行时间质谱仪 美国Bruker,二、 质谱仪器,X SeriesII电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS） 热电公司,三、质谱中的主要离子,分子离子、同位素离子、碎片离子、重排离子、亚稳离子等,.,分子离子,分子电离一个电子形成的离子。 分子离子的

12、质量与化合物相对摩尔质量相等。,Me M+ M+: 分子离子,奇数个电子 谱图最右端 确定分子量,有机物杂原子S，O，P，N等上的 n 电子对最易失去，其次是 电子，后是 电子。,碎片离子,相对丰度与键断裂的难易及化合物的结构密切相关。,特点: 离子峰宽大、 相对强度低、 m/z不为整数，可确定裂解途径,亚稳离子,由于天然同位素存在，质谱上出现M+1，M+2等离子,同位素离子,M+1 : 13C 1.12%, 33S 1.78% M+2 : 37Cl 32.5%, 81 Br 98%, 34S 4.4%,同位素丰度比：,含量（丰度） 12C 轻质 98.89% 13C 重质 1.108%,.,

13、如CH4中， 12C和13C丰度比为1.12%,12CH4,13CH4,质谱中,同位素峰强比和自然界中丰度比一样,峰强比可推断是否含 S、Cl、Br等及其原子数目,分子中同位素丰度比和含同位素原子的个数决定峰强比，用 表示,.,只含C、H、O的化合物,例：一个含CHO的化合物,C9H10O2,.,分子中Cl,分子中含二个Cl,CH2Cl2,M,M+2,M+4,一个Cl,.,同位素丰度比计算,（a+b）n,轻质同位素丰度比,重质同位素丰度比,二个Cl: (3+1)2=(3+1)(3+1) = 9 : 6 : 1 9 + 3 + 3 + 1 m m+2 m+4 M M+2 M+2 M+4 1 :

14、2/3 : 1/9,三个Cl: (3+1)3=27 + 27 + 9 + 1 m m+2 m+4 m+6 1 : 1: 1/3 : 1:27,原子个数,.,分子中含Br,1个Br M:(M+2）=1:1,2个Br M:(M+2):(M+4)=1:2:1,3个Br M:(M+2):(m+4):(M+6)=1:3:3:1,M:M+2=100:97.31:1 含1个Br,.,分子中含Cl、Br,1个Cl，1个Br: （a+b)n(c+d)n =(3+1)1(1+1)1=3:4:1 =3 + 3 + 1 + 1 M M+2 M+2 M+4,重质同位素丰度比,轻质同位素丰度比,.,峰强比具有加合性 将C

15、l、Br对M+2峰贡献减去,M+2峰4.44%, 则分子中不含S、Cl、Br,分子中含S,.,分子离子峰和碎片离子峰的识别对有机分子的定性分析十分重要，可以通过选择不同离子源来获得不同的信息。,四、有机化合物的裂解方式,单纯开裂 重排开裂 复杂开裂,.,单电子转移： 双电子转移： 含奇数个电子的离子： 含偶数个电子的离子：+ 电荷位置不明时：,阳离子的裂解类型表示方法,单纯开裂均裂 (homolytic cleavage),如：,化学键开裂后，两个成键电子分别保留在各自的碎片上。,R1R2,.,单纯开裂异裂 (heterolytic cleavage),化学键开裂后，两个成键电子全部转移到某一

16、碎片上。,如：,R1R2,.,正己烷,单纯开裂半异裂 (hemi-heterolytic cleavage),或,如：,已离子化的键的开裂过程。,重排开裂McLafferty 重排（麦氏重排）,含有双键C=X（C=O、C=N、C=S、C=C） 与双键相连的链上有碳，并在 碳有H原子（氢） 六圆环过度，H 转移到 X 原子上，同时 键发生断裂，生成一个中性分子和一个自由基阳离子, 碳, 键,.,+,麦氏重排,麦氏重排,+,重排开裂逆Diels-Alder 重排,丁二烯离子,中性分子,五、质谱分析法,注意： 最高质量峰不一定是分子离子峰！,同位素峰 样品不纯或仪器有污染，产生杂质峰 样品分子稳定性

17、差，分子离子峰弱或不出现,1、分子离子峰的确认,通常分子离子峰位于质谱图最右边。,（一）分子结构的测定,.,分子离子峰的确定,原则上除同位素峰外，分子离子峰是最高质量的峰 注意“醚、胺、脂的(M+H)+峰” “芳醛、醇等的(M-H)+峰”。,分子离子峰应符合“氮律”。 C、H、O化合物： 分子离子峰 m/z 偶数； C、H、O、N化合物：偶数个N m/z 偶数 奇数个N m/z 奇数。,.,分子离子峰与邻近峰的质量差是否合理。 314无意义 有机分子失去H、 CH3、 H2O、 C2H5. 质谱图中可看到M-1，M-15，M-18，M-29等峰， 不可能出现M-3，M-14，M-24等峰。,分

18、子离子峰的确定,EI 源中，当电子轰击电压降低，强度不增加的峰不是分子离子峰。,改变实验条件，得到M峰或M1峰 。,2、相对分子量的测定,分子离子峰的质荷比 相对分子量,离子中丰度最大的同位素质荷比,分子中各元素质量的加权平均值,分子量较大时，两者可差1个质量单位，如三油酸甘油酯，低分辨率测得分子量为884，实际相对分子量为885.44。,?,五、质谱分析法,3、分子式的确定,CO 27.994914 N2 28.006147 近似值都是28 C2H4 28.031299,五、质谱分析法,低分辨质谱通过同位素相对丰度法确定分子式 根据M+1/M与M+2/M百分比值，计算或查表,高分辨质谱：直接

19、由精密相对分子质量通过计算机系统确定分子式，目前质谱分析中应用最多。,.,由精密质量查贝农表可知离子（分子）的元素组成,m=66,C5H6 C4H2O2 C3H2N2 66.0468 66.0105 66.0218,4、结构鉴定： 找出各质谱峰m/z、相对峰高等信息，根据各类化合物的裂解规律，重组整个分子结构。 采用与标准谱库对照的方法。,5、质谱定量分析 利用离子流强度与离子数目成正比进行定量 同位素测定、无机痕量分析（ICP-MS）,五、质谱分析法,正癸烷,分子离子峰较弱：C1(100%)， C10(6%)，C16(小)， C45(0)。 有m /z ：29，43，57，71，CnH2n+

20、1 系列峰 (断裂)，基峰常为C3H7+(m/z 43)。 CnH2n+1峰两侧常出现“伴峰”，即CnH2n和CnH2n-1 系列峰,直链烷烃,（二）有机物质谱特征,.,支链烷烃,分支处首先裂解,叔C阳离子最稳定,.,烯烃,分子离子峰较强。 有m /z ：27，41，55，69，CnH2n1 系列峰。 易发生开裂，生成稳定结构烯丙基正碳离子C3H5+(m/z 41),常为基峰。,m/z 41,十四烯-1,4.具有重排离子峰。,.,烯烃重排离子峰(McLafferty重排),.,芳烃,分子离子峰较强。 烷基取代苯易发生开裂，经重排产生tropylium ion (m/z 91),常为基峰。,.,

21、.,.,脂肪醇,m/z: 31,45,59,m18,分子离子峰很弱，随碳链的增长而减弱，甚至消失。 易发生开裂，生成一组含羟基离子，m /z 3114n。 易发生脱水重排反应，产生M18离子。,.,醛,分子离子峰较强，且芳醛强于脂肪醛。 易裂解产生R+(Ar+)、m/z 29及M-1离子峰。 具有氢的醛麦氏重排，产生m/z 44+14n重排离子 长链脂肪醛可裂解生成无氧系列碎片峰m/z 29，43，57,M1,M29,m/z 29,均裂,均裂,异裂,.,醛的麦氏重排与裂解,m/z 44,.,酮,脂肪酮的分子离子峰很强，但随分子量增加而减弱。 易裂解，由均裂失去较大烷基，生成含氧的碎片离子，也异

22、裂产生 m/z 15，29，43无氧碎片离子系列。,具有氢的酮，能产生麦氏重排，过程与醛相同,.,酸与酯,芳酸与酯分子离子峰较强。 易发生裂解,具有氢的羧酸与酯，能产生麦氏重排。,分子离子峰，分子量 同位素峰种类数目 分子式 不饱和度 由碎片离子峰推测结构式 核对分子式及不饱和度,五、质谱分析法,（三）有机化合物的质谱解析,.,C9H10O2 U = 5,例,150（M） 35 151(M+1) 3.46 152(M+2) 0.315,m/z 43 说明含 CH3CH2CH2 或,含9个 C 说明为,含 1 个 O，结构式可能是：,m/z 91，65，51 说明含有 基团,.,碎片峰归属,m/

23、z 归属,43,51,65,91,108,.,31,39,51,77,105,M(136),结构式：,OCH3+,例,C8H8O2,U=5,.,裂解过程：,+,均裂,异裂,异裂,+,+,-C2H2,-C3H2,m/z 105,m/z 31,m/z 77,m/z 51,m/z 39,.,例 下列哪个物质不发生麦氏重排,A.,B.,C.,D.,.,例,.,解：,(M+2)% = 0.006nc2 + 0.20no (M+1)%=1.12nc,nc = 9 no = 2,M = 150,得分子式为C9H10O2,U = 5(可能有苯环),碎片峰归属如下：,.,C4H3+,.,综上所述，推断其结构式为：,讨论：若无 m/z 29, 可能有下列结构式生成m/z 122 ：,.,六、 波谱的综合利用,1确定分子量和分子式 (MS图) 2计算分子的不饱和度U。 3确定结构单元,紫外光谱：了解化学键及共轭程度 红外光谱：官能团 核磁共振谱：质子种类与个数、碳骨架 质谱：稳定结构单元,4. 列出可能结构，并进行验证。,.,例：,.,解析过程：,