质谱法分析化学

1、第五章 质谱分析,第一节 基本原理与质谱仪 第二节 离子峰的主要类型 第三节 有机分子裂解类型 第四节 质谱图与结构解析 第五节 色谱-质谱联用仪,结束,第五章 质谱分析,一、 概述 generalization 二、质谱仪与质谱分析 mass spectrometer and mass spectrometry,第一节 基本原理与质谱仪,mass spectrometry，MS,basic principle and Mass spectrometer,一、概述 generalization,分子质量精确测定与化合物结构分析的重要工具； 第一台质谱仪：1912年； 早期应用：原子质量、同位素

2、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； 促进天然有机化合物结构分析的发展； 同位素质谱仪；无机质谱仪；有机质谱仪,二、 质谱仪与质谱分析原理mass spectrometer and mass spectrometry,进样系统,离子源,质量分析器,检测器,1.气体扩散 2.直接进样 3.气相色谱,1.电子轰击 2.化学电离 3.场致电离 4.激光,1.单聚焦 2.双聚焦 3.飞行时间 4.四极杆,质谱仪需要在高真空下工作：离子源（10-3 10 -5 Pa ） 质量分析器（10 -6 Pa ） (1)大量氧会烧坏

3、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,1 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 直接探针进样 色谱进样系统,间歇式进样系统,2 离子源,Electron Ionization (EI)源,EI 源的特点,电离效率高,灵敏度高； 应用最广，标准质谱图基本都是采用EI源得到的； 稳定，操作方便，电子流强度可精密控制； 结构简单，控温方便,EI源：可变的离子化能量 (10240eV,对于易电离的物质降低电子能量，而对于难电离的物质则加大电子能量（ 常用70eV,电子能量,电子能量

4、,分子离子增加,碎片离子增加,离子室内的反应气（甲烷等；10100Pa，样品的103105倍），电子（100240eV）轰击，产生离子，再与试样分离碰撞，产生准分子离子,化学电离源（Chemical Ionization，CI,最强峰为准分子离子； 谱图简单； 不适用难挥发试样,场致电离源（FI,电压：7-10 kV；d1 mm； 强电场将分子中拉出一个电子； 分子离子峰强； 碎片离子峰少； 不适合化合物结构鉴定,电喷雾电离源(ESI,多电荷离子 测定的样品分子量大,3 质量分析器,在磁场存在下，带电离子按曲线轨迹飞行； 离心力 =向心力；m 2 / R= H0 e V 曲率半径： R= （m

5、 ）/ e H0 质谱方程式：m/e = (H02 R2) / 2V 离子在磁场中的轨道半径R取决于： m/e 、 H0 、 V 改变加速电压V, 可以使不同m/e 的离子进入检测器。 质谱分辨率 = M / M （分辨率与选定分子质量有关,加速后离子的动能 : (1/2)m 2= e V = (2V)/(m/e)1/2,单聚焦磁场分析器,方向聚焦； 相同质荷比，入射方向不同的离子会聚； 分辨率不高,双聚焦分析器,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；两种作用大小相等，方向

6、相反时互补实现双聚焦,其他类型质量分析器,双聚焦质谱仪体积大； 色谱-质谱联用仪器的发展及仪器小型化（台式）需要； 体积小的质量分析器,四极杆质量分析器 飞行时间质量分析器 离子阱质量分析器,体积小，操作简单； 分辨率中等,四级杆分析器,4 检测器,1）电子倍增管 1518级；可测出10-17A微弱电流； （2）渠道式电子倍增器阵列,5 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,第五章 质谱分析,一、分

7、子离子峰 molecular ion peak 二、同位素离子峰 isotopic ion peak 三、碎片离子峰 fragment ion peaks,第二节 离子峰的主要类型,mass spectrometry，MS,main types of ion peaks,一、分子离子峰molecular ion peak,分子电离一个电子形成的离子所产生的峰。 分子离子的质量与化合物的分子量相等,有机化合物分子离子峰的稳定性顺序： 芳香化合物共轭链烯烯烃脂环化合物直链烷烃酮胺酯醚酸支链烷烃醇,1. 分子离子峰的特点,一般质谱图上质荷比最大的峰为分子离子峰；有例外,由稳定性判断。 形成分子离子需

8、要的能量最低，一般约10电子伏特,质谱图上质荷比最大的峰一定为分子离子峰吗？。 如何确定分子离子峰,2. 分子离子的判断,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。 分子离子峰与相邻峰的质量差必须合理,1)律,2)质量差是否合理,3. 分子离子的获得,1)制备挥发性衍生物,2)降低电离电压，增加进样量,3）降低气化温度,4）采用软电离技术,4.分子离子峰强度与结构的关系,二、同位素离子峰（M+1峰） isotopic ion peak,由于同位素的存在，可以看到比分子离子峰

9、大一个质量单位的峰；有时还可以观察到M+2，M+3。,贝农(Beynon)表 例如： M=150 化合物 M+1 M+2 化合物 M+1 M+2 C6H14NOCl 8.15 0.49 C7H11N4 9.25 0.38 C6H14O4 6.86 1.0 C8H6 O3 8.36 0.95 C7H2 O4 7.75 1.06 C8H8N O2 9.23 0.78 C7H4N O3 8.13 1.06 C8H11N2 O 9.61 0.61 C7H6N2 O2 8.50 0.72 C8H12N3 9.98 0.45 C7H8N3 O 8.88 0.55 C9H10 O2 9.96 0.84,三、

10、碎片离子峰 fragment ion peaks,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，使结构裂解，产生各种“碎片”离子,正己烷,碎片离子峰,正癸烷,碎片离子峰,碎片离子峰,碎片离子峰,内容选择,第一节 基本原理与质谱仪 basic principle and Mass spectrometer 第二节 离子峰的主要类型 main kinds of ion peaks 第三节 有机分子裂解类型 cleavage types of organic compounds 第四节 质谱图与结构解析 mass spectrograph and structure d

11、etermination 第五节 色谱-质谱联用仪 hyphenated methods of GC-MS,结束,第五章 质谱分析,一、 有机分子的裂解 cleavage types of organic molecular 二、断裂 - cleavage 三、断裂 cleavage 四、重排断裂 rearrangement cleavage,第三节 有机分子裂解类型,mass spectrometry，MS,cleavage types of organic compounds,一、 有机分子的裂解 cleavage types of organic molecular,当有机化合物蒸气分子

12、进入离子源受到电子轰击时，按下列方式形成各种类型离子（分子碎片）： ABCD + e - ABCD+ + 2e - 分子离子,BCD + A + B + A + CD + AB + A + B + ABCD+ D + C + AB + CD + C + D,碎 片 离 子,二、断裂 - cleavage,正己烷,三、断裂 cleavage,断裂,断裂丢失最大烃基的可能性最大 丢失最大烃基原则,开裂,麦氏重排（Mclafferty rearrangement,麦氏重排条件,含有C=O， C=N，C=S及碳碳双键 与双键相连的链上有碳，并在 碳有H原子（氢） 六圆环过度，H 转移到杂原子上，同时

13、键发生断裂，生成一个中性分子和一个自由基阳离子,四、重排断裂 rearrangement cleavage,分子碎片重排后再次裂解,内容选择,第一节 基本原理与质谱仪 basic principle and mass spectrometer 第二节 离子峰的主要类型 main kinds of ion peaks 第三节 有机分子裂解类型 cleavage types of organic compounds 第四节 质谱图与结构解析 mass spectrograph and structure determination 第五节 色谱-质谱联用仪 hyphenated methods o

14、f GC-MS,结束,第五章 质谱分析,一、饱和烃 alkanes 二、芳烃的 aromatic hydrocarbons 三、醇和酚 alcohols and phenols 四、 醚 ethers 五、 醛、酮 aldehydes and ketones 六、 其他化合物 other compounds,第四节 质谱图与结构解析（电子轰击质谱EIMS,mass spectrometry，MS,mass spectrograph and structure determination,1.直链烷烃,一、饱和烃的质谱图 alkanes,正癸烷,分子离子：C1(100%)， C10(6%)， C

15、16(小)， C45(0) 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 有m/z ：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aromatic hydrocarbons,三、醇和酚的质谱图alcohols and phenols,四、 醚的质谱图 ethers,五、 醛、酮的质谱图 aldehydes and ketones,六、 其他化合物的质谱图 other compounds,结构未

16、知（C6H12O，酮,解析： 1 100，分子离子峰 285，失去CH3（15）的产物 357, 丰度最大, 稳定结构 失去CO(28)后的产物,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-314)+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,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

17、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；

18、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,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

19、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

20、 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,内容选择,第一节 基本原理与质谱仪 basic principle and mass spectrom

21、eter 第二节 离子峰的主要类型 main kinds of ion peaks 第三节 有机分子裂解类型 cleavage types of organic compounds 第四节 质谱图与结构解析 mass spectrograph and structure determination 第五节 色谱-质谱联用仪 hyphenated methods of GC-MS,结束,第五章 质谱分析,一、概述 generalization 二、 GC-MS联用技术 hyphenated technology of GC-MS 三、LC-MS联用仪 hyphenated technology of LC-MS,第五节 色谱-