质谱分析法课件

1、(最新整理)第十一章质谱分析法2021/7/261第十一章 质谱分析方法Mass Spectrometry (MS)2021/7/26第十一章 质谱分析方法第一节 概述第二节 原理及质谱仪第三节 质谱中离子的主要类型第四节 分子离子峰的识别第五节 质谱图的解析2021/7/263以某种方式(一般用具有一定能量的电子束轰击气态分子）使有机化合物的分子电离、碎裂成正离子，然后按照离子的质荷比（m/z）大小把生成的各种离子分离，检测它们的强度，并将其排列成谱，这种研究物质的方法称作质谱法，简称质谱。第一节 概述质谱分析法（ MS）2021/7/264第一节 概述离子按照其质量m和电荷z的比值m/z（

2、质荷比）及其强度大小依次排列而被记录下来的图谱，称为质谱图，也简称质谱。 质谱图的组成丁酮的质谱图横坐标-离子质荷比（m/z）；纵坐标-各峰相对强度；棒线-质荷比的离子。最强个峰-基峰，强度定为1002021/7/265质谱图的主要作用第一节 概述在质谱图上，由各碎片离子的质荷比和其相对丰度，可推断被测物的分子结构，并确定其分子量、构成元素的种类和分子式。2021/7/266质谱分类第一节 概述按用途分有机质谱无机质谱同位素质谱按原理分单聚焦质谱双聚焦质谱四极质谱飞行时间质谱回旋共振质谱按联用方式分气质联用液质联用质质联用2021/7/267第二节 原理及质谱仪一.质谱仪的基本结构二.质谱仪各

3、部分的工作原理2021/7/268一、质谱仪的基本结构1. 气体扩散2. 直接进样3. 色谱联用1. 电子轰击 EI2. 化学电离 CI3. 快原子轰击 FAB4. 电喷雾电离 ESI5. 大气压化学电离 APCI6. 基质辅助激光解析电离 LD1.磁式双聚焦 2.四极杆3. 离子阱 4.飞行时间 TOF5.傅立叶变换离子回旋共振进样系统离子源质量分析器检测器放大器记录器真空泵I质谱图m/z质谱仪示意图2021/7/269二、质谱仪各部分的工作原理离子源真空度：1.310-41.310-5Pa，质量分析器：1.310-6 Pa）。其作用是减少离子碰撞损失。真空系统（vacuum system）

4、真空装置：机械真空泵 扩散泵 分子涡轮泵2021/7/2610二、质谱仪各部分的工作原理进样系统(inlet system) 气体直接导入或用气相色谱进样液体加热汽化或雾化进样固体用直接进样探头2021/7/2611二、质谱仪各部分的工作原理离子源(ion source)电子电离源 (electron ionization EI)化学电离源 (chemical ionization CI)快原子轰击 (fast atom bombardment FAB)电喷雾源 (electronspray ionization ESI)大气压化学电离（atmospheric pressure chemica

5、l ionization APCI)基质辅助激光解吸电离（matrix assisted laser Desorption ionization MALDI)2021/7/2612二、质谱仪各部分的工作原理电子电离源(electron ionization EI)由阴极发射电子束，通过离子化室到达阳极，电子能量70eV。有机化合物的电离电位8-15eV。可在平行电子束的方向附加一弱磁场，使电子沿螺旋轨道前进，增加碰撞机会，提高灵敏度。2021/7/2613二、质谱仪各部分的工作原理在电子的轰击下，样品分子变成离子的4种不同途径：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，形成碎片离

6、子分子离子发生结构重排形成重排离子通过分子离子反应生成加合离子2021/7/2614二、质谱仪各部分的工作原理电子电离源EI特点：碎片离子多，结构信息丰富， 有标准化合物质谱库；不能汽化的样品不能分析，多数GC-MS一般都配备电子电离源；离子化能量高，常得不到分子离子峰，不利于测定分子量；试样需加热气化后进行离子化，不适合于难挥发、热不稳定化合物的分析。2021/7/2615二、质谱仪各部分的工作原理 化学电离源(chemical ionization CI)CH4 + e CH4 + + 2eCH4+ + CH4 CH5 + + CH3 结构与EI同，但是在离子化室充CH4，电子首先将CH4

7、离解，其电离过程如下：生成的气体离子再与样品分子M反应： CH5 + + M CH4 + MH+2021/7/2616二、质谱仪各部分的工作原理化学电离源特点： 准分子离子峰强度大，得到一系列准分子离子 (M+1)+，(M-1)+， (M+2)+等，有利于分子量的推断；CI源的的碎片离子峰少，图谱简单，易于解释；试样需加热气化后进行离子化，不适合于难挥发、热不稳定化合物的分析。主要用于GC-MS联用仪，适用于易汽化的有机物样品分析。2021/7/2617二、质谱仪各部分的工作原理 快原子轰击(fast atom bombardment FAB)FAB 特点：试样无需加热气化，本法适合于强极性、

8、大分子量、低蒸汽压、热稳定性差的样品。准分子离子峰强度较大，有利于分子量的推断；检测灵敏度低于EI。FAB一般用作磁式质谱的离子源。氩气放电产生氩离子，经电荷交换得到高能氩原子流，轰击涂在靶上的样品，溅射出离子流。2021/7/2618二、质谱仪各部分的工作原理电喷雾源(electronspray ionization ESI)结构：喷嘴，雾化气，干燥气原理：喷雾 蒸发 电压喷雾针带电液滴溶剂挥发样品离子小孔板喷雾针尖电压小孔板电压电场方向图9-3 样品在ESI接口中的离子化过程2021/7/2619二、质谱仪各部分的工作原理电喷雾源特点：适用于强极性，大分子量的样品分析，如肽，蛋白质，糖等；

9、 产生的离子带有多电荷；主要用于液相色谱质谱联用仪2021/7/2620二、质谱仪各部分的工作原理质量分析器(mass analyzer)单聚焦分析器（single focusing mass analyzer）双聚焦分析器（double focusing mass analyzer）四极杆分析器 (quadrupole analyzer)离子阱分析器 (Ion trap)飞行时间分析器(time of flight）傅立叶变换离子回旋共振 （Fourier tranform ion cyclotron resonance）2021/7/2621二、质谱仪各部分的工作原理检测器(detecto

10、r)电子倍增器2021/7/2622二、质谱仪各部分的工作原理检测器的性能指标质量范围指所能检测的M/Z范围四极质谱 M/Z小于或等于1000磁式质谱 M/Z可达到几千飞行时间质谱 M/Z可达到几十万扫描速度指扫描一定质量范围所需时间例如GC-MS：M/Z 1-1000所需时间1s2021/7/2623二、质谱仪各部分的工作原理检测器的性能指标分辨率R质谱对相邻两质量组分分开的能力 10000，高分辩质谱仪。例如：CO+27.9949N +28.0061四极质谱恰好能将此分开.2021/7/2624二、质谱仪各部分的工作原理检测器的性能指标灵敏度指信噪比大于10 时的样品量。质量准确度2021

11、/7/2625第三节 质谱中离子的主要类型分子离子、碎片离子、亚稳离子、同位素离子重排离子等。2021/7/2626一、分子离子分子被电子束轰击失去一个电子形成的离子。分子离子用M+表示。在质谱图上，与分子离子相对应的峰为分子离子峰。分子离子峰的应用： 分子离子峰的质荷比就是化合物的相对分子质量，所以，用质谱法可测分子量。2021/7/2627一、分子离子质谱中分子离子峰强弱的顺序：芳环共轭烯烯酮不分支烃醚酯胺酸醇高分支烃 分子离子是化合物分子失去一个电子形成的，因此，分子离子的质量就是化合物的相对分子量，在化合物质谱的解释中具有特殊重要的意义。2021/7/2628二、碎片离子分子离子受高能

12、电子的轰击而碎裂产生的离子2021/7/2629三、亚稳离子离子在离开离子源受电场加速后，在进入质量分析器之前，由于碰撞等原因很容易进一步分裂失去中性碎片而形成的新的离子。亚稳离子峰由于其具有离子峰宽（约25个质量单位）、相对强度低、m/z不为整数等特点，很容易从质谱图中观察。2021/7/2630四、同位素离子含有同位素的离子称为同位素离子。在质谱图上，与同位素离子相对应的峰称为同位素离子峰。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/e用M+1，M+2等表示。2021/7/2631四、同位素离子2021/7/2632五、重排离子经重排裂解产生的离子称为重排离子。常见的

13、有麦克拉夫悌(Mclafferty)重排开裂(简称麦氏重排)和逆Diels-Alder 开裂。2021/7/2633麦氏重排：具有-氢原子的側链苯、烯烃、环氧化合物、醛、酮等经过六元环状过渡态使-H转移到带有正电荷的原子上，同时在、原子间发生裂解，这种重排称为麦克拉夫悌重排裂解。CHCHCHCZHR1R2R3R4CHCHR3R4HCCZHR1R2五、重排离子2021/7/2634逆Diels-Alder 开裂：具有环己烯结构类型的化合物可发生此类裂解，一般形成一个共轭二烯正离子和一个烯烃中性碎片：五、重排离子2021/7/2635在质谱图中，分子离子峰应该是最高质荷比的离子峰（同位素离子除外）

14、。氮规则:凡不含氮原子或只含偶数个氮原子的有机分子，其分子量必为偶数；而含奇数个氮原子的分子，其分子量必为奇数。凡不符合此规律的质谱峰都不是分子离子峰。第四节 分子离子峰的识别2021/7/2636与邻近的峰相差是否合理:分子离子不可能裂解出三个以上的氢原子和小于一个甲基的基团，故分子离子峰的左面不可能出现小于314个质量单位的峰。第四节 分子离子峰的识别2021/7/2637第五节 质谱图解析2021/7/2638第五节 质谱图解析分子式的测定分子离子峰的确认分子离子的稳定性规律 芳香族环共轭链烯脂环化合物烯烃直链烷烃硫醇酮胺酯醚酸支链烷烃醇 分子离子越稳定，则峰越强2021/7/2639第

15、五节 质谱图解析分子式的测定分子离子峰的确认一般质谱图上质荷比最大的峰为分子离子峰。形成分子离子需要的能量最低，一般约电子伏特。 质谱图上质荷比最大的峰一定为分子离子峰吗？2021/7/2640第五节 质谱图解析分子式的测定最高质荷比离子与相邻离子间的质量差是否合理 若质量差414个质量单位，则该峰不是分子离子峰注意M+1和M-1准分子离子峰改变试验条件分子离子的质量数服从奇偶规律 C、H、O组成的化合物偶数 C、H、O、N组成的化合物奇数个N 为奇数 偶数个N为偶数2021/7/2641第五节 质谱图解析分子式的测定例：某不含氮的化合物得到的质谱图数据如下，试判断m/z最大的是否是分子离子峰

16、？ m/z 29, 31, 39, 40, 41, 42, 43, 45, 55, 56, 57答：m/z 57 不符合氮律； 56 与相邻离子间的质量差不合理。 所以该化合物未出现分子离子峰。2021/7/2642第五节 质谱图解析相对分子质量的测定例：辛酮-4（C8H16O） 质荷比为 128.1202 相对分子质量 128.2161分子离子峰的质荷比 相对分子质量？质荷比：由离子中丰度最大的同位素质量计算得到相对分子质量：由分子中各元素同位素质量的加权平均值计算而得在绝大多数情况下，两者整数部分均相等。2021/7/2643第五节 质谱图解析分子式的确定用高分辩质谱仪确定分子式 高分辩质

17、谱仪测得化合物的精确质量可至小数点后4位。 例：C11H20N6O4 （300.154592） C12H20N4O5 （300.143359） 可查Beynon表，不同数目C、H、O、N组成的各种分子式的精密分子量表（小数点后3位）2021/7/2644第五节 质谱图解析分子式的确定由同位素比求分子式分子式M+1M+2C5H10O25.640.53C5H12NO6.00.35C5H14N26.390.17C6H2N27.280.23例：质量数为102处有分子离子峰，M+1峰和M+2峰相对其强度分别为7.81和0.35 拜诺表中M102部分数据分子式M+1M+2C6H14O6.750.39C7H

18、2O7.640.45C7H4N8.010.28C8H68.740.342021/7/2645例 1 某未知物经测定是只含C、H、O的有机化合物，红外光谱显示在3 1003 600 cm1之间无吸收，其质谱如下图，试推测其结构。2021/7/2646 解：第一步 解析分子离子区 （1）分子离子峰较强，说明该样品分子离子结构稳定，可能具有苯环或共轭系统。分子量为136。 （2）根据M+1/M=9%，可知该样品约含8个C原子，查贝农表（一般专著中都有此表），含C、H、O的只有下列四个式子： （a）C9H12O (= 4) （b）C8H8O2 （= 5） （c）C7H4O3 （= 6） （d）C5H1

19、2O4 （= 0）2021/7/2647第二步 解析碎片离子区（1）质荷比105为基峰，提示该离子为苯甲酰基（C6H5CO），质荷比39、51、77等峰为芳香环的特征峰，进一步肯定了苯环的存在。（2）分子离子峰与基峰的质量差为31，提示脱去的可能是CH2OH或CH3O，其裂解类型可能是简单开裂。 m/z105 m/z77的开裂，开裂过程可表示为： CO C2H2 C6H5CO+ C6H5+ C4H3+ m/z105 m/z77 m/z512021/7/2648第三步 提出结构式（1）根据以上解析推测，样品的结构单元有 （2）上述结构单元的确定，可排除分子式中的C9H12O (= 4 )、C7H

20、4O3（H原子不足）、C5H12O4（= 0），所以唯一可能的分子式为C8H8O2。由此可算出剩余碎片为CH3O，可能剩余的结构为CH2OH或CH3O。2021/7/2649（4）由于该样品的红外光谱在3 1003 600cm1 处无吸收，提示结构中无OH，所以该未知化合物的结构为（a）。a（3）连接部分结构单元和剩余结构，可得下列两种可能的结构式：b2021/7/26502.试判断质谱图1、2分别是2-戊酮还是3-戊酮的质谱 图。写出谱图中主要离子的形成过程。2021/7/2651 解：由图 1 可知，m/z 57 和 m/z 29 很强，且丰度相当。m/z 86分子离子峰的质量比最大的碎片

21、离子 m/z 57 大 29 u ，该质量差属合理丢失，且与碎片结构 C2H5 相符合。所以，图1 应是 3-戊酮的质谱，m/z 57、29 分别由 -裂解、-裂解产生。 由图2可知，图中的基峰为 m/z 43，其它离子的丰度都很低，这是2-戊酮进行 -裂解和 -裂解所产生的两种离子质量相同的结果。2021/7/2652 3. 未知物质谱图如下，红外光谱显示该未知物在 11501070 cm-1有强吸收，试确定其结构。2021/7/2653解：从质谱图中得知以下结构信息： m/z 88 为分子离子峰； m/z 88 与 m/z 59质量差为29u，为合理丢失。且丢失的可能 的是 C2H5 或

22、CHO； 图谱中有 m/z 29、m/z 43 离子峰，说明可能存在乙基、正丙 基或异丙基； 基峰 m/z 31为醇或醚的特征离子峰，表明化合物可能是醇或 醚。 由于红外谱在17401720 cm-1 和36403620 cm-1无吸收，可否 定化合物为醛和醇。因为醚的 m/z 31 峰可通过以下重排反应产生：2021/7/2654 据此反应及其它质谱信息，推测未知物可能的结构为： 质谱中主要离子的产生过程2021/7/26554. 某化合物的质谱如图所示。该化合物的 1H NMR 谱在 2.3 ppm 左右有一个单峰，试推测其结构。2021/7/2656解：由质谱图可知： 分子离子峰 m/z

23、 149是奇数，说明分子中含奇数个氮原子; m/z 149与相邻峰 m/z 106 质量相差 43u，为合理丢失，丢 失的碎片可能是 CH3CO 或 C3H7; 碎片离子 m/z 91 表明，分子中可能存在 苄基 结构单元。 综合以上几点及题目所给的 1H NMR图谱数据得出该化合物 可能的结构为 质谱图中离子峰的归属为2021/7/26575.一个羰基化合物，经验式为C6H12O，其质谱见 下图，判断该化合物是何物。 解 ；图中m/z = 100的峰可能为分子离子峰，那么它的分 子量则为100。图中其它较强峰有：85，72，57，43等。2021/7/265885的峰是分子离子脱掉质量数为1

24、5的碎片所得，应为甲基。m/z = 43的碎片等于M-57，是分子去掉C4H9的碎片。 m/z = 57的碎片是C4H9或者是M-Me-CO。根据酮的裂分规律可初步判断它为甲基丁基酮，裂分方式为：以上结构中C4H9可以是伯、仲、叔丁基，能否判断？图中有一m/z = 72的峰，它应该是M-28，即分子分裂为乙烯后生成的碎片离子。只有C4H9为仲丁基，这个酮经麦氏重排后才能得到m/z = 72的碎片。若是正丁基也能进行麦氏重排，但此时得不到m/z = 72的碎片。2021/7/2659因此该化合物为3-甲基-2-戊酮。2021/7/26606. 试由未知物质谱图推出其结构。2021/7/2661解：图中最大质荷比的峰为m/z 102，下一个质荷比的峰为 m/z 87，二者相差15u，对应一个甲基，中性碎片的丢失是合理的，可初步确定m/z 102为分子离子峰。 该质谱分子离子峰弱，也未见苯环碎片，由此可知该化合物为脂肪族化合物。 从m/z 31、45、73、87的系列可知该化合物含氧且为醇、醚类型。由于质谱图上无 M18等有关离子，因此未知物应为脂肪族醚类化合物。结合分子量102可推出未知物分子式为C6H14O。 从高质量端m/z 87及强峰m/z 73可知化合物碎裂时失