环境分析-精品课件

1、环境分析-课件第1页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四质谱基本知识 质谱是分子质量精确测定和分子式的确定及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、同位素相对丰度等质谱是化合物电离后按照离子质量与所带电荷数之比被仪器分离并以质荷比与其相对强度记录下来的谱图质谱不属波谱范围，质谱图与电磁波的波长和分子内某种物理量的改变无关Topic 4 质谱分析及联用技术第2页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四质谱仪（Mass Spectrometer）计算机数据处理系统真空系统 加速区进样系统离子源质量分析器检测器 电离部分离子分离检测

2、部分第3页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四有机质谱的特点优点: 测定分子量准确，其它技术无法比。灵敏度高，常规10-7-10-8g,单离子检测可达10-12g。快速，几分甚至几秒。便于混合物分析，LC/MS对于难分离的混合物特别有效, 其它技术无法胜任。多功能，广泛适用于各类化合物。局限性:异构体，立体化学方面区分能力差。重复性稍差，要严格控制操作条件。所以不能象NMR，IR等自己动手，须专人操作。有离子源产生的记忆效应，污染等问题。价格稍显昂贵，专人维护。第4页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四离子源Electron Ionization (EI

3、)源被测样品必须离子化+: R1: R2: R3: R4: e+M+(M-R2)+(M-R3)+Mass Spectrum(M-R1)+第5页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四 离子源与高真空系统连接。小分子，中性碎片，自由基被抽出。 在离子源的出口，对离子施加一个加速电压(1000 -8000eV), 按质荷比的大小进行分离并加以聚焦。质量分析器 第6页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四离子化的方法-离子源第7页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四分子失去电子，生成带正电荷的分子离子 分子离子可进一步裂解，生成质量更小的碎片离子

4、 M+eM+.+2eM-. 小于1%M+.A+. +B+CD+. 中性分子或碎片 R.50-70eV 电子轰击电离又称为电子轰击法，或电子电离。是最经典的传统方法，也是应用最普遍，发展最成熟的电离方法。 轰击电压 50-70eV, 有机分子的电离电位一般为7-15eV。有些化合物的分子离子不出现或很弱。 第8页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四9第9页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四10第10页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四11+气体分子试样分子+准分子离子电子(M+1)+; (M+17) +; (M+29) +;第11页

5、，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四阳极+阴极d1mm第12页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四13适合于对热不稳定或不易汽化的样品第13页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四质谱术语 基峰:质谱图中离子强度最大的峰，规定其相对强度或相对 丰度为100 .Relative Intensity, RI, RA (abundance) 质荷比:离子的质量与所带电荷数之比,m/z,or m/e,z=1,2;M为组成离子的各元素同位素的质子和中子之和。 精确质量: 精确质量的计算基于天然丰度最大的同位素 的精确原子量，如： 1H 1.007

6、825 、 12C 12.000000、 14N 14.003074 、 16O 15.994915 精确度与质谱仪的分辨率有关。 第14页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四15分子离子(molecular ion): M+ , M - e M+ 由样品分子丢失一个电子形成的离子。分子离子的质量与化合物的相对摩尔质量相等（z=1时， 其m/z等于天然丰度最大的同位素的原子量之和） 碎片离子：广义上指除分子离子以外的所有离子。 重排离子：经过重排，断裂一个以上化学键所生成的离子。 母离子与子离子：任何一个离子进一步裂解为质荷比较小的离子，前者是后者的母离子或前体离子，后者是

7、前者的子离子。 质谱中的离子第15页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四16 奇电子离子OE+：带未配对电子的离子，如 M+, A+在质谱解析中，奇电子离子很重要，因质荷比较小的奇电子离子是由质荷比较大的奇电子离子裂解生成的。 偶电子离子EE+： 无未配对电子的离子，如 B+, D+ 多电荷离子： 如 z =2的离子，存在于稳定的结构中。 准分子离子： MH+, M-H+同位素离子： 非单一同位素的元素在电离过程中产生同 位素离子，同位素离子构成同位素峰簇。 第16页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四 碎片离子峰 一般有机化合物的电离能为713 eV，

8、质谱中常用的电离电压为70 eV，使结构裂解，产生各种“碎片”离子。正己烷第17页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四亚稳离子 离子在离子源的运动时间106s数量级, 寿命105s，足以到达检测器。 寿命106-105 s的离子，从离子源出口到达检测器之前裂解并被记录的离子称亚稳离子，以m*表示. m*=m22/m1 (m1 母离子） 亚稳离子的峰有不同程度的扩散，达2-3质量单位，这是因为m1+ 裂解时，部分内能转化为动能。 在质谱解析中，m*可提供前体离子和子离子之间的关系。 第18页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四 由样品分子丢失一个电子形成的

9、离子所产生的峰叫分子离子峰。分子离子的质量与化合物的相对摩尔质量相等，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 假定分子离子峰: 高质荷比区,RI 较大的峰(注意：同位素峰),奇电子离子峰 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 m1231516171820丢失HH2H2, HCH3OOHH2ONH2m = 4-14, 21-24, 37-38通常认为是不合理丢失第19页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四20 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

10、的m/z为奇数。 使用CI电离时，可能出现 M+H, MH, M+C2H5, M+C3H5 使用FAB时，可出现 M+H, MH, M+Na, M+K 较高分子量的化合物，可能同时生成 M+H, M+2H, M+3H等 第20页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四21分子离子峰不出现怎么办? 降低EI离子源的轰击电压到10-15eV或降低样品的汽化温度，或改用其它离解方式, 如: CI, FAB，ESI或制备成较易挥发的衍生物等 第21页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四快原子轰击源 FAB EI及CI源在进行电离之前，目标分析物都必须进行气化，所以均

11、不适用于分析极性、非挥发性和热不稳定性物质。 快原子轰击源是利用原子枪或离子枪射出数千伏的中性原子或离子（如Ar、Xe或Cs+等）束，对溶解在底物（如甘油）中的样品进行轰击，产生M+H+等离子的电离方法。由于FAB源在电离过程中不必加热气化，所以适用于极性、非挥发性和热不稳定样品的分析。如肽类、低聚糖、天然抗生素、有机金属络合物等。第22页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四 FAB源的离子化一般认为当高速中性原子（或离子）轰击底物溶液后，在发生“爆发性”气化时，也发生离子-分子反应，从而产生离解性的氢质子转移反应。 FAB源得到的质谱不仅有较强的准分子离子峰，而且有较丰富

12、的结构信息。但它与EI源得到的质谱图很不相同。首先，相对分子质量信息不是分子峰M，而往往是M+H+或M+Na+等的准分子峰；其次，其碎片峰比EI谱要少。第23页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四电喷雾电离源ESI ESI是一种新的电离方式，其既是液相色谱和质谱之间的接口装置，同时又是电离装置。 ESI过程如下图：第24页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四 加到喷嘴上的电压可以是正，也可以是负，正电压模式下，分子结合H+、Na+或K+等阳离子，而得到M+H+,M+Na+或M+K+等离子；当所加的电压为负时，分子的活泼氢电离，而得到M-H-。 ESI是一

13、种软电离方式，即便是分子量大，稳定性差的化合物，也不会在电离过程中发生分解，它适合分析极性强的大分子有机化合物，如蛋白质、糖类等。第25页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四有机质谱中的裂解反应（类型与过程）M+eM+.+2eM-.+小于1%M+.A+.+B+AB+.中性分子或碎片R50-70eVM+ A+, B+, C +, D+ 第26页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四27质谱裂解反应机理 裂解反应瞬间进行，机理研究困难 McLaferty 提出“电荷自由基定位理论” 自由基有强烈的电子配对倾向 正电荷有吸引或极化相邻成键电子引起裂解 均裂-单电

14、子转移 异裂-双电子转移 重排-裂解时，发生一个以上化学键的断裂和新键的生成。 R.自由基R+ 正离子第27页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四28自由基位置引发的裂解反应 第28页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四29自由基位置引发的重排反应 第29页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四30电荷位置引发的裂解反应 第30页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四31各类有机化合物的质谱 烃类化合物的质谱 醇、酚、醚 硫醇，硫醚 胺类化合物 卤代烃 醛，酮，羧酸，酯，酰胺第31页，共51页，2022年，5月20日，

15、15点38分，星期四32一、烃类化合物的质谱第32页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四33烷烃- 直链烷烃：分子离子：M+ 峰弱，可见。 m/z CnH2n+2C1(100%)， C10(6%)， C16(小)， C45(0)CnH2n+1 (主)，m/z 29，43, 57, 71,85,99,113等; m = 14, M-29 (C2H5)， （电子均裂）CnH2n m/z 42, 56, 70, 84，等(四元环重排)。CnH2n-1 m/z 41, 55, 69, 83, 等。 (C2H5+（m/z =29） C2H3+（ m/z =27）+H2) m/z 43

16、 (CH3)2CH+, 57 (CH3)3C+ 基峰或强峰 （含3或4个C）, M-15 相对较弱。第33页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四3486.010.0% 71.0 11.0% 57.0 100% 43 80.9% 29 42.5% 15 1.3% Hexane (75 eV) 第34页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四35烷烃-支链烷烃 M+ 弱或不见。 M-15 (CH3), 带侧链CH3 M-R (R)优先失去大基团，此 处离子峰的 RI 大。第35页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四36第36页，共51页，20

17、22年，5月20日，15点38分，星期四37烷烃- 环烷烃以环己烷例: M+ 较强, 因裂解丢失基团需断裂两个键。m/z 41,55,56,69 峰。自由基引发，经过四，五，六元环过渡态氢转移(P28)，裂解如下:第37页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四38第38页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四39第39页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四40烯 烃 M+ 峰较弱，但比相应的烷烃强。m/z CnH2n -键断裂（末端烯），m/z 41 CH2=CH-CH2 + 基峰或强峰。 -氢重排 m/z 42 CH2=CH-CH3 +

18、,基峰或强峰 CnH2n -1 (主), 如 m/z 41, 55, 69, 83, 等。 CnH2n +1 m/z 43, 57, 71, 85, 99, 113等; m = 14 CnH2n m/z 42,56,70,84，等42+14n (麦氏重排)。注意:重排时，双键可能发生移动，其位置难以确定。第40页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四第41页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四42芳烃 烷基苯： M+强或中等强度。 -键的断裂，产生m/z 91的基峰或强峰 -H的重排，产生m/z 92的奇电子离子峰， 进一步裂解，产生m/z 78，52或

19、66，40的峰第42页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四43第43页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四44第44页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四分子式的推导分子式是否合理？符合N律； 不饱和度UN 0 UN = (n+1) + a/2 b/2 n: C Si a: N P b: H, X ( F Cl Br I )第45页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四46例如: C7H3ClN2O2UN =(7+1) +2/2 (3+1)/2=7, 但实际 UN= 85 价第46页，共51页，2022年，5月20日

20、，15点38分，星期四47利用低分辨质谱数据同位素相对丰度计算法和查Beynon表法推导分子式 例如：CH4 M=1612C+1H4=16 M13C+1H4=17 M+112C+2H+1H3=17 M+113C+2H+1H3=18 M+2同位素峰分子离子峰由于同位素的存在，可以看到比分子离子峰大一个质量单位的峰叫同位素离子峰（M +1峰） ；有时还可以观察到M+2，M+3。；第47页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四48同位素峰簇及其相对丰度 对于C, H, N, O组成的化合物， 其通式：CxHyNzOw RI(M+1) / RI(M) 100 = 1.1x + 0.37z ( 2H 0.016, 17O 0.04忽略 )RI(M+2) / RI(M) 100 = (1.1x）2 / 200 + 0.2w 第48页，共51页，2022年，5月20日，15点38分，星期四49 含硫的样品 32S : 33S : 34S = 100 : 0.8 :4.4RI(M+1) / RI(M)