第12章质谱分析PPT讲稿.ppt

第12章质谱分析第1页，共89页，编辑于2022年，星期一一、一、概述概述generalization二、质谱仪与质谱分析二、质谱仪与质谱分析mass spectrometer and mass spectrometry第一节第一节、基本原理与质谱仪基本原理与质谱仪basic principle and Mass spectrometer第2页，共89页，编辑于2022年，星期一一、概述一、概述 generalization 分子质量精确测定与化合分子质量精确测定与化合物结构分析的重要工具；物结构分析的重要工具；第一台质谱仪：第一台质谱仪：1912年；年；早期应用早期应用：原子质量、同位：原子质量、同位素相对丰度等；素相对丰度等；40年代年代：高分辨率质谱仪出现，有机化合物结构分析；高分辨率质谱仪出现，有机化合物结构分析；60年代末年代末：色谱：色谱-质谱联用仪出现，有机混合物分离分析；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；促进天然有机化合物结构分析的发展；同位素质谱仪同位素质谱仪；无机质谱仪无机质谱仪；有机质谱仪有机质谱仪；第3页，共89页，编辑于2022年，星期一二、二、质谱仪与质谱分析原理质谱仪与质谱分析原理mass spectrometer and mass spectrometry1.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)大量氧会烧坏离子源的灯丝；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；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。引起额外的离子分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。第4页，共89页，编辑于2022年，星期一原理与结构原理与结构电离室原理与结构仪器原理图第5页，共89页，编辑于2022年，星期一1.离子源离子源Electron Ionization(EI)源源+:R1:R2:R3:R4:e+M+(M-R2)+(M-R3)+Mass Spectrum(M-R1)+第6页，共89页，编辑于2022年，星期一EI 源的特点：源的特点：H电离效率高电离效率高,灵敏度高；灵敏度高；H应用最广，标准质谱图基本都是采用应用最广，标准质谱图基本都是采用EI源得到的；源得到的；H稳定，操作方便，电子流强度可精密控制；稳定，操作方便，电子流强度可精密控制；H结构简单，控温方便；结构简单，控温方便；EI源：源：可变的离子化能量可变的离子化能量(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（大电子能量（常用常用70eV）。电子能量电子能量分子离子增加碎片离子增加第7页，共89页，编辑于2022年，星期一 离子室内的反应气（甲烷等；离子室内的反应气（甲烷等；10100Pa，样品的，样品的103105倍），倍），电子（电子（100240eV）轰击，产生离子，再与试样分离碰撞，产生）轰击，产生离子，再与试样分离碰撞，产生准分子离子准分子离子。化学电离源（化学电离源（Chemical Ionization，CI）:最强峰为准分子离子；最强峰为准分子离子；谱图简单；谱图简单；不适用难挥发试样；不适用难挥发试样；+气体分子气体分子试样分子试样分子+准分子离子准分子离子电子电子(M+1)+;(M+17)+;(M+29)+;第8页，共89页，编辑于2022年，星期一场致电离源（场致电离源（FI）电压：电压：7-10 kV；d1 mm；强电场将分子中拉出一个电子；强电场将分子中拉出一个电子；分子离子峰强；分子离子峰强；碎片离子峰少；碎片离子峰少；不适合化合物结构鉴定；不适合化合物结构鉴定；阳极+阴极d1mm第9页，共89页，编辑于2022年，星期一2.质量分析器原理质量分析器原理在磁场存在下，带电离子按曲线轨迹飞行；在磁场存在下，带电离子按曲线轨迹飞行；离心力离心力=向心力；向心力；m 2/R=H0 e 曲率半径：曲率半径：R=（m ）/e H0 质谱方程式：质谱方程式：m/e=(H02 R2)/2V离子在磁场中的轨道半径离子在磁场中的轨道半径R取决于：取决于：m/e、H0、V改变加速电压改变加速电压V,可以使不同可以使不同m/e 的离子进入检测器。的离子进入检测器。加速后离子的动能加速后离子的动能:(1/2)m 2=e V第10页，共89页，编辑于2022年，星期一单聚焦磁场分析器单聚焦磁场分析器收集器收集器离子源离子源BS1S2磁场磁场R方向聚焦方向聚焦；相同质荷比，入射方向不同的离子会聚；分辨率不高分辨率不高第11页，共89页，编辑于2022年，星期一双聚焦分析器双聚焦分析器离子源离子源收集器收集器磁场磁场电场电场S1S2+-能量聚焦：能量聚焦：相同质荷比，速度相同质荷比，速度(能量能量)不同的离子会不同的离子会聚；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，方向相反时互补实现双聚焦；色散；两种作用大小相等，方向相反时互补实现双聚焦；第12页，共89页，编辑于2022年，星期一 其他类型质量分析器其他类型质量分析器双聚焦质谱仪体积大；双聚焦质谱仪体积大；色谱色谱-质谱联用仪器的发展及仪器小型化（台式）需要；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：体积小的质量分析器：四极杆质量分析器四极杆质量分析器飞行时间质量分析器飞行时间质量分析器离子阱质量分析器离子阱质量分析器体积小，操作简单；体积小，操作简单；分辨率中等；分辨率中等；原理在第五节色谱-质谱联用仪器介绍；第13页，共89页，编辑于2022年，星期一3.检测器检测器（1）电子倍增管）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）渠道式电子倍增器阵列第14页，共89页，编辑于2022年，星期一一、分子离子峰一、分子离子峰molecular ion peak二、同位素离子峰二、同位素离子峰isotopic ion peak三、碎片离子峰三、碎片离子峰fragment ion peaks第二节、离子峰的主要类型第二节、离子峰的主要类型main types of ion peaks 第15页，共89页，编辑于2022年，星期一一、分子离子峰一、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。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有机化合物分子离子峰的稳定性顺序：的稳定性顺序：芳香化合物共轭链烯烯芳香化合物共轭链烯烯烃脂环化合物直链烷烃烃脂环化合物直链烷烃酮胺酯醚酸支酮胺酯醚酸支链烷烃醇链烷烃醇第16页，共89页，编辑于2022年，星期一1.1.分子离子峰的特点分子离子峰的特点 一般质谱图上质一般质谱图上质荷比最大的峰为分子荷比最大的峰为分子离子峰；有例外离子峰；有例外,由由稳定性判断。稳定性判断。形成分子离子需形成分子离子需要的能量最低，一要的能量最低，一般约般约10电子伏特。电子伏特。质谱图上质荷比最大的峰一定为分子离子峰吗？。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？。如何确定分子离子峰？。第17页，共89页，编辑于2022年，星期一2.2.分子离子的判断分子离子的判断 由由C，H，O 组成的有机化合物，组成的有机化合物，M 一定是偶数。一定是偶数。由由C，H，O，N 组成的有机化合物，组成的有机化合物，N 奇数，奇数，M 奇数。奇数。由由C，H，O，N 组成的有机化合物，组成的有机化合物，N 偶数，偶数，M 偶数。偶数。分子离子峰与相邻峰的质量差必须合理。分子离子峰与相邻峰的质量差必须合理。(1)律律(2)质量差是否合理质量差是否合理第18页，共89页，编辑于2022年，星期一3.分子离子的获得分子离子的获得(1)(1)制备挥发性衍生物制备挥发性衍生物(2)(2)降低电离电压，增加进样量降低电离电压，增加进样量84848598988570ev12ev第19页，共89页，编辑于2022年，星期一m/zm/z3912792611491132791671491137157EICI（3 3）降低气化温度降低气化温度m/zm/zM206206T=160 CT=250 CM=390COOC8H17COOC8H17（4 4）采用软电离技术采用软电离技术第20页，共89页，编辑于2022年，星期一4.分子离子峰强度与结构的关系分子离子峰强度与结构的关系第21页，共89页，编辑于2022年，星期一例如：例如：CH4 M=1612C+1H4=164=16 M13C+1H4=17 4=17 M+112C+2H+1H3=17 M+113C+2H+1H3=18 M+2同同位位素素峰峰分子离子峰分子离子峰二、同位素离子峰（二、同位素离子峰（M+1峰）峰）isotopic ion peak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；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；有时还可以观察到有时还可以观察到M+2，M+3。；。；1615m/z RA13.1121.0133.9149.2158516 100171.1第22页，共89页，编辑于2022年，星期一贝农贝农(Beynon)表表 例如：例如：M=150化合物化合物 M+1 M+2 化合物化合物 M+1 M+2C6H14NOCl 8.15 0.49 C7H11N4 9.25 0.38C6H14O4 6.86 1.0 C8H6 O3 8.36 0.95C7H2 O4 7.75 1.06 C8H8N O2 9.23 0.78C7H4N O3 8.13 1.06 C8H11N2 O 9.61 0.61C7H6N2 O2 8.50 0.72 C8H12N3 9.98 0.45C7H8N3 O 8.88 0.55 C9H10 O2 9.96 0.84第23页，共89页，编辑于2022年，星期一三三、碎片离子峰碎片离子峰 fragment ion peaks 一般有机化合物的电离能为一般有机化合物的电离能为713电子伏特，质谱中常用的电子伏特，质谱中常用的电离电压为电离电压为70电子伏特，使结构裂解，产生各种电子伏特，使结构裂解，产生各种“碎片碎片”离子。离子。正正己己烷烷第24页，共89页，编辑于2022年，星期一碎片离子峰碎片离子峰正癸烷正癸烷第25页，共89页，编辑于2022年，星期一碎片离子峰碎片离子峰第26页，共89页，编辑于2022年，星期一碎片离子峰碎片离子峰142140127125105711581567751110108959381792766645149292829C2H5ClC2H5BrBrClC2H5第27页，共89页，编辑于2022年，星期一碎片离子峰碎片离子峰2943577186 M30 405060708090H3CCH2CH2CH2H3CCCH3C H357H3C C H2C H2H3C C H C H343M=86第28页，共89页，编辑于2022年，星期一一、一、有机分子的裂解有机分子的裂解cleavage types of organic molecular二、二、断裂断裂-cleavage三、三、断裂断裂cleavage四、重排断裂四、重排断裂rearrangement cleavage第三节、有机分子裂解类型第三节、有机分子裂解类型cleavage types of organic compounds第29页，共89页，编辑于2022年，星期一一、一、有机分子的裂解有机分子的裂解 cleavage types of organic molecular当有机化合物蒸气分子进入离子源受到电子轰击时，按下列方式形当有机化合物蒸气分子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）：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+碎片离子第30页，共89页，编辑于2022年，星期一二、二、断裂断裂 -cleavage正正己己烷烷第31页，共89页，编辑于2022年，星期一三、三、断裂断裂 cleavage第32页，共89页，编辑于2022年，星期一断裂断裂20 3060 7040 5080 90 1003044m/zCH3(CH2)9CH2NH2M=157第33页，共89页，编辑于2022年，星期一断裂断裂丢失最大丢失最大烃基的可能性最大烃基的可能性最大丢失最大烃基原则丢失最大烃基原则第34页，共89页，编辑于2022年，星期一第35页，共89页，编辑于2022年，星期一第36页，共89页，编辑于2022年，星期一 开裂开裂RC H 2C HH2CRC H 2C HH2CR C H 2C HH CRRC H 2C HH CRRC H 2C HH CRC H 2RRC H 2m/z=91m/z=91m/z=39HC扩环扩环苄基离子苄基离子卓鎓离子卓鎓离子HCHCHCm/z=65第37页，共89页，编辑于2022年，星期一麦氏重排（麦氏重排（Mclafferty rearrangement)麦氏重排条件：麦氏重排条件：含有含有C=O，C=N，C=S及及C=C与双键相连的链上有与双键相连的链上有 碳，并在碳，并在 碳有碳有H原子（原子（氢）氢）六圆环过度，六圆环过度，H 转移到杂原子上，同时转移到杂原子上，同时 键发生断裂，生成键发生断裂，生成一个中性分子和一个自由基阳离子一个中性分子和一个自由基阳离子四、重排断裂四、重排断裂 rearrangement cleavage第38页，共89页，编辑于2022年，星期一分子碎片重排后再次裂解：分子碎片重排后再次裂解：第39页，共89页，编辑于2022年，星期一第40页，共89页，编辑于2022年，星期一第41页，共89页，编辑于2022年，星期一第42页，共89页，编辑于2022年，星期一第43页，共89页，编辑于2022年，星期一一、饱合烃一、饱合烃alkanes二、芳烃的二、芳烃的aromatic hydrocarbons三、醇和酚三、醇和酚alcohols and phenols四、四、醚醚ethers五、五、醛、酮醛、酮aldehydes and ketones六、六、其他化合物其他化合物other compounds第四节、质谱图与结构解析（电子轰击质谱第四节、质谱图与结构解析（电子轰击质谱EIMS）mass spectrograph and structure determination第44页，共89页，编辑于2022年，星期一1.1.直链烷烃直链烷烃一、饱合烃的质谱图一、饱合烃的质谱图 alkanes第45页，共89页，编辑于2022年，星期一正癸烷正癸烷v分子离子：分子离子：C1(100%)，C10(6%)，C16(小小)，C45(0)v有有m/z：29，43，57，71，CnH2n+1 系列峰系列峰(断裂断裂)v有有m/z：27，41，55，69，CnH2n-1 系列峰系列峰 C2H5+（m/z=29）C2H3+（m/z=27）+H2v有有m/z：28，42，56，70，CnH2n系列峰系列峰(四圆环重排四圆环重排)第46页，共89页，编辑于2022年，星期一2.2.支链烷烃支链烷烃第47页，共89页，编辑于2022年，星期一3.3.环烷烃环烷烃第48页，共89页，编辑于2022年，星期一第49页，共89页，编辑于2022年，星期一第50页，共89页，编辑于2022年，星期一二、芳烃的质谱图二、芳烃的质谱图aromatic hydrocarbons第51页，共89页，编辑于2022年，星期一第52页，共89页，编辑于2022年，星期一三、醇和酚的质谱图三、醇和酚的质谱图alcohols and phenols第53页，共89页，编辑于2022年，星期一第54页，共89页，编辑于2022年，星期一第55页，共89页，编辑于2022年，星期一第56页，共89页，编辑于2022年，星期一第57页，共89页，编辑于2022年，星期一第58页，共89页，编辑于2022年，星期一第59页，共89页，编辑于2022年，星期一第60页，共89页，编辑于2022年，星期一第61页，共89页，编辑于2022年，星期一四、四、醚的质谱图醚的质谱图 ethers第62页，共89页，编辑于2022年，星期一五、五、醛、酮的质谱图醛、酮的质谱图 aldehydes and ketones第63页，共89页，编辑于2022年，星期一第64页，共89页，编辑于2022年，星期一第65页，共89页，编辑于2022年，星期一第66页，共89页，编辑于2022年，星期一六、六、其他化合物的质谱图其他化合物的质谱图 other compounds第67页，共89页，编辑于2022年，星期一第68页，共89页，编辑于2022年，星期一第69页，共89页，编辑于2022年，星期一第70页，共89页，编辑于2022年，星期一第71页，共89页，编辑于2022年，星期一结构未知（结构未知（C6H12O，酮），酮）解析：解析：1 100，分子离子峰，分子离子峰285，失去，失去CH3（15）的产物）的产物357,丰度最大丰度最大,稳定结构稳定结构 失去失去CO(28)后的产物后的产物第72页，共89页，编辑于2022年，星期一一、概述一、概述generalization二、二、GC-MS联用技术联用技术hyphenated technology of GC-MS三、三、LC-MS联用仪联用仪hyphenated technology of LC-MS第五节、色谱第五节、色谱-质谱联用仪质谱联用仪hyphenated methods of GC-MS第73页，共89页，编辑于2022年，星期一一、概述一、概述 generalization质谱：纯物质结构分析色谱：化合物分离色谱-质谱联用：共同优点GC-MS；LC-MS；CZE-MS（毛细管电泳-质谱）困难点：困难点：载气(或流动液)的分离；出峰时间监测；仪器小型化；关键点：接口技术(分子分离器)第74页，共89页，编辑于2022年，星期一二、二、GC-MS联用仪器联用仪器 hyphenated technology of GC-MSSampleSample 58901.0 DEG/MINHEWLETTPACKARDHEWLETTPACKARD5972AMass Selective DetectorDCBA ABCDGas Chromatograph(GC)Mass SpectrometerSeparationIdentificationBACDADBCMS第75页，共89页，编辑于2022年，星期一GC-MS中的分子分离器中的分子分离器 分子分离器类型：分子分离器类型：微孔玻璃式、半透膜式和喷射式三种。微孔玻璃式、半透膜式和喷射式三种。喷射式分子分离器：喷射式分子分离器：由一对同轴收缩型喷嘴构成，喷嘴被封在一真空室中，如图由一对同轴收缩型喷嘴构成，喷嘴被封在一真空室中，如图所示。可做成多级。所示。可做成多级。第76页，共89页，编辑于2022年，星期一四极杆质量分析器四极杆质量分析器（Quadrupole Mass Filter）+Electron BeamABCSample inIon Beam第77页，共89页，编辑于2022年，星期一仪器结构仪器结构色谱-四极杆质谱仪结构示意图第78页，共89页，编辑于2022年，星期一四极杆质量分离器四极杆质量分离器第79页，共89页，编辑于2022年，星期一仪器与结构仪器与结构第80页，共89页，编辑于2022年，星期一飞行时间质量分析器飞行时间质量分析器第81页，共89页，编辑于2022年，星期一三、三、LC-MS联用仪器联用仪器hyphenated technology of LC-MS1.1.大气压电离技术（大气压电离技术（APIAPI）（1）电喷雾电离（）电喷雾电离（API Electrospray）RayleighLimitReached+-+-+-+-Evaporation+Charged Droplets试样离子准分子离子Analyte Ions Solvent Ion ClustersSalts/Ion pairsNeutrals+-其他离子第82页，共89页，编辑于2022年，星期一Electrospray，API 电喷雾电离电喷雾电离流出液在高电场下形成带电喷雾，在电场力作用下穿过气帘；气帘的作用：雾化；蒸发溶剂；阻止中性溶剂分子第83页，共89页，编辑于2022年，星期一Electrospray，API 电喷雾电离电喷雾电离电喷雾产生多电荷离子，相对分子质量Mr计算：选相邻峰，电荷n，n+1m1=(Mr +n)/2m2=(Mr+n+1)/(n+1)计算结果如表。不适用于非极性化合物第84页，共89页，编辑于2022年，星期一（2）大气压化学电离（）大气压化学电离（APCI）热喷雾(100-120C)，化学电离;适用于热稳定化合物分析第85页，共89页，编辑于2022年，星期一大气压化学电离（大气压化学电离（APCI）Dielectric capillaryHigh wattage heaterHPLC inletCorona discharge needleVaporizerNebulizer gas+第86页，共89页，编辑于2022年，星期一2.2.离子阱质量分析器离子阱质量分析器 特定m/z离子在阱内一定轨道上稳定旋转，改变端电极电压，不同m/z离子飞出阱到达检测器；第87页，共89页，编辑于2022年，星期一3.LC-MS(离子阱离子阱)联用仪器结构示意图联用仪器结构示意图第88页，共89页，编辑于2022年，星期一4.LC-MS(四极杆四极杆)联用仪器结构示意图联用仪器结构示意图第89页，共89页，编辑于2022年，星期一