质谱分析方法ppt课件.ppt

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1、第十四章第十四章 质谱分析法质谱分析法与二次离子质谱分析法与二次离子质谱分析法第一节第一节 质谱分析法基础质谱分析法基础第二节第二节 质谱分析法的应用质谱分析法的应用第三节第三节 二次离子质谱分析法二次离子质谱分析法气体、液体或固体气体、液体或固体样品在进样样品在进样系统气化后进入电离室，受到系统气化后进入电离室，受到一定能量一定能量(8-100eV)的电子束的电子束轰击后发生电离，大多数的分轰击后发生电离，大多数的分子失去子失去一个电子一个电子产生带一个正产生带一个正电荷的分子离子。如果电子束电荷的分子离子。如果电子束能量较高，分子离子还可以进能量较高，分子离子还可以进一步裂解为碎片离子。一

2、步裂解为碎片离子。质谱原理质谱原理第一节第一节 质谱分析法基础质谱分析法基础外部能量外部能量按按m/em/e分离分离 分子离子分子离子AB+, ABC+, CD+, A+, B+, C+, D+ABCD+ABCD碎片离子碎片离子分子结构分子结构 离子离子真空系统真空系统进样系进样系统统检测器检测器数据系统数据系统质量分析质量分析器器离子源离子源大气压大气压质谱仪的基本结构质谱仪的基本结构分析方法分析方法 检测灵敏度（检测灵敏度（g）NMR10-310-5IR10-610-7GC10-610-13UV10-610-7MS10-1110-12 有机质谱是鉴定有机化合物结构的重要方法，有机质谱是鉴定

3、有机化合物结构的重要方法，它不仅能提供它不仅能提供分子量分子量，还可以通过测量精确质量，还可以通过测量精确质量确确定分子式定分子式。 2020世纪世纪8080年代以来，有机质谱分析技术获得迅年代以来，有机质谱分析技术获得迅速发展，相继发明了速发展，相继发明了快原子轰击快原子轰击FABFAB 、电喷雾电离电喷雾电离ESIESI和和基质辅助激光解吸电离基质辅助激光解吸电离MALDIMALDI等软电离技术，等软电离技术，使得质谱的应用扩大到生物大分子的研究领域。使得质谱的应用扩大到生物大分子的研究领域。 2002年诺贝尔化学奖获得者 库尔特维特里希（瑞士）Kurt Wuethrich, 1938 田

4、中耕一（日本）Koichi Tanaka，1959 约翰B芬恩John Fenn, 1917（美国）确定溶液中生物大分子三维结构的核磁共振技术 发明软激光解吸附作用技术对生物大分子进行质谱分析 发明电喷雾离子法ESI对生物大分子进行确认和结构分析 什么是质谱？什么是质谱？v质谱是质谱是按顺序记录各种质荷比按顺序记录各种质荷比（m/e或或m/z）离）离子子相对丰度相对丰度的谱图。的谱图。v质谱含有样品质谱含有样品分子或原子分子或原子的的质量质量信息。信息。v质谱图可以给出大量的结构信息，因此质谱图质谱图可以给出大量的结构信息，因此质谱图是化合物的一种是化合物的一种化学指纹图谱化学指纹图谱。质谱图

5、和质谱裂解表示法质谱图和质谱裂解表示法1、质谱图表示法、质谱图表示法 通过先选择图中通过先选择图中最最强强的峰，把它的强度的峰，把它的强度定为定为100%，这个峰称，这个峰称为为基峰基峰。其它离子峰。其它离子峰强度与基峰作强度与基峰作相对比相对比较，所得出的相对强较，所得出的相对强度，便称为丰度度，便称为丰度。以。以(m/e)和相对丰度和相对丰度作图作图便得到了通常的质谱便得到了通常的质谱图。图。2、质谱图的裂解表示法、质谱图的裂解表示法（1）正电荷表示法）正电荷表示法正电荷用“+”或“+”表示，分别对应离子含有偶数和奇数个电子。（2）判断原则）判断原则3、电子转移表示法、电子转移表示法（通常

6、在共价键或杂原子上有两种）（通常在共价键或杂原子上有两种）从共价键的电子转移来看有三种方式从共价键的电子转移来看有三种方式 在在 EI 质谱图中，除分子离子峰外，还有极丰富的碎片质谱图中，除分子离子峰外，还有极丰富的碎片离子，为进一步确定化合物的结构要详细分析离子，为进一步确定化合物的结构要详细分析碎片离子的碎片离子的形成过程，离子与碎片离子之间的相互关系（亲缘关系）形成过程，离子与碎片离子之间的相互关系（亲缘关系）及各种离子的丰度及各种离子的丰度。 双分子（或离子双分子（或离子分子）或其它碰撞反应不能发生）分子）或其它碰撞反应不能发生）。 在在 EI 条件下，由于多余的轰击能量的作用，形成的

7、分条件下，由于多余的轰击能量的作用，形成的分子离子子离子 M+ 将进行将进行单分子分解反应单分子分解反应，产生，产生一个或多个碎片一个或多个碎片离子离子，碎片离子再产生，碎片离子再产生二级碎片离子，全部离子就构成质二级碎片离子，全部离子就构成质谱图中的碎片离子。谱图中的碎片离子。三、碎片离子及其断裂规律三、碎片离子及其断裂规律1、含杂原子的官能团的、含杂原子的官能团的 -裂解裂解 由于羰基不成键电子的电离能小于由于羰基不成键电子的电离能小于电子及电子及电子的电电子的电离能，在生成分子离子时，是羰基的氧原子的不成键电子脱离能，在生成分子离子时，是羰基的氧原子的不成键电子脱掉：掉：接着，电子往缺少

8、电子的原子迁移而产生接着，电子往缺少电子的原子迁移而产生- -裂解裂解例1 正十一酸甲酯 对于一个未知物，假如在其质谱图中， 发现有 m/z 74 峰，那么，就可大胆地认为它便是一个甲酯类化合物，而且 位无任何取代基。2、产生稳定离子的开裂、产生稳定离子的开裂 在谱图上无分子离子。在谱图上无分子离子。有支链的饱和环烷烃，由于环稳定，最容易失去侧链。3、烷烃的开裂、烷烃的开裂烷烃生成烷烃生成C Cn nH H2n+12n+1的一系列奇质量的离子的一系列奇质量的离子烷烃容易脱离烷烃容易脱离CHCH2 2，图谱上出现一系列质荷比差，图谱上出现一系列质荷比差1414的峰。的峰。在烷、烯和一些芳烃中，常

9、会发生在烷、烯和一些芳烃中，常会发生RandomRandom重排。重排。4、脱离小分子的开裂、脱离小分子的开裂 5、经过、经过“六员环六员环”迁移状态的开裂（麦氏重排）迁移状态的开裂（麦氏重排）麦氏重排麦氏重排第二节第二节 质谱分析法的应用质谱分析法的应用一、分子离子和分子离子峰的判断一、分子离子和分子离子峰的判断：在 EI 条件下，与分子量相对应的峰称为分子离子峰， 用 M+ 表示。它是奇电子离子；用软电离方法，如 FAB、CI、MALDI 及 ESI（单电荷）条件下，与分子量 相对应的峰，称准分子离子峰，也称质子化分子，用 (MH)+表示。：带有未成对电子的分子离子或碎片离子称奇电子离子,

10、以 OE+ 表示。：外层电子完全成对的离子称为偶电子离子用 EE+ 表示。：质谱中相对强度最大的峰称为基峰，将它的强度规定为100 ， 其它峰的强度以它为基准，得到的百分比就是其它峰的相对强度。：丢失的中性碎片指分子离子与高质量数区域的一些 碎片峰的 m/e 的差值。中性碎片可以是中性分子或 者自由基。也就是说，分子离子可以丢失中性的自 由基形成偶电子离子，也可以丢失中性分子形成奇 电子离子。：如果化合物不含氮或含偶数个氮原子，则其分子离子的质量将是偶数如果化合物不含氮或含偶数个氮原子，则其分子离子的质量将是偶数。如果化合物含有奇数个氮原子，则其分子离子的质量将是奇数如果化合物含有奇数个氮原子

11、，则其分子离子的质量将是奇数。若含有偶数个氮原子的奇电子离子，其质量数必将是偶数；同理，含有 偶数个氮原子的偶电子离子，其质量数必将是奇数。1.1.分子离子峰的判断分子离子峰的判断用质谱法确定分子式，首先要正确判断分子离子峰。分子离子峰的必要条件是：如果具备了这三个条件，它可能是分子离子峰，但也可能不是；但如果这三条中任何一条不符合，它一定不是分子离子峰。所以说，这三条是必要条件，但不是充分条件。所谓丢失合理的中性碎片是指分子离子峰的质量数与其相邻的次一个峰质量数之差（即丢失的中性碎片的质量）不能在 4 13和 21 25 的范围内。应注意，在测定质谱时，如果离子源内样品压力较高时，有些化合物

12、，如酮、醛、胺、醚、酯、醇等有可能出现(M+1)+。因此，在确定分子离子峰时，要特别小心。最大质量数100，不含N（或含偶数N）；100 85 = 15，合理中性碎片。因此，m/e 100 可能是M+。2、分子离子峰的丰度和结构的关系、分子离子峰的丰度和结构的关系3、改变实验条件检验分子离子峰、改变实验条件检验分子离子峰分子离子峰如使用如使用CI产生产生MH+离子，以得到醇、长链胺、酯的分子离子峰。离子，以得到醇、长链胺、酯的分子离子峰。对胺基水杨酸的分子离子峰不易出现，变成甲酯后，分子离子峰就很明显。对胺基水杨酸的分子离子峰不易出现，变成甲酯后，分子离子峰就很明显。（4）采用直接进样法（适应

13、于分子量800或难挥发的化合物）。（5）降低样品气化温度。（防止化合物高温下开裂，使分子离子峰明显） 同位素的概念：同位素的概念：化学性质基本相同，而质量不同的化学性质基本相同，而质量不同的原子叫做同位素原子叫做同位素。除。除I、F、P外，所有元素都有天然同外，所有元素都有天然同位素。位素。 具有稳定同位素的化合物的质谱图有其明显的特征：具有稳定同位素的化合物的质谱图有其明显的特征：簇离子峰中簇离子峰中峰的数目峰的数目、相对强度正好相对强度正好与与同位素的个数、同位素的个数、相对丰度相对应相对丰度相对应。（可用来推测化合物的分子式）。（可用来推测化合物的分子式）二、利用质谱确定分子式二、利用质

14、谱确定分子式可分为同位素丰度法和高分辨质谱法两种。可分为同位素丰度法和高分辨质谱法两种。1 1、同位素丰度法、同位素丰度法有机质谱中常见元素的天然同位素丰度有机质谱中常见元素的天然同位素丰度100127I97.381Br10079Br32.037Cl10035Cl4.534S0.8033S10032S10031P3.430Si5.129Si10028Si10019F0.2018O0.0417O10016O0.3715N10014N1.113C10012C0.0122H1001H丰度丰度 %元素元素丰度丰度 %元素元素丰度丰度 %元素元素A+2A+1A元素类型元素类型AA+1A+1A+2AA+2

15、AA+2A+2A+2A1、判断只含、判断只含C、H、O、N的化合物的分子式的化合物的分子式对简单的烃类（只含对简单的烃类（只含C和和H）：）：C原子个数将M看做100对复杂的烃类（如对复杂的烃类（如 ） ：只含只含C、H、O、N的化合式可以查贝农表。的化合式可以查贝农表。根据各元素同位素的丰度比可推测到可能的分子式。根据各元素同位素的丰度比可推测到可能的分子式。13C的自然丰度为1.1% S、Cl、Br 的第二个同位素比丰度最大的同位素重的第二个同位素比丰度最大的同位素重2个个质量单位，而且重同位素的丰度很高，在质谱图中具有明质量单位，而且重同位素的丰度很高，在质谱图中具有明显的特征，可依此判

16、断这些元素的存在。显的特征，可依此判断这些元素的存在。2、确定分子中是否含、确定分子中是否含Cl、Br、S等杂原子等杂原子 氯在天然界存在两个同位素35Cl 和 37Cl。设35Cl 的天然丰度100%，37Cl的相对天然丰度为32.5%。如果含2个氯原子的离子，将按 100%：65%：10.6% 的比例产生3个峰，每个峰之间相差2u.1、含有、含有n个相同卤原子时，同位素的离子峰的相对丰度可个相同卤原子时，同位素的离子峰的相对丰度可用二项式用二项式(a+b)n展开式中各项之比来表示。展开式中各项之比来表示。式中式中a为较轻卤为较轻卤素同位素的自然丰度，素同位素的自然丰度，b为较重同位素的自然

17、丰度，为较重同位素的自然丰度，n为分为分子中卤素的原子数目。子中卤素的原子数目。例：计算例：计算CHCl3的分子离子簇相对丰度比的分子离子簇相对丰度比2、含有不同卤原子时（比如两种时），同位素离子峰的相对、含有不同卤原子时（比如两种时），同位素离子峰的相对丰度可用二项式丰度可用二项式(a+b)m(c+d)n展开式中各项之比来表示。展开式中各项之比来表示。式中式中a、b意义同前，意义同前，c、d为另一卤素的同位素相对丰度，为另一卤素的同位素相对丰度，m、n为分为分子中各卤素的原子数目。子中各卤素的原子数目。2. 高分辨质谱法高分辨质谱法依据：当以依据：当以12C=12.000 000为基准时，其

18、它原子的为基准时，其它原子的相对原相对原子质量严格讲不为整数子质量严格讲不为整数。利用高分辨质谱仪测定的。利用高分辨质谱仪测定的质量数质量数可准确到小数点后可准确到小数点后46位位，符合这种精度的分子式数目大，符合这种精度的分子式数目大大减少，结合其它信息并和计算机联用后，可对最合理的大减少，结合其它信息并和计算机联用后，可对最合理的分子式作出准确判断。分子式作出准确判断。【例】某化合物质谱分子离子区域强度分布如下，求它的分子式。解解 设分子式为CwHxNyOz计算 C 原子数目：w 10.351.1 9 分子量为奇数，至少含 1 个 N。(M+1)(1.1*9) +0.38y y 1 因此，N=1考察 (M+2)+，分析可能含的元素。不可能含Cl、Br、S、Si，只可 能含O，含几个O？ 首先扣除13C2 对 (M+2)+ 的贡献： 根据 (M+2)(1.1*9)2/200+0.20z z 1 因此，只能含一个O，所以此化合物分子式为 C9H11NO。M+149100(M+1)+15010.35(M+2)+1510.64