14-质谱分析方法剖析优秀PPT.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其次节其次节 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、液体或固体样品在进样气体、液体或固体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，受到确定能量确定能量(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，大多数的分子失去一个电子产生带一个正子失去一个电子产生带一个正电荷的分子离子。假如电子束电荷的分子离子。假如电子束能量较高，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 样品分子样品分子样品分子样品分子离子离子离子离子（分子离子，碎片离子）（分子离子，碎片离子）（分子离子，碎片离子）（分子离子，碎片离子）电离过程电离过程电离过程电离过程 离子源离子源离子源离子源 离子离子离子离子质谱质谱质谱质谱质量分离过程质量分离过程质量分离过程质量分离过程 质量分析器质量分析器质量分析器质量分析器外部能量外部能量按按m/em/e分离分离 分子离子分子离子碎片离子碎片离子一般意义的质谱一般意义的质谱一般意义的质谱一般意义的质谱EIMSEIMSEIMSEIMS标准谱库是标准谱库是标准谱库是标准谱库是7

3、0eV70eV70eV70eV电子轰击下产生的电子轰击下产生的电子轰击下产生的电子轰击下产生的EIMSEIMSEIMSEIMS谱谱谱谱分子结构分子结构 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质谱是重要的分析，应用相当广泛，其特点可以概括为：质谱是重要的分析，应用相当广泛，其特点可以概括为：质谱是重要的分析，应用相当广泛，其特点可以概括为：质谱是重要的分析，应用相当广泛，其特点可以概括为：S Sensitivity ensitivity（灵敏，样品可为（灵敏，样品可为（灵敏，样品可为（灵敏，

4、样品可为pg-mgpg-mg）S Speed peed（快速）（快速）（快速）（快速）S Specificity pecificity（特性识别）（特性识别）（特性识别）（特性识别）S Stoichiometrytoichiometry （化学计量）（化学计量）（化学计量）（化学计量）质谱法与其他主要分析方法灵敏度的比较质谱法与其他主要分析方法灵敏度的比较质谱法与其他主要分析方法灵敏度的比较质谱法与其他主要分析方法灵敏度的比较分析方法分析方法 检测灵敏度（灵敏度（g）NMR10-310-5IR10-610-7GC10-610-13UV10-610-7MS10-1110-121.1.快速（几分钟

5、完成一次测试）；快速（几分钟完成一次测试）；快速（几分钟完成一次测试）；快速（几分钟完成一次测试）；2.2.直观性好：供应分子量信息、结构信息（碎片直观性好：供应分子量信息、结构信息（碎片直观性好：供应分子量信息、结构信息（碎片直观性好：供应分子量信息、结构信息（碎片 离离离离子）；高辨别质谱可以供应元素组成子）；高辨别质谱可以供应元素组成子）；高辨别质谱可以供应元素组成子）；高辨别质谱可以供应元素组成(分子式分子式分子式分子式)；3.3.适用性广：气体、液体、固体；混合物可以通过色谱适用性广：气体、液体、固体；混合物可以通过色谱适用性广：气体、液体、固体；混合物可以通过色谱适用性广：气体、液

6、体、固体；混合物可以通过色谱 /质谱联用功能及串联质谱功能分别鉴定；质谱联用功能及串联质谱功能分别鉴定；质谱联用功能及串联质谱功能分别鉴定；质谱联用功能及串联质谱功能分别鉴定；4.4.应用范围宽：分析化学的各个领域；应用范围宽：分析化学的各个领域；应用范围宽：分析化学的各个领域；应用范围宽：分析化学的各个领域；5.5.可以有效地与多种色谱技术联用，如可以有效地与多种色谱技术联用，如可以有效地与多种色谱技术联用，如可以有效地与多种色谱技术联用，如 GC/MS,LC/MS,GC/MS,LC/MS,CE/MSCE/MS等；自身的串联等；自身的串联等；自身的串联等；自身的串联 MSn MSn 6.6.

7、破坏性分析：需汽化、电离；破坏性分析：需汽化、电离；破坏性分析：需汽化、电离；破坏性分析：需汽化、电离；7.7.仪器较昂贵、困难。仪器较昂贵、困难。仪器较昂贵、困难。仪器较昂贵、困难。有机质谱是鉴定有机化合物结构的重要方法，它不仅能供应分子量，还可以通过测量精确质量确定分子式。20世纪80年头以来，有机质谱分析技术获得快速发展，相继独创了快原子轰击FAB、电喷雾电离ESI和基质帮助激光解吸电离MALDI等软电离技术，使得质谱的应用扩大到生物大分子的探讨领域。2002年诺贝尔化学奖获得者 库尔特维特里希（瑞士）Kurt Wuethrich,1938 田中耕一（日本）Koichi Tanaka，1

8、959 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 独创软激光解吸附作用技术MALDI对生物大分子进行质谱分析 独创电喷雾离子法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？质谱是按依次记录各种质荷比（质谱是按依次记录各种质荷比（m/e或或m/z）离子）离子相对丰度的谱图。相对丰度的谱图。质谱含有样品分子或原子的质量信息。质谱含有样品分子或原子的质量信息。质谱图可以给出大量的结构信息，因此质谱图是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化学指纹图谱。化合物的一种化学指纹图谱。质谱图和质谱裂解表示法质谱图和质谱裂解表示法

9、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）推断原则）推断原则3、电子转移表示法、电子转移表示法（通常在共价键或杂原子上有两种）（通常在共价

10、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 EI 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具体分析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）及各种离子的丰度。质谱反应属单分子反应（高真空使双分子（或离子分子）或其它碰撞反应不能发生）。在 EI 条件下，由于多余的轰击能量的作用，形成的分子离子 M+将进行单分子分解反应，产生一个或多个碎片离子，碎片离子再产生二级碎片离子，全部离子就构成质谱图中的碎片离子。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

11、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，发觉有 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，最简洁失去侧链。3、烷烃的开裂、烷烃的开裂烷烃生成

12、烷烃生成CnH2n+1CnH2n+1的一系列奇质量的离子的一系列奇质量的离子烷烃简洁脱离烷烃简洁脱离CH2CH2，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）麦氏重排麦氏重排其次节其次节 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推断一、分子离子和分子离子峰的推断分子离子分子离子分子离子分子离子：在 EI 条件下，与分子量相对应的峰称为分

13、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。奇电子离子奇电子离子奇电子离子奇电子离子：带有未成对电子的分子离子或碎片离子称奇电子离子,以 OE+表示。偶电子离子偶电子离子偶电子离子偶电子离子：外层电子完全成对的离子称为偶电子离子用 EE+表示。基峰基峰基峰基峰：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。中性碎片的丢失中性碎片的丢失中性碎片的丢失中性碎片的丢失：丢失的中性碎片指分子离子与

14、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。氮规则（或称氮规则（或称氮规则（或称氮规则（或称 N N 律）：律）：律）：律）：假如化合物不含氮或含偶数个氮原子，则其分子离子的质量假如化合物不含氮或含偶数个氮原子，则其分子离子的质量假如化合物不含氮或含偶数个氮原子，则其分子离子的质量假如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。将是偶数。将是偶数。将是偶数。假如化合物含有奇数个氮原子，则其分子离子的质量将是奇假如化合物含有奇数个氮原子，则其分子离子的质

15、量将是奇假如化合物含有奇数个氮原子，则其分子离子的质量将是奇假如化合物含有奇数个氮原子，则其分子离子的质量将是奇数。数。数。数。这个规则不仅适用于分子离子，而且也适用于全部离子。这个规则不仅适用于分子离子，而且也适用于全部离子。这个规则不仅适用于分子离子，而且也适用于全部离子。这个规则不仅适用于分子离子，而且也适用于全部离子。因此，氮律也可概括如下：因此，氮律也可概括如下：因此，氮律也可概括如下：因此，氮律也可概括如下：若含有偶数个氮原子的奇电子离子，其质量数必将是偶数；若含有偶数个氮原子的奇电子离子，其质量数必将是偶数；若含有偶数个氮原子的奇电子离子，其质量数必将是偶数；若含有偶数个氮原子的

16、奇电子离子，其质量数必将是偶数；同理，含有同理，含有同理，含有同理，含有 偶数个氮原子的偶电子离子，其质量数必将是奇数。偶数个氮原子的偶电子离子，其质量数必将是奇数。偶数个氮原子的偶电子离子，其质量数必将是奇数。偶数个氮原子的偶电子离子，其质量数必将是奇数。1.1.分子离子峰的推断分子离子峰的推断用质谱法确定分子式，首先要正确推断分子离子峰。分用质谱法确定分子式，首先要正确推断分子离子峰。分子离子峰的必要条件是：子离子峰的必要条件是：必需是奇电子离子，当然也必需符合必需是奇电子离子，当然也必需符合N N规则。规则。必需是谱图中除同位素以外的最高质量的离子。必需是谱图中除同位素以外的最高质量的离

17、子。必需能够通过丢失合理的中性碎片，产生谱图中高质量区的必需能够通过丢失合理的中性碎片，产生谱图中高质量区的重要离子。重要离子。假如具备了这三个条件，它可能是分子离子峰，但也可假如具备了这三个条件，它可能是分子离子峰，但也可能不是；但假如这三条中任何一条不符合，它确定不是能不是；但假如这三条中任何一条不符合，它确定不是分子离子峰。所以说，这三条是必要条件，但不是充分分子离子峰。所以说，这三条是必要条件，但不是充分条件。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。应留意，在测定质谱时，假如离子源

18、内样品压力较高时，有些化合物，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，要特殊当心。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、变更试验条件检验分子离子峰、变更试验条件检验分子离子峰分子离子峰如运用如运用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。（

19、4）接受干脆进样法（适应于分子量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：化学性质基本相同，而质量不同的原子叫做同位素。除I、F、P外，全部元素都有自然同位素。具有稳定同位素的化合物的质谱图有其明显的特征：簇离子峰中峰的数目、相对强度正好与同位素的个数、相对丰度相对应。（可用来推想化合物的分子式）二、利用质谱确定分子式二、利用质谱确定分子式可分为同位素丰度法和高辨别质谱法两种。可分为同位素丰度法和高辨别质谱法两种。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100127I9

20、7.381Br10079Br32.037Cl10035Cl4.534S0.8033S10032S10031P3.430Si5.129Si10028Si10019F0.2018O0.0417O10016O0.3715N10014N1.113C10012C0.0122H1001H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+2AA+2A+2A+2A1、推断只含、推断只含C、H、O、N的化合物的分子式的化合物的分子式对简洁的烃类（只含对简洁的烃类（只含C和和H）：）：C原子个数将M看做100对困难的烃类（如对困难的烃类（如 ）：只含只含

21、C、H、O、N的化合式可以查贝农表。的化合式可以查贝农表。依据各元素同位素的丰度比可推想到可能的分子式。依据各元素同位素的丰度比可推想到可能的分子式。13C的自然丰度为1.1%S、Cl、Br 的其次个同位素比丰度最大的同位素重2个质量单位，而且重同位素的丰度很高，在质谱图中具有明显的特征，可依此推断这些元素的存在。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 氯在自然界存在两个同位素35Cl 和 37Cl。设35Cl 的自然丰度100%，37Cl的相对自然丰度为32.5%。假如含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

22、、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绽开式中各项之比来表示。式中绽开式中各项之比来表示。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绽开式中各项之比来表示。式中绽开

23、式中各项之比来表示。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为为分子中各卤素的原子数目。分子中各卤素的原子数目。2.高辨别质谱法高辨别质谱法依据：当以依据：当以12C=12.000 000为基准时，其它原子的相对原为基准时，其它原子的相对原子质量严格讲不为整数。利用高辨别质谱仪测定的质量数子质量严格讲不为整数。利用高辨别质谱仪测定的质量数可精确到小数点后可精确到小数点后46位，符合这种精度的分子式数目大位，符合这种精度的分子式数目大大削减，结合其它信息并和计算机联用后，可对最合理的大削减，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精确推断。分子式作出精确推断。【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 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。不行能含Cl、Br、S、Si，只可 能含O，含几个O？首先扣除13C2 对(M+2)+的贡献：依据 (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