质谱基本原理课件.ppt
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1、关于质谱基本原理现在学习的是第1页,共22页12.7质谱的基本原理质谱的基本原理质谱:就是将样品转化为运动的气态离子碎片,并磁场中按质荷比质谱:就是将样品转化为运动的气态离子碎片,并磁场中按质荷比(m/z)大小进行分离记录的分析方法。大小进行分离记录的分析方法。质谱与其它分析方法相比,有以下特点:质谱与其它分析方法相比,有以下特点:(1)质谱法几乎是唯一能够确定有机化合物分子式的方法。低分辨率的质质谱法几乎是唯一能够确定有机化合物分子式的方法。低分辨率的质谱仪可以测定分子量,高分辨率的质谱仪不仅可以得准确的分子量谱仪可以测定分子量,高分辨率的质谱仪不仅可以得准确的分子量(准确准确到小数点后到小
2、数点后3-4位位),而且还可以确定分子式。,而且还可以确定分子式。(2)质谱分析法灵敏度高,试样通常只需微克级,就可得到一张很好质谱分析法灵敏度高,试样通常只需微克级,就可得到一张很好的谱图,检出限量可达的谱图,检出限量可达10-14 g。(3)此外,质谱法还能根据各类化合物分子离子断裂成碎片的规律,提此外,质谱法还能根据各类化合物分子离子断裂成碎片的规律,提供丰富的分子碎片信息,用于结构分析。供丰富的分子碎片信息,用于结构分析。尤其是近年来,计算机在质谱上的应用,质谱与其它分析方法的联尤其是近年来,计算机在质谱上的应用,质谱与其它分析方法的联用,如气相色谱质谱联用、液相色谱质谱联用、质谱质谱
3、联用,如气相色谱质谱联用、液相色谱质谱联用、质谱质谱联用等技术的发展,使得质谱的应用更为广泛,作用更为重要。使它用等技术的发展,使得质谱的应用更为广泛,作用更为重要。使它在生命科学、环境科学、药物检测等领域中已成为必不可少的手段。在生命科学、环境科学、药物检测等领域中已成为必不可少的手段。现在学习的是第2页,共22页一、质谱仪一、质谱仪化合物的质谱是由质谱仪测得的。一般质谱仪由以下几个部分组成:化合物的质谱是由质谱仪测得的。一般质谱仪由以下几个部分组成:最简单的质谱仪为单聚焦最简单的质谱仪为单聚焦(磁偏转磁偏转)质谱仪。它的结构如下图。质谱仪。它的结构如下图。现在学习的是第3页,共22页整个系
4、统是高真空的,气体样品从进样口整个系统是高真空的,气体样品从进样口a进入离解室,样品分子被一束高进入离解室,样品分子被一束高能量的电子撞击,结果使样品分子发生各种反应。首先是样品分子中的一能量的电子撞击,结果使样品分子发生各种反应。首先是样品分子中的一个电子被击出,形成带正电荷的自由基分子离子。以甲烷为例:个电子被击出,形成带正电荷的自由基分子离子。以甲烷为例:该分子离子可继续反应形成碎片离子,碎片离子可进一步分裂成新的碎片离该分子离子可继续反应形成碎片离子,碎片离子可进一步分裂成新的碎片离子。这样,一个化合物在离子室中可以产生若干个质荷比不同的离子,如甲子。这样,一个化合物在离子室中可以产生
5、若干个质荷比不同的离子,如甲烷:烷:这些离子进入一个具有几千伏电压的加速区这些离子进入一个具有几千伏电压的加速区c,加速后通过狭缝,加速后通过狭缝d进入磁进入磁场场f。质量为。质量为m的离子经电场加速后获得的动能来源于加速电场的势的离子经电场加速后获得的动能来源于加速电场的势能,即:能,即:zV=m 2/2而在磁场中,离子运动方向发生而在磁场中,离子运动方向发生改变,进行圆周运动。这时,改变,进行圆周运动。这时,只有磁场施加给离子的向心只有磁场施加给离子的向心力力(Hz)与离子的离心与离子的离心力力(m 2/r)相等,才能达到相等,才能达到分析器的出口,被检测到。分析器的出口,被检测到。现在学
6、习的是第4页,共22页合并上述两式,消去速度合并上述两式,消去速度,可得到公式:,可得到公式:这是质谱的基本方程。这是质谱的基本方程。m/z称为质荷比,由公式可知,当仪器的加速电称为质荷比,由公式可知,当仪器的加速电压压(V)和磁场强度和磁场强度(H)一定时,只有半径为一定时,只有半径为r的离子才能达到分析器的出的离子才能达到分析器的出口,被检测器检测出来。口,被检测器检测出来。反过来,如果固定加速电压反过来,如果固定加速电压V和离子运动半径和离子运动半径r,对磁场进行扫描,由,对磁场进行扫描,由于于m/z与与H2成正比,当成正比,当H由小到大改变时,不同质荷比的离子就会由小由小到大改变时,不
7、同质荷比的离子就会由小到大,依次穿过狭缝到大,依次穿过狭缝q,被检测器,被检测器i依次接收,从而得到所有依次接收,从而得到所有m/z离子的离子的质谱图。质谱图。二、质谱图二、质谱图一般的质谱图用棒状图表示,其横坐标为不同离子的一般的质谱图用棒状图表示,其横坐标为不同离子的m/z,纵坐标为各,纵坐标为各峰的相对强度。左图为甲烷峰的相对强度。左图为甲烷的质谱图,在不同的的质谱图,在不同的m/z处,有强度处,有强度不同的峰,最高的峰称为基峰,把不同的峰,最高的峰称为基峰,把它的强度定为它的强度定为100,其它峰高相对于,其它峰高相对于它的百分数为各峰的相对强度。峰的它的百分数为各峰的相对强度。峰的相
8、对强度表示不同质荷比离子的相对含量。相对强度表示不同质荷比离子的相对含量。现在学习的是第5页,共22页在上图中,在上图中,m/z16的基峰为甲烷打掉一个电子生成的分子离子峰,的基峰为甲烷打掉一个电子生成的分子离子峰,常用常用M+表示。甲烷的分子离子较稳定,所以它的强度最大,可作为基峰。表示。甲烷的分子离子较稳定,所以它的强度最大,可作为基峰。但是,在很多有机化合物的质谱中,分子离子峰并不一定是最强峰但是,在很多有机化合物的质谱中,分子离子峰并不一定是最强峰(基峰基峰)。现在学习的是第6页,共22页12.8 相对分子质量和分子式的确定相对分子质量和分子式的确定一、分子离子和相对分子质量一、分子离
9、子和相对分子质量分子失去一个电子生成的自由基分子正离子叫做分子离子。因它只分子失去一个电子生成的自由基分子正离子叫做分子离子。因它只带一个正电荷,质荷比带一个正电荷,质荷比(m/z)在数值上与分子的质量相同,因此,在质谱在数值上与分子的质量相同,因此,在质谱中,找到分子离子峰就可确定相对分子质量。这是质谱的重要应用之一。它中,找到分子离子峰就可确定相对分子质量。这是质谱的重要应用之一。它比用其它方法,如冰点降低、沸点升高法测定相对分子质量简单得多。比用其它方法,如冰点降低、沸点升高法测定相对分子质量简单得多。分子离子峰一般是质谱图中质荷比最大的峰。但多数情况下其右侧还分子离子峰一般是质谱图中质
10、荷比最大的峰。但多数情况下其右侧还伴随有弱的同位素峰和反应离子峰。有些化合物的分子离子比较稳定,伴随有弱的同位素峰和反应离子峰。有些化合物的分子离子比较稳定,峰的强度较大,在质谱图谱上容易找到;但有些化合物的分子离子不峰的强度较大,在质谱图谱上容易找到;但有些化合物的分子离子不够稳定,容易生成碎片,此时,这些分子离子峰很弱或几乎找不到够稳定,容易生成碎片,此时,这些分子离子峰很弱或几乎找不到(如如带支链的烷烃、醇类等带支链的烷烃、醇类等)。这时,可采用降低质谱仪撞击电子流的能量的方。这时,可采用降低质谱仪撞击电子流的能量的方法,或以其它经验方法来确定分子离子峰。法,或以其它经验方法来确定分子离
11、子峰。现在学习的是第7页,共22页二、分子式的确定二、分子式的确定确定了相对分子量,并不能写出分子式,因为多种分子可能具有相同的分子确定了相对分子量,并不能写出分子式,因为多种分子可能具有相同的分子量。那么,如何确定分子式呢?常用的有两种方法。量。那么,如何确定分子式呢?常用的有两种方法。1.高分辨率质谱法测定分子式高分辨率质谱法测定分子式利用高分辨率质谱仪测定分子式的依据是,当规定利用高分辨率质谱仪测定分子式的依据是,当规定12C的原子质量为的原子质量为12.000 000时,其它各元素的原子质量严格地讲都不是整数。如:时,其它各元素的原子质量严格地讲都不是整数。如:1H:1.007 825
12、,16O:45.994 914,14N:14.003 050。因此,即便是有的化合物。因此,即便是有的化合物分子在整数部分是相同的,但其在小数部分绝对不会相同。分子在整数部分是相同的,但其在小数部分绝对不会相同。因此,只要能足够精确地测出分子量,就能推断出分子式。现代高分辨率质因此,只要能足够精确地测出分子量,就能推断出分子式。现代高分辨率质谱已能精确到万分之一,误差仅为谱已能精确到万分之一,误差仅为0.006。能够符合这一精度的,可能。能够符合这一精度的,可能的分子式数目已经很少了。若再配合其它信息,就可从这少数的几的分子式数目已经很少了。若再配合其它信息,就可从这少数的几个分子式中推断出合
13、理的分子式。个分子式中推断出合理的分子式。例如:用高分辨率质谱仪测得试样例如:用高分辨率质谱仪测得试样M.+为为150.1045,该化合物在,该化合物在IR光光谱中有明显的羰基吸收峰,求其分子式。谱中有明显的羰基吸收峰,求其分子式。解:若质谱仪的误差是解:若质谱仪的误差是0.006,那么分子量小数部分的范围是:,那么分子量小数部分的范围是:0.09850.1105,查贝农表,质量整数为,查贝农表,质量整数为150,小数部分在这一范围的可能分子,小数部分在这一范围的可能分子式有式有4个。个。现在学习的是第8页,共22页(1)C3H12N5O2,150.099093 (2)C5H14N2O3,15
14、0.100435(3)C8H12N3,150.103117 (4)C10H14O,150.104459首先,根据首先,根据N规律,排除规律,排除(1)和和(3)。所谓所谓N规律是指:当有机分子的分子量为偶数时,该分子中不含规律是指:当有机分子的分子量为偶数时,该分子中不含N或含偶或含偶数个数个N;当分子量为奇数时,分子中必含有奇数个;当分子量为奇数时,分子中必含有奇数个N原子。原子。再计算再计算(2)和和(4)的不饱和度。的不饱和度。UN(2)510.5(14-2)0UN(4)1010.5(14)4由题义可知,分子中有一个羰基,说明只少有一个不饱和度。而由题义可知,分子中有一个羰基,说明只少有
15、一个不饱和度。而(2)的不的不饱和度为饱和度为0,也不合理。因此,只有,也不合理。因此,只有(4)才是可能的分子式。才是可能的分子式。2.同位素丰度法推断分子式同位素丰度法推断分子式在自然界中,组成有机化合物的各种元素按其同位素特征可分为三类:在自然界中,组成有机化合物的各种元素按其同位素特征可分为三类:A类元素:不含同位素的元素,如类元素:不含同位素的元素,如I、F、P等,氢的同位素等,氢的同位素D含量很少含量很少(0.016%),常可以忽略不计,也归为,常可以忽略不计,也归为A类元素。类元素。A1类元素:类元素:C、N的同位素比普通的多一个中子,质量数多的同位素比普通的多一个中子,质量数多
16、1,称为,称为A1类元素。类元素。A2类元素:类元素:O、S、Si、Br除了含质量数多除了含质量数多2的同位素外,的同位素外,现在学习的是第9页,共22页O、S、Si还含有质量数多还含有质量数多1的同位素。这些同位素在自然界中的相对丰度的同位素。这些同位素在自然界中的相对丰度都是是已知的。详见表都是是已知的。详见表12-3。因此,我们可以根据同位素的丰度和质谱图中同位素峰的相对强度来推断分因此,我们可以根据同位素的丰度和质谱图中同位素峰的相对强度来推断分子式。子式。在质谱图中,同位素离子峰的强度取决于三个因素:在质谱图中,同位素离子峰的强度取决于三个因素:(1)分子式,即分子由什么元素组成。分
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