第七章 质谱分析(Mass Spectrometry, MS).ppt

,质 谱 分 析,第七章 质谱分析,（,Mass Spectrometry,MS),质谱分析法采用高能粒子束使分子转变成气态离子，将分解出的,阳离子,加速导入质量分析器中，按质荷比（,m/z）,大小顺序进行收集和记录，即得到质谱图。,特点：,应用：,定性分析：,1.相对分子量测定。利用分子离子峰；,2.化学式确定,利用精确分子量,利用同位素离子峰的丰度,3.结构鉴定。碎片离子峰,定量分析：,7.1 基本原理,1、质谱分析基本原理,物质的分子被电离，生成的正离子在高压电场中加速导入磁场，在磁场中偏转，然后到达收集器，产生信号。强度与到达的离子数目成正比，所记录信息构成质谱。,mv,2,=,eV,V,电场电压,e,正离子电荷,磁场中：正离子轨道发生偏转,Hev,=m,v,2,/R,H-,磁场强度,电场中:正离子在获得动能,综上得：,m/e=H,2,R,2,/2V,或,-,磁场质谱计的基本方程,即不同的半径处，接收到相应的,m/e。,R,固定，连续改变,H,或,V,也可以分离,m/e.,m/e,正比,H,2,H,增大,m/e,增大.,m/e,正比1/,V,V,增大,m/e,减小.,由上式可以看出：,(,a)H,、V,固定时，不同的,m/e,的,R,不同。,质谱图,峰形,条形,相对丰度：,以质谱中最强的峰的高度为100%，然用最强峰高度去除其他高度，得到的百分数。用相对丰度表示各峰高度。,基峰：,最强的峰（相对丰度为100%）。,2、质谱的表示方法,横坐标为质荷比，纵坐标表示相对丰度。,7.2 质谱仪,7.2.1 质谱仪基本组成,质谱仪能产生离子，并将这离子按,m/e,比进行记录仪器。,质谱仪由五大部分:进样系统、离子源、质量分析器、检测记录系统、真空系统组成。,1、真空系统,质谱仪离子源、质量分析器、检测器必须处于高真空状态，若真空度过低，则：,大量氧会烧坏离子源灯丝；,本底增加，干扰质谱图；,引起额外离子一分子反应，改变裂解模型，质谱复杂化。,用作加速离子的几千伏高压会引起放电。,干扰离子源中电子束正常调节等。,一般质谱仪采用机械泵预抽真空，然后用扩散泵高效率连续抽气。,2、进样系统,作用：,高效重复地将样品引入到离子源，且不造成真空度的降低。,气体、沸点不高易挥发液体：,用微量注射器注入储样器，立即气化为蒸气分子，然后由于压力梯度由漏孔以分子形式渗入高真空离子源。-间歇式进样系统,高沸点液体、固体：,用探针杆直接进样-,直接探针进样系统。,如图：,目前采用较多的色一质联用，此时试样经色谱柱分离后，经分子分离器进入质谱仪-色谱进样系统。,3、离子源,作用：,将进样系统引入的气态样品分子转化成离子。,（1）电子轰击离子源,（,electron impact，EI）,.,有机化合物常选用7080,eV,，,有时为减少碎片离子峰简化质谱图，采用1020,eV,能量.,局限,：有机物中相对分子质量较大或极性大，难气化，热稳定性差的化合物，在加热和电子轰击下，分子易碎，难于给出完整分子离子信息。,（2）化学电离源（,chemical ionization）CI,通过分子离子反应使样品电离，因此化学电离源需用反应气体 ，常用反应气体有甲烷、,H,2,、N,2,、CO、NO,等。用高能量的电子轰击反应气体使之电离，电离后的反应分子再与试样分子碰撞发生分子离子反应。,例:反应气体,CH,4,为例,一级离子反应：,CH,4,+e,-,CH,4,+,+CH,3,+,+CH,2,+,+CH,+,+,C,+,+H,2,+,+H,+,+n e,-,二级离子反应:,CH,4,+,+CH,4,CH,5,+,+CH,3,CH,3,+,+CH,4,C,2,H,5,+,+H,2,三级离子反应：,C,2,H,5,+,+CH,4,C,3,H,7,+,+H,2,主要离子,CH,5,+，C,2,H,5,+,试样与上离子反应：,M+CH,5,+,MH,+,+CH,4,C,2,H,5,+,+M,MH,+,+,C,2,H,4,+,产生（,M+1）,峰,M+CH,5,+,(M-H),+,+CH,4,+,H,2,C,2,H,5,+,+M,(,M-H),+,+,C,2,H,6,产生（,M-1）,峰,复合反应：,M+CH,5,+,(M+CH,5,),+,M+17峰,C,2,H,5,+,+M,(,M+C,2,H,5,),+,M+29峰,在,CI,谱图中，,M+1,M-1,峰往往是最强峰或为基峰。,特点：谱图简单、灵敏高。碎片少，可提供的结构信息少。,适于相对分子质量高及不稳定化合物分析。,（3）场致电离源,（,field ionization FI）,FI,形成的离子主要是分子离子，碎片离子少，可提供信息少，常与电子轰击配合作用。,（4）场解析电离源,（,field,desorption,FD）,FD,中，样品溶在溶剂中，滴在场发射丝上，或将发射丝浸入溶液中，待溶剂挥发后，将场发射丝插入离子源，在强电场作用下，样品不经气化即被电离。,适用于不挥发和热不稳定化合物的相对分子质量的测定。,形成离子主要是分子离子，碎片离子少。,（5）快原子轰击离子源,（,FAB）fast atom bombardment,快原子,：惰性气体元素氩电离成,Ar,+,离子，经电场加速，使之具有很高的动能，然后通过一电荷交换室使高能氩离子中和成中性原子流。,特点,：有较强的分子离子峰，且有较丰富的,结,构信息。,适合,：高极性，大相对分子质量，热稳定性差的试样,4、质量分析器,作用：,将离子源中形成的离子按质荷比大小分开。,静态分析器：,采用稳定不变的电磁场，按空间位置把不同质荷比的离子分开。,动态分析器：,采用变化的磁场，按时间或空间来区分质量不同的离子。,（1）单聚焦质谱计的质量分析器,特点：,只能把质荷比相同而入射方向不同的离子聚焦。,（2）双聚焦质谱仪的质量分析器,离子在半径,R,的经向轨道中运动必要条件：,偏转产生离心力静电力,ZE=mv,2,/R R=mv,2,/ZE=(2/ZE),mv,2,静电分析器实现了,能量聚焦,。,具有相同动能离子，送入磁场分析器实行质量色散实现,方向聚焦,。,固定电场，动能相同的离子具有相同的,R。,（3）飞时间质谱计的质量分析仪,离子以速度,v,飞行长度为,L,的既无电场又无磁场的漂移空间，最后达到离子接收器,C，,所需时间为：,mv,2,=,zU,m/z=2Ut,2,/L,2,特点：,该质量分析器按时间实现质量分离，不需磁场又不需电场，只需直线洒移空间，分辩率大大提高。,扫描速度快，可用于研究快速反应及与色谱联用等。,不存在聚焦狭缝，灵敏度高。,（4）四极杆分析器,（5）离子阱,Ring Electrode,Endcap,Electrode,Endcap,Electrode,5、离子检测器,作用：,将从质量分析器出来的只有10,9,10,2,A,微小离子流加以接收放大以便记录，常用电子倍增管，照相底片等。,7.2.2 质谱仪类型,单聚焦质谱仪、双聚焦质谱仪，四极滤质器、离子井质谱计，飞行时间质谱计。,7.2.3质谱仪的主要性能指标,1、分辨率（,R）,仪器的分辨率,：两个刚好完全分开的相邻的质谱峰质量平均数与两者质量数之差的比值。,R=M/,M,M,为两相邻峰的质量平均数；,M,为两峰质量数之差。,2、质量测定范围,表示仪器能够分析的样品的原子量（或分子量）范围，常采用原子质量单位进行度量。,例:两峰质量数分别为500和501，则分开这两个质量峰时，分辨率应为多少？,R=(500+501)/2*(501-500),=500,3、灵敏度,绝对灵敏度：,仪器可以检测到最小样品量。,相对灵敏度：,仪器可以同时检测的大组分与小组分含量之比。,分析灵敏度：,输入仪器的样品量与仪器输出信号之比.,1、分子离子峰,分子离子（母离子）,：分子电离失去一个外层价电子而形成带正电荷的离子,分子离子峰（母离子峰）,：分子离子（母离子）在质谱中相应的峰。,M +e,M,+,+2e,分子离子峰特点,：一般位于质荷比最高位置；质量数即是化合物的相对分子质量。,7.3 离子的类型,分子离子峰判断,有机化合物,产生的分子离子足够稳定，质谱中位于质荷比最高位置的峰，就是分子离子峰.,但是因分子离子不稳定，给分子离子峰识别造成困难，可根据以下方法来辩认分子离子峰。,从化合物结构来判断分子离子 峰的强度,。,各类分子离子稳定性次序如下：芳香族共轭链烯脂环化合物烯烃直链烷烃硫醇酮胺酯醚酸支链烷烃 腈,伯醇叔醇缩醛。,氮规则,有机化合物常由,C、H、O、N、S,和卤素等原子组成，其相对分子质量应符合氮规则。,分子中含有偶数,N,原子或不含,N,原子时，其相对分子质量应为偶数。,分子中含有奇数,N,原子时，其相对分子质量应为奇数。,如不符上述规律，不是分子离子峰。,判断最高质量峰与其他碎片离子峰之间的质量差是否合理,。,以下质量差不可能出现：314、1925、37、38、50-53、65、66,若出现这些质量差，最高质量峰就不是分子离子峰。,根据断裂方式来判断分子离子峰,例：,醇,质谱图最高质量处有相差三个质量单位的两峰。,醚、酯、胺、酰胺等，,M+1,峰显著，醛醇等,M-1,峰显著。,2、同位素离子峰,组成有机化合物的一些主要元素,C、H、O、N、S、,Cl,、Br,等都具有同位素。,同位素离子峰,：分子离子峰是由丰度最大的轻同位素组成，用,M,表示，质谱图中，会出现由不同质量同位素组成的峰。例：分子离子峰右侧往往有,M+1、M+2,峰，即为同位素峰。,应用,：根据同位素峰的相对强度确定分子式。,（1）由,C、H、O、N,组成化合物,(,M+1)%=1.12n,c,+0.016n,H,+0.38n,N,+0.04n,o,(M+2)%=(1.1n,c,),2,/200+0.20n,o,n,c,n,H,n,N,n,o,分别表示分子式所含,C,H,N,O,原子数.,例:计算化合物,C,8,H,12,N,3,O,的,M+1,M+2,峰相对于,M,峰的强度?,解：(,M+1)%=1.12*8+0.016*12+0.38*3+0.04*1=10.31,(M+2)%=(1.1*8),2,/200+0.20*1=0.597,M:M+1:M+2=100:10.31:0.597,（2）,含,Cl,、Br、S、,Si,化合物,分子中含有以上四种元素之一时，各同位素相对强度比值等于(,a+b),n,展开后得到各次数值之比。,a:,轻同位素相对丰度，,b:,重同位素相对丰度,n:,分子中同位素原子的个数。,解：,n=3,35,Cl:,37,Cl=75.5:24.5=3:1,即,a=3,b=1,(a+b),3,=27+27+29+1,M:M+2:M+4:M+6=27:27:9:1,因此可根据同位素离子峰强度比可确定出化合物中含有这些元素个数。,例:计算化合物,CHCl,3,的,分子离子峰与其同位素离子峰的强度之比?,贝农表,：,Bcynon,按照天然同位素的相对丰度，计算由,C、H、O、N,组成质量从 12 500各种组成式（,M+1）:M,和（,M+2）：M,的值，排成一个表。利用此表求化合物的分子式。,例,：,某有机化合物的相对分子质量为102，在质谱图中测出,M、M+1、M+2,峰强度分别为1.5、0.084和0.009，试确定分子式?,解:,M+1/M=5.6%M+2/M=0.6%,由于,M+2/M,丁基时,M+,变得相当小，芳香羧酸酯,M+,较强。,与醛、酮、羧酸一样易发生,-,开裂。,麦氏重排,羧酸苄酯可经重排消去中性分子烯酮，生成,M-42,峰。,芳香酸酯主要开裂是开裂，失去烷氧基，再失去,CO，,形成,M/Z 77 C,6,H,5,+,离子。,苯甲酸酯邻位有含氢取代基时，易失去醇分子,7.5 质谱分析,1、程序,（1）,M+,区,确认,M+,峰，注意它对基峰的相对强度，从而判断化合物类型。,注意,M+,峰奇偶性，由氮规则推测分子中含,N,原子数。,由,M+1/M,及,M+2/M,大小，判断分子中是否有,CL、Br、S,元素，并推算分子式。,由分子式计算不饱和度。,（2）碎片离子,找出相对丰度较大的离子峰。,鉴定质量端丢失中性碎片的特征。例如,M-18，,表示失去-,H,2,O。,可能性有,OH,存在，该化合物为醇，中性碎片。,鉴定所有可能存在低质量端离子正列：,烷基系列峰：,m/z 29、43、57、71,等；,芳香族：,m/z 39、51、65、77,等。,由此可推断化合物的结构类型,注意有关特征离子存在,苯,m/z 77,醛,M-1,峰，醇,M-18,峰,找出亚稳离子，利用,m*=m,2,2,/m,1,确定,m,1，,m2,离子间关系判断开裂过程。,（3）列出部分结构单元,找出剩余结构,（4）组成可能结构式,并根据质谱及其它共谱数据肯定最合理的结构式,2.标准质谱图集和质谱计算机检索。,3.质谱解析实例,C,5,H,11,Br,的质谱图如下，写出该化合物裂解的合理解释,7.6 色谱质谱联用,