第二十章 质谱分析法.pdf

第二十章质谱分析第一节基本原理与质谱仪 分子质量精确测定与化合 物结构分析的重要工具；第一台质谱仪：1912年；早期应用：原子质量、同 位素相对丰度等；40年代：高分辨率质谱仪出现，有机化合物结构分析；60年代末：色谱-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；同位素质谱仪；无机质谱仪；有机质谱仪；2022年3月25日星期五JXAU、质谱仪与质谱分析原理1.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1.2.3.4.间焦焦时杆 聚聚行极 单双飞四质谱仪需要在高真空下工作：离子源（10-3i（）-5pa）质量分析器（10-6 Pa）（1）大量氧会烧坏离子源的灯丝；用作加速离子的几千伏高压会引起放电；引起额外的离子一分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。2022年3月25日星期五原理与结构仪器原理图/电离室原理与结构2022年3月25日星期五EI源的特点：电离效率高,灵敏度高；应用最广，标准质谱图基本都是采用EI源得到的；稳定，操作方便，电子流强度可精密控制；结构简单，控温方便；EI源：可变的离子化能量（10240eV）电子能量J 电子能量个分子离子增加 口碎片离子增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（常用70eV）o2022年3月25日星期五(2)化学电离源(CI):离子室内的反应气(甲烷等；10100Pa,样品的103105倍)，电子(100240eV)轰击，产生离子，再与试样分离碰撞，产生准分子离子。最强峰为准分子离子;谱图简单；不适用难挥发试样;Q气体分子Q试样分子0准分子离子 o电子(M+l)+;(M+17)+;(M+29)+2022年3月25日星期五(3)快速原子轰击源(FAB)(4)电喷雾电离源(ESI)2022年3月25日星期五在磁场存在下，带电离子按曲线轨迹飞行；离心力=向心力；mu2/R=HzV曲率半径：R=(2V)/(m/e)1/2/H质谱方程式：m/z=(H2R2)/2V离子在磁场中的轨道半径R取决于：m/z.H、V 改变加速电压匕可以使不同机的离子进入检测器。质谱分辨率=M/AM(分辨率与选定分子质量有关)2022年3月25日星期五单聚焦磁场分析器2022年3月25日星期五双聚焦分析器方向聚焦：相同质荷比，入 射方向不同的离子会 聚；能量聚焦：相同质荷比，速 度（能量）不同的离子 会聚；质量相同，能量不同的离子通过电场和磁场时，均产生能 量色散；两种作用大小相等，方向相反时互补实现双聚焦；2022年3月25日星期五其他类型质量分析器双聚焦质谱仪体积大；色谱-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：四极杆质量分析器 飞行时间质量分析器 离子阱质量分析器体积小，操作简单;分辨率中等；2022年3月25日星期五3.检测器(1)电子倍增管一 一(2)渠道式电子倍增器阵列ill000 io。00000000 0 0 0 0 0 0 0 Q 00000000 1 卷。00。0 於iN2022年3月25日星期五第二节离子峰的主要类型一、分子离子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。有机化合物分子离子 峰的稳定性顺序：芳香化合物共朝链烯 烯崎脂环化合物谈基 化合物直链烷烧 酯胺 醇支链烷烧.JXAU2022年3月25日星期五1.分子离子峰的特点一般质谱图上 质荷比最大的峰为 分子离子峰；有例 外，由稳定性判断。形成分子离子 需要的能量最低，一般约10电子伏特。相口对 强 度2。8 4。A“7。a 8 18 ROSi(CH3)3RCOOH CH2N2-rcooch32022年3月25日星期五4.分子离子峰强度与结构的关系+M(RA)M=130M=130C3C CC4c7cho c6cooh c8nh2c8ohC7C110010020620.50.50.10.1C4-OC4 ONH2C5COOC1M.(RA)100908 210.50.12022年3月25日星期五二、同位素离子峰（附1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；有时还可以观察到的2,后3。；例如：CH4216 12C+1HX4=16 M 闿+唱乂4=17 加1 12C+2H+1HX3=17 Ml13C+2H+】HX3=18 2分子离子峰同位素峰lHD Ki2022年3月25日星期五三、碎片离子峰一般有机化合物的电离能为713电子伏特，质谱中常用 的电离电压为70电子伏特，使结构裂解，产生各种“碎片”离 子。正 己 烷57 H3C CH2-CH2-Cl-I CH2-CH343 H3CCH2-CH2 CH2-CH2-CH329 H3C-Ch-CH2-CH2-CH2-CH315 CH3ch2-ch2-ch2-ch2-CH32022年3月25日星期五碎片离子峰+ch3+H3c-CH2 H3C-CH-CH3+H3C-C-CH3m/z2022年3月25日星期五0碎片离子峰Commonly Lost Fragmentsm-15*CH3m-17-OHm-26 CNm-28 H2C=CH2m-29 CH2cH3-CHOm-31 bOCH3m35-Clm43 CH3C=Om45 OCH2cH3m-91Common Stable Ions+me=43 CH3-C=O2022年3月25日星期五碎片离子峰C2H5c282951 66125C2H5105711401271421081102产 C2H5B r8193 o5“79；产 0昌 15Pl5851 77 I II2022年3月25日星期五碎片离子峰574329 Ji ih30 40 50 60+H3C CH2cH2cH2+H3Cc玛c坨71M=86+86 M70 80 90 H3CC CH3 57CH3+A H3C C HC 坨 432022年3月25日星期五第三节有机分子裂解类型一、有机分子的裂解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）：ABCD+e f ABCD+2e 分子离子ABCD-B+A+-A+B+-AB +CDD，+C+-C+D+J碎 片 离 子2022年3月25日星期五正 己 烷A J B-T7115 29 43 57 71+-1 i|H3Cy CH2r CH2-CH2y CH2-r CH3VT 57_ 43_ 29 T5h3cch2-ch2-ch2-chJ ch357 H3c CH2-CH2-Chii CH2-CH343 H3CCH2-CHt CH2-CH2-CH329 H3C-CH CHz-C-C-CHa15 CHt CHs-CH2-CH2-CH2-CH32022年3月25日星期五三、。一断裂.1+B-AZ-+RCH2 0H+RCH20R+R-CH2NR2+RCH2SR，1+f A=Z+*B+A CH2=0H+R+.A CH2=0R+R+.,CH2=NR 寸 R+._ CH2=SR+R2022年3月25日星期五a-断裂十 BA=Z-十RCR-O3044 ill_ lL20 30 40 50+A=Z +B十，CR=O+RCH3(CH2)9CH2NH2M=15770 80 90 100 mlz2022年3月25日星期五I+I+C=OH H3C-CH2-CH2-C=OHCH3 H3C-CH2-CH2C=OH m/z=73(M-15)CH3m/z=45(M-43)m/z=87(M-l)45(M-43)55M-(H2O+CH3)70(M-H2O)73(M-CH3)e 88(M).Ll,_,M-l|I I I I I I I I20 30 40 50 60 70 80 90 m/za一断裂丢失最 大煌基的可能性最大丢失最大燃基原则2022年3月25日星期五8h3c-h2ccch2-ch2-ch3 6h2 cH2 cH3/-H3C H2dm/z=57(75%)0/N m/z=71(48%)H3C-H2CC CH2-CH2-CH32022年3月25日星期五Commonly Lost Fragmentsm-15m-17m-26m-28m-29m-31m-35m-43m-M5m-91ch3OHCNH2c=CHCH2CH3OCH3ClCH3C=0OCH2cH3M/zM/eCommon Stable Ions十皿z=43 CHj-Cm。CHO2022年3月25日星期五Bech3ch2hc=o-ch2-ch3CH3 m/z=73ch3+h3ch2chc-o=ch2m/z=87 ch32022年3月25日星期五B开裂H2C=C HkC H2-R-R-A+h2c-c h=c h2|十一.R +?4 R-H e-C H=C H2R-H C=C HC H2-R-R-H C=C hhC H2 YCHrFi fVcH,m/z=91/NU 扩环1 革基离子m/z=39 m/z=65 7M fHOHCY-2022年3月25日星期五四、重排断裂麦氏重排条件:含有C=0,C=N,C=S及碳碳双键*与双键相连的链上有丫碳，并在/碳有H原子（丫氢）*六圆环过度，H y转移到杂原子上，同时/键发生 断裂，生成一个中性分子和一个自由基阳离子R4、/HKCH ZCHZ&R3/CH、r24+十ZHIHe，HY Rir22022年3月25日星期五c+分子碎片重排后再次裂解:ch3重排良 断裂+CHCH2 /41 CH?重排+CH CH3A|57 CH2-CH3+/CL以 292022年3月25日星期五:II-H3cH2cH2CiC-rCH2-CH2-CH2-CH32022年3月25日星期五2022年3月25日星期五2022年3月25日星期五第四节质谱图与结构解析、饱合燃的质谱图1.直链烷煌43m/zalkanes1615methane M=16m/z2022年3月25日星期五294357X7烷 癸 正8599hn1342m/z0-|一)-|一 一 一 一一 Jooiooo o o O W 9 8 7 6 5 4 3 14山d w s q s L0%2010m/z=43 C3 C4 m/z=57n-Hexadecane C5 m/z=71CH3(CH2)14CH3MW 226m/z=85C6,IIIl l i99 m/z=226c7 113 127 141 155 169 183 197 cI Cg C9 C10 C11 C12 c13 c14ll III.Il ll ll I I I0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130140150160 17020230:分子离子：Cx(100%),C10(6%),C16(小)，C45(0):有m/z：29,43,57,71,:有m/z：27,41,55,69,C2H5+(m/z=29)一:有m/z：28,42,56,70,CnH2n+1系列峰(。断裂)CnH2n l系列峰C2H3+(m/z=27)+H2QH2n系列峰（四圆环重排）2022年3月25日星期五_ _ _ _)001000 o o oiooo 09876 5 4 3 2 1上山d山sqm2.支链烷烧m/z=43C3m/z=57C4m/z=71 C55-Methylpentadecane169 141ch3(ch2)3ch-(CH2)9CH3m/z=85m/z=9957ch3：8510 20 30 40 50 60 70C7 113/%时I|1 I 1 I 1 J 1100 110 120 130140C12MM-J5 C162022年3月25日星期五3.环烷烧0-i o 1-oooo ooo o 9876 543 2 山 d 山 s I I|r|I I T|i r i I I l 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110m/z=98 m/z=83+回2022年3月25日星期五CH3-|：H3c-CH-CCH2-CHgch2ch3m/z=55 CH3，H3C-100y 90-岳80-lu 7014山d 山 S 4 3 L。2022年3月25日星期五m/z=134|C4HgCH2CHRHH、m/z=77o+m/z=512022年3月25日星期五三、醇和酚的质谱图2022年3月25日星期五-h2oh2c=ch2h2c=ch-r1：M-(Alkene+H2O)M-46-H2C=C-CH3-h2oh2c=ch-r1：M-60+ch2 eH2 IIcCHM-762022年3月25日星期五尸-一 100-9080706050403020100山d山理8 n-0%+ch20H 1-PenTanol MW88M-(H2O and CH2=CH2):CH3(CH2)3-CH2OHM-(H2O and CH3)31M H2O10 20 30 40 50 60 70 80 90 1001101201301401502022年3月25日星期五K-Ox)Qkk Kwhw c Q 幻 Q 幻100-9080706050403020100上4山 dwsqm45chf=ch2)M-(H20 and10 20 30 40 502-PenTanol MW88CH3(CH2)2：HLfCH3Loh45M-(H20 and CH3)M-H2O/m-ch3/r m-1.I.M ,III,I 1 I60 70 80 90 1001101201301401502022年3月25日星期五2-Methyl-2-butanol MW88_ _ QQ-QQQQQM仙 o59CH3CH2M-(H2O andCH2=CH2),IL 1 I I I I I I 1i 9H3 cch3LohM-CH3 59M-(H2O and CH3)10 20 30 40 50 60 70 80 90 1001101201301401502022年3月25日星期五CH2OH+OHm/z=108m/z=79m/z=107+m/z=772022年3月25日星期五2022年3月25日星期五4-2022年3月25日星期五尸 卜-尸二 O 100-9080706050403020100 4山d 山L0%o-Ethylphenol122(M)m-h2o+C6H5M-CH3+Me+10 20 30 40 50 60 70 80 90 1001101201301401502022年3月25日星期五Q 心 c)幻 Q 幻100-90-80706050403020100M v w d 山S 4 8 n-0%、醒的质谱图+h3c-c=oh45+CH3cH229Ethyl seo butyl etherMW 102M-CH3CH2 二？.29573 1020 30 40 5073+:：H.一CH3-CH2 邙寸。十 CH2：CH3ch3；M-DH3 gy号 7 102 M2to 70 l o bo Jo o Jio iso l ao ho-l so872022年3月25日星期五.-Jooiooo 00 0100 109876 54 3 21 xvwd wsvmU.O五、醛、酮的质谱图0+C6H5+CEOp-Chl o ro benzo pheno ne+ci-Q-c=o+Cl216(M)100.0217(M+1)19.28218(M+2)33.99219(M+3)6.21220(M+4)0.98M/M+1+2UVI LM+3 H/l+40 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120130140 150 160 170180190 200 210 220 2302022年3月25日星期五-Dooooo ooo o o K987654321 工 山 d 山 S 4 SLL。K-Oq Qkk:0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1002022年3月25日星期五K-Oq Qkk:4：WOWOOOOOMOO 09876 543 21M 缶 d 山 s 8LL.0。一。2 u o70CH3(CH2)7CHOMW 142M-44 f M-43IVI-IVI-III V2:o I 9 ro 1 8100 110 120 130 140 1502022年3月25日星期五Ch3(CH2)4Co+(small)99CH3(CH2)Z 71-CH；(CH)357:CH3(CH2)2 43CH3CH2 29CH5CH+738759(small)ch2co2h+(CH2)2CO2rt 52)382。2022年3月25日星期五100-9080706050403020100 lLlJd Lo%六、其他化合物的质谱图?H 74 H2(fCxOCH3+o Koch 3,59+Methyl octanoate CH3(CH2)6COOCH39158(M)159(M+1)CH2cH20cH3 160(M+2)87Ji i i 1|1rn10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120130140150160Figure 2.14.Methyl Oc atano ateM2022年3月25日星期五K-Oq Qkk:4：)oo(ooo 000500 109876 54 3 21 x v w d 山s q s Lo%40 oCH3-CHN-CH2-CH2-CH2-CH3CH3 ch3 4429 Lh8658dll1 I114129(M+1)10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 1402022年3月25日星期五)00000 ooo o o 109 8 7 6 5 4 3 2 1 X V 山 d 山 s I 1 I r 70 80 90 100 1102022年3月25日星期五H3C-CH2-NH84.-一-!)00(000 000:00。109 8 7 6 5 4 3 2 1!4山 d 山 S 4 gLL.0K-Ox)Qkk Kwhw c Q 幻 Q 2022年3月25日星期五82 M*80 90 1002022年3月25日星期五结构未知(C6Hl20，酮)相对丰度%57c+57解析:1.100,分子离子峰2.85,失去C%(15)的产物100853.57,丰度最大，稳定结构60 80 100m/z重排邑+CH C12 断裂,4?c失去CO(28)后的产物-CH32022年3月25日星期五第五节色谱-质谱联用仪一、概述质谱：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：载气（或流动液）的分离；出峰时间监测；仪器小型化；43关键点：接口技术（分子分离器）2022年3月25日星期五二、GC-MS联用仪器iSampleo o 品 3噌 雷 但Gas Chromatograph(GC)BMass Spectrometer，A ZD LiDA 1.B、仆/D,ALaSampleSeparationIdentification2022年3月25日星期五GC-MS中的分子分离器分子分离器类型：微孔玻璃式、半透膜式和喷射式三种。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 图所示。可做成多级。-=;-o，干7挎伊谱-接质谱辅?:频出Ao O O o#QII 接真空泵试样分子。载气分子2022年3月25日星期五四极杆质量分析器Electron Beam+镀金的金属陶疣四极杆B2022年3月25日星期五仪器结构色谱-四极杆质谱仪结构示意图2022年3月25日星期五四极杆质量分离器Tkl-电压扫描匚二|L频率扫描口2022年3月25日星期五镀金的金属陶鹰四极杆2022年3月25日星期五2022年3月25日星期五三、LC-MS联用仪器1.大气压电离技术(API)(1)电喷雾电离(API Electrospray)Charged Droplets-Analyte IonsSolvent Ion ClustersSalts/lon pairsEvaporationNeutralsRayleigh Limit Reached准分子离子其他离子试样离子2022年3月25日星期五电喷雾电离API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；阻止中性溶剂分子一 一 2022年3月25日星期五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+1 mRMr+)/2m2=(Mr+n+1)/(n+1)质荷比电荷数相对分子质量(m/z)(n)(Mr)1 542.041116 951.401 413.591216 950.951 304.931316 950.941 211.801416 951.111 131.121516 951.621 060.461616 951.26998.111716 950.67942.751816 951.30893.151916 950.71848.572016 951.25808.212116 951.14771.92216 950.72平均16 951.09标准偏差S 10.30计算结果如 表。不适用于非 极性化合物m/z2022年3月25日星期五（2）大气压化学电离（APCI）热喷雾（100-120。0,化学电离；适用于热稳定化合物分析2022年3月25日星期五大气压化学电离（APCI）Corona discharge needle2022年3月25日星期五2.离子阱质量分析器特定力/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；离子阱的结构示意图I.离子束注入2.离子闸门3,4.端电极5.环形电极6.至电子倍增器7.双曲线2022年3月25日星期五3.LC-MS（离子阱）联用仪器结构示意图2022年3月25日星期五2022年3月25日星期五