第十四章质谱法蒋.pptx

质谱分析法：是在高真空状态下将被测物质离子化，质谱分析法：是在高真空状态下将被测物质离子化，经电场或磁场作用后，按离子质荷比（经电场或磁场作用后，按离子质荷比（m/z）大小的）大小的不同进行分离分析的方法。分析对象主要是有机物。不同进行分离分析的方法。分析对象主要是有机物。质谱法具有分析速度快、灵敏度高、提供的信息直质谱法具有分析速度快、灵敏度高、提供的信息直接与其结构有关特点，与其它方法联用已成为最有接与其结构有关特点，与其它方法联用已成为最有力的快速鉴定复杂混合物组成的分析工具。力的快速鉴定复杂混合物组成的分析工具。一、质谱法基本原理一、质谱法基本原理首先将样品中的分子经离子源作用，电离生成分子首先将样品中的分子经离子源作用，电离生成分子 正离子或碎裂成碎片正离子，利用不同质量的离子正离子或碎裂成碎片正离子，利用不同质量的离子在电场或磁场中运动的轨迹不同，按其质量与所带在电场或磁场中运动的轨迹不同，按其质量与所带电荷的比值（质荷比，以电荷的比值（质荷比，以m/z表示）的差异得以相互表示）的差异得以相互分离，并记录其相应信号即为质谱图（分离，并记录其相应信号即为质谱图（MS）。）。1 1、质谱图组成：横坐标为分子离子或碎片离子的、质谱图组成：横坐标为分子离子或碎片离子的质荷比（质荷比（m/z）；纵坐标为离子的相对丰度。；纵坐标为离子的相对丰度。2 2、质谱图作用：、质谱图作用：根据质谱峰的质荷比测定化合物根据质谱峰的质荷比测定化合物分子量，推测分子式及结构式；根据峰强度进行定分子量，推测分子式及结构式；根据峰强度进行定量分析。量分析。棒式图棒式图二、二、质谱仪与质谱分析原理质谱仪与质谱分析原理进样系统进样系统离子源离子源质量分析器质量分析器检测器检测器1.气体扩散气体扩散2.直接进样直接进样3.气相色谱气相色谱1.电子轰击电子轰击2.化学电离化学电离3.场致电离场致电离4.激光激光 1.单聚焦单聚焦 2.双聚焦双聚焦 3.飞行时间飞行时间4.四极杆四极杆 质谱仪需要在高真空下工作：离子源（质谱仪需要在高真空下工作：离子源（10-3 10-5 Pa）质量分析器（质量分析器（10-6 Pa）(1)大量氧会烧坏离子源的灯丝；大量氧会烧坏离子源的灯丝；(2)用作加速离子的几千伏高压会引起放电；用作加速离子的几千伏高压会引起放电；(3)引起额外的离子分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化引起额外的离子分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化记录放大器记录放大器真空状态真空状态1、真空系统：由机械泵和分子泵组成真空系统：由机械泵和分子泵组成作用：作用：1)避免避免大量氧烧坏离子源的灯丝；大量氧烧坏离子源的灯丝；2)消减消减离子的不必要碰撞，避免离子损失；离子的不必要碰撞，避免离子损失；3)避免避免离子离子分子反应改变裂解模式，使质谱复杂化。分子反应改变裂解模式，使质谱复杂化。离子源离子源质量分析器质量分析器真空度要求：真空度要求：10-6 Pa2 2、进样系统、进样系统作用：作用：在不降低真空度的条件下，将样品分子引在不降低真空度的条件下，将样品分子引入到离子源中入到离子源中直接探针进样直接探针进样色谱进样系统色谱进样系统（接口进样）（接口进样）接口进样系统接口进样系统3、离子源离子源作用：作用：使被分析物质离子化（转化为带有样品信息使被分析物质离子化（转化为带有样品信息的离子），并具有一定能量。通常有两种方式：一的离子），并具有一定能量。通常有两种方式：一种是供试品在离子源中以气体的形式离子化；另一种是供试品在离子源中以气体的形式离子化；另一种是从固体表面或溶液中溅射出带电离子。种是从固体表面或溶液中溅射出带电离子。离子源的性能决定了离子化效率，决定了质谱仪的离子源的性能决定了离子化效率，决定了质谱仪的灵敏度，在很多情况下进样和离子化是同时进行的灵敏度，在很多情况下进样和离子化是同时进行的目前常用的离子源有目前常用的离子源有电子轰击源电子轰击源(EI)(EI)、化学电离源化学电离源（CICI）、快原子轰击源（）、快原子轰击源（FABFAB）等）等（1）电子轰击源电子轰击源(EI)：气化后的供试品分子：气化后的供试品分子进入离子化室后，受到灯丝发射并加速的电子进入离子化室后，受到灯丝发射并加速的电子流的轰击产生正离子（分子离子。轰击电子的流的轰击产生正离子（分子离子。轰击电子的能量大于供试品分子的电离能，供试品分子电能量大于供试品分子的电离能，供试品分子电离或碎裂（碎片离子）离或碎裂（碎片离子）灯丝灯丝电子束电子束EI源特点：能提供有机化合物最丰富的结构源特点：能提供有机化合物最丰富的结构信息，有较好的重现性，其裂解规律的研究信息，有较好的重现性，其裂解规律的研究也最完善，已建立了数万种化合物的标准图也最完善，已建立了数万种化合物的标准图谱库供检索。但不适用于谱库供检索。但不适用于难汽化和热稳定性难汽化和热稳定性差差的供试品的离子化（等不到分子离子，没的供试品的离子化（等不到分子离子，没法确定相对分子质量）法确定相对分子质量）（2）化学电离源（化学电离源（CICI）：引入一定压力的反）：引入一定压力的反应气进入离子化室，反应气在具有一定能量应气进入离子化室，反应气在具有一定能量的电子流的作用下电离或者裂解。生成的离的电子流的作用下电离或者裂解。生成的离子和反应气分子进一步反应或与供试品分子子和反应气分子进一步反应或与供试品分子发生离子发生离子-分子反应，通过质子交换使供试品分子反应，通过质子交换使供试品分子电离。常用的反应气由分子电离。常用的反应气由甲烷、异丁烷甲烷、异丁烷和和氨气氨气。化学电离通常得到准分子离子，如果。化学电离通常得到准分子离子，如果供试品分子的质子亲和势大于反应气的质子供试品分子的质子亲和势大于反应气的质子亲和势，则生成亲和势，则生成M+HM+H+，反之则生成，反之则生成M-HM-H-气体分子气体分子试样分子试样分子准分子离子准分子离子电子电子甲烷电离甲烷电离甲烷离子与甲烷分子反应生成加合离子甲烷离子与甲烷分子反应生成加合离子加合离子加合离子加合离子加合离子加合离子与样品分子反应加合离子与样品分子反应准分子离子准分子离子:(M 1)+(M+1)+(M-1)+气体分子气体分子试样分子试样分子准分子离子准分子离子电子电子采用采用CI源易测得分子量源易测得分子量准分子离子样品分子样品分子M=390COOC8H17COOC8H17准分子离子峰准分子离子峰CI源特点：准分子离子峰强度大，便于利用源特点：准分子离子峰强度大，便于利用该峰准确推断分子量。重现性差，碎片离子该峰准确推断分子量。重现性差，碎片离子少，样品结构信息少。少，样品结构信息少。CI源也不适用于源也不适用于难挥难挥发和热稳定性差发和热稳定性差的供试品的离子化的供试品的离子化（3）快原子轰击）快原子轰击源（源（FABFAB）：将供试品分散）：将供试品分散于基质（常用甘油等高沸点溶剂）中制成溶于基质（常用甘油等高沸点溶剂）中制成溶液，涂布于金属靶上送入液，涂布于金属靶上送入FABFAB离子源中。将经离子源中。将经强电场加速后的惰性气体中性原子束（如氩强电场加速后的惰性气体中性原子束（如氩或氙）对准靶上供试品轰击。基质中存在的或氙）对准靶上供试品轰击。基质中存在的缔合离子和经快原子轰击产生的供试品离子缔合离子和经快原子轰击产生的供试品离子一起被溅射进入气相，并在电场作用下进入一起被溅射进入气相，并在电场作用下进入质量分析器。质量分析器。4、质量分析器质量分析器质量分析器内主要是一电磁铁质量分析器内主要是一电磁铁作用：作用：可使具有不同质荷比的离子顺序可使具有不同质荷比的离子顺序到达检测器发生信号而得到质谱图。到达检测器发生信号而得到质谱图。5、检测器检测器以电子倍增器检测离子流。以电子倍增器检测离子流。电子倍增器电子倍增器示意图示意图（）（）质量范围质量范围质谱仪所能测定的离子质荷比范围质谱仪所能测定的离子质荷比范围 单电荷离子：质量范围即分子量范围单电荷离子：质量范围即分子量范围 多电荷离子：分子量测定范围比质量范围大。多电荷离子：分子量测定范围比质量范围大。第十四章质谱法第十四章质谱法一、质谱中的主要离子一、质谱中的主要离子二、裂解类型二、裂解类型第二节第二节 主要离子及裂解类型主要离子及裂解类型1 分子离子分子离子 分子离子的质量与化合物的分子量相等分子离子的质量与化合物的分子量相等一一、几种主要的离子、几种主要的离子(EI源源)分子离子分子离子同位素离子：同位素离子：2 同位素离子同位素离子由同位素组成的分子形成的离子由同位素组成的分子形成的离子例如：例如：CH413C+1H4=17 4=17 M+112C+2H+1H3=17 M+113C+2H+1H3=18 M+212C+1H4=164=16 M元素元素相对丰度相对丰度元素元素相对丰度相对丰度1H2H100.000.01514N15N100.000.3612C13C100.001.0816O17O18O100.000.040.20C、H、O、N的的稳定同位素相对丰度稳定同位素相对丰度化合物分子式：化合物分子式：CwHxNyOz同位素离子峰与分子离子峰相对强度同位素离子峰与分子离子峰相对强度的计算公式：的计算公式：根据质谱图上根据质谱图上同位素离子峰与分子离子峰的相对同位素离子峰与分子离子峰的相对强度，可以推测化合物的分子式强度，可以推测化合物的分子式(贝龙贝龙Beynon表表)。CH4:3 碎片离子碎片离子1)断裂断裂 含饱和杂原子含饱和杂原子带有电荷的官能团与相连的带有电荷的官能团与相连的碳原子之间的断裂碳原子之间的断裂 含不饱和杂原子含不饱和杂原子 烯烃烯烃(烯丙断裂烯丙断裂)烷基苯烷基苯(苄基断裂苄基断裂)2)断裂断裂碳原子和碳原子和碳原子之间的键的断裂碳原子之间的键的断裂3)断裂断裂较易发生较易发生4 重排离子重排离子麦氏重排麦氏重排5 亚稳离子亚稳离子离子源离子源亚稳离子亚稳离子m1m2m*m/e二二 常见有机化合物的质谱常见有机化合物的质谱（一）烃类（一）烃类正构烷烃：每隔正构烷烃：每隔14个质量单位出峰个质量单位出峰正癸烷质谱图正癸烷质谱图CnH2n+1离子系列离子系列支链烷烃：支链取代位置裂解支链烷烃：支链取代位置裂解3-乙基己烷质谱图乙基己烷质谱图29438571芳烃芳烃基峰基峰扩环扩环麦氏重排麦氏重排（二）醇和酚（二）醇和酚醇醇(M-18)+(M-1)+酚酚麦氏重排麦氏重排（三）醛和酮（三）醛和酮（四）酯和酸（四）酯和酸麦氏重排麦氏重排第十四章质谱法第十四章质谱法一、分子式确定一、分子式确定二、化合物结构鉴定二、化合物结构鉴定第三节第三节 质谱分析法质谱分析法1 分子量的确定分子量的确定 分子离子峰一般是质谱图中质荷比最大的峰分子离子峰一般是质谱图中质荷比最大的峰 分子离子峰应具有合理的质量丢失分子离子峰应具有合理的质量丢失不可能出现不可能出现(M-14)+及及(M-2025)+离子峰离子峰 质量数应符合氮规则质量数应符合氮规则氮原子个数氮原子个数 奇数：分子量为奇数奇数：分子量为奇数偶数：分子量为偶数偶数：分子量为偶数2 分子式的确定分子式的确定 高分辨质谱法高分辨质谱法 同位素丰度法同位素丰度法02:08:1802:08:18150M+1M+2 C7H10N4 C8H8NO2 C8H10N2O C8H12N3 C9H10O2 C9H12NO C9H14N29.259.239.619.989.9610.3410.710.380.780.610.450.840.680.52Beynon表表02:08:18解：解：1)质谱质谱M=150查查Beynon表，可知分子式为：表，可知分子式为：C9H10O23 分子结构的确定分子结构的确定1)谱图解释的一般方法谱图解释的一般方法由质谱的高质量端确定分子离子峰，求出分子量。由质谱的高质量端确定分子离子峰，求出分子量。采用高分辨质谱法或同位素丰度法，求出分子式。采用高分辨质谱法或同位素丰度法，求出分子式。计算不饱和度计算不饱和度研究高质量端离子峰研究高质量端离子峰,确定化合物中的取代基确定化合物中的取代基M15(CH3);M16(O,NH2);M17(OH,NH3);M18(H2O);M19(F);M26(C2H2);M27(HCN,C2H3);M28(CO,C2H4);M29(CHO,C2H5);M30(NO);M31(CH2OH,OCH3);M32(S,CH3OH)M35(Cl);M42(CH2CO,CH2N2)M43(CH3CO,C3H7);M44(CO2,CS2)研究低质量端离子峰，寻找化合物的特征离研究低质量端离子峰，寻找化合物的特征离子或特征离子系列，推测化合物类型。子或特征离子系列，推测化合物类型。由以上研究结果，提出化合物的结构单元或由以上研究结果，提出化合物的结构单元或可能的结构。可能的结构。验证所得结果。验证所得结果。质谱断裂规律；标准质谱图质谱断裂规律；标准质谱图 例例1：推测化合物推测化合物C8H8O2的结构。的结构。2)谱图分析举例谱图分析举例1.计算不饱和度计算不饱和度 =1+8+1/2(-8)=5 分子中可能有苯环、一个双键分子中可能有苯环、一个双键2.质谱中无质谱中无m/z为为91的峰，说明不的峰，说明不是烷基取代苯是烷基取代苯;C2H3O2可能的结构：可能的结构：(A)(B)(C)(D)(A)3.质谱验证质谱验证(B)105105(C)得不到得不到m/z为为105的碎的碎片离子，可排除。片离子，可排除。(D)或或(A)(B)4.结论结论C8H8O2的结构是的结构是第十四章质谱法第十四章质谱法一、解析程序一、解析程序二、解析实例二、解析实例第四节第四节 综合解析综合解析14-4 有机波谱综合解释有机波谱综合解释1.质谱质谱(MS)：确定分子量、分子式确定分子量、分子式4.红外光谱红外光谱(IR)：官能团类型官能团类型5.核磁共振氢谱核磁共振氢谱(1H-NMR)：质子类型质子类型(具具有哪些种类的含氢官能团有哪些种类的含氢官能团)；氢分布；氢分布(各种官能各种官能团中含氢的数目团中含氢的数目)；氢核间的关系；氢核间的关系3.紫外光谱紫外光谱(UV)：是否具有共轭基团，是否具有共轭基团，是芳香族还是脂肪族化合物。是芳香族还是脂肪族化合物。6.质谱质谱(MS)：验证所推测的未知物结构的验证所推测的未知物结构的正确性正确性2.计算不饱和度，推测化合物的大致类型计算不饱和度，推测化合物的大致类型例例2:某未知化合物的四谱数据如下，试推测某未知化合物的四谱数据如下，试推测其结构式。其结构式。max乙醇乙醇268 264 262 257 252 248 243max101 158 147 194 153 109 78 紫外光谱紫外光谱红外光谱红外光谱核磁共振核磁共振质谱质谱M+150M+1M+2 C7H10N4 C8H8NO2 C8H10N2O C8H12N3 C9H10O2 C9H12NO C9H14N29.259.239.619.989.9610.3410.710.380.780.610.450.840.680.52Beynon表表解：解：1)质谱质谱M=150查查Beynon表，可知分子式为：表，可知分子式为：C9H10O22)计算不饱和度计算不饱和度 =1+9+1/2(-10)=5 分子中可能有苯环、一个双键分子中可能有苯环、一个双键3)UV谱谱 指示有苯环指示有苯环4)IR谱谱 1745 cm-1 强：强：1225 cm-1 强：强：3100-3000 cm-1 弱弱 1600-1450 cm-1 两个弱带两个弱带749 cm-1 强强697 cm-1 强强单取代苯单取代苯5)1H-NMR谱谱 三类氢核，均为单峰，说明无自旋偶合作用三类氢核，均为单峰，说明无自旋偶合作用6)可能的结构可能的结构 C9H10O2(A)(B)(C)(D)7)验证验证(C)甲基与亚甲基化学位移与图甲基与亚甲基化学位移与图谱不符，排除。谱不符，排除。(D)甲基化学位移与图谱不符，甲基化学位移与图谱不符，且共轭体系应使且共轭体系应使C=O伸缩振伸缩振动峰向低波数方向移动，动峰向低波数方向移动，排排除。除。(B)质谱得不到质谱得不到m/z为为91的离子，排除的离子，排除(A)9143m/z108:重排峰重排峰，分子离子失去乙酰基，伴分子离子失去乙酰基，伴随重排一个氢原子生成的。随重排一个氢原子生成的。m/z91:苯环发生苯环发生断裂，形成离子产生的。断裂，形成离子产生的。m/z43:酯羰基酯羰基断裂，形成的断裂，形成的 离子离子产生的。产生的。四极杆质量分析器四极杆质量分析器（Quadrupole Mass Filter）+Electron BeamABCSample inIon Beam仪器结构仪器结构色谱-四极杆质谱仪结构示意图2 2.离子阱质量分析器离子阱质量分析器 特定m/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；3.LC-MS(离子阱离子阱)联用仪器结构示意图联用仪器结构示意图