质谱法MassSpetrometry (MS)_83页.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 质谱法,Mass,Spetrometry,(MS),概述,分子质量精确测定与化合物结构分析的重要工具,质谱仪的发展史,1911,年,:,世界第一台质谱装置（,J.J.Thomson,）,早期应用：原子质量、同位素相对丰度等,40,年代,:,用于同位素测定和无机元素分析,50,年代：开始有机物分析（分析石油）,60,年代：研究,GC-MS,联用技术,70,年代：计算机引入,80,年代：新的质谱技术出现：快原子轰击电离子源，基质辅助激光解吸电离源，电喷雾电离源，大气压化学电离源；,LC-MS,联用仪，感应耦合等离子体质谱仪，付立叶变换质谱仪等。,目前质谱分析法已广泛地应用于化学、化工、材料、环境、地质、能源、药物、刑侦、生命科学、运动医学等各个领域。,特点,：,质谱不属波谱范围,质谱图与电磁波的波长和分子内某种物理量,的改变无关,质谱是分子离子及碎片离子的质量与其相对 强度的谱,谱图与分子结构有关,质谱法进样量少,灵敏度高,分析速度快,质谱是唯一可以给出分子量,确定分子式的方法,而分子式的确定,对化合物的结构鉴定是至关重要。,一、,定义：,使待测的样品分子气化，用具有一定能量的电子束（或具有一定能量的快速原子）轰击气态分子，使气态分子失去一个电子而成为带正电的分子离子。分子离子还可能进一步断裂成各种碎片离子，所有的正离子在电场和磁场的综合作用下按质荷比（,m/z,）,大小依次,收集和记录就得到质,谱图。,5-1,质谱法的基本知识,二、质谱仪,质谱计主要由真空系统、进样系统、离子源、质量分,析器、检测器、记录系统等六大部分组成,离子源是样品分子电离成正离子的装置，质量分析器是正离子按不同质荷比进行分离的装置，是质谱仪的核心部分，各种质谱仪最重要的区别就在于离子源和质量分析器,试样,经汽化经进样系统,离子源,产生正离子同时被加速,质量分析器,按不同质荷比进行,检测器,得到离子信号,质谱,质量分析器有：,1.,单聚焦,2.,双聚焦,3.,飞行时间,4.,四极杆,质谱仪需要在,高真空,下工作：离子源（,10,-4,10,-5,Pa,）,质量分析器（,10,-6,Pa,）,以,50-100eV,能量的电子流轰击试样,试样在离子源中被 离子化的方法有,1.,电子轰击（,EI,）,2.,化学电离（,CI,）,场致离（,FI,）和场解吸（,FD,）,4.,快原子轰击（,FAB,）,5.,电喷雾电离（,ESI,）,三、质谱的基本原理,1,、进样,化合物通过汽化引入离子源；,.,2,、离子源,在离子源中，试样分子被一束加速电子碰撞（能量约,70eV,），,撞击使分子电离形成正离子；,式中,M,为待测分子，,M,+,为分子离子或母体离子,3,、离子也可因撞击强烈而形成碎片离子,：,4,、正电荷离子被加速电压加速，产生一定的速度,v,，,加速后其动能和位能相等，即：,.,（,1,）,5,、当被加速的离子进入质量分析器时，磁场再对离子进行作用（与其飞行方向垂直），使每个离子做弧形运动。其半径决定于各离子的质量和所带电荷的比值,m/z,。,此时由离子动能产生的离心力,(,mv,2,/R,),与由磁场产生的向心力,(,Bzv,),相等：,其中：,R,为弧形半径,B,为磁场强度,由此式得：,(2),代入(1)式得：,（质谱基本方程）,注意：,若加速电压,V,和磁场强度,B,一定，不同,m/z,的离子，,R,不同的离子在质量分析器中被分开，一般重离子弧形半径,R,大，轻离子,R,小,若,R一定，改变,V,和,B,R,，,V,一定，改变,B,，为磁场扫描法，当,B,又小到大变化时，先收集到（分离出）的是轻离子,R,，,B,一定，改变,V,，为电场扫描法，,当,V,由小到大变化时，先收集到的是重离子,质谱图由横坐标、纵坐标和棒线组成,。,横坐标标明离子质荷比（,m,/,z,）,的数值，,纵坐标标明各峰的相对强度，棒线代表质荷比的离子。因多电荷离子比较少，质谱的横坐标就是离子的质量，峰的相对强弱表示该离子的数量多少，图谱中最强的一个峰称为基峰，将它的强度定为,100,。,丁酮的质谱图,四、质谱图的组成,五、质谱中离子的主要类型,1.,分子离子,分子被电子束轰击失去一个电子形成的离子称为 分子离子,。,分子离子用,M,表示。,在质谱图上，与,分子离子相对应的峰为分子离子峰或母峰。,。,特点：,1,）分子离子峰的质荷比就是化合物的相对分子质量，所以，用质谱法可测分子量。,2,）分子离子峰一般位于质谱图的最右端（除同位素峰外）,有机化合物分子离子峰的稳定性顺序：,芳香化合物共轭链烯烯烃脂环化合物直链烷烃酮胺,酯醚酸支链烷烃醇,2.,碎片离子,一般有机化合物的电离能为,13,电子伏特，质谱中常用的电离电压为,70,电子伏特，使分子离子的化学键进一步断裂，产生质量数较低的各种,“,碎片,”,离子，在质谱图上出现相应的峰，称为碎片离子峰。位于分子离子峰的左侧,正己烷,碎片离子峰,正癸烷,3.,同位素离子,组成有机化合物的多数元素都具有天然同位素，如,C,、,H,、,O,、,N,、,S,、,Cl,、,Br,等，因此，在质谱中除了最轻同位素所形成的峰以外，还会现一个或多个重同位素形成的、等，这些峰成为同位素离子峰,最轻同位素天然丰度最大,分子离子峰,M,+,同位素,离子峰 ,M+1,或,M+2,峰,一些同位素的自然丰度,常见同位素及其丰度,元素最大丰度同位素 其他同位素,12,C 100,13,C 1.08,H,1,H 100,2,H 0.02,N,14,N 100,15,N 0.37,O,16,O 100,17,O 0.04,18,O 0.20,S,32,S 100,33S 0.78,34,S 4.4,Cl,35,Cl 100,37,Cl 32.5,Br,79,Br 100,81,Br 97.3,分子离子峰和同位素离子峰的相对强度是可以估算的：,同位素峰,M+!,的强度（丰度,）,同位素离子峰,M+2,的强度（丰度）,不同种类的同位素，其同位素峰强度的求法各不相同，如下,分别介绍：,（,1,）对于含,C,、,H,、,O,、,N,、,S,的化合物，,其分子式表示成,CwHxNyOzSq,，,M+1,同位素峰相对于分子离子峰,M,的强度：,M+2,同位素峰相对于分子离子峰,M,的强度：,例如,C,8,H,12,N,3,O,，同位素离子峰,M+1,、,M+2,的相对强度,M,：,M+1,：,M+2=100,：,10.03,：,0.594,（,2,）对于含有,Cl,、,Br,的化合物,，可用（,a+b),n,展开式,各项比来估计分子离子峰和同位素离子峰的相对强度；其中：,a,为轻同位素丰度，,b,为重同位素丰度，,n,为卤原子数目。,含,Cl,原子,含一个,Cl,原子,n=1,a,:,b,=100,:,32.5=3:1,所以,（,a+b),1,=3+1,M:M+2=3:1,b.,含两个,Cl,原子,n=2,所以,（,a+b),2,=(3+1),2,=9+6+1,M,：,M+2,：,M+4=9:6:1,含,Br,原子,a.,含一个,Br,原子,n=1,a:b,=100:97.3=1:1,所以,（,a+b),1,=1+1,M,：,M+2=1:1,b.,a.,含两个,Br,原子,n=2,所以,（,a+b),2,=1+2+1,M,：,M+2,：,M+4=1:2:1,c.,若含,3,个,Br,原子,n=3,M,：,M+2,：,M+4,：,M+6=1,：,3,：,3,：,1,(a+b),n,3:1,9:6:1,27:27:9:1,(1+1),(1+1),2,(1+1),3,(1+1),4,81,Br/,79,Br=97.9:100,1,:1,1:1,1:2:1,1:3:3:1,1:4:6:4:1,(a)2-,氯丙烷,M,+,78,M+2 80,(M+2)/M,1:3,(b)2-,溴丁烷,M,+,136,M+2 138,(M+2)/M,1:1,4.,亚稳离子,在离子源中产生的离子绝大多数能稳定的到达检测器，而有些,不稳定离子，在从离子源抵达检测器途中会发生裂解质谱仪无法,检测到这种中途裂解的离子。,一般，离子从离子源到达检测器的时间为,10,5,s,数量级，,若离子,M,1,质量,m,1,离子寿命,10,5,s,，足以到达检测器,测的其本身,m,1,/z,当离子寿命,10,5,s,，,测的是,m,2,/z,在质谱解析中，,m,*,可提供母离子和子离子之间的关系,。,10,-6,s,离子寿命,m/z,99,m/z,113,2.,不饱和脂肪烃,链状烯烃产生,M,具有,C,n,H,2n+1,+,、,C,n,H,2n,+,和,C,n,H,2n-1,+,系列峰,烯烃可以发生麦氏重排,易发生烯丙断裂，生成很强的烯丙离子,3.,醇、醚、胺,(1),醇,1,）,分子离子峰均很弱,2,）易在电流的轰击下失水，形成脱水峰,M-18,很强常为基峰,3,）似麦氏重排：失去烯、水；,M,18,28,的峰。,4,）小分子醇出现,M,1,的峰,5,）,易发生,a,断裂，产生,C,n,H,2n+1,O,+,特征峰,仲醇,伯醇：,叔醇,醇的碎片离子峰为,m/z,31+14n,1,）分子离子峰很弱；往往不出现。,2,）主要裂解方式为,断裂和经过四元环过渡态的氢重排。,3,）出现,30,、,44,、,58,、,72,系列,30,14 n,的含氮特征碎 片离子峰。,（,2,）胺,当,RC,2,发生,H,重排，指,-H,转移到杂原子上，,a,键断裂,(3),醚,1,）分子离子峰弱,2,）,裂解，再进行,H,生成系列,C,n,H,2n+1,O,的含氧碎片峰,31+14n,（,31,、,45,、,59,）,3,）,裂解，生成一系列,C,n,H,2n+1,碎片离子。（,29,、,43,、,57,、,71,）,断裂,4.,醛、酮类化合物,1,）,分子离子峰一般较强,。,2,）主要发生,a-,断裂，优先丢失大基团，产生酰基阳离子。,3,）当有常,r-H,时常,发生麦氏重排4,）对于醛常出现,M-1,、,M-29,的碎片峰，,M-43,和,M-44,是常见峰,5,）醛与酮区别是醛能发生脱水反应，生成,M-18,峰,重排离子峰,44+14n,当有,r-H,时，发生麦氏重排,5.,羧酸、酯、酰胺,a.,发生,a,断裂,b.,化合物有,r-H,时，易发生麦氏重排,重排离子峰,44+14n,其中,x-OH,、,OR,、,NH,2,NHR,、,NR,2,1,）羧酸,a,断裂产生,m/z45,的离子峰，,CO,+,麦氏重排：,2,）酯,a,断裂产生酰基阳离子,m/z,43,、,57,、,71,、,系列峰,麦氏重排,:,系列峰,60+14n,m/z,60,系列峰为,60+14n,3,）酰胺,a,断裂,伯酰胺,H,2,N-CO,+,m/z,44,仲酰胺、叔酰胺系列峰：,43+14n,麦氏重排：,系列峰：,59+14n,6.,卤化物,脂肪族卤代烃的分子离子峰弱,1,）,断裂产生符合通式,C,n,H,2n,X,+,的离子,2,）,断裂，生成（,M,X,）,+,的离子,3,）含,Cl,、,Br,的直链卤化物易发生重排反应，形成符合,C,n,H,2n,X,+,通式的离子,4,）易发生脱卤化氢反应，生成（,M-HX,）和,C,n,H,2n-1,+,二,.,芳香族化合物,5.2,分子离子与分子式,5.1.1,分子离子峰的识别,1.,在质谱图中，分子离子峰应该是最高质荷比的,离子峰（同位素离子及准分子离子峰除外）。,2.,分子离子峰是奇电子离子峰。,3.,分子离子能合理地丢失碎片（自由基或中性分子），,与其相邻的质荷比较小的碎片离子关系合理。,4.,氮律：,当化合物不含氮或含偶数个氮时，该化合物,分子量为偶数；当化合物含奇数个氮时，该化合物,分子量为奇数。,5.2.2,分子离子峰的相对强度（,RI,）,1.,芳环（包括芳杂环）脂环化合物,硫醚、硫酮 共轭烯,分子离子峰比较明显。,2.,直链酮、酯、酸、醛、酰胺、卤化物等通常显示,分子离子峰。,3.,脂肪族醇、胺、亚硝酸酯、硝酸酯、硝基化合物,、腈类及多支链化合物容易裂解，分子离子峰通,常很弱或不出现。,5.2.3 M,+.,峰和,(M+1),+,峰或,(M-1),+,峰的判别,醚、酯、胺、酰胺、腈化物、氨基酸酯、胺醇 等,可能有较强的,(M+1),+,峰；芳醛、某些醇或某些含氮,化合物可能有较强的,(M-1),+,峰。,5.2.4,分子式的推导,1.,如何判断分子式的合理性,该式的式量等于分子量；是否符合氮律；,不饱和度是否合理。,2.,低分辨质谱法,同位素相对丰度的计算法,、查,Beynon,表法,1),同位素峰簇及其相对丰度,除,F,、,P,、,I,外，都有同位素,分子离子或碎片离子峰常以同位素簇的形式存在。,低质量的同位素（,A,）,丰度计为,100,设,某一,元素有两种同位素，在某化合物中含有,m,个该元素的原子，则分子离子同位素峰簇的各峰的相对丰度可,用二项式,(a+b),m,展开式的系数推算；,Cl,:,个数 峰形,Br:,个数 峰形,1 3:1 1 1:1,2 9:6:1 2 1:2:1,3 27:27:9:1 3 1:3:3:1,若化合物含有,i,种元素，它们都有非单一的同位素组成，,总的同位素峰簇各峰之间的强度可用下式表示：,(a,1,+b,1,),m1,(a,2,+b,2,),m2,(a,i,+b,i,),mi,2,）利用同位素峰簇的相对丰度推导化合物的分子式,a.,从,M+1,峰与,M,峰强度的比值,可估算出分子中含碳的数目,式中,I(M+1),和,I(M),分别表示,M+1,峰和,M,峰的（相对）强度,b.,从,M+2,峰与,M,峰,强度的比值,可估算出分子中含,S,，,Cl,，,Br,的数目,S 4.4%,；,M+2,M+4,M+6,峰很特征,c.,其它元素的存在及其原子数目,氟,的存在可以从分子离子失去,20,，,50 u,（,分别对应失去,HF,，,CF,2,）,而证实,碘,的存在可以从,M,127,得到证实,若存在,m/z 31,，,45,，,59,的离子，说明有,醇、醚,形式的,氧,存在。从分子量与已知元素组成质量的,较大差额也可估计氧原子的存在个数。,从分子量与上述元素组成的质量差额可推测分子,中存在的,氢,原子数目。,3.,高分辨质谱法,可测得化合物的精确分子量,如：,C,5,H,14,N,2,O,3,C,6,H,14,O,4,150 150,低,150.1004 150.0892,高,例,1,：化合物,A,的质谱数据及图如下，推导其分子式。,解：图中高质荷比区,m/z 73,，,74,；,设,m/z 73,为,M,+.,，,与相邻强度较大的碎片离子,58,之间（,15,）为合,理丢失峰,(.CH,3,),，,可认为,m/z 73,为化合物,A,的分子离子峰，,74,为,（,M+1,）,峰。因,M,+.,的,m/z,为奇,数，说明,A,中含有奇数个氮。,通过计算可知，分子中碳的数目,5,，若为,5,，则分子式为,C,5,N,，,其分子量大于,73,，显然不合理。若为,4,，则,73,14,124,11,，可,能的分子式为,C,4,H,11,N,，,0,。,该式组成合理，符合氮律，可认为,是化合物,A,的分子式。,例,2,：化合物,B,的质谱数据及图如下，推导其分子式。,解：设高质荷比区，,RI,最大的,峰,m/z 97,为分子离子峰，由于,m/z 97,与,m/z 98,的,相对强度之比约为,2,：,1,，既不符合,C,H,N,O,S,化合物的同位素相对丰度比，又,不符合,Cl,Br,原子组成的同位素,峰簇的相对丰度比，故,m/z 97,可,能不是分子离子峰。设,m/z 98,为分子离子峰，与,m/z 71,，,70,关系合理，可认为,m/z 98,为,M,+.,m/z 97,为,(M,1),峰。化合物不含氮或偶数氮（此处省略）。,由表中数据可知，,m/z 98(56)M,+.,99(7.6)(M+1),100(2.4)(M+2),则,RI(M+1)/RI(M)100=13.6,，,RI(M+2)/RI(M)100=4.3,由,(M+2),相对强度为,4.3,判断化合物中含有一个硫原子，,98,32,66,，,6612,5.5,，,说明羰原子数目只能小于等于,5,；,若为,5,，,66,125,6,，可能分子式为,C,5,H,6,S,，,3,是,合理的。,若为,4,，,66,124,18,，此时分子式假设为C,4,H,18,S,，,4,，,故不合理；假设分子中含有一个氧，此时分子式为,C,4,H,2,OS,，,4,也是合理的。,所以化合物,B,的分子式可能为：,C,5,H,6,S,或,C,4,H,2,OS,例,3,：化合物,C,的质谱数据及图如下，推导其分子式。,解：由表及图可知，,m/z 164,与,166,，,135,与,137,的相对强度之比,均近似为,1,：,1,，,m/z 164,与相邻碎片离子峰,m/z 135,（,M-29,）,和,85,（,M-79,）,之间关系合理，故认为,m/z 164,为化合物,C,的分子离子峰，,且,分子中含有一个溴原子，不含氮或偶数氮。,85127,，即碳原子数目小于等于,7,。（若用计算碳原子个,数的方法计算，碳原子数目约等于,6,。）,若为,7,，可能的分子式为,C,7,HBr,，,7,，,此时不饱和度过大，,而组成式子的原子数目过少，不符合有机化合物的结构，不合理。,若为,6,，则,85,126,13,，可能的分子式为,C,6,H,13,Br,，,0,，,可知该式合理。,若为,5,，则,85,125,25,，假设分子式为,C,5,H,25,Br,，,0,，,不合理。假设分子式中含有一个氧，其分子式为,C,5,H,9,OBr,，,1,，,也是合理的分子式。,所以化合物,C,的可能分子式为,C,6,H,13,Br,或,C,5,H,9,OBr,由图,中的碎片离子可判断其分子式为,C,6,H,13,Br,5.3,有机质谱中的裂解反应,5.3.1,研究有机质谱裂解反应的实验方法,1.,亚稳离子法,2.,同位素标记法,5.3.2,有机质谱裂解反应机理,裂解方式,分为简单开裂和重排开裂,（,3,）,-,断裂,当化合物不含杂原子、也没有键时，只能发生,-,断裂。,与分子结构的关系,(a),有利于稳定碳正离子：,(b),有利于共轭体系的形成,(c),当分子中存在杂原子时，裂解常发生于邻近杂原子的,C-C,键上,(d),有利于形成稳定的中性小分子,(,象,H,2,O,，,CO,，,NH,3,，,ROH,等,),