第3章质谱法.ppt
第三章 质谱法 Mass Spectrometry,MS,2,本章内容,第一节 质谱分析概述 第二节 质谱仪器原理 第三节 双聚焦质谱仪 第四节 四极滤质器、离子阱质谱仪及飞行 时间质谱仪 第五节 离子的类型 第六节 质谱定性分析及图谱解析,3,第一节 质谱分析概述,以某种方式使有机分子电离、碎裂，然后按离子的质荷比大小把生成的各种离子分离，检测它们的强度，并将其排列成谱，通过质谱图来分析有机化合物的结构和含量的方法的方法称为质谱法 根据质谱图中峰的位置可进行定性和结构分析；根据峰的强度，可进行定量分析 质谱法是有机化合物结构分析的最重要方法之一，它能准确测定有机化合物的分子量，提供分子式和其他结构信息；其测定的灵敏度远高于其它结构分析方法,4,第二节 质谱仪器原理,工作原理：利用电磁学原理，使气态分子产生带正电荷阿离子，并按离子质荷比将它们分离，同时记录和显示这些离子的相对强度的一种仪器。 分类：按质量分析器的工作原理，质谱仪可分为 静态质谱仪：具有稳定的磁场；如由单聚焦和双聚焦质量分析器组成的质谱仪 动态质谱仪：磁场变化；如飞行时间质谱仪和四级滤质器质谱仪。 质谱仪组成,5,质谱仪的主要性能指标 质量测定范围：质谱仪能够分析的样品的相对质量范围。对气体，一般为2100，对有机化合物，一般为几十到几千。 分辨率：指分开相邻质量数的能力。一般认为对两个相等强度的相邻峰，当两峰将的重叠部分高度低于峰高的10时为完全分离。 灵敏度： 绝对灵敏度：在记录仪上得到可检测质谱信号所需样品量； 相对灵敏度：可检测到的微量杂质的最小浓度。,6,单聚焦质谱仪示意图,10-410-6Pa,7,质谱仪组成： 进样系统 气体与挥发性试样，采用如图所示的进样系统，贮样器中压力为1Pa 对挥发性较低的试样，放在探针上直接加到电离室 对极易分解的试样，通过衍生的方法转化为易挥发且稳定的衍生物后进行分析(一般用一氯三甲基硅烷进行醚化) 通过气相色谱作为质谱仪的进样器。,8,离子源或电离室 电子轰击源(EI) 在离子源内，用电加热铼或钨的灯丝到2000，产生高速电子束，其能量为1070eV，当气体试样由分子漏入孔进入电离室时，与高速电子发生碰撞，从而导致分子的电离： 电子轰击源产生的离子流的产额高、稳定性好，应用最为广泛。,9,化学电离源(CI) 原理：将一定的反应气(甲烷、异丁烷、氨丙酮等)与约0.1的气体试样按一定比例送入电离室，用70eV的电子使反应气电离，电离出来的反应气离子与气体试样作用产生试样正离子，正离子再进一步分裂形成各种试样碎片。 特点：准分子离子往往是最强峰，便于推断相对分子质量、碎片峰较少，谱图简单； 缺点：不适于难挥发、热不稳定或极性较大的有机物的分析 高频火花电离源 将被测样品或者将样品与石墨混压制成样品电极，真空下在样品电极与参比电极间加上50kV的脉冲电压，使电极间发生电火花，从而使电极上的样品蒸发并电离。 特点：电离效率高、不必定量校正即可得到定性和半定量分析数据。 缺点：能量分散，必须采用双聚焦质量分析器。,10,场致电离(FI) 使样品蒸汽处于107108V/cm的高电场中被电离。FI提供给分子的能量约为1213eV，与有机化合物的电离电位 (10eV)相当。 特点：分子离子峰强、碎片离子峰少，主要用于测量物质的分子量、热不稳定与难气化化合物的分析。 缺点：灵敏度低、离子流持续时间短。 快原子轰击电离(FAB) 用几千eV的Xe原子轰击溶解于基质并涂布在金属靶中的样品并使之电离的方法 特点：特别适合高极性、难气化、大分子量及热稳定性差的样品。操作简便、重复性好、信号持久时间长。适用于高分辨质谱和质质联用分析。 电喷雾电离(ESI) 样品溶液从一根加有数千伏电压的不锈钢毛细管中喷出形成静电喷雾，并通过逆向氮气帘，溶剂挥发、雾滴变小、表面静电荷密度剧增并使极性样品离子化。 特点：一般只形成准分子离子峰。主要用于液质联用仪。,11,12,质量分离器 单聚焦分离器 通过磁场将质荷比不同的正离子分离： 磁场扫描、电扫描 缺点：分辨能力低，只适宜于离子能量分散较小的离子源，如电子轰击源和化学电离源。,13,双聚焦分离器 在单聚焦分离器中，离子源产生的离子在进入加速电场前，其初始能量并不为零，且能量各不相同，使得质荷比相同的离子最后也不能聚焦在一起，使得仪器分辨率显著下降。 双聚焦是指同时实现方向和能量的聚焦。它把一个静电场置于离子源和磁场之间；当离子经过电场时，只有动能相近的离子才能同时经过狭缝进入磁场。 分辨率可达10000以上，可把分子量相近、但组成不同的有机分子区分开。,14,四极滤质器结构示意图,工作原理 当具有一定能量的离子进入筒形电极所包围的空间后，受到电极交、直流叠加电场的作用，以复杂的形式波动前进。在一定的直流电压和交流电压比以及场半径固定的条件下，对于某一种射频频率，只有一种质荷比的离子可以顺利通过电场到达检测器，这些离子称为共振离子。其他离子在运动过程中撞击在圆筒电极上而被过滤掉，称为非共振离子 体积小、重量轻、价格低，扫描速度快,15,飞行时间滤质器结构示意图,工作原理 获得相同能量的离子在无场的空间漂移，由于不同质量的离子速度不同，行经同一距离后到达检测器的时间不同，从而得到分离 特点：结构简单，分辨率高(可达几千到上万)；扫描速度快：10-510-6s内完成观察和记录；灵敏度高；测量的质量范围宽,16,离子检测器 法拉第筒 改变狭峰宽度可改变仪器的分辨率 适宜于低加速电压的仪器。,17,照相板 在1mm厚的玻璃板上覆盖一层较薄、粒度较细的溴化银。放在质谱仪聚焦面上曝光，不同的曝光时间就会得到许多曝光量递变的质谱。根据谱线的位置和黑度，即可得到元素的定量、定性分析结果。 主要用于火花源双聚焦质谱仪中。优点是不需记录离子流的强度、也不需要整套电子测量线路，且灵敏度高，可以分析微量物质。缺点是分析精度低，使用前许预先抽真空。 电子倍增器 常用于气体和有机质谱仪中。 优点:灵敏度高、测定速度快; 缺点:倍增管工作一段时间后增益会逐渐下降。,18,第二节 质谱图与质谱表,质谱的表示方法 乙醇的质谱图 乙醇的质谱表,19,质谱图中主要离子峰的类型 分子离子峰(母峰) 分子受电子流撞击后，失去一个电子而生成的带正电荷的离子(分子离子、母离子) 分子离子峰若能出现，应位于质谱图的右端，其强度取决于分子离子相对于裂解产物的稳定性。 分子离子的稳定性顺序： 芳香环共轭多烯烯环状化合物羰基化合物醚酯胺酸醇高度分支烃类,20,分子离子峰的确定方法： 分子离子一定是奇电子离子 有机分子均为偶电子，失去电子后自然是奇电子离子；如果知道离子峰的元素组成，可通过不饱和度的计算来判断其是否为奇电子离子： 如果为整数，即为奇电子离子；否则即为偶电子离子 例如：C10H21、C7H8O和C10H21、C7H5O 氮规则 由碳、氢、氧、氮组成的有机化合物，当含有偶数个氮原子时分子量是偶数；当含有奇数各氮原子时分子量是奇数 例如：CH4、CH3OH、en、CH3NH2、C5H5N 合理的中性丢失 如果质荷比最高值与临近值相差414和2125个质量单位，则可肯定不是分子离子峰。 降低撞击电子的能量，或者不用电子轰击而采用化学离解或电场离解等软离解方法，如果最高质荷比的峰的相对强度增加。否则就不是分子离子峰。,21,22,23,24,同位素离子峰,25,同位素离子峰与分子离子峰相对强度的估算： 对由碳、氢、氧、氮组成的有机化合物CwHxNyOz，其同位素离子峰的相对强度可由下式进行计算： 对含氯、溴的有机化合物，由于35Cl与37Cl的丰度比为3:1、79Br与81Br的丰度比为1:1，当含有n个氯(溴)时，其M、(M+2)、(M+4)等峰的相对强度为多项式(a+b)n的各项值之比。 例如，含有三个氯时，各峰之比为(33):(3×32×1):(3×3×12):(13)，即27:27:9:1； 含有三个溴原子时，各峰之比为(13):(3×12×1):(3×1×12):(13)，即1:3:3:1。 此外，当含有S原子时，其M+2峰较强,26,27:27:9:1,9:6:1,3:1,27,1:3:3:1,1:2:1,1:1,28,碎片离子峰 当轰击电子的能量超过分子离子电离所需的能量时，分子离子处于激发状态。在离子源中，其原子间的化学键还会进一步断裂，产生质量数较低的碎片，称为“碎片离子”，其在质谱图上的峰称为碎片离子峰。 碎片离子峰总处于分子离子峰的左侧。 分子的碎裂过程与其分子结构密切相关，研究最大丰度离子的断裂过程，能提供被分析化合物的结构信息。,29,亚稳离子峰 离子在离开电离室到达收集其之前的飞行过程中发生分解而形成低质量的离子所产生的峰称为亚稳离子峰或亚稳峰。 通常亚稳峰峰形宽而矮小，且m/e不为整数： 亚稳峰的出现，可以确定 开裂过程的存在。,30,重排离子峰 在两个或两个以上键的断裂过程中，某些原子或基团从一个位置转移到另一个位置所生成的离子称为重排离子，质谱图上所对应的峰称为重排离子峰。 重排的种类很多，其中最常见的是有关双键位氢原子的重排麦氏重排，在醛、酮、酸、酯等含羰基的化合物、含P=O与SO、烯烃、苯环化合物中普遍存在。,31,分子式的估计,分子中Cl、Br原子数的确定： 根据(M+6):(M+4):(M+2):M等的比值符合哪种多项式来确定 硫、硅原子的识别与确定 质谱中含有M+2峰，但其与M峰强度相差极大 (当分子量大于300，C原子数较多时，13C也会干扰)。 最多碳原子数的确定,32,33,采用高分辨质谱测定离子的精确质量 CO：27.9949 N2：28.0061 C2H4：28.0313 采用分辨率达到10000即可对其进行区别,34,第三节 断裂方式和有机化合物的断裂图象,碎片离子的质荷比和丰度能提供有关该碎片及其在分子中所处环境的宝贵信息，是推导和确定有机物结构的重要依据。 研究离子碎裂机理大致要考虑以下问题： 碎裂发生在何处？ 碎裂是如何进行的？ 碎裂产物是什么？ 影响碎裂以及碎片离子丰度的因素有哪些？,35,断裂方式：有机化合物的断裂方式主要有均裂、异裂和半异裂： 均裂：一个键的两个电子裂开，每个碎片上各保留一个电子： 异裂：一个键的两个电子裂开，两个电子都归属于其中某一个碎片： 半异裂：离子化键的开裂：,36,影响离子碎裂的因素 化学键的相对强度 分子中电离电位最低的电子最容易丢失，生产的正电荷和游离基就定位在丢失电子的位置上 n电子电子电子 碎裂产物的稳定性 诱导、共轭等电子效应能影响碎裂产物的稳定性。 由于烷基的推电子效应，使得 碳原子相邻有电子系统时，易产生相对稳定的正离子： 碳原子相邻有杂原子时，易产生相对稳定的正离子，因为杂原子上的未成对孤对电子能使碳原子上的正电荷稳定。,37,脂肪族化合物 饱和烃类 分子离子峰很弱，10%； 直链烷烃 分子离子首先通过半异裂失去一个烷烃游离基，并形成正离子随后连续脱去14个质量单位，得到m/e:29+14n的系列峰(即29、43、57)，如果再失去一个分子的氢，则该系列还伴随m/e:27+14n系列峰(即27、41、55)。 43(C3)、57(C4)峰的相对强度较大,38,支链烷烃 分子离子峰小 支化处易断裂，优先失去较大的烷基 其他与直链烷烃一致(29+14n)+(27+14n)双系列,39,1、支链烷烃分子离子峰更弱 2、43+14n相对强度不随m/z减少而递增,40,不饱和烃 烯烃 分子离子峰比烷烃略强 出现14n-1(41、55、69)系列峰 长链烯烃会发生麦氏重排,41,芳烃 分子离子峰较强 碎片少，低质量端碎片峰度小 有39、5052、6365、7578芳环特征碎片峰 烷基取代芳环有苄基离子峰91,42,醇、酚、醚 脂肪醇 分子离子峰一般不出现 高级伯醇、仲醇失水分子出现M-18峰 类似于烯烃，有14n-1系列峰 伯醇会出现31峰，仲醇、叔醇31+14n系列峰,43,酚、芳香醇 分子离子峰较强 易丢失CO、CHO出现M-28、M-29峰,44,醚 脂肪醚分子离子峰较弱，而芳香醚的较强 能发生断裂，较大的烷基易失去，丰度较大 芳香醚会出现93碎片,45,羰基化合物(羧酸、酯和酰胺) 易发生开裂，产生酰基阳离子： 在羧酸和伯酰胺中，主要是1开裂，产生m/e45(HOCO+)与m/e44(NH2-C=O+) 而在酯和仲、叔酰胺中，主要为2开裂(含M31为甲酯)。 当它们含有H时能发生麦氏重排，失去一个中性碎片，产生一个奇电子的正离子。在酸和酯中，奇电子离子的m/e为60+14n、酰胺为59+14n。 43+14n（43、57、71、85）系列峰；,46,羧酸,47,醛、酮 分子离子峰为强峰； 易发生开裂产生酰基阳离子： 其中，烷基较大者易失去。 醛的氢不易失去，故产生m/e29的强碎片离子峰（不特征）。 酮则产生CnH2n+1CO+(m/e:43、57、71)。 当由H存在时，醛酮会发生麦氏重排，得到m/e：44+14n的系列峰。,48,49,29,50,卤化物 易发生CX键的断裂，形成正离子： 脱去HX： 开裂，形成卤正离子：,51,52,质谱图解析,解析的一般步骤 根据同位素丰度或高分辨质谱数据确定分子离子及重要碎片离子的元素组成，并计算不饱和度； 核查分子离子峰以确定分子量； 标出重要奇电子碎片离子峰，并研究它们的来历； 研究质谱图概貌，判断分子的稳定性，对化合物的类型进行归类 根据下列信息列出可能的结构： 主要低质量离子系列； 重要高质量端里自己求实的中性碎片； 特征离子。 对列出的可能结构进行确认，确认的方法有： 与标准谱图进行对照； 测定标准化合物的质谱，然后再对照； 在无标准可对照时，可根据离子碎裂机理验证谱图中的主要离子碎片。,53,离子元素组成的确定 高分辨质谱仪，用准确质量即可确定元素组成； 低分辨质谱仪，用同位素丰度法根据Beynon表估算。,例题：某化合物在质谱分子离子区域有三个峰，其质荷比和相对丰度如下，试推测未知物分子式：,提示： 1.无S、Si、Cl、Br； 2.氮规则； 3.不饱和度。,Beynon表中M+1M在8.410.4的化学式,54,奇电子离子的识别 氮规则； 含奇数氮原子，质量数为奇数。 不饱和度： 奇电子离子不饱和度为整数。 谱图概貌 分子离子的相对丰度，可知分子的大小和稳定性； 丰度大的离子数量及其分布，可知化合物的类型和所含官能团。,55,质荷比最大的是基峰，低质量端碎片离子的丰度很小，说明该化合物有一个高度稳定的结构，估计是稠环芳烃及其衍生物,质荷比最大的丰度很低，低质量端碎片离子少，强度也弱；在182与105见又一个很大的间隔，这样的谱图指示该分子由两个稳定的结构单元，并由较弱的键连接起来,56,重要低质量端离子系列 只有低质量区的离子碎片才容易得到确定的元素组成，从而估计高质量离子的可能组成。 31、45等CnH2n+1O+ 15：CH3+ 29：C2H5+、CHO+ 14系列：脂肪族,57,高质量端离子研究小的中性丢失,58,例题1,59,例题2,
