西南林大现代生化仪器分析课件08质谱分析

10:35:34第八章质谱分析一、概述generalization二、质谱仪与质谱分析massspectrometerandmassspectrometry第一节基本原理与质谱仪massspectrometry，MSbasicprincipleandMassspectrometer10:35:34一、概述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；m/z1529435785991131427110:35:34质谱分析的基本原理使所研究的混合物或单体形成离子，然后使形成的离子按质量（质荷比m/z）进行分离。质谱仪同位素质谱仪无机质谱仪有机质谱仪10:35:34二、质谱仪的组成进样系统离子源质量分析器检测器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.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（10-310-5Pa）质量分析器（10-6Pa）(1)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；(3)引起额外的离子－分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。真空度低10:35:341.离子源①电子轰击(EI)离子源++++:R1:R2:R3:R4:e+M+(M-R2)+(M-R3)+M+eM++2e(M-R1)+10:35:34EI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(10~240eV)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）。电子能量电子能量分子离子增加碎片离子增加10:35:34离子室内的反应气（甲烷等；10~100Pa，样品的103~105倍），电子（100~240eV）轰击，产生离子，再与试样分子碰撞，产生准分子离子。②化学电离源（CI）:最强峰为准分子离子；谱图简单；不适用难挥发试样；++气体分子试样分子+准分子离子电子(M+1)+;(M+17)+;(M+29)+;10:35:34③场致电离源（FI）电压：7-10kV；d1mm；强电场将分子中拉出一个电子；分子离子峰强；碎片离子峰少；不适合化合物结构鉴定；阳极+++++++++++++阴极d1mm10:35:342.质量分析器原理在磁场存在下，带电离子按曲线轨迹飞行；离心力=向心力；m2/R=B0eV曲率半径：R=（m）/eB0质谱方程式：m/e=(B02R2)/2V离子在磁场中的轨道半径R取决于：m/e、B0、V改变加速电压V,可以使不同m/e的离子进入检测器。加速后离子的动能:(1/2)m2=eV=[(2V)/(m/e)]1/210:35:34第八章质谱分析一、分子离子峰molecularionpeak二、同位素离子峰isotopicionpeak三、碎片离子峰fragmentionpeaks第二节离子峰的主要类型massspectrometry，MSmaintypesofionpeaks10:35:34一、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＞共轭链烯＞烯烃＞脂环化合物＞直链烷烃＞酮＞胺＞酯＞醚＞酸＞支链烷烃＞醇．10:35:341.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。10:35:342.分子离子的判断由C，H，O组成的有机化合物，M一定是偶数。由C，H，O，N组成的有机化合物，N奇数，M奇数。由C，H，O，N组成的有机化合物，N偶数，M偶数。(1)Ｎ律(2)质量差是否合理分子离子峰与相邻峰的质量差必须合理。10:35:34有机分子失去碎片大小是有规律的：如失去H、CH3、H2O、C2H5…….，因而质谱图中可看到M-1，M-15，M-18，M-29等峰，而不可能出现M-3，M-14，M-24等峰，如出现这样的峰，则该峰一定不是分子离子峰。质量差为(4-13)、19-25、37、38、50-53、65-66…的不是分子离子峰，当差值为14=CH2时应小心，这表明可能有待测物的同系物存在。10:35:34（3）也可根据断裂方式判断分子离子峰：如醇的分子离子峰通常看不到，但经常看到最高质量的两峰相差3个质量单位的峰（M-CH3峰和M-H2O峰）。􀂾通过改变仪器实验条件来检验：1）降低电子流电压——增加分子离子峰强度（当电子轰击电压降低，强度不增加的峰不是分子离子峰）。2）采用化学电离源、场离子或场解吸源等电离方法；3）制备易挥发的衍生物，如通过甲基化、乙酰基化、甲酯化、三甲基硅醚化、水解氧化或还原等方法将样品制备成适当的衍生物后再测定。10:35:343.分子离子的获得(1)制备挥发性衍生物ROHROSi(CH3)3RCOOHRCOOCH3CH2N2(CH3)3SiCl(2)降低电离电压，增加进样量84848598988570ev12ev10:35:34m/zm/z3912792611491132791671491137157EICI（3）降低气化温度m/zm/zM206206T=160CT=250CM=390COOC8H17COOC8H17（4）采用软电离技术10:35:34例如：CH4M=1612C+1H×4=16M13C+1H×4=17M+112C+2H+1H×3=17M+113C+2H+1H×3=18M+2同位素峰分子离子峰二、同位素离子峰（M+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M+2，M+3。。。。；1615m/zRA13.1121.0133.9149.2158516100171.1同位素峰的强度比与同位素丰度比成正比，S、Cl、Br等M+2峰强度较大，用此可判断这些元素的存在。（P364）10:35:34三、碎片离子峰一般有机化合物的电离能为7－13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10:35:34碎片离子峰m/z15294357859911314271正癸烷10:35:34碎片离子峰10:35:34碎片离子峰142140127125105711581567751110108959381792766645149292829C2H5ClC2H5BrBrClC2H5分子离子峰10:35:34碎片离子峰2943577186M30405060708090H3CCH2CH2CH2H3CCCH3CH357H3CCH2CH2H3CCHCH343M=8610:35:34第八章质谱分析一、有机分子的裂解cleavagetypesoforganicmolecular二、σ―断裂σ-cleavage三、α―断裂α―cleavage四、重排断裂rearrangementcleavage第三节有机分子裂解类型massspectrometry，MScleavagetypesoforganiccompounds10:35:34一、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-ABCD++2e-分子离子BCD•+A+B•+A+CD•+AB+A•+B+ABCD+D•+C+AB•+CD+C•+D+碎片离子10:35:34二、σ―断裂σ-cleavage正己烷10:35:34三、α―断裂10:35:34α―断裂——丢失最大烃基的可能性最大丢失最大烃基原则10:35:3410:35:3410:35:3410:35:34—开裂RCH2CHH2CRCH2CHH2CR'CH2CHHCRR'CH2CHHCRR'CH2CHHCRCH2RRCH2m/z=91m/z=91m/z=39HC扩环苄基离子卓鎓离子HCHCHCm/z=6510:35:34麦氏重排麦氏重排条件：·含有C=O，C=N，C=S及碳碳双键·与双键相连的链上有碳，并在碳有H原子（氢）·六圆环过度，H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四、重排断裂10:35:34分子碎片重排后再次裂解：10:35:3410:35:3410:35:3410:35:34第八章质谱分析一、饱合烃alkanes二、芳烃的aromatichydrocarbons三、醇和酚alcoholsandphenols四、醚ethers五、醛、酮aldehydesandketones六、其他化合物othercompounds第四节质谱图与结构解析（电子轰击质谱—EIMS）massspectrometry，MSmassspectrographandstructuredetermination1.直链烷烃一、饱合烃的质谱图alkanesm/z15294357859911314271m/z15294357859911314271正癸烷分子离子：C1(100%)，C10(6%)，C16(小)，C45(0)有m/z：29，43，57，71，……CnH2n+1系列峰(σ—断裂)有m/z：27，41，55，69，……CnH2n-1系列峰C2H5+（m/z=29）→C2H3+（m/z=27）+H2有m/z：28，42，56，70，……CnH2n系列峰(四圆环重排)2.支链烷烃3.环烷烃M=9898(M)1008090100605030204070%OFBASEPEAK02040608010010305070901108369554129MethylCyclohexane二、芳烃的质谱图aromatichydrocarbons三、醇和酚的质谱图1008090100605030204070020406080100120140%OFBASEPEAK1030507090110130150o-Ethylphenol122(M)M-CH3MM-H2OC6H5四、醚的质谱图五、醛、酮的质谱图六、其他化合物的质谱图结构未知（C6H12O，酮）解析：1．100，分子离子峰2．85，失去CH3（15）的产物3．57,丰度最大,稳定结构失去CO(28)后的产物10:35:34第二十章质谱分析一、概述generalization二、GC-MS联用技术hyphenatedtechnologyofGC-MS三、LC-MS联用仪hyphenatedtechnologyofLC-MS第五节色谱-质谱联用仪massspectrometry，MShyphenatedmethodsofGC-MS10:35:34一、概述generalization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；关键点：接口技术(分子分离器)m/z1529435785991131427110:35:34二、GC-MS联用仪器hyphenatedtechnologyofGC-MSSampleSample58901.0DEG/MINHEWLETTPACKARDHEWLETTPACKARD5972AMassSelectiveDetectorDCBAABCDGasChromatograph(GC)MassSpectrometerSeparationIdentificationBACDADBCMS10:35:34GC-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。10:35:34四极杆质量分析器（QuadrupoleMassFilter）+Ele