西南林大现代生化仪器分析课件20质谱分析

10:39:55第二十章质谱分析一、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，MSbasicprincipleandMassspectrometer10:39:55一、概述generalization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；m/z1529435785991131427110:39:55二、质谱仪与质谱分析原理massspectrometerandmassspectrometry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。10:39:55原理与结构电离室原理与结构仪器原理图10:39:551.离子源①ElectronIonization(EI)源++++:R1:R2:R3:R4:e+M+(M-R2)+(M-R3)+MassSpectrum(M-R1)+10:39:55EI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10:39:55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，再与试样分离碰撞，产生准分子离子。②化学电离源（ChemicalIonization，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)+;10:39:55③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d1mm10:39:552.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=H0eV曲率半径：R=（m）/eH0质谱方程式：m/e=(H02R2)/2V离子在磁场中的轨道半径R取决于：m/e、H0、V改变加速电压V,可以使不同m/e的离子进入检测器。质谱分辨率=M/M（分辨率与选定分子质量有关）加速后离子的动能:(1/2)m2=eV=[(2V)/(m/e)]1/210:39:55①单聚焦磁场分析器收集器离子源BS1S2磁场R方向聚焦；相同质荷比，入射方向不同的离子会聚；分辨率不高10:39:55②双聚焦分析器离子源收集器磁场S1S2+-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；10:39:55③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；原理在第五节色谱-质谱联用仪器介绍；10:39:553.检测器（1）电子倍增管15～18级；可测出10-17A微弱电流；（2）渠道式电子倍增器阵列10:39:55内容选择：•第一节基本原理与质谱仪basicprincipleandmassspectrometer•第二节离子峰的主要类型mainkindsofionpeaks•第三节有机分子裂解类型cleavagetypesoforganiccompounds•第四节质谱图与结构解析massspectrographandstructuredetermination结束10:39:55第二十章质谱分析一、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，MSmaintypesofionpeaks10:39:55一、分子离子峰molecularionpeak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．10:39:551.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。质谱图上质荷比最大的峰一定为分子离子峰吗？。如何确定分子离子峰？。10:39:552.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。分子离子峰与相邻峰的质量差必须合理。(1)Ｎ律(2)质量差是否合理10:39:553.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84848598988570ev12ev10:39:55m/zm/z3912792611491132791671491137157EICI（3）降低气化温度m/zm/zM206206T=160CT=250CM=390COOC8H17COOC8H17（4）采用软电离技术10:39:554.分子离子峰强度与结构的关系10:39:55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）isotopicionpeak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/zRA13.1121.0133.9149.2158516100171.110:39:55贝农(Beynon)表例如：M=150化合物M+1M+2化合物M+1M+2C6H14NOCl8.150.49C7H11N49.250.38C6H14O46.861.0C8H6O38.360.95C7H2O47.751.06C8H8NO29.230.78C7H4NO38.131.06C8H11N2O9.610.61C7H6N2O28.500.72C8H12N39.980.45C7H8N3O8.880.55C9H10O29.960.8410:39:55三、碎片离子峰fragmentionpeaks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10:39:55碎片离子峰m/z15294357859911314271正癸烷10:39:55碎片离子峰10:39:55碎片离子峰142140127125105711581567751110108959381792766645149292829C2H5ClC2H5BrBrClC2H510:39:55碎片离子峰2943577186M30405060708090H3CCH2CH2CH2H3CCCH3CH357H3CCH2CH2H3CCHCH343M=8610:39:55内容选择：•第一节基本原理与质谱仪basicprincipleandMassspectrometer•第二节离子峰的主要类型mainkindsofionpeaks•第三节有机分子裂解类型cleavagetypesoforganiccompounds•第四节质谱图与结构解析massspectrographandstructuredetermination•第五节色谱-质谱联用仪hyphenatedmethodsofGC-MS结束10:39:55第二十章质谱分析一、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，MScleavagetypesoforganiccompounds10:39:55一、有机分子的裂解cleavagetypesoforganicmolecular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10:39:55二、σ―断裂σ-cleavage正己烷10:39:55三、α―断裂α―cleavage10:39:55α―断裂20306070405080901003044m/zCH3(CH2)9CH2NH2M=15710:39:55α―断裂——丢失最大烃基的可能性最大丢失最大烃基原则10:39:5510:39:5510:39:5510:39:55—开裂RCH2CHH2CRCH2CHH2CR'CH2CHHCRR'CH2CHHCRR'CH2CHHCRCH2RRCH2m/z=91m/z=91m/z=39HC扩环苄基离子卓鎓离子HCHCHCm/z=6510:39:55麦氏重排（Mclaffertyrearrangement)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rearrangementcleavage10:39:55分子碎片重排后再次裂解：10:39:5510:39:5510:39:5510:39:5510:39:55内容选择：•第一节基本原理与质谱仪basicprincipleandmassspectrometer•第二节离子峰的主要类型mainkindsofionpeaks•第三节有机分子裂解类型cleavagetypesoforganiccompounds•第四节质谱图与结构解析massspectrographandstructuredetermination•第五节色谱-质谱联用仪hyphenatedmethodsofGC-MS结束第二十章质谱分析一、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，…