第十四章质谱法

质谱分析法第十四章MassSpectrometryMSSpectroscopyn.光谱学,波谱学,光谱仪Spectrometryn.质谱术，质谱计主要内容14.1概述14-2质谱法基本原理及质谱仪器14-3质谱解析基础知识14-4有机波谱综合解释质谱法：§14-1概述将气态离子混合物按质荷比m/z大小不同进行分离分析的技术。质谱法分类：原子质谱法(无机质谱法)atomicmassspectrometry分子质谱法(有机质谱法)molecularmassspectrometry质谱法优点：1.唯一可以确定分子量的方法，特别适用于生物大分子分子量（数十万）测定；2.极高灵敏度，检测限达10-14g；1)根据质谱峰的质荷比测定化合物的分子量，推测分子式及结构式2)根据峰强度进行定量分析CH3质谱表质谱图m/z2121314151617相对强度1.363.659.7118.8290.35100.001.14§14-2质谱法基本原理及质谱仪器一、质谱法的基本原理质谱仪器结构框图电子轰击离子化EI（50～100eV）离子被电场加速后，动能和位能相等(加速后的电子势能转化为动能)eMeM2分子离子，可裂解为碎片离子zUmv221加速后的离子进入磁场，圆周运动的离心力和向心力相等HzvRmv2代入上式，消去v：22222zHmURURHzm或质谱方程式m：离子质量v：离子速度z：离子电荷U：电场电压R：离子运动半径H：磁场强度22222zHmURURHzm或结语：m/z∝R2，H、U一定时，m/z↑，R↑空间上分离m/z∝H2，R、U一定时（磁场扫描），m/z↑，H↑时间上分离m/z∝1/U，R、H一定时（电压扫描），m/z↑，U↓时间上分离二、质谱仪器质谱仪器结构框图(一)进样系统作用：在不降低真空度的条件下，将样品分子引入到离子源中间歇式进样系统直接探针进样色谱进样系统(二)离子源作用：使气态样品分子电离，转化为带有样品信息的离子1.电子轰击源(EI)灯丝电子束硬电离++++:R1:R2:R3:R4:e+M+(M-R2)+(M-R3)+MassSpectrometer(M-R1)+EI源：可变的离子化能量(10~70eV)电子能量电子能量分子离子增加碎片离子增加标准质谱图基本都是采用EI源(70eV)获得的适用性强,图谱重现性好但图谱复杂,分子离子峰难寻找有机分子的电离电位一般为7-15eV。可提供丰富的结构信息。2.化学电离源(CI)HCCHCHCHCHeCH2344甲烷电离甲烷离子与分子反应生成加合离子3544CHCHCHCH25243HHCCHCH软电离(分子不稳定)反应气体有甲烷、氨气、异丁烷90%加合离子与样品分子反应准分子离子:(M±1)+425CHRHRHCH(M+1)+6252HCRRHHC(M-1)+}气体分子试样分子准分子离子电子(M+17)+,(M+29)+采用CI源,图谱简单，易测得分子量M=390COOC8H17COOC8H173.电喷雾电离源(ESI)ElectrosprayIonizaton多电荷离子测定的样品分子量大最软电离高电场100150200250300020406080100(A)304.2RelativeAbundance(%)m/zNOOOOHM0:scopolamine其它离子源：快原子轰击FAB基质辅助激光解吸MALDI场电离FI，场解吸FD大气压化学电离APCI……(三)质量分析器1.单聚焦分离器只有磁场：方向聚焦22zHmUR结构简单,操作方便,体积小但分辨率低2.双聚焦分离器离子源收集器磁场电场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，两能量色散大小相等方向相反，使质量相同的离子会聚。3.四级杆分析器双曲面电场（离子振荡运动）改变电参数，使不同m/z离子通过（大小相等，方向相反）飞行时间质量分析器离子阱质量分析器……(四)检测器电子倍增器示意图105～108法拉第环照相感版(五)真空系统作用：1)避免大量氧烧坏离子源的灯丝；2)消减离子的不必要碰撞，避免离子损失；3)避免离子－分子反应改变裂解模式，使质谱复杂化；4)减小本底。离子源质量分析器真空度要求：}10-4Pa机械泵扩散泵真空泵{二、质谱仪的主要性能指标1.质量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多电荷离子：分子量测定范围比质量范围大。2.分辨率：分开相邻质量数离子的能力121mmmR定义：R＜1000低分辨R＞1000高分辨§14-3质谱解析基础知识1.分子离子(奇电子离子)分子离子的质量与化合物的分子量相等一、质谱中几种主要的离子(EI源)分子离子M+eM+.+2e中性分子一般有机物失去电子的程度是n电子＞π电子＞σ电子确定分子量和分子式(Molecularion)分子离子或准分子离子峰质谱中分子离子峰的识别及分子式的确定是至关重要的.分子离子峰的识别1.假定分子离子峰:高质荷比区，RI较大的峰(注意：同位素峰)2.判断其是否合理:与相邻碎片离子(m/z较小者)之间关系是否合理Δm1231516171820丢失H·H2H2,HCH3OOHH2ONH2Δm=4-14,21-24,37-38·····通常认为是不合理丢失3.判断其是否符合N律不含N或含偶数N的有机分子,其分子离子峰的m/z为偶数。含奇数N的有机分子,其分子离子峰的m/z为奇数。◎使用CI电离时，可能出现M+H,MH,M+C2H5,M+C3H5…◎使用FAB或ESI时，可出现M+H,MH,M+Na,M+K…◎较高分子量的化合物，可能同时生成M+H,M+2H,M+3H等同位素离子：2.同位素离子(isotopicion)由重同位素组成的分子形成的离子例如：CH413C+1H×4=17M+112C+2H+1H×3=17M+113C+2H+1H×3=18M+212C+1H×4=16M同位素离子峰一般出现在相应分子离子峰或碎片离子峰的右侧附近，m/z用M+1，M+2等表示。元素相对丰度％元素相对丰度％1H2H100.000.01514N15N100.000.3612C13C100.001.0816O17O18O100.000.040.2032S33S34S100.000.784.40C、H、O、N的稳定同位素相对丰度化合物分子式：CwHxNyOz同位素离子峰与分子离子峰相对强度的计算公式：zyxwIIMM04.037.002.008.11001zxwIIMM20.0200)02.008.1(10022根据质谱图上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(Beynon表)。如CH4:%;16.11001MMII%0067.01002MMII含卤素化合物：1.氟、碘是单一同位素2.35Cl︰37Cl=3︰1，79Br︰81Br=1︰1，计算分子离子峰与同位素离子峰强度比：(a+b)nn=2，a2+2ab+b2a是轻质同位素丰度n=3，a3+3a2b+3ab2+b3b是重质同位素丰度如：分子中有三个氯，n=3，a=3,b=1:(a+b)3=27+27+9+1即M︰(M+2)︰(M+4)︰(M+6)=27︰27︰9︰1同位素离子峰鉴定分子中氯、溴、硫原子C6H13Br,Mr=164■含硫的样品32S:33S:34S=100:0.8:4.43.碎片离子(fragmention)1)α断裂带有电荷的官能团与相连的α碳原子之间的断裂断裂方式均裂：X—Y=X·+Y·异裂：X—Y=X++Y-半异裂：X+•Y=X++Y·已电离含饱和杂原子+CH3CH2—I·CH3CH2·+I+均裂异裂CH3CH2++I·α-C含不饱和杂原子均裂异裂m/z?烯烃(烯丙断裂)烷基苯(苄基断裂)2)β断裂α碳原子和β碳原子之间的键的断裂RCH2CH2.+CH2RCH2CHCH2+.+m/z41CH2R+.CH2+-R.m/z913)σ断裂CH3CCH3CH3++.C2H5CCH3CH3++.C2H5CH3较易发生CH3CCH3C2H5CH3-eCCH3C2H5CH3.+CH3sigma4.重排离子(rearrangemention)麦氏(Mclafferty)重排氢原子；官能团：XCR1=H、R、OH、OR、NR25.亚稳离子(metastableion):m*C4H9+57m1/zC3H5+m2/z41C3H5+m*/z41亚稳离子（m1速度，m2质量）m1m2m*m/z122)(*mmm特点：强度低、宽、跨几个质量数，m/z非整数，易辨认用处：证明m1→m2裂解过程二、常见有机化合物的质谱m/z15294357859911314271（一）烃类正构烷烃：每隔14个质量单位出峰正癸烷质谱图CnH2n+1离子系列支链烷烃：支链取代位置裂解3-乙基己烷质谱图CH3CH2CHCH2CH3CH2CH2CH329438571芳烃基峰β裂解α裂解扩环麦氏重排裂解途径（二）醇和酚醇RCHCH2CH2-H2O(M-18)+(M-1)++.-+.HRCHOHCHHOHR酚（三）醛和酮C3H7OH+.CH3CO+C6H13CO+C3H7HO+.+（四）酯和酸R1COOR2R1CO+-COR1+COOR2+-COOR2+麦氏重排三、EI质谱的解释1.分子量的确定（分子离子峰的识别）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不可能出现(M-3～14)+及(M-21～25)+离子峰质量数应符合氮规则氮原子个数{奇数：分子量为奇数偶数：分子量为偶数特征同位素峰：有一个氯时，M和M+2强度比为3︰1，对一个溴，比例为1︰12.分子式的确定高分辨质谱法0000000.12C129949141.1516O0030733.14N1428N;28CO2低分辨率质谱仪：006147.28N994919.27CO2高分辨率质谱仪：同位素丰度法Beynon表3.分子结构的确定1)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。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研究高质量端离子峰,确定化合物中的取代基M－15(CH3);M－16(O,NH2);M－17(OH,NH3);M－18(H2O);M－19(F);M－26(C2H2);M－27(HCN,C2H3);M－28(CO,C2H4);M－29(CHO,C2H5);M－30(NO);M－31(CH2OH,OCH3);M－32(S,CH3OH)M－35(Cl);M－42(CH2CO,CH2N2)M－43(CH3CO,C3H7);M－44(CO2,CS)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。由以上研究结果，提出化合物的结构单元或可能的结构。验证所得结果。质谱断裂规律；标准质谱图例1：推测化合物C8H8O2的结构。2)谱图分析举例1.计算不饱和度=1+8+1/2×(-8)=5分子中可能有苯环、一个双键2.质谱中无m/z为91的峰，说明不是烷基取代苯C6H5()C2H3O2Ω=1+n4+n3-n12C8H8O2可能的结构：COCH2OH(A)COOCH3(B)OCOCH3(C)OCH2COH(D)COCH2OH(A)3.质谱验证COOCH3(B)105105CO+-CO+-CHCH+m/z77m/z51OCOCH3(C)得不到m/z为105的碎片离子，可排除。OCH2COH(D)或COCH2OH(A)COOCH3(B)4.结论C8H8O2的结构是§14-4有机波谱综合解释1.质谱(MS)：确定分子量、分子式4.红外光谱(IR)：官能团类型5.核磁共振氢谱(1H-NMR)：质子类型(具有哪些种类的含氢官