第十一章-质谱分析法

第十一章质谱分析方法MassSpectrometry(MS)上页下页回主目录结束2020/2/252第十一章质谱分析方法第一节概述第二节原理及质谱仪第三节质谱中离子的主要类型第四节分子离子峰的识别第五节质谱图的解析上页下页回主目录结束2020/2/253以某种方式(一般用具有一定能量的电子束轰击气态分子）使有机化合物的分子电离、碎裂成正离子，然后按照离子的质荷比（m/z）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，这种研究物质的方法称作质谱法，简称质谱。第一节概述质谱分析法（MS）上页下页回主目录结束2020/2/254第一节概述离子按照其质量m和电荷z的比值m/z（质荷比）及其强度大小依次排列而被记录下来的图谱，称为质谱图，也简称质谱。质谱图的组成丁酮的质谱图横坐标----离子质荷比（m/z）；纵坐标----各峰相对强度；棒线----质荷比的离子。最强个峰----基峰，强度定为100上页下页回主目录结束2020/2/255质谱图的主要作用第一节概述在质谱图上，由各碎片离子的质荷比和其相对丰度，可推断被测物的分子结构，并确定其分子量、构成元素的种类和分子式。上页下页回主目录结束2020/2/256质谱分类第一节概述按用途分有机质谱无机质谱同位素质谱按原理分单聚焦质谱双聚焦质谱四极质谱飞行时间质谱回旋共振质谱按联用方式分气质联用液质联用质质联用上页下页回主目录结束2020/2/257第二节原理及质谱仪一.质谱仪的基本结构二.质谱仪各部分的工作原理上页下页回主目录结束2020/2/258一、质谱仪的基本结构1.气体扩散2.直接进样3.色谱联用1.电子轰击EI2.化学电离CI3.快原子轰击FAB4.电喷雾电离ESI5.大气压化学电离APCI6.基质辅助激光解析电离LD1.磁式双聚焦2.四极杆3.离子阱4.飞行时间TOF5.傅立叶变换离子回旋共振进样系统离子源质量分析器检测器放大器记录器真空泵I质谱图m/z质谱仪示意图上页下页回主目录结束2020/2/259二、质谱仪各部分的工作原理离子源真空度：1.3×10-4～1.3×10-5Pa，质量分析器：1.3×10-6Pa）。其作用是减少离子碰撞损失。真空系统（vacuumsystem）真空装置：机械真空泵扩散泵分子涡轮泵上页下页回主目录结束2020/2/2510二、质谱仪各部分的工作原理进样系统(inletsystem)气体——直接导入或用气相色谱进样液体——加热汽化或雾化进样固体——用直接进样探头HeatedGasHENNebulizerWaterVaporWaterVaporDryAerosolNebulizerGasMakeupGasSweepGasInSweepGasOutSampleFlowInHeater上页下页回主目录结束2020/2/2511二、质谱仪各部分的工作原理离子源(ionsource)①电子电离源(electronionizationEI)②化学电离源(chemicalionizationCI)③快原子轰击(fastatombombardmentFAB)④电喷雾源(electronsprayionizationESI)⑤大气压化学电离（atmosphericpressurechemicalionizationAPCI)⑥基质辅助激光解吸电离（matrixassistedlaserDesorptionionizationMALDI)上页下页回主目录结束2020/2/2512二、质谱仪各部分的工作原理①电子电离源(electronionizationEI)•由阴极发射电子束，通过离子化室到达阳极，电子能量70eV。有机化合物的电离电位8-15eV。•可在平行电子束的方向附加一弱磁场，使电子沿螺旋轨道前进，增加碰撞机会，提高灵敏度。上页下页回主目录结束2020/2/2513二、质谱仪各部分的工作原理在电子的轰击下，样品分子变成离子的4种不同途径：1.被打掉一个电子形成分子离子2.分子离子进一步发生化学键断裂，形成碎片离子3.分子离子发生结构重排形成重排离子4.通过分子离子反应生成加合离子e2MeM（高速）上页下页回主目录结束2020/2/2514二、质谱仪各部分的工作原理电子电离源EI特点：碎片离子多，结构信息丰富，有标准化合物质谱库；不能汽化的样品不能分析，多数GC-MS一般都配备电子电离源；离子化能量高，常得不到分子离子峰，不利于测定分子量；试样需加热气化后进行离子化，不适合于难挥发、热不稳定化合物的分析。上页下页回主目录结束2020/2/2515二、质谱仪各部分的工作原理②化学电离源(chemicalionizationCI)CH4+eCH4++2eCH4++CH4CH5++CH3结构与EI同，但是在离子化室充CH4，电子首先将CH4离解，其电离过程如下：生成的气体离子再与样品分子M反应：CH5++MCH4+MH+上页下页回主目录结束2020/2/2516二、质谱仪各部分的工作原理化学电离源特点：准分子离子峰强度大，得到一系列准分子离子(M+1)+，(M-1)+，(M+2)+等，有利于分子量的推断；CI源的的碎片离子峰少，图谱简单，易于解释；试样需加热气化后进行离子化，不适合于难挥发、热不稳定化合物的分析。主要用于GC-MS联用仪，适用于易汽化的有机物样品分析。上页下页回主目录结束2020/2/2517二、质谱仪各部分的工作原理③快原子轰击(fastatombombardmentFAB)FAB特点：试样无需加热气化，本法适合于强极性、大分子量、低蒸汽压、热稳定性差的样品。准分子离子峰强度较大，有利于分子量的推断；检测灵敏度低于EI。FAB一般用作磁式质谱的离子源。氩气放电产生氩离子，经电荷交换得到高能氩原子流，轰击涂在靶上的样品，溅射出离子流。上页下页回主目录结束2020/2/2518二、质谱仪各部分的工作原理④电喷雾源(electronsprayionizationESI)结构：喷嘴，雾化气，干燥气原理：喷雾蒸发电压喷雾针带电液滴溶剂挥发样品离子小孔板喷雾针尖电压小孔板电压电场方向图9-3样品在ESI接口中的离子化过程上页下页回主目录结束2020/2/2519二、质谱仪各部分的工作原理电喷雾源特点：适用于强极性，大分子量的样品分析，如肽，蛋白质，糖等；产生的离子带有多电荷；主要用于液相色谱质谱联用仪上页下页回主目录结束2020/2/2520二、质谱仪各部分的工作原理质量分析器(massanalyzer)①单聚焦分析器（singlefocusingmassanalyzer）②双聚焦分析器（doublefocusingmassanalyzer）③四极杆分析器(quadrupoleanalyzer)④离子阱分析器(Iontrap)⑤飞行时间分析器(timeofflight）⑥傅立叶变换离子回旋共振（Fouriertranformioncyclotronresonance）上页下页回主目录结束2020/2/2521二、质谱仪各部分的工作原理检测器(detector)电子倍增器上页下页回主目录结束2020/2/2522二、质谱仪各部分的工作原理检测器的性能指标质量范围指所能检测的M/Z范围四极质谱M/Z小于或等于1000磁式质谱M/Z可达到几千飞行时间质谱M/Z可达到几十万扫描速度指扫描一定质量范围所需时间例如GC-MS：M/Z1-1000所需时间1s上页下页回主目录结束2020/2/2523二、质谱仪各部分的工作原理检测器的性能指标分辨率R质谱对相邻两质量组分分开的能力10000，低分辩质谱仪；10000，高分辩质谱仪。例如：CO+27.9949N+28.006125009949.270061.289949.27MMR四极质谱恰好能将此分开.上页下页回主目录结束2020/2/2524二、质谱仪各部分的工作原理检测器的性能指标灵敏度指信噪比大于10时的样品量。质量准确度上页下页回主目录结束2020/2/2525第三节质谱中离子的主要类型分子离子、碎片离子、亚稳离子、同位素离子重排离子等。上页下页回主目录结束2020/2/2526一、分子离子分子被电子束轰击失去一个电子形成的离子。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。分子离子峰的应用：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。上页下页回主目录结束2020/2/2527一、分子离子质谱中分子离子峰强弱的顺序：芳环共轭烯烯酮不分支烃醚酯胺酸醇高分支烃分子离子是化合物分子失去一个电子形成的，因此，分子离子的质量就是化合物的相对分子量，在化合物质谱的解释中具有特殊重要的意义。上页下页回主目录结束2020/2/2528二、碎片离子分子离子受高能电子的轰击而碎裂产生的离子上页下页回主目录结束2020/2/2529三、亚稳离子离子在离开离子源受电场加速后，在进入质量分析器之前，由于碰撞等原因很容易进一步分裂失去中性碎片而形成的新的离子。亚稳离子峰由于其具有离子峰宽（约2~5个质量单位）、相对强度低、m/z不为整数等特点，很容易从质谱图中观察。上页下页回主目录结束2020/2/2530四、同位素离子含有同位素的离子称为同位素离子。在质谱图上，与同位素离子相对应的峰称为同位素离子峰。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/e用M+1，M+2等表示。上页下页回主目录结束2020/2/253112C98.89%13C1.11%;35Cl75.8%37Cl24.2%CHCl3分子离子区质谱M+6M+4M+2M+11812012212420406080100192727四、同位素离子上页下页回主目录结束2020/2/2532五、重排离子经重排裂解产生的离子称为重排离子。常见的有麦克拉夫悌(Mclafferty)重排开裂(简称麦氏重排)和逆Diels-Alder开裂。上页下页回主目录结束2020/2/2533麦氏重排：具有-氢原子的側链苯、烯烃、环氧化合物、醛、酮等经过六元环状过渡态使-H转移到带有正电荷的原子上，同时在、原子间发生裂解，这种重排称为麦克拉夫悌重排裂解。CHCHCHCZHR1R2R3R4CHCHR3R4HCCZHR1R2五、重排离子上页下页回主目录结束2020/2/2534逆Diels-Alder开裂：具有环己烯结构类型的化合物可发生此类裂解，一般形成一个共轭二烯正离子和一个烯烃中性碎片：五、重排离子上页下页回主目录结束2020/2/2535在质谱图中，分子离子峰应该是最高质荷比的离子峰（同位素离子除外）。氮规则:凡不含氮原子或只含偶数个氮原子的有机分子，其分子量必为偶数；而含奇数个氮原子的分子，其分子量必为奇数。凡不符合此规律的质谱峰都不是分子离子峰。第四节分子离子峰的识别CH3NO2m/e137(M+)CH3CH2CH2COOHm/e88(M+)上页下页回主目录结束2020/2/2536与邻近的峰相差是否合理:分子离子不可能裂解出三个以上的氢原子和小于一个甲基的基团，故分子离子峰的左面不可能出现小于3～14个质量单位的峰。第四节分子离子峰的识别上页下页回主目录结束2020/2/2537第五节质谱图解析上页下页回主目录结束2020/2/2538第五节质谱图解析分子式的测定分子离子峰的确认分子离子的稳定性规律芳香族环共轭链烯脂环化合物烯烃直链烷烃硫醇酮胺酯醚酸支链烷烃醇分子离子越稳定，则峰越强上页下页回主目录结束2020