复旦仪器分析课件06质谱法

第十五章质谱法1massspectrometryMS•利用多种离子化技术，将物质分子转化为离子，按其质荷比的差异分离测定，进行物质的成分和结构分析的方法。获得的信息用途质量数相对分子量分子离子峰碎片离子峰裂解方式和分子结构的关系同位素峰强比推测Cl、Br、S等原子数23特点灵敏度高响应时间短，扫描速度快易于实现和色谱的联用信息量丰富，应用范围广不受试样物态限制质谱图解析方便4第一节质谱法的基本原理和质谱仪样品导入系统离子源质量分析器检测器数据记录及处理真空系统5一、质谱法的基本原理离子化技术ionization质量分析器m/z峰位—定性相对丰度—定量质谱图相对丰度（基峰）质荷比二、质谱法的表示方法221mvzV三、质谱仪6（一）高真空系统维持真空度10-4～10-6Pa避免离子散射、降低本底和记忆效应（二）样品导入系统2.直接进样：固体、液体3.色谱联用：1.间接式进样：气体、易挥发样品导入系统离子源质量分析器检测器数据记录及处理真空系统三、质谱仪7（三）离子源使被分析物质离子化并使其具有一定能量“硬”电离和“软”电离电子轰击化学电离快原子轰击大气压基质辅助激光1.电子轰击源electronimpactsource;EI810～20eVM+e（高速）M+.+2e（低速）70eV碎片离子质量分析器优点：硬电离方式，电离效率高重现性好，有谱库灵敏度高，有碎片离子，信息量丰富缺点：离子化能量高，得不到分子离子峰不适合于难挥发、热不稳定化合物2.化学电离源chemicalionizationsource;CI9优点：软电离方式，图谱简单，易于识别准分子离子峰大，可推测分子量易获得有关化合物基团信息缺点：所得图谱与实验条件有关，不易制作标准图谱碎片离子少，缺乏结构信息不适合于难挥发、热不稳定化合物质量分析器ionizationMMH+/M+1CH4+.CH4CH4CH5+.10两种离子源质谱图的比较2.快原子轰击离子源fastatombombardmentionizationsource;FAB11优点：较强的分子离子/准分子离子，获得分子量信息适合于强极性，热不稳定化合物，生物分子等的测定缺点：重现性较差非极性样品灵敏度下降质量分析器Ar（快原子）轰击样品MH+、[2M+H]+、[M+G+H]+等电场4.大气压电离源atmosphericpressureionization;API125.基质辅助激光解析电离源matrix-assistedlaserdesorptionionizationsource;MALDIESIAPCIAPPI（四）质量分析器massanalyser13将离子源中形成的离子按质荷比的差异进行分离1.磁分析器单聚焦双聚焦单聚焦质量分析器14VRHz2m22质量色散、方向聚焦双聚焦质量分析器质量、能量双聚焦离子源收集器2.四极杆质量分析器15yx-(U+Vcost)+(U+Vcost)传输效率高，扫描速度快，有利于与色谱联用分辨率低、质量范围窄、不能提供亚稳离子信息3.离子阱质量分析器16（五）离子检测器1.质量范围17电子倍增管将微弱的离子流信号接收并放大（六）质谱仪的主要性能指标四极杆：10～1000amu磁质谱：1～10000amu2.分辨率3.灵敏度4.质量准确度18M-M0m×106（ppm）绝对灵敏度、相对灵敏度分析灵敏度：S/N主要性能指标1.质量范围2.分辨率3.灵敏度4.质量准确度R=m2-m1m1m1m2第二节质谱中的主要离子及其裂解类型一、质谱中的主要离子19分子离子碎片离子同位素离子亚稳离子NNNNH2NH2H2Nm/z（二）碎片离子裂解M+.碎片离子化合物结构信息－eM质谱中的主要离子（一）分子离子－eM+.M相对分子质量位于质荷比最高端（三）亚稳离子21在离子源中裂解m+1m+2+中性碎片前体离子产物离子在飞行途中裂解m+1m*+中性碎片前体离子亚稳离子峰强小，峰钝在小于位置出现质荷比不为整数m+2裂解规律，有助于解析复杂图谱质谱中的主要离子亚稳离子与前体离子和产物离子的“母子亲缘”关系：2.591088028.94123108222122)(*mmm例：m/z94.8和59.2出现两个亚稳离子峰m*94.8108123m*59.280108（四）同位素离子同位素13C/12C2H/1H34S/32S37Cl/35Cl81Br/79Br丰度比1.120.0154.4431.9897.2823重质同位素与轻质同位素的峰强比M1MM2MH35ClH37Cl分子中某些基团/元素及其原子数目的信息质谱中的主要离子同位素离子峰强比可判断是否含有该元素24含n个氯原子同位素峰强比可由(a+b)n求出a轻质同位素b重质同位素例：分子中含有三个氯原子：n=3、a=3、b=1代入：(a+b)3＝3a2b＋3ab2＋b3＝27＋27＋9＋1MM＋2M＋4M＋6含1个氯原子M:(M+2)=100:323:125二、阳离子的裂解类型裂解类型单电子转移两个电子转移OEEE＋＋单纯开裂重排开裂复杂开裂符号（一）单纯开裂仅一个化学键发生断裂称单纯开裂1.均裂2.异裂26X－Y→X＋YR1R2C＝O＋均裂R2－C≡O＋R1＋X－Y→X＋＋Y-R1R2C＝O＋异裂R2－C＝O＋R1＋3.半异裂27半异裂X＋Y→X＋＋Y－CH3CH3－C－C2H5CH3＋CH3CH3－CCH3＋+C2H5（二）重排开裂通过断裂两个或两个以上化学键重新排列形成某些离子28ABCD重排开裂AD（重排离子）＋BC（中性分子）＋＋McLafferty重排逆Diels－Alder重排1.McLafferty重排29CH3CH2CH2CCH3OMcLafferty重排•通式30化合物含不饱和中心且与这个基团相连的键上具有氢化合物：-C=O、-C=N、-C=C、-C=SRCH2CH2CH2CRORRR2.逆Diels－Alder重排+31丁二烯离子中性分子Diels－Alder反应：第三节质谱分析法32一、分子式的确定一般而言当有同位素峰时样品分子稳定性特定结构分子离子峰同位素离子峰碎片离子峰/亚稳离子峰重排离子峰m/z1.符合氮数规律（氮律）化合物分子离子峰的质量数C、H、O偶数C、H、O、N（奇数个）奇数C、H、O、N（偶数个）偶数33e.g.在m/z299的分子离子峰化合物一定有奇数个氮(1,3,5…)e.g.在m/z300的分子离子峰化合物含有偶数个氮(0,2,4…)（一）分子离子峰的识别2.稳定性顺序343.质量差是否合理4.改变试验条件5.考虑M＋1和M－1峰分子离子峰与邻近碎片离子的质量差CnH2n+1NNNNH2NH2H2Nm/z芳香族共轭链烯脂环烯烃直链烷烃硫醇酮胺酯醚酸支链烷烃醇（二）相对分子量的测定分子离子峰质荷比相对分子量35由离子中丰度最大的同位素质量计算分子中各元素同位素质量的加权平均值（三）分子式的确定1.由低分辨仪器测得同位素相对丰度法36m/z114M+1M=113=7.7%M+2M=0.0613=0.46%分子式M＋1M＋2C6H10O26.720.59C6H14N27.470.24C7H14O7.830.47C7H2N28.360.34Beynon表（三）分子式的确定2.由高分辨仪器测得精确质量数据库质量数编号分子式实测值1261C9H4NO126.0328022C2H2N6O126.0327993C4H4N3O2126.0327974C6H6O3126.0327993738二、有机化合物的结构鉴定（一）几类有机化合物的质谱1.烃类烷烃分子离子峰较弱m/z相差14m/z43,57峰较大分支处先裂解39分子离子稳定，较强m/z相差14易发生开裂具重排(麦氏)离子峰十四烯－1质谱图CH2=CH-(CH2)10-CH3+CH2=CH-CH2m/e196m/e41+（）烯烃40分子离子稳定，较强烷基取代易开裂，生成卓鎓离子卓鎓离子进一步裂解m/z91m/z65m/z39m/z91芳烃41烷基苯能发生裂解具氢时，麦氏重排m/z39m/z51m/z77m/z92烷基取代苯的特征离子峰422.饱和脂肪醇C2H5OH主要特征离子峰m/z31+14nm/zM-18m/z31、45、59433.醛与酮COCH3H3C壬醛C8H17CHO444.酸与酯类608873455.含氮化合物三乙胺M=10146（二）有机化合物质谱解析1.确认分子离子峰，确定相对分子量2.推测可能的类别，是否有丰度高的同位素元素3.由同位素丰度/高分辨仪器确定分子式4.计算不饱和度，确定是否含有芳环或双键5.解析峰间关系，判断分子性质并进行归属6.结合其他信息，给出可能的结构7.筛选验证，推定结构式47例:•正庚酮有3种异构体（庚酮－2、庚酮－3、庚酮－4），试根据质谱信息推测其类型57728511429相对强度9943H3C－C－C5H11O7171H7C3－C－C3H7O8557H5C2－C－C4H9O48相对强度4391108150150(M)100150(M+1)9.9152(M+2)0.9计算不饱和度U=5例15-1C9H10O2质谱图一个苯环和一个双键49图谱解析相对强度4391108150150(M)100150(M+1)9.9152(M+2)0.9516579分子离子峰强，m/z91较强碎片离子峰，m/z65，51m/z65m/z91CH2m/z51CH3CO+C9H10O2m/z4350图谱解析CH2OCCH2OHCH2OHH2CCOm/z108OHHH-H+m/z79扩环CH2m/z91－CH≡CHm/z65－CH≡CHm/z51相对强度4391108150150(M)100150(M+1)9.9152(M+2)0.9516579C9H10O2第四节综合解析（一）分子式的确定元素分析质谱法核磁共振51一、解析程序（二）结构单元和未知物的确定了解样品来源、理化性质各谱特征信息，推断结构单元计算不饱和度，推断可能的结构验证：裂解规律、标准图谱等52例：某化合物的波谱图及数据UV：max275nm12二、解析示例确定分子式分子式M＋1M＋2C6H10O26.720.59C6H14N27.470.24C7H14O7.830.47C7H2N28.360.3453m/z114M+1M=113=7.7%M+2M=0.0613=0.46%MSBeynon表计算不饱和度54U=(2+2n4+n3-n1)/2=(2+2×7-14)/2=1有一个双键或脂环C7H14OUV：max275nm1255UV有n*无共轭结构－C＝OIR1709cm-1c=o未见醛基特征峰脂肪酮NMR1H谱，三组质子0.86(t)2.37(t)1.57(s)CH3-CH2-CH2-CO-0.861.572.37确定单元结构C7H14O56考察剩余单元结构相同化学环境对称性CH3-CH2-CH2-初步确定结构式CH3-CH2-CH2-C-CH2-CH2-CH3‖O庚酮－4验证：裂解规律57异裂均裂