質(zhì)譜分析方法解析課件

1、第十四章 質(zhì)譜分析法與二次離子質(zhì)譜分析法第一節(jié) 質(zhì)譜分析法基礎(chǔ)第二節(jié) 質(zhì)譜分析法的應(yīng)用第三節(jié) 二次離子質(zhì)譜分析法氣體、液體或固體樣品在進(jìn)樣系統(tǒng)氣化后進(jìn)入電離室，受到一定能量(8-100eV)的電子束轟擊后發(fā)生電離，大多數(shù)的分子失去一個(gè)電子產(chǎn)生帶一個(gè)正電荷的分子離子。如果電子束能量較高，分子離子還可以進(jìn)一步裂解為碎片離子。質(zhì)譜原理第一節(jié) 質(zhì)譜分析法基礎(chǔ) 樣品分子離子（分子離子，碎片離子）電離過程 離子源 離子質(zhì)譜質(zhì)量分離過程 質(zhì)量分析器外部能量按m/e分離 分子離子碎片離子一般意義的質(zhì)譜EIMS標(biāo)準(zhǔn)譜庫是70eV電子轟擊下產(chǎn)生的EIMS譜分子結(jié)構(gòu)離子真空系統(tǒng)進(jìn)樣系統(tǒng)檢測器數(shù)據(jù)系統(tǒng)質(zhì)量分析器離子源

2、大氣壓質(zhì)譜儀的基本結(jié)構(gòu)質(zhì)譜是重要的分析，應(yīng)用相當(dāng)廣泛，其特點(diǎn)可以概括為：Sensitivity （靈敏，樣品可為pg-mg）Speed （快速）Specificity （特性識(shí)別）Stoichiometry （化學(xué)計(jì)量）質(zhì)譜法與其他主要分析方法靈敏度的比較分析方法 檢測靈敏度（g）NMR10-310-5IR10-610-7GC10-610-13UV10-610-7MS10-1110-12快速（幾分鐘完成一次測試）； 直觀性好：提供分子量信息、結(jié)構(gòu)信息（碎片 離子）；高分辨質(zhì)譜可以提供元素組成(分子式)；適用性廣：氣體、液體、固體；混合物可以通過色譜 /質(zhì)譜聯(lián)用功能及串聯(lián)質(zhì)譜功能分離鑒定；應(yīng)用范

3、圍寬：分析化學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域；可以有效地與多種色譜技術(shù)聯(lián)用，如 GC/MS, LC/MS, CE/MS等；自身的串聯(lián) MSn 破壞性分析：需汽化、電離； 儀器較昂貴、復(fù)雜。 有機(jī)質(zhì)譜是鑒定有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的重要方法，它不僅能提供分子量，還可以通過測量精確質(zhì)量確定分子式。 20世紀(jì)80年代以來，有機(jī)質(zhì)譜分析技術(shù)獲得迅速發(fā)展，相繼發(fā)明了快原子轟擊FAB 、電噴霧電離ESI和基質(zhì)輔助激光解吸電離MALDI等軟電離技術(shù)，使得質(zhì)譜的應(yīng)用擴(kuò)大到生物大分子的研究領(lǐng)域。 2002年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者 庫爾特維特里希（瑞士）Kurt Wuethrich, 1938 田中耕一（日本）Koichi Tanaka，1959

4、 約翰B芬恩John Fenn, 1917（美國）確定溶液中生物大分子三維結(jié)構(gòu)的核磁共振技術(shù) 發(fā)明軟激光解吸附作用技術(shù)MALDI對(duì)生物大分子進(jìn)行質(zhì)譜分析 發(fā)明電噴霧離子法ESI對(duì)生物大分子進(jìn)行確認(rèn)和結(jié)構(gòu)分析 什么是質(zhì)譜？質(zhì)譜是按順序記錄各種質(zhì)荷比（m/e或m/z）離子相對(duì)豐度的譜圖。質(zhì)譜含有樣品分子或原子的質(zhì)量信息。質(zhì)譜圖可以給出大量的結(jié)構(gòu)信息，因此質(zhì)譜圖是化合物的一種化學(xué)指紋圖譜。質(zhì)譜圖和質(zhì)譜裂解表示法1、質(zhì)譜圖表示法 通過先選擇圖中最強(qiáng)的峰，把它的強(qiáng)度定為100%，這個(gè)峰稱為基峰。其它離子峰強(qiáng)度與基峰作相對(duì)比較，所得出的相對(duì)強(qiáng)度，便稱為豐度。以(m/e)和相對(duì)豐度作圖便得到了通常的質(zhì)譜圖。

5、2、質(zhì)譜圖的裂解表示法（1）正電荷表示法正電荷用“+”或“+”表示，分別對(duì)應(yīng)離子含有偶數(shù)和奇數(shù)個(gè)電子。（2）判斷原則3、電子轉(zhuǎn)移表示法（通常在共價(jià)鍵或雜原子上有兩種）從共價(jià)鍵的電子轉(zhuǎn)移來看有三種方式 在 EI 質(zhì)譜圖中，除分子離子峰外，還有極豐富的碎片離子，為進(jìn)一步確定化合物的結(jié)構(gòu)要詳細(xì)分析碎片離子的形成過程，離子與碎片離子之間的相互關(guān)系（親緣關(guān)系）及各種離子的豐度。 質(zhì)譜反應(yīng)屬單分子反應(yīng) （高真空使雙分子（或離子分子）或其它碰撞反應(yīng)不能發(fā)生）。 在 EI 條件下，由于多余的轟擊能量的作用，形成的分子離子 M+ 將進(jìn)行單分子分解反應(yīng)，產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)碎片離子，碎片離子再產(chǎn)生二級(jí)碎片離子，全部離子

6、就構(gòu)成質(zhì)譜圖中的碎片離子。三、碎片離子及其斷裂規(guī)律1、含雜原子的官能團(tuán)的 -裂解 由于羰基不成鍵電子的電離能小于電子及電子的電離能，在生成分子離子時(shí)，是羰基的氧原子的不成鍵電子脫掉：接著，電子往缺少電子的原子遷移而產(chǎn)生-裂解例1 正十一酸甲酯 對(duì)于一個(gè)未知物，假如在其質(zhì)譜圖中， 發(fā)現(xiàn)有 m/z 74 峰，那么，就可大膽地認(rèn)為它便是一個(gè)甲酯類化合物，而且 位無任何取代基。2、產(chǎn)生穩(wěn)定離子的開裂 在譜圖上無分子離子。有支鏈的飽和環(huán)烷烴，由于環(huán)穩(wěn)定，最容易失去側(cè)鏈。3、烷烴的開裂烷烴生成CnH2n+1的一系列奇質(zhì)量的離子烷烴容易脫離CH2，圖譜上出現(xiàn)一系列質(zhì)荷比差14的峰。在烷、烯和一些芳烴中，常會(huì)

7、發(fā)生Random重排。4、脫離小分子的開裂 5、經(jīng)過“六員環(huán)”遷移狀態(tài)的開裂（麥?zhǔn)现嘏牛準(zhǔn)现嘏诺诙?jié) 質(zhì)譜分析法的應(yīng)用一、分子離子和分子離子峰的判斷分子離子：在 EI 條件下，與分子量相對(duì)應(yīng)的峰稱為分子離子峰， 用 M+ 表示。它是奇電子離子；用軟電離方法，如 FAB、CI、MALDI 及 ESI（單電荷）條件下，與分子量 相對(duì)應(yīng)的峰，稱準(zhǔn)分子離子峰，也稱質(zhì)子化分子，用 (MH)+表示。奇電子離子：帶有未成對(duì)電子的分子離子或碎片離子稱奇電子離子,以 OE+ 表示。偶電子離子：外層電子完全成對(duì)的離子稱為偶電子離子用 EE+ 表示?；澹嘿|(zhì)譜中相對(duì)強(qiáng)度最大的峰稱為基峰，將它的強(qiáng)度規(guī)定為100 ，

8、 其它峰的強(qiáng)度以它為基準(zhǔn)，得到的百分比就是其它峰的相對(duì)強(qiáng)度。中性碎片的丟失：丟失的中性碎片指分子離子與高質(zhì)量數(shù)區(qū)域的一些 碎片峰的 m/e 的差值。中性碎片可以是中性分子或 者自由基。也就是說，分子離子可以丟失中性的自 由基形成偶電子離子，也可以丟失中性分子形成奇 電子離子。氮規(guī)則（或稱 N 律）：如果化合物不含氮或含偶數(shù)個(gè)氮原子，則其分子離子的質(zhì)量將是偶數(shù)。如果化合物含有奇數(shù)個(gè)氮原子，則其分子離子的質(zhì)量將是奇數(shù)。這個(gè)規(guī)則不僅適用于分子離子，而且也適用于所有離子。因此，氮律也可概括如下：若含有偶數(shù)個(gè)氮原子的奇電子離子，其質(zhì)量數(shù)必將是偶數(shù)；同理，含有 偶數(shù)個(gè)氮原子的偶電子離子，其質(zhì)量數(shù)必將是奇數(shù)

9、。1.分子離子峰的判斷用質(zhì)譜法確定分子式，首先要正確判斷分子離子峰。分子離子峰的必要條件是：必須是奇電子離子，當(dāng)然也必須符合N規(guī)則。必須是譜圖中除同位素以外的最高質(zhì)量的離子。必須能夠通過丟失合理的中性碎片，產(chǎn)生譜圖中高質(zhì)量區(qū)的重要離子。如果具備了這三個(gè)條件，它可能是分子離子峰，但也可能不是；但如果這三條中任何一條不符合，它一定不是分子離子峰。所以說，這三條是必要條件，但不是充分條件。所謂丟失合理的中性碎片是指分子離子峰的質(zhì)量數(shù)與其相鄰的次一個(gè)峰質(zhì)量數(shù)之差（即丟失的中性碎片的質(zhì)量）不能在 4 13和 21 25 的范圍內(nèi)。應(yīng)注意，在測定質(zhì)譜時(shí)，如果離子源內(nèi)樣品壓力較高時(shí)，有些化合物，如酮、醛、胺

10、、醚、酯、醇等有可能出現(xiàn)(M+1)+。因此，在確定分子離子峰時(shí)，要特別小心。最大質(zhì)量數(shù)100，不含N（或含偶數(shù)N）；100 85 = 15，合理中性碎片。因此，m/e 100 可能是M+。2、分子離子峰的豐度和結(jié)構(gòu)的關(guān)系3、改變實(shí)驗(yàn)條件檢驗(yàn)分子離子峰分子離子峰如使用CI產(chǎn)生MH+離子，以得到醇、長鏈胺、酯的分子離子峰。對(duì)胺基水楊酸的分子離子峰不易出現(xiàn)，變成甲酯后，分子離子峰就很明顯。（4）采用直接進(jìn)樣法（適應(yīng)于分子量800或難揮發(fā)的化合物）。（5）降低樣品氣化溫度。（防止化合物高溫下開裂，使分子離子峰明顯） 同位素的概念：化學(xué)性質(zhì)基本相同，而質(zhì)量不同的原子叫做同位素。除I、F、P外，所有元素都

11、有天然同位素。 具有穩(wěn)定同位素的化合物的質(zhì)譜圖有其明顯的特征：簇離子峰中峰的數(shù)目、相對(duì)強(qiáng)度正好與同位素的個(gè)數(shù)、相對(duì)豐度相對(duì)應(yīng)。（可用來推測化合物的分子式）二、利用質(zhì)譜確定分子式可分為同位素豐度法和高分辨質(zhì)譜法兩種。1、同位素豐度法有機(jī)質(zhì)譜中常見元素的天然同位素豐度100127I97.381Br10079Br32.037Cl10035Cl4.534S0.8033S10032S10031P3.430Si5.129Si10028Si10019F0.2018O0.0417O10016O0.3715N10014N1.113C10012C0.0122H1001H豐度 %元素豐度 %元素豐度 %元素A+2A

12、+1A元素類型AA+1A+1A+2AA+2AA+2A+2A+2A1、判斷只含C、H、O、N的化合物的分子式對(duì)簡單的烴類（只含C和H）：C原子個(gè)數(shù)將M看做100對(duì)復(fù)雜的烴類（如 ） ：只含C、H、O、N的化合式可以查貝農(nóng)表。根據(jù)各元素同位素的豐度比可推測到可能的分子式。13C的自然豐度為1.1% S、Cl、Br 的第二個(gè)同位素比豐度最大的同位素重2個(gè)質(zhì)量單位，而且重同位素的豐度很高，在質(zhì)譜圖中具有明顯的特征，可依此判斷這些元素的存在。2、確定分子中是否含Cl、Br、S等雜原子 氯在天然界存在兩個(gè)同位素35Cl 和 37Cl。設(shè)35Cl 的天然豐度100%，37Cl的相對(duì)天然豐度為32.5%。如果

13、含2個(gè)氯原子的離子，將按 100%：65%：10.6% 的比例產(chǎn)生3個(gè)峰，每個(gè)峰之間相差2u.1、含有n個(gè)相同鹵原子時(shí)，同位素的離子峰的相對(duì)豐度可用二項(xiàng)式(a+b)n展開式中各項(xiàng)之比來表示。式中a為較輕鹵素同位素的自然豐度，b為較重同位素的自然豐度，n為分子中鹵素的原子數(shù)目。例：計(jì)算CHCl3的分子離子簇相對(duì)豐度比2、含有不同鹵原子時(shí)（比如兩種時(shí)），同位素離子峰的相對(duì)豐度可用二項(xiàng)式(a+b)m(c+d)n展開式中各項(xiàng)之比來表示。式中a、b意義同前，c、d為另一鹵素的同位素相對(duì)豐度，m、n為分子中各鹵素的原子數(shù)目。2. 高分辨質(zhì)譜法依據(jù)：當(dāng)以12C=12.000 000為基準(zhǔn)時(shí)，其它原子的相對(duì)原子質(zhì)量嚴(yán)格講不為整數(shù)。利用高分辨質(zhì)譜儀測定的質(zhì)量數(shù)可準(zhǔn)確到小數(shù)點(diǎn)后46位，符合這種精度的分子式數(shù)目大大減少，結(jié)合其它信息并和計(jì)算機(jī)聯(lián)用后，可對(duì)最合理的分子式作出準(zhǔn)確判斷。【例】某化合物質(zhì)譜分子離子區(qū)域強(qiáng)度分布如下，求它的分子式。解 設(shè)分子式為CwHxNyOz計(jì)算 C 原子數(shù)目：w 10.351.1 9