儀器分析-波譜解析

有機(jī)結(jié)構(gòu)波譜分析

質(zhì)譜

MassSpectrum,MS有機(jī)質(zhì)譜

OrganicMassSpectra,OMS質(zhì)譜學(xué)

MassSpectrometry質(zhì)譜計(jì)

MassSpectrometer有機(jī)質(zhì)譜質(zhì)譜計(jì)構(gòu)造、離子化的方法、質(zhì)量分析器、質(zhì)譜計(jì)簡(jiǎn)介質(zhì)譜基本知識(shí)

質(zhì)譜術(shù)語(yǔ)、質(zhì)譜中的離子、分子離子與分子式有機(jī)質(zhì)譜中的裂解反應(yīng)

研究裂解反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法、有機(jī)質(zhì)譜裂解反應(yīng)機(jī)理質(zhì)譜解析及應(yīng)用

質(zhì)譜計(jì)各類(lèi)有機(jī)化合物的質(zhì)譜E.DHoffmam,J.Charette,V.Stroobant,MassSpectrometry,PrenciplesandApplications,JohnWiley&Sons,1996.F.W.McLafferty:InterpretationofMassSpectra,3rdedMillValley:Calif.Univ.Sci.Books.1980練振瓊:有機(jī)質(zhì)譜解析四川大學(xué)出版社1990叢浦珠:質(zhì)譜學(xué)在天然有機(jī)化學(xué)中的應(yīng)用科學(xué)出版社1987主要參考書(shū)：寧永成，有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)鑒定與有機(jī)波譜學(xué)，科學(xué)出版社，2002。1898W.Wien

發(fā)現(xiàn)帶正電荷的離子束在磁場(chǎng)中發(fā)生偏轉(zhuǎn)。1910J.J.Thompson

使用簡(jiǎn)單的電場(chǎng)-磁場(chǎng)組合裝置,獲得了拋物線族的質(zhì)譜,證明了20Ne,22Ne兩種同位素的存在。1918

A.J.Dempster

采用電子轟擊技術(shù)使分子離子化。1919F.W.Aston

制得了第一臺(tái)速度聚焦質(zhì)譜儀。提出每種同位素的質(zhì)子和中子在結(jié)合成原子核時(shí),具有特定的質(zhì)量虧損(并非整數(shù)值)。1942商品MS出現(xiàn),用于石油精煉和橡膠工業(yè)。發(fā)展史：◆質(zhì)譜不屬波譜范圍◆質(zhì)譜圖與電磁波的波長(zhǎng)和分子內(nèi)某種物理量的改變無(wú)關(guān)◆質(zhì)譜是分子離子及碎片離子的質(zhì)量與其相對(duì)強(qiáng)度的譜,譜圖與分子結(jié)構(gòu)有關(guān)◆質(zhì)譜法進(jìn)樣量少,靈敏度高,分析速度快◆質(zhì)譜是唯一可以給出分子量,確定分子式的方法,而分子式的確定對(duì)化合物的結(jié)構(gòu)鑒定是至關(guān)重要的。

特點(diǎn)：計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)真空系統(tǒng)加速區(qū)進(jìn)樣系統(tǒng)離子源質(zhì)量分析器檢測(cè)器

質(zhì)譜計(jì)框圖質(zhì)譜計(jì)構(gòu)造離子源和質(zhì)量分析器的壓力在10–4~10–5Pa和10–5~10–6Pa。大量氧會(huì)燒壞離子源的燈絲；用作加速離子的幾千伏高壓會(huì)引起放電；引起額外的離子－分子反應(yīng)，改變裂解模型，譜圖復(fù)雜化。真空系統(tǒng):進(jìn)樣系統(tǒng)◆在不破壞真空度的情況下，使樣品進(jìn)入離子源◆氣體可通過(guò)儲(chǔ)氣器進(jìn)入離子源◆易揮發(fā)的液體，在進(jìn)樣系統(tǒng)內(nèi)汽化后進(jìn)入離子源◆難揮發(fā)的液體或固體樣品，通過(guò)探針直接插入離子源。SampleIntroduction:

GasChromatography-MS(GC-MS)GCoutputtomassspectrometerSamplealreadyingasphaseSampleIntroduction:

DirectInsertionProbe(DIP)DirectinsertionprobeConceptuallyveryeasy,practicallyverytrickySampleIntroduction:

LiquidChromatography-MS(LC-MS)DirectinfusionofsampleinsolutionSyringepump:slowsteadyinfusionOutputfromHPLCSeparationandidentificationofcomponentsVastmajorityofsolutionissolventMustremovesolventto“see”analyteHistorically:extrapumpingandheatingApplicabletoelectrosprayionisationESI:seelater離子源分子失去電子，生成帶正電荷的分子離子

分子離子可進(jìn)一步裂解，生成質(zhì)量更小的碎片離子

M+eM+.+2eM-.

小于1%M+.A+.++B+CD++.

中性分子或碎片R.50-70eV

離子源與高真空系統(tǒng)連接．小分子，中性碎片，自由基被抽出.

在離子源的出口，對(duì)離子施加一個(gè)加速電壓(1000~8000eV),加速后的通過(guò)狹縫，直線射入質(zhì)量分析器。離子加速電壓值因質(zhì)量分析器不同而不同。離子化的方法下面進(jìn)一步介紹

質(zhì)量分析器

◆質(zhì)量分析器是質(zhì)譜計(jì)的核心◆不同類(lèi)型的質(zhì)量分析器構(gòu)成不同類(lèi)型的質(zhì)譜計(jì)◆不同類(lèi)型的質(zhì)譜計(jì)其功能，應(yīng)用范圍，原理，

實(shí)驗(yàn)方法均有所不同。

下面進(jìn)一步介紹檢測(cè)記錄系統(tǒng)

質(zhì)量分析器分離并加以聚焦的離子束，按m/z的大小依次通過(guò)狹縫，到達(dá)收集器。經(jīng)接收放大后被記錄。離子化的方法電子轟擊電離ElectronImpactIonization,EI化學(xué)離子化ChemicalIonization,CI場(chǎng)電離，場(chǎng)解吸FieldIonizationFD,FieldDesorptionFD快原子轟擊FastAtomBombardment,FAB基質(zhì)輔助激光解析電離Matrix-AssistedLaserDesorptionIonization,MALDI電噴霧電離ElectrosprayIonization,ESI大氣壓化學(xué)電離AtmosphericPressureChemicalIonization,APCI電子轟擊電離EI電子轟擊電離又稱為電子轟擊，或電子電離。是應(yīng)用最普遍，發(fā)展最成熟的電離方法。轟擊電壓50-70eV,有機(jī)分子的電離電位一般為7-15eV?？商峁┴S富的結(jié)構(gòu)信息。有些化合物的分子離子不出現(xiàn)或很弱

++++:R1:R2:R3:R4:e+M+(M-R2)+(M-R3)+MassSpectrometer(M-R1)+電子轟擊電離

ElectronImpact（EI）

離子室內(nèi)的反應(yīng)氣（甲烷等；10~100Pa，樣品的103~105倍），電子（100~240eV）轟擊，產(chǎn)生離子，再與試樣分離碰撞，產(chǎn)生準(zhǔn)分子離子。最強(qiáng)峰為準(zhǔn)分子離子；譜圖簡(jiǎn)單；不適用難揮發(fā)試樣；++氣體分子試樣分子+準(zhǔn)分子離子電子(M+1)+;(M+17)+;(M+29)+;化學(xué)電離

（ChemicalIonization，CI）化學(xué)電離CI小分子如CH4,(CH3)2CH等。以CH4為例CH4+e→CH4+·+2e(46%)

CH3+(39%)

CH2+·(7%)初級(jí)離子:CH4+·,

CH3+,CH2+·CH4+·+CH4→CH5++CH3·(48%)CH3++CH4→C2H5++H2(41%)

CH2+·+2CH4→C3H5++2H2(6%)

······CH5+,C2H5+,C3H5+

等為穩(wěn)定的次級(jí)離子。準(zhǔn)分子離子[QM]+

M+CH5+→[MH]+

+CH4

M+C2H5+→[MH]++C2H4

M+C2H5+→[MH]++C2H6

IonisationMethods:

ChemicalIonisation(CI)SofterthanEI:muchlessfragmentationMethaneionisedbyEI:OthergasesmaybeusedRelativelyhighpressure?0.5mmHgBimolecularcollisionsCH5+behavesas“superacid”IonisationMethods:

ChargeTransferinCICH5+protonatessample:e.g.Massdetectedis[M+H]+Notaradicalcation:c.f.EIEI&CI:applicabletolowMWanalytesi.elessthanapproximately800Daltons場(chǎng)致電離FieldIonization

FieldDesorption（FI，F(xiàn)D）電壓：7-10kV；d<1mm；強(qiáng)電場(chǎng)將分子中拉出一個(gè)電子；分子離子峰強(qiáng)；碎片離子峰少；不適合化合物結(jié)構(gòu)鑒定；陽(yáng)極+++++++++++++陰極d<1mm場(chǎng)電離FI

當(dāng)樣品蒸汽接近或接觸帶高正電位的金屬針時(shí)，在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下發(fā)生電離。要求樣品分子處于氣態(tài)，靈敏度不高，應(yīng)用逐漸減少。場(chǎng)解吸FD

樣品不需汽化,預(yù)先附在處理好的場(chǎng)離子發(fā)射體上,送入離子源,然后通以微弱電流,使樣品分子從發(fā)射體上解吸下來(lái),并擴(kuò)散至高場(chǎng)強(qiáng)的場(chǎng)發(fā)射區(qū),進(jìn)行離子化。

適用于難汽化,熱不穩(wěn)定的樣品.如:糖類(lèi)，肽類(lèi)，金屬有機(jī)化合物，聚合物等?？煸愚Z擊（FAB）

惰性氣體Ar或Xe的原子首先被電離并被加速，使之具有高的動(dòng)能，在原子槍(atomgun)內(nèi)進(jìn)行電荷交換反應(yīng)：

Ar+（高動(dòng)能的）+Ar（熱運(yùn)動(dòng)的）→Ar（高動(dòng)能的）+Ar+（熱運(yùn)動(dòng)的）高動(dòng)能的Ar或Xe原子束再轟擊樣品分子使其離子化

FAB是目前廣泛使用的軟電離技術(shù)，適用于難汽化,極性強(qiáng)的大分子。樣品用基質(zhì)調(diào)節(jié)后黏附在靶物上。

常用的基質(zhì)有甘油，硫代甘油，3-硝基芐醇，三乙醇胺等。

注意：FAB質(zhì)譜圖中會(huì)出現(xiàn)基質(zhì)分子產(chǎn)生的相應(yīng)的峰及基質(zhì)分子與樣品分子的結(jié)合峰。

例如：3-硝基芐醇作為基質(zhì)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)m/z154(MH),136（MH–H2O）,289(MMH–H2O)的峰。利用不同離子源獲得的質(zhì)譜圖

MALDI可使熱敏感或不揮發(fā)的化合物由固相直接得到離子。

待測(cè)物質(zhì)的溶液與基質(zhì)的溶液混合后蒸發(fā)，使分析物與基質(zhì)成為晶體或半晶體，用一定波長(zhǎng)的脈沖式激光進(jìn)行照射時(shí)，基質(zhì)分子能有效的吸收激光的能量，使基質(zhì)分子和樣品分子進(jìn)入氣相并得到電離。

MALDI適用于生物大分子，如肽類(lèi)，核酸類(lèi)化合物?？傻玫椒肿与x子峰，無(wú)明顯碎片峰。此電離方式特別適合于飛行時(shí)間質(zhì)譜計(jì)。基質(zhì)輔助激光解析電離(MALDI)IonisationMethods:

MALDIMatrixAssistedLaserDesorptionIonisationSolidmatrix:e.g.dihydroxybenzoicacidMatrixabsorbsenergyatloflaserusedCausesvapourisationofmatrixandanalyteProtontransfertoanalyte(orLi,Na,K)DetectionbymassspectrometerApplicabletoMWupto12,000DandThermallylabileanalytesPolymersandbiomoleculesMinutequantitiesrequiredIonisationMethods:

SchematicofAMALDIChamberSolidsolutionMatrix/analyte/cations電噴霧電離（ESI）和大氣壓化學(xué)電離（APCI）HPLC

樣品溶液

氮?dú)忪F化通過(guò)加熱管被汽化霧化管端施加高電壓加熱管端尖端放電溶劑分子電離樣品分子電離單電荷或多電荷離子抽真空保溫層流出液在高電場(chǎng)下形成帶電噴霧，在電場(chǎng)力作用下穿過(guò)氣簾；氣簾的作用：霧化；蒸發(fā)溶劑；阻止中性溶劑分子電噴霧電離（ESI）RayleighLimitReached++++++++++-----++++++++++-----++++++--++++++--Evaporation++ChargedDroplets試樣離子準(zhǔn)分子離子AnalyteIonsSolventIonClustersSalts/IonpairsNeutrals++++++++--其他離子電噴霧電離（ESI）電噴霧電離（ESI）電噴霧電離電噴霧產(chǎn)生多電荷離子，相對(duì)分子質(zhì)量Mr計(jì)算：選相鄰峰，電荷n，n+1m1=(Mr+n)/2m2=(Mr+n+1)/(n+1)計(jì)算結(jié)果如表。不適用于非極性化合物質(zhì)量分析器MassAnalysersSeparateionsaccordingtom/zratioFivebasictypesofanalyser: 1) Magneticsector(electrostatic) 2) Quadrupole 3) Iontraps 4) Timeofflight 5) FTICRMassAnalysers:

FactorstoConsiderUppermasslimit:Highestm/zthatcanbedetectedMaybeoffsetbymultiplechargesResolution:Distinctsignalsforsimilarm/zratiosTransmission:Ratioofionsreachingdetector:ionsproducedCostMassAnalysers:

Resolution(ResolvingPower)Abilitytoresolvetwosignalsofsimilarm/zResolvedifvalleyis<10%Higherresolution:greateraccuracye.g.R=20,000:

Separate m/z100.0000 from m/z100.0050Accuracyneeded:HighResolutionMassSpectrometry(HRMS)DetermineelementalcompositionofanionVitaltoconfirmstructureMassAnalysers:

HighResolutionMassSpectrometryHRMSoraccuratemassdeterminationDetermineselementalcompositionConsidertwoions: 1) [C24H19N]+: nominalmass:321 2) [C21H23NS]+: nominalmass:321UsingC=12,H=1,N=14andS=32Canwedifferentiatethesetwoions?NeedtocalculatethemonoisotopicaccuratemassMassAnalysers:

HRMS:AnExampleExactmassofmostabundantisotope(monoisotpoic)C=12.0000,H=1.0078,N=14.0031,S=31.9721 1) [C24H19N]+:accuratemass:321.1513=321/(321.1546-321.1513)=97,273MassspectrometerwithR?100,000candistinguishbetweenthesetwoions2) [C21H23NS]+:accuratemass321.1546R=M/DM質(zhì)量分析器

磁分析器,靜電分析器磁分析器-單聚焦質(zhì)譜計(jì)只有一扇形磁場(chǎng)的質(zhì)量分析器又稱為磁分析器。

加速后離子具有一定的動(dòng)能:（），該動(dòng)能是由離子在加速電場(chǎng)獲得的電勢(shì)能（zV）轉(zhuǎn)化的。

加速后的離子進(jìn)入磁場(chǎng)，其運(yùn)動(dòng)方向(I)和磁力線的方向(B)相互垂直。

離子受到一個(gè)與其運(yùn)動(dòng)方向和磁力線的方向都垂直的力(F)的作用，三者的關(guān)系可用左手定則確定。

離子沿著I和B合力的方向運(yùn)動(dòng)，即受到磁場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)作弧形運(yùn)動(dòng)。IBF結(jié)合

，導(dǎo)出

當(dāng)儀器的狹縫固定(R=常數(shù))，B由小到大改變（掃場(chǎng)），則離子按m/z由小到大通過(guò)狹縫，到達(dá)檢測(cè)器，被收集并記錄下各質(zhì)荷比的離子的相對(duì)強(qiáng)度。

相同m/z的離子，速度相同，色散角不同，經(jīng)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后，會(huì)重新聚在一點(diǎn)上。即靜磁場(chǎng)具有方向聚焦，稱之單聚焦。

離子作弧形運(yùn)動(dòng)的離心力（）和受磁場(chǎng)作用的向心力(Bzv)大小相等。單聚焦磁場(chǎng)分析器

收集器離子源BS1S2磁場(chǎng)R方向聚焦；相同質(zhì)荷比，入射方向不同的離子會(huì)聚；分辨率不高靜電分析器+

磁分析器-雙聚焦質(zhì)譜計(jì)

靜電分析器由兩個(gè)同心圓板組成，兩圓板之間保持一定的電位差(E)。

靜電分析器加在磁分析器之前。加速后的離子在靜電分析器中,受到外斥內(nèi)吸的電場(chǎng)力(zE)的作用,迫使離子作弧形運(yùn)動(dòng)。

靜電分析器只允許具有特定能量的離子通過(guò),達(dá)到能量聚焦,提高儀器分辨率。結(jié)合，導(dǎo)出其他類(lèi)型質(zhì)量分析器雙聚焦質(zhì)譜儀體積大；色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀器的發(fā)展及儀器小型化（臺(tái)式）需要；體積小的質(zhì)量分析器：四極桿質(zhì)量分析器飛行時(shí)間質(zhì)量分析器離子阱質(zhì)量分析器體積小，操作簡(jiǎn)單；分辨率中等；四極質(zhì)量分析器–

四極質(zhì)譜計(jì)

四極質(zhì)譜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)廉，體積小，易操作，無(wú)磁滯現(xiàn)象，掃描速度快，適合于GC-MS,LC-MS。分辯率不高。+ElectronBeamABCSampleinIonBeam四極質(zhì)量分析器–

四極質(zhì)譜計(jì)

四極質(zhì)量分析器因其由四根平行的棒狀電極而得名-+相對(duì)的一對(duì)電極是等電位的

兩對(duì)電極之間的電位是相反的

離子源出來(lái)的離子到達(dá)四極質(zhì)量分析器的中心，沿z軸飛行，靠質(zhì)核比把離子分開(kāi)，到達(dá)檢測(cè)器。

四極質(zhì)譜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)廉，體積小，易操作，無(wú)磁滯現(xiàn)象，掃描速度快，適合于GC-MS,LC-MS。分辯率不高。MassAnalysers:

QuadrupoleMassAnalysersRelativelycheapandcompactLow(unit)resolutionR?2,000Uppermasslimitofm/z?4,000CanbeoffsetbyuseofESI(multiplecharges)SimpletooperateandcontrolSimpleinterfacingwithinletsystemsGC,DIP,etc.WorkhorsesofmassspectrometryMassAnalysers:Quadrupole:

GeneratingTheMassSpectrumDCandRFvoltagescauseionoscillationStableoscillation:ionspassthrough(detected)Unstableoscillation:discharged(notdetected)VaryDCandRFtodetecteachm/zinturnGeneratesmassspectrumUsedforlowMWsimpleorganicsHRMSnotpossible:R?2-4,000Unit(Dalton)resolutiononlyInterfacedwithGC:swift,reliableanalysis離子漂移管-飛行時(shí)間質(zhì)譜計(jì)

（TimeofFlighMS,TOFMS）

TOFMS的核心部分是一個(gè)無(wú)場(chǎng)的離子漂移管

加速后的離子具有相同的動(dòng)能

m/z小的離子，漂移運(yùn)動(dòng)的速度快，最先通過(guò)漂移管，到達(dá)檢測(cè)器。

m/z大的離子，漂移運(yùn)動(dòng)的速度慢，最后通過(guò)漂移管，到達(dá)檢測(cè)器。

檢測(cè)通過(guò)漂移管的時(shí)間(t)及其相應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度，可得到質(zhì)譜圖，t為或s數(shù)量級(jí)。

適合于生物大分子，靈敏度高，掃描速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分辨率隨m/z的增大而降低。飛行時(shí)間質(zhì)量分析器MassAnalysers:

TimeofFlight(TOF)Developedin1950’sPopularisedin1980’sAdvantage:nouppermasslimitDisadvantage:poorresolutionR?2-5,000Timebetweeniongeneration&detectionApproximately10-7secondsVeryfastelectronicsrequiredVerylowmaintenanceItisjustanemptytube!MassAnalysers:

SchematicDiagramofaTOFAllowedtodrifttodetectorIonsacceleratedbyelectricfieldMassAnalysers:

TOF:

Determiningm/zRatioAssumeallionshavesameKE(filters)KineticEnergy=ElectrostaticEnergy?mv2=zVv2=2zV/mTimetakentoreachdetectort=d/vd=distancetravelled,v=velocity

t2=d2/v2=md2/2zV

m/z=2Vt2/d2MassAnalysers:

TimeofFlightReflectronImprovesresolutionofTOFR?5-20,000(highenoughformostHRMS)IonsgeneratedandacceleratedasTOFInfieldfreeregiontheionsare“reflected”Slower(lessenergetic)ionspenetratereflectingfieldless:quickturnaroundFaster(moreenergetic)ionspenetratereflectingfieldmore:slowturnaroundIonsofsamem/z:detectedatsameinstantMassAnalysers:

SchematicofaTOFReflectronReflectron:KEfilter:improvedresolution傅立葉變換質(zhì)譜計(jì)

FourierTransform–MassSpectrometer,FT-MS

傅立葉變換質(zhì)譜計(jì)應(yīng)該是傅立葉變換離子回旋共振質(zhì)譜計(jì)，是受FT-NMR的啟迪。利用不同m/z的離子，在磁場(chǎng)B的作用下，各自產(chǎn)生不同的回旋頻率。若施加一射頻場(chǎng)，使其頻率等于某一m/z離子的回旋頻率，則離子就會(huì)吸收能量而激發(fā)。離子從射頻場(chǎng)吸收能量，稱之離子的回旋共振。

激發(fā)的離子運(yùn)動(dòng)速度(v)增大，運(yùn)動(dòng)軌道半徑(r)增大，稱之離子的回旋運(yùn)動(dòng)的激發(fā)。

如果磁場(chǎng)強(qiáng)度（B）一定，改變射頻場(chǎng)的頻率（）即可激發(fā)不同m/z的離子而得到質(zhì)譜。

FT-MS的核心為分析室，分析室由三對(duì)平行的極板構(gòu)成。磁力線沿z軸方向，離子的回旋運(yùn)動(dòng)垂直于z軸，在與x軸方向垂直的兩極板上施加激發(fā)射頻，在與y軸方向垂直的兩極板上檢測(cè)信號(hào)。

FT-MS分辨率極高，目前可得到精確度最高的精確質(zhì)量。

FT-MS靈密度高，質(zhì)量范圍寬，速度快，性能可靠。

MassAnalysers:FourierTransformIonCyclotronResonance:FTICRHighR(>100,000):unlimitedmassrangeApplicabletoallanalytesNotGC-MSasverylowpressuresareneededIonorbitsinacircularmagneticfieldIfmv=zBr:ionistrappedincircularpathFrequencyofthisoscillation=wc

wc=zB/mm/z=B/wc

wcisameasureofm/zVeryhighcost:€1,000,000VeyfewintheworldMassAnalysers:

IonTrapMassAnalysersTypeofquadrupolemassanalyserSimilarresolutionof2-4,000IonistrappedinanelectromagneticfieldInastableoscillationFieldstrengthvariedUnstableoscillation:ionejectedanddetectedVaryfieldstrength:scanforallm/zGeneratemassspectrumMS-MSandMSnpossible離子阱質(zhì)量分析器

特定m/z離子在阱內(nèi)一定軌道上穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，改變端電極電壓，不同m/z離子飛出阱到達(dá)檢測(cè)器；LC-MS(離子阱)聯(lián)用儀器結(jié)構(gòu)示意圖IonDetectionSampleintroducedDIP,GC,LCIonisgeneratedEI,CI,FAB,ESI,MALDIIonisseparatedMagneticsector,TOF,iontrap,quadrupoleIonmustnowbedetected2Typesofdetector:ElectronmultiplierandscintillationcounterIonDetection:

ElectronMultiplierIoncollideswithdynodeBeryllium/copperCausesemissionofelectronsRepeated10-20timesCurrentgain?106CurrentisthenmeasuredSensitive:singleiondetectionLifetimeof1-2yearsIonDetection:

ScintillationCounterIonstrikesdynodeBeryllium/copperElectronsthenhitphosphorusscreenLightsignalamplifiedby?106PhotomultipliertubesSensitive:singleiondetectionLifetimeofapproximately5years質(zhì)譜計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)

質(zhì)量范圍：指質(zhì)譜計(jì)所檢測(cè)的單電荷離子的質(zhì)核比范圍分辨率（R）：分辨率是質(zhì)譜計(jì)分開(kāi)相鄰兩離子質(zhì)量的能力。

分辨率（R

）是兩峰間的峰谷為峰高的10%時(shí)的測(cè)定值，即兩峰各以5%的高度重疊。R=m/m

m為質(zhì)譜計(jì)可分辨的相鄰兩峰的質(zhì)量差m為可分辨的相鄰兩峰的平均質(zhì)量質(zhì)譜儀的基本結(jié)構(gòu)質(zhì)譜術(shù)語(yǔ)

基峰:

RI100,RA100

質(zhì)荷比:

m/z,z=1,z=2;

m的計(jì)算：組成離子的各元素同位素的質(zhì)子和中子之和。

精確質(zhì)量:

精確質(zhì)量的計(jì)算基于天然豐度最大的同位素的精確原子量，如：

1H1.007825、12C12.000000、

14N14.003074、16O15.994915·····

精確度與質(zhì)譜計(jì)的分辨率有關(guān)。

質(zhì)譜圖橫坐標(biāo)為離子的質(zhì)核比，縱坐標(biāo)為離子相對(duì)強(qiáng)度或相對(duì)豐度。乙醇的質(zhì)譜圖如下：分子離子:M+·,M-e→M+·

z=1時(shí)，其m/z等于天然豐度最大的同位素的原子量之和。碎片離子：廣義上指除分子離子以外的所有離子。重排離子：經(jīng)過(guò)重排，斷裂一個(gè)以上化學(xué)鍵所生成的離子。母離子與子離子：任何一個(gè)離子進(jìn)一步裂解為質(zhì)荷比較小的離子，前者是后者的母離子或前體離子，后者是前者的子離子。質(zhì)譜中的離子

奇電子離子OE+·：帶單電子的離子，如M+·,A+·,C+····在質(zhì)譜解析中，奇電子離子很重要，因質(zhì)荷比較小的奇電子離子是由質(zhì)荷比較大的奇電子離子裂解生成的。偶電子離子EE+：帶雙電子的離子，如B+,D+,E+,···

多電荷離子：如z=2的離子，存在于穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)中。

準(zhǔn)分子離子：[MH]+,[M-H]+同位素離子：非單一同位素的元素在電離過(guò)程中產(chǎn)生同位素離子，同位素離子構(gòu)成同位素峰簇。亞穩(wěn)離子

離子在離子源的運(yùn)動(dòng)時(shí)間106s數(shù)量級(jí),壽命<106s

的離子在離子源內(nèi)進(jìn)一步裂解。離子從離子源到達(dá)檢測(cè)器的時(shí)間為105s數(shù)量級(jí)，離子壽命>105s，足以到達(dá)檢測(cè)器。

壽命106-105s的離子，從離子源出口到達(dá)檢測(cè)器之前裂解并被記錄的離子稱亞穩(wěn)離子，以m*表示.m*=m22/m1

亞穩(wěn)離子的峰有不同程度的擴(kuò)散，達(dá)2~3質(zhì)量單位，這是因?yàn)閙1+

裂解時(shí)，部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。

在質(zhì)譜解析中，m*可提供前體離子和子離子之間的關(guān)系。分子離子或準(zhǔn)分子離子峰

質(zhì)譜中分子離子峰的識(shí)別及分子式的確定是至關(guān)重要的.分子離子峰的識(shí)別

Δm1231516171820丟失H·H2H2,HCH3OOHH2O

NH2

Δm=4-14,21-24,37-38·····通常認(rèn)為是不合理丟失必須是化合物譜圖中質(zhì)量最高的離子必須的奇電子離子、符合氮規(guī)則必須能通過(guò)丟失合理的中性離子，產(chǎn)生譜圖中高質(zhì)量區(qū)的重要離子■判斷其是否符合N律

不含N或含偶數(shù)N的有機(jī)分子,其分子離子峰的m/z為偶數(shù)。含奇數(shù)N的有機(jī)分子,其分子離子峰的m/z為奇數(shù)?！蚴褂肅I電離時(shí)，可能出現(xiàn)M+H,MH,M+C2H5,M+C3H5…

◎使用FAB時(shí)，可出現(xiàn)M+H,MH,M+Na,M+K…

◎較高分子量的化合物，可能同時(shí)生成M+H,M+2H,M+3H等

合理碎片丟失例如a與最大離子相鄰的離子差值為13，不合理。b

最大離子為122，相鄰的120可以考慮為同位素峰，由于豐度近似，可能為Br，高質(zhì)量離子與最大離子的差值合理，可能120為分子離子峰。c最大離子84，最近離子69，也合理，但84不是分子離子峰，其實(shí)84為（M-H2O）該譜圖為己醇的譜圖。分子離子峰的相對(duì)強(qiáng)度(RI)不同的電離方式,其分子離子的RI不等。不穩(wěn)定的分子,大分子,其分子離子的RI較弱。穩(wěn)定的分子,大共軛分子,其分子離子的RI較強(qiáng)。

大約20%的分子離子峰弱或不出現(xiàn).其大致規(guī)律如下:

采用EI:芳香族化合物

>共軛多烯

>脂環(huán)化合物

>

低分子鏈烴,

某些含硫化合物羰基化合物(醛,酮,酸,酯,酰氯,酰胺)分子離子峰不出現(xiàn)或弱脂肪族醇類(lèi),胺類(lèi),硝基化合物等

分子離子往往不出現(xiàn)分子離子峰不出現(xiàn)怎么辦?改用其它離解方式,如:CI,FAB等

1H1.00782599.9852H2.0141020.01512C12.00000098.913C13.0033541.114N14.00307499.6415N15.0001080.3616O15.99491599.817O16.9991330.0418O17.9991600.2同位素豐度

一些同位素豐度

AtomicWeightsandapproximatenaturalabundanceofsomeisotopes

IsotopeAtomicweightNaturalabundance(12C=12.000000)(%)

分子式的推導(dǎo)

利用低分辨質(zhì)譜數(shù)據(jù)，推導(dǎo)分子式

同位素峰簇及其相對(duì)豐度

■對(duì)于C,H,N,O組成的化合物，其通式：CxHyNzOwRI(M+1)/RI(M)×100=1.1x+0.37y

(2H0.016,17O0.04忽略)RI(M+2)/RI(M)×100=(1.1x）2/200+0.2w

■含硫的樣品

32S:33S:34S=100:0.8:4.4RI(M+1)/RI(M)×100=1.1x+0.37y+0.8SRI(M+2)/RI(M)×100=（1.1x）2/200+0.2w+4.4S

■含Si的化合物

28Si:29Si:30Si=100:5.1:3.4

■含重同位素（如Cl,Br）的樣品35Cl:37Cl=100:32.5≈3:1;79Br:81Br=100:98≈1:1

◎分子中含1Cl，

(a+b)1,M:M+2≈3:1

◎分子中含2Cl，(a+b)2,M:M+2:M+4≈9:6:1

◎分子中含1Br，(a+b)1,M:M+2≈1:1

◎分子中含2Br，(a+b)2,M:M+2:M+4≈1:2:1

◎分子中含1Cl

和1Br

(a+b)(c+d),M:M+2:M+4≈3:4:1

……

利用同位素峰簇的相對(duì)豐度推導(dǎo)化合物的分子式

例

設(shè)m/z154為分子離子峰,154-139=15,合理

m/z

154155156157

RI

1009.85.10.5分子中含有S,

C數(shù)目=(9.80.8)/1.18H數(shù)目=15432128=26

不合理

分子式為C8H10OS例：化合物的質(zhì)譜圖如下，推導(dǎo)其分子式設(shè)：分子離子峰：7272–58=14？

73–58=15合理

73(1.9/37)100=1.1x+0.37z,z=1,x=5,y=73–14–60=–1?

z=1,x=4,y=73–14–48=11

合理分子式

C4H11N,DBE=0

例：化合物的質(zhì)譜圖如下，推導(dǎo)其分子式164:166=1:1,164-85=79(Br),

164:166≈1:1,分子中含有1Br,

不含氮或含偶數(shù)氮。

m/z:

8549(100),863.2(6.5),870.11(0.22)

85C6H13orC5H9O

m/z:

164C6H13BrDBE=0

C5H9BrODBE=1

例某質(zhì)譜圖高m/z區(qū)離子的m/z及RI如下，推導(dǎo)其分子式m/z:6162636465

RI:8.71004.8310.7835Cl4C?37Cl

C2H3Cl

查Beynon表法CHNOm/zM+1M+2理論計(jì)算值，會(huì)出現(xiàn)不符合N律和不符合一般規(guī)律。高分辨質(zhì)譜法

精確質(zhì)量，與分辨率有關(guān)

※

試誤法精確質(zhì)量的尾數(shù)=0.007825y+0.003074z-0.005085w※

查表法BeynonandLederbey制作了高分辨質(zhì)譜法數(shù)據(jù)表，可查出對(duì)應(yīng)于某精確質(zhì)量的分子式?！?/p>

計(jì)算機(jī)處理

有機(jī)質(zhì)譜中的裂解反應(yīng)

M+eM+.+2eM-.+小于1%M+.A+.++B+AB++.中性分子或碎片R50-70eVM+·→A+·,B+,

C+·,D+……研究有機(jī)質(zhì)譜裂解反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法●亞穩(wěn)離子法

●同位素標(biāo)記法

●亞穩(wěn)離子法

m1–Δm→m2

前體離子（母離子），子離子

Δm=15(CH3）,18(H2O),28(CH2CH2,CO)……

●同位素標(biāo)記法2H標(biāo)記，其質(zhì)荷比大于未標(biāo)記的分子離子或碎片離子。

例如:醇失水，MS證明是1,4-失水為主

氯代烴脫HCl,是1,3-失HCl為主質(zhì)譜裂解反應(yīng)機(jī)理裂解反應(yīng)瞬間進(jìn)行，機(jī)理研究困難

McLaferty提出“電荷自由基定位理論”

自由基有強(qiáng)烈的電子配對(duì)傾向正電荷有吸引或極化相鄰成鍵電子引起裂解均裂-單電子轉(zhuǎn)移異裂-雙電子轉(zhuǎn)移重排-裂解時(shí)，發(fā)生一個(gè)以上化學(xué)鍵的斷裂。分子失去一個(gè)電子，生成帶正電荷的離子單電子或正電荷帶在何位？

分子中n電子比π電子易丟失，π電子比σ電子易丟失離子的正電荷愈分散，離子的穩(wěn)定愈大有機(jī)化合物的一般裂解規(guī)律偶電子規(guī)律:

EE+→EE+

;OE+·→OE+·,OE+·→EE+?如何識(shí)別質(zhì)譜圖中的的OE+·?

不含氮的化合物,m/z

為偶數(shù)的離子是奇電子離子在質(zhì)譜圖中,奇電子離子并不多見(jiàn),但重要

烷烴類(lèi)：29，43，57，71，85，99，113

烯烴類(lèi)：27，41，55，69，83，97，111

飽和脂肪胺類(lèi)：30，44，58，72，86，100

酮類(lèi)：43，57，71，85，99，113

醛類(lèi)：44，58，72，86，100

苯：39，51，65，77，91，105

腈類(lèi)：40，54，68，82

OE+離子：指奇電子離子（oddelectrons）它一般不形成系列有機(jī)質(zhì)譜的碎裂機(jī)制

EE+離子系列:偶電子碎片離子系列(evenelectrons)電荷的表示方法簡(jiǎn)單斷裂的規(guī)律含雜原子化合物易發(fā)生α斷裂碳碳不飽和鍵相鄰的C—C鍵易斷裂。芳環(huán)相鄰的C—C鍵易斷裂。（芳雜環(huán)的情況也類(lèi)似）碳鏈分支處易發(fā)生斷裂。飽和環(huán)易在環(huán)與側(cè)鏈連接處斷開(kāi)當(dāng)分支處由幾種斷裂可能時(shí)，大基團(tuán)斷裂優(yōu)先產(chǎn)生電中性小分子的開(kāi)裂優(yōu)先空間位阻:二異丙基苯的三個(gè)異構(gòu)體，鄰位分子離子峰強(qiáng)度最低，對(duì)位最高

一些最基本的質(zhì)譜碎裂機(jī)制1）α碎裂:

指游離基引發(fā)的,由游離基重新組成新鍵而在α位導(dǎo)致碎裂過(guò)程

酮:醚:醇:胺:烯:酯:

2）i裂解：這是由正電荷引發(fā)的碎裂過(guò)程，它涉及兩個(gè)電子的轉(zhuǎn)移。酮:氯代物:酯:3）σ過(guò)程：

這是當(dāng)σ鍵形成陽(yáng)離子自由基時(shí)發(fā)生的碎裂過(guò)程4）γH過(guò)程：指氫的重排過(guò)程（rearrangementofhydrogen）Mclafferty

麥?zhǔn)现嘏臦，X，Y，Z一般為碳、氧、硫等。烯:苯乙醚:酯:

氫重排之后續(xù)反應(yīng)可以是α，也可以是i，σ這類(lèi)重排可小結(jié)為：

5）rd過(guò)程：重排的不是氫原子，而是一個(gè)基團(tuán)，一般是烷基偶電子離子氫的重排

芳環(huán)的鄰位效應(yīng)

各類(lèi)有機(jī)化合物的質(zhì)譜烴類(lèi)化合物的質(zhì)譜

醇、酚、醚

硫醇，硫醚

胺類(lèi)化合物

鹵代烴

醛，酮，羧酸，酯，酰胺

烴類(lèi)化合物的裂解規(guī)律:

烴類(lèi)化合物的裂解優(yōu)先生成穩(wěn)定的正碳離子

CH3(CH2)nCH3

m/z43或57是基峰

C6H5CH2(CH2)nCH3

m/z91是基峰

烴類(lèi)化合物的質(zhì)譜烷烴-

直鏈烷烴：

M+·

峰弱，可見(jiàn)。m/zCnH2n+2

M-29(·C2H5)

CnH2n+1(主)，m/z43,57,71,85,99,113···等;Δm=14

CnH2n

m/z42,56,70,84，···等。

CnH2n-1m/z41,55,69,83,···等。

m/z43(CH3)2CH+,57(CH3)3C+

基峰或強(qiáng)峰。n-十六烷的質(zhì)譜圖如下烷烴-

鏈支烷烴M+·

弱或不見(jiàn)。

M-15(·CH3),帶側(cè)鏈CH3.

M-R(·R)優(yōu)先失去大基團(tuán)，此處離子峰的RI大。

烷烴-

環(huán)烷烴以環(huán)己例:

M+·

較強(qiáng),因裂解丟失基團(tuán)需斷裂兩個(gè)鍵。m/z41,55,69峰。自由基引發(fā)，經(jīng)過(guò)四，五，六元環(huán)過(guò)渡態(tài)氫轉(zhuǎn)移，裂解如下:

（環(huán)上烷基取代，優(yōu)先失去大基團(tuán)，正電荷帶在環(huán)上。）甲基環(huán)己烷的質(zhì)譜圖如下烯烴

M+·

峰較弱，但比相應(yīng)的烷烴強(qiáng)。m/zCnH2n

α斷裂（末端烯），m/z41CH2=CH-CH2+基峰或強(qiáng)峰。

γ-氫重排m/z42CH2=CH-CH3+·,基峰或強(qiáng)峰

CnH2n-1(主),如m/z41,55,69,83,···等。

CnH2n+1m/z43,57,71,85,99,113···等;Δm=14

CnH2nm/z42,56,70,84，···等42+14n。

注意：重排時(shí)，雙鍵可能發(fā)生移動(dòng)，其位置難以確定。1-十二烯的質(zhì)譜圖如下：環(huán)烯：RDA反應(yīng)芳烴烷基苯M+·強(qiáng)或中等強(qiáng)度。

α斷裂，產(chǎn)生m/z91的基峰或強(qiáng)峰；

γ-H的重排，產(chǎn)生m/z92的奇電子離子峰，進(jìn)一步裂解，產(chǎn)生m/z78，52或66，40的峰。

例如,正己基苯的MS如下：

醇、酚、醚

醇

M+·弱或不出現(xiàn)

CnH2n+1O

的含氧碎片,m/z31,45,59···等（自由基位置引發(fā)的α-裂解）。

M-18,M-18-28

伴有CnH2n+1m/z43,57,71,85,99,113···等（

i異裂R+）。

CnH2n

m/z42,56,70,84，···等,分子失水后類(lèi)似于烯烴的裂解。

CnH2n-1m/z41,55,69,83,···等。戊醇的質(zhì)譜環(huán)己醇芐醇苯酚醚脂肪醚:

M+·弱,[M-H]

CnH2n+1O

的含氧碎片,31,45,59···等.α斷裂,β-H轉(zhuǎn)移。

CnH2n+1m/z43,57,71,85,99,113···等。

(i異裂R+)C-Oσ鍵斷裂,正電荷往往帶在R基上。

低質(zhì)荷比區(qū)伴有CnH2n,CnH2n-1

峰.

與醇類(lèi)的區(qū)別,無(wú)失水峰.

芳香醚

M+·較強(qiáng)，類(lèi)似于脂肪醚的裂解方式。β-H轉(zhuǎn)移γ-H重排雙取代芳香醚取代基的位置對(duì)其質(zhì)譜有較大的影響硫醇、硫醚

.

M+·的相對(duì)強(qiáng)度較相應(yīng)的醇,醚強(qiáng).硫醇:

M-33(-HS),M-34(-H2S),33HS+,34H2S+·

CnH2n+1S的含硫碎片,47,61,75,89···等.

伴有CnH2n+1m/z(43,57,71,85,99,113···),CnH2n和CnH2n-1等.

(長(zhǎng)鏈烷基硫醇尤為明顯)例如n-C12H25SH硫醚

C-Sσ鍵斷裂,正電荷往往帶在含S碎片上.

α斷裂.

CnH2n+1S的含硫片,47,61,75,89···等.

四元(β-H),五元,六元(γ-H)過(guò)渡態(tài)氫的重排.M+·的相對(duì)強(qiáng)度較相應(yīng)的硫醇強(qiáng)胺類(lèi)化合物

胺類(lèi)化合物的M+·的RI較較弱

仲胺,叔胺或大分子伯胺M+·峰往往不出現(xiàn)

含奇數(shù)個(gè)N,M+·的m/z

是奇數(shù)值α斷裂,正電荷帶在含氮的碎片上(N穩(wěn)定正電荷的能力大于O,S)CnH2n+2N

的含N特征碎片峰,m/z30,44,58,···等30+14n峰.β-H轉(zhuǎn)移小分子伯胺,仲胺,叔胺的β-鍵斷裂,其m/z30,44(or44+14n),58(or58+14n)的峰為基峰或強(qiáng)峰.三乙胺的質(zhì)譜圖芳胺

鹵代烴

脂肪族鹵代烴M+·的RI由F→I依次增大α斷裂,R+(RF,RCl),或X+(RBr,RI)C-Xσ-鍵斷裂

過(guò)渡態(tài)H的重排.X基存在的特征

RFM-19,M-20(-F,-HF).

RCl

同位素峰簇，M-35,M-36(-Cl,-HCl)

C3H3Cl3的質(zhì)譜圖如下

2-Br-丁烷的質(zhì)譜圖如下

RIM–127,m/z127的I+離子

醛、酮類(lèi)直鏈醛、酮顯示有CnH2n＋1CO為通式的特征離子系列峰，如m/z29、43、57……等環(huán)酮的質(zhì)譜圖中可看到明顯的分子離子峰。環(huán)己酮的裂解可產(chǎn)生M-CO、M-CHO離子，并經(jīng)歷H轉(zhuǎn)移等較為復(fù)雜的過(guò)程，產(chǎn)生乙烯酮離子具有γ－H的醛、酮可發(fā)生麥?zhǔn)现嘏欧磻?yīng)羧酸1．脂肪羧酸的分子離子峰很弱，m/z60是丁酸以上α－碳原子上沒(méi)有支鏈的脂肪羧酸最特征的離子峰，由麥?zhǔn)现嘏帕呀猱a(chǎn)生低級(jí)脂肪酸還常有M－17（失去OH）、M－18（失去H2O）、M-45(失去CO2H)的離子峰。2．芳香羧酸的峰相當(dāng)強(qiáng)，顯著特征是有M－17、M－45離子峰。鄰位取代的芳香羧酸產(chǎn)生占優(yōu)勢(shì)的M－18失水離子峰。酯羧酸酯進(jìn)行α－裂解所產(chǎn)生的離子常成為質(zhì)譜圖中的強(qiáng)峰（有時(shí)為基峰）酯也可以進(jìn)行以下γ－H轉(zhuǎn)移、β－斷裂的麥?zhǔn)现嘏烹p氫重排：比麥?zhǔn)现嘏哦嘁粋€(gè)氫,酰胺含4個(gè)C以上的伯酰胺主要發(fā)生麥?zhǔn)现嘏欧磻?yīng)2．不可能發(fā)生麥?zhǔn)现嘏诺孽０分饕l(fā)生或N的α鍵斷裂，生成（m/z44）離子的反應(yīng)：C5H12OMW=88.15Structure:

IUPACName:2-pentanolMSFragments:

Thespectrumshowsasmallmolecularionandasmallpeakresultingfromlossofahydrogenatomfromthealcohol.Lossofamethylgroupgivesthem-15peakandlossofhydroxyradicalgivesthesecondarycarbocat