儀器分析質(zhì)譜法課件

第十七章質(zhì)譜法

MassSpectrometry(MS)

質(zhì)譜分析法：是利用離子化技術(shù),將物質(zhì)分子轉(zhuǎn)化為離子，按其質(zhì)荷比(m/z)的的差異分離測(cè)定，從而進(jìn)行物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)分析的方法。MS發(fā)展歷史20世紀(jì)20年代，同位素測(cè)定 無機(jī)元素分析20世紀(jì)40年代，有機(jī)物分析20世紀(jì)60年代，氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀 (GC-MS)20世紀(jì)80年代，新質(zhì)譜技術(shù) LC-MS，ICP-MS,FT-MS

質(zhì)譜法的特點(diǎn)：

靈敏度高應(yīng)用范圍廣分析速度快信息直觀5測(cè)定分子量鑒定化合物推測(cè)未知化合物的結(jié)構(gòu)測(cè)定分子中Cl,Br等的原子數(shù)質(zhì)譜與色譜聯(lián)用質(zhì)譜法的用途：6第一節(jié)質(zhì)譜儀及基本原理磁場(chǎng)中帶電粒子的運(yùn)動(dòng):

質(zhì)譜儀的組成：樣品導(dǎo)入系統(tǒng)離子源質(zhì)量分析器檢測(cè)器放大器，記錄器真空泵質(zhì)譜儀的6個(gè)基本部分:高真空系統(tǒng)，樣品導(dǎo)入系統(tǒng),離子源,質(zhì)量分析器,檢測(cè)器,記錄系統(tǒng)高真空系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)泵，擴(kuò)散泵，分子泵離子源（10-3

10-5Pa）質(zhì)量分析器（10-6Pa）101.直接進(jìn)樣適用：單組分、揮發(fā)性較低的固體或液體樣品2.色譜聯(lián)用導(dǎo)入樣品

GC–MS,HPLC-MS適用：多組分分析二.樣品導(dǎo)入系統(tǒng)111.電子轟擊源electronimpactsource;EIMe(高速)M++2e(低速)e(高速)陽離子陰離子中性裂片分子-離子

復(fù)合物加速區(qū)質(zhì)量分析器真空抽走13

EI的特點(diǎn)：重現(xiàn)性好（質(zhì)譜圖庫70eV)

碎片離子豐富（特征性強(qiáng)）靈敏度高分子量大和穩(wěn)定性差樣品，常無分子離子峰不適用難揮發(fā)、熱不穩(wěn)定化合物142.化學(xué)電離源CIchemicalionizationsource;在離子源中送入反應(yīng)氣體，壓強(qiáng)約為26.7~267Pa，轟擊電子使反應(yīng)氣首先被電離成離子，然后反應(yīng)氣離子和樣品分子碰撞發(fā)生離子-分子反應(yīng)，能量交換，產(chǎn)生樣品離子。15CI的特點(diǎn)：屬軟電離方式，準(zhǔn)分子離子峰（M1）強(qiáng)度大易獲得有關(guān)化合物官能團(tuán)的信息缺點(diǎn)：重現(xiàn)性較差不適用于難揮發(fā)、熱不穩(wěn)定樣品的分析17

常用的反應(yīng)氣：

甲烷、異丁烷、氨、氫、氦等。183.快原子轟擊離子源FABfastatombombardment電場(chǎng)使氦原子電離并加速，產(chǎn)生的快離子經(jīng)電荷交換得到快原子，快原子轟擊樣品Xe+eXe++2e

Xe+(快)+Xe(熱)Xe(快)+Xe+(熱)轟擊樣品1921其他離子源簡介場(chǎng)致離子源：適用于難揮發(fā)和熱不穩(wěn)定的大分子化合物電噴霧電離源：分析極性強(qiáng)大分子（如蛋白質(zhì)、肽、糖）大氣壓化學(xué)電離源：分析中等極性化合物激光解吸源：生物大分子（肽、蛋白質(zhì)、核酸）火花源:無機(jī)物四.質(zhì)量分析器massanalyzer將離子源中形成的離子按質(zhì)荷比的差異進(jìn)行分離的裝置。

分類：磁分析器

四極桿分析器23單聚焦分析器雙聚焦分析器由上式可知：<1>當(dāng)V和H固定時(shí)，m/z

R。說明磁場(chǎng)對(duì)不同m/z的離子有質(zhì)量色散作用，即不同質(zhì)量離子將依照質(zhì)量大小在磁場(chǎng)中依次排列起來。29<2>當(dāng)V和R固定時(shí)，m/z

H2。即H由小到大進(jìn)行磁場(chǎng)掃描時(shí)，則可使不同m/z的離子被檢測(cè)。30<3>當(dāng)H和R固定時(shí)，m/z

1/V。連續(xù)的改變V(稱為電壓掃描

)可以使不同m/z的離子被檢測(cè)。312.四極桿質(zhì)量分析器：又稱四極濾質(zhì)器它是使用一個(gè)射頻四極電場(chǎng)來鑒別m/z值的。32四極桿質(zhì)譜儀優(yōu)點(diǎn)：A結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，價(jià)格便宜。B掃描速度快。有利于與色譜儀聯(lián)用。C自動(dòng)化程度高。缺點(diǎn)：A分辨率低。B質(zhì)量范圍窄。C不能提供亞穩(wěn)離子信息。33其他飛行時(shí)間質(zhì)量分析器離子肼質(zhì)量分析器傅里葉變換離子回旋共振分析器三.離子檢測(cè)器---電子倍增器351.棒圖：橫坐標(biāo)：表示質(zhì)荷比（m/z）?？v坐標(biāo)：表示離子豐度（ionabundance),即離子數(shù)目的多少。常用相對(duì)豐度。質(zhì)譜數(shù)據(jù)形式：棒圖---即質(zhì)譜圖質(zhì)譜表36相對(duì)豐度（relativeabundance):相對(duì)強(qiáng)度以質(zhì)譜中最強(qiáng)峰的高度定為100%（此峰稱為基峰，basepeak）。其它峰高與它相比所得的分?jǐn)?shù)即為其它離子的相對(duì)豐度。37棒圖示例：2.質(zhì)譜表表格形式的質(zhì)譜數(shù)據(jù)39指儀器能分離相鄰兩質(zhì)譜峰的能力。兩個(gè)強(qiáng)度近似相等、質(zhì)量分別為M和M+ΔM的相鄰峰恰好分開時(shí)。（當(dāng)兩峰間的峰谷等于峰高的10%時(shí)）六.質(zhì)譜儀的主要性能指標(biāo)1.分辨率：resolution;R

40例：CO=27.9949，N2=28.0061R<1000低分辨質(zhì)譜R>10000高分辯質(zhì)譜422.靈敏度：sensitivity儀器記錄所產(chǎn)生的峰信號(hào)強(qiáng)度與所用樣品量之間的度量有機(jī)質(zhì)譜：一定分辨率時(shí)，產(chǎn)生一定信噪比的分子離子峰所需要的樣品的量常用硬脂酸甲酯或六氯苯433.質(zhì)量范圍（massrange）：質(zhì)譜儀能夠測(cè)量的離子質(zhì)量范圍。通常采用原子質(zhì)量單位（amu）進(jìn)行度量。四極桿質(zhì)譜儀：10~1000amu磁質(zhì)譜儀：幾十到幾千amu飛行時(shí)間質(zhì)譜儀:幾十萬44原子質(zhì)量單位:amu一個(gè)處于基態(tài)的12C原子的質(zhì)量的1/12.非精確場(chǎng)合采用質(zhì)子和中子的總數(shù)---質(zhì)量數(shù)4.質(zhì)量準(zhǔn)確度（質(zhì)量精度） 離子質(zhì)量實(shí)測(cè)值M與理論值M0的相對(duì)誤差m為離子質(zhì)量數(shù)的整數(shù)46HP5988四極桿質(zhì)譜儀Finnigan公司：雙聚焦磁質(zhì)譜儀MAT90,高分辨率質(zhì)譜儀第二節(jié)質(zhì)譜中的主要離子及其裂解類型分子離子

碎片離子同位素離子亞穩(wěn)離子49一.分子離子：molecularion分子失去一個(gè)電子形成的離子。分子離子含奇數(shù)個(gè)電子，在質(zhì)譜最右側(cè)

作用:確定相對(duì)分子量及分子式50二.碎片離子：fragmention分子中某些化學(xué)鍵發(fā)生斷裂而形成的離子

作用:提供化合物的結(jié)構(gòu)信息5152三.同位素離子：isotopicion含有同位素的離子。表中豐度比%，是以豐度最大的輕質(zhì)同位素為100%計(jì)算而得。作用:確定分子中是否含S,Cl,Br及原子數(shù)目53例：分子中含一個(gè)氯原子M:(M+2)=100:32.03:1分子中含一個(gè)溴原子M:(M+2)=100:97.31:154例：CHCl3，會(huì)出現(xiàn)M+2，M+4，M+6峰。

n=3、a=3、b=1。(a+b)3=a3+3a2b+3ab2+b3=27+27+9+1

MM+2M+4M+6同位素的峰強(qiáng)比：(a+b)n

a與b為輕質(zhì)及重質(zhì)同位素的豐度比n為原子數(shù)目5556

離子m1+,脫離離子源后并在磁場(chǎng)分離前，在飛行途中開裂成質(zhì)量為m2+(m*)和(m1-m2)中性碎片。由于一部分能量被中性碎片帶走，m*的動(dòng)能比在離子源中產(chǎn)生的m2+的動(dòng)能小。且不穩(wěn)定，這種離子稱亞穩(wěn)離子。四.亞穩(wěn)離子：metastableion

57M1+（母離子）離子源m2+(子離子)飛行途中m*(亞穩(wěn)離子)作用：提供碎片離子前體的信息58m*與母離子m1+及子離子m2+的關(guān)系：

m*=m22/m1亞穩(wěn)峰的特點(diǎn)：峰弱，強(qiáng)度僅為m1峰的1%~3%。峰鈍，一般可跨2~5個(gè)質(zhì)量單位。質(zhì)荷比一般不是整數(shù)。59例：6061二.陽離子的裂解類型轉(zhuǎn)移一個(gè)電子和兩個(gè)電子的表示方法：魚鉤“”表示1個(gè)電子的轉(zhuǎn)移；箭頭“”表示2個(gè)電子的轉(zhuǎn)移。62陽電荷的表示方法：含奇數(shù)個(gè)電子的離子（oddelectron;OE）用“

+”表示。含偶數(shù)個(gè)電子的離子（evenelectron;EE）用“

+”表示。63陽電荷符號(hào)一般標(biāo)在雜原子或鍵上；電荷位置不清楚時(shí)，可用“”及“”表示。64（一）單純開裂：一個(gè)鍵發(fā)生裂解

(1)均裂：homolyticcleavage在鍵斷裂后，兩個(gè)成鍵電子分別保留在各自的碎片上。65(2)異裂：heterolyticcleavage

在鍵斷裂后，兩個(gè)成鍵電子全部轉(zhuǎn)移到一個(gè)碎片上的裂解過程。66(3)半異裂：hemi-homolysiscleavage離子化的σ鍵的斷裂過程。67（二）重排開裂：rearrangementcleavage通過斷裂兩個(gè)或兩個(gè)以上的化學(xué)鍵，結(jié)構(gòu)重新排列。

重排離子：重排開裂得到的離子。

重排方式：McLafferty重排

逆Diels-Alder裂解

68(1)McLafferty重排：含不飽和中心C=X(X為O,N,S,C);有氫原子6970(2)逆Diels-Alder重排是以雙鍵為起點(diǎn)的重排。產(chǎn)物是共軛二烯離子。71第三節(jié)質(zhì)譜分析法

一.分子式的測(cè)定（一）分子離子峰的確認(rèn)一般位于質(zhì)譜圖中質(zhì)荷比最高的位置。但……1.分子離子的穩(wěn)定性規(guī)律芳香族化合物>共軛鏈烯>脂環(huán)化合物>直鏈烷烴>硫醇>酮>胺>酯>醚>酸>分支烷烴>醇722.分子離子的質(zhì)量服從奇偶規(guī)律（氮律）。

733.最高質(zhì)荷比離子與相鄰的離子間的質(zhì)量數(shù)差是否合理。 相差4-14則不是分子離子峰4.注意M+1和M–1準(zhǔn)分子離子峰。5.改變實(shí)驗(yàn)條件

74（二）.相對(duì)分子量的測(cè)定一般分子離子峰的質(zhì)荷比等于分子量。當(dāng)分子量很大時(shí)，兩者可差一個(gè)質(zhì)量單位。75（三）.分子式的確定低分辨質(zhì)譜儀用同位素峰強(qiáng)比法；高分辨質(zhì)譜儀用精密質(zhì)量法。76二、有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)鑒定（一）幾類有機(jī)化合物的質(zhì)譜一.烴類1.飽和烷烴：

分子離子峰較弱，隨碳鏈增長，強(qiáng)度降低以至消失。直鏈烴具有一系列m/z相差14的CnH2n+1碎片離子峰（m/z=29、43、57、)。77

在CnH2n+1峰的兩側(cè)有系列“伴峰”，伴隨著質(zhì)量數(shù)大1個(gè)質(zhì)量單位的同位素峰及質(zhì)量小1或2個(gè)單位的CnH2n或CnH2n-1等小峰，組成各峰群。M-15峰一般不出現(xiàn)。支鏈烷烴：在分支處優(yōu)先裂解，形成穩(wěn)定的仲碳或叔碳陽離子。782.鏈烯：分子離子較穩(wěn)定，豐度較大。有一系列CnH2n－1的碎片離子峰，通常為41+14n,n=0,1,2,。

易發(fā)生開裂，生成烯丙基正碳離子(m/z41)具有重排離子峰（麥?zhǔn)现嘏牛?03.芳烴：分子離子峰穩(wěn)定，峰較強(qiáng)。烷基取代苯易發(fā)生裂解，產(chǎn)生m/z91的卓翁離子（tropyliumion）是烷基取代苯的重要特征。82卓翁離子可進(jìn)一步裂解生成環(huán)戊二烯及環(huán)丙烯離子。83取代苯也能發(fā)生裂解產(chǎn)生苯離子，進(jìn)一步裂解生成環(huán)丙烯離子及環(huán)丁二烯離子。

84具有氫的烷基取代苯，能發(fā)生麥?zhǔn)狭呀?，產(chǎn)生m/z92的重排離子。85烷基取代苯的特征離子：C7H7+(