质谱法ppt课件

Agilent7500系列ICP-MS Date 质谱法 任朝琴 Date 质谱法 (Mass Spectrometry, MS) 1 概述 2 质谱分析原理及质谱仪 3 质谱图上离子的主要类型 4 各类有机化合物的断裂规律及质谱图 5 质谱法的应用 Date 一、概述 generalization 分子质量精确测定与化 合物结构分析的重要工具； 第一台质谱仪：1912年； 早期应用：原子质量、 同位素相对丰度等； 40年代：高分辨率质谱仪出现，有机化合物结构分析； 60年代末：色谱-质谱联用仪出现，有机混合物分离分析； 促进天然有机化合物结构分析的发展； 同位素质谱仪；无机质谱仪；有机质谱仪； Date 概 述 质谱分析法（Mass Spectrometry, MS）是在高真 空系统中测定样品的分子离子及碎片离子质量，以 确定样品相对分子质量及分子结构的方法。 化合物分子受到电子流冲击后，形成的带正电荷 分子离子及碎片离子，按照其质量m和电荷z的比值 m/z（质荷比）大小依次排列而被记录下来的图谱， 称为质谱。 Date 质谱分析法有如下特点： （1）应用范围广。 测定样品可以是无机物，也可以是有机物。应用 上可做化合物的结构分析、测定原子量与相对分子量 、同位素分析、生产过程监测、环境监测、热力学与 反应动力学、空间探测等。被分析的样品可以是气体 和液体，也可以是固体。 （2）灵敏度高，样品用量少。 目前有机质谱仪的绝对灵敏度可达50pg（pg为 1012g），无机质谱仪绝对灵敏度可达1014 。用微克 级样品即可得到满意的分析结果。 （3）分析速度快，并可实现多组分同时测定。 （4）与其它仪器相比，仪器结构复杂，价格昂贵，使用 及维修比较困难。对样品有破坏性。 Date 二. 质谱分析的基本原理 1. 基本原理(EI法) 产生离子的方法：电子轰击(EI)、化学电离(CI)、快原子 轰击(FAB)、电喷雾电离(ESI)等。 电子轰击离子化法是有机化合物电离的常规方法。 化学电离法可得到丰度较高的分子离子或准分子离子峰。 Date Date 二、 质谱仪mass spectrometer 进样系统离子源质量分析器检测器 1.气体扩散 2.直接进样 3.气相色谱 1.电子轰击 2.化学电离 3.场致电离 4.激光 1.单聚焦 2.双聚焦 3.飞行时间 4.四极杆 质谱仪需要在高真空下工作：离子源（10-3 10 -5 Pa ） 质量分析器（10 -6 Pa ） (1)大量氧会烧坏离子源的灯丝； (2)用作加速离子的几千伏高压会引起放电； (3)引起额外的离子分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化 。 Date 原理与结构 电离室原理 与结构 仪器原理图 Date 真空系统 质谱仪的离子源、质谱分析器及检测器必须处 于高真空状态（离子源的真空度应达103105Pa ，质量分析器应达106Pa），若真空度低，则： （i）大量氧会烧坏离子源的灯丝； （ii）会使本底增高，干扰质谱图； （iii）引起额外的离子-分子反应，改变裂解模型， 使质谱解释复杂化； （iv）干扰离子源中电子束的正常调节； （v）用作加速离子的几千伏高压会引起放电，等等 。 Date 进样系统 对于气体及沸点不高、易于挥发的样品，可以用此装置。贮 样器为玻璃或上釉不锈钢制成，抽低真空（1Pa），并加热 至150，试样以微量注射器注入，在贮样器内立即化为蒸汽 分子，然后由于压力梯度，通过漏孔以分子流形式渗透入高 真空的离子源中。 进样系统的作用是高效重复地将样品引 入到离子源中，并且不能造成真空度的 降低。 Date 对于高沸点的液体、固体，可以用探针（probe）杆 直接进样。调节加热温度，使试样气化为蒸汽。此方 法可将微克量级甚至更少试样送入电离室。探针杆中 试样的温度可冷却至约100，或在数秒钟内加热 到较高温度（如300左右）。 Date 1.离子源 Electron Ionization (EI)电 子轰击源 + + + + : R1 : R2 : R3 : R4 : e + M+ (M-R2)+ (M-R3)+ Mass Spectrum (M-R1)+ Date 在电离室内，气态的样品分子受到高速电子的轰击后，该 分子就失去电子成为正离子（分子离子）： 分子离子继续受到电子的轰击，使一些化学键断裂，或引 起重排以瞬间速度裂解成多种碎片离子（正离子）。 在排斥极上施加正电压，带正电荷的阳离子被排挤出离子 化室，而形成离子束，离子束经过加速极加速，而进入质量分 析器。多余热电子被钨丝对面的电子收集极（电子接收屏）捕 集。 Date EI 源的特点： H电离效率高,灵敏度高； H应用最广，标准质谱图基本都是采用EI源得到的； H稳定，操作方便，电子流强度可精密控制； H结构简单，控温方便； EI源：可变的离子化能量 (10240eV) 对于易电离的物质降低电子能量，而对于难电离的物质 则加大电子能量（ 常用70eV ）。 电子能量电子能量 分子离子增加碎片离子增加 Date 离子室内的反应气（甲烷等；10100Pa，样品的103105倍） ，电子（100240eV）轰击，产生离子，再与试样分离碰撞， 产生准分子离子。 化学电离源（Chemical Ionization，CI）: 最强峰为准分子离子； 谱图简单； 不适用难挥发试样； + + 气体分子 试样分子 + 准分子离子电子 (M+1)+;(M+17) +;(M+29) +; Date （i）化学电离源（CI） 有些化合物稳定性差，用EI方式不易得到分子离子，因而也就得不到 分子量。为了得到分子量可以采用化学电离源（chemical ionization） 。 现以甲烷作为反应气为例，说明化学电离的过程。在电子轰击下，甲 烷首先被电离：现以甲烷作为反应气为例，说明化学电离的过程。 在电子轰击下，甲烷首先被电离： CH4+ CH4+CH3+CH2+CH+C+H+ 甲烷离子与分子进行反应，生成加合离子： CH4+CH4 CH5+CH3 CH3+CH4 C2H5+H2 加合离子与样品分子反应： CH5+ XHXH2+CH4 C2H5+ XHX+C2H6 Date 生成的XH2+和X+比样品分子多一个H或少一个H ，可表示为(M1)+，称为准分子离子。 事实上，以甲烷作为反应气，除(M1)+之外，还 可能出现(M17)+，(M29)+等离子，同时还出现大 量的碎片离子。 化学电离源是一种软电离方式，有些用EI方式得 不到分子离子的样品，改用CI后可以得到准分子离子 ，因而可以推断相对分子质量。 但是由于CI得到的质谱不是标准质谱，所以不能 进行库检索。 Date 场致电离源（FI） 电压：7-10 kV；d80000(10%谷底) 灵敏度：电子轰击离子化，分辨率 1000时，1g硬脂酸甲酯产生5*10- 7C电量，分辨率10000时，其余条 件不变，1g硬脂酸甲酯产生5*10- 8C；全扫描(m/z 50-500)200pg硬脂 酸甲酯，抽提分子离子(m/z 298)信 噪比400:120fg八氟萘的信噪比 10:1。 真空系统：扩散泵 扫描速度: 015s/decade GC-MS精确质量数：2mu RMS 质谱库: NIST Chemical Structures(美 国国家标准研究所) 离子化方法：EI(电子轰击) Date GCT(Micromass UK) 质谱计：时间飞行质谱 质量范围：3000/2000(8kV 加速电压) 分辨率：5000(FWHM) 灵敏度：电子轰击离子化， 进样1pg六氯苯，抽提质量 数m/z 283.8102，使用 20mu的质量窗口，测得信 噪比29:1。 Date Finnigan Trace 2000 GC/MS(Thermo USA) 质谱计：四级杆 质量范围：2-1023u 分辨率：在1000 u可调至2500 u 灵敏度：电子轰击离子化，无分流 进样 每秒钟五次全扫描(m/z 200-300)1pg八氟萘选择离子检 测m/z 272信噪比50 20fg八氟萘的信噪比10:1。 真空系统：分子涡轮泵 质量轴稳定性： 电子 电子 失去一个电子形成的分子离子： 正电荷位置不确定时用 表示: 失去一个n电子形成的分子离子： 分子离子峰主要用于分子量的测定。 失去一个电子形成的分子离子： Date （3）分子离子峰的强度与结构的关系 分子离子峰的强度与结构的关系有如下规律： a 碳链越长，分子离子峰越弱； b 存在支链有利于分子离子裂解，故分子离子 峰很弱； c 饱和醇类及胺类化合物的分子离子弱； d 有共振系统的分子离子稳定，分子离子峰强 ； e 环状分子一般有较强的分子离子峰 Date 综合上述规律，有机化合物在质谱中的分子离子的 稳定性（即分子离子峰的强度）有如下顺序： 芳香环共轭烯烯环状化合物羰基化合物醚 酯胺酸醇高度分支的烃类。 Date 如何鉴别分子离子峰？ 质谱图上质荷比最大的峰一定为分子离子峰吗？ Date （4）分子离子峰的识别方法 （i）注意m/z值的奇偶规律 只有C. H. O组成的有机化合物，其分子离子峰的m/z一 定是偶数。 在含氮的有机化合物（N的化合价为奇数）中: N原子个数为奇数时，其分子离子峰m/z一定是奇数； N原子个数为偶数时，则分子离子峰m/z一定是偶数。 （ii）同位素峰对确定分子离子峰的贡献 利用某些元素的同位素峰的特点（在自然界中的含量） ，来确定含有这些原子的分子离子峰。 Date 当分子中含有偶数个氮原子或不含氮原子时, 分子量应为偶数； 当分子中含有奇数个氮原子时, 分子量应为奇数。 氮规则 试判断下列化合物的分子离子峰的质荷比是偶数还是奇数？ Date （4）分子离子峰的识别方法 （iii）注意该峰与其它碎片离子峰之间的质量 差是否有意义 通常在分子离子峰的左侧314个质量单位处 ，不应有其他碎片离子峰出现。如有其它峰（出现 ），则该峰不是分子离子峰。因为不可能从分子离 子上失去相当于314个质量单位的结构碎片。 Date 有机化合物受高能作用时产生各种形式的分裂，一般强度 最大的质谱峰相应于最稳定的碎片离子。通过各种碎片离子相 对峰高的分析，有可能获得整个分子结构的信息。因为M+可 能进一步断裂或重排，因此要准确地进行定性分析最好与标准 谱图进行比较。 烷烃化合物断裂多在C-C之间发生，且易发生在支链上： Date Date 正癸烷 烯烃多在双键旁的第一个键上开裂： Date 碎片离子 碎片离子是由于分子离子进一步裂解产生的。生成的 碎片离子可能再次裂解，生成质量更小的碎片离子，另 外在裂解的同时也可能发生重排，所以在化合物的质谱 中，常看到许多碎片离子峰。 碎片离子的形成与分子结构有着密切的关系，一般 可根据反应中形成的几种主要碎片离子，推测原来化合 物的结构 . Date 亚稳离子 质谱中的离子峰，不论强弱，绝大多数都 是尖锐的，但也存在少量较宽（一般要跨25 个质量单位），强度较低，且m/z不是整数值 的离子峰，这类峰称为亚稳离子（metastable ion）峰。 （1）亚稳离子的产生 正常的裂解都是在电离室中进行的，如质 量为m1的母离子在电离室中裂解： m1+ m2+ 中性碎片 Date 生成的碎片离子就会在质荷比为m2的地方被检测 出来。但如上述的裂解是在m1+离开了加速电场，进 入磁场时才发生，则生成的碎片离子的能量要小于正 常的m2+。 因它在加速电场中是以m1的质量被加速，而在磁 场中是以m2的质量被偏转，故它将不在m2处被检出， 而是出现在质荷比小于m2的地方，这就是产生亚稳离 子的原因。一般亚稳离子用m*来表示。 m1、m2、和m*之间存在下列关系： m* = m22 / m1 Date （2） 亚稳离子的识别 a 一般的碎片离子峰都很尖锐，但亚稳离子峰 钝而小； b 亚稳离子峰一般要跨25个质量单位； c 亚稳离子的质荷比一般都不是整数。 Date （3）亚稳离子峰在解析质谱中的意 义 亚稳离子峰的出现，可以确定 m1+ m2+ 的开裂过程的存在。 但须注意，并不是所有的开裂都会产生 亚稳离子。 所以，没有亚稳离子峰的出现并不能否 定某种开裂过程的存在 . Date 同位素离子 质谱中还常有同位素离子（istopic ion）。 在一般有机化合物分子鉴定时，可以通过 同位素的统计分布来确定其元素组成，分子离 子的同位素离子峰相对强度比总是符合统计规 律的。 如在CH3CI、C2H5CI等分子中 CIm+2/CIm=32.5%，而在含有一个溴原子的化 合物中(M+2)+峰的相对强度几乎与m+ 峰的相 等。同位素离子峰可用来确定分子离子峰。 Date 例如：CH4 M=16 12C+1H4=16 M 13C+1H4=17 M+1 12C+2H+1H3=17 M+1 13C+2H+1H3=18 M+2 分子离子峰 同位素离子峰 而其相对强度之比I17/I16=0.011。而在丁烷中，出现一个 13C的几率是甲烷的4倍，则分子离子峰m/z = 59、58的强度之 比I59/I58 = 40.011 =0.044； Date 2. 同位素离子 含有同位素的离子称同位素离子。 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。 （表11-11） Date 同位素峰的相对强度与分子中所含元素的原子数目及各元素的 天然同位素丰度有关。 同位素离子峰的强度比为 (a+b)n 展开后的各项数值比。 通过分子离子峰与同位素离子峰的相对强度比导出化合物的 分子式 (即利用同位素确定分子式)。 a:轻同位素丰度; b:重同位素丰度; n:该元素在分子中的个数。 Date 例：某化合物的质谱数据：M=181，PM%=100% P(M+1)%=14.68% P(M+2)%=0.97% 查贝诺表 根据“氮规则” M=181，化合物分子式为(2)。 利用高分辨质谱仪给出精确分子量，以推出分子式。 如：高分辨质谱仪测定精确质量为166.0630（0.006）。 MW： 166.0570166.0690 Date 同位素离子峰鉴定分子中氯、溴、硫原子。 如:CH3CH2Br 天然丰度% 79Br 50.537% ; 81Br 49.463% 相对强度： M：100% M+2 97.87% 峰强度比：1 1 Date 重排离子 重排离子是由原子迁移产生重排反应而形 成的离子。 重排反应中，发生变化的化学键至少有两 个或更多。 重排反应可导致原化合物碳架的改变，并 产生原化合物中并不存在的结构单元离子。 Date CH CH CH C Z H R 1 R 2 R 3 R4 C H C H R 3 R 4 H C C Z H R 1 R 2 可以发生这类重排的化合物有:酮、醛、酸、醋和其它含羰基 的化合物，含P = O，S = O的化合物以及烯烃类和苯类化合 物等。 麦氏重排条件： l含有C=O， C=N，C=S及碳碳双键； l与双键相连的链上有碳，并在 碳有H原 子（氢）； l六圆环过度， H转移到杂原子上，同时 键发生断裂，生成一个中性分子和一个自由 基阳离子。 Date B AH D R+ +HDR B A + 邻位效应 邻位效应发生的条件: 苯环上有邻位取代基 D为杂原子 A原子上有H Date 3. 碎片离子和重排离子 断裂方式： 半裂解：已电离的 键的裂解。 Date a. 醛酮等化合物的a-裂解 1) 产生氧正离子、氮正离子、卤正离子的裂解 a-裂解: 带电荷的有机官能团与相连的碳原子之间的裂解。 Date Date b. 醇、醚、胺和卤代烷等化合物的裂解 裂解：与带电荷的有机官能团相连的碳原子与碳原子 之间的裂解。 Date b. 烷基芳烃类化合物的裂解 c. 烷烃类化合物的裂解 a. 烯烃类化合物的裂解 2) 产生碳正离子的裂解 Date d. i-裂解产生碳正离子 Date Hexane Date 2-methylbutane Date Neopentane Date 3) 脱去中性分子的裂解 RDA反应 Mclafferty rearrangement(麦氏重排) 分子中有不饱和基团和氢原子的化合物能发生麦氏重排。 Date 氢原子重排到不饱和基团上(通过六元环状过渡态)，同时 伴随 , 原子间的键断裂。 Date 例：2-戊酮在m/e 58 处有一个吸收峰，该峰是Mclafferty重 排裂解产生的碎片离子峰，试写出其裂解过程。 Date 质谱解析 解析未知物的图谱，可按下述程序进行。 第一步 对分子离子区进行解析（推断分子式） （1）确认分子离子峰，并注意分子离子峰对基峰的相对强 度比，这对判断分子离子的稳定性以及确定结构是有一 定帮助的。 （2）注意是偶数还是奇数，如果为奇数，而元素分析又证 明含有氮时，则分子中一定含有奇数个氮原子。 （3）注意同位素峰中M+1/M及M+2/M数值的大小，据此 可以判断分子中是否含有S、CI、Br，并可初步推断分子 式。 （4）根据高分辨质谱测得的分子离子的m/z值，推定分子 式。 Date 第二步 对碎片离子区的解析 （推断碎片结构） （1）找出主要碎片离子峰。并根据碎片离子的质荷比 ，确定碎片离子的组成。常见碎片离子的组成 离子 失去的碎片 可能存在的结构 M-1 H 醛，某些醚及胺 M-15 CH3 甲基 M-18 H2O 醇类，包括糖类 M-28 C2H4，CO，N2C2H4， 麦氏重排，CO M-29 CHO，C2H5 醛类，乙基 M-34 H2S 硫醇 M-35 CI M-36 HCI 氯化物 M-43 CH3CO，C3H7 甲基酮，丙基 M-45 C00H 羧酸类 M-60 CH3COOH 醋酸酯 Date （2）注意分子离子有何重要碎片脱去 m/e 离子 可能的结构类型 29 CHO、C2H5 醛类、乙基 30 CH2NH2 伯胺 43 CH3CO CH3CO C3H7 丙基 29、43、57、71 等 C2H5、C3H7 直链烷烃 39、50、71 芳香化合物 芳香化合物 52、65、77 60 CH3COOH 羧酸类、醋酸类 91 C6H5CH2 苄基 105 C6H5CO 苯甲酰基 Date （3）找出亚稳离子峰，利用m* = m22 / m1， 确定m1与m2的关系，确定开裂类型。 第三步 提出结构式 根据以上分析，列出可能存在的结构单 元及剩余碎片，根据可能的方式进行连接， 组成可能的结构式 Date 例 1 某未知物经测定是只含C、H、O的 有机化合物，红外光谱显示在3 1003 600 cm1之间无吸收，其质谱如图，试 推测其结构。 未知物质谱图 Date 解：第一步 解析分子离子区 （1）分子离子峰较强，说明该样品分子离子结构 稳定，可能具有苯环或共轭系统。分子量为136。 （2）根据M+1/M=9%，可知该样品约含8个C原子 ，查贝农表（一般专著中都有此表），含C、H、 O的只有下列四个式子： （a）C9H12O (= 4) （b）C8H8O2 （= 5） （c）C7H4O3 （= 6） （d）C5H12O4 （= 0） Date 第二步 解析碎片离子区 （1）质荷比105为基峰，提示该离子为苯甲酰基（ C6H5CO），质荷比39、51、77等峰为芳香环的特 征峰，进一步肯定了苯环的存在。 （2）分子离子峰与基峰的质量差为31，提示脱