现代仪器分析方法VIP

1、单元分析过程,分析任务 分析要求 最佳取样和分析方案 取样 分离和富集 测定 结果计算,任务与作用应用领域,农业：水土调查，农产品检验，农药及残留检验 工业：产品质量控制，原料分析，过程分析 社会活动：毒品检验，刑事侦察，文物鉴定，兴奋剂检测 生活：水质分析，食品安全检验，临床化验,结构分析,Mssbauer谱 X-射线衍射仪 电子能谱 紫外-可见光谱 荧光光谱 红外与拉曼光谱 电子顺磁共振谱 核磁共振谱 质谱,形态分析,透射电镜 扫描电镜 比表面分析 粒度分布,热、力、电、磁性能,热分析: 热重法 (TG, DTG) 示差扫描量热法 (DSC,波谱分析原理: 一定波长的电磁波（光波），作用于

2、被研究物质 的分子，引起分子内某种物理量的改变（能级跃迁,分子体系吸收的电磁辐射的能量，总是等于体系的两个允许状态能级的能量差，可用E表示。与E相匹配的辐射能的波长或频率可表示如： EE2E1,电磁波与光谱的关系,范围 光区 光谱类型 跃迁类型10-410-2nm -ray Mssbauer谱 核能级跃迁10-21 nm X-ray X-光电子能谱 核内层电子能级100400nm 紫外光区 紫外光谱 核外层电子（价400800nm 可见光区 可见光谱 电子或非键电子)2.525m 红外光区 红外光谱 分子振动-转动 (4000400cm-1)1 cm 微波区 微波谱 分子转动能级 顺磁共振谱

3、电子自旋能级 （磁诱导）50500cm 射频区 核磁共振谱 核自旋能级(60060MHz, 无线电波区） （磁诱导,X射线发射光谱,X射线荧光分析 扫描电镜 X射线单晶衍射仪 X射线多晶衍射,光电子能谱的基本原理是光电效应。 当能量为h的单色光照射到样品上，其光子可能被原子内部不同能级的电子所吸收或散射，如果吸收的能量大于电子的结合能，则该电子就会脱离原子成为自由电子而逸出。这些被光子直接激发出来的电子称为光电子，光电子的动能大小不等（与原子的种类和样品表面的信息有关），如果以动能分布为横坐标，相对强度为纵坐标，所得到的谱峰即为光电子能谱,例: 金属铝表面 可出现Al 2s, Al 2p 两条

4、谱带 氧化或部分氧化, 还可出现 O 1s, C 1s谱带,扩展谱,ESR用于有机自由基的研究：在紫外光的照射下，含有少量H2O2的甲醇溶液发生光分解反应的ESR谱如下,上图表明，在该光分解反应中，有CH2OH自由基产生，CH2的两个等价质子使未配对电子裂分为三条谱线（相对强度为1:2:1, 裂距为17.4 Gs）；OH中的一个质子又使每一条谱线裂分为两条谱线（相对强度为1:1, 裂距为1.15 Gs）。ESR谱证明了CH2OH自由基的存在，该自由基产生的机理： H2O2 2OH， CH3OH + OH CH2OH + H2O,EPR和NMR是分别研究电子磁矩和核磁矩在外磁场中重新取向所需的能

5、量。 EPR的共振频率在微波波段，NMR共振频率在射频波段。 EPR的灵敏度比NMR的灵敏度高，EPR检出所需自由基的绝对浓度约在10-8M的数量级。 EPR和NMR仪器结构上的差别，前者是恒定频率，采取扫场法，后者是恒定磁场，采取扫频法,EPR和NMR都属磁共振谱，主要的区别,电子顺磁共振的研究对象（两大类）自由基和顺磁性金属离子（大多数过渡金属离子和稀土离子）及其化合物,自由基：分子中含有一个未成对电子的物质，如二苯苦基肼基（DPPH），三苯甲基，都有一个未成对电子 双基（Biradical）或多基（Polyradical）：在一个分子中含有两个或两个以上未成对电子的化合物，但它们的未成对

6、电子相距较远，相互作用较弱。 三重态分子（triplet molecule）：这种化合物的分子轨道中含有两个未成对电子，且相距很近，彼此之间有很强的相互作用。如氧分子，它们可以是基态或激发态,过渡金属离子和稀土离子：这类分子在原子轨道中出现未成对电子，如常见的过渡金属离子有Ti3+(3d1)，V3+(3d7)等。 固体中的晶格缺陷，一个或多个电子或空穴陷落在缺陷中或其附近，形成了一个具有单电子的物质，如面心、体心等。 具有奇数电子的原子，如氢、氮、碱金属原子,EPR应用,有机自由基的研究：不但能证明自由基的存在，而且能得到分子结构，化学反应机理和反应动力学方面的重要信息。 催化剂的研究：能获得

7、催化剂表面的性质及反应机理。 生物、医学研究：证明了细胞的代谢过程、酶反应的机理都离不开自由基。除此之外，许多病理的过程如衰老、癌变过程也都离不开自由基。其中很重要的原因就是氧自由基的作用。 物理方面：利用EPR对半导体掺杂的研究，可指导采用不同的掺杂技术获取不同性质的半导体,质谱不属波谱范围,质谱图与电磁波的波长和分子内某种物理量 的改变无关,质谱是分子离子及碎片离子的质量与其相对 强度的谱, 谱图与分子结构有关,质谱法进样量少, 灵敏度高, 分析速度快,质谱是唯一可以给出分子量, 确定分子式的 方法, 而分子式的确定对化合物的结构鉴定是至关重要的,特点,计算机数据 处理系统,真空系统,加速

8、区,进样系统,离子源,质量分析器,检测器,质谱计框图,真空系统: 为避免离子与气体分子的碰撞，离子源和质量分析器的压力在104 - 105 Pa 和 105 - 106 Pa,质谱计构造,进样系统,在不破坏真空度的情况下，使样品进入离子源,气体可通过储气器进入离子源,易挥发的液体，在进样系统内汽化后进入离子源,难挥发的液体或固体样品，通过探针直接插入离子源,离子源,分子失去电子，生成带正电荷的分子离子,分子离子可进一步裂解，生成质量更小的碎片离子,质量分析器,质量分析器是质谱计的核心,不同类型的质量分析器构成不同类型的质谱计,不同类型的质谱计其功能，应用范围，原理， 实验方法均有所不同,下面进

9、一步介绍,检测记录系统,质量分析器分离并加以聚焦的离子束， 按m/z 的大小依次通过狭缝，到达收集器。 经接收放大后被记录,离子化的方法,电子轰击电离 Electron Impact Ionization, EI 化学离子化 Chemical Ionization, CI 场电离，场解吸 Field Ionization FD, Field Desorption FD 快原子轰击 Fast Atom Bombardment, FAB 基质辅助激光解析电离 Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI 电喷雾电离 Electrospray

10、Ionization, ESI 大气压化学电离 Atmospheric Pressure Chemical Ionization, APCI,FAB是目前广泛使用的软电离技术，适用于难汽化,极性强的大分子。样品用基质调节后黏附在靶物上,常用的基质有甘油，硫代甘油，3-硝基苄醇，三乙醇胺等,注意：FAB质谱图中会出现基质分子产生的相应的峰及基质分子与样品分子的结合峰,例如：3-硝基苄醇作为基质时，会出现m/z 154(MH),136（MHH2O）, 289(MMHH2O) 的峰,电喷雾电离（ESI）和 大气压化学电离（APCI,大气压电离 （atmospheric pressure ioniza

11、tion, API） 应用于HPLC-MS联机时的电离方法，包括,HPLC,样品溶液,氮气雾化,通过加热 管被汽化,雾化管端 施加高电压,加热管端 尖端放电,溶剂分子电离 样品分子电离,单电荷或多 电荷离子,抽真空,电喷雾电离（ESI,傅立叶变换质谱计,Fourier Transform Mass Spectrometer, FT-MS,傅立叶变换质谱计应该是傅立叶变换离子回旋共振质谱计，是受FT-NMR的启迪。利用不同m/z的离子， 在磁场B的作用下，各自产生不同的回旋频率。若施加一射频场，使其频率等于某一 m/z离子的回旋频率，则离子就会吸收能量而激发,离子从射频场吸收能量，称之离子的回旋

12、共振,激发的离子运动速度( v ) 增大，运动轨道半径( r ) 增大，称之离子的回旋运动的激发,质谱计的主要技术指标,质量范围： 指质谱计所检测的单电荷离子的质荷比范围,分辨率（R）：分辨率是质谱计分开相邻两单电荷离子质量 的能力,分辨率（ R ）是两峰间的峰谷为峰高的10%时的测定值，或两峰各以5%的高度重叠,质谱图 横坐标为离子的质核比，纵坐标为离子相对强度或相对丰度。 乙醇的质谱图如下,分子离子: M+ , M - e M+,z=1时， 其m/z等于天然丰度最大的同位素的原子量之和,碎片离子：广义上指除分子离子以外的所有离子,重排离子：经过重排，断裂一个以上化学键所生成的离子,母离子与

13、子离子：任何一个离子进一步裂解为质荷比较小 的离子，前者是后者的母离子或前体离 子，后者是前者的子离子,质谱中的离子,偶电子离子EE+： 带双电子的离子，如 B+, D+ , E,多电荷离子： 如 z =2的离子，存在于稳定的结构中,准分子离子： MH+, M-H,同位素离子： 非单一同位素的元素在电离过程中产生同 位素离子，同位素离子构成同位素峰簇,判断其是否符合N律,不含N或含偶数N的有机分子, 其分子离子峰的m/z为偶数。含奇数N的有机分子, 其分子离子峰的m/z为奇数,使用CI电离时，可能出现 M+H, MH, M+C2H5, M+C3H5,使用FAB时，可出现 M+H, MH, M+

14、Na, M+K,较高分子量的化合物，可能同时生成 M+H, M+2H, M+3H等,分子离子峰不出现怎么办,改用其它离解方式, 如: CI, FAB, ESI 等,利用同位素峰簇的相对丰度推导化合物的分子式,例：化合物的质谱图如下，推导其分子式,设： 分子离子峰：72, 7258=14 ,73, 7358 = 15 合理,1.9/37) 100 = 1.1x+0.37z,z=1, x=5, y=731460= 1 ,z=1, x=4, y=731448=11 合理,分子式 C4H11N, DBE=0,DBE（或UN）的计算,DBE: Double Bond Equivalents UN: Un

15、saturation Number 计算通式如下： DBE =(n+1) +a/2 b/2 n: 4价原子的数目(C, Si) a: 3价原子的数目(N, P) b: 1价原子的数目(H, F, Ci, Br, I,例：化合物的质谱图如下，推导其分子式,例如: C7H3ClN2O2,DBE=(8+1) +2/2 (3+1)/2=7,例 某质谱图高m/z区离子的m/z及RI如下， 推导其分子式,C2H3Cl,研究有机质谱裂解反应的实验方法,亚稳离子法,同位素标记法,亚稳离子法,m1 m m2 前体离子（母离子）， 子离子,m = 15 (CH3）, 18 (H2O), 28 (CH2CH2 ,

16、CO),同位素标记法,2H标记，其质荷比大于未标记的分子离子或碎片离子,例如: 醇失水， MS证明是1,4-失水为主,氯代烃脱HCl, 是1,3-失HCl为主,质谱裂解反应机理,裂解反应瞬间进行，机理研究困难,McLaferty 提出“电荷自由基定位理论,自由基有强烈的电子配对倾向,正电荷有吸引或极化相邻成键电子引起裂解,均裂-单电子转移 异裂-双电子转移,重排-裂解时，发生一个以上化学键的断裂,分子失去一个电子，生成带单电子的正电荷的离子,单电子或正电荷带在何位,分子中n电子比电子易丢失，电子比电子易丢失,离子的正电荷愈分散，离子的稳定愈大,自由基位置引发的裂解反应,自由基位置引发的重排反应

17、,电荷位置引发的裂解反应,有机化合物的一般裂解规律,如何识别质谱图中的的OE+ ,不含氮的化合物, m/z 为偶数的离子是奇电子离子,在质谱图中, 奇电子离子并不多见, 但重要,烃类化合物的裂解规律,烃类化合物的裂解优先生成稳定的正碳离子,CH3(CH2)nCH3 m/z 43或57 是基峰,C6H5CH2(CH2)n CH3 m/z 91是基峰,含杂原子化合物的裂解（羰基化合物除外,羰基化合物的裂解,逆Diels-Alder反应 (RDA,氢的重排反应,McLafferty重排,自由基引发或正电荷诱导，经过四、五、六元环过渡态氢的重排,长链酯基的双氢重排,偶电子离子氢的重排,芳环的邻位效应,

18、烷烃- 环烷烃,以环己例: M+ 较强, 因裂解丢失基团需断裂两个键。m/z 41, 55, 69峰。自由基引发，经过四，五，六元环过渡态氢转移，裂解如下: （环上烷基取代，优先失去大基团，正电荷带在环上。,烯 烃,M+ 峰较弱，但比相应的烷烃强。m/z CnH2n -键断裂（末端烯），m/z 41 CH2=CH-CH2 + 基峰或强峰。 -氢重排 m/z 42 CH2=CH-CH3 +,基峰或强峰 CnH2n -1 (主) , 如 m/z 41, 55, 69, 83, 等。 CnH2n +1 m/z 43, 57, 71, 85, 99, 113等; m = 14 CnH2n m/z 42

19、, 56, 70, 84，等42 +14n。注意：重排时，双键可能发生移动，其位置难以确定,环烯： RDA反应,芳烃,烷基苯M+强或中等强度。 -键的断裂，产生m/z 91的基峰或强峰； -H的重排，产生m/z 92的奇电子离子峰， 进一步裂解，产生m/z 78 ，52或 66，40的峰,例如,正己基苯的MS如下,醇 M+弱或不出现 CnH2n+1O 的含氧碎片, m/z 31, 45, 59等（自由基位置引发的-裂解）。 M-18,M-18-28 伴有CnH2n +1 m/z 43, 57, 71, 85, 99,113等（ i异裂 R+）。 CnH2n m/z 42, 56, 70, 84

20、，等, 分子失水后类似于烯烃的裂解。 CnH2n -1 m/z 41, 55, 69, 83, 等,环己醇,苄 醇,苯 酚,醚,脂肪醚: M+弱, M-H CnH2n+1O 的含氧碎片, 31, 45, 59等. - 键断裂,-H转移。 CnH2n +1 m/z 43, 57, 71, 85, 99,113等。 (i异裂 R+ ) C-O 键断裂, 正电荷往往带在R基上。 低质荷比区伴有CnH2n , CnH2n -1 峰. 与醇类的区别, 无失水峰,芳香醚,M+较强，类似于脂肪醚的裂解方式。 -H转移 -H重排,例如 n-C12H25SH,硫 醚,C-S 键断裂,正电荷往往带在含S碎 片上. -键断裂. CnH2n+1S的含硫片,47,61,75,89等. 四元(-H),五元,六元(-H)过渡态 氢的重排,M+的相对强度较相应的硫醇强,正戊基异丙基硫醚,胺类化合物,胺类化合物的M+的RI 较较弱,仲胺,叔胺或大分子伯胺M+峰往往不出现,含奇数个N, M+的m/z 是奇数值,-键断裂,正电荷带在含