波谱分析课件第五章质谱

1、第五章第五章 质谱质谱Mass SpectrometryM Sn液质联用以某种方式使有机化合物的分子以某种方式使有机化合物的分子电离、碎裂电离、碎裂，然，然后按照离子的后按照离子的质荷比（质荷比（m/z）大小把生成的各种大小把生成的各种离子离子分离分离，检测它们的，检测它们的强度强度，并将其排列成谱，并将其排列成谱，这种研究物质的方法称作这种研究物质的方法称作质谱法质谱法。质谱发展历史质谱发展历史发现了发现了Ne的同位素：的同位素：22Ne和和20Ne(CI，激光离子化，FAB，ESI-MS)日本科学家田中耕一(Koichi Tanaka)1959年出生于日本富山县首府富山市，1983年获日本

2、东北大学学士学位，现任职于京都市岛津制作所，为该公司研发工程师，分析测量事业部生命科学商务中心、生命科学研究所主任。他对化学的贡献类似于约翰芬恩，因此也得到了14的奖金。美国科学家约翰芬恩1917年出生于美国纽约市，1940年获耶鲁大学化学博士学位，1967年到1987年间任该大学教授，1987年起被聘为该大学名誉教授，自1994年起任弗吉尼亚联邦大学教授。他因为“发明了对生物大分子进行确认和结构分析的方法”和“发明了对生物大分子的质谱分析法”而获得2002年诺贝尔化学奖14的奖金。瑞士科学家库尔特维特里希1938年生于瑞士阿尔贝格，1964年获瑞士巴塞尔大学无机化学博士学位，从1980年起担

3、任瑞士苏黎世联邦高等理工学校的分子生物物理学教授，还任美国加利福尼亚州拉霍亚市斯克里普斯研究所客座教授。他因“发明了利用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法”而获得2002年诺贝尔化学奖一半的奖金。2002年诺贝尔化学奖获得者质谱不属波谱范围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质谱图与电磁波的波长和分子内某种物理量 的改变无关的改变无关质谱是分子离子及碎片离子的质量与其相对质谱是分子离子及碎片离子的质量与其相对强度的谱强度的谱, , 谱图与分子结构有关谱图与分子结构有关 质谱法进样量少质谱法进样量少, , 灵敏度高灵敏度高, , 分析速度快分析速度快质谱是唯一可以给

4、出分子量谱是唯一可以给出分子量, , 确定分子式的方确定分子式的方法法, , 而分子式的确定而分子式的确定对化合物的结构鉴定是至关对化合物的结构鉴定是至关重要的。重要的。 特点特点：5.1 质谱的基本知识质谱的基本知识5.1.1 质谱仪质谱仪5.1.1 质谱仪的基本结构质谱仪的基本结构 质谱仪是通过对样品电离后产生的具有不同的质谱仪是通过对样品电离后产生的具有不同的m/z 的离子来进行分离分析的。的离子来进行分离分析的。 质谱仪包括质谱仪包括进样系统、电离系统、质量分析系统和进样系统、电离系统、质量分析系统和检测系统检测系统。 为了获得离子的良好分离和分析效果，避免离子损为了获得离子的良好分离

5、和分析效果，避免离子损失，凡有样品分子及离子存在和通过的地方，必须处失，凡有样品分子及离子存在和通过的地方，必须处于于真空状态真空状态。（离子源与质量分析器的压力在。（离子源与质量分析器的压力在10-410-5Pa和和10-510-6Pa ）计算机数据处理系统真空系统 加速区进样系统离子源质量分析器检测器 质谱仪质谱仪进样系统进样系统在不破坏真空度的情况下，使样品进入离子源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

6、。难挥发的液体或固体样品，通过探针直接插入离子源。（1）直接进样）直接进样（2）色谱联用导入样品：）色谱联用导入样品：GC-MS，HPLC-MS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分子离子可进一步裂解，生成质量更小的碎片离子 M+ eM+.+2eM-. 小于1%M+.A+. +B+CD+. 中性分子或碎片中性分子或碎片 R.50-70eV离子源与高真空系统连接，小分子、中性碎片、自由基被抽出。离子源与高真空系统连接，小分子、中性碎片、自由基被抽出。常见离子源类型常见离子源类型准分子离子准分子离子质量分

7、析器质量分析器 质量分析器是质谱计的核心质量分析器是质谱计的核心不同质核比的离子经质量分析器分开，而后被检测。不同质核比的离子经质量分析器分开，而后被检测。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，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。实验方法均有所不同。 扇形磁场扇形磁场四极杆质量分析器四极杆质量分析器飞行时间质量分析器飞行时间质量分析器离子阱质量分析器离子阱质量分析器傅里叶变换离子回旋共振傅里叶变换离子回旋共振5.1.2 质谱仪主要性能指标质谱仪主要性能指标1灵敏度灵敏度2分辨率分辨率3

8、质量范围质量范围 质谱计的主要技术指标质谱计的主要技术指标 质量范围： 指质谱计所能测量的最大质核比指质谱计所能测量的最大质核比 分辨率（R）：是质谱仪对质量非常接近的两种离子是质谱仪对质量非常接近的两种离子的分离能力。的分离能力。灵敏度：标准样品产生一定信噪比的分子离子峰所需的最小检测量作为仪器的灵敏度指标。R = m1(或或m2) / m mm为质谱计可分辨的两种离子的质量差为质谱计可分辨的两种离子的质量差 横坐标：质核比横坐标：质核比(m/z)，纵坐标，纵坐标:离子的相对丰度。离子的相对丰度。 竖线为质谱峰。最强的离子峰为竖线为质谱峰。最强的离子峰为基峰基峰，并定为相对强，并定为相对强度

9、为度为100%，其它离子峰以对基峰的相对百分值表示。，其它离子峰以对基峰的相对百分值表示。（质谱数据也可以用列表的方法表示）（质谱数据也可以用列表的方法表示）5.1.3 质谱图质谱图5.1.4 质谱的离子类型质谱的离子类型一、离子类型一、离子类型n有机化合物在质谱中可以形成多种离子类型，有机化合物在质谱中可以形成多种离子类型， 有分子离子、碎片离子、同位素离子、亚稳离子、有分子离子、碎片离子、同位素离子、亚稳离子、 重排离子和多电荷离子等。重排离子和多电荷离子等。 1. 分子离子分子离子分子受高速电子的轰击失去一个价电子，即化合物失分子受高速电子的轰击失去一个价电子，即化合物失去一个电子形成的

10、离子。用去一个电子形成的离子。用M+或或 表示M - e M+或或 + 正离子，正离子， 未成对电子未成对电子所以分子离子是奇电子离子。所以分子离子是奇电子离子。在质谱图上对应的峰为分子离子峰。在质谱图上对应的峰为分子离子峰。 容易电离的顺序：容易电离的顺序：n电子电子 电子电子 电子电子有机化合物分子离子的稳定性顺序有机化合物分子离子的稳定性顺序:芳香环芳香环共轭烯共轭烯孤立烯孤立烯环状化合物环状化合物酮酮醚醚酯酯胺胺酸酸醇醇直链烃直链烃支链烃支链烃MMM质谱中分子离子峰的识别及分子式的确定是至关重要的.分子离子峰的判别分子离子峰的判别 (1) 必须是质谱图中必须是质谱图中质量最高的离子质量

11、最高的离子，具有最高，具有最高的的m/z, 分子离子的数值等于化合物的相对分子质分子离子的数值等于化合物的相对分子质 量。必定位于谱图的最右边。量。必定位于谱图的最右边。M M+-e奇数个电子谱图最右端确定分子量 奇电子离子奇电子离子OE（M+）： 带有未成对电子的离子，如带有未成对电子的离子，如 M+, A+, C+ 计算不饱和度计算不饱和度U，如果，如果U为整数，则为奇电子为整数，则为奇电子 离子（离子（OE），）， 为半整数时为偶电子离子（为半整数时为偶电子离子（EE， M+， D+ , E+,电子完全成对）电子完全成对）(2) 必须是必须是奇电子离子奇电子离子、符合、符合氮规则。氮规则

12、。 氮规则氮规则在组成有机物的的所有元素中，在组成有机物的的所有元素中，偶数质量的元素一般具有偶数化合价，如偶数质量的元素一般具有偶数化合价，如C（4），），O（-2），），S（-2，0，4，6）等，）等，奇数质量的元素一般具有奇数化合价，如奇数质量的元素一般具有奇数化合价，如H（1），），Cl（1），），P（-3, 5）等。）等。氮是特例，氮是特例， 质量数是偶数，但化合价是奇数。质量数是偶数，但化合价是奇数。所谓氮规则，即是：所谓氮规则，即是：有机化合物分子中不含氮或含有偶数个有机化合物分子中不含氮或含有偶数个N原子时，原子时，其分子离子的质量数一定是偶数其分子离子的质量数一定是偶数; 若

13、含有奇数个若含有奇数个N原子，分子离子的质量数为奇数。原子，分子离子的质量数为奇数。(3) 必须能通过丢失合理的中性离子，产生谱图必须能通过丢失合理的中性离子，产生谱图中高质量区的重要离子。中高质量区的重要离子。合理丢失碎片合理丢失碎片。即在比分子离子小即在比分子离子小414及及2025个质量单位处，个质量单位处，不应该有离子峰出现。否则，所判断的质量数最不应该有离子峰出现。否则，所判断的质量数最大的峰就不是分子离子峰。因为一个化合物不可大的峰就不是分子离子峰。因为一个化合物不可能失去能失去414个氢而不断键，如果断键，失去的最个氢而不断键，如果断键，失去的最小碎片应该是小碎片应该是CH3，即

14、减少，即减少15个质量单位，同样，个质量单位，同样，也不可能失去也不可能失去2025个质量单位。个质量单位。合理碎片丢失合理碎片丢失 na 与最大离子相邻的离子差值为13，不合理。nb 最大离子为122，相邻的120可以考虑为同位素峰，由于丰度近似，可能为Br，高质量离子与最大离子的差值合理，可能120为分子离子峰。nc 最大离子84，最近离子69，合理。2.2.碎片离子：碎片离子：广义上指由分子离子裂解产生的所有离子。广义上指由分子离子裂解产生的所有离子。 常见的质量丢失：常见的质量丢失：M-15(CH3) M-16(O, NH2)M-17(OH,NH3) M-18(H2O)M-19(F)

15、M-26(C2H2)M-27(HCN,C2H3) M-28(CO,C2H4)M-29(CHO,C2H5) M-30(NO)M-31(CH2OH) M-32(S,CH3OH)3、同位素离子、同位素离子许多元素存在同位素许多元素存在同位素最轻同位素天然丰度最大最轻同位素天然丰度最大最大丰度同位素最大丰度同位素 分子离子峰分子离子峰M+同位素离子峰同位素离子峰 M+1 或或M+2 峰峰。 由重同位素形成的离子峰叫同位素离子峰簇。由重同位素形成的离子峰叫同位素离子峰簇。单个的单个的S、Br、Cl1H 1.007825 99.985 1.007825 99.9852H 2.014102 0.015 2.

16、014102 0.01512C 12.000000 98.9 12.000000 98.913C 13.003354 1.113.003354 1.114N 14.003074 99.64 14.003074 99.64 15N 15.000108 0.36 15.000108 0.36 16O 15.994915 99.8 15.994915 99.8 17O 16.999133 0.04 16.999133 0.04 18O 17.999160 0.2 17.999160 0.2 同位素丰度同位素丰度 一些同位素丰度一些同位素丰度 Atomic Weights and approximat

17、e natural abundance of some isotopes Isotope Atomic weight Natural abundanceIsotope Atomic weight Natural abundance ( (1212C =12.000000) (%)C =12.000000) (%) 4、亚稳离子、亚稳离子从离子源出口到检测器之间产生的离子。从离子源出口到检测器之间产生的离子。不稳定，中途裂解。不稳定，中途裂解。5、重排离子、重排离子分子离子在裂解同时，可能发生某些原子或原子团分子离子在裂解同时，可能发生某些原子或原子团的重排，的重排， 生成比较稳定的重排离子。生

18、成比较稳定的重排离子。6、多电荷离子、多电荷离子失掉两个以上电子的离子是多电荷离子。失掉两个以上电子的离子是多电荷离子。5.2 离子裂解的机理离子裂解的机理（自学）5.2.1 离子的单分子裂解离子的单分子裂解ABCDABCDABCDAABCDBCDBCDDABCABCADBC+重排e5.2.2 离子丰度的影响因素离子丰度的影响因素（自学）1产物离子的稳定性 2Stevenson规则 3质子亲合能(PA)4最大烷基丢失5中性产物的稳定性2Stevenson规则5.3 有机质谱中的裂解反应有机质谱中的裂解反应化学键的断裂可分为下列三种情况化学键的断裂可分为下列三种情况:1均裂均裂:2异裂：异裂：3

19、半异裂：半异裂： 半异裂 （ 断裂）。 不含O，N等杂原子，也没有电子电子.+ XYe已失掉一个电子的键开裂时，电子转向其中一个碎片。 . n烷烃 n不饱和脂肪烃 n芳烃 n醇和酚 n醛和酮n羧酸及衍生物n胺类5.4 常见各类化合物的质谱常见各类化合物的质谱5.4 常见各类化合物的质谱常见各类化合物的质谱5.4.1 烃类烃类 1饱和脂肪烃饱和脂肪烃 1) 直链烃直链烃 弱，弱， C-C断裂机会均等断裂机会均等 具有典型的具有典型的CnH2n+1+系列系列(m/z29,43,57) 和和 CnH2n-1+系列系列(m/z27,41,55 )离子峰，离子峰， 含含3个或个或4个个C的离子丰度最大的

20、离子丰度最大 。 Mm/z有规律递减有规律递减m/z29,43,57,71,85均为均为CnH2n+1+系列离子峰系列离子峰m/z27,41,55,69,83均为均为CnH2n-1+系列离子峰系列离子峰m/z43和和m/z57的离子丰度最强，的离子丰度最强，即含即含3个和个和4个个C的离子丰度最大的离子丰度最大。 如图如图5-10所示为正十二烷的质谱图所示为正十二烷的质谱图 m/z 有规律递减有规律递减正十二烷正十二烷m/z2) 支链烃支链烃: 分子离子峰丰度降低，分子离子峰丰度降低， 更弱更弱 分支处先裂解，生成叔碳或仲碳分支处先裂解，生成叔碳或仲碳正离子正离子MCH3CH2CH2CH(CH

21、3)CH3+.CH3CH2CH2.+CH3CHCH3+m/e 43CH3.+ CH3CH2CH2CHCH3+m/e 71CH3CH2.+(CH3)2CHCH2+m/e 57CH3CH2CH2CH(CH3)CH3+.CH3CH2CH2.+CH3CHCH3+m/e 43CH3.+ CH3CH2CH2CHCH3+m/e 71CH3CH2.+(CH3)2CHCH2+m/e 57例：例：2-甲基戊烷：甲基戊烷：2甲基戊烷甲基戊烷例：例：2不饱和脂肪链烃不饱和脂肪链烃 链状烯烃分子中的双键能引起链状烯烃分子中的双键能引起M+.、CnH2n-1+及及CnH2n+系列离子丰度增大。系列离子丰度增大。 M+稳定

22、、丰度大（比比同碳数的同碳数的烷烃稍强）烷烃稍强）有有CnH2n-1+系列离子系列离子 41+14n, n=0, 1, 2, 易易发生发生烯丙基断裂烯丙基断裂（ 断裂生成断裂生成烯丙基正离子，烯丙基正离子，41）失失 电子电子 + CH2CH=CH2+R CH2=CHCH2+ m/z=41 烯丙基离子烯丙基离子 具有重排离子具有重排离子长链烯烃可以发生麦氏重排长链烯烃可以发生麦氏重排m/z 42n炔烃炔烃的质谱碎裂特征与烯烃类似，但生成的质谱碎裂特征与烯烃类似，但生成CnH2n-3+系列离子系列离子4.环烯烃环烯烃能进行逆能进行逆Diels-Alder反应和反应和H-转移的断裂转移的断裂4-甲

23、基环己烯的逆甲基环己烯的逆Diels-Alder反应和反应和H-转移转移H H转移转移H H转移转移4.芳烃芳烃 M+稳定，峰强大稳定，峰强大 特征碎片特征碎片：C6H5(CH2)n+ m/z: 39, 65,77,91, 105,119 取代芳烃：取代芳烃：经经 断裂断裂生成苄基离子生成苄基离子 鎓离子鎓离子 （m/z=91），可进一步离解成环戊二烯基），可进一步离解成环戊二烯基 离子和环丙烯基离子离子和环丙烯基离子练习：正丁苯的质谱如图5-17所示，试解释质谱中m/z91,92碎片离子的形成过程。5.4.2醇类醇类1. 饱和脂肪链醇饱和脂肪链醇（硫醇，分子离子峰强）（硫醇，分子离子峰强）失

24、水失水（ i断裂断裂,消除反应消除反应）生成生成的常常是的常常是图谱中图谱中m/z最大的离子最大的离子 i看不到分子离子峰看不到分子离子峰2）饱和醇羟基的）饱和醇羟基的CC键易发生断裂，即发生键易发生断裂，即发生-断断裂产生裂产生CnH2n+1O+（31+14n）特征系列离子峰特征系列离子峰 3)氧鎓离子氧鎓离子M-28 + M-29+ H转移转移H重排i断裂5.4.4 醚类（硫醚，分子离子峰强）醚类（硫醚，分子离子峰强）n醚易发生醚易发生断裂形成烊离子，并进一步重排反应断裂形成烊离子，并进一步重排反应 .离子特征是离子特征是CnH2n+1O+（如：如：m/z 31、45、5931+14n）

25、H3CCH2OCH2CH3H3CCH2OCH2CH3OCH2HOCH2m/z 31H2CCHHH离子H重排CH2CH2+(100%)m/z59ORRROR+n醚还可以进行由电荷中心引发的醚还可以进行由电荷中心引发的i 断裂，生断裂，生成成m/z 29、43、57、71等烷基离子的反应等烷基离子的反应5.4.5 醛、酮类醛、酮类n直链醛、酮易发生-断裂，丢失最大的烷基基团，产生酰基阳离子。醛基氢不容易失去，常产生m/z29的较强的离子碎片峰，而酮产生CnH2n1CO为通式的特征离子系列峰，如m/z 43、57，71 等 CCH3ROROCCH3m/z 43+-断裂具有具有H的醛、酮可发生麦氏重排

26、反应的醛、酮可发生麦氏重排反应 OCCH2CH2CHRHAOHCACH2CHRCH2A= H: 醛AR: 酮+5.4.6 羧酸羧酸1脂肪羧酸脂肪羧酸见P249图5-28、5-29（低级脂肪酸）（低级脂肪酸）2芳香羧酸的分子离子峰相当强，芳香羧酸的分子离子峰相当强，显著特征是有显著特征是有M17、M45离子峰。离子峰。 邻位取代的芳香羧酸产生占优势的邻位取代的芳香羧酸产生占优势的M18失水离子峰。失水离子峰。 5.4.7 酯酯n分子离子峰较弱，但可以看到分子离子峰较弱，但可以看到n裂解所产生的离子常为质谱图中的强峰（有时裂解所产生的离子常为质谱图中的强峰（有时为基峰）为基峰） RCOORRCOO

27、Rm/z 59、73、87 等M15、M29、M43 等或m/z 15、29、43、57 等M59、M73 等+RCOORRCOORm/z 43、57、71等(M-31、M45等)m/z 31、45、59等(M-43、M47等）或n酯也可以进行以下酯也可以进行以下H转移、转移、断裂的麦氏重排断裂的麦氏重排 产生的峰产生的峰：7414 nOCCH2CH2CHRHOHCROCH2OCROCH3CHRCH2+ROC2H5C3H7R=R=R=CH3时时时m/z =74：m/z =88：m/z =102有些酯也可以在有些酯也可以在CO处断裂，发生另一种途径的麦式处断裂，发生另一种途径的麦式重排（不作要求）。重排（不作要求）。n双氢重排：比麦氏重排多一个氢（不作要求）双氢重排：比麦氏重排多一个氢（不作要求）,OOHROOROORH-HHHOH2RHO+R = CH3 时 m/z =61 ,时Rm/z =75C2H5=,5.4.9 酰胺酰胺(1) 含含4个个C以上的伯酰胺主要发生麦氏重排反应以上的伯酰胺主要发生麦氏重排反应 OHCCHACH2CHRNH2OCCHACH2CHRHNH2OHCCHANH2+A=H : m/z =59m/z =73m/z =87A=C2H5 :A=CH3 :(2) 不可