《MS基本知识》课件

Chapter4

OrganicMassSpectrometrymolecular？MassSpectrometer《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第1页!学习目的和要求1、掌握质谱的基本原理，了解不同质量的阳离子在质谱中分离的原因。2、了解质谱仪的基本组成及主要性能指标，正确选择进样方式和离子源。3、了解质谱中的离子类型，正确识别分子离子并根据同位素峰确定分子式。《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第2页!4、初步了解离子的断裂机理和影响离子断裂的因素，掌据阳离子的开裂类型，并能应用上述开裂规律初步解析一些主要类型化合物的质谱。5、了解各类常见有机化合物的质谱特征。6、了解利用亚稳峰确证开裂过程的方法。7、了解质谱解析的一般程序，并根据质谱数据推断化合物结构。8、初步了解色谱-质谱联用、串联质谱等的联用技术。《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第3页!AdvantagesofMS1.分析范围广（气体、液体、固体），样品用量少，约1μg。2.测定分子量，确定分子式3.分析速度快，灵敏度高4.各种联用技术5.新的电离、检测技术《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第4页!低分辨率质谱仪：R<10000中分辨率质谱仪：R10000-30000高分辨率质谱仪：R>50000（FT-ICRMS（傅立叶变换离子回旋共振质谱计）：R可达1106）利用高分辨率质谱仪可测定精确的质量数（分子式）！质荷比均为28的分子：CO:27.9949N2:28.0062C2H4:28.0313《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第5页!MassSpectrometerFirst,itsubjectsmoleculestobombardmentbyastreamofhigh-energyelectrons,convertingsomeofthemoleculestoions,whichareacceleratedinanelectricfield.Second,theacceleratedionsareseparatedaccordingtotheirmass-to-chargeratiosinamagneticorelectricfield.Finally,theionsthathaveaparticularmass-to-chargeratioaredetectedbyadevicewhichcancountthenumberofionsstrikingit.《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第6页!1、SampleInletSystem

vaporizedsample,asteadystreamofmolecules2、IonizationChamberM+e——M-Abeamofhigh-energyelectrons(70eV)bombardsthestreamofsamplemolecules.Thisprocessconvertsthemoleculestoions.M+e——M++2ePinhole(molecularleak)《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第7页!4、Aseriesofacceleratingplates→acceleratedions3、Fragmentions：《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第8页!《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第9页!问题质谱仪为什么要用高真空条件？《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第10页!直接探头进样器装置《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第11页!5.检测器（1）法拉第筒（2）照相板（3）二次电子倍增器（4）离子-电子-闪烁检测器《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第12页!TheMassSpectrumThemostabundantionformedintheionizationchambergivesrisetothetallestpeakinthemassspectrum,calledthebasepeak.Therelativeabundancesofallotherpeaksinthespectrumarereportedaspercentagesoftheabundanceofthebasepeak.《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第13页!Massspectrumofbutane.m/e=43《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第14页!Fig.5.8

Massspectrumofoctane《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第15页!常用的离子源有电子流轰击源和一些软电离技术

1）电子流轰击源（ElectronImpactIonization,EI）质谱中最常用的离子源，一般为70eV的电子束，远大于大多数有机化合物的电离电位（7~15eV），会使相当多的分子离子进一步裂解，产生广义的碎片离子。优点：（1）结构简单，稳定，电离效率高，易于实现；（2）质谱图再现性好，便于计算机检索及比较；（3）离子碎片多，可提供较多的分子结构信息。缺点：当样品分子稳定性不高时，分子离子峰的强度低，甚至不存在分子离子峰。《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第16页!2）场致电离（FieldIonization,FI）和场解吸附（FieldDesorption,FD）场致电离：是一种软电离技术。当样品蒸汽邻近或接触到带高正电压的金属针时，由于高电压的针端产生很强的电位梯度，样品分子可被电离。优点：电离快速，适合于和气相色谱联机；缺点：要求样品汽化，灵敏度低。场解吸附：原理与FI相同，但样品是被沉积在电极上。FD适用于难汽化的、热不稳定样品。FD的准分子离子峰比FI的强，质谱图比FI的还要简单。《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第17页!4）快原子轰击（FastAtomBombardment,FAB）

FAB是一种广泛应用的软电离技术。快原子轰击利用的重原子一般为Xe或Ar。Ar+(高动能的)+Ar(热运动的)Ar(高动能的)+Ar+(热运动的)FAB可完成连FD都有困难的、高极性、难汽化的化合物的电离。样品多调匀于基质（一般为甘油等）中。基质应具有流动性、低蒸气压、化学惰性、电解质性和好的溶解性。《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第18页!5）基质辅助激光解吸电离（Matrix-assistedlaserdesportionionization,MALDI）在一个微小的区域内，在极短的时间间隔，激光可对靶物提供高的能量，对它们进行极快的加热，可以避免热敏感的化合物加热分解。MALDI的方法：将被分析化合物的溶液和某种基质溶液相混合。蒸发掉溶剂，则被分析物质与基质形成晶体或半晶体。用一定波长的脉冲式激光进行照射。基质分子能有效地吸收激光的能量，并间接地传给样品分子，从而得到电离。优点：（1）使一些难于电离的样品电离，且无明显的碎裂，从而得到完整的被分析化合物分子的电离产物；（2）特别适用于与飞行时间质谱相配（MALDI-TOFMS）。《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第19页!ElectronsprayionizationESI《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第20页!4.质量分析器1)单聚焦（single-focusing）和双聚焦（double-focusing）质量分析器单聚焦质量分析器使用扇型磁场，结构简单，操作方便，但是分辨率低。双聚焦质量分析器使用扇型电场及扇型磁场，分辨率高，其缺点是价格贵，操作和调整比较困难。《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第21页!2)四极质量分析器（quadrupolemassanalyzer）由四跟平行的棒状电极组成而得名。与扇型磁场的质量分析器的原理完全不同。优点：（1）结构简单、容易操作、价格便宜；（2）仅用电场而不用磁场，无磁滞现象，扫描速度快，适合与色谱联机；（3）操作时的真空度相对较低，特别适合与液相色谱联机。缺点：（1）分辨率不高；（2）对较高质量的离子有质量歧视效应。《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第22页!5.3离子的主要类型1）分子离子（molecularion）样品分子失去一个电子而电离所产生的离子，记为M+。2）准分子离子（quasi-molecularion）准分子离子常由软电离产生，一般为M+H+、M-H+。3）碎片离子（fragmention）泛指由分子离子破裂而产生的一切离子。狭义的碎片离子指由简单断裂产生的离子。4）重排离子（rearrangemention）经重排反应产生的离子，其结构不是原分子结构单元。问题:分子中什么位置的电子最容易失去从而形成分子离子？《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第23页!5.3.1分子离子1.分子离子的表示方法

M+e→+2e2.判断分子离子峰的基本原则

1）在质谱中必须是最高质量的离子峰（同位素峰除外）。

2）必须是一个奇数电子离子（）。

3）在高质量区它能够符合逻辑地失去中性碎片，而产生一个重要的碎片离子。

4）它的质量数应符合氮规则。《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第24页!5.3.2同位素离子及分子式的确定1．同位素离子元素的天然同位素丰度表2．利用质谱确定化合物的分子式1）同位素丰度法所有元素（除I、F、P外）都有天然同位素，其相对丰度已经确定。有机分子常伴随着M+1、M+2、M+3……等附属峰。M+1峰属于含有一个比最丰同位素多一个原子质量单位的同位素分子。M+2峰属于含有二个比最丰同位素峰多一个原子质量单位的同位素的分子或一个比最丰同位素多二个原子质量单位的同位素的分子，如此类推。M+1、M+2峰的强度决定于分子中存在同位素的数目，以及它们的自然丰度。《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第25页!2）高分辩质谱法

测定以12C=12.000000为基准，其它原子质量严格来讲不是整数，例如按12C的标准来看，1H的精确原子量为1.007825，16O为15.994915。高分辩质谱可测至小数点后3～4位数字，误差为±0.006。《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第26页!5.3.3裂片离子5.3.4重排离子5.3.5多电荷离子

5.3.6离子-分子相互作用产生的离子

《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第27页!亚稳离子的特征：

（1）m*的峰形弱而宽，可跨越2～5个amu，这是由于亚稳离子寿命不一致所造成的。（2）m*的质荷比多数不是整数。（3）m*的真实质量为m2。应用：（1）离子的结构（2）结构单元的连接顺序（3）有机质谱反应的机理《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第28页!2.分辨率（resolution）分辨率R是指分离质量数为M1及M2的相邻质谱峰的能力。若近似等强度的质量分别为M1及M2的两个相邻峰正好分开，则质谱仪的分辨率定义为：R=;式中M=;M=M2-M1MMM1+M22说明：1）R10%：两峰间的峰谷高度为峰高的10%时的测定值；2）一般难以找到两个质量峰等高，且重叠的谷高正好等于峰高的10%，则定义：R=;式中a为相邻两峰的中心距离；b为其中一峰的峰高5%处的峰宽。MMab《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第29页!TheMassSpectrometerMassspectrometersalloperateonthesamebasicprinciple,fragmentingmoleculesintochargedionfragmentswiththesubsequentapplicationofanelectrostaticormagneticfieldtoseparatethefragmentsofthesampleaccordingtotheirmass.Thisseparationprocessmakesitpossibletoidentifyandquantifytheelementsandpoundspresentinthesample.《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第30页!ThreeEssentialFunctionsMSspectrometer《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第31页!IonizationChamber《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第32页!5、Inthepresenceofamagneticfield→acurvedflightpathEithertheacceleratingvoltageorthemagneticfieldstrengthcontinuouslyvariedinorderthatalloftheionsproducedintheionizationchambercanbedetected.Massspectrum

−agraphofthenumberofparticlesdetectedasafunctionofmass-to-charge(m/e)ratio.《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第33页!5.2质谱仪简介质谱仪（MassSpectrograph）：采用照相法记录质谱计（MassSpectrometer）：用电学方法记录1.高真空系统离子化室和分析器的压力分别为10-6～10-7和10-7～10-8Torr。在整个实验过程中，需维持这样的真空度，以减少离子与残余气体分子的碰撞。

《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第34页!2.进样系统1）加热进样法可用于液体或气体进样。

在减压下把样品加热（一般是100～300℃），使它气化。加热进样器是由一个加热的金属贮罐安装在加热套管内可直接连接离子源的玻璃毛细管和连接真空泵的抽气阀组成。

2）直接探头进样法。可用于固体和液体进样。

《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第35页!3）由气相色谱进样由混合物组成的样品,利用质谱仪联机的气相色谱（GC）仪分离成单组分，逐个地通过特殊的联机接口进入离子源，进行各纯组分的质谱测定。

4）由高效液相色谱进样高效液相色谱分离的样品为弱极性或强极性，热不稳定，不易汽化的化合物，并且样品存在于流动相的溶剂中。《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第36页!Terms

M+:Thesimpleremovalofanelectronfromamoleculeyieldsapositiveionwhoseweightistheactualmolecularweightoftheoriginalmolecule.Thisionisthe

molecularion.Afterbombardment,someofthebondsinthemoleculebrokeandproducedaseriesofpositivelychargedmolecularfragments,called

fragmentions.

Someofthebondsinthefragmentionsbrokefurtherandproducedlessweightfragmentions.Theformercalledparentionandthelattercalleddaughterion.《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第37页!DeterminationofMolecularWeightThevalueofthemassofanyionacceleratedinamassspectrometerisitstruemass,andnotitsmolecularweight.Themassspectrometercandistinguishbetweenmassesofparticlesbearingthemostmonisotopesoftheelementsandparticlesbearingheavierisotopes.Distinguishbetweenthemolecularionandafragmention.Themassesoftheionsdetectedinthemassspectrummustbemeasuredaccurately.《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第38页!Fig.5.7

Massspectrumofisobutane.《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第39页!EIelectronionizationCIchemicalionizationESIElectron-sprayionizationFABfastatombombardmentAPCIatmosphericpressurechemicalionizationMALDImatrixassistedlaserdesorptionionizationionsource《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第40页!electronionizationEI《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第41页!3）化学电离源（ChemicalIonization,CI）化学电离是通过离子-分子反应来完成的。反应气体一般是甲烷、异丁烷、氨等。优点：1）准分子离子峰强度高，便于推算分子量；2）用于色质联用仪器上，载气不必除去，可作为反应气体；3）反映异构体的差别较EI谱要好些。缺点：碎片离子峰少，强度低。例：CH4+eCH4++2eCH4++CH4CH5+

+CH3

CH5+

+RHCH4+RH2+

《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第42页!fastatombombardmentFAB《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第43页!6）大气压电离（Atmosphericpressureionization,API）主要应用于高效液相色谱HPLC与质谱仪的联用。1、电喷雾电离（electrosprayionization,ESI）：从雾化器套管的毛细管端喷出的带电液滴，随着溶剂的不断快速蒸发，液滴迅速变小，表面电荷密度不断增大。由于电荷间的排斥作用，就会排出溶剂分子，得到样品的准分子离子。通常小分子得到带单电荷的准分子离子，而大分子则得到多种多电荷离子。检测质量可提高几十倍。ESI是很软的电离方法，通常无碎片离子峰，只有整体分子的峰，十分有利于生物大分子的质谱测定。2、大气压化学电离（atmosphericpressurechemicalioniza-tion,APCI）：喷出的液滴先汽化，随后溶剂分子被电离，发生CI过程。要求样品汽化，适用于弱极性的小分子化合物。《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第44页!AtmosphericpressurechemicalIonizationAPCI《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第45页!massanalyzersinglefocusingmassanalyzerdoublefocusingmassanalyzerquadrupoleanalyzertimeofflightIontrapFouriertransformioncyclotronresonance《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第46页!Quadrupoleanalyzer《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第47页!5）母离子（parention）与子离子（daughterion）任何一离子进一步产生某离子，前者称为母离子，后者称为子离子。6）亚稳离子（metastableion）是从离子源出口到检测器之间产生的离子。7）奇电子与偶电子离子（odd-andeven-electronion）具有未配对电子的离子称为奇电子离子，不具有未配对电子的离子称为偶电子离子。8）多电荷离子（multiply-chargedion）失掉两个以上电子的离子称为多电荷离子。9）同位素离子（isotopicion）当元素具有非单一的同位素组成时，产生同位素离子。《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第48页!3.分子离子峰的位置

分子离子峰常出现在质荷比最高的位置（同位素峰除外）。当分子离子比较稳定时，强度（亦称丰度）就大。分子离子与强度的关系见教材。4．分子离子峰未出现时的补救方法

1）降低电离能量；2）制备挥发性的衍生物；3）采用软电离方式。《MS基本知识》课件共53页，您现在浏览的是第49页!例1一未知化合物的分子量为136，M+1和M+2峰的强度分别为11.1%和0.57%，试根据从Beynon表确定出此分子的分子式。Beynoon表(MW136部分):分子式M+1（11.1%）M+2（0.57%）

C11H4