波谱分析课件第5章-有机质谱

理解质谱的基本原理掌握不同质谱的电离方式与特点熟悉质谱中离子的主要类型掌握不同有机化合物质谱碎裂规律掌握运用质谱解析分子结构的方法【基本要求】质谱中离子的主要类型有机化合物质谱碎裂规律质谱解析分子结构的方法【重点难点】第五章有机质谱1理解质谱的基本原理【基本要求】质谱中离子的主要类型【重点OrganicMassSpectraOMS质谱是分子在一定条件下电离后形成的分子离子以及各种碎片离子等离子的质量与电荷比(m/z)的系列MassSpectraMS分子离子质荷比分子式碎片离子质量组成碎裂规律研究碎裂分子结构第五章有机质谱2OrganicMassSpectraO33灵敏度特别高质谱是唯一可以给出分子量,确定分子式的方法进样量非常少，通常只用几微克(μg)，甚至更少的样品(10-10g)便可给出一张满意的质谱图。检出极限可达10-14g分子式的确定对化合物的结构鉴定至关重要质谱的优点适用范围广（气体、液体、固体）联用技术4灵敏度特别高质谱是唯一可以给出分子量,确定分子式的方法进样真空系统离子源进样系统质量分析器离子检测器显示记录质谱仪的结构框图样品及离子途径§5.1基本原理

5.1.1质谱仪简介5离子源进样系统质量分析器离子检测器显示记录质谱仪的结构66离子源使样品分子电离，形成各种离子电子轰击电离(ElectronImpactIonization,EI)源化学电离(ChemicalIonization,CI)源场电离(FieldIonization,FI)源场解吸电离(FieldDesorption,FD)源快原子轰击电离(FastAtomBombardment,FAB)源基质辅助激光解吸电离(Matrix-AssistedLaserDesorptionIonization,MALDI)源电喷雾电离(ElectrosprayIonization,ESI)源…….7离子源使样品分子电离，形成各种离子电子轰击电离(Ele电子轰击电离（ElectronImpact,EI）使用具有一定能量的电子直接作用于样品分子，使其电离。推斥极灯丝源磁铁收集极EI离子源的结构示意图离子+4930V+5010V电离盒M+eM+·+2e电离电压：70eV加速电压：5kV+5000V8电子轰击电离（ElectronImpact,EI）推斥极优点：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：1）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；2）要求样品汽化，不适合难挥发和热不稳定样品。电子轰击电离(ElectronImpact,EI)9优点：电子轰击电离(ElectronImpact,EI引入大量的试剂气试剂气分子被电子轰击电离后，因离子-分子反应产生活性反应离子活性反应离子再与样品分子发生离子-分子反应，使样品分子电离正离子模式：GH++M[M+H]++G负离子模式：[G-H]-+M[M-H]-+GG:离子化的试剂气体分子,CH4,NH3等M:被分析物化学电离(ChemicalIonization,CI)10引入大量的试剂气正离子模式：GH++M化学电离(ChemicalIonization,CI)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：1）碎片离子峰少，强度低。2）要求样品汽化，不适合难挥发和热不稳定样品。11化学电离(ChemicalIonization,CI)以高能量的初级离子轰击表面，产生的二次离子；分析二次离子。两种十分相似的电离技术：快原子轰击(FAB)液体二次离子质谱(LiquidSecondIonMassSpectro-metry,LSIMS)MH+原子枪或离子枪Ar/Cs+样品质量分析器二次离子质谱(SecondaryIonizationMS)FAB/LSIMS离子源：材料表面分析的一种重要方法；在有机质谱中有着重要地位12以高能量的初级离子轰击表面，产生的二次离子；分析二次离子。M基质辅助激光解吸电离(MatrixAssistedLaserDesorptionIonization,MALDI)试样溶解或悬浮于基质中，激光束辐射到基质和试样分子上。基质吸收激光束能量后汽化，部分试样分子伴随基质的汽化而解吸。基质吸收大部分激光能量，减少了试样分子被激光能量破坏及过度电离成碎片离子。激光：固体氮激光，紫外光波长：337nm功率：106~108W/cm2脉冲时间：10-6~10-9秒13基质辅助激光解吸电离(MatrixAssistedLaMALDI示意图14MALDI示意图14

蛋白质组分析。优点：适用于热不稳定、难挥发、难电离的生物大分子与合成聚合物的分析，质量范围可达50万Da。高灵敏度，可测至10-12~10-15摩尔。软电离，没有或很少有碎片离子，可用于分析混合物。可容纳毫摩尔级的盐。特别适用于与飞行时间质谱相配（MALDI-TOF）。缺点：基质背景易干扰质量数1000Da以内的物质分析。激光解析电离可能导致被分析物分解。基质辅助激光解吸电离(Ionization,MALDI)15蛋白质组分析。优点：基质辅助激光解电喷雾电离(Electrosprayionizatin,ESI)样品质量分析器[M+nH]n

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++1挥发裂分21,2准分子离子16电喷雾电离(Electrosprayionizatin,电喷雾电离的基本过程样品溶液带电喷雾带电雾滴壳气的作用下溶剂的蒸发电荷的库仑作用带电雾滴的解体溶液中离子转变为气相离子J.MassSpectrom.2000,35,804-817.17电喷雾电离的基本过程J.MassSpectrom.20优点：电喷雾电离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。电喷雾电离(ESI)18优点：电喷雾电离(ESI)18离子源的分类SoftionisationgiveslowfragmentationMolecularweightdeterminationProduces“theoretical”spectraHighsensitivity(lowpglevels)Ionisation硬电离MALDIEICI不产生碎片软电离产生碎片19离子源的分类Softionisationgiveslo分子量非极性极性EI/CIElectrosprayAPCI100,0001000DynamicFAB各种离子化方法的使用范围20分子量非极性极性EI/CIElectrosprayAPCI1质量分析器将离子源中生成的各种离子按质荷比大小分开单聚焦（single-focusing）质量分析器双聚焦（double-focusing）质量分析器四级杆质量分析器（quadrupolemassanalyzer/filter,四级滤质器）离子阱（iontrap）质量分析器飞行时间（timeofflight）质量分析器傅立叶变换（Fouriertransformioncyclotronresonance,傅立叶变换离子回旋共振）质量分析器21质量分析器将离子源中生成的各种离子按质荷比大小分开单聚焦（s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。单聚焦(single-focusing)和双聚焦(double-focusing)扇形磁场质量分析器22单聚焦质量分析器使用扇型磁场，结构简单，操作方便，但是分辨率双聚集磁质谱仪的基本结构示意图离子源+++磁场静电场检测器碰撞室23双聚集磁质谱仪的基本结构示意图离子源+++磁场静电场检测器碰四极质量分析器(quadrupolemassanalyzer)++++由一组平行放置的四根金属棒构成，用陶瓷绝缘，交错地联结成两对；加以方向相反的直流(DC)和射频(RF)电压；加速粒子进入分析器,并按m/z和RF/DC值开始以一种复杂的形式振荡，稳定振荡的离子通过打拿极射到倍增器上被放大记录，不稳定振荡的离子打到四极杆上被中和，从而达到质量分离目的。24四极质量分析器(quadrupolemassanalyz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。四极质量分析器(quadrupolemassanalyzer)25优点：四极质量分析器(quadrupolemassana离子阱(iontrap)离子被引入阱中后,经RF射频电压扫描,不同质/荷比的离子相继排出得到检测。离子可在阱内可存储较长的时间,增加了离子相互碰撞的机会,适用于气相离子反应研究。RingelectrodeEndcapelectrodeEndcapelectrode环形电极端盖电极端盖电极26离子阱(iontrap)离子被引入阱中后,经RF射频电压离子阱与四极质量分析器的原理类似，因此也称为四极离子阱（quadrupoleiontrap）；或因其储存离子的性质而称为四极离子储存器（quadrupoleionstorage,QUISTOR）。优点：1）单一的离子阱可实现多极“时间上”的串联质谱；2）结构简单、价格便宜，性能价格比高；3）灵敏度高，较四极质量分析器高达10~10000倍；4）质量范围大，可达6000。缺点：质谱与标准谱有差别。但采用外加的离子源可克服。另外，采用外加离子源后，离子阱也便于色质联机。离子阱(iontrap)27离子阱与四极质量分析器的原理类似，因此也称为四极离子阱（qu飞行时间质量分析器(timeofflight,TOF)++++离子源中的离子瞬间引出，经加速电压加速，以相同的动能进入漂移管。开始时，所有离子都在一起。质荷比小的离子移动快，质荷比大的离子移动慢。根据到达检测器时间的不同，而检测出不同质量的离子。可以采用两级加速或反射式提高仪器的分辨率28飞行时间质量分析器(timeofflight,TOF)优点：原理上检测离子的质荷比没有上限；特别适合于与脉冲产生离子的电离源(MALDI-TOF)；灵敏度高，适合于作串联质谱的第二级；扫描速度快，适合研究极快过程；结构简单、易于维护。缺点：分辨率随质荷比的增加而降低。飞行时间质量分析器(timeofflight,TOF)29优点：飞行时间质量分析器(timeofflight,T傅立叶变换离子回旋共振分析器傅立叶变换离子回旋共振(Fouriertransformioncyclotronresonance,FT-ICR)同时激发分析所有质荷比的离子，通过不同质荷比的离子在回旋池中具有不同回旋运动频率的性质分离离子，通过对检测信号进行傅立叶变换得到质谱图。30傅立叶变换离子回旋共振分析器傅立叶变换离子回旋共振(Four31傅立叶变换离子回旋共振分析器优点：分辨率极高，可得到精度最高的精确质量数；可用于多级（时间上）串联质谱；一般采用外电离源，可采用各种电离源，也便于色质联机；灵敏度高、质量范围宽、速度快、性能可靠。缺点：分辨率和质量成反比，即在同样条件下，质量越低则分辨率越高，故在标明分辨率时需注明质量。3131傅立叶变换离子回旋共振分析器优点：3132旋转泵（Rotarypumps）分子涡轮泵（Turbomolecularpumps）扩散泵（Diffusionpumps）离子泵（Ionpumps）升华泵（Sublimationpumps）真空系统3232旋转泵（Rotarypumps）真空系统32高真空的作用使离子有合适的平均自由程，减轻离子分子反应（单分子反应）能有效地控制“散射”效应能最大限度地降低“本底”谱可消除或减少“记忆”效应和内壁表面的极化效应能帮助样品挥发，避免或减轻样品的热解能保证离子源灯丝（发射电子束）工作正常33高真空的作用使离子有合适的平均自由程，减轻离子分子反应（单分电子倍增器（Electronmultipliers）光电倍增器（Photomultipliers）微通道检测器（MCP)检测器34电子倍增器（Electronmultipliers）检测器1.样品分子的电离与加速5.1.2质谱的原理电子轰击电离源的工作示意图351.样品分子的电离与加速5.1.2质谱的原理电子轰击电M在电子轰击电离源(EI源)中,样品分子的电离与加速气态分子高能电子e+2e+分子离子各种碎片阳离子按一定规律碎裂=zeVm2阴离子自由基中性分子获得动能进入分析系统各种阳离子(分子离子以及碎片离子)高压电场加速70eV电离能7~15eV

—阳离子速度z

—阳离子电荷V—加速电位m—阳离子质量e—单位电荷电量有很高的内能36M在电子轰击电离源(EI源)中,样品分子的电离与加速2.各种离子在质量分析器中被分离单聚焦（single-focusing）质量分析器的分离原理B—磁场强度洛仑兹力f（向心力）离心力R—曲率半径Bze=Rm2=zeVm2—离子的质荷比B(洛仑兹力)fR372.各种离子在质量分析器中被分离单聚焦（single-f质荷比不同的离子,因在同样的高压电场(V)加速下、在同样的磁场(B)中运动,有着不同的曲率半径(R),而得以分离38质荷比不同的离子,因在同样的高压电场(V)加速下、在同3.质谱的获得仪器的R固定,B由小到大改变(扫场),则离子按m/z由小到大依次满足仪器的曲率半径到达检测器，被收集并记录下各质荷比的离子的相对强度,得到质谱图。393.质谱的获得仪器的R固定,B5.1.3质谱仪的主要性能指标1.灵敏度(sensitivity)对于某种标准样品（如硬脂酸甲酯），在一定的分辨率情况下，产生一定信噪比（如10:1）的分子离子峰所需的最小样品量。信噪比进样量往往1pg或几个pg1pg=10-12g405.1.3质谱仪的主要性能指标1.灵敏度(sensiti2.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：分辨率也可以理解为仪器在质量数M附近能分辨的最小相对质量差412.分辨率（resolution）分辨率也可以理解为仪器在质低分辨率质谱仪：R<1000高分辨率质谱仪：R>10000（FT-ICRMS：R可达1×106）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:27.9949N2:28.0062C2H4:28.031342低分辨率质谱仪：R<1000利用高分辨率质谱仪可测定任何一种同位素的质量并不是正好的整数。12C的准确质量为12.00000000,1H=1.007782506，14N=14.00307407，16O=15.99491475，末位有效数字。每一个同位素都具有唯一的、特征的“质量亏损”离子的质量包含了同位素的总的质量亏损，也是特征的以此来鉴定离子的同位素和元素组成。高分辨质谱进行元素组成分析43任何一种同位素的质量并不是正好的整数。高分辨质谱进行元素组成高的分辨本领保证两个靠得很近的峰能够分开来良好的线性行为用已知精确质量的离子做标准曲线：直线。若质谱仪的线性不好，测定离子的质量时会产生偏差，偏离直线，从而造成误差。良好的稳定性质谱学上的高分辨的三层含义44高的分辨本领质谱学上的高分辨的三层含义44磁质谱，飞行时间质谱，离子回旋共振质谱：分辨力、线性和稳定性好，属高分辨质谱仪。离子阱质谱：分辨力高，线性低，准高分辨质谱仪，用于判断质谱峰带的电荷数。四极杆质谱：分辨力低，线性好，不属于高分辨质谱仪。45磁质谱，飞行时间质谱，离子回旋共振质谱：分辨力、线性和稳定性质谱仪所能测定的离子质荷比m/z的范围。四极质谱：1000以内离子阱质谱：~6000飞行时间质谱：理论上无上限，1×106ESI由于可产生多电荷离子，实际能测量的最大分子质量可大大超过仪器的质量范围。3.质量范围(massrange)46质谱仪所能测定的离子质荷比m/z的范围。3.质量范围(mas5.1.4质谱的表示方法1.质谱图横坐标：质荷比

m/z，m/e纵坐标：相对丰度——离子流的相对强度475.1.4质谱的表示方法1.质谱图横坐标：质荷比m/z峰强(%)m/z峰强(%)m/z峰强(%)同位素丰度384.4519.191100(基峰)m/z峰强(%)395.3624.19268(M)92(M)100453.9638.6935.4(M+1)93(M+1)7.9506.36511940.21(M+2)94(M+2)0.32.质谱表甲苯的质谱表：48m/z峰强m/z峰强m/z峰强(%)同位素丰度384.45Massspectrometry(MS)hasundergoneaprofoundchangeoverthe

pastdecade.Instrumentationandtechniquesrelatedtotheautomatedanalysisofbiomoleculesandnewdrugsnowaccountforalargepercentageoftheresearchandpublicationsinthisfield.Incomparison,gaschromatography/massspectrometry(GC/MS)andelectronionization(EI)massspectraof‘‘small’’moleculesplayalessimportantrolethantheyoncedid.UNDERSTANDINGMASSSPECTRAR.MartinSmith2004byJohnWiley&Sons,Inc.49Massspectrometry(MS)hasundButGC/MSisfarfromdead,andEIMScontinuestobetheionizationmethodofchoiceformanylaboratoriesthatroutinelyanalyzevolatilizablelowmolecularmasscompoundssuchasdrugs,flavorandodorcomponents,pesticides,andpetroleumproducts.Thissituationseemsunlikelytochangeinthenearfuture.50ButGC/MSisfarfromdead,an5151MassspectraofanethoxylatedSurfynolsurfactant(S465):FAB,(b)ESI,(c)SSIMS(静态二次离子质谱),(d)MALDI,and(e)FD.Chem.Rev.2001,101,527-56952MassspectraofanethoxylatedMALDI-TOFMass53MALDI-TOFMass53§5.2质谱中离子的主要类型在质谱中出现的离子有：分子离子同位素离子碎片离子重排离子亚稳离子……相应的质谱峰分别称作：分子离子峰同位素离子峰碎片离子峰重排离子峰亚稳离子峰……54§5.2质谱中离子的主要类型在质谱中出现的离子有：相应5.2.1分子离子分子失去一个电子而生成的阳离子一、分子离子的表示方法电子电离的难易：n-电子比π-电子容易，π-电子比σ-电子容易不便明确电离部位时

555.2.1分子离子分子失去一个电子而生成的阳离子一、分二、分子离子峰的强度有机分子的结构分子离子的稳定性芳香族化合物、共轭烯烃、环状化合物、一些含硫化合物、直链低级烷烃等的分子离子峰都很显著。直链酮、酯、醛、羧酸、酰胺、醚和卤化物等，通常显示分子离子峰，但由于杂原子上孤电子对的存在，有利于生成稳定的碎片离子，因此上述各类化合物的分子离子峰弱。脂肪醇、胺、硝基化合物、腈和多支链化合物的分子，电离后容易碎裂，生成碎片离子，因此分子离子峰往往很弱或不出现。56二、分子离子峰的强度有机分子的结构分子离子的稳定性芳香族化合三、分子离子峰的判断最大质量数的峰可能是分子离子峰。注意同位素峰的存在和低质量离子的关系：(1)合理的中性碎片(小分子或自由基)的丢失。M-3到M-14、M-21到M-25之内不可能有峰。(2)分子离子应具有最完全的元素组成。(3)多电荷离子按电荷修正后所得到的质量数应小于或等于分子离子质量数。应用氮规则：当化合物不含氮或含偶数个氮时，其分子量为偶数；当化合物含奇数个氮时，其分子量为奇数。57三、分子离子峰的判断最大质量数的峰可能是分子离子峰。注意降低轰击电子束的能量例如乙酸乙酯的质谱分子量：88四、分子离子峰不出现时的补救方法58降低轰击电子例如分子量：88四、分子离子峰582.采用其它软电离方法使分子离子化例如

3,3-二甲基戊烷（C7H16）的质谱分子量：100592.采用其它软电离方法使分子离子化例如分子量：10059五、准分子离子分子获得一个或失去一个质子，记为[M+H]+、[M-H]+。准分子离子峰常在使用软电离技术时产生。例如：D-葡萄糖的质谱分子量：18060五、准分子离子分子获得一个或失去一个质子，记为[M+H]+61615.2.2同位素离子元素同位素相对原子质量天然丰度同位素相对原子质量天然丰度丰度比/%H1H1.00782599.9852H2.0141020.0152H/1H0.015C12C12.00000098.89313C13.0033551.10713C/12C1.12N14N14.00307499.63415N15.0001090.36615N/14N0.37O16O15.99491599.75917O16.9991310.03717O/16O0.0418O17.9991590.20418O/16O0.20S32S31.97207295.0233S32.9714590.7833S/32S0.8234S33.9678684.2234S/32S4.44Cl35Cl34.96885375.7737Cl36.96590324.2337Cl/35Cl32.0Br79Br78.91833650.53781Br80.91629049.4681Br/79Br97.9多数离子是由天然丰度最高的同位素组成的，含有其它同位素的离子M+1峰M+2峰

13C33S34S37Cl81Br625.2.2同位素离子元素同位素相对天然同位素相对天然丰m/z相对丰度(%)92(M)6893(M+1)5.494(M+2)0.21(M+1)/M=7(1.107/98.893)+8(0.015/99.985)=70.0112+80.00015=0.0784+0.0012

=

0.0796(M+1)/M=5.4/68=0.079463m/z相对丰度(%)92(M)6893(M+1)5利用分子离子区域同位素强度的统计分布确定分子式

前提条件：在EI条件下，电子轰击能量70eV，适当温度等标准状态下测定质谱图。扣除本底的干扰，准确地测定各同位素峰的强度值，采集过程中，严格控制基峰强度不允许超过极限值。

同位素分布的二项表达式对一般离子的峰度强度的计算公式：几率乘法和几率加法64利用分子离子区域同位素强度的统计分布确定分子式几率乘法和几率

n:离子中某种元素的数目(C，O，N等)

m:元素的同位素的数目(13C)a:丰度最大的同位素丰度值(12C,16O，14N等)100%或1

b:同位素(13C，18O)的相对强度值C60O2:12C6016O2,m/z752,12C5913C116O2,m/z753,按上式计算，n=60,m=1,a=1,b=0.01112C5813C216O2,754,12C5913C116O118O,754,两种贡献之和几率加法,分别计算后相加。65n:离子中某种元素的数目(C，O，N等)65例：求C10H14O分子离子区域中，M+•:[M+1]+•:[M+2]+•

M+•

12C10H1416O[M+1]+•

12C913C1H1416O[M+2]+•

12C813C2H1416O12C10H1418O所以：M+•:[M+1]+•:[M+2]+•=100:11:0.74m/z162,0.74%m/z161,11%m/z160,100%66例：求C10H14O分子离子区域中，M+•:[M+1]+•例求C26H20N2O2分子离子峰的同位素分布M+•

12C26H2014N216O2[M+1]+•

12C2613C1H2014N216O212C26H2014N115N116O2

m/z393,29.34%m/z392,100%[M+2]+•

12C2413C2H2014N216O212C26H2014N216O118O1m/z394,4.4%所以：M+•:[M+1]+•:[M+2]+•=100:29.38:4.467例求C26H20N2O2分子离子峰的同位素分布m/z39(a)2-氯丙烷M+78M+280(M+2)/M1:3(b)2-溴丁烷M+136M+2138(M+2)/M1:168(a)2-氯丙烷(b)2-溴丁烷685.2.3碎片离子广义的碎片离子：包括分子离子碎裂产生的一切离子狭义的碎片离子：仅指分子离子通过简单碎裂产生的离子5.2.4重排离子经重排反应碎裂生成的离子695.2.3碎片离子广义的碎片离子：包括分子离子碎裂产生5.2.5亚稳离子稳定的离子m1

检测器不稳定的离子m1

在离子源中碎裂较稳定的碎片离子亚稳离子m1

m2

m1在离子源与检测器间碎裂碎片离子m2m*m1+m2++Nm1+：母离子；m2+：子离子；N：中性碎片，其质量为m1-m2亚稳离子往往是低强度的宽峰,质荷比通常不是整数,m*与m1和m2之间满足下列关系：

m*=m22m1705.2.5亚稳离子稳定的离子m1检测器不稳定的离子亚稳离子m*72.2=(85)2/100就证明了质荷比为85的碎片是质荷比为100的离子丢失甲基形成的2-己酮的质谱图利用亚稳离子可以确定某些离子之间的母子关系

71亚稳离子m*72.2=(85)2/100就证明了质带有未成对电子的离子计算不饱和度ΩΩ为整数，则为奇电子离子（OE）Ω为半整数时为偶电子离子（EE）5.2.6奇电子离子(OE)72带有未成对电子的离子5.2.6奇电子离子(OE)725.3.1碎裂过程中共价键的断裂方式及其表示方法异裂（heterolyticcleavage）半异裂（hemiheterolyticcleavage）均裂（homolyticcleavage）§5.3有机化合物的碎裂碎裂过程中共价键的断裂方式主要有以下三种：“”表示一对电子转移“”表示一个电子转移735.3.1碎裂过程中共价键的断裂方式及其表示方法异裂（5.3.2简单碎裂碎裂时仅有一个共价键断裂产生的碎片都是分子中原已存在的结构单元三种碎裂机制：1.α碎裂——自由基引发，断裂发生在带奇电子原子的α-位。反应的动力来自自由基强烈的电子配对倾向。α碎裂的倾向为：N、S>O、不饱和键、烷基>Cl>Br>I745.3.2简单碎裂碎裂时仅有一个共价键断裂产生的碎片2.i碎裂——电荷引发，断裂时，一对电子发生转移。i碎裂的顺序为：卤素>O、S>>N、C3.σ碎裂当化合物不含有O、N等杂原子、也没有π键时，只能发生σ碎裂752.i碎裂——电荷引发，断裂时，一对电子发生转移。i简单碎裂的一般规律：1.α碎裂是最常见的一种简单碎裂例如：2.碳链分枝处易发生断裂，某处分枝愈多，该处愈易断裂。3.在某分枝处有几种断裂的可能时，逐出大的基团有利76简单碎裂的一般规律：1.α碎裂是最常见的一种简单碎裂例如：5.3.3重排碎裂碎裂时，同时涉及至少两根键的变化，既有键的断裂也有键的生成重排产生了在原化合物中不存在的结构单元1.McLafferty重排D=E（代表一个双键或叁键基团）和相对于不饱和键

位置碳原子A上的氢原子，是发生McLafferty重排的必要条件775.3.3重排碎裂碎裂时，同时涉及至少两根键的变化，既2.失去中性分子重排苯环的“邻位效应”782.失去中性分子重排苯环的“邻位效应”783.四元环状过渡态重排4.两个氢原子的重排5.链状化合物的成环重排（非氢重排，无规重排）X：Cl,Br,SH,NH2

793.四元环状过渡态重排4.两个氢原子的重排5.链状5.3.4脂环的碎裂——多键断裂1.一般的多键碎裂例一、2-甲基环己醇的碎裂例二、3-甲基环己酮的碎裂805.3.4脂环的碎裂——多键断裂1.一般的多键碎裂2.逆Diels-Alder碎裂（retro-Diels-Alder,RDA）812.逆Diels-Alder碎裂（retro-Diel1.直链烷烃的质谱特点5.3.5常见有机化合物的碎裂一、烷烃正十六烷直链烷烃显示弱的分子离子峰。直链烷烃的质谱由一系列峰簇（CnH2n-1,CnH2n,CnH2n+1）组成，峰簇之间差14个质量单位。峰簇中CnH2n+1为最高峰。各峰簇的顶端形成一平滑曲线，最高点在C3或C4。比分子离子峰质量数低的下一个峰簇顶点是M-29，而有甲基分枝的烷烃将有M-15。821.直链烷烃的质谱特点5.3.5常见有机化合物的碎裂一2.支链烷烃的质谱特点5-甲基十五烷支链烷烃的分子离子峰较直链烷烃降低。各峰簇顶点不再形成一平滑曲线。因在分枝处易断裂，其离子强度增强。在分枝处的断裂，伴随有失去单个氢的倾向，产生较强的CnH2n离子，有时可强于相应的CnH2n+1离子。832.支链烷烃的质谱特点5-甲基十五烷支链烷烃的分子离子3.环烷烃的质谱特点由于环的存在，分子离子峰的强度相对增加。通常在环的支链处断开，给出CnH2n-1峰，也常伴随氢原子的失去，有较强的CnH2n-2峰。环的碎化特征是失去C2H4（也可能失去C2H5）。843.环烷烃的质谱特点由于环的存在，分子离子峰的强度相对增甲基环己烷的碎裂

85甲基环己烷的碎裂85二、不饱和脂肪烃1.链状不饱和脂肪烃的质谱特点双键的引入，可增加分子离子峰的强度仍形成间隔14质量单位的一系列峰簇，但峰簇内最高峰为CnH2n-1十六烯（C16H32）86二、不饱和脂肪烃1.链状不饱和脂肪烃的质谱特点双键的引入当相对双键-C原子上有氢时，可发生McLafferty重排顺式、反式的质谱很类似例如、2-甲基-2-己烯（C7H14）的碎裂87当相对双键-C原子上有氢时，可发生McLaffer2.环状不饱和脂肪烃的质谱特点当符合条件时环状不饱和脂肪烃可发生RDA反应。环状不饱和脂肪烃支链的质谱碎裂反应类似于链烃的断裂方式。例如、环己烯（C6H10）的质谱及其碎裂882.环状不饱和脂肪烃的质谱特点当符合条件时环状不饱和脂肪环己烯的碎裂89环己烯的碎裂89三、烷基苯1.分子离子峰较强2.简单断裂生成苄基离子

当苯环连接CH2时，m/e91的峰一般都较强。3.MacLafferty重排

当相对苯环存在

氢时，m/e92的峰有相当强度。4.苯环碎片离子依次失去C2H2

化合物含苯环时，一般可见m/e39、51、65、77等峰。90三、烷基苯1.分子离子峰较强90例如、正丙基苯（C9H12）的质谱及其碎裂91例如、正丙基苯（C9H12）的质谱及其碎裂91正丙基苯的碎裂92正丙基苯的碎裂92四、含饱和杂原子的脂肪族化合物杂原子与相邻碳原子以键相连的化合物的分子离子峰都较低，甚至不出现。烃基部分有相应的碎片。

例如：甲基丁基异丙基胺（C8H19N）的质谱及其碎裂93四、含饱和杂原子的脂肪族化合物杂原子与相邻碳原子以键甲基丁基异丙基胺的碎裂94甲基丁基异丙基胺的碎裂94例如：2–甲基–2–丁醇（C5H12O）的质谱及其碎裂95例如：2–甲基–2–丁醇（C5H12O）的质谱及其碎裂952–甲基–2–丁醇的碎裂962–甲基–2–丁醇的碎裂96五、含不饱和杂原子的脂肪族化合物例如：4-辛酮（C8H16O）的质谱及其碎裂97五、含不饱和杂原子的脂肪族化合物例如：4-辛酮（C8H164-辛酮的质谱解析-----e984-辛酮的质谱解析-----e98----99----99§5.4质谱的解析4.研究重要离子1）高质量端的离子2）重排离子3）亚稳离子4）重要的特征性离子（强峰）5.推测结构单元和分子结构6.对质谱的核对、指认1.分子离子峰的确定2.分子式的确定3.质谱图的总体判断芳环的判断：m/e39、51、65、77脂肪基团的系列峰质谱图解析的方法和步骤100§5.4质谱的解析4.研究重要离子1.分子离子峰的例一、正丁酸甲酯（C5H10O2）的质谱101例一、正丁酸甲酯（C5H10O2）的质谱101正丁酸甲酯的碎裂102正丁酸甲酯的碎裂102例二、乙基仲丁基醚（C6H14O）

质谱103例二、乙基仲丁基醚（C6H14O）质谱103CH3CH2CH(CH3)OCH2CH3的碎裂104CH3CH2CH(CH3)OCH2CH3的碎裂104例三、未知物的分子式为C6H12O，试由其质谱（下图）推测其结构105例三、未知物的分子式为C6H12O，试由其质谱105106106理解质谱的基本原理掌握不同质谱的电离方式与特点熟悉质谱中离子的主要类型掌握不同有机化合物质谱碎裂规律掌握运用质谱解析分子结构的方法【基本要求】质谱中离子的主要类型有机化合物质谱碎裂规律质谱解析分子结构的方法【重点难点】第五章有机质谱107理解质谱的基本原理【基本要求】质谱中离子的主要类型【重点OrganicMassSpectraOMS质谱是分子在一定条件下电离后形成的分子离子以及各种碎片离子等离子的质量与电荷比(m/z)的系列MassSpectraMS分子离子质荷比分子式碎片离子质量组成碎裂规律研究碎裂分子结构第五章有机质谱108OrganicMassSpectraO1093灵敏度特别高质谱是唯一可以给出分子量,确定分子式的方法进样量非常少，通常只用几微克(μg)，甚至更少的样品(10-10g)便可给出一张满意的质谱图。检出极限可达10-14g分子式的确定对化合物的结构鉴定至关重要质谱的优点适用范围广（气体、液体、固体）联用技术110灵敏度特别高质谱是唯一可以给出分子量,确定分子式的方法进样真空系统离子源进样系统质量分析器离子检测器显示记录质谱仪的结构框图样品及离子途径§5.1基本原理

5.1.1质谱仪简介111离子源进样系统质量分析器离子检测器显示记录质谱仪的结构1126离子源使样品分子电离，形成各种离子电子轰击电离(ElectronImpactIonization,EI)源化学电离(ChemicalIonization,CI)源场电离(FieldIonization,FI)源场解吸电离(FieldDesorption,FD)源快原子轰击电离(FastAtomBombardment,FAB)源基质辅助激光解吸电离(Matrix-AssistedLaserDesorptionIonization,MALDI)源电喷雾电离(ElectrosprayIonization,ESI)源…….113离子源使样品分子电离，形成各种离子电子轰击电离(Ele电子轰击电离（ElectronImpact,EI）使用具有一定能量的电子直接作用于样品分子，使其电离。推斥极灯丝源磁铁收集极EI离子源的结构示意图离子+4930V+5010V电离盒M+eM+·+2e电离电压：70eV加速电压：5kV+5000V114电子轰击电离（ElectronImpact,EI）推斥极优点：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：1）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；2）要求样品汽化，不适合难挥发和热不稳定样品。电子轰击电离(ElectronImpact,EI)115优点：电子轰击电离(ElectronImpact,EI引入大量的试剂气试剂气分子被电子轰击电离后，因离子-分子反应产生活性反应离子活性反应离子再与样品分子发生离子-分子反应，使样品分子电离正离子模式：GH++M[M+H]++G负离子模式：[G-H]-+M[M-H]-+GG:离子化的试剂气体分子,CH4,NH3等M:被分析物化学电离(ChemicalIonization,CI)116引入大量的试剂气正离子模式：GH++M化学电离(ChemicalIonization,CI)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：1）碎片离子峰少，强度低。2）要求样品汽化，不适合难挥发和热不稳定样品。117化学电离(ChemicalIonization,CI)以高能量的初级离子轰击表面，产生的二次离子；分析二次离子。两种十分相似的电离技术：快原子轰击(FAB)液体二次离子质谱(LiquidSecondIonMassSpectro-metry,LSIMS)MH+原子枪或离子枪Ar/Cs+样品质量分析器二次离子质谱(SecondaryIonizationMS)FAB/LSIMS离子源：材料表面分析的一种重要方法；在有机质谱中有着重要地位118以高能量的初级离子轰击表面，产生的二次离子；分析二次离子。M基质辅助激光解吸电离(MatrixAssistedLaserDesorptionIonization,MALDI)试样溶解或悬浮于基质中，激光束辐射到基质和试样分子上。基质吸收激光束能量后汽化，部分试样分子伴随基质的汽化而解吸。基质吸收大部分激光能量，减少了试样分子被激光能量破坏及过度电离成碎片离子。激光：固体氮激光，紫外光波长：337nm功率：106~108W/cm2脉冲时间：10-6~10-9秒119基质辅助激光解吸电离(MatrixAssistedLaMALDI示意图120MALDI示意图14

蛋白质组分析。优点：适用于热不稳定、难挥发、难电离的生物大分子与合成聚合物的分析，质量范围可达50万Da。高灵敏度，可测至10-12~10-15摩尔。软电离，没有或很少有碎片离子，可用于分析混合物。可容纳毫摩尔级的盐。特别适用于与飞行时间质谱相配（MALDI-TOF）。缺点：基质背景易干扰质量数1000Da以内的物质分析。激光解析电离可能导致被分析物分解。基质辅助激光解吸电离(Ionization,MALDI)121蛋白质组分析。优点：基质辅助激光解电喷雾电离(Electrosprayionizatin,ESI)样品质量分析器[M+nH]n

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++1挥发裂分21,2准分子离子122电喷雾电离(Electrosprayionizatin,电喷雾电离的基本过程样品溶液带电喷雾带电雾滴壳气的作用下溶剂的蒸发电荷的库仑作用带电雾滴的解体溶液中离子转变为气相离子J.MassSpectrom.2000,35,804-817.123电喷雾电离的基本过程J.MassSpectrom.20优点：电喷雾电离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。电喷雾电离(ESI)124优点：电喷雾电离(ESI)18离子源的分类SoftionisationgiveslowfragmentationMolecularweightdeterminationProduces“theoretical”spectraHighsensitivity(lowpglevels)Ionisation硬电离MALDIEICI不产生碎片软电离产生碎片125离子源的分类Softionisationgiveslo分子量非极性极性EI/CIElectrosprayAPCI100,0001000DynamicFAB各种离子化方法的使用范围126分子量非极性极性EI/CIElectrosprayAPCI1质量分析器将离子源中生成的各种离子按质荷比大小分开单聚焦（single-focusing）质量分析器双聚焦（double-focusing）质量分析器四级杆质量分析器（quadrupolemassanalyzer/filter,四级滤质器）离子阱（iontrap）质量分析器飞行时间（timeofflight）质量分析器傅立叶变换（Fouriertransformioncyclotronresonance,傅立叶变换离子回旋共振）质量分析器127质量分析器将离子源中生成的各种离子按质荷比大小分开单聚焦（s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。单聚焦(single-focusing)和双聚焦(double-focusing)扇形磁场质量分析器128单聚焦质量分析器使用扇型磁场，结构简单，操作方便，但是分辨率双聚集磁质谱仪的基本结构示意图离子源+++磁场静电场检测器碰撞室129双聚集磁质谱仪的基本结构示意图离子源+++磁场静电场检测器碰四极质量分析器(quadrupolemassanalyzer)++++由一组平行放置的四根金属棒构成，用陶瓷绝缘，交错地联结成两对；加以方向相反的直流(DC)和射频(RF)电压；加速粒子进入分析器,并按m/z和RF/DC值开始以一种复杂的形式振荡，稳定振荡的离子通过打拿极射到倍增器上被放大记录，不稳定振荡的离子打到四极杆上被中和，从而达到质量分离目的。130四极质量分析器(quadrupolemassanalyz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。四极质量分析器(quadrupolemassanalyzer)131优点：四极质量分析器(quadrupolemassana离子阱(iontrap)离子被引入阱中后,经RF射频电压扫描,不同质/荷比的离子相继排出得到检测。离子可在阱内可存储较长的时间,增加了离子相互碰撞的机会,适用于气相离子反应研究。RingelectrodeEndcapelectrodeEndcapelectrode环形电极端盖电极端盖电极132离子阱(iontrap)离子被引入阱中后,经RF射频电压离子阱与四极质量分析器的原理类似，因此也称为四极离子阱（quadrupoleiontrap）；或因其储存离子的性质而称为四极离子储存器（quadrupoleionstorage,QUISTOR）。优点：1）单一的离子阱可实现多极“时间上”的串联质谱；2）结构简单、价格便宜，性能价格比高；3）灵敏度高，较四极质量分析器高达10~10000倍；4）质量范围大，可达6000。缺点：质谱与标准谱有差别。但采用外加的离子源可克服。另外，采用外加离子源后，离子阱也便于色质联机。离子阱(iontrap)133离子阱与四极质量分析器的原理类似，因此也称为四极离子阱（qu飞行时间质量分析器(timeofflight,TOF)++++离子源中的离子瞬间引出，经加速电压加速，以相同的动能进入漂移管。开始时，所有离子都在一起。质荷比小的离子移动快，质荷比大的离子移动慢。根据到达检测器时间的不同，而检测出不同质量的离子。可以采用两级加速或反射式提高仪器的分辨率134飞行时间质量分析器(timeofflight,TOF)优点：原理上检测离子的质荷比没有上限；特别适合于与脉冲产生离子的电离源(MALDI-TOF)；灵敏度高，适合于作串联质谱的第二级；扫描速度快，适合研究极快过程；结构简单、易于维护。缺点：分辨率随质荷比的增加而降低。飞行时间质量分析器(timeofflight,TOF)135优点：飞行时间质量分析器(timeofflight,T傅立叶变换离子回旋共振分析器傅立叶变换离子回旋共振(Fouriertransformioncyclotronresonance,FT-ICR)同时激发分析所有质荷比的离子，通过不同质荷比的离子在回旋池中具有不同回旋运动频率的性质分离离子，通过对检测信号进行傅立叶变换得到质谱图。136傅立叶变换离子回旋共振分析器傅立叶变换离子回旋共振(Four137傅立叶变换离子回旋共振分析器优点：分辨率极高，可得到精度最高的精确质量数；可用于多级（时间上）串联质谱；一般采用外电离源，可采用各种电离源，也便于色质联机；灵敏度高、质量范围宽、速度快、性能可靠。缺点：分辨率和质量成反比，即在同样条件下，质量越低则分辨率越高，故在标明分辨率时需注明质量。13731傅立叶变换离子回旋共振分析器优点：31138旋转泵（Rotarypumps）分子涡轮泵（Turbomolecularpumps）扩散泵（Diffusionpumps）离子泵（Ionpumps）升华泵（Sublimationpumps）真空系统13832旋转泵（Rotarypumps）真空系统32高真空的作用使离子有合适的平均自由程，减轻离子分子反应（单分子反应）能有效地控制“散射”效应能最大限度地降低“本底”谱可消除或减少“记忆”效应和内壁表面的极化效应能帮助样品挥发，避免或减轻样品的热解能保证离子源灯丝（发射电子束）工作正常139高真空的作用使离子有合适的平均自由程，减轻离子分子反应（单分电子倍增器（Electronmultipliers）光电倍增器（Photomultipliers）微通道检测器（MCP)检测器140电子倍增器（Electronmultipliers）检测器1.样品分子的电离与加速5.1.2质谱的原理电子轰击电离源的工作示意图1411.样品分子的电离与加速5.1.2质谱的原理电子轰击电M在电子轰击电离源(EI源)中,样品分子的电离与加速气态分子高能电子e+2e+分子离子各种碎片阳离子按一定规律碎裂=zeVm2阴离子自由基中性分子获得动能进入分析系统各种阳离子(分子离子以及碎片离子)高压电场加速70eV电离能7~15eV

—阳离子速度z

—阳离子电荷V—加速电位m—阳离子质量e—单位电荷电量有很高的内能142M在电子轰击电离源(EI源)中,样品分子的电离与加速2.各种离子在质量分析器中被分离单聚焦（single-focusing）质量分析器的分离原理B—磁场强度洛仑兹力f（向心力）离心力R—曲率半径Bze=Rm2=zeVm2—离子的质荷比B(洛仑兹力)fR1432.各种离子在质量分析器中被分离单聚焦（single-f质荷比不同的离子,因在同样的高压电场(V)加速下、在同样的磁场(B)中运动,有着不同的曲率半径(R),而得以分离144质荷比不同的离子,因在同样的高压电场(V)加速下、在同3.质谱的获得仪器的R固定,B由小到大改变(扫场),则离子按m/z由小到大依次满足仪器的曲率半径到达检测器，被收集并记录下各质荷比的离子的相对强度,得到质谱图。1453.质谱的获得仪器的R固定,B5.1.3质谱仪的主要性能指标1.灵敏度(sensitivity)对于某种标准样品（如硬脂酸甲酯），在一定的分辨率情况下，产生一定信噪比（如10:1）的分子离子峰所需的最小样品量。信噪比进样量往往1pg或几个pg1pg=10-12g1465.1.3质谱仪的主要性能指标1.灵敏度(sensiti2.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：分辨率也可以理解为仪器在质量数M附近能分辨的最小相对质量差1472.分辨率（resolution）分辨率也可以理解为仪器在质低分辨率质谱仪：R<1000高分辨率质谱仪：R>10000（FT-ICRMS：R可达1×106）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:27.9949N2:28.0062C2H4:28.0313148低分辨率质谱仪：R<1000利用高分辨率质谱仪可测定任何一种同位素的质量并不是正好的整数。12C的准确质量为12.00000000,1H=1.007782506，14N=14.00307407，16O=15.99491475，末位有效数字。每一个同位素都具有唯一的、特征的“质量亏损”离子的质量包含了同位素的总的质量亏损，也是特征的以此来鉴定离子的同位素和元素组成。高分辨质谱进行元素组成分析149任何一种同位素的质量并不是正好的整数。高分辨质谱进行元素组成高的分辨本领保证两个靠得很近的峰能够分开来良好的线性行为用已知精确质量的离子做标准曲线：直线。若质谱仪的线性不好，测定离子的质量时会产生偏差，偏离直线，从而造成误差。良好的稳定性质谱学上的高分辨的三层含义150高的分辨本领质谱学上的高分辨的三层含义44磁质谱，飞行时间质谱，离子回旋共振质谱：分辨力、线性和稳定性好，属高分辨质谱仪。离子阱质谱：分辨力高，线性低，准高分辨质谱仪，用于判断质谱峰带的电荷数。四极杆质谱：分辨力低，线性好，不属于高分辨质谱仪。151磁质谱，飞行时间质谱，离子回旋共振质谱：分辨力、线性和稳定性质谱仪所能测定的离子质荷比m/z的范围。四极质谱：1000以内离子阱质谱：~6000飞行时间质谱：理论上无上限，1×106ESI由于可产生多电荷离子，实际能测量的最大分子质量可大大超过仪器的质量范围。3.质量范围(massrange)152质谱仪所能测定的离子质荷比m/z的范围。3.质量范围(mas5.1.4质谱的表示方法1.质谱图横坐标：质荷比

m/z，m/e纵坐标：相对丰度——离子流的相对强度1535.1.4质谱的表示方法1.质谱图横坐标：质荷比m/z峰强(%)m/z峰强(%)m/z峰强(%)同位素丰度384.4519.191100(基峰)m/z峰强(%)395.3624.19268(M)92(M)100453.9638.6935.4(M+1)93(M+1)7.9506.36511940.21(M+2)94(M+2)0.32.质谱表甲苯的质谱表：154m/z峰强m/z峰强m/z峰强(%)同位素丰度384.45Massspectrometry(MS)hasundergoneaprofoundchangeoverthe

pastdecade.Instrumentationandtechniquesrelatedtotheautomatedanalysisofbiomoleculesandnewdrugsnowaccountforalargepercentageoftheresearchandpublicationsinthisfield.Incomparison,gaschromatography/massspectrometry(GC/MS)andelectronionization(EI)massspectraof‘‘small’’moleculesplayalessimportantrolethantheyoncedid.UNDERSTANDINGMASSSPECTRAR.MartinSmith2004byJohnWiley&Sons,Inc.155Massspectrometry(MS)hasundButGC/MSisfarfromdead,andEIMScontinuestobetheionizationmethodofchoiceformanylaboratoriesthatroutinelyanalyzevolatilizablelowmolecularmasscompoundssuchasdrugs,flavorandodorcomponents,pesticides,andpetroleumproducts.Thissituationseemsunlikelytochangeinthenearfuture.156ButGC/MSisfarfromdead,an15751Massspectraofane