第七章 质谱分析(Mass Spectrometry, MS).ppt

1、第七章 质谱分析 （Mass Spectrometry, MS),质谱分析法采用高能粒子束使分子转变成气态离子，将分解出的阳离子加速导入质量分析器中，按质荷比（m/z）大小顺序进行收集和记录，即得到质谱图。 特点：,应用： 定性分析： 1.相对分子量测定。利用分子离子峰； 2.化学式确定 利用精确分子量 利用同位素离子峰的丰度 3.结构鉴定。碎片离子峰 定量分析：,7.1 基本原理,1、质谱分析基本原理,物质的分子被电离，生成的正离子在高压电场中加速导入磁场，在磁场中偏转，然后到达收集器，产生信号。强度与到达的离子数目成正比，所记录信息构成质谱。,mv2=eV V电场电压 e正离子电荷,磁场中

2、：正离子轨道发生偏转,Hev=mv2/R H-磁场强度,电场中:正离子在获得动能,综上得：m/e=H2R2/2V 或 - 磁场质谱计的基本方程,即不同的半径处，接收到相应的m/e。,R固定，连续改变H 或 V,也可以分离m/e. m/e正比H2 ,H增大,m/e增大. m/e正比1/V,V 增大,m/e减小.,由上式可以看出： (a) H、V固定时，不同的m/e的R不同。,相对丰度：以质谱中最强的峰的高度为100% ，然用最强峰高度去除其他高度，得到的百分数。用相对丰度表示各峰高度。 基峰：最强的峰 （相对丰度为100%）。,2、质谱的表示方法,横坐标为质荷比，纵坐标表示相对丰度。,7.2 质

3、谱仪,7.2.1 质谱仪基本组成,质谱仪能产生离子，并将这离子按m/e比进行记录仪器。,质谱仪由五大部分:进样系统、离子源、质量分析器、检测记录系统、真空系统组成。,1、真空系统,质谱仪离子源、质量分析器、检测器必须处于高真空状态，若真空度过低，则：,大量氧会烧坏离子源灯丝；,本底增加，干扰质谱图；,引起额外离子一分子反应，改变裂解模型，质谱复杂化。,用作加速离子的几千伏高压会引起放电。,干扰离子源中电子束正常调节等。,一般质谱仪采用机械泵预抽真空，然后用扩散泵高效率连续抽气。,2、进样系统,作用： 高效重复地将样品引入到离子源，且不造成真空度的降低。,气体、沸点不高易挥发液体：用微量注射器注

4、入储样器，立即气化为蒸气分子，然后由于压力梯度由漏孔以分子形式渗入高真空离子源。-间歇式进样系统,高沸点液体、固体： 用探针杆直接进样- 直接探针进样系统。 如图：,目前采用较多的色一质联用，此时试样经色谱柱分离后，经分子分离器进入质谱仪-色谱进样系统。,3、离子源,作用：将进样系统引入的气态样品分子转化成离子。,（1）电子轰击离子源（electron impact， EI）.,有机化合物常选用7080eV，有时为减少碎片离子峰简化质谱图，采用1020eV能量.,局限：有机物中相对分子质量较大或极性大，难气化，热稳定性差的化合物，在加热和电子轰击下，分子易碎，难于给出完整分子离子信息。,（2）

5、化学电离源（chemical ionization）CI,通过分子离子反应使样品电离，因此化学电离源需用反应气体 ，常用反应气体有甲烷、H2、N2、CO、NO等。 用高能量的电子轰击反应气体使之电离，电离后的反应分子再与试样分子碰撞发生分子离子反应。,例: 反应气体CH4为例 一级离子反应：,CH4 + e- CH4 + CH3 + CH2 + +CH + + C +H2+ +H+n e-,二级离子反应:,CH4 + + CH4 CH5 + + CH3 CH3 + + CH4 C2H5 + + H2,三级离子反应：,C2H5 + + CH4 C3H7 + + H2,主要离子CH5 + ，C2H

6、5 +,试样与上离子反应：,复合反应：,M+CH5 + (M +CH5) + M+17峰 C2H5 + +M (M +C2H5) + M+29峰,在CI谱图中，M+1,M-1峰往往是最强峰或为基峰。,特点：谱图简单、灵敏高。碎片少，可提供的结构信息少。,适于相对分子质量高及不稳定化合物分析。,（3）场致电离源 （field ionization FI）,FI形成的离子主要是分子离子，碎片离子少，可提供信息少，常与电子轰击配合作用。,（4）场解析电离源 （field desorption FD）,FD中，样品溶在溶剂中，滴在场发射丝上，或将发射丝浸入溶液中，待溶剂挥发后，将场发射丝插入离子源，在

7、强电场作用下，样品不经气化即被电离。,适用于不挥发和热不稳定化合物的相对分子质量的测定。,形成离子主要是分子离子，碎片离子少。,（5）快原子轰击离子源 （FAB） fast atom bombardment,快原子：惰性气体元素氩电离成Ar+离子，经电场加速，使之具有很高的动能，然后通过一电荷交换室使高能氩离子中和成中性原子流。,特点：有较强的分子离子峰，且有较丰富的结构信息。,适合：高极性，大相对分子质量，热稳定性差的试样,4、质量分析器,作用： 将离子源中形成的离子按质荷比大小分开。,静态分析器： 采用稳定不变的电磁场，按空间位置把不同质荷比的离子分开。,动态分析器： 采用变化的磁场，按时

8、间或空间来区分质量不同的离子。,（1）单聚焦质谱计的质量分析器,特点：只能把质荷比相同而入射方向不同的离子聚焦。,（2）双聚焦质谱仪的质量分析器,离子在半径R的经向轨道中运动必要条件：偏转产生离心力静电力,ZE=mv2/R R= mv2/ZE=(2/ZE) mv2,静电分析器实现了能量聚焦。 具有相同动能离子，送入磁场分析器实行质量色散实现方向聚焦。,固定电场，动能相同的离子具有相同的R。,（3）飞时间质谱计的质量分析仪,离子以速度v飞行长度为L的既无电场又无磁场的漂移空间，最后达到离子接收器C，所需时间为：,mv2=zU,m/z=2Ut2/L2,特点：,该质量分析器按时间实现质量分离，不需磁

9、场又不需电场，只需直线洒移空间，分辩率大大提高。,扫描速度快，可用于研究快速反应及与色谱联用等。,不存在聚焦狭缝，灵敏度高。,（4）四极杆分析器,（5）离子阱,5、离子检测器,作用： 将从质量分析器出来的只有109102A微小离子流加以接收放大以便记录，常用电子倍增管，照相底片等。,7.2.2 质谱仪类型,单聚焦质谱仪、双聚焦质谱仪，四极滤质器、离子井质谱计，飞行时间质谱计。,7.2.3质谱仪的主要性能指标,1、分辨率（R）,仪器的分辨率：两个刚好完全分开的相邻的质谱峰质量平均数与两者质量数之差的比值。 R=M/M M为两相邻峰的质量平均数； M为两峰质量数之差。,2、质量测定范围,表示仪器能

10、够分析的样品的原子量（或分子量）范围，常采用原子质量单位进行度量。,例: 两峰质量数分别为500和501，则分开这两个质量峰时，分辨率应为多少？ R =(500+501)/2*(501-500) =500,3、灵敏度,绝对灵敏度： 仪器可以检测到最小样品量。,相对灵敏度： 仪器可以同时检测的大组分与小组分含量之比。,分析灵敏度： 输入仪器的样品量与仪器输出信号之比 .,1、分子离子峰,分子离子（母离子 ）：分子电离失去一个外层价电子而形成带正电荷的离子 分子离子峰（母离子峰）：分子离子（母离子）在质谱中相应的峰。 M + e M+ + 2e,分子离子峰特点：一般位于质荷比最高位置；质量数即是化

11、合物的相对分子质量。,7.3 离子的类型,分子离子峰判断,有机化合物产生的分子离子足够稳定，质谱中位于质荷比最高位置的峰，就是分子离子峰. 但是因分子离子不稳定，给分子离子峰识别造成困难，可根据以下方法来辩认分子离子峰。,从化合物结构来判断分子离子 峰的强度。,各类分子离子稳定性次序如下：芳香族共轭链烯脂环化合物烯烃直链烷烃硫醇酮胺酯醚酸支链烷烃 腈伯醇叔醇缩醛。,氮规则,有机化合物常由C、H、O、N、S和卤素等原子组成，其相对分子质量应符合氮规则。,分子中含有偶数N原子或不含N原子时，其相对分子质量应为偶数。 分子中含有奇数N原子时，其相对分子质量应为奇数。,如不符上述规律，不是分子离子峰。

12、,判断最高质量峰与其他碎片离子峰之间的质量差是否合理。,以下质量差不可能出现：314、1925、37、38、50-53、65、66 若出现这些质量差，最高质量峰就不是分子离子峰。,根据断裂方式来判断分子离子峰,例：醇质谱图最高质量处有相差三个质量单位的两峰。,醚、酯、胺、酰胺等，M+1峰显著，醛醇等M-1峰显著。,2、同位素离子峰,组成有机化合物的一些主要元素C、H、O、N、S、Cl、Br等都具有同位素。,同位素离子峰：分子离子峰是由丰度最大的轻同位素组成，用M表示，质谱图中，会出现由不同质量同位素组成的峰。例：分子离子峰右侧往往有M+1、M+2峰，即为同位素峰。,应用：根据同位素峰的相对强度

13、确定分子式。,（1）由C、H、O、N组成化合物,(M+1)%=1.12nc+0.016nH+0.38nN+0.04no (M+2)%=(1.1nc )2/200+0.20no nc nH nN no分别表示分子式所含C,H,N,O原子数.,例: 计算化合物C8H12N3O的M+1,M+2峰相对于M峰的强度?,解： (M+1)%=1.12*8+0.016*12+0.38*3+0.04*1=10.31 (M+2)%=(1.1*8) 2/200+0.20*1=0.597 M:M+1:M+2=100:10.31:0.597,（2）含Cl、Br、S、Si化合物,分子中含有以上四种元素之一时，各同位素相对

14、强度比值等于(a+b)n展开后得到各次数值之比。 a: 轻同位素相对丰度， b: 重同位素相对丰度, n:分子中同位素原子的个数。,解： n=3 35Cl:37Cl=75.5:24.5=3:1 即 a=3,b=1 (a+b)3=27+27+29+1 M:M+2:M+4:M+6=27:27:9:1,因此可根据同位素离子峰强度比可确定出化合物中含有这些元素个数。,例: 计算化合物CHCl3的分子离子峰与其同位素离子峰的强度之比?,贝农表：Bcynon按照天然同位素的相对丰度，计算由C、H、O、N 组成质量从 12 500各种组成式（M+1）:M和（M+2）：M的值，排成一个表。利用此表求化合物的分

15、子式。,例：某有机化合物的相对分子质量为102，在质谱图中测出M、M+1、M+2峰强度分别为1.5、0.084和0.009，试确定分子式?,解: M+1/M=5.6% M+2/M=0.6%,由于M+2/M4%，故可知该化合物不含S、Cl和Br。,查贝农表，在相对分子质量为102栏中给出21个式子，其中M+1/M和M+2/M值相近有：,M+1/M M+2/M C4H12N3 5.66 0.13 C5H10O2 5.64 0.53 C5H11NO 6.02 0.35,由氮规则知:C4H12N3 C5H11NO含奇数N，相对分子质量不可能为偶数排除，剩下的 C5H10O2与实验数据最接近，因此该化合

16、物的分子式应为C5H10O2.。,3、碎片离子峰,在离子源中除产生分子离子外，产生带正负电荷和中性碎片，所以在质谱图上可以出现许多碎片离子峰，碎片离子的形成和化学键的断裂与分子结构有关，利用碎片峰可协助阐明分子结构。,麦氏重排,麦氏重排：具有-H的醛、酮、羧酸、酯、烯烃、侧链芳烃等化合物经过六元环空间排列的过渡态， -H原子重排转移到带正荷的杂原子上，接着发生烯丙基型开裂，并脱去一个中性分子。,H,4、重排离子峰,麦氏重排规律性很强，质谱解析时十分重要，例如,5、亚稳离子峰 亚稳离子是在向质量分析器飞行过程中开裂形成的。 电离室形成的碎片离子为正常离子，假设正常离子和亚稳离子都是由m1+ 离子

17、形成的。,m*与m1、m2之间的关系为：,m*峰质荷比通常不是整数。,例: 某化合物质谱的最高质量处有两个峰m/e=172和187，附近找到亚稳离子峰m/e=170.6。试问离子峰m/e=172和187间是否存在裂解关系？,6、两价离子峰 分子受轰击后，可能失去两个电子而形成两价离子。,例：苯质谱中m/z=37.5和38.5就是双电荷 离子峰。,7.4 各类普通有机化合物为质谱 1.烷烃 直链烷烃 各个键的分裂机会是相同的，因而分裂沿着碳链上的键依次进行。,直链烷烃分子离子峰一般较弱，并随着链长的升高而降低。 谱图中C3或C4的离子峰的丰度最大。,支链烷烃 存在支链时，则容易在支链的位置断裂，

18、电荷保留在带支链的C上，分子离子峰比相应的直链烷烃弱。,2、不饱和酯肪烃,顺式、反式的异构体通常具有相似的质谱，离子强度较大峰41、55、69烯烃开裂方式,烯丙基分裂, 具有-H时，发生麦氏重排,3、饱和脂环烃 分子离子峰比对应的无环化合物丰度大，解释较难。,4、芳香烃 芳香烃比较稳定，分子离子峰很强，一般还能观察到双电荷离子。 苯环上有取代基时，易发生-开裂（苄基开裂）形成m/c=91苄基离子峰. 苄基离子扩环后，形成稳定的草 离子，常为基峰。,m/z=91,苯环取代基有r-H时，可发生麦氏重排，形成m/z92重排离子峰,m/z=92,苯环和草 离子都可失去C2H2，形成m/Z39、51、6

19、5、77、91等系列离子峰，这只是识别芳环的主要依据,稠环芳烃很稳定，碎片离子峰少,由-开裂和氢重排，单烷基苯在m/e 77和m/z78处出现 特征离子峰。,5、醇类 （1）饱和脂肪醇 分子离子峰，一般很弱，甚至观察不到； 伯醇（除甲醇）及相对分子质量较大的仲醇和醇易脱水形成M-18峰，M-18峰还可进一步开裂，失去C2H4形成M-46峰。 因此,醇类质谱中常有M-18和M-46碎片离子峰。,醇的最有用的特征反应是 - 开裂形成 离子，并优先失去最大烷基。,醇类质谱中可观察到M-1、M-2甚至M-3峰。,（2）脂环醇，开裂途径复杂,6、酚类(芳醇),分子离子峰一般都较强，苯酚的分子离子峰为基峰

20、。 酚类和苄醇最重要的开裂过程丢失CO和CHO，形成M-28、M-29峰，丰度较强。,苯酚本身的M-1峰不强，但甲酚和苯甲醇的M-1峰却很强。,甲酚、多元酚、甲基苯甲醇等都有很强的失水峰，尤其当甲基在酚羟基邻位时。 eg:邻甲苯酚的质谱图：M：108、 M1：107、 M28：108、M29：79,具有长链的酚类主要发生苄基开裂和麦氏重排。,7、醚类 （1）脂肪醚 M+较弱，一般尚能观察到。 主要发生开裂,正电荷通常留在O原子上,较大的烷基优先失去,形成M/Z45.5973等强峰CnH2n+1O+。,也可以- 开裂，正电荷留在烷基碎片离子上。,- 开裂形成m/z 29、43、57、71、 与开

21、裂形成m/z 31、45、59、73等离子峰共存,（2）芳香醚 M+较强，只发生 开裂，不发生 开裂。 开裂行为和脂肪醚相似，同时还有芳环开裂反应的特征。,例:,麦氏重排,8、醛类 M+明显，芳香醛为M+更强，脂肪醛M+在C4以后随M增加而迅速下降。 由于开裂，醛类有与M+几乎一样强（or更强）的M1峰，这是醛具有的特征。,另一边又一开裂产生的一个强峰m/z 29,相对分子质量上升时，下述开裂占优势，正电荷转移到R部分，形成M-29峰。,麦氏重排，形成m/e 44 58 72 86等离子峰。,9、酮类 与醛类质谱行为相似 M+较强，随着M上升，M+峰逐渐下降。,芳香酮也易发生-裂，低质量区可观察到 m/z 39、51、65、77等系列离子峰。,麦氏重排，它有可能发生两次麦氏重排。,环酮开裂方式较为复杂。,醌的M+很强，特征开裂失去CO、eg：,m/z 80 m/z 52,10、羧酸 酯肪羧酸的M+一般都很弱，但尚可观察到，M+强度随M上升而下降，与羰基共轭的双键越多，M+上升。 最重要的开裂方式是麦氏重排，m/z 60的特征峰。,像酮、醛那样发生-开裂,形成m/z15、29、43、57。,碳键的开裂失去烃基得至(CH2)nCOOH T+离子。,例 : 硬脂酸出现m/z 73、129、185与241等含羧酸的强峰。,芳香羧酸有较强的M+,主要开裂是失去羟基