第15章 質譜法課件

有機波譜中的四大譜紫外光譜UV－－分子中生色團和助色團IR－－分子中官能團和化學鍵核磁共振波譜NMR－－分子中的原子質譜MS－－分子中的結構單元，分子量

不屬于光譜法第15章質譜法質譜法MassSpectroscopy，MS第15章質譜法質譜：通過一定的方式，破壞中性化合物分子，使之產(chǎn)生分子離子和各種碎片離子，這些離子按照質量和電荷之比(質荷比m/z)的大小順序被記錄下來所形成的譜圖。質譜與質譜分析法

(massspectrumandmassspectrometry)質譜分析法：利用質譜對化合物進行定性、定量分析的方法?！糍|譜不屬光譜范疇質譜圖與電磁波波長和分子內(nèi)某種物理量改變無關◆質譜是分子離子及碎片離子的質量與其相對強度的譜,譜圖與分子結構有關

◆質譜是唯一可以給出分子量,確定分子式的方法,而分子式的確定對化合物的結構鑒定是至關重要的

特點：◆質譜法進樣量少,靈敏度高特點：檢測限10-11g,樣品用量幾微克◆儀器結構復雜，造價高◆破壞樣品◆測定對象廣：無機、有機、同位素分析?！舴治鏊俣瓤?，可實現(xiàn)色譜-質譜聯(lián)用一、質譜分析原理質譜分析過程離子源轟擊樣品帶電荷的碎片離子電場加速獲得動能分離(m/z)檢測器記錄試樣的電離離子引入質量分析器，按質荷比（m/z）由小到大進入檢測器其它離子和中性碎片等被真空抽出系統(tǒng)樣品分子

（M）電子流轟擊轟擊碎片離子A+M分子離子經(jīng)計算機處理得質譜圖：相對強度(%)m/z基峰M（153）100最強峰棒圖：m/z為橫座標，基峰相對強度為縱座標。質荷比（m/z）：離子質量和該離子所帶靜電單位數(shù)的比值基峰：最強離子峰，規(guī)定相對強度為100%第15章質譜法第15章質譜法質譜質譜表：以m/z和相對強度列表，可以準確地給出精確的m/z值及相對強度值

八峰值：八個相對強峰，以相對強度編成八峰值。查八峰值索引（工具書，類似于Saltlar圖譜的用途）。用于定性。元素表：較少用。質譜ⅰ判斷M峰，求精確相對分子質量Mⅱ定性鑒別，相同的化合物，相同條件下，質譜相同ⅲA+產(chǎn)生符合一定的規(guī)律，可用來推測結構。相對強度（豐度）大小，代表鍵斷裂難易。ⅳ用同位素峰計算Cl、Br等原子個數(shù)用途二、質譜儀器質譜計框圖真空系統(tǒng)VacuumSystem進樣系統(tǒng)SampleInlet檢測器Detector數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)DataSystem質量分析器MassAnalyser離子源IonizationSource1.

真空系統(tǒng)離子源(10-310-5Pa)

質量分析器(10-6Pa)主要部件需要在高真空下工作(1)大量氧會燒壞離子源的燈絲；(2)用作加速離子的幾千伏高壓會引起放電；(3)引起額外的離子－分子反應，改變裂解模型，譜圖復雜化。要求：重復性好、不引起真空度降低。2.

進樣系統(tǒng)直接進樣：單組分揮發(fā)性較低的固、液體：進樣桿氣體或低沸點液體：儲罐色譜進樣：混合物氣相色譜-質譜聯(lián)用（GC-MS）高效液相色譜-質譜聯(lián)用（HPLC-MS）毛細管電泳-質譜聯(lián)用（CE-MS）3.電離源(室)將欲分析樣品電離，得到帶有樣品信息的離子氣相源：先蒸發(fā)再激發(fā)，適于沸點低、對熱穩(wěn)定的樣品的離子化電子轟擊源EI、化學電離源CI、火花源SI等。解吸源：固、液態(tài)樣品直接轉化為氣相，適用于分子量高達105非揮發(fā)性或熱不穩(wěn)定性樣品的離子化快原子轟擊源FAB、激光解吸源MALDI、電噴霧源ESI等。3.電離源(室)硬源：離子化能量高，伴有化學鍵的斷裂，譜圖復雜，可得到分子官能團的信息；軟源：離子化能量低，產(chǎn)生的碎片少，譜圖簡單，可得到分子量信息。可據(jù)分子電離所需能量不同可選擇不同電離源電子轟擊源(EI)M＋e(高速,50～100eV)→M·++2e（低速)應用最為廣泛的離子源樣品蒸氣分子被打掉一個電子形成分子離子分子離子進一步發(fā)生化學鍵斷裂形成各種碎片離子第15章質譜法電子轟擊源(EI)優(yōu)點：重現(xiàn)性好，信息量大，有標準圖譜可檢索；有成熟的開裂理論，便于結構分析及鑒別。適用于易揮發(fā)有機樣品的電離，用于GC-MS聯(lián)用儀。缺點：不適于難揮發(fā)、熱不穩(wěn)定的化合物分析；分子量大或穩(wěn)定性差的分子常得不到分子離子峰第15章質譜法化學電離源(CI)反應氣(CH4、N2、He等)CH4+e→CH4++CH3++CH2++CH++C++H+CH4++CH4

→CH5++CH3CH3

++CH4

→C2H5++H2CH5++XH

→XH2++CH4C2H5++XH

→X++C2H6第15章質譜法化學電離源(CI)優(yōu)點：圖譜簡單；最強峰為準分子離子(M+1)+缺點：重現(xiàn)性差，不能制作標準圖譜不適用難揮發(fā)、熱不穩(wěn)定化合物試樣分析

生成的XH2+

和X+

比樣品分子XH多一個H或少一個H，可表示為(M±1)，稱為準分子離子

CI源主要用于GC-MS聯(lián)用儀，適用于易汽化的有機物樣品分析。第15章質譜法快原子轟擊源（FAB）Cu靶電場使氙原子電離并加速，產(chǎn)生快速離子通過快原子槍產(chǎn)生電荷交換得到快速原子快速原子轟擊涂在金屬板上的樣品，使樣品電離。第15章質譜法快原子轟擊源（FAB）樣品無需加熱氣化，適于分析大分子量、難氣化、熱穩(wěn)定性差的樣品。如肽類、低聚糖、天然抗生素等。特點：軟電離方式，有較強的準分子離子峰；有較豐富的結構信息；影響因素多，重現(xiàn)性差。第15章質譜法電噴霧源(ESI)特點：易形成多電荷離子分子量10000Da的分子帶有10個電荷質荷比只有1000Da適于分析極性強的大分子有機物，如蛋白、肽、糖。用于HPLC-MS聯(lián)用儀。

第15章質譜法

將離子源產(chǎn)生的離子按m/z順序分開并排列成譜。4.質量分析器質量分析器類型：磁分析器、四極桿、飛行時間、離子捕獲、離子回旋等。單聚焦型磁分析器：

方向聚焦：m/z相同,入射方向不同的離子聚焦

m/z相同而動能(或速度)不同的離子不能聚焦早期使用，分辨率低：一般為5000儀器R固定，H不變，改變加速電壓V由小至大，離子m/z由大至小進入檢測器第15章質譜法雙聚焦型磁分析器能量聚焦：相同m/z，速度(能量)不同的離子會聚方向聚焦：相同m/z，入射方向不同的離子會聚分辨率高，可達15000，目前高分辨質譜儀中最常用質量分析器

第15章質譜法四級桿質量分析器

目前低分辨質譜儀最常用的分析器。優(yōu)點：較低的真空度下工作；掃描速度快，有利于與色譜儀聯(lián)用；結構簡單、自動化程度高。缺點：分辨率低；質量范圍窄，10～1000Da

不能提供亞穩(wěn)離子信息。第15章質譜法5、檢測器1)Faraday

杯可檢測10-15A的離子流，但不適于高加速電壓下的離子檢測。2）電子倍增器：

類似光電倍增管，可測10-18A電流。3）微通道板檢測器：

記錄離子的數(shù)目。分辨率：分開相鄰質量的能力：R=M/M

6、質譜儀主要性能指標h/10hmm+m

分辨率相鄰兩峰峰谷高<10%基本分開標志如儀器能分開質量為27.9949和28.0061峰高分辨率質譜儀：分辨率大于10000（小數(shù)點后5位）低分辨率質譜儀：分辨率小于10006、質譜儀主要性能指標質量準確度(質量精度)：實測值與理論值相對誤差質量范圍：有效測量的離子質荷比范圍10~幾千靈敏度：產(chǎn)生具有一定信噪比的分子離子峰所需的樣品量質量精度一般應小于10ppm才能滿足定性分析要求二、質譜儀器QuattroPremierXE

UPLC/三重四極桿串聯(lián)質譜儀美國WATERS

ABI4800MALDITOF-TOF

基質輔助激光解析質譜系統(tǒng)美國應用生物系統(tǒng)公司二、質譜儀器1200RRLC/6410BQQQ液質聯(lián)用儀美國AgilentAutoflexIII臨床蛋白芯片飛行時間質譜儀美國Bruker

二、質譜儀器XSeriesII電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS）熱電公司

三、質譜中的主要離子分子離子、同位素離子、碎片離子、重排離子、亞穩(wěn)離子等分子離子碎片離子重排裂解碰撞裂解第15章質譜法分子離子分子電離一個電子形成的離子。分子離子的質量與化合物相對摩爾質量相等。M－e→M·+M·+:分子離子奇數(shù)個電子譜圖最右端確定分子量有機物雜原子S，O，P，N等上的n電子對最易失去，其次是

電子，后是

電子。碎片離子相對豐度與鍵斷裂的難易及化合物的結構密切相關。特點:

離子峰寬大、相對強度低、

m/z不為整數(shù)，可確定裂解途徑亞穩(wěn)離子59.28094.8108123m/z1082/123=94.8802/108=59.2裂解過程m/z123m*94.8108m*59.2

80對氨基茴香醚由于天然同位素存在，質譜上出現(xiàn)M+1，M+2等離子同位素離子M+1:13C1.12%,33S1.78%M+2:37Cl32.5%,81Br98%,34S4.4%同位素豐度比：

含量（豐度）12C輕質98.89%13C重質1.108%豐度比=13C%12C%×100=1.12%

如CH4中，12C和13C豐度比為1.12%12CH413CH4質譜中MM+1100%1.12%MM+1=1.12100同位素峰強比和自然界中豐度比一樣峰強比可推斷是否含S、Cl、Br等及其原子數(shù)目分子中同位素豐度比和含同位素原子的個數(shù)決定峰強比，用表示第15章質譜法①只含C、H、O的化合物M/z相對峰強（%）150（M）100151(M+1)9.9152(M+2)0.9例：一個含CHO的化合物C9H10O2第15章質譜法②分子中Cl分子中含二個ClCH2Cl2m(60)m+2(62)CH3Cl35CH3Cl37MM+2M+4一個Cl第15章質譜法同位素豐度比計算（a+b）n輕質同位素豐度比重質同位素豐度比二個Cl:(3+1)2=(3+1)(3+1)=9:6:1

9+3+3+1mm+2m+4

MM+2M+2M+41:2/3:1/9三個Cl:(3+1)3=27+27+9+1mm+2m+4m+6

1:1:1/3:1:27原子個數(shù)第15章質譜法③分子中含Br1個BrM:(M+2）=1:12個BrM:(M+2):(M+4)=1:2:13個BrM:(M+2):(m+4):(M+6)=1:3:3:1M:M+2=100:97.31:1

含1個Br第15章質譜法④分子中含Cl、Br1個Cl，1個Br:（a+b)n(c+d)n’=(3+1)1(1+1)1=3:4:1=3+3+1+1M

M+2M+2M+4重質同位素豐度比輕質同位素豐度比第15章質譜法

峰強比具有加合性將Cl、Br對M+2峰貢獻減去M+2峰<4.44%,則分子中不含S、Cl、Br⑤分子中含S第15章質譜法化學電離源電子轟擊源麻黃堿化學電離與電子轟擊源下麻黃堿的質譜圖比較分子離子峰分子離子峰和碎片離子峰的識別對有機分子的定性分析十分重要，可以通過選擇不同離子源來獲得不同的信息。第15章質譜法四、有機化合物的裂解方式分子離子碎片離子重排裂解碰撞裂解單純開裂重排開裂復雜開裂單電子轉移：雙電子轉移：含奇數(shù)個電子的離子：含偶數(shù)個電子的離子：+電荷位置不明時：陽離子的裂解類型－表示方法第15章質譜法單純開裂－均裂(homolyticcleavage)

如：

化學鍵開裂后，兩個成鍵電子分別保留在各自的碎片上。R1>R2第15章質譜法單純開裂－異裂(heterolyticcleavage)

化學鍵開裂后，兩個成鍵電子全部轉移到某一碎片上。

如：R1>R2正己烷第15章質譜法單純開裂－半異裂(hemi-heterolyticcleavage)或如：已離子化的σ鍵的開裂過程。重排開裂－McLafferty重排（麥氏重排）含有雙鍵C=X（C=O、C=N、C=S、C=C）與雙鍵相連的鏈上有碳，并在

碳有H原子（氫）六圓環(huán)過度，H

轉移到X原子上，同時

鍵發(fā)生斷裂，生成一個中性分子和一個自由基陽離子

碳

鍵+麥氏重排麥氏重排+第15章質譜法重排開裂－逆Diels-Alder重排丁二烯離子中性分子五、質譜分析法注意：最高質量峰不一定是分子離子峰！！同位素峰樣品不純或儀器有污染，產(chǎn)生雜質峰樣品分子穩(wěn)定性差，分子離子峰弱或不出現(xiàn)1、分子離子峰的確認通常分子離子峰位于質譜圖最右邊。（一）分子結構的測定分子離子峰的確定①原則上除同位素峰外，分子離子峰是最高質量的峰注意“醚、胺、脂的(M+H)+峰”“芳醛、醇等的(M-H)+峰”。②分子離子峰應符合“氮律”。C、H、O化合物：分子離子峰m/z偶數(shù)；C、H、O、N化合物：偶數(shù)個N

m/z偶數(shù)奇數(shù)個N

m/z奇數(shù)。第15章質譜法③分子離子峰與鄰近峰的質量差是否合理。3~14無意義有機分子失去H、CH3、H2O、C2H5…….

質譜圖中可看到M-1，M-15，M-18，M-29等峰，不可能出現(xiàn)M-3，M-14，M-24等峰。分子離子峰的確定④EI源中，當電子轟擊電壓降低，強度不增加的峰不是分子離子峰。⑤改變實驗條件，得到M峰或M±1峰。第15章質譜法2、相對分子量的測定分子離子峰的質荷比＝相對分子量離子中豐度最大的同位素質荷比分子中各元素質量的加權平均值分子量較大時，兩者可差1個質量單位，如三油酸甘油酯，低分辨率測得分子量為884，實際相對分子量為885.44。?五、質譜分析法3、分子式的確定CO27.994914N228.006147近似值都是28C2H428.031299五、質譜分析法低分辨質譜通過同位素相對豐度法確定分子式根據(jù)M+1/M與M+2/M百分比值，計算或查表高分辨質譜：直接由精密相對分子質量通過計算機系統(tǒng)確定分子式，目前質譜分析中應用最多。由精密質量查貝農(nóng)表可知離子（分子）的元素組成m=66C5H6C4H2O2C3H2N266.046866.010566.0218第15章質譜法4、結構鑒定：

找出各質譜峰m/z、相對峰高等信息，根據(jù)各類化合物的裂解規(guī)律，重組整個分子結構。采用與標準譜庫對照的方法。5、質譜定量分析利用離子流強度與離子數(shù)目成正比進行定量同位素測定、無機痕量分析（ICP-MS）五、質譜分析法正癸烷分子離子峰較弱：C1(100%)，C10(6%)，C16(小)，C45(0)。有m/z

：29，43，57，71，……CnH2n+1系列峰(σ—斷裂)，基峰常為C3H7+(m/z43)。CnH2n+1峰兩側常出現(xiàn)“伴峰”，即CnH2n和CnH2n-1系列峰直鏈烷烴（二）有機物質譜特征支鏈烷烴分支處首先裂解叔C陽離子最穩(wěn)定第15章質譜法烯烴20406080100120140160180200103050709011013015017019021022023010080901006050302040700%

OF

BASE

PEAKC3m/z=41C4m/z=55C5m/z=69C8m/z=83C6m/z=97C7C9C10C11C12196分子離子峰較強。有m/z

：27，41，55，69，……CnH2n－1

系列峰。易發(fā)生β開裂，生成穩(wěn)定結構烯丙基正碳離子C3H5+(m/z41),常為基峰。m/z41十四烯-14.具有重排離子峰。第15章質譜法烯烴重排離子峰(McLafferty重排)第15章質譜法芳烴分子離子峰較強。烷基取代苯易發(fā)生β開裂，經(jīng)重排產(chǎn)生tropyliumion(m/z91),常為基峰。第15章質譜法β開裂卓鎓離子C7H7+

m/z91環(huán)戊二烯環(huán)丙烯第15章質譜法γH烷基取代苯有麥氏重排m/z92第15章質譜法脂肪醇＋·m/z:31,45,59…m－18……分子離子峰很弱，隨碳鏈的增長而減弱，甚至消失。易發(fā)生α開裂，生成一組含羥基離子，m/z31＋14n。易發(fā)生脫水重排反應，產(chǎn)生M－18離子。第15章質譜法醛分子離子峰較強，且芳醛強于脂肪醛。易α裂解產(chǎn)生R+(Ar+)、m/z29及M-1離子峰。具有γ氫的醛麥氏重排，產(chǎn)生m/z44+14n重排離子長鏈脂肪醛可β裂解生成無氧系列碎片峰m/z29，43，57…M－1M－29m/z29α均裂α均裂α異裂第15章質譜法醛的麥氏重排與β裂解m/z44β開裂異裂烷基碎片第15章質譜法酮脂肪酮的分子離子峰很強，但隨分子量增加而減弱。易α裂解，由均裂失去較大烷基，生成含氧的碎片離子，也異裂產(chǎn)生m/z15，29，43……無氧碎片離子系列。具有γ氫的酮，能產(chǎn)生麥氏重排，過程與醛相同均裂異裂m/z15＋14nm/z43

基峰

均

異第15章質譜法酸與酯芳酸與酯分子離子峰較強。易發(fā)生α裂解－R·－·OR1－CO－COOR1+R+具有γ氫的羧酸與酯，能產(chǎn)生麥氏重排。第15章質譜法分子離子峰，分子量同位素峰種類數(shù)目分子式不飽和度由碎片離子峰推測結構式核對分子式及不飽和度五、質譜分析法（三）有機化合物的質譜解析C9H10O2U=530507090110130150170190314351657991108150例150（M）35151(M+1)3.46152(M+2)0.315m/z43說明含CH3CH2CH2或含9個C說明為

含1個O，結構式可能是：m/z91，65，51說明含有基團,第15章質譜法碎片峰歸屬m/z歸屬43516591108第15章質譜法31395177105M(136)結構式：OCH3+例C8H8O2U=5第15章質譜法+.裂解過程：+均裂異裂異裂++-C2H2-C3H2m/z105m/z31m/z77m/z51m/z39第15章質譜法例下列哪個物質不發(fā)生麥氏重排A.B.C.D.第15章質譜法27295177105122150例第15章質譜法解：(M+2)%=0.006nc2+0.20no(M+1)%=1.12ncnc=9no=2M=150,得分子式為C9H10O2U=5(可能有苯環(huán))碎片峰歸屬如下：第15章質譜法27295177105122150C2H3+C2H5+C4H3+C6H5+C6H5CO+C6H5COOH+麥氏重排第15章質譜法綜上所述，推斷其結構式為：討論：若無m/z29,可能有下列結構式生成m/z122：第15章質譜法六、

波譜的綜合利用1．確定分子量和分子式(MS圖)2．計算分子的不飽和度U。3．確定結構單元紫外光譜：了解化學鍵及共軛程度紅外光譜：官能團核磁共振譜：質子種類與個數(shù)、碳骨架質譜：穩(wěn)定結構單元4.列出可