仪器分析第十四章质谱法

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CH3
较易发生
CH3
CH3 C+ + .C2H5
CH3
CH3 + C C2H5 + . CH3
CH3
4. 重排离子(rearrangement ion)
麦氏(Mclafferty)重排
官能团 C: X;氢原子
R1 = H、R、OH、OR、NR2
5. 亚稳离子(metastable ion): m*
第十四章
质谱分析法
Mass Spectrometry MS
Spectroscopy n. 光谱学, 波谱学, 光谱仪 Spectrometry n.质谱术,质谱计
主要内容
14.1 概述 14-2 质谱法基本原理及质谱仪器 14-3 质谱解析基础知识 14-4 有机波谱综合解释
§14-1 概 述
质谱法:将气态离子混合物按质荷比m/z大小
不同进行分离分析的技术。
质谱法分类:
原子质谱法(无机质谱法) atomic mass spectrometry
分子质谱法(有机质谱法) molecular mass spectrometry
质谱分析动画
质谱法优点:
1. 唯一可以确定分子量的方法,特别适 用于生物大分子分子量(数十万)测 定;
2. 极高灵敏度,检测限达10-14g;
一、质谱中几种主要的离子( EI源 )
1. 分子离子(奇电子离子)
确定分子量
(Molecular ion)
和分子式
M +e
M + . +2e
中性分子
分子离子
分子离子的质量与化合物的分子量相等
一般有机物失去电子的程度是 n电子>π电子>σ电子
分子离子或准分子离子峰
质谱中分子离子峰的识别及分子式的确定是至关重要的.
分子离子峰一般是质谱图中质荷比最大的峰
分子离子峰应具有合理的质量丢失 不可能出现(M-4~14)+及(M-21~25)+离子峰
质量数应符合氮规则
{奇数:分子量为奇数
氮原子个数 偶数:分子量为偶数 特征同位素峰:有一个氯时,M和M+2强度比
为3︰1,对一个溴,比例为1︰1
2. 分子式的确定
高分辨质谱法
(一) 进样系统
作用:在不降低真空度的条件下,将样品分 子引入到离子源中
间歇式进样系统 直接探针进样 色谱进样系统
(二) 离子源
作用:使气态样品分子电离,转化为带有样品
信息的离子
1. 电子轰击源(EI)
硬电离
灯丝 电子束
++
: R1
: R2
+
: R3
: R4
++
:e
(M-R2)+
(M-R1)+
α碳原子和β碳原子之间的键的断裂
烯烃(烯丙断裂)
RC H 2 C H 2.+ C H 2
R .+ C H 2 C HC + H 2 m /z4 1
烷基苯(苄基断裂)
.
+
C H2
R -.R
CH2
+
m/z 91
sigma
3) σ断裂
CH3 CH3 C C2H5 -e
CH3
CH3 CH3 +.C C2H5
同位素离子峰与分子离子峰相对强度的计算公式:
IM 1 10 1.0 0w 8 0.0x2 0.3y7 0.0z4 IM
IM 2100 (1.0w 80.0x2 )20.2z0
IM
200
如CH4:
IM1 1001.16%; IM
IM2 1000.006% 7 IM
根据质谱图上同位素离子峰与分子离子峰的相 对强度,可以推测化合物的分子式(Beynon表)。
含卤素化合物:
1. 氟、碘是单一同位素
同位素离子峰鉴定分 子中氯、溴、硫原子
2. 35Cl︰37Cl=3︰1, 79Br︰81Br=1︰1,
计算分子离子峰与同位素离子峰强度比:
(a+b)n
n = 2,a2+2ab +b2
a是轻质同位素丰度
n = 3,a3+3a2b+3ab2+b3 b是重质同位素丰度
研究高质量端离子峰, 确定化合物中的取代基
断裂方式 均裂:X—Y = X·+Y· 异裂:X—Y = X++Y半异裂:X+•Y = X++ Y·
1) α断裂
已电离
带有电荷的官能团与相连的α碳原子之间的断裂
含饱和杂原子
α-C
CH3CH2—I

均裂
异裂
CH3CH2+ + I ·
CH3CH2·+ I+
来自百度文库
含不饱和杂原子 均裂
异裂 m/z ?
2) β断裂
分子离子峰的识别
1. 假定分子离子峰: 高质荷比区,RI 较大的峰(注意:同位素峰) 2. 判断其是否合理: 与相邻碎片离子(m/z较小者)之间关系是否
合理
Δm
1
2
丢失 H· H2
3
15
16
17
H2, H CH3
O
OH
NH2
18 20 H2O
Δm = 4-14, 21-24, 37-38·····通常认为是不合理丢失
43 57
CnH2n+1离子系列
29 15
71 85 99 113 142
正癸烷质谱图
m/z
支链烷烃:支链取代位置裂解
85 43
CH3CH2
29
CH CH2CH2CH3
CH2 71
CH3
3-乙基己烷质谱图
芳烃
β裂解
基峰
α裂解
裂解途径
扩环
麦氏重排
(二)醇和酚 醇
. +
+
R
CH H
OH
- H.
2. 同位素离子(isotopic ion)
由重同位素组成的分子形成的离子
同位素离子峰一般出现在相应分子离子峰或碎片 离子峰的右侧附近,m/z用M+1,M+2等表示。
例如:CH4
12C+1H×4=16
M
同位素离子:
13C+1H×4=17 12C+2H+1H×3=17 13C+2H+1H×3=18
M+1 M+1 M+2
3. 电喷雾电离源(ESI)
最软电离
Electrospray Ionizaton
高电场
多电荷离子 测定的样品分子量大
Relative Abundance (%)
N
100
80 O (A)
60
O
40
O OH
20
M 0 : sc o p o la m in e
0
100
150
200
250
m/z
304.2 300
C、H、O、N的稳定同位素相对丰度
元素 相对丰度% 元素 相对丰度%
1H 100.00
14N 100.00
2H 0.015
15N 0.36
12C 100.00
16O 100.00
13C 1.08
17O 0.04
18O 0.20
32S 100.00
33S 0.78
34S 4.40
化合物分子式:CwHxNyOz
2. 化学电离源(CI)
软电离
(分子不稳
甲烷电离
反应气体有甲烷、定氨气) 、异丁烷
C 4 e H C 4 C H 3 C H 2 C H C H H
90%
甲烷离子与分子反应生成加合离子
C4 H C4H C5 H C3H C3 H C4H C 2 H 5 H 2
加合离子与样品分子反应
如基质辅助激光解吸电离源(MALDI); 电喷雾电离源(ESI); 大气压化学电离源(APCI); 感应耦合等离子体质谱仪(ICP-MS); 富立叶变换质谱仪(FT-ICR MS); ……
§14-2 质谱法基本原理及质谱仪器
一、质谱法的基本原理
质谱仪器结构框图
电子轰击离子化EI(50~100 eV) 分子离子,可裂
质谱图
CH3
质谱表
m/z
2 12 13 14 15 16 17
相对强度 1.36 3.65 9.71 18.82 90.35 100.00 1.14
1) 根据质谱峰的质荷比测定化合物的分子量, 推测分子式及结构式
2) 根据峰强度进行定量分析
质谱的发展
1918年J.J.Thomson发明了第一台EI质谱; 1966年Munson和Field提出了CI电离技术; 1981年出现了快原子轰击(FAB)电离技术; 随后出现了各种软电离技术:
3. 判断其是否符合N律 不含N或含偶数N的有机分子, 其分子离子峰的m/z为偶数。
含奇数N的有机分子, 其分子离子峰的m/z为奇数。
◎使用CI电离时,可能出现 M+H, MH, M+C2H5, M+C3H5… ◎使用FAB或ESI时,可出现 M+H, MH, M+Na, M+K… ◎较高分子量的化合物,可能同时生成 M+H, M+2H, M+3H等
或R
z 2U
2mU zH2
质谱方程式
结 语:
mH2R2 或R z 2U
2mU zH2
m/z∝R2,H、U一定时, m/z↑,R↑空间上分离
m/z∝H2, R、U一定时(磁场扫描), m/z↑,H↑
时间上分离
m/z∝1/U, R、H一定时(电压扫描), m/z↑,U↓
时间上分离
二、质谱仪器
质谱仪器结构框图
R CH OH
(M-1)+
-H2O
R
CH CH2 CH2
(M-18)+

(三)醛和酮
C3H7
H .+ O
CH3C O+
C6H13C O+
C3H7
.+ HO +
(四)酯和酸
O R1 C OR2
麦氏重排
O+
R1
C
- CO
R
+ 1
C O
O R 2 - CO
O
R
+ 2
+
三、EI质谱的解释
1. 分子量的确定(分子离子峰的识别)
12C12.000000016O15.9949141
14N14.0030733
低分辨率质C谱 O2仪8; : N228 高 分 辨 率 质 CO 谱 2仪 7.99: 4919
N2 28.006147
同位素丰度法 Beynon表
3. 分子结构的确定
1) 谱图解释的一般方法
由质谱的高质量端确定分子离子峰,求出分子量。 采用高分辨质谱法或同位素丰度法,求出分子式。 计算不饱和度
Me M •2e
解为碎片离子
离子被电场加速后,动能和位能相等
(加速后的电子势能转化为动能)
1 mv2 zU 2
m:离子质量 v:离子速度 z:离子电荷 U:电场电压
加速后的离子进入磁场,圆周运动的离心力和向心力相等
mv 2 Hzv R
R:离子运动半径 H:磁场强度
代入上式,消去v:
m H2R2
C5 H R H R2 H C4H
} (M + 1)+ 准分子离子: (M ± 1)+ (M - 1)+ (M + 17)+, (M + 29)+
C 2H 5 R H R C 2H 6
采用CI源, 图谱简单, 易测得分子量
气体分子 试样分子 准分子离子 电子
COOC8H17 COOC8H17
M=390
(大小相等,方向相反)
(四) 检测器
法拉第环 照相感版
105~108
电子倍增器示意图
(五) 真空系统
作用:
1) 避免大量氧烧坏离子源的灯丝;
2) 消减离子的不必要碰撞,避免离子损失;
3) 避免离子-分子反应改变裂解模式,使质谱
复杂化;
4) 减小本底。
} 真空度要求:离子源 质量分析器
<10-4 Pa
其它离子源:快原子轰击FAB
基质辅助激光解吸MALDI 场电离FI,场解吸FD 大气压化学电离APCI
……
(三) 质量分析器
1. 单聚焦分离器
只有磁场: 方向聚焦
R
2mU zH 2
结构简单, 操 作方便, 体积
小 但分辨率低
2. 双聚焦分离器
方向聚焦:
相同质荷比,入 射方向不同的离子会 聚。
能量聚焦:
{ 真空泵
机械泵 扩散泵
二、质谱仪的主要性能指标
1. 质量范围 质谱仪所能测定的离子质荷比范围
单电荷离子:质量范围即分子量范围 多电荷离子:分子量测定范围比质量范围大。
2. 分辨率:分开相邻质量数离子的能力
定义:
R m1 m2 m1
R<1000低分辨 R>1000高分辨
§14-3 质谱解析基础知识
C 4H 9+
C 3H 5+ m 2/z 41
m 1/z 57
m2
C
3H
+ 5
m*/z < 41
亚稳离子
(m1速度, m2质量)
m* m1
m/z
m* (m2 )2 m1
特点:强度低、宽、跨几个质量数,m/z非整数,易辨认 用处:证明m1→m2裂解过程
二、常见有机化合物的质谱
(一)烃类
正构烷烃:每隔14个质量单位出峰
如:分子中有三个氯,n=3,a=3, b=1:
(a+b)3 = 27 + 27 + 9 + 1
即 M︰(M+2) ︰(M+4) ︰(M+6) = 27︰27︰9︰1
C6H13Br, Mr = 164
■ 含硫的样品 32S : 33S : 34S = 100 : 0.8 :4.4
3. 碎片离子(fragment ion)
(M-R3)+
M+
Mass Spectrometer
EI源:可变的离子化能量 (10~70 eV)
有机分子的电离电位一般为7-15eV。 可提供丰富的结构信息。
电子能量 分子离子增加
电子能量 碎片离子增加
标准质谱图基本都是采用EI源(70eV)获得的
适用性强,图谱重现性好 但图谱复杂,分子离子峰难寻找
相同质荷比,速 度(能量)不同的离子 会聚。
电场
+ -
S1 离子源
磁场
S2 收集器
质量相同,能量不同的离子通过电场和磁场时,均产生
能量色散,两能量色散大小相等方向相反,使质量相同的离 子会聚。
3. 四级杆分析器
飞行时间质量分析器 离子阱质量分析器
……
双曲面电场(离子振荡运动) 改变电参数,使不同m/z离子通过
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