有机质谱课件.ppt

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有机质谱,MassSpectrum,MSOrganicMassSpectra,OMS,理解质谱的基本原理熟悉质谱中离子的主要类型掌握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】,质谱法的基本原理,分子离子,气态分子受一定能量的电子流冲击后，失去一个电子而成为带正电荷的离子M+,叫分子离子。

分子离子继续裂解成不同的正离子。

这些阳离子在电场和磁场的综合作用下，按照其质量数m和电荷数Z的比值（m/z，质荷比）大小依次排列成谱被记录下来，称为质谱。

其中带正电的离子,每一线段（棒）代表一种质量的离子；纵坐标表示离子的相对丰度（定量）；横坐标表示离子的质荷比（定性）。

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（g），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,一、质谱仪的组成,第一节质谱基本知识,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,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.,离子源,a.电子轰击电离（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（715eV），会使相当多的分子离子进一步裂解，产生广义的碎片离子。

电子轰击分子示意图,优点：

1）稳定,质谱图再现性好，便于计算机检索及比较；2）离子碎片多，可提供较多的分子结构信息。

缺点：

1）样品必须易于气化；2）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。

b.化学电离（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,生成（M+H）+,（M-H）+,（M+NH4）+的准分子离子。

优点：

准分子离子峰强度高，便于推算分子量；缺点：

1）只适用于易挥发、受热不分解的样品；2）碎片离子峰少，强度低。

例：

CH4+eCH4+2eCH4+CH4CH5+CH3CH5+MCH4+（M+H）+CH5+MCH4+（M-H）+H2,（a）EI源（b）CI源（甲烷）（c）CI源（异丁烷）邻苯二甲酸二辛酯的质谱图,c.场致电离（fieldionization,FI）和场解吸电离（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位的金属针时，由于高曲率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。

场解吸电离：

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。

d.快速原子轰击（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He或Ar。

Ar+（高动能的）+Ar（热运动的）Ar（高动能的）+Ar+（热运动的）,FAB离子源原理示意图,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。

FAB得到的是准分子离子峰（M+H）+;当分析极性样品（糖类），常加入NaCl水溶液，得到（M+Na）+离子峰。

e.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）。

f.电喷雾电离（electrosprayionization,ESI）主要应用于高效液相色谱HPLC与质谱仪的联用。

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。

ESI源示意图,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。

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,电场加速后zV=（1/2）m2（z-电荷；V-电压；m-质量；-速度）,磁场中Bz=m2/r（B-磁场强度；r-半径）推出m/z=B2r2/2V,扫描B/V来获得质谱图,b.飞行时间质谱计（timeofflight,TOF）用一个脉冲将离子源中的离子瞬间引出，经加速电压加速，它们具有相同的动能进入漂移管，质荷比小的离子具有最快的速度因而首先到达检测器，质荷比大的离子则最后到达检测器。

配离子反射镜的飞行时间质谱示意图,优点：

1）检测离子的质荷比范围非常宽；2）特别适合于与脉冲产生离子的电离源（MALDI-TOF）；3）灵敏度高，适合于作串联质谱的第二级；4）扫描速度快，适合研究极快过程；缺点：

分辨率随质荷比的增加而降低。

飞行时间质谱计（timeofflight,TOF）,c.四极质量分析器（QuadrupoleMassAnalyzer）,由四根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。

在一定DC/VC作用下，具有一定m/z的离子能到达收集器，其他离子被滤掉。

四极质量分析器（quadrupolemassanalyzer）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（R=103-104）；2）对较高质量的离子有质量歧视效应。

d.离子阱（iontrap）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）。

1离子束注入2离子闸门3，4端电极5环电极6至电子倍增器7双曲线表面离子阱的结构示意图,离子阱（iontrap）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。

e.傅立叶变换离子回旋共振质谱计（Fouriertransformioncyclotronresonance,FT-ICR）通过同时激发分析时内的所有质荷比的离子，通过对检测信号进行傅立叶变换得到质谱图。

离子回旋共振示意图,优点：

1）分辨率极高，可达1106，但不导致灵敏度下降；2）可实现多极“时间上”的串联质谱；3）灵敏度高、质量范围宽，速度快、性能可靠。

仪器技术指标质量范围（MassRange）质谱仪所能检测的最小到最大的质量范围。

不同仪器：

四极杆1600，14000，磁质谱：

110000飞行时间质谱：

无上限离子阱质谱：

12000，14000不同要求：

气体分析，1300气相色谱质谱，1600，800有机质谱，12000生物分子，110000或更大,四、质谱术语,基峰:

RI100,RA100,质荷比:

m/z,z=1,z=2;,m的计算：

组成离子的各元素同位素的质子和中子之和。

精确质量:

精确质量的计算基于天然丰度最大的同位素的精确原子量，如：

1H1.007825、12C12.000000、14N14.003074、16O15.994915精确度与质谱计的分辨率有关。

质谱图横坐标为离子的质核比，纵坐标为离子相对强度或相对丰度。

乙醇的质谱图如下：

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,质谱图上离子峰的类型A、分子离子峰试样分子在高能电子撞击下失去一个电子产生正离子，即；,分子离子的质量与化合物的分子量相等。

键电子的电离顺序为：

n电子电子电子奇电子离子：

带有未成对电子的离子（OE）偶电子离子：

外层电子完全成对的离子（EE）,几乎所有的有机分子都可以产生可以辨认的分子离子峰。

有些分子如芳香环分子可产生较强的分子离子峰，而高分子量的脂肪醇、醚及胺等则产生较小的分子离子峰，有时可能得不到分子离子峰。

若不考虑同位素的影响，分子离子应该具有最高质量。

有机化合物分子离子峰的稳定性顺序：

芳香化合物共轭链烯烯烃脂环化合物直链烷烃酮胺酯醚酸支链烷烃醇,质谱图上质荷比最大的峰一定为分子离子峰吗？

如何鉴别分子离子峰？

有机化合物受高能作用时产生各种形式的分裂，一般强度最大的质谱峰相应于最稳定的碎片离子。

通过各种碎片离子相对峰高的分析，有可能获得整个分子结构的信息。

因为M+可能进一步断裂或重排，因此要准确地进行定性分析最好与标准谱图进行比较。

B、碎片离子峰分子离子产生后可能具有较高的能量，将会通过进一步碎裂或重排而释放能量，碎裂后产生的离子形成的峰称为碎片离子峰。

烷烃化合物断裂多在C-C之间发生，且易发生在支链上：

烯烃多在双键旁的第一个键上开裂：

正癸烷,D、同位素离子峰有些元素具有天然存在的稳定同位素，所以在质谱图上出现一些M+1，M+2，M+3的峰，由这些同位素形成的离子峰称为同位素离子峰。

E、重排离子峰在两个或两个以上键的断裂过程中，某些原子或基团从一个位置转移到另一个位置所生成的离子，称为重排离子。

质谱图上相应的峰为重排离子峰。

转移的基团常常是氢原子的类型很多，其中最常见的一种是麦氏重排。

这种重排形式可以归纳如下：

可以发生这类重排的化合物有:

酮、醛、酸、醋和其它含羰基的化合物，含P=O，S=O的化合物以及烯烃类和苯类化合物等。

麦氏重排条件：

含有C=O，C=N，C=S及碳碳双键；,与双键相连的链上有碳，并在碳有H原子（氢）；,六圆环过度，H转移到杂原子上，同时键发生断裂，生成一个中性分子和一个自由基阳离子。

邻位重排,邻位效应发生的条件:

苯环上