有机波谱分析第1章-质谱.ppt

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仪器分析原理与实验（下）（有机波谱分析）,武汉理工大学本科生课程,现代仪器分析法,是化合物结构测定和成分分析的重要手段，被广泛的应用于有机化合物的结构分析中。

具有样品用量少，结构信息丰富等特点。

波谱分析大大缩短了复杂化合物结构测定的时间，解决了很多领域如：

蛋白质、核酸、多糖的结构测定等难点，并广泛的应用于各个研究领域。

结构表征最常用的仪器分析方法,质谱（MS）,紫外光谱（UV）,红外光谱（IR）,核磁共振谱（NMR）,X射线光电子能谱（XPS）,纯度确定,分子式确定,结构解析的常规程序,不饱和度确定,平面结构式确定,立题构型构象确定,蒸馏、分馏、萃取、重结晶HPLC、GC等,元素分析、HRMS、NMR,=n+1-nH/2-nX/2+nN/2,UV、IRMS、NMR,CD、ORDNOE、x-ray,红外光谱,紫外光谱,质谱,未知化合物的结构测定,课程内容,质谱紫外光谱红外光谱核磁共振氢谱核磁共振碳谱多谱综合解析,课程的目标,通过本课程的学习充分掌握四大波谱技术基本原理能充分运用谱学信息正确解释谱图各谱学信息的综合分析及结构的正确推导,教材与参考书目,教材：

孟令芝等编著.有机波谱分析，武汉大学出版社，2010年，第三版。

参考书目：

1宁永成.有机化合物结构鉴定与有机波谱学，科学出版社，2000年2宁永成.有机波谱学谱图解析，科学出版社，2012年3WilliansDH.SpectroscopicmethodsinorganicchemistryMcgrawHill.1980,考核方式与要求,第一章有机质谱,质谱的基本知识分子离子峰和分子式离子裂解的机理常见各类化合物的质谱有机质谱的解析及应用最新质谱技术及应用简介,质谱（massspectrometry）的基本知识,质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷比（m/z）的测定来进行分析的一种分析方法。

质谱图是唯一能够得到未知物相对分子质量的工具。

高分辨质谱可以得出未知物的分子式。

为推测一个未知物的结构，质谱也是必不可少的,12,了解质谱仪构造与原理，不同离子化的方法及质谱仪的特点掌握质谱基本知识，质谱术语掌握分子离子峰的识别及分子式的推导掌握有机化合物的一般裂解规律运用一般裂解规律，解析未知物的质谱，推导其结构,本章学习的基本要求：

13,质谱常用术语,分子离子MolecularionM.+被电离了的分子。

“+”表示分子离子带一个电子电量的正电荷,“.”表示它有一个不成对电子。

碎片离子由分子离子在离子源中碎裂生成的。

奇电子离子外层有未成对电子的离子。

偶电子离子外层电子全部成对的离子。

同位素峰元素组成中含有一个非最高天然丰度的同位素。

亚稳峰metastableionm*离子从离子源出口到达检测器之前产生并记录下来的离子。

子离子离子碎裂反应产生的离子。

14,基峰谱图中表现为最高峰度离子的峰。

负离子通过电子捕获及电离时形成离子对等机理产生的。

含电负性原子F、Cl、O、N等的化合物产生负离子的产率较高。

准分子离子quasi-molecularionM+H+简单断裂仅涉及一个键断裂的离子分解反应重排指一个反应，其离子或中性产物中的原子排列与前体离子不同断裂与奇电子原子邻接原子的键断裂，化学均裂转移一个电子。

i断裂涉及到一对电子的转移，是化学键异裂的，同时正电荷位置发生转移（全箭头）电子对转移（鱼钩）单个电子转移,一、质谱构造和工作原理,1.气体扩散2.直接进样3.气相色谱,1.电子轰击2.化学电离3.场致电离,1.单聚焦2.双聚焦3.飞行时间4.四极杆,质谱图是以质荷比（m/z）为横坐标，相对强度为纵坐标构成。

一般将原始质谱图上最强的离子峰为基峰并定为相对强度为100%，其它离子峰以对基峰的相对百分值表示。

真空系统vacuumsystem质谱仪的离子产生及经过系统必须处于高真空状态（离子源真空度应达1.310-41.310-5Pa，质量分析器中应达1.310-6Pa）。

其作用是减少离子碰撞损失。

真空度过低，将会引起：

a）大量氧会烧坏离子源灯丝；b）引起其它分子离子反应，使质谱图复杂化；c）用作加速离子的几千伏高压会引起放电。

一般质谱仪都采用机械泵预抽空后，再用高效率扩散泵连续地运行以保持真空。

现代质谱仪采用分子泵可获得更高的真空度。

机械泵turbopump,扩散泵Diffusionpump,不同气压下聚乙烯乙二醇400的MALDI-TOF图谱,真空系统的压强范围,2、进样系统进样系统的作用是在不破坏真空度的情况下，使样品高效重复的进入离子源。

常用的进样装置有三种类型：

间歇式进样、直接探针进样、色谱进样系统（GC-MS、HPLC-MS）和高频感藕等离子体进样系统（ICP-MS）等。

2）间歇式进样：

适于气体、沸点低且易挥发的液体、中等蒸汽压固体。

1）色谱进样：

利用气相和液相色谱的分离能力，与质谱仪联用，进行多组份复杂混合物分析。

3.离子源ionizationsource,功能是将气态样品分子转化成离子。

由于离子化所需要的能量随分子不同差异很大，因此，对于不同的分子应选择不同的离解方法。

通常称能给样品较大能量的电离方法为硬电离方法，而给样品较小能量的电离方法为软电离方法，后一种方法适用于易破裂或易电离的样品。

常见的离子源包括：

A.电子轰击电离源（ElectronImpact,EI）化学电离源（ChemicalIonization,CI）场电离源（FieldionizationSources,FI）B.电喷雾源（ElectronsprayIonization,ESI）基质辅助激光解吸电离源（MatrixAssistedLaserDescriptionIonization,MALDI）,电子轰击电离源（EI源）:

应用最为广泛的离子源，它主要用于挥发性样品的电离。

EI源的原理：

由气相色谱或直接进样杆进入的样品，以气体形式进入离子源，由灯丝在高真空下发出的电子与样品分子发生碰撞使样品分子电离。

一般情况下，灯丝与接收极之间的电压为70伏，所有的标准质谱图都是在70eV下做出的。

EI源的特点：

电离效率高，灵敏度高；应用最广，标准质谱图基本都是采用EI源得到的；稳定、操作方便，电子流强度10-240eV可精密控制；结构简单，控温方便。

缺点是只适用于易气化的有机物样品分析，并且，对有些化合物得不到分子离子。

e-,ElectronImpact（EI）Ionization,电子阱Electrontrap,Reflector,M+.,灯丝filament,电势差,电子电离过程,M+e-M+.+2e-,M+e-M2+3e-,M+e-M3+.+4e-,高能电子有效碰撞到分子，分子得到能量，如分子得到的能量超过其电离能（ionizationenergyIE）那么最可能的过程是分子放出一个电子成为分子离子M+.,二价或三价分子离子也有可能被观察到，但是丰度较低,电子电离效率,大部分有机物的电离能IE在7-15eV之间，每种物质电离效率由分子性质和电离截面决定。

对大多数有机物来说它们的电离截面vs电子能的曲线大致相同，因此EI谱图电子能大都在70eV。

70eV下所有分子都会电离70eV附近电离截面变化不大，谱图重现性好,EI源的进样系统,直接嵌入杆DIP（directinsertionprobe）,试样可以是小的固体颗粒、蜡状或高沸点液体，进样时置于小瓶内被加热汽化。

EI源的进样系统,直接暴露杆DEP（directexposureprobe）,试样可以是小的固体颗粒或膜，进样时置于离子源内。

当分析物直接暴露在高能电子下电离，称之为解直接电子电离（drectionelectronionization）或解吸电离（desorptionionizationDEI）,亮氨酸和赖氨酸的DEI、EI谱图对比,化学电离源（CI源）有些化合物稳定性差易分解，用EI方式不易得到分子离子,因而也就得不到分子量。

CI和EI在结构上没有多大差别，或者说主体部件是共用的。

其主要差别是CI源工作过程中要引进一种反应气体（通常是甲烷、异丁烷等）。

灯丝发出的电子首先将反应气电离，然后反应气离子与样品分子进行离子-分子反应，并使样品气电离。

现以甲烷作为反应气，说明化学电离的过程：

CH4+eCH4+CH3+CH2+CH+C+H+（+2e）甲烷离子与分子进行反应，生成加合离子：

CH4+CH4CH5+CH3CH3+CH4C2H5+H2加合离子与样品分子反应：

CH5+XHXH2+CH4C2H5+XHX+C2H6生成的XH2+和X+比样品分子XH多一个H或少一个H，可表示为（M1）+，称为准分子离子。

事实上，以甲烷作为反应气，除（M+1）+之外，还可能出现（M+17）+，（M+29）+等离子，同时还出现大量的碎片离子。

由于CI得到的质谱不是标准质谱，所以不能进行库检索。

CI特点：

最强峰为准分子离子谱图简单不适用难挥发试样,39,EI和CI谱图例子,EI,CI,（a）EI源（b）CI源（甲烷）（c）CI源（异丁烷）图1-4邻苯二甲酸二辛酯的质谱图,41,场致电离源（FieldionizationFI）,电压：

7-10kV；d1mm；强电场将分子中拉出一个电子；分子离子峰强；碎片离子峰少；不适合化合物结构鉴定,42,适合于对热不稳定或不易汽化的样品,快原子轰击（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。

图1-5FAB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。

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。

基质辅助激光解吸电离（matrix-assistedlaserdesportionionization,MALDI）,a.猪细胞色素c（porcinecytochromC）b.某单克隆抗体的MALDI-TOF质谱图,优点：

1）使一些难于电离的样品电离，且无明显的碎裂，质量数可达300,000Da2）特别适用于与飞行时间质谱相配（MALDI-TOFMS）3）准分子离子峰M+H+或M+metal+较强,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。

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。

1356.6,M+49H,49+,1384.5,M+48H,48+,1413.9,M+47H,47+,m/z,Ion,series,牛血清蛋白bovineserumalbumin,MW:

6.7104,2、质量分析器质量分析器的作用是将离子源产生的离子按m/z顺序分开并排列成谱。

质量分析器有A、磁式单聚焦分析器（SingleFocusing）B、磁式双聚焦分析器（DoubleFocusing）C、四极杆分析器（Quadrupole）D、离子阱分析器（IonTrap）E、飞行时间分析器（TimeofFlight）F、傅立叶变换回旋共振分析器（FourierTransformIonCyclotronResonance,FTICR）,51,A磁分析器-单聚焦质谱计,52,加速后的离子进入磁场，其运动方向（I）和磁力线的方向（H）相互垂直。

离子受到一个与其运动方向和磁力线的方向都垂直的力（F）的作用，三者的关系可用左手定则确定。

离子沿着I和H合力的方向运动