第五章MS-1質(zhì)譜

1、 5.1.1 定義：定義： 使待測(cè)的樣品分子氣化，用具有一定能量的使待測(cè)的樣品分子氣化，用具有一定能量的電子束（或具有一定能量的快速原子）轟擊氣態(tài)分電子束（或具有一定能量的快速原子）轟擊氣態(tài)分子，使氣態(tài)分子失去一個(gè)電子而成為帶正電的分子子，使氣態(tài)分子失去一個(gè)電子而成為帶正電的分子離子。分子離子還可能斷裂成各種碎片離子，所有離子。分子離子還可能斷裂成各種碎片離子，所有的正離子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)的綜合作用下按質(zhì)荷比的正離子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)的綜合作用下按質(zhì)荷比（m/z）大小依次排列而得到譜圖。大小依次排列而得到譜圖。第五章第五章 質(zhì)譜質(zhì)譜5.1 質(zhì)譜的基本知識(shí)質(zhì)譜的基本知識(shí) 5.1.2 基本原理基本原理供 電

2、 系 統(tǒng)進(jìn) 樣 系 統(tǒng)真 空 系 統(tǒng)離 子 源質(zhì) 量 分 析 器離 子 檢 測(cè) 器記 錄 儀質(zhì)譜儀示意圖質(zhì)譜儀示意圖 M電子流-eM +m1+ 、m2+ 、m3+質(zhì)譜儀示意圖質(zhì)譜儀示意圖離子生成后，在質(zhì)譜儀中被電場(chǎng)加速。加速后其動(dòng)能和位能相等離子生成后，在質(zhì)譜儀中被電場(chǎng)加速。加速后其動(dòng)能和位能相等即：即：212mvzV其中其中 m: 離子質(zhì)量；離子質(zhì)量；v: 離子速度；離子速度；z: 離子電荷；離子電荷；V: 加速電壓加速電壓(1)當(dāng)被加速的離子進(jìn)入磁分析器時(shí)，磁場(chǎng)再對(duì)離子進(jìn)行作用，讓每當(dāng)被加速的離子進(jìn)入磁分析器時(shí)，磁場(chǎng)再對(duì)離子進(jìn)行作用，讓每一個(gè)離子按一定的彎曲軌道繼續(xù)前進(jìn)。其行進(jìn)軌道的曲率半

3、徑?jīng)Q一個(gè)離子按一定的彎曲軌道繼續(xù)前進(jìn)。其行進(jìn)軌道的曲率半徑?jīng)Q定于各離子的質(zhì)量和所帶電荷的比值定于各離子的質(zhì)量和所帶電荷的比值m/z。此時(shí)由離子動(dòng)能產(chǎn)生的。此時(shí)由離子動(dòng)能產(chǎn)生的離心力離心力(mv2/R)與由磁場(chǎng)產(chǎn)生的向心力與由磁場(chǎng)產(chǎn)生的向心力(Hzv)相等：相等：2mvHzvR其中：其中：R為曲率半徑為曲率半徑 H為磁場(chǎng)強(qiáng)度為磁場(chǎng)強(qiáng)度由此式得：由此式得：RHzvm(2)代入代入(1)式得：式得：22/2H Rm zV這就是質(zhì)譜的基本方程這就是質(zhì)譜的基本方程 5.1.3 質(zhì)譜儀質(zhì)譜儀質(zhì)譜儀器主要由質(zhì)譜儀器主要由真空系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、進(jìn)樣系統(tǒng)、離子源、加速進(jìn)樣系統(tǒng)、離子源、加速電場(chǎng)、質(zhì)量分析器、收集電

4、場(chǎng)、質(zhì)量分析器、收集和記錄裝置和記錄裝置組成。組成。5.1.3.2 進(jìn)樣系統(tǒng)進(jìn)樣系統(tǒng) 整個(gè)系統(tǒng)都為高真空，整個(gè)系統(tǒng)都為高真空， 離子源：離子源： 10-6 10-7 mmHg 質(zhì)量分析器質(zhì)量分析器:10-7 10-8 mmHg。 5.1.3.1 真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)樣品量一般在樣品量一般在10ug以下以下 進(jìn)樣方式：進(jìn)樣方式： 直接進(jìn)樣直接進(jìn)樣色譜進(jìn)樣色譜進(jìn)樣 SampleSample 58901.0 DEG/MINHEWLETTPACKARDHEWLETTPACKARD5972AMass Selective DetectorDCBA ABCDGas Chromatograph (GC) Mass

5、 Spectrometer (MS)SeparationIdentificationBACD5.1.3.3 離子源離子源 1. 電子流轟擊電離（電子流轟擊電離（electron impact, EI） S燈 絲排 斥 電 極收 集 電 極磁 體磁 體離 子質(zhì) 量 分 析 器加 速 電 場(chǎng)電子流能量為電子流能量為70eV離子化室溫度為離子化室溫度為220 C EI法可以使很多的有機(jī)化合物產(chǎn)生分子離子的同時(shí)，產(chǎn)生相當(dāng)多的碎片離子。 2. 化學(xué)電離（化學(xué)電離（chemical ionization，CI）EICI燈絲收集電極CH4eCH4CH4 +CH5 +CH3+CH5 +RHCH4RH2+(M+

6、1)+在離子化室中用電子流轟擊反應(yīng)氣體甲烷，生成相應(yīng)的離子，在離子化室中用電子流轟擊反應(yīng)氣體甲烷，生成相應(yīng)的離子，再讓離子與所測(cè)樣品進(jìn)行離子再讓離子與所測(cè)樣品進(jìn)行離子分子反應(yīng)，得到樣品的分子離分子反應(yīng)，得到樣品的分子離子（子（M+1）。）。 CI法可以得到較強(qiáng)的分子離子（法可以得到較強(qiáng)的分子離子（M+1） 3. 場(chǎng)致電離（場(chǎng)致電離（field ionization，F(xiàn)I）可得到穩(wěn)定的分子離子峰可得到穩(wěn)定的分子離子峰 4. 場(chǎng)致解吸電離（場(chǎng)致解吸電離（field desorption，F(xiàn)D）樣品不需要?dú)饣墒购芏嚯y揮發(fā)及加熱時(shí)發(fā)生分解的樣品獲樣品不需要?dú)饣?，可使很多難揮發(fā)及加熱時(shí)發(fā)生分解的樣品

7、獲得穩(wěn)定的分子離子峰。得穩(wěn)定的分子離子峰。5. 快原子轟擊電離（快原子轟擊電離（fast atom barmbardment, FAB）該方法使分子電離的能量很低，容易得到（該方法使分子電離的能量很低，容易得到（M+1）峰，特別適）峰，特別適用于高極性、分子量大、難揮發(fā)和受熱分解化合物的質(zhì)譜測(cè)定。用于高極性、分子量大、難揮發(fā)和受熱分解化合物的質(zhì)譜測(cè)定。 6. 基質(zhì)輔助激光解吸電離（基質(zhì)輔助激光解吸電離（matrix assisted laser desorption/ ionization， MALDI）該方法適合于大分子如蛋白質(zhì)、核酸等的質(zhì)譜分析。該方法適合于大分子如蛋白質(zhì)、核酸等的質(zhì)譜分析

8、。 7. 電噴霧電離（電噴霧電離（electrospray ionization，ESI）樣品1, 21. 溶劑 揮發(fā)2. 帶電液 滴裂分M + nH+泵注射器進(jìn)樣器溶劑接地電極強(qiáng)靜電場(chǎng)加上35KV的正電壓帶正電荷的液滴多電荷離子質(zhì)量分析器該方法適合于分析極性強(qiáng)、熱穩(wěn)定性差的大分子如該方法適合于分析極性強(qiáng)、熱穩(wěn)定性差的大分子如蛋白質(zhì)、多肽、糖類等的質(zhì)譜分析。蛋白質(zhì)、多肽、糖類等的質(zhì)譜分析。 大氣壓化學(xué)電離（大氣壓化學(xué)電離（APCI）與）與ESI相似，可相互補(bǔ)充。相似，可相互補(bǔ)充。 2002年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)約翰約翰芬恩芬恩 田中耕一田中耕一 庫(kù)爾特庫(kù)爾特維特里希維特里希 生物大分子進(jìn)

9、行識(shí)別和結(jié)構(gòu)分析生物大分子進(jìn)行識(shí)別和結(jié)構(gòu)分析 對(duì)生物大分子進(jìn)行質(zhì)譜分析的對(duì)生物大分子進(jìn)行質(zhì)譜分析的“軟解吸附作用電離法軟解吸附作用電離法” 開(kāi)發(fā)出了用來(lái)確定溶液中生物開(kāi)發(fā)出了用來(lái)確定溶液中生物大分子三維結(jié)構(gòu)的核磁共振技術(shù)大分子三維結(jié)構(gòu)的核磁共振技術(shù) 5.1.4 質(zhì)量分析器質(zhì)量分析器 1. 單個(gè)扇形磁場(chǎng)組成的單聚焦質(zhì)量分析器單個(gè)扇形磁場(chǎng)組成的單聚焦質(zhì)量分析器分辨率較低分辨率較低 2. 扇形靜電場(chǎng)和扇形磁場(chǎng)組成的雙聚焦質(zhì)量分析器扇形靜電場(chǎng)和扇形磁場(chǎng)組成的雙聚焦質(zhì)量分析器分辨率高，適用于高分辨質(zhì)譜（分辨率高，適用于高分辨質(zhì)譜（HRMS）的分析）的分析 3. 四極桿質(zhì)量分析器四極桿質(zhì)量分析器分辨率低，

10、常用與組成分辨率低，常用與組成色色質(zhì)聯(lián)用儀和串連質(zhì)譜質(zhì)聯(lián)用儀和串連質(zhì)譜4. 飛行時(shí)間質(zhì)譜（飛行時(shí)間質(zhì)譜（TOF）L檢測(cè)器 S燈絲排斥電極收集電極磁體磁體離子V加速電場(chǎng)漂移管儀器分辨率不高，質(zhì)量范圍寬，掃描速度快。儀器分辨率不高，質(zhì)量范圍寬，掃描速度快。 5. 傅利葉變換離子回旋共振質(zhì)譜（傅利葉變換離子回旋共振質(zhì)譜（FTICR）儀器分辨率極高，測(cè)量精度好，質(zhì)量范圍寬，掃描速度快。儀器分辨率極高，測(cè)量精度好，質(zhì)量范圍寬，掃描速度快。 質(zhì)譜圖由橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)和棒線組成。質(zhì)譜圖由橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)和棒線組成。橫坐標(biāo)標(biāo)明離子質(zhì)荷比（橫坐標(biāo)標(biāo)明離子質(zhì)荷比（m/z）的數(shù)值，的數(shù)值，縱坐標(biāo)標(biāo)明各峰縱坐標(biāo)標(biāo)明各峰的

11、相對(duì)強(qiáng)度，棒線代表質(zhì)荷比的離子。的相對(duì)強(qiáng)度，棒線代表質(zhì)荷比的離子。圖譜中最強(qiáng)的一圖譜中最強(qiáng)的一個(gè)峰稱為基峰，將它的強(qiáng)度定為個(gè)峰稱為基峰，將它的強(qiáng)度定為100。丁酮的質(zhì)譜圖5.1.5 質(zhì)譜圖的組成譜圖的組成5.1.6 質(zhì)譜術(shù)語(yǔ)質(zhì)譜術(shù)語(yǔ)基峰：基峰：質(zhì)譜圖中離子強(qiáng)度最大的峰，規(guī)定其相對(duì)強(qiáng)度（質(zhì)譜圖中離子強(qiáng)度最大的峰，規(guī)定其相對(duì)強(qiáng)度（RI） 或相對(duì)豐度（或相對(duì)豐度（RA）為）為100。精確質(zhì)量：精確質(zhì)量：低分辨質(zhì)譜中離子的質(zhì)量為正數(shù)，高分辨質(zhì)譜給低分辨質(zhì)譜中離子的質(zhì)量為正數(shù)，高分辨質(zhì)譜給 出分子離子或碎片離子的精確質(zhì)量，其有效數(shù)字視出分子離子或碎片離子的精確質(zhì)量，其有效數(shù)字視 質(zhì)譜計(jì)的分辨率而定。質(zhì)譜

12、計(jì)的分辨率而定。 CO、N2、C2H4 的精確質(zhì)量依次為：的精確質(zhì)量依次為： 27.9949、28.0062、28.0313 5.1.7 質(zhì)譜中的各種離子質(zhì)譜中的各種離子1. 分子離子分子離子 分子被電子束轟擊失去一個(gè)電子形成的離子稱為分子離子分子被電子束轟擊失去一個(gè)電子形成的離子稱為分子離子。分子離子用分子離子用 M+ 表示。分子離子是一個(gè)游離基離子。表示。分子離子是一個(gè)游離基離子。在質(zhì)譜圖上，與在質(zhì)譜圖上，與分子離子相對(duì)應(yīng)的峰為分子離子峰。分子離子相對(duì)應(yīng)的峰為分子離子峰。COCH3COCH3-e+COCH3+ or+M+M分子離子峰是否出現(xiàn)決定于它的穩(wěn)定性，只要分子離子中的正分子離子峰是否

13、出現(xiàn)決定于它的穩(wěn)定性，只要分子離子中的正電荷可以被分散，則可使分子離子穩(wěn)定，分散程度越大，分子電荷可以被分散，則可使分子離子穩(wěn)定，分散程度越大，分子離子越穩(wěn)定。離子越穩(wěn)定。 em/z 78分子離子峰的應(yīng)用：分子離子峰的應(yīng)用： 分子離子峰的質(zhì)荷比就是化合物的相對(duì)分子質(zhì)量，所以，分子離子峰的質(zhì)荷比就是化合物的相對(duì)分子質(zhì)量，所以，用質(zhì)譜法可測(cè)分子量。用質(zhì)譜法可測(cè)分子量。分子離子峰的判斷：分子離子峰的判斷：分子離子峰一般出現(xiàn)在譜圖的最右端（除了同位素峰），但質(zhì)分子離子峰一般出現(xiàn)在譜圖的最右端（除了同位素峰），但質(zhì)譜最右端的峰不一定是分子離子峰。譜最右端的峰不一定是分子離子峰。如下如下規(guī)律可用來(lái)判斷最右

14、端的峰是否為分子離子峰規(guī)律可用來(lái)判斷最右端的峰是否為分子離子峰(必要條件必要條件)：（1）在質(zhì)譜圖中，分子離子峰應(yīng)該是最高質(zhì)荷比的離子峰）在質(zhì)譜圖中，分子離子峰應(yīng)該是最高質(zhì)荷比的離子峰 （同位素離子及準(zhǔn)分子離子峰除外）（同位素離子及準(zhǔn)分子離子峰除外）（2） 分子離子峰是奇電子離子峰。分子離子峰是奇電子離子峰。 (3) 在高質(zhì)量區(qū)，它能合理地丟失中性碎片而產(chǎn)生重要的碎片在高質(zhì)量區(qū)，它能合理地丟失中性碎片而產(chǎn)生重要的碎片 離子離子(在比分子離子小在比分子離子小414及及2025個(gè)質(zhì)量單位處，不應(yīng)有個(gè)質(zhì)量單位處，不應(yīng)有 離子峰出現(xiàn)）離子峰出現(xiàn)）氮規(guī)律：氮規(guī)律：分子量為偶數(shù)的有機(jī)化合物不含或只含偶數(shù)個(gè)

15、氮；分分子量為偶數(shù)的有機(jī)化合物不含或只含偶數(shù)個(gè)氮；分子量為奇數(shù)的含氮有機(jī)化合物只含奇數(shù)個(gè)氮。子量為奇數(shù)的含氮有機(jī)化合物只含奇數(shù)個(gè)氮。2. 同位素離子同位素離子 含有同位素的離子稱為同位素離子含有同位素的離子稱為同位素離子。在質(zhì)譜圖上，。在質(zhì)譜圖上，與與同位素離子相對(duì)應(yīng)的峰稱為同位素離子峰。同位素離子相對(duì)應(yīng)的峰稱為同位素離子峰。Cl Br SCl: 35Cl : 37Cl = 100:32.53 1 質(zhì)譜中一氯化物：質(zhì)譜中一氯化物：M和和M+2峰，兩峰高的比例約峰，兩峰高的比例約 為為3 1。 M+2 MBr: 79Br : 81Br = 100:981 1 質(zhì)譜中一溴化物：質(zhì)譜中一溴化物：M和

16、和M+2峰，兩峰高的比例約峰，兩峰高的比例約 為為1 1。 MM+2分子中含有兩個(gè)氯分子中含有兩個(gè)氯: M （2個(gè)個(gè)35Cl）、）、M+2（35Cl和和37Cl）和）和 M+4（2個(gè)個(gè)37Cl）峰）峰質(zhì)譜中三個(gè)峰的相對(duì)強(qiáng)度可近似地用二項(xiàng)式質(zhì)譜中三個(gè)峰的相對(duì)強(qiáng)度可近似地用二項(xiàng)式 (a+b)n 展開(kāi)的方法來(lái)展開(kāi)的方法來(lái)計(jì)算。式中計(jì)算。式中a為輕同位素豐度；為輕同位素豐度；b為重同位素豐度；為重同位素豐度；n為分子中該元為分子中該元素的原子數(shù)目。含有兩個(gè)氯時(shí)，素的原子數(shù)目。含有兩個(gè)氯時(shí)，a為為35Cl（相對(duì)豐度為（相對(duì)豐度為100%），），b為為37Cl（相對(duì)豐度為（相對(duì)豐度為32.5%），），n等

17、于等于2，則，則(a + b)n = a2 + 2ab + b2 M (M + 2) (M + 4) = 12 2 1 0.325 0.3252 =1 0.65 0.1056 =9.5 6.16 1 9 6 1M、M+2和和M+4三峰高的比例約為三峰高的比例約為9 6 1 MM+2M+4化合物中若含有兩種不同的同位素，如氯和溴，則近似地用化合物中若含有兩種不同的同位素，如氯和溴，則近似地用(a + b)n (c + d)m的公式來(lái)計(jì)算。其中的公式來(lái)計(jì)算。其中n代表其中的一種元素的代表其中的一種元素的個(gè)數(shù)，個(gè)數(shù)，m代表另一種元素的個(gè)數(shù)代表另一種元素的個(gè)數(shù)1234001234Cl/Br3. 碎片離

18、子碎片離子 分子離子在電離室中進(jìn)一步發(fā)生鍵斷裂生成的離子稱為分子離子在電離室中進(jìn)一步發(fā)生鍵斷裂生成的離子稱為碎片離子。碎片離子。 質(zhì)譜圖中低于分子離子質(zhì)譜圖中低于分子離子m/z的離子都是碎片離子，碎片離的離子都是碎片離子，碎片離子提供樣品的結(jié)構(gòu)信息。子提供樣品的結(jié)構(gòu)信息。 經(jīng)重排裂解產(chǎn)生的離子稱為重排離子。其結(jié)構(gòu)并非原來(lái)分子經(jīng)重排裂解產(chǎn)生的離子稱為重排離子。其結(jié)構(gòu)并非原來(lái)分子的結(jié)構(gòu)單元。的結(jié)構(gòu)單元。4. 重排離子重排離子QCXYZHM+QCXYZM+H+Q = O, CH2等等McLafferty重排5 . 多電荷離子多電荷離子 失掉兩個(gè)以上電子的離子是多電荷離子。失掉兩個(gè)以上電子的離子是多電

19、荷離子。 如如:在電噴霧質(zhì)譜中蛋白質(zhì)分子可形成帶在電噴霧質(zhì)譜中蛋白質(zhì)分子可形成帶Z個(gè)正電荷的離子，個(gè)正電荷的離子，隨著隨著Z的增加，的增加，m/z的數(shù)值變小，擴(kuò)大了質(zhì)譜儀的測(cè)定范圍。的數(shù)值變小，擴(kuò)大了質(zhì)譜儀的測(cè)定范圍。 6. 亞穩(wěn)離子亞穩(wěn)離子 1、m1+（離子化室）（離子化室） m1+（檢測(cè)器）（檢測(cè)器）2、m1+（離子化室）（離子化室） m2+（離子化室）（離子化室）+ N (中性碎片中性碎片) m2+（檢測(cè)器）（檢測(cè)器）3、m1+（離子化室）（離子化室） m* + 中性碎片中性碎片N（在第一或第二或第三（在第一或第二或第三 無(wú)場(chǎng)區(qū)發(fā)生）無(wú)場(chǎng)區(qū)發(fā)生） m* （檢測(cè)器）（檢測(cè)器）m*與與m1+

20、和和m2+有如下關(guān)系存在有如下關(guān)系存在m1+ 稱為母離子，稱為母離子，m2+ 稱為子離子稱為子離子 7. 準(zhǔn)分子離子準(zhǔn)分子離子 比分子量多或少比分子量多或少 1 質(zhì)量單位的離子稱為準(zhǔn)分子質(zhì)量單位的離子稱為準(zhǔn)分子離子，如：離子，如：(M+H) + 、( M-H)+ 不含未配對(duì)電子，結(jié)構(gòu)上比較穩(wěn)定不含未配對(duì)電子，結(jié)構(gòu)上比較穩(wěn)定m/zm2m1m*+亞穩(wěn)離子亞穩(wěn)離子5.2 分子離子與分子式分子離子與分子式 5.2.1 分子離子峰的識(shí)別分子離子峰的識(shí)別 1. 在質(zhì)譜圖中，分子離子峰應(yīng)該是最高質(zhì)荷比的在質(zhì)譜圖中，分子離子峰應(yīng)該是最高質(zhì)荷比的 離子峰（同位素離子及準(zhǔn)分子離子峰除外）。離子峰（同位素離子及準(zhǔn)分

21、子離子峰除外）。 2. 分子離子峰是奇電子離子峰。分子離子峰是奇電子離子峰。 3. 分子離子能合理地丟失碎片（自由基或中性分子），分子離子能合理地丟失碎片（自由基或中性分子），與其相鄰的質(zhì)荷比較小的碎片離子關(guān)系合理與其相鄰的質(zhì)荷比較小的碎片離子關(guān)系合理)。 4. 氮律：氮律：當(dāng)化合物不含氮或含偶數(shù)個(gè)氮時(shí)，該化合物當(dāng)化合物不含氮或含偶數(shù)個(gè)氮時(shí)，該化合物 分子量為偶數(shù)；當(dāng)化合物含奇數(shù)個(gè)氮時(shí)，該化合物分子量為偶數(shù)；當(dāng)化合物含奇數(shù)個(gè)氮時(shí)，該化合物 分子量為奇數(shù)。分子量為奇數(shù)。5.2.2 分子離子峰的相對(duì)強(qiáng)度（分子離子峰的相對(duì)強(qiáng)度（RI） 1. 芳環(huán)（包括芳雜環(huán)）芳環(huán)（包括芳雜環(huán)） 脂環(huán)化合物脂環(huán)化合物

22、 硫醚、硫酮硫醚、硫酮 共軛烯共軛烯 分子離子峰比較明顯。分子離子峰比較明顯。 2. 直鏈酮、酯、酸、醛、酰胺、鹵化物等通常顯示直鏈酮、酯、酸、醛、酰胺、鹵化物等通常顯示 分子離子峰。分子離子峰。 3. 脂肪族醇、胺、亞硝酸酯、硝酸酯、硝基化合物脂肪族醇、胺、亞硝酸酯、硝酸酯、硝基化合物 、腈類及多支鏈化合物容易裂解，分子離子峰通、腈類及多支鏈化合物容易裂解，分子離子峰通 常很弱或不出現(xiàn)。常很弱或不出現(xiàn)。 5.2.3 M+. 峰和峰和 (M+1)+ 峰或峰或 (M-1)+ 峰的判別峰的判別 醚、酯、胺、酰胺、腈化物、氨基酸酯、胺醇醚、酯、胺、酰胺、腈化物、氨基酸酯、胺醇 等等 可能有較強(qiáng)的可能

23、有較強(qiáng)的 (M+1)+ 峰；芳醛、某些醇或某些含氮峰；芳醛、某些醇或某些含氮 化合物可能有較強(qiáng)的化合物可能有較強(qiáng)的 (M-1)+ 峰。峰。5.2.4 分子式的推導(dǎo)分子式的推導(dǎo) 1. 如何判斷分子式的合理性如何判斷分子式的合理性 該式的式量等于分子量；是否符合氮律；該式的式量等于分子量；是否符合氮律； 不飽和度是否合理。不飽和度是否合理。2. 低分辨質(zhì)譜法低分辨質(zhì)譜法 同位素相對(duì)豐度的計(jì)算法同位素相對(duì)豐度的計(jì)算法、查、查 Beynon 表法表法 1) 同位素峰簇及其相對(duì)豐度同位素峰簇及其相對(duì)豐度 除除 F、P、I 外，都有同位素外，都有同位素 分子離子或碎片離子峰常以同位素簇的形式存在。分子離子

24、或碎片離子峰常以同位素簇的形式存在。 低質(zhì)量的同位素（低質(zhì)量的同位素（A）豐度計(jì)為）豐度計(jì)為100 設(shè)某一元素有兩種同位素，在某化合物中含有設(shè)某一元素有兩種同位素，在某化合物中含有 m 個(gè)該個(gè)該元素的原子，則分子離子同位素峰簇的各峰的相對(duì)豐度可元素的原子，則分子離子同位素峰簇的各峰的相對(duì)豐度可用二項(xiàng)式用二項(xiàng)式 (a+b)m 展開(kāi)式的系數(shù)推算；展開(kāi)式的系數(shù)推算； Cl : 個(gè)數(shù)個(gè)數(shù) 峰形峰形 Br : 個(gè)數(shù)個(gè)數(shù) 峰形峰形 1 3:1 1 1:1 2 9:6:1 2 1:2:1 3 27:27:9:1 3 1:3:3:1 若化合物含有若化合物含有 i 種元素，它們都有非單一的同位素組成，種元素，它

25、們都有非單一的同位素組成，總的同位素峰簇各峰之間的強(qiáng)度可用下式表示：總的同位素峰簇各峰之間的強(qiáng)度可用下式表示： (a1+b1)m1 (a2+b2)m2 (ai+bi)mi 2）利用同位素峰簇的相對(duì)豐度推導(dǎo)化合物的分子）利用同位素峰簇的相對(duì)豐度推導(dǎo)化合物的分子式式 a. 從從 M+1 峰與峰與 M 峰強(qiáng)度的比值峰強(qiáng)度的比值 可估算出分子中含碳的數(shù)目可估算出分子中含碳的數(shù)目 式中式中 I(M+1) 和和 I(M) 分別表示分別表示 M+1 峰和峰和 M 峰的（相對(duì)）強(qiáng)度峰的（相對(duì)）強(qiáng)度 b. 從從 M+2 峰與峰與 M 峰強(qiáng)度的比值峰強(qiáng)度的比值 可估算出分子中含可估算出分子中含 S，Cl，Br 的

26、數(shù)目的數(shù)目 S 4.4% ； M+2, M+4, M+6 峰很特征峰很特征 c. 其它元素的存在及其原子數(shù)目其它元素的存在及其原子數(shù)目 氟氟的存在可以從分子離子失去的存在可以從分子離子失去20，50 u （分別對(duì)應(yīng)失去（分別對(duì)應(yīng)失去HF，CF2）而證實(shí)）而證實(shí) 碘碘的存在可以從的存在可以從 M127 得到證實(shí)得到證實(shí) 若存在若存在 m/z 31，45，59 的離子，說(shuō)明有的離子，說(shuō)明有醇、醚醇、醚 形式的形式的氧氧存在。從分子量與已知元素組成質(zhì)量的存在。從分子量與已知元素組成質(zhì)量的 較大差額也可估計(jì)氧原子的存在個(gè)數(shù)。較大差額也可估計(jì)氧原子的存在個(gè)數(shù)。 從分子量與上述元素組成的質(zhì)量差額可推測(cè)分子

27、從分子量與上述元素組成的質(zhì)量差額可推測(cè)分子 中存在的中存在的氫氫原子數(shù)目。原子數(shù)目。 3. 高分辨質(zhì)譜法高分辨質(zhì)譜法 可測(cè)得化合物的精確分子量可測(cè)得化合物的精確分子量 如：如： C5H14N2O3 C6H14O4 150 150 低低 150.1004 150.0892 高高例例1：化合物：化合物 A 的質(zhì)譜數(shù)據(jù)及圖如下，推導(dǎo)其分子式。的質(zhì)譜數(shù)據(jù)及圖如下，推導(dǎo)其分子式。解：圖中高質(zhì)荷比區(qū)解：圖中高質(zhì)荷比區(qū) m/z 73，74；設(shè)設(shè) m/z 73為為 M+.，與相鄰強(qiáng)度較，與相鄰強(qiáng)度較大的碎片離子大的碎片離子58之間（之間（15）為合）為合 理丟失峰理丟失峰(.CH3)，可認(rèn)為，可認(rèn)為m/z 7

28、3為化合物為化合物 A 的分子離子峰，的分子離子峰，74為為（M+1）峰。因）峰。因 M+. 的的 m/z 為奇為奇 數(shù)，說(shuō)明數(shù)，說(shuō)明 A 中含有奇數(shù)個(gè)氮。中含有奇數(shù)個(gè)氮。 通過(guò)計(jì)算可知，分子中碳的數(shù)目通過(guò)計(jì)算可知，分子中碳的數(shù)目 5，若為，若為5，則分子式為，則分子式為C5N，其分子量大于其分子量大于73，顯然不合理。若為，顯然不合理。若為4，則，則731412411，可，可 能的分子式為能的分子式為 C4H11N，0。該式組成合理，符合氮律，可認(rèn)為。該式組成合理，符合氮律，可認(rèn)為 是化合物是化合物 A 的分子式。的分子式。例例2：化合物：化合物 B 的質(zhì)譜數(shù)據(jù)及圖如下，推導(dǎo)其分子式。的質(zhì)譜

29、數(shù)據(jù)及圖如下，推導(dǎo)其分子式。 解：設(shè)高質(zhì)荷比區(qū)，解：設(shè)高質(zhì)荷比區(qū)， RI 最大的最大的峰峰 m/z 97 為分子離子峰，由于為分子離子峰，由于 m/z 97與與m/z 98的相對(duì)強(qiáng)度之比的相對(duì)強(qiáng)度之比約為約為2：1，既不符合，既不符合C,H,N,O,S化合物的同位素相對(duì)豐度比，又化合物的同位素相對(duì)豐度比，又 不符合不符合 Cl,Br原子組成的同位素原子組成的同位素峰簇的相對(duì)豐度比，故峰簇的相對(duì)豐度比，故 m/z 97可可能不是分子離子峰。設(shè)能不是分子離子峰。設(shè) m/z 98 為分子離子峰，與為分子離子峰，與 m/z 71，70關(guān)系合理，可認(rèn)為關(guān)系合理，可認(rèn)為 m/z 98 為為 M+., m/

30、z 97 為為(M1)峰?；衔锊缓蚺紨?shù)氮（此處省略）。峰?；衔锊缓蚺紨?shù)氮（此處省略）。 由表中數(shù)據(jù)可知，由表中數(shù)據(jù)可知， m/z 98 (56) M+. , 99 (7.6) (M+1) , 100 (2.4) (M+2) 則則 RI (M+1) / RI (M) 100=13.6，RI (M+2) / RI (M)100=4.3 由由(M+2) 相對(duì)強(qiáng)度為相對(duì)強(qiáng)度為 4.3 判斷化合物中含有一個(gè)硫原子，判斷化合物中含有一個(gè)硫原子， 983266，66125.5，說(shuō)明碳原子數(shù)目只能小于等于，說(shuō)明碳原子數(shù)目只能小于等于 5； 若為若為 5，661256，可能分子式為，可能分子式為 C

31、5H6S，3是合理的。是合理的。 若為若為4，6612418，此時(shí)分子式假設(shè)為，此時(shí)分子式假設(shè)為 C4H18S， 4， 故不合理；假設(shè)分子中含有一個(gè)氧，此時(shí)分子式為故不合理；假設(shè)分子中含有一個(gè)氧，此時(shí)分子式為 C4H2OS， 4 也是合理的。也是合理的。 所以化合物所以化合物 B 的分子式可能為的分子式可能為 ： C5H6S 或或 C4H2OS例例3：化合物：化合物 C 的質(zhì)譜數(shù)據(jù)及圖如下，推導(dǎo)其分子式。的質(zhì)譜數(shù)據(jù)及圖如下，推導(dǎo)其分子式。 解：由表及圖可知，解：由表及圖可知，m/z 164 與與 166，135 與與 137 的相對(duì)強(qiáng)度之比的相對(duì)強(qiáng)度之比 均近似為均近似為1：1，m/z 164

32、 與相鄰碎片與相鄰碎片離子峰離子峰 m/z 135（M-29）和）和 85 （M-79） 之間關(guān)系合理，故認(rèn)為之間關(guān)系合理，故認(rèn)為 m/z 164為化合物為化合物 C 的分子離子峰，的分子離子峰，且分子中含有一個(gè)溴原子，不含氮或偶數(shù)氮。且分子中含有一個(gè)溴原子，不含氮或偶數(shù)氮。 85127，即碳原子數(shù)目小于等于，即碳原子數(shù)目小于等于 7 。（若用計(jì)算碳原子個(gè)。（若用計(jì)算碳原子個(gè) 數(shù)的方法計(jì)算，碳原子數(shù)目約等于數(shù)的方法計(jì)算，碳原子數(shù)目約等于6。）。） 若為若為7，可能的分子式為，可能的分子式為C7HBr，7，此時(shí)不飽和度過(guò)大，此時(shí)不飽和度過(guò)大，而組成式子的原子數(shù)目過(guò)少，不符合有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)，不合

33、理。而組成式子的原子數(shù)目過(guò)少，不符合有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)，不合理。 若為若為 6 ，則，則8512613，可能的分子式為，可能的分子式為C6H13Br， 0，可知該式合理。，可知該式合理。 若為若為 5，則，則8512525，假設(shè)分子式為，假設(shè)分子式為 C5H25Br， 0，不合理。假設(shè)分子式中含有一個(gè)氧，其分子式為，不合理。假設(shè)分子式中含有一個(gè)氧，其分子式為 C5H9OBr， 1，也是合理的分子式。，也是合理的分子式。 所以化合物所以化合物 C 的可能分子式為的可能分子式為 C6H13Br 或或 C5H9OBr 由圖中的碎片離子可判斷其分子式為由圖中的碎片離子可判斷其分子式為 C6H13Br 5

34、.3 有機(jī)質(zhì)譜中的裂解規(guī)律有機(jī)質(zhì)譜中的裂解規(guī)律5.3.1 研究有機(jī)質(zhì)譜裂解反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法研究有機(jī)質(zhì)譜裂解反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法 1. 亞穩(wěn)離子法亞穩(wěn)離子法 2.同位素標(biāo)記法同位素標(biāo)記法 5.3.2 有機(jī)質(zhì)譜裂解反應(yīng)機(jī)理有機(jī)質(zhì)譜裂解反應(yīng)機(jī)理裂解方式裂解方式 分為簡(jiǎn)單開(kāi)裂和重排開(kāi)裂分為簡(jiǎn)單開(kāi)裂和重排開(kāi)裂XY+.X+Y.半異裂：半異裂： 從化學(xué)鍵斷裂的方式可分為均裂、異裂和半異裂從化學(xué)鍵斷裂的方式可分為均裂、異裂和半異裂( 鍵先被電離鍵先被電離, 然后斷裂然后斷裂)。均裂均裂 異裂異裂1. 簡(jiǎn)單斷裂簡(jiǎn)單斷裂（斷裂一個(gè)鍵斷裂一個(gè)鍵 ）1. 支鏈烷烴的支鏈優(yōu)先斷裂支鏈烷烴的支鏈優(yōu)先斷裂（- 斷裂）斷裂）H3CH

35、2CH2CHCH2CH2C CH3CH2CH3斷裂 支鏈越多越容易斷裂。支鏈中最大的取代基優(yōu)先作為游離基去支鏈越多越容易斷裂。支鏈中最大的取代基優(yōu)先作為游離基去掉，生成穩(wěn)定的仲或叔碳正離子。掉，生成穩(wěn)定的仲或叔碳正離子。 R3C+ R2C+H RC+H2C+H32. 具有側(cè)鏈的環(huán)烷烴具有側(cè)鏈的環(huán)烷烴（- 斷裂）斷裂）優(yōu)先在側(cè)鏈部位斷裂，生成帶正電荷的環(huán)狀碎片。優(yōu)先在側(cè)鏈部位斷裂，生成帶正電荷的環(huán)狀碎片。nR+n+n = 0, 1, 2, 3, 4等等CH3 C H CH3 C H CH3 C O+ + H離子化- e-OO+O+CH3 C H CH3 + H C O+-裂解-裂解or4329

36、3. 斷裂羰基化合物（如醛、酮、酸酐、酰鹵、酯、酰胺等）容易發(fā)生羰基化合物（如醛、酮、酸酐、酰鹵、酯、酰胺等）容易發(fā)生 斷裂，生成的離子中其正電荷被斷裂，生成的離子中其正電荷被 電子所分散。電子所分散。4. 斷裂芳烴、雜芳烴、烯烴、炔烴和含雜原子的化合物如醇、醚、胺、芳烴、雜芳烴、烯烴、炔烴和含雜原子的化合物如醇、醚、胺、硫醇、硫醚等容易發(fā)生硫醇、硫醚等容易發(fā)生 斷裂斷裂。H2C H+-HCH2+CH2C XHH2C XH+RH2X = O, S, NH 等+i-斷斷裂裂 (或叫正電荷誘導(dǎo)裂解或叫正電荷誘導(dǎo)裂解) 由正電荷（陽(yáng)離子）引發(fā)的碎裂過(guò)程。它涉及由正電荷（陽(yáng)離子）引發(fā)的碎裂過(guò)程。它涉及

37、兩個(gè)電子的轉(zhuǎn)移。兩個(gè)電子的轉(zhuǎn)移。O+CH3CH2+ + OCH2CH3i-碎碎裂裂* i-碎碎裂一般都產(chǎn)生一個(gè)碳正離子。裂一般都產(chǎn)生一個(gè)碳正離子。* 對(duì)于沒(méi)有自由基的偶電子離子，只可能發(fā)生對(duì)于沒(méi)有自由基的偶電子離子，只可能發(fā)生 i-碎碎裂。裂。 -斷裂與斷裂與i-斷裂是兩種相互競(jìng)爭(zhēng)的反應(yīng)。斷裂是兩種相互競(jìng)爭(zhēng)的反應(yīng)。 N 一般進(jìn)行一般進(jìn)行 -斷裂；鹵素則易進(jìn)行斷裂；鹵素則易進(jìn)行 i-斷斷裂裂 與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系(a) 有利于穩(wěn)定碳正離子：有利于穩(wěn)定碳正離子：.+.(b) 有利于共軛體系的形成有利于共軛體系的形成(c) 當(dāng)分子中存在雜原子時(shí)，裂解常發(fā)生于鄰近雜原子的當(dāng)分子中存在雜原子

38、時(shí)，裂解常發(fā)生于鄰近雜原子的 C-C 鍵上鍵上(d) 有利于形成穩(wěn)定的中性小分子有利于形成穩(wěn)定的中性小分子(象象H2O，CO，NH3，ROH等等) 同時(shí)涉及至少兩根鍵的變化，在重排中既有鍵的同時(shí)涉及至少兩根鍵的變化，在重排中既有鍵的 斷裂也有鍵的生成。斷裂也有鍵的生成。 生成的某些離子的原子排列并不保持原來(lái)分子結(jié)生成的某些離子的原子排列并不保持原來(lái)分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系，發(fā)生了原子或基團(tuán)的重排。構(gòu)的關(guān)系，發(fā)生了原子或基團(tuán)的重排。 質(zhì)量奇偶不變，失去中性分子。質(zhì)量奇偶不變，失去中性分子。2.重排反應(yīng)重排反應(yīng)1. McLafferty重排重排(麥?zhǔn)现嘏披準(zhǔn)现嘏?烯烴、醛、酮、酸、酯、酰胺等若含有烯烴、醛、

39、酮、酸、酯、酰胺等若含有 H，則，則 H可通過(guò)六可通過(guò)六元過(guò)渡態(tài)重排至不飽和原子上，同時(shí)元過(guò)渡態(tài)重排至不飽和原子上，同時(shí) 鍵斷裂消去烯烴生成重鍵斷裂消去烯烴生成重排離子。該重排就是排離子。該重排就是Mclafferty重排。重排。+QCMXCH2CH2HQ = O, CH2; X = CH2, O, NH; M = H, OH, alkyl+QCMXCH2CH2H+OH+離子化- e-OHO+麥克拉夫悌重排裂解該重排在芳烴、雜芳烴、該重排在芳烴、雜芳烴、炔烴等化合物的質(zhì)譜中炔烴等化合物的質(zhì)譜中也都可以觀察到。也都可以觀察到。2. 親核重排親核重排離子中含有親核基團(tuán)時(shí)容易發(fā)生親核重排。鹵代烴容易

40、發(fā)生離子中含有親核基團(tuán)時(shí)容易發(fā)生親核重排。鹵代烴容易發(fā)生C-X鍵斷裂形成相應(yīng)的離子，如分子中存在親核基團(tuán)如鍵斷裂形成相應(yīng)的離子，如分子中存在親核基團(tuán)如OR時(shí)，時(shí)，OR中的中的O原子進(jìn)攻帶正電荷的碳，同時(shí)原子進(jìn)攻帶正電荷的碳，同時(shí) 鍵發(fā)生斷裂生成相應(yīng)鍵發(fā)生斷裂生成相應(yīng)的重排離子。的重排離子。CR1R2XNNuCR1R2NNuCR1R2Nu+ N-X+式中式中R1、R2為取代基，為取代基，X為鹵素，為鹵素，N為中性分子，為中性分子，Nu為親核基團(tuán)。為親核基團(tuán)。具有環(huán)己烯結(jié)構(gòu)類型的化合物可發(fā)生此類裂解，一般形具有環(huán)己烯結(jié)構(gòu)類型的化合物可發(fā)生此類裂解，一般形成一個(gè)共軛二烯正離子和一個(gè)烯烴中性碎片：成一個(gè)共軛二烯正離子和一個(gè)烯烴中性碎片：3. 逆逆DielsAlder重排重排+m/z