第十四章 質(zhì)譜法

第十四章質(zhì)譜法第一頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五應(yīng)用:頭發(fā)中銅、鋅、鈣、鐵、鉛等微量元素的分析？第二頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五質(zhì)譜法第十四章MassSpectroscopyMS第三頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五主要內(nèi)容14-1概述14-2質(zhì)譜法基本原理14-3質(zhì)譜儀14-4質(zhì)譜解析基礎(chǔ)知識14-5有機波譜綜合解釋★★第四頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五質(zhì)譜法：§14-1概述將樣品轉(zhuǎn)化為運動的氣態(tài)離子并按質(zhì)荷比（m/z）大小不同進行分離記錄的分析方法。質(zhì)譜法分類：原子質(zhì)譜法(無機質(zhì)譜法)atomicmassspectrometry分子質(zhì)譜法(有機質(zhì)譜法)molecularmassspectrometry第五頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五質(zhì)譜法發(fā)展1918年美國A.J.Dempster發(fā)明了第一臺單聚焦質(zhì)譜儀；1966年Munson和Field提出了化學(xué)電離（CI）技術(shù)；1981年出現(xiàn)了快原子轟擊（FAB）電離技術(shù)；隨后出現(xiàn)了各種軟電離技術(shù)：如基質(zhì)輔助激光解吸電離源（MALDI）電噴霧電離源（ESI）大氣壓化學(xué)電離源（APCI）感應(yīng)耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）富立葉變換質(zhì)譜儀（FT-ICRMS）

……

第六頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五質(zhì)譜儀分類按離子源分類電子轟擊EI化學(xué)電離CI快原子轟擊FAB大氣壓電離ESI、APCI基質(zhì)輔助激光解吸電離源MALDI……按檢測器分類單聚焦質(zhì)譜SFMS雙聚焦質(zhì)譜DFMS離子阱質(zhì)譜ITMS四級桿質(zhì)譜Quadrupole飛行時間質(zhì)譜TOFMS……第七頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五優(yōu)點：

唯一準確確定分子量的方法，特別是生物大分子分子量（數(shù)十萬）測定

極高靈敏度，檢測限達10-14g

同位素分析

多種形態(tài)分析

快速，多組分分析缺點：質(zhì)譜法特點★?

儀器昂貴，測試費用高?

破壞樣品第八頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五質(zhì)譜表質(zhì)譜圖m/z39505163659192相對強度11.63.85.07.612.3100.0077.8質(zhì)譜數(shù)據(jù)表示第九頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五(A)ESIMSofanisodine

(樟柳堿)(B)MS2ofanisodine樟柳堿的MS和MS2圖譜第十頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五質(zhì)譜法應(yīng)用分子量、同位素峰和碎片m/z峰強度→定量分析，但校正復(fù)雜主要是GC-MS或LC-MS定量分析分子量測定結(jié)構(gòu)分析分子離子峰m/z→化合物分子量定量分析新應(yīng)用——學(xué)科前沿質(zhì)譜成像、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)……NMR、IR、UV-VIS分子式結(jié)構(gòu)式從化學(xué)角度來看第十一頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五質(zhì)譜法應(yīng)用從對象來看生物醫(yī)藥刑偵農(nóng)業(yè)環(huán)境食品……第十二頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五§14-2質(zhì)譜法基本原理★質(zhì)譜法實驗流程——質(zhì)譜儀器結(jié)構(gòu)框圖第十三頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五電子轟擊離子化EI：分子離子，可裂解為碎片離子m：離子質(zhì)量v：離子速度z：離子電荷U：電場電壓R：離子運動半徑H：磁場強度質(zhì)譜方程50～100eV離子源中電場中磁場中第十四頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五兩式消去v：質(zhì)譜方程式結(jié)語：

m/z∝R2，H、U一定時，m/z↑，R↑空間上分離

m/z∝H2，R、U一定時（磁場掃描），m/z↑，H↑時間上分離m/z∝1/U，R、H一定時（電壓掃描），m/z↑，U↓時間上分離第十五頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五質(zhì)譜儀器結(jié)構(gòu)框圖§14-3質(zhì)譜儀美國FinniganESIMS儀第十六頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五一、進樣系統(tǒng)作用：在不降低真空度的條件下，將樣品分子引入到離子源中間歇式進樣系統(tǒng)——氣體、揮發(fā)性液、固體直接探針進樣——固體、非揮發(fā)、不穩(wěn)定樣品色譜進樣系統(tǒng)毛細管電泳進樣接口——復(fù)雜樣品第十七頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五二、離子源★作用：使氣態(tài)樣品分子電離，轉(zhuǎn)化為帶有樣品信息的離子1.電子轟擊源(EI)燈絲電子束硬電離電子轟擊源EI、化學(xué)電離源CI電噴霧離子源ESI、快原子轟擊FAB基質(zhì)輔助激光解吸電離源MALDI第十八頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五++++:R1:R2:R3:R4:e+M+(M-R2)+(M-R3)+Spectrum(M-R1)+豐度m/zEI示意圖第十九頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五EI源實驗技術(shù)：10~70eV電子能量電子能量分子離子增加碎片離子增加EI標準質(zhì)譜圖：70eV，用于分子結(jié)構(gòu)分析有機分子電離電位：7-15eV，提供豐富的結(jié)構(gòu)信息。EIMS特點：適用性強，圖譜重現(xiàn)性好但圖譜復(fù)雜，分子離子峰難尋找第二十頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五2.化學(xué)電離源(CI)軟電離(分子不穩(wěn)定)反應(yīng)氣體：甲烷、氨氣、異丁烷等氣體分子試樣分子準分子離子電子第二十一頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五甲烷電離：甲烷離子與分子反應(yīng)生成加合離子：90%CH4+eˉ→CH4++CH3++CH2++CH++C++H+第二十二頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五加合離子與樣品分子反應(yīng)：CI源特點：圖譜簡單，易測得分子量。(M+17)+(M+29)+CH5++RH→RH2++CH4C2H5++RH

→R++C2H6(M+1)+(M-1)+準分子離子：(M±1)+第二十三頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五COOC8H17COOC8H17EI和CI質(zhì)譜圖比較M=390EICI第二十四頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五3.電噴霧電離源(ESI)

ElectrosprayIonizaton多電荷離子測定的樣品分子量大最軟電離高電場第二十五頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五其它離子源：快原子轟擊FAB基質(zhì)輔助激光解吸MALDI場電離FI，場解吸FD大氣壓化學(xué)電離APCI……第二十六頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五4.基質(zhì)輔助激光解析質(zhì)譜

（Matrix-assistedLaserDesorption/Ionization，MALDI）用小分子有機物作基質(zhì)，將樣品溶液和基質(zhì)混合均勻，干燥成為晶體或半晶體后送入離子源內(nèi)。用一定波長的脈沖式激光照射，基質(zhì)分子能有效地吸收激光能量，瞬間由固態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，基質(zhì)離子與樣品相互碰撞使樣品離子化，而得以進行質(zhì)譜分析。MALDI示意圖第二十七頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五5.快原子轟擊（fastatombombardment,FAB）FAB電離原理：

樣品溶液與甘油、硫代甘油、3-硝基芐醇等高沸點的溶劑混合滴加于樣品靶上。由銫槍（或Ar、Xe）產(chǎn)生的高能快原子轟擊到樣品靶上時，部分能量導(dǎo)致樣品氣化和電離。生成的離子束由一加速電壓（數(shù)kV）引出，進入質(zhì)量分析器，按不同的質(zhì)荷比（m/z）被分開，并檢測器檢出。第二十八頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五(三)質(zhì)量分析器1.單聚焦分離器只有磁場：方向聚焦結(jié)構(gòu)簡單,操作方便,體積小但分辨率低第二十九頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五2.雙聚焦分離器離子源收集器磁場電場S1S2+-方向聚焦：

相同質(zhì)荷比，入射方向不同的離子會聚。能量聚焦：

相同質(zhì)荷比，速度(能量)不同的離子會聚。

質(zhì)量相同，能量不同的離子通過電場和磁場時，均產(chǎn)生能量色散，兩能量色散大小相等方向相反，使質(zhì)量相同的離子會聚。第三十頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五3.四級桿分析器雙曲面電場（離子振蕩運動）改變電參數(shù)，使不同m/z離子通過（大小相等，方向相反）飛行時間質(zhì)量分析器離子阱質(zhì)量分析器……第三十一頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五(四)檢測器電子倍增器示意圖105～108法拉第環(huán)照相感版第三十二頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五(五)真空系統(tǒng)作用：

1)

避免大量氧燒壞離子源的燈絲；2)消減離子的不必要碰撞，避免離子損失；3)避免離子－分子反應(yīng)改變裂解模式，使質(zhì)譜復(fù)雜化；4)減小本底。離子源質(zhì)量分析器真空度要求：}<10-4Pa機械泵擴散泵真空泵{第三十三頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五二、質(zhì)譜儀的主要性能指標1.質(zhì)量范圍質(zhì)譜儀所能測定的離子質(zhì)荷比范圍單電荷離子：質(zhì)量范圍即分子量范圍多電荷離子：分子量測定范圍比質(zhì)量范圍大。第三十四頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五2.分辨率：分開相鄰質(zhì)量數(shù)離子的能力定義：R＜1000低分辨R＞1000高分辨第三十五頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五§14-4質(zhì)譜解析基礎(chǔ)知識1.分子離子(奇電子離子)分子離子的質(zhì)量與化合物的分子量相等一、質(zhì)譜中幾種主要的離子(EI源)分子離子中性分子一般有機物失去電子的程度是

n電子＞π電子＞σ電子確定分子量和分子式(Molecularion)第三十六頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五分子離子或準分子離子峰

質(zhì)譜中分子離子峰的識別及分子式的確定是至關(guān)重要的.分子離子峰的識別

1.

假定分子離子峰:高質(zhì)荷比區(qū)，RI

較大的峰(注意：同位素峰)

2.

判斷其是否合理:

與相鄰碎片離子(m/z較小者)之間關(guān)系是否合理

Δm1231516171820丟失H·H2H2,H·CH3OOHH2O

NH2

Δm=4-14,21-24,37-38·····通常認為是不合理丟失第三十七頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五3.

判斷其是否符合N律

不含N或含偶數(shù)N的有機分子,其分子離子峰的m/z為偶數(shù)。含奇數(shù)N的有機分子,其分子離子峰的m/z為奇數(shù)。◎使用CI電離時，可能出現(xiàn)M+H,MH,M+C2H5,M+C3H5…

◎使用FAB或ESI時，可出現(xiàn)M+H,MH,M+Na,M+K…

◎較高分子量的化合物，可能同時生成M+H,M+2H,M+3H等

第三十八頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五同位素離子：2.同位素離子(isotopicion)由重同位素組成的分子形成的離子例如：CH413C+1H×4=17M+112C+2H+1H×3=17M+113C+2H+1H×3=18M+212C+1H×4=16M同位素離子峰一般出現(xiàn)在相應(yīng)分子離子峰或碎片離子峰的右側(cè)附近，m/z用M+1，M+2等表示。第三十九頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五元素相對豐度％元素相對豐度％1H2H100.000.01514N15N100.000.3612C13C100.001.0816O17O18O100.000.040.2032S33S34S100.000.784.40C、H、O、N的穩(wěn)定同位素相對豐度第四十頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五化合物分子式：CwHxNyOz同位素離子峰與分子離子峰相對強度的計算公式：第四十一頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五根據(jù)質(zhì)譜圖上同位素離子峰與分子離子峰的相對強度，可以推測化合物的分子式(Beynon表)。如CH4:第四十二頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五含鹵素化合物：1.氟、碘是單一同位素2.

35Cl︰37Cl=3︰1，79Br︰81Br=1︰1，計算分子離子峰與同位素離子峰強度比：

(a+b)n

n=2，a2+2ab+b2a是輕質(zhì)同位素豐度n=3，a3+3a2b+3ab2+b3b是重質(zhì)同位素豐度

如：分子中有三個氯，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同位素離子峰鑒定分子中氯、溴、硫原子第四十三頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五C6H13Br,Mr=164■含硫的樣品

32S:33S:34S=100:0.8:4.4第四十四頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五3.碎片離子(fragmention)1)

α斷裂帶有電荷的官能團與相連的α碳原子之間的斷裂斷裂方式均裂：X—Y=X·+Y·異裂：X—Y=X++Y-半異裂：X+?Y=X++Y·已電離含飽和雜原子+CH3CH2—I·CH3CH2·+I+均裂異裂CH3CH2++I·α-C第四十五頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五含不飽和雜原子均裂異裂m/z?第四十六頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五烯烴(烯丙斷裂)烷基苯(芐基斷裂)2)

β斷裂α碳原子和β碳原子之間的鍵的斷裂第四十七頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五3)

σ斷裂較易發(fā)生sigma

第四十八頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五4.重排離子(rearrangemention)麥氏(Mclafferty)重排R1=H、R、OH、OR、NR2第四十九頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五5.亞穩(wěn)離子(metastableion):m*離子源內(nèi)亞穩(wěn)離子（m1速度，m2質(zhì)量）m1m2m*m/z離子源后飛行中特點：強度低、寬、跨幾個質(zhì)量數(shù)，m/z非整數(shù)，易辨認用處：證明m1→m2裂解過程第五十頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五二、常見有機化合物的質(zhì)譜（一）烴類正構(gòu)烷烴：每隔14個質(zhì)量單位出峰正癸烷質(zhì)譜圖CnH2n+1離子系列第五十一頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五支鏈烷烴：支鏈取代位置裂解3-乙基己烷質(zhì)譜圖29438571第五十二頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五芳烴基峰β裂解α裂解第五十三頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五擴環(huán)麥氏重排裂解途徑第五十四頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五（二）醇和酚醇(M-18)+(M-1)++.-+.HRCHOHCHHOHR第五十五頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五第五十六頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五酚第五十七頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五麥氏重排（三）醛和酮第五十八頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五（四）酯和酸麥氏重排第五十九頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五三、EI質(zhì)譜的解釋1.分子量的確定（分子離子峰的識別）

分子離子峰一般是質(zhì)譜圖中質(zhì)荷比最大的峰

分子離子峰應(yīng)具有合理的質(zhì)量丟失不可能出現(xiàn)(M-3～14)+及(M-21～25)+離子峰

質(zhì)量數(shù)應(yīng)符合氮規(guī)則氮原子個數(shù){奇數(shù)：分子量為奇數(shù)偶數(shù)：分子量為偶數(shù)

特征同位素峰：有一個氯時，M和M+2強度比為3︰1，對一個溴，比例為1︰1第六十頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五2.分子式的確定

高分辨質(zhì)譜法

同位素豐度法Beynon表第六十一頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五3.分子結(jié)構(gòu)的確定1)譜圖解釋的一般方法由質(zhì)譜的高質(zhì)量端確定分子離子峰，求出分子量。采用高分辨質(zhì)譜法或同位素豐度法，求出分子式。計算不飽和度第六十二頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五研究高質(zhì)量端離子峰,確定化合物中的取代基M－15(CH3);M－16(O,NH2);M－17(OH,NH3);M－18(H2O);M－19(F);M－26(C2H2);M－27(HCN,C2H3);M－28(CO,C2H4);M－29(CHO,C2H5);M－30(NO);M－31(CH2OH,OCH3);M－32(S,CH3OH)M－35(Cl);M－42(CH2CO,CH2N2)M－43(CH3CO,C3H7);M－44(CO2,CS)第六十三頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五研究低質(zhì)量端離子峰，尋找化合物的特征離子或特征離子系列，推測化合物類型。由以上研究結(jié)果，提出化合物的結(jié)構(gòu)單元或可能的結(jié)構(gòu)。

驗證所得結(jié)果。質(zhì)譜斷裂規(guī)律；標準質(zhì)譜圖第六十四頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五例1：推測化合物C8H8O2的結(jié)構(gòu)。2)譜圖分析舉例第六十五頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五1.計算不飽和度

=1+8+1/2×(-8)=5分子中可能有苯環(huán)、一個雙鍵2.質(zhì)譜中無m/z為91的峰，說明不是烷基取代苯C2H3O2C8H8O2第六十六頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五可能的結(jié)構(gòu)：(A)(B)(C)(D)第六十七頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五(A)3.質(zhì)譜驗證(B)105105第六十八頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五(C)得不到m/z為105的碎片離子，可排除。(D)第六十九頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五或(A)(B)4.結(jié)論C8H8O2的結(jié)構(gòu)是第七十頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五§14-5有機波譜綜合解釋1.質(zhì)譜(MS)：確定分子量、分子式4.紅外光譜(IR)：官能團類型5.核磁共振氫譜(1H-NMR)：質(zhì)子類型(具有哪些種類的含氫官能團)；氫分布(各種官能團中含氫的數(shù)目)；氫核間的關(guān)系3.紫外光譜(UV)：是否具有共軛基團，是芳香族還是脂肪族化合物。6.質(zhì)譜(MS)：驗證所推測的未知物結(jié)構(gòu)的正確性2.計算不飽和度，推測化合物的大致類型第七十一頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五例2:某未知化合物的四譜數(shù)據(jù)如下，試推測其結(jié)構(gòu)式。λmax（乙醇）268264262257252248243εmax10115814719415310978紫外光譜第七十二頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五紅外光譜核磁共振第七十三頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五質(zhì)譜M+第七十四頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五150M+1M+2①C7H10N4②C8H8NO2③C8H10N2O④

C8H12N3⑤C9H10O2⑥C9H12NO⑦C9H14N29.259.239.619.989.9610.3410.710.380.780.610.450.840.680.52Beynon表第七十五頁，共八十六頁，編輯于2023年，星期五解：1)質(zhì)譜M=150查Beynon表，可知分子式為：C9H10O2第七十六頁，共八十六頁，編輯