质谱原理.ppt
- 文档编号:18752515
- 上传时间:2023-10-29
- 格式:PPT
- 页数:202
- 大小:4.17MB
质谱原理.ppt
《质谱原理.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《质谱原理.ppt(202页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
第一章质谱MassSpectrometry,ItisSpectrometryNOTSpectroscopy,Spectroscopyn.光谱学,波谱学,光谱仪Spectrometryn.度谱术,质谱计Spectrometry:
SpectrometerAbbreviatedto:
Massspec.orMS,范围光区光谱类型跃迁类型10-410-2nm-rayMossbauer谱核能级跃迁10-21nmX-rayX-光电子能谱核内层电子能级100400nm紫外光区紫外光谱核外层电子(价400800nm可见光区可见光谱电子或非键电子)2.525m红外光区红外光谱分子振动-转动(4000400cm-1)1cm微波区微波谱分子转动能级顺磁共振谱电子自旋能级(磁诱导)50500cm射频区核磁共振谱核自旋能级(60060MHz,无线电波区)(磁诱导),光波与光谱的关系,1.1概述,运用电磁学原理对荷电分子、亚稳分子碎片进行分离、分析,正离子自由基正离子,1.2质谱仪基本原理及仪器简介,乙醇的质谱图,质谱发展史,质谱不属波谱范围,质谱图与电磁波的波长和分子内某种物理量的改变无关,质谱是分子离子及碎片离子的质量与其相对强度的谱,谱图与分子结构有关,特点,质谱法进样量少,灵敏度高,分析速度快,质谱是唯一可以给出分子量,确定分子式的方法,而分子式的确定对化合物的结构鉴定是至关重要的。
优点,计算机数据处理系统,真空系统,加速区,进样系统,离子源,质量分析器,检测器,质谱计框图,Detector,Output,Ionseparation,离子源和质量分析器的真空度需保持在104105Pa和105106Pa。
因为:
大量氧会烧坏离子源的灯丝;用作加速离子的几千伏高压会引起放电;引起额外的离子分子反应,改变裂解模型,谱图复杂化。
质谱计构造:
真空系统,计算机数据处理系统,真空系统,加速区,离子源,质量分析器,检测器,进样系统,质谱计框图,Detector,Output,Ionseparation,在不破坏真空度的情况下,使样品进入离子源。
气体可通过储气器进入离子源。
易挥发的液体,在进样系统内汽化后进入离子源。
难挥发的液体或固体样品,通过探针直接插入离子源。
进样系统,计算机数据处理系统,真空系统,加速区,进样系统,质量分析器,检测器,质谱计框图,Detector,Output,Ionseparation,分子失去电子,生成带正电荷的分子离子,分子离子可进一步裂解,生成质量更小的碎片离子,+.,离子源,计算机数据处理系统,真空系统,加速区,进样系统,离子源,质量分析器,检测器,质谱计框图,Detector,Output,Ionseparation,质量分析器是质谱计的核心,不同类型的质量分析器构成不同类型的质谱计,不同类型的质谱计其功能,应用范围,原理,实验方法均有所不同。
质量分析器,检测记录系统,质量分析器分离并加以聚焦的离子束,按m/z的大小依次通过狭缝,到达收集器。
经接收放大后被记录。
1.3质谱仪(detailedintroduction),计算机数据处理系统,真空系统,加速区,离子源,质量分析器,检测器,进样系统,质谱计框图,Detector,Output,Ionseparation,SampleIntroduction:
(直接进样杆)DirectInsertionProbe(DIP),DirectinsertionprobeConceptuallyveryeasy,practicallyverytricky,SampleIntroduction:
GasChromatogram-MS(GC-MS),GCoutputtomassspectrometerSamplealreadyingasphase,SampleIntroduction:
LiquidChromatogram-MS(LC-MS),DirectinfusionofsampleinsolutionSyringepump:
slowsteadyinfusionOutputfromHPLCSeparationandidentificationofcomponentsVastmajorityofsolutionissolventMustremovesolventto“see”analyteHistorically:
extrapumpingandheatingApplicabletoelectrosprayionisationESI:
seelater,质谱计的主要技术指标,1、质量范围:
指质谱计所检测的单电荷离子的质核比范围,2、分辨率(R):
分辨率是质谱计分开相邻两离子质量的能力。
分辨率(R)是两峰间的峰谷为峰高的10%时的测定值,即两峰各以5%的高度重叠。
3、灵敏度:
例:
有质量数为200和201的两峰,使之正好分开(满足10%谷的要求),需要仪器的分辨率达到:
R=m/m=200/(201-200)=200,若要分开1000和1001两个离子,所需仪器的分辨率应该为,R=m/m=1000/(1001-1000)=1000,可见分离质量数愈大的离子所需的分辨率愈高。
3、灵敏度:
仪器对样品在量的方面的检测能力。
绝对灵敏度:
在记录仪上得到可检测的质谱信号所需的样品量(g);相对灵敏度:
可检测到的微量杂质的最小浓度(如gml-1)。
;,计算机数据处理系统,真空系统,加速区,进样系统,质量分析器,检测器,质谱计框图,Detector,Output,Ionseparation,电子轰击电离ElectronImpactIonization,EI化学离子化ChemicalIonization,CI场电离,场解吸FieldIonizationFD,FieldDesorptionFD快原子轰击FastAtomBombardment,FAB基质辅助激光解析电离Matrix-AssistedLaserDesorptionIonization,MALDI电喷雾电离ElectrosprayIonization,ESI大气压化学电离AtmosphericPressureChemicalIonization,APCI,离子化的方法,电子轰击电离ElectronImpact(EI),电子轰击电离又称为电子轰击,或电子电离。
是应用最普遍,发展最成熟的电离方法。
轰击电压50-70eV,有机分子的电离电位一般为7-15eV。
可提供丰富的结构信息。
灵敏度高,能检测纳克(ng)级样品;,有些化合物的分子离子不出现或很弱,电子轰击电离EI,计算机数据处理系统,真空系统,加速区,进样系统,检测器,质谱计框图,Detector,Output,Separateionsaccordingtom/zratioFivebasictypesofanalyser:
1)Magneticsector(electrostatic)2)Quadrupole3)Iontraps4)Timeofflight5)FTICR,质量分析器MassAnalysers,
(1)单聚焦(磁偏转)质谱仪,分辨率5000,气体样品离解室,一束e700V加速,M,-e,+,.,几千伏电压加速,磁场,偏转,离子收集器,e:
电荷V:
加速电压m:
离子质量:
离子速度,磁场中离子的向心力=离心力He=m2/r-
(2),H:
磁场r:
离子运行半径,电场加速后动能=势能eV=(1/2)m2-
(1),消去,r2=(m/e)(2V/H2),m/e:
质荷比,m/e固定VorHr,四极质量分析器四极质谱计,四极质谱结构简单,价廉,体积小,易操作,无磁滞现象,扫描速度快,适合于GC-MS,LC-MS。
分辩率不高。
飞行时间质量分析器,飞行时间质谱计的优点:
1、不需磁场,只需直线漂移的空间,因此仪器结构简单;2、扫描速度快,扫描一张质谱图约需10-510-6s,因此适合与色谱联用;3、可测定的质量范围取决于飞行时间,因此实际测定离子质荷比没有上限,特别适合生物大分子。
傅立叶变换质谱计,FourierTransformMassSpectrometer,FT-MS,傅立叶变换质谱计应该是傅立叶变换离子回旋共振质谱计,是受FT-NMR的启迪。
利用不同m/z的离子,在磁场B的作用下,各自产生不同的回旋频率。
若施加一射频场,使其频率等于某一m/z离子的回旋频率,则离子就会吸收能量而激发。
离子从射频场吸收能量,称之离子的回旋共振。
激发的离子运动速度(v)增大,运动轨道半径(r)增大,称之离子的回旋运动的激发。
如果磁场强度(B)一定,改变射频场的频率()即可激发不同m/z的离子而得到质谱。
FT-MS的核心为分析室,分析室由三对平行的极板构成。
磁力线沿z轴方向,离子的回旋运动垂直于z轴,在与x轴方向垂直的两极板上施加激发射频,在与y轴方向垂直的两极板上检测信号。
FT-MS分辨率极高,目前可得到精确度最高的精确质量。
FT-MS灵敏度高,质量范围宽,速度快,性能可靠。
MassAnalysers:
FourierTransformIonCyclotronResonance:
FTICR,HighR(100,000):
unlimitedmassrangeApplicabletoallanalytesNotGC-MSasverylowpressuresareneededIonorbitsinacircularmagneticfieldIfmv=zBr:
ionistrappedincircularpathFrequencyofthisoscillation=wcwc=zB/mm/z=B/wcwcisameasureofm/z,质谱术语,基峰:
RI100,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。
精密质量:
精密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、12C12.00000014N14.003074、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荷比,纵坐标为离子相对强度或相对丰度。
乙醇的质谱图如下:
离子的丰度,质荷比,质谱图,基峰谱中最高的峰丰度100相对值相对丰度,分子离子:
M+,M-eM+,z=1时,其m/z等于天然丰度最大的同位素的原子量之和。
碎片离子:
广义上指除分子离子以外的所有离子。
重排离子:
经过重排,断裂一个以上化学键所生成的离子。
母离子与子离子:
任何一个离子进一步裂解为质荷比较小的离子,前者是后者的母离子或前体离子,后者是前者的子离子。
1.3质谱中离子的主要类型,一、分子离子表示方法:
M+M-eM+奇电子离子重要性:
质荷比=分子量测得的分子量是准确的分子量分子离子是其它碎片离子的前驱,分子离子峰一般处于质荷比最高值但也可能很弱或不存在。
二、碎片离子由分子离子碎裂而成。
?
是否分子离子的所有碎片在质谱图上都会形成峰?
三、同位素离子,许多元素存在同位素最轻同位素天然丰度最大例如12C和13C的丰度比为100:
1.1,最大丰度同位素分子离子峰M+同位素离子峰M+1或M+2峰,一些同位素的自然丰度,四、多电荷离子质谱中绝大部分离子为单电荷离子。
但是某些分子稳定的分子,能生成双电荷或多电荷离子。
如:
苯的分子离子峰m/z=78双电荷离子出现在39处五、负离子,六、离子分子反应生成的离子局部区域可能出现样品“浓度”过大时,分子离子可能从中性分子取得一个原子或原子基团。
主要用于化学电离,也称为准分子离子。
例如,醚、酯、胺、腊类化合物的质谱中有时会出现M+H。
1.4分子离子峰的判别和分子量测定,一、分子离子峰的判别1、EI质谱图中最高质量的离子峰有可能是分子离子峰;(排除同位素和分子离子反应的情况)。
2、有一部分化合物的分子离子在电离时全部碎裂。
MCH3+,分子离子峰判别解析步骤,把谱图中最高质荷比的离子假设为分子离子峰,然后用分子离子的判别标准一一衡量如果被检查的离子不符合其中任何一条标准、则它不是分子离子;如果被检查的离子符合所有条件则它可能是分子离子但也可能仍不是分子离子。
分子离子的判别标准如下:
1、合理的中性丢失。
2、质量奇偶性必须符合氮规则。
3、分子离子峰是否出现与化合物的种类有关。
1、合理的中性丢失分子离子碎裂,通常只有少数几种低质量的中性碎片丢失,有特殊的质量数。
如甲基CH315,羟基OH17,氢原子H1分子离子峰与最近的峰的质量差应该有一个合理的值。
若是处于414和2125之间就是不合理的。
2、分子离子的质量奇偶性必须符合氮规则。
化合物中不含氮或含有偶数个氮原子则其分子离子的质量(即分子量)定是偶数;如果分子中含有奇数个氮原子,则其分子离子的质量必定是奇数。
例例:
CH416CH3OH32NH2CH2CH2NH260C6H678CH3NH231C5H5N79,114,101,87,77,73,59,55,45,29,15,图1-13.例1-1a,质荷比最大的离子是m/z114,为偶数,符合氮规则,但与114最靠近的离子m/z101,它们的差值为13,落在不合理范围内所以mz114肯定不是分子离子。
122,106,93,79,41,26,15,图1-13.例1-1b,注意,应该将m/zl20假设为分子离子峰m/z122是同位素离子峰。
这种相隔2个质荷比,丰度几乎相等的同位素峰是由79Br和81Br造成的;,120是偶数符合氮规则;,相邻碎片离子106,93,相差14,27。
均为合理的中性丢失范围。
进一步考察碎裂情况,发现m/z41为M-Br+,是一个烯丙基离子,所以该化合物是溴代丙烯。
120确实是分子离子峰。
图1-13.例1-1c,谱图中质荷比最大的离子是m/z84,符合氮规则。
相邻离子为69,它们的质量差为15,也符合分子离子的判别称准,但实际上m/z84不是分子离子,是己醇(分子量为102)的质谱图,其中m/z84是分子离子失去一个水分子生成的奇电子碎片M-H2O+,3、分子离子峰是否出现与化合物的种类有关。
关于EI谱分子离子峰的强度有下列三种情况:
芳香族化合物共轭多烯脂环化合物短直链烷烃某些含硫化合物这些化合物给较显著的分子离子峰直链的酮、酯、酸、醛、酰胺、醚、卤化物等通常显示分子离子峰。
脂肪族且分子量较大的醇、胺、亚硝酸酯、硝酸酯等化合物以及高分支链的化合物没有分子离子峰;,当EI谱中未出现分子离子峰时,可以采用三种方法:
3、采用软电离技术是得到准分子离子峰而求得分子量的最佳途径。
1、将样品制备成为较稳定的衍生物。
例如,用甲基化、酰化、三甲基硅烷化法将醇转化为醚、酯和三甲基硅醚;用酯化法将羧酸转变为酯等。
2、降低电子能量(常规70eV)。
如化学电离(CI)、场解吸电离(FD)、快原子轰击电离(FAB)等。
115(M),70,EI谱,图1-14.脯氨酸的电子轰击(EI)和化学电离(CI)质谱对比,图1-15.D-葡萄糖的EI、场致电离(FI)和场解吸电离(FI)质谱,1.5推测未知物元素组成。
一、利用分子离子及其同位素离子丰度比的统计规律推测未知物元素组成。
二、用高分辨质谱数据推测未知物元素组成。
一、利用同位素离子丰度推导分子式1、有机分子中常见元素可分为三类:
“A”型只有一个天然稳定的同位素F、P、I“A+1”型有两个同位素的元素,其中C、N、H丰度小的同位素比最丰富的同位素大一个质量单位“A+2”型有一个比最丰富同位素大两Cl、Br、S、Si、O个质量单位的同位素,有机分子的质谱图中,总有一些M+1、M+2、M+3等峰伴随分子离子峰。
其产生原因是什么?
M+1分子中含有A+1类元素的一个重同位素,M+2分子中含有A+2类元素的一个重同位素,或两个A+1类元素的重同位素,M十1、M十2等同位素峰的强度取决于分子中同位素原子的数目和它们的天然丰度。
因此可通过M+1、M+2等离子峰的相对丰度来推导分子的元素组成。
一、分子中氯、溴元素的识别和原子数目的确定。
1.都是A+2类元素2.重同位素丰度高35Cl:
37Cl=100:
32.579Br:
80Br=100:
98,3:
1,?
如果分子中含有两个Cl原子,谱图会怎样?
例:
分子中若含有一个Cl原子,其质谱图上会呈现M和M+2峰,它们的强度约比为,(a)2-氯丙烷M+78M+280(M+2)/M1:
3,(b)2-溴丁烷M+136M+2138(M+2)/M1:
1,41,57,136/138(M+),图1-16.二氯甲烷(分子量85)的EIMS,9:
6:
1,35(3),37
(1),35(3),35(3),35(3),37
(1),37
(1),37
(1),84(3x3),86(1x3),86(1x3),88(1x1),9:
6:
1,含多个氯、溴原子的化合物,分子离子区间隔两个质量数的峰丰度比符合:
二项式(a+b)n的展开,a、b分别是两种同位素的丰度比,对氯,a=3,b=1,对溴,a=1,b=1,二、分子中硫、硅原子的识别和鉴定情况类似,但M+2的丰度比较小,一般只需要考虑M+2峰的强度。
分子中硫、硅原子的数目可以由下列公式分别计算:
S原子数目(M+2/M)4.4%(取整)Si原子数目(M+2/M)3.4%(取整),三、分子中碳原子数目的确定,13C:
12C的丰度比为1.1:
100,是A+1类元素中最大的。
离子中,随着碳原子数的增加,出现13C同位素原子的几率也随之增加,只含一个碳原子的离子M:
M+1为100:
1.1,,而含10个碳原子的离子M:
M+1为100:
(1.110)即100:
11,据此,可估计分子离子中碳原子数的上限C原子数上限(M+1/M)1.1%,例1-2试根据分子离子区域的离子质荷比和相对丰度推导未知物的分子式。
某化合物分子离子区域:
m/z132(M+)133134相对强度1009.90.7,解:
因为M+2:
M为0.7:
100,故分子中不含Cl、Br、S、Si等A+2类元素,C原子数上限(M+1/M)1.1%9.9/1001.1%=9,则其余元素的原子量总和为132-12924,由N、O、H的原子量可推出可能的分子式:
C9H24C9H10NC9H8O,不符合价键理论,不符合氮规则,合理,四、其它元素、基团的存在和原子数目的确定:
1、氟元素,分子离子丢失20、50(分别对应丢失HF、CF2),根据特征丢失数目确定,2、碘元素,M-127,3、氧,若存在m/z31、45、59的离子,说明有醇、醚形式的氧存在,1.5.2高分辨质谱测定离子精密质量前面讨论的都是测定离子质荷比的整数部分。
高分辨质谱可提供小数点之后的信息。
不同的同位素原子组合可能有相同的整数质量,而小数点后的尾数不同,例:
氮气(N2)、一氧化氮(CO)和乙烯(C2H4)分子量都是28。
若用同位素的精确原子量去计算则得到,N228.00614814,CO27.99491475,C2H428.03130024,一般,质谱仪器的分辨率达到10000以上就可以测定离子的精密质量。
实测分子量为28.0058的气体应该为_?
高分辨质谱测定离子精密质量优点:
1、不受样品中杂质的干扰;2、可以同时测定分子离子和碎片离子的元素组成;3、测定结果比同位素丰度计算法准确。
1.6离子碎裂机理,每一类化合物和官能团有其特征的质谱碎裂行为。
推测,母体分子的结构,实际上,对于单官能团和较简单的化合物确实可以做到。
对于多官能团和较复杂的化合物不是那么容易。
因为,官能团间的相互影响会改变他们原有的碎裂行为一些官能团的碎裂行为可能掩盖另一些官能团的碎裂,一、有机质谱中的反应基本概念和机理1、离子正电荷位置的表示,把“+”号标在能确定位置之处。
有未成对电子时,应标注“”,如:
CH3CH2CH2OH,当正电荷位置不能或不需要确定时。
在离子的结构式外加半括弧,并根据是否存在未成对电子标注,2、电子转移的表示方法,采用Djerassi等人建议的“鱼钩”符号,表示一个电子的转移,表示一对电子的转移,3、化学键的均裂和异裂,均裂(Homolyticcleavage):
成键的两个电子分别属于生成的两个碎片。
异裂(heterolyticcleavage):
成键的两个电子同时属于某一个碎片。
4、离子碎裂是一个多途径、多级的反应,五、奇电子离子(OE)和偶电子离子(EE),奇电子离子有一个不成对电子,比较不稳定,容易发生碎裂和重排反应,偶电子离子比较稳定,发生碎裂时只能生成偶电子离子,氮规则判断离子所带电子奇偶性在不含氮的化合物中,凡质荷比是偶数的奇电子离子奇数偶电子离子,分子离子(OE+),(5).离子结构式,包含原子排列次序、空间位置、和电子结构,二、质谱碎裂的一般规律和影响因素1、质谱碎裂的一般规律1)分子中电离电位最低的电子最容易丢失生成的正电荷和自由基就定域在丢失电子的位置n电子电子电子CH3CH2CH2CH3,2)离子所带的自由基和正电荷引发离子的碎裂,A、自由基引发(断裂),B、电荷引发(诱导效应,i断裂),此二种碎裂虽然断裂同一根化学键,但生成两个不同的离子,3)产物离子的相对丰度主要由其稳定性决定。
(m/z43),(m/z15),4)质谱中的碎片离子多而复杂,造成解析困难。
其中一级断裂产物是我们研究的重点。
稳定,丰度高,不稳定,丰度低,2、影响离子碎裂的因素1)化学键的相对强度,键能大的化学键强度大,不容易断裂。
例如CC键的强度比CH弱,在仅含CC和CH的烷烃中,显然以CC键的断裂为主,生成以CnH2n+1系列离子。
142,113,99,85,71,57,43,29,图1-19.正癸烷(分子量142.23)的EIMS,图1-20.对氯甲苯和对氟甲苯的EIMS对比,MCl+,MH+,因为CCl键的键能(338)小于CH(409),相对比较容易断裂些,MH+,MF+91,因为CF键的键能(485)大于CH(409),MF+几乎不出现,有一个特殊情况要注意:
CC键和CCl键键能差别不大,均小于CH若只考虑键能大小,可预测上述两化合物均出现丰度可观的MCH3+。
但上述谱图中均未出现。
说明除了键能之外还有其他因素会影响质谱断裂。
2)碎裂产物的稳定性,质谱中,存在许多并行的碎裂反应;,这些反应中,生成稳定碎裂产物的反应为优势反应;,产物的稳定性影响碎裂过程和生成的碎片离子的相对丰度;,诱导和共轭等电子效应都能影响碎裂产物的稳定性。
由于烷基的推电子效应,使伯、仲、叔碳正离子的稳定性依次上升,即它们的稳定性次序为:
图1-21.正癸烷与5-甲基壬烷(分子量142.23)的EIMS对比,127,图1-21.甲基壬烷(分子量142.23)的EIMS对比,85,127,85,127,碳原子相邻有电子系统时,易产生相对稳定的正离子,因为正电荷被离域电子分散。
苯环上共轭的电子能使苄基正离子稳定,因此苄基断裂在与烷基并行的多个C-C键断裂反应中占优势。
以正戊苯的EIMS为例,此时,碎裂产物稳定性的影响超过了化学键强度所能产生的影响,图2.正戊苯的(分子量142.23)的EIMS,若仅考虑化学镶强度的话,苯环不易碎裂,而戊基中的cc链应以相同几率断裂生成丰度相似的Mz91、105、119、133离子,R,苄基离子,环卓鎓离子(m/z91),图1-20.对氯甲苯和对氟甲苯的EIMS对比,MCl+,MH+,MH+,MF+91,卓鎓离子,氯代卓鎓离子,氟代卓鎓离子,碳原子相邻有杂原子存在时,易产生相对稳定的正离子。
因为杂
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 原理