仪器分析原理与实验仪器分析原理与实验（下）（下）（有机波谱分析）（有机波谱分析）武汉理工大学本科生课程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，被广泛的应用于广泛的应用于有机化合物的结构分析有机化合物的结构分析中。中。具有样品用量少，结构信息丰富具有样品用量少，结构信息丰富等特点。等特点。波谱分析大大缩短了复杂化合物结构测定的时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的结构测定等难点，并广泛的应用于各个研究领域。领域。结构表征最结构表征最常用的仪器常用的仪器分析方法分析方法质谱（质谱（MS）紫外光谱紫外光谱（UV）红外光谱红外光谱（IR）核磁共振谱（核磁共振谱（NMR）X射线光电子能谱（射线光电子能谱（XPS）纯度确定纯度确定分子式确定分子式确定结结构构解解析析的的常常规规程程序序不饱和度确定不饱和度确定平面结构式确定平面结构式确定立题构型构象确定立题构型构象确定蒸馏、分馏、萃取、重结晶蒸馏、分馏、萃取、重结晶HPLC、GC等等元素分析、元素分析、HRMS、NMR=n+1-nH/2-nX/2+nN/2UV、IRMS、NMRCD、ORDNOE、x-ray红外光谱红外光谱紫外光谱紫外光谱质谱质谱tt核磁共振核磁共振未知化合物的结构测定未知化合物的结构测定未知化合物的结构测定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通过本课程的学习l充分掌握四大波谱技术基本原理充分掌握四大波谱技术基本原理l能充分运用谱学信息正确解释谱图能充分运用谱学信息正确解释谱图l各谱学信息的综合分析及结构的正各谱学信息的综合分析及结构的正确推导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3Willians DH. Spectroscopic methods in organic chemistry McgrawHill. 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质谱（mass spectrometrymass spectrometry)的基本知识的基本知识质质谱谱分分析析法法是是通通过过对对被被测测样样品品离离子子的的质质荷荷比比（m/zm/z）的测定来进行分析的一种分析方法。的测定来进行分析的一种分析方法。质质谱谱图图是是唯唯一一能能够够得得到到未未知知物物相相对对分分子子质质量量的的工工具具。高高分分辨辨质质谱谱可可以以得得出出未未知知物物的的分分子子式式。为为推推测一个未知物的结构，质谱也是必不可少的测一个未知物的结构，质谱也是必不可少的12l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l掌握质谱基本知识，质谱术语 l掌握分子离子峰的识别及分子式的推导l掌握有机化合物的一般裂解规律l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：本章学习的基本要求：13质谱常用术语分子离子分子离子 Molecular ion M.+ 被电离了的分子。被电离了的分子。 “+”表示分子离子带一个电子电表示分子离子带一个电子电量的正电荷量的正电荷, “.” 表示它有一个不成对电子。表示它有一个不成对电子。碎片离子碎片离子 由分子离子在离子源中碎裂生成的。由分子离子在离子源中碎裂生成的。奇电子离子奇电子离子 外层有未成对电子的离子。外层有未成对电子的离子。偶电子离子偶电子离子 外层电子全部成对的离子。外层电子全部成对的离子。同位素峰同位素峰 元素组成中含有一个非最高天然丰元素组成中含有一个非最高天然丰度的同位素。度的同位素。亚稳峰亚稳峰 metastable ion m* 离子从离子源出口到达检测器之前产生并记录下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。来的离子。子离子子离子 离子碎裂反应产生的离子。离子碎裂反应产生的离子。14基峰基峰 谱图中表现为最高峰度离子的峰。谱图中表现为最高峰度离子的峰。负离子负离子 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。含电负性原子性原子 F、Cl、O、N等的化合物产生负离子的产率较高。等的化合物产生负离子的产率较高。准分子离子准分子离子 quasi-molecular ion M+H+简单断裂简单断裂 仅涉及一个键断裂的离子分解反应仅涉及一个键断裂的离子分解反应重排重排 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不同断裂断裂 与奇电子原子邻接原子的键断裂，化学均裂转移一个电子。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置发生转移 （全箭头）（全箭头） 电子对转移电子对转移 (鱼钩）鱼钩） 单个电子转移单个电子转移 一、质谱构造和工作原理一、质谱构造和工作原理1.1.气体扩散气体扩散2.2.直接进样直接进样3.3.气相色谱气相色谱1.1.电子轰击电子轰击2.2.化学电离化学电离3.3.场致电离场致电离 1. 1.单聚焦单聚焦 2. 2.双聚焦双聚焦 3. 3.飞行时间飞行时间4.4.四极杆四极杆质谱图质谱图是以质荷比（是以质荷比（m/z）为横坐标，相对强度为纵坐标构）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强度为100%，其它离子峰以对基峰的相对百分值表示。，其它离子峰以对基峰的相对百分值表示。1.真空系统真空系统 vacuum system 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（离子源真空度应达空度应达1.310-41.310-5Pa，质量分析器中应达，质量分析器中应达1.310-6Pa）。其作用是减少离子碰撞损失。）。其作用是减少离子碰撞损失。1.真空度过低，将会引起：真空度过低，将会引起：2.a）大量氧会烧坏离子源灯丝；）大量氧会烧坏离子源灯丝；3.b）引起其它分子离子反应，使质谱图复杂化；）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。）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。空度。机械泵机械泵turbopump扩散泵扩散泵Diffusionpump不同气压下聚乙烯乙二醇不同气压下聚乙烯乙二醇400的的MALDI-TOF图谱图谱真空系统的压强范围真空系统的压强范围2、进样系统、进样系统 进样系统的作用是进样系统的作用是在不破坏真空度的情况下，使样品高效在不破坏真空度的情况下，使样品高效重复的进入离子源重复的进入离子源 。常用的进样装置有三种类型：间歇式进样、直接探针进样、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（色谱进样系统（GC-MS、HPLC-MS）和高频感藕等离子体）和高频感藕等离子体进样系统（进样系统（ICP-MS）等。）等。2）间歇式进样：适于气体、沸点低且易挥发的液体、中等间歇式进样：适于气体、沸点低且易挥发的液体、中等蒸汽压固体。蒸汽压固体。1) 1) 色色谱谱进进样样：利利用用气气相相和和液液相相色色谱谱的的分分离离能能力力，与与质质谱谱仪仪联用，进行多组份复杂混合物分析。联用，进行多组份复杂混合物分析。3.离子源离子源 ionization source功功能能是是将将气气态态样样品品分分子子转转化化成成离离子子。由由于于离离子子化化所所需需要要的的能能量量随随分分子子不不同同差差异异很很大大，因因此此，对对于于不不同同的的分分子子应应选选择择不不同同的的离离解解方方法法。通通常常称称能能给给样样品品较较大大能能量量的的电电离离方方法法为为硬硬电电离离方方法法，而而给给样样品品较较小小能能量量的的电电离离方方法法为为软软电电离离方方法法，后后一一种种方方法法适适用用于于易易破破裂裂或或易易电电离离的样品。常见的离子源包括：的样品。常见的离子源包括：A. A. 电子轰击电离源电子轰击电离源(Electron Impact, EI) (Electron Impact, EI) 化学电离源化学电离源(Chemical Ionization, CI)(Chemical Ionization, CI) 场电离源场电离源(Field ionization Sources, FI)(Field ionization Sources, FI)B. B. 电喷雾源电喷雾源(Electron spray Ionization, ESI)(Electron spray Ionization, ESI) 基基 质质 辅辅 助助 激激 光光 解解 吸吸 电电 离离 源源 (Matrix (Matrix Assisted Assisted Laser Laser Description Ionization, MALDI) Description Ionization, MALDI) 电子轰击电离源电子轰击电离源(EI源源):应应用用最最为为广广泛泛的的离离子子源源，它它主主要要用用于于挥挥发发性性样品的电离。样品的电离。EIEI源源的的原原理理：由由气气相相色色谱谱或或直直接接进进样样杆杆进进入入的的样样品品，以以气气体体形形式式进进入入离离子子源源，由由灯灯丝丝在在高高真真空空下下发发出出的的电电子子与与样样品品分分子子发发生生碰碰撞撞使使样样品品分分子子电电离离。一一般般情情况况下下，灯灯丝丝与与接接收收极极之之间间的的电电压压为为7070伏伏，所有的标准质谱图都是在所有的标准质谱图都是在70eV70eV下做出的。下做出的。EIEI 源的特点：源的特点：电离效率高，灵敏度高；电离效率高，灵敏度高；应用最广，标准质谱图基本都是采用应用最广，标准质谱图基本都是采用EI源得到的；源得到的；稳定、操作方便，电子流强度稳定、操作方便，电子流强度10-240 eV10-240 eV可精密控制；可精密控制；结构简单，控温方便。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。些化合物得不到分子离子。e-Electron Impact (EI) Ionization电子阱电子阱ElectrontrapReflectorM+.灯丝灯丝filament电势差电势差电子电离过程电子电离过程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（能量超过其电离能（ionizationenergyIE）那么最可能的）那么最可能的过程是分子放出一个电子成为分子离子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电子电离效率大部分有机物的电离能大部分有机物的电离能IE在在7-15eV之间，每种物质电离效之间，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的电离截面vs电子能的曲线大致相同，因此电子能的曲线大致相同，因此EI谱图电子能谱图电子能大都在大都在70eV。70eV下所有分子都会下所有分子都会电离电离70eV附近电离截面变附近电离截面变化不大，谱图重现性化不大，谱图重现性好好EI源的进样系统源的进样系统直接嵌入杆直接嵌入杆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。小瓶内被加热汽化。EI源的进样系统源的进样系统直接暴露杆直接暴露杆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（或解吸电离（desorptionionizationDEI)亮氨酸和赖氨酸亮氨酸和赖氨酸 的的DEI DEI 、EIEI谱图对比谱图对比化学电离源化学电离源(CI(CI源源) ) 有有些些化化合合物物稳稳定定性性差差易易分分解解，用用EIEI方方式式不不易易得得到到分分子子离离子子, ,因而也就得不到分子量。因而也就得不到分子量。CICI和和EIEI在在结结构构上上没没有有多多大大差差别别，或或者者说说主主体体部部件件是是共共用用的的。其其主主要要差差别别是是CICI源源工工作作过过程程中中要要引引进进一一种种反反应应气气体体（通通常常是是甲烷、异丁烷等）甲烷、异丁烷等）。灯灯丝丝发发出出的的电电子子首首先先将将反反应应气气电电离离，然然后后反反应应气气离离子子与与样样品品分子进行离子分子进行离子- -分子反应，并使样品气电离。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：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：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：加合离子与样品分子反应：CH5+XHXH2+CH4C2H5+XHX+C2H6生成的生成的XH2+和和X+比样品分子比样品分子XH多一个多一个H或少一个或少一个H，可，可表示为表示为(M1)+，称，称为准分子离子。事准分子离子。事实上，以甲上，以甲烷作作为反反应气，气，除除(M+1)+之外，之外，还可能出可能出现(M+17)+，(M+29)+等离子，同等离子，同时还出出现大量的碎片离子。由于大量的碎片离子。由于CI得到的得到的质谱不是不是标准准质谱，所以，所以不能不能进行行库检索。索。+气体分子气体分子试样分子试样分子+准分子离子准分子离子电子电子(M+1)+、(M+17)+、(M+29)+CI特点：特点：最强峰为准分子离子最强峰为准分子离子谱图简单谱图简单不适用难挥发试样不适用难挥发试样39EI和和CI谱图例子谱图例子EICI(a)EI源源(b)CI源（甲烷）源（甲烷）(c)CI源（异丁烷）源（异丁烷）图图1-4邻苯二甲酸二辛酯的质谱图邻苯二甲酸二辛酯的质谱图41场致电离源（场致电离源（Field ionization FIField ionization FI）电压：电压：7-10 kV7-10 kV；d d1 1 mmmm；强电场将分子中；强电场将分子中拉出一个电子；拉出一个电子；分子离子峰强；分子离子峰强；碎片离子峰少；碎片离子峰少；不适合化合物结构鉴不适合化合物结构鉴定定阳极阳极+阴极阴极d1mm42适合于对热不稳定或适合于对热不稳定或不易汽化的样品不易汽化的样品快原子轰击快原子轰击（fast atom bombardment, FAB）FAB：是一种广泛应用的软电离技术。快原子轰击利用的重：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原子一般为 He 或或 Ar。图图1-5FAB离子源原理示意图离子源原理示意图FABFAB可完成连可完成连FDFD都有困难的、高极性、难汽化的化合物的电离。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。样品多调匀于基质（一般为甘油等）中。FABFAB得到的是准分子离子峰得到的是准分子离子峰(M+H)(M+H)+ +; ;当分析极性样品（糖当分析极性样品（糖类），常加入类），常加入NaClNaCl水溶液，得到水溶液，得到(M+Na)(M+Na)+ +离子峰。离子峰。基质辅助激光解吸电离基质辅助激光解吸电离（matrix-assistedlaserdesportionionization,MALDI）a.a. 猪细胞色素猪细胞色素c (porcine cytochrom C) b. c (porcine cytochrom C) b. 某单克隆抗体的某单克隆抗体的MALDIMALDI-TOF -TOF 质谱图质谱图优点：优点：1）使一些难于电离的样品电离，且无明显的碎裂，）使一些难于电离的样品电离，且无明显的碎裂，质量数可达质量数可达300,000Da 2）特别适用于与飞行时间质谱相配（）特别适用于与飞行时间质谱相配（MALDI-TOFMS）3）准分子离子峰）准分子离子峰M+H+或或M+metal+较强较强电喷雾电离（电喷雾电离（electrospray ionization, ESI）主要应用于高效液相色谱主要应用于高效液相色谱HPLC与质谱仪的联用。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。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。多电荷离子。检测质量可提高几十倍。ESI是很软的电离方法，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。子的质谱测定。1356.6M+49H49+1384.5M+48H48+1413.9M+47H47+m/zIonseries牛血清蛋白牛血清蛋白bovineserumalbuminMW:6.71042 2、质量分析器、质量分析器质质量量分分析析器器的的作作用用是是将将离离子子源源产产生生的的离离子子按按m/z顺顺序序分分开并排列成谱。质量分析器有开并排列成谱。质量分析器有A、磁式单聚焦分析器、磁式单聚焦分析器(SingleFocusing)B、磁式双聚焦分析器、磁式双聚焦分析器(DoubleFocusing)C、四极杆分析器、四极杆分析器(Quadrupole)D、离子阱分析器、离子阱分析器(IonTrap)E、飞行时间分析器、飞行时间分析器(TimeofFlight)F、傅立叶变换回旋共振分析器、傅立叶变换回旋共振分析器(FourierTransformIonCyclotronResonance,FTICR）51A A 磁分析器磁分析器- - 单聚焦质谱计单聚焦质谱计52 加速后的离子进入磁场，加速后的离子进入磁场， 其运动方向其运动方向( ( I I ) )和磁力线的方向和磁力线的方向(H)(H)相互垂直。相互垂直。 离子受到一个与其运动方向和磁力线的方离子受到一个与其运动方向和磁力线的方向都垂直的力向都垂直的力(F)(F)的作用，三者的关系可用左的作用，三者的关系可用左手定则确定。手定则确定。 离子沿着离子沿着I I和和H H合力合力的方向运动，即受到磁的方向运动，即受到磁场的偏转作弧形运动。场的偏转作弧形运动。 电场加速后电场加速后 zV=(1/2)m 2 ( z-电荷；电荷；V-电压；电压； m-质量；质量；-速度速度)磁场中磁场中 Bz = m 2/r (B-磁场强度；磁场强度；r-半半径径) 推出推出 m/z=B2r2/2V 扫描扫描B/V来获得质谱图来获得质谱图B B、磁式双聚焦分析器、磁式双聚焦分析器(Double Focusing)(Double Focusing)C C、 四极杆质量分析器（四极杆质量分析器（quadrupole mass quadrupole mass analyzer)analyzer)四极质谱仪的质量分析器（简写为四极质谱仪的质量分析器（简写为Q）是由四根棒）是由四根棒状电极组成，两对电极中间施加状电极组成，两对电极中间施加交变射频场交变射频场，在一，在一定射频电压与射频频率下，只允许一定质量的离子定射频电压与射频频率下，只允许一定质量的离子通过四极分析器而到达接收器。通过四极分析器而到达接收器。 D D、 离子阱（离子阱（ion trapion trap）分析器）分析器与与四四极极杆杆分分析析器器类类似似，也也有有类类似似四四极极杆杆分分析析器器的的稳稳定定图图。样样品品的的离离子子引引入入并并储储存存在在圆圆形形电电极极和和一一组组射射频频电电极极组组成成的的离子盒中，改变射频逐个拉出所有的离子。离子盒中，改变射频逐个拉出所有的离子。E E、 飞行时间质谱计飞行时间质谱计（time of flight, TOF time of flight, 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，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。测器。图图1-10 1-10 配离子反射镜的飞行时间质谱示意图配离子反射镜的飞行时间质谱示意图在离子源中产生的离子经电压V加速后获得的速度为： 式中，ze是离子的电荷，m是其质量。经过长度为L的漂移管到达检测器，离子飞行需要的时间 从上述二公式看出，质量越大的离子飞行速度越小，到达检测器所需的时间也越长。两个质量分别为 m1 和 m2 的离子的飞行时间之差 仪器的质量分辨率可近似地由时间表示， 由此可见，由此可见，提高加速电压，使离子的飞行时间缩短，提高加速电压，使离子的飞行时间缩短，仪器分辨率就下降；而增加漂移管的长度，使离子的飞行时间增仪器分辨率就下降；而增加漂移管的长度，使离子的飞行时间增加，仪器分辨率就提高加，仪器分辨率就提高。优点：优点：1）检测离子的质荷比范围非常宽）检测离子的质荷比范围非常宽2）扫描速度快，适合研究极快过程）扫描速度快，适合研究极快过程3）高分辨率高分辨率4）灵敏度高，适合于作串联质谱的第二级）灵敏度高，适合于作串联质谱的第二级5）特别适合于与脉冲产生离子的电离源（特别适合于与脉冲产生离子的电离源（MALDI-TOF）缺点：缺点：分辨率随质荷比的增加而降低。分辨率随质荷比的增加而降低。E、飞行时间质谱计飞行时间质谱计（timeofflight,TOF）假定质荷比假定质荷比m/e的离子进入磁的离子进入磁感应强度为感应强度为B的磁场中的磁场中mv2/R=Bev整理后得：整理后得：v/R=Be/m或或 c=Be/m在在分分析析器器上上施施加加一一个个频频率率使使离子产生迥旋共振离子产生迥旋共振离离子子都都发发生生感感生生相相电电流流的的衰衰减信号减信号这这种种干干扰扰谱谱图图处处理理并并进进行行傅傅立立叶叶变变换换，便便可可检检出出各各种种频频率率成成分分的的谱谱图图频频域域谱谱，并并利利用用频频率率与与量量的的关关系系，得得到常见的质谱图。到常见的质谱图。F F、傅立叶变换回旋共振分析器（、傅立叶变换回旋共振分析器（Fourier Fourier transform ion cyclotron resonance, FT-ICRtransform ion cyclotron resonance, FT-ICR）优点：优点：1）分辨率极高，可达）分辨率极高，可达1 106，但不导致灵敏度下降；，但不导致灵敏度下降；2）可实现多极）可实现多极“时间上时间上”的串联质谱；的串联质谱；3）灵敏度高、质量范围宽，速度快、性能可靠。）灵敏度高、质量范围宽，速度快、性能可靠。3 3、检测器、检测器质谱仪的检测主要质谱仪的检测主要使用使用电子倍增器电子倍增器，也有，也有的使用光电倍增管。由的使用光电倍增管。由四极杆出来的离子打到四极杆出来的离子打到高能打拿极产生电子，高能打拿极产生电子，电子经电子倍增器产生电子经电子倍增器产生电信号，记录不同离子电信号，记录不同离子的信号即得质谱。的信号即得质谱。质谱仪的主要性能指标质谱仪的主要性能指标1.1.质量范围（质量范围（mass rangemass range）质谱仪所能进行分析的质谱仪所能进行分析的样品的相对原子质量（或相对分子质样品的相对原子质量（或相对分子质量）范围量）范围，通常采用原子质量单位（，通常采用原子质量单位（u u）进行度量。）进行度量。有机质谱仪一般可达几千，现代质谱仪甚至可以研究相对分有机质谱仪一般可达几千，现代质谱仪甚至可以研究相对分子量达几十万的生化样品。子量达几十万的生化样品。 质谱仪所能测定的离子质荷比的范围。质谱仪所能测定的离子质荷比的范围。 磁分析器：磁分析器： 200200 四极质谱：四极质谱： 10001000 离子阱质谱：离子阱质谱： 60006000 飞行时间质谱：飞行时间质谱： 无上限无上限2.分辨率（分辨率（resolution）分辨率分辨率R是指质荷比相邻的两质谱峰的分辨能力。是指质荷比相邻的两质谱峰的分辨能力。若近似等强度的质量分别为若近似等强度的质量分别为M1及及M2的两个相邻峰的两个相邻峰正好正好分开，则分开，则质谱仪的分辨率定义为：质谱仪的分辨率定义为：R=;式中式中M=; M=M2-M1M MM1+M22国际上：国际上：1）R10%：两峰间的峰谷高度为峰高的：两峰间的峰谷高度为峰高的10%时的测定值；时的测定值；2）一般难以找到两个质量峰等高，且重叠的谷高正好等于峰）一般难以找到两个质量峰等高，且重叠的谷高正好等于峰高的高的10%，则定义：，则定义：R = ; 式中式中 a为其中一峰的峰高为其中一峰的峰高5%处的峰宽处的峰宽; b为相邻两峰的中心距离为相邻两峰的中心距离M Mba低分辨率质谱仪：低分辨率质谱仪：R50 1）的分子离子峰所需的样品）的分子离子峰所需的样品量。量。有机质谱数据库有机质谱数据库NIST/EPA/NIH质谱数据库质谱数据库Wiley/NBS质谱数据库质谱数据库68质谱的解析是一种非常困难的事情。自从有了计算机联机检索之后，特别是数据库越来越大的今天，尽管靠人工解释EI质谱已经越来越少，但是，通过对化合物分子断裂规律的了解，作为计算机检索结果的检验和补充手段，质谱图的人工解释还有它的优势，特别是未知化合物质谱的解释。另外，在MS-MS分析中，对于离子谱的解释，目前还没有现成的数据库，主要靠人工解释。因此，学习一些质谱解析方面的知识非常必要。70有机质谱提供分子结构的信息包括：有机质谱提供分子结构的信息包括：分子量分子量元素组成元素组成由裂解碎片检测官能团、辨认化合物的类型、推由裂解碎片检测官能团、辨认化合物的类型、推导碳骨架。导碳骨架。质谱的图谱分析质谱的图谱分析一、一、分子量的测定：找到分子离子峰分子量的测定：找到分子离子峰（分子失去一个价电子而生成的离子称为分子离子M+.） 质谱图上质荷比最大的峰一定为分子离子峰吗？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？如何鉴别分子离子峰？质谱图上质荷比最大的峰一定为分子离子峰吗？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？如何鉴别分子离子峰？采用采用EI:EI:大约大约20%20%的分子离子峰弱或不出现的分子离子峰弱或不出现. . 其大致规律如下其大致规律如下: : 芳香族化合物芳香族化合物 共轭多烯共轭多烯 脂环化合物脂环化合物 低分子链烃低分子链烃, , 某些含硫化合物某些含硫化合物 羰基化合物羰基化合物( (醛醛, , 酮酮, , 酸酸, , 酯酯, , 酰氯酰氯, , 酰胺酰胺) ) 分子离子峰通常可见。分子离子峰通常可见。脂肪族醇类脂肪族醇类, , 胺类胺类, , 硝基化合物等硝基化合物等 分子离子弱或不出现分子离子弱或不出现 正确辨认分子离子峰采用的方法：正确辨认分子离子峰采用的方法：1.1.从化合物的结构来判断分子离子峰的强度。从化合物的结构来判断分子离子峰的强度。2.2. 利用经验规律：利用经验规律： 1.氮原子规则（氮律）： 凡不含氮或偶数氮原子的分子其分子量必为偶数，而含奇数氮原子的分子其分子量必然为奇数。 例如： CH3NH2 CH3N=NCH3 N 奇 偶 M （奇）31 (偶)58 如果不符合该规律就必然不是分子离子。使用使用CI电离时，可能出现电离时，可能出现 M+H,M H,M+C2H5,M+C3H5 使用使用FAB时，可出现时，可出现 M+H,M H,M+Na,M+K较高分子量的化合物，可能同时生成较高分子量的化合物，可能同时生成 M+H,M+2H,M+3H等等 2 2. .判判断断最最高高质质量量峰峰与与其其他他碎碎片片离离子子峰峰之之间间的的质量差是否合理：质量差是否合理： 以以下下质质量量差差一一般般不不可可能能出出现现：4-134-13，19-19-2525（含含F F例例外外）3737、3838、50-5350-53、6565、6666，如如果果出出现现这这些些质质量量差差，最最高高质质量量峰峰的的离离子子就就不不是是分分子子离离子。子。 如如果果质质量量差差为为1414（CHCH2 2或或N N），不不可可能能失失去去CHCH2 2或或N N，此种情况说明可能有同系物存在。，此种情况说明可能有同系物存在。3 3. .根据断裂方式来判断分子离子峰：根据断裂方式来判断分子离子峰： 例例如如：醇醇的的分分子子离离子子往往往往看看不不到到，但但经经常常可可以以看看到到最最高高质质量量的的两两个个峰峰相相差差三三个个质质量量单单位位，这这是是由由于于M-CHM-CH3 3和和M-HM-H2 2O O产产生生的的，假假定定这这两两个个峰峰的的m/em/e分分别为别为M M1 1和和M M2 2，则相对分子量就是，则相对分子量就是M M1 1 + 15 + 15 或或M M2 2 +18+18 4 4. .注意注意M + 1M + 1峰和峰和M M 1 1峰：峰： 醚醚、酯酯、胺胺、酰酰胺胺、腈腈、芳芳基基酸酸酯酯和和胺胺基基醇醇等等的的M M + + 1 1峰峰较较明明显显（或或显显著著）。而而醛醛、醇醇及及含含氮氮化化合物的合物的M M 1 1峰较大。峰较大。3 .3 .改变条件检验分子离子峰改变条件检验分子离子峰 1 1降降低低电电子子流流电电压压，增增加加分分子子离离子子峰峰的的强强度度，一一 般般 为为 1.121.121010-17-17J J， 可可 减减 少少 到到 1.61.61010-18-18- -3.23.21010-18-18J J。电电子子流流电电压压降降低低后后高高m/em/e值值处处会会出出现现分子离子峰。分子离子峰。 2 2采用化学电离源，场离子源等电离方法。采用化学电离源，场离子源等电离方法。 3 3制制备备容容易易挥挥发发的的衍衍生生物物，借借助助如如甲甲基基化化、乙乙酰酰化化、甲甲酯酯化化，三三甲甲基基硅硅醚醚化化等等，将将样样品品制制成成相应的衍生物，再测定。相应的衍生物，再测定。二、分子式的推导二、分子式的推导1.1. 分子式是否合理？分子式是否合理？ 符合符合N律；律； 不饱和度不饱和度UN 0 UN = (n+1) + a/2 b/2 n: C Si a: N P b: H, X ( F Cl Br I )单键对不饱和度不产生影响，因此烷烃的不饱和度是单键对不饱和度不产生影响，因此烷烃的不饱和度是0 0（所有原子均已饱和）。（所有原子均已饱和）。一个双键（烯烃、亚胺、羰基化合物等）贡献一个不饱和度。一个双键（烯烃、亚胺、羰基化合物等）贡献一个不饱和度。一个叁键（炔烃、腈等）贡献两个不饱和度。一个叁键（炔烃、腈等）贡献两个不饱和度。一个环（如环烷烃）贡献一个不饱和度。环烯烃贡献一个环（如环烷烃）贡献一个不饱和度。环烯烃贡献2 2个不饱和度。个不饱和度。一个苯环贡献一个苯环贡献4 4个不饱和度。个不饱和度。 例如例如: C: C7 7H H3 3ClNClN2 2O O2 2UN=(n+1)+a/2 b/2=(8+1)+2/2(3+1)/2=7当当S,N,P为高价态时，计算值会低于分子的不饱和数为高价态时，计算值会低于分子的不饱和数2.2.判判断断最最高高质质量量峰峰与与其其他他碎碎片片离离子子峰峰之之间间的的质质量量差是否合理：差是否合理： 以以下下质质量量差差不不可可能能出出现现：4-134-13，19-2519-25（含含F F例例外外）3737、3838、50-5350-53、6565、6666，如如果果出出现现这这些些质量差，最高质量峰的离子就不是分子离子。质量差，最高质量峰的离子就不是分子离子。 如如果果质质量量差差为为1414（CHCH2 2或或N N），不不可可能能失失去去CHCH2 2或或N N，此种情况说明可能有同系物存在。，此种情况说明可能有同系物存在。3.3.根据断裂方式来判断分子离子峰：根据断裂方式来判断分子离子峰： 例例如如：醇醇的的分分子子离离子子往往往往看看不不到到，但但经经常常可可以以看看到到最最高高质质量量的的两两个个峰峰相相差差三三个个质质量量单单位位，这这是是由由于于M-CHM-CH3 3和和M-HM-H2 2O O产产生生的的，假假定定这这两两个个峰峰的的m/em/e分分别为别为M M1 1和和M M2 2，则相对分子量就是，则相对分子量就是M M1 1 + 15 + 15 或或M M2 2 +18+18 4.4.注意注意M + 1M + 1峰和峰和M M 1 1峰：峰： 醚醚、酯酯、胺胺、酰酰胺胺、腈腈、芳芳基基酸酸酯酯和和胺胺基基醇醇等等的的M M + + 1 1峰峰较较明明显显（或或显显著著）。而而醛醛、醇醇及及含含氮氮化化合物的合物的M M 1 1峰较大。峰较大。5 .5 .改变条件检验分子离子峰改变条件检验分子离子峰 1 1降降低低电电子子流流电电压压，增增加加分分子子离离子子峰峰的的强强度度，一一 般般 为为 1.121.121010-17-17J J， 可可 减减 少少 到到 1.61.61010-18-18- -3.23.21010-18-18J J。电电子子流流电电压压降降低低后后高高m/em/e值值处处会会出出现现分子离子峰。分子离子峰。 2 2采用化学电离源，场离子源等电离方法。采用化学电离源，场离子源等电离方法。 3 3制制备备容容易易挥挥发发的的衍衍生生物物，借借助助如如甲甲基基化化、乙乙酰酰化化、甲甲酯酯化化，三三甲甲基基硅硅醚醚化化等等，将将样样品品制制成成相应的衍生物，再测定。相应的衍生物，再测定。例：试判别三张质谱图中质荷比最大的离子是否为分子离子，已知三个化合物均不含氮原子。根据同位素相对强度进行化合物的元素鉴定根据同位素相对强度进行化合物的元素鉴定 在组成有机化合物的常见元素中,许多元素有一个以上丰度显著的稳定同位素我们通常所说的纯物质仅指“化学纯”，不考虑其组成元素的同位素，假如考虑同位素，则“化学纯”的物质变成了“混合物”。由于质谱测定质荷比大小，因此能够区分各种同位素组成的离子。在质谱中我们规定以元素最大丰度的同位素质量计算分子离子和碎片离子的质荷比。其他同位素组成的离子称为同位素离子。常见元素的同位素及丰度常见元素的同位素及丰度 元素元素 A质量质量 % A+1 质量质量 % A+2 质量质量 %元素类型元素类型 H110020.015AC12100131.1A+1N14100150.37A+1O16100170.04180.20A+2F19100ASi28100295.1303.4A+2P31100AS32100330.80 34 4.4A+2Cl351003732.5A+2Br791008198A+2I 127 100 A 利用低分辨质谱中同位素峰簇及其相对丰度利用低分辨质谱中同位素峰簇及其相对丰度 ，推导分子式，推导分子式 l对于对于C,H,N,O组成的化合物，组成的化合物， 其通式：其通式：CxHyNzOw RI(M+1)/RI(M)100=1.1x+0.37z(2H0.016,17O0.04忽略忽略)RI(M+2)/RI(M)100=(1.1x）2/200+0.2w 含硫的样品含硫的样品32S:33S:34S=100:0.8:4.4RI(M+1)/RI(M)100=1.1x+0.37z+0.8SRI(M+2)/RI(M)100=（1.1x）2/200+0.2w+4.4S 含含SiSi的化合物的化合物28Si:29Si:30Si=100:5.1:3.4 含重同位素（如含重同位素（如 Cl,Br）的样品）的样品 35Cl:37Cl=100:32.53:1;79Br:81Br=100:981:1分子中含分子中含1 Cl1 Cl，(a+b)1,M:M+23:1分子中含分子中含2Cl，(a+b)2,M:M+2:M+49:6:1分子中含分子中含1Br，(a+b)1,M:M+21:1分子中含分子中含2Br，(a+b)2,M:M+2:M+41:2:1分子中含分子中含1Cl和和1Br ，(a+b)(c+d),M:M+2:M+43:4:1利用同位素峰簇的相对丰度推导化合物的分子式利用同位素峰簇的相对丰度推导化合物的分子式 例例 设设 m/z 154m/z 154为分子离子峰为分子离子峰, 154-139=15, , 154-139=15, 合理合理 m/z 154155156157 RI 1009.85.10.5分子中含有分子中含有S S, , C C数目数目=(9.8=(9.8 0.8)/1.10.8)/1.1 8 8 H H数目数目=154=154 3232 1212 8=268=26不合理不合理 分子式为分子式为C C8 8H H1010OSOS 例：化合物的质谱图如下，推导其分子式例：化合物的质谱图如下，推导其分子式设：设： 分子离子峰：分子离子峰：727258=14？737358=15合理合理(1.9/37)100=1.1x+0.37z,z=1,x=5,y=731460=1?z=1,x=4,y=731448=11 合理合理 分子式分子式C4H11N,UN=0lCxHyNzOw中中z=1例例 某质谱图高某质谱图高m/zm/z区离子的区离子的m/zm/z及及RIRI如下，推导其分子式如下，推导其分子式 m/z:6162636465 RI :8.71004.8310.7835Cl4C?37ClC2H3Cl 查查BeynonBeynon表法表法 CHNOm/zM+1M+2理论计算值，会出现不符合理论计算值，会出现不符合N N律和不符合一般规律。律和不符合一般规律。 高分辨质谱法高分辨质谱法精确质量，与分辨率有关精确质量，与分辨率有关 试误法试误法 精确质量的尾数精确质量的尾数=0.007825=0.007825y y + 0.003074 + 0.003074z z -0.005085 -0.005085w w查表法查表法 Beynon and Lederbey Beynon and Lederbey 制作了高分辨质谱法数据表，制作了高分辨质谱法数据表， 可查出对应于某精确质量的分子式。可查出对应于某精确质量的分子式。计算机处理计算机处理