1、MS8.4 质谱定性分析及图谱解析质谱定性分析及图谱解析 通过质谱图中分子离子峰和碎通过质谱图中分子离子峰和碎片离子峰的解析可提供许多有片离子峰的解析可提供许多有关分子结构的信息，因而定性关分子结构的信息，因而定性能力强是质谱分析的重要特点。能力强是质谱分析的重要特点。第1页，共35页。MS8.4.1 相对分子质量的测定相对分子质量的测定 从分子离子峰可以准确地测定该物质从分子离子峰可以准确地测定该物质的相对分子质量，这是质谱分析的独特的相对分子质量，这是质谱分析的独特优点，它比经典的相对分子质量测定方优点，它比经典的相对分子质量测定方法法(如冰点下降法，沸点上升法，渗透如冰点下降法，沸点上升
2、法，渗透压力测定等压力测定等)快而准确，且所需试样量少快而准确，且所需试样量少(一般一般0.1mg)。第2页，共35页。MS 关键是关键是分子离子峰分子离子峰的判断，因为在质的判断，因为在质谱中最高质荷比的离子峰不一定是分子谱中最高质荷比的离子峰不一定是分子离子峰，这是由于存在同位素和分子离离子峰，这是由于存在同位素和分子离子反应子反应 如式（如式（8-48-4）所示）所示 等原因，可等原因，可能出现能出现M+1M+1或或M+2M+2峰；另一方面，若分子峰；另一方面，若分子离子不稳定，有时甚至不出现分子离子离子不稳定，有时甚至不出现分子离子峰。峰。第3页，共35页。MS因此，在判断分子离子峰时
3、可因此，在判断分子离子峰时可参考以下几个方面的规律和经参考以下几个方面的规律和经验方法：验方法：第4页，共35页。MS（1 1）分子离子稳定性的一般规律：）分子离子稳定性的一般规律：分子离子的稳定性与分子结构有关。分子离子的稳定性与分子结构有关。碳数较多、碳链较长（也有例外）和有碳数较多、碳链较长（也有例外）和有支链的分子，分裂几率较高，其分子离支链的分子，分裂几率较高，其分子离子的稳定性低；而具有子的稳定性低；而具有 键的芳香族键的芳香族化合物和共轭烯烃分子，分子离子稳化合物和共轭烯烃分子，分子离子稳定，分子离子峰大。定，分子离子峰大。第5页，共35页。MS 分子离子稳定性的顺序为：分子离子
4、稳定性的顺序为：芳香环共轭烯烃脂环化芳香环共轭烯烃脂环化合物直链的烷烃类硫醇合物直链的烷烃类硫醇酮胺酯醚分支较多的酮胺酯醚分支较多的烷烃类醇。烷烃类醇。第6页，共35页。MS（2 2）分子离子峰质量数的规律（氮规）分子离子峰质量数的规律（氮规则）：由则）：由C C、H H、O O组成的有机化合物，组成的有机化合物，分子离子峰的质量一定是偶数。而由分子离子峰的质量一定是偶数。而由C C、H H、O O、N N组成的化合物，含奇数个组成的化合物，含奇数个N N，分，分子离子峰的质量是奇数，含偶数个子离子峰的质量是奇数，含偶数个N N，分子离子峰的质量则是偶数。这一规律分子离子峰的质量则是偶数。这一
5、规律称为氮规则。凡不符合氮规则者，就不称为氮规则。凡不符合氮规则者，就不是分子离子峰。是分子离子峰。第7页，共35页。MS（3 3）分子离子峰与邻近峰的质量差是否）分子离子峰与邻近峰的质量差是否合理。如有不合理的碎片峰，就不是分子合理。如有不合理的碎片峰，就不是分子离子峰。例如分子离子不可能裂解出两个离子峰。例如分子离子不可能裂解出两个以上的氢原子和小于一个甲基的基团，故以上的氢原子和小于一个甲基的基团，故分子离子峰的左面，不可能出现比分子离分子离子峰的左面，不可能出现比分子离子的质量小子的质量小3-143-14个质量单位的峰；若出现个质量单位的峰；若出现质量差质量差1515或或1818，这是
6、由于裂解出，这是由于裂解出-CH-CH3 3或一或一分子水，因此这些质量差都是合理的。分子水，因此这些质量差都是合理的。第8页，共35页。MS（4）M+1峰：某些化合物（如醚、酯、峰：某些化合物（如醚、酯、胺、酰胺等）形成的分子离子不稳定，分胺、酰胺等）形成的分子离子不稳定，分子离子峰很小，甚至不出现；但子离子峰很小，甚至不出现；但M+1峰峰却相当大。这是由于分子离子在离子源中却相当大。这是由于分子离子在离子源中捕获一个捕获一个H而形成的，例如，而形成的，例如，第9页，共35页。MS（5）M-1峰：有些化合物没有分峰：有些化合物没有分子离子峰，但子离子峰，但M-1峰却较大，醛就峰却较大，醛就是
7、一个典型的例子，这是由于发生是一个典型的例子，这是由于发生如下的裂解而形成的，如下的裂解而形成的，第10页，共35页。MS 因此在判断分子离子因此在判断分子离子峰时，应注意形成峰时，应注意形成M+1或或M-1峰的可能性。峰的可能性。第11页，共35页。MS（6）降低电子轰击源的能量，观察质谱）降低电子轰击源的能量，观察质谱峰的变化：在不能确定分子离子峰时，可峰的变化：在不能确定分子离子峰时，可以逐渐降低电子流的能量；使分子离子的以逐渐降低电子流的能量；使分子离子的裂解减少。这时所有碎片离子峰的强度都裂解减少。这时所有碎片离子峰的强度都会减小，但分子高子峰的相对强度会增加。会减小，但分子高子峰的
8、相对强度会增加。仔细观察质荷比最大的峰是否在所有的峰仔细观察质荷比最大的峰是否在所有的峰中最后消失。最后消失的峰即为分子离子中最后消失。最后消失的峰即为分子离子峰。峰。第12页，共35页。MS 有机化合物的质谱分析，最常应用电有机化合物的质谱分析，最常应用电子轰击源作离子源，但在应用这种离子源子轰击源作离子源，但在应用这种离子源时，有的化合物仅出现很弱的，有时甚至时，有的化合物仅出现很弱的，有时甚至不出现分子离子分子峰，这样就使质谱失不出现分子离子分子峰，这样就使质谱失去一个很重要的作用。为了得到分子离子去一个很重要的作用。为了得到分子离子峰，可以改用其它一些离子源，如场致电峰，可以改用其它一
9、些离子源，如场致电离源、化学电离源等。离源、化学电离源等。第13页，共35页。图8-10 场致电离示意图 第14页，共35页。MS 在相距很近（在相距很近（d1mm的阳极和阴的阳极和阴极之间，施加极之间，施加700010000V的稳定直流的稳定直流电压，在阳极的尖端（曲率半径）附近产电压，在阳极的尖端（曲率半径）附近产生生107108的强电场，依靠这个电场把尖的强电场，依靠这个电场把尖端附近纳米处的分子中的电子拉出来，使端附近纳米处的分子中的电子拉出来，使之形成正离子，然后通过一系列静电透镜之形成正离子，然后通过一系列静电透镜聚集成束，并加速到质量分析器中去。聚集成束，并加速到质量分析器中去。
10、第15页，共35页。图8-11 3,3-二甲基戊烷的质谱图 第16页，共35页。MS 在场致电离的质谱图上，分子离子在场致电离的质谱图上，分子离子峰很清楚，碎片峰则较弱，这对相对峰很清楚，碎片峰则较弱，这对相对分子质量测定是很有利的，但缺乏分分子质量测定是很有利的，但缺乏分子结构信息。为了弥补这个缺点，可子结构信息。为了弥补这个缺点，可以使用复合离子源，例如电子轰击以使用复合离子源，例如电子轰击-场致电离复合源，电子轰击场致电离复合源，电子轰击-化学电离化学电离复合源等。复合源等。第17页，共35页。MS8.4.2 分子式的确定分子式的确定 各元素具有一定的同位素天各元素具有一定的同位素天然丰
11、度，因此不同的分子式，其然丰度，因此不同的分子式，其M+1/MM+1/M和和M+2/MM+2/M的百分比都将不同。的百分比都将不同。第18页，共35页。MS 若以质谱法测定分子离子峰及若以质谱法测定分子离子峰及其分子离子的同位素峰（其分子离子的同位素峰（M+1M+1，M+2M+2）的相对强度，就能根据）的相对强度，就能根据M+1/MM+1/M和和M+2/MM+2/M的百分比确定分子式。的百分比确定分子式。为此，为此，J.H.Beynon等计算了含碳、等计算了含碳、氢、氧的各种组合的质量和同位氢、氧的各种组合的质量和同位素丰度比。素丰度比。第19页，共35页。MS 例如，某化合物，根据其质谱图，
12、例如，某化合物，根据其质谱图，已知其相对分子质量为已知其相对分子质量为150150，由质，由质谱测定，谱测定，m/zm/z150150、151151和和152152的强的强度 比 为度 比 为 M(1 5 0)=1 0 0%M(1 5 0)=1 0 0%，M+1(151)=9.9%M+1(151)=9.9%，M+2(152)=0.9%M+2(152)=0.9%，试确定此化合物的分子式。试确定此化合物的分子式。第20页，共35页。MS 从从M+2/M=0.9%M+2/M=0.9%可见，该化合物不可见，该化合物不含含S S，BrBr或或C1C1。在。在BeynonBeynon的表中相的表中相对分子
13、质量为对分子质量为150150的分子式共的分子式共2929个，个，其中（其中（M+2M+2）/M/M 的百分比为的百分比为911911的分子式有如下的分子式有如下7 7个：个：第21页，共35页。MS 分子式分子式 M+1 M+2M+1 M+2 （1 1）C C7 7H H1010N N4 4 9.25 0.389.25 0.38 （2 2）C C8 8H H8 8NONO2 2 9.23 0.78 9.23 0.78 （3 3）C C8 8H H1010N N2 2O O 9.61 0.619.61 0.61 （4 4）C C8 8H H1212N N3 3 9.98 0.459.98 0.
14、45 （5 5）C C9 9H H1010O O2 2 9.96 0.84 9.96 0.84 （6 6）C C9 9H H1212NO NO 10.34 0.6810.34 0.68 （7 7）C C9 9H H1414N N2 2 10.71 0.5210.71 0.52第22页，共35页。MS 此化合物的相对分子质量是偶此化合物的相对分子质量是偶数，根据前述氮规则，可以排除数，根据前述氮规则，可以排除上列第上列第2 2、4 4、6 6三个式子，剩下四三个式子，剩下四个分子式中，个分子式中，M+1M+1与与9.99.9最接近最接近的是第的是第5 5式（式（C C9 9H H1010O O2
15、 2），这个式子），这个式子的的M+2M+2也与也与0.90.9很接近，因此分子很接近，因此分子式应为式应为C C9 9H H1010O O2 2。第23页，共35页。MS8.4.3 8.4.3 根据裂解模型鉴定化合物和确定结构根据裂解模型鉴定化合物和确定结构 各种化合物在一定能量的离子源中是按照一各种化合物在一定能量的离子源中是按照一定的规律进行裂解而形成各种碎片离子的，因定的规律进行裂解而形成各种碎片离子的，因而所得到的质谱图也呈现一定的规律。所以根而所得到的质谱图也呈现一定的规律。所以根据裂解后形成各种离子峰就可以鉴定物质的组据裂解后形成各种离子峰就可以鉴定物质的组成及结构。成及结构。同
16、时应注意，同一种化合物在不同的质谱仪同时应注意，同一种化合物在不同的质谱仪中就可能得到不同的质谱图。中就可能得到不同的质谱图。第24页，共35页。MS 例如有一未知物，经初步鉴定例如有一未知物，经初步鉴定是一种酮，它的质谱图如图是一种酮，它的质谱图如图8-12所所示，图中分子离子质荷比为示，图中分子离子质荷比为100。因而这个化合物的相对分子质量因而这个化合物的相对分子质量M为为100。第25页，共35页。图8-12 一未知物的质谱图 第26页，共35页。MS m/z=85:脱落脱落-CH3（质量（质量15）M/z=57:脱落脱落 -C=O（质量（质量28）M/z=57:的碎片离子峰丰度很高，
17、是标的碎片离子峰丰度很高，是标准峰，表示这个碎片离子很稳定，也表示准峰，表示这个碎片离子很稳定，也表示这个碎片和分子的其余部分是比较容易断这个碎片和分子的其余部分是比较容易断裂的。这个碎片离子很可能是裂的。这个碎片离子很可能是C(CH3)3。第27页，共35页。MS这个断裂过程可以表示如下：这个断裂过程可以表示如下：脱-CH3 断裂-CO 未知物 碎片离子 -C(CH3)3 因而这个未知酮的结构式很可能是CH3COC(CH3)3。为了确证这个结构式，还可以采用其它分析手段，例如红外光谱、核磁共振等进行验证。第28页，共35页。MS 图中质荷比为图中质荷比为41和和39的两个质谱的两个质谱峰，则
18、可认为是碎片离子进一步峰，则可认为是碎片离子进一步重排和断裂后所生成的碎片离子重排和断裂后所生成的碎片离子峰，这些重排和断裂过程可表示峰，这些重排和断裂过程可表示如下：如下：第29页，共35页。第30页，共35页。MS8.5 8.5 质谱定量分析质谱定量分析 质谱法进行定量分析时，应满足一些必要的条件，质谱法进行定量分析时，应满足一些必要的条件，例如：例如：（1 1）组分中至少有一个与其它组分有显著不同的峰；）组分中至少有一个与其它组分有显著不同的峰；（2 2）各组分的裂解模型具有重现性；）各组分的裂解模型具有重现性；（3 3）组分的灵敏度具有一定的重现性）组分的灵敏度具有一定的重现性(要求要
19、求1 1)；（4 4）每种组分对峰的贡献具有线性加和性；）每种组分对峰的贡献具有线性加和性；有适当的供校正仪器用的标准物，等等。有适当的供校正仪器用的标准物，等等。第31页，共35页。MS对于个组分的混合物：对于个组分的混合物：mnmnmmnnnnIpipipiIpipipiIpipipi22112222212111212111第32页，共35页。MS式中：式中：Im 在混合物的质谱图上于质量在混合物的质谱图上于质量m处处的峰高的峰高(离子流离子流)；imn 组分组分n在质量在质量m处的离子流，处的离子流，Pn 混合物中组分混合物中组分n n的分压强。的分压强。第33页，共35页。MS故以纯物质校正，imn，Pn测得未知混合物Im，通过解上述多元一次联立方程组即可求出各组分的含量。第34页，共35页。MS8.6 气相色谱气相色谱-质谱联用技术质谱联用技术 质谱法具有灵敏度高、定性能力强等特质谱法具有灵敏度高、定性能力强等特点，但进样要纯，才能发挥其特长，另点，但进样要纯，才能发挥其特长，另一方面，进行定量分析又较复杂；气相一方面，进行定量分析又较复杂；气相色谱法则具有分离效率高、定量分析简色谱法则具有分离效率高、定量分析简便的特点，但定性能力却较差。因此这便的特点，但定性能力却较差。因此这两种方法若能联用，可以相互取长补短。两种方法若能联用，可以相互取长补短。第35页，共35页。
