质谱确定化合物分子式讲义课件

1质谱如何确定化合物分子式质谱如何确定化合物分子式主讲人：孙启慧主讲人：孙启慧 学号：学号：201302063201302063v首先明确质谱的定义、组成和意义。首先明确质谱的定义、组成和意义。v确定化合物分子式的一般思路。确定化合物分子式的一般思路。vHPLC-TOF/MS数据处理举例。数据处理举例。23质谱的定义和作用质谱的定义和作用 质谱法质谱法：是将被测物质离子化，按离子的质荷比分离，测量是将被测物质离子化，按离子的质荷比分离，测量各种离子谱峰的强度而实现分析目的的一种各种离子谱峰的强度而实现分析目的的一种分析方法分析方法。质量是物质的固有特征之一，不同的物质有不同的质量，利质量是物质的固有特征之一，不同的物质有不同的质量，利用这一性质，可以进行定性分析（包括分子质量和相关结构信用这一性质，可以进行定性分析（包括分子质量和相关结构信息）息）。4质谱仪的组成质谱仪的组成Components of any Mass Spectrometer5质谱的数据采集质谱的数据采集检测器检测器：通常为光电倍增器或电子倍增器，所采集的信号经通常为光电倍增器或电子倍增器，所采集的信号经放大并转化为数字信号，计算机进行处理后得到质谱图。放大并转化为数字信号，计算机进行处理后得到质谱图。（1 1）横坐标）横坐标表示表示 m/zm/z，由于分子离子或碎片离子在大多数情，由于分子离子或碎片离子在大多数情况下只带一个正电荷，所以通常称况下只带一个正电荷，所以通常称m/zm/z为质量数，对于低分辨为质量数，对于低分辨率的仪器，离子的质荷比在数值上就等于它的质量数。率的仪器，离子的质荷比在数值上就等于它的质量数。（2 2）纵坐标）纵坐标表示离子强度，在质谱中可以看到几个高低不同表示离子强度，在质谱中可以看到几个高低不同的峰，纵坐标峰高代表了各种不同质荷比的离子丰度的峰，纵坐标峰高代表了各种不同质荷比的离子丰度-离子流离子流强度。强度。6质谱离子的多少用丰度表示（质谱离子的多少用丰度表示（abundanceabundance）表示，即具有某质）表示，即具有某质荷比离子的数量。由于某个具体离子的荷比离子的数量。由于某个具体离子的“数量数量”无法测定，无法测定，故一般用相对丰度表示其强度，即最强的峰叫基峰（故一般用相对丰度表示其强度，即最强的峰叫基峰（base base peakpeak），其他离子的丰度用相对于基峰的百分数表示。在质），其他离子的丰度用相对于基峰的百分数表示。在质谱仪测定的质量范围内，由离子的质荷比和其相对丰度构成谱仪测定的质量范围内，由离子的质荷比和其相对丰度构成质谱图。质谱图。在在LC/MSLC/MS和和GC/MSGC/MS中，常用各分析物质的色谱保留时间和由质中，常用各分析物质的色谱保留时间和由质谱得到其离子的相对强度组成色谱谱得到其离子的相对强度组成色谱总离子流图总离子流图。也可确定某。也可确定某固定的质荷比，对整个色谱流出物进行选择离子检测固定的质荷比，对整个色谱流出物进行选择离子检测（selected ion monitoringselected ion monitoring，SIM SIM），得到选择离子流图），得到选择离子流图7离子流强度有两种不同的表示方法离子流强度有两种不同的表示方法:（1 1）绝对强度绝对强度 是将所有离子峰的离子流强度相加作为总离子流，用各是将所有离子峰的离子流强度相加作为总离子流，用各离子峰的离子强度除以总离子流，得出各离子流占总离子流离子峰的离子强度除以总离子流，得出各离子流占总离子流的百分数的百分数（2 2）相对强度相对强度 以质谱峰中最强峰作为以质谱峰中最强峰作为100100，称为基峰（该离子的丰度，称为基峰（该离子的丰度最大、最稳定），然后用各种峰的离子流强度除以基峰的离最大、最稳定），然后用各种峰的离子流强度除以基峰的离子流强度，所得的百分数就是相对强度。子流强度，所得的百分数就是相对强度。8解析质谱图解析质谱图，一般流程一般流程1.1.解析分子离子区解析分子离子区(1)(1)标出各峰的质荷比数，尤其注意高质荷比区的峰。标出各峰的质荷比数，尤其注意高质荷比区的峰。(2)(2)识别分子离子峰。首先在高质荷比区假定分子离子峰，识别分子离子峰。首先在高质荷比区假定分子离子峰，判断该假定分子离子峰与相邻碎片离子峰关系是否合理，然判断该假定分子离子峰与相邻碎片离子峰关系是否合理，然后判断其是否符合氮律。若二者均相符，可认为是分子离子后判断其是否符合氮律。若二者均相符，可认为是分子离子峰峰。(3)(3)分析同位素峰簇的相对强度比及峰与峰间的分析同位素峰簇的相对强度比及峰与峰间的DmDm值，判断值，判断化合物是否含有化合物是否含有C1C1、BrBr、S S、SiSi等元素及等元素及F F、P P、I I等无同位素等无同位素的元素。的元素。9解析质谱图解析质谱图，一般流程一般流程氮氮规律：规律：含有含有偶数偶数N N时，其分子离子峰的时，其分子离子峰的m/zm/z一定是偶数。一定是偶数。含有含有奇数奇数N N原子时，其分子离子峰的原子时，其分子离子峰的m/zm/z一定是奇数。凡一定是奇数。凡不符合氮规律的离子峰一定不是分子离子不符合氮规律的离子峰一定不是分子离子峰峰特殊特殊元素：元素：当当化合物中含化合物中含S S、BrBr、ClCl时，可利用时，可利用M M与与M+2M+2峰的比例来确峰的比例来确定分子离子峰定分子离子峰3535ClCl、7979BrBr、3232S S的同位素的同位素3737ClCl、8181BrBr、3434S S相对丰相对丰度较大分别为：度较大分别为：75.7775.77，50.53750.537，95.0095.00；24.3324.33，49.46349.463，4.224.22。M+2M+2的同位素峰十分明显。通过的同位素峰十分明显。通过M M和和M+2M+2峰的比例来确认。峰的比例来确认。例例：若分子中含一个氯原子，：若分子中含一个氯原子，M M和和M+2M+2强度比为强度比为3 31 1；若；若分子中含一个溴原子，分子中含一个溴原子，M M和和M+2M+2强度比为强度比为1 11 110(4)(4)推导分子式，计算不饱和度。由高分辨质谱仪测得的精推导分子式，计算不饱和度。由高分辨质谱仪测得的精确分子量或由同位素峰簇的相对强度计算分子式。若二者均确分子量或由同位素峰簇的相对强度计算分子式。若二者均难以实现时，则由分子离子峰丢失的碎片及主要碎片离子推难以实现时，则由分子离子峰丢失的碎片及主要碎片离子推导，或与其它方法配合。导，或与其它方法配合。(5)(5)由分子离子峰的相对强度了解分子结构的信息。分子离由分子离子峰的相对强度了解分子结构的信息。分子离子峰的相对强度由分子的结构所决定，结构稳定性大，子峰的相对强度由分子的结构所决定，结构稳定性大，相对相对强度强度较较大大。对于分子量约。对于分子量约200200的化合物，若分子离子峰为基峰的化合物，若分子离子峰为基峰或强蜂，谱图中碎片离子较少、表明该化合物是高稳定性分或强蜂，谱图中碎片离子较少、表明该化合物是高稳定性分子，可能为芳烃或稠环化合物。子，可能为芳烃或稠环化合物。11例如例如：萘分子离子峰：萘分子离子峰m mz 128z 128为基峰，蒽醌分子离子峰为基峰，蒽醌分子离子峰m mz z 208208也是基峰。也是基峰。分子离子峰弱或不出现，化合物可能为多支链烃类、醇类、分子离子峰弱或不出现，化合物可能为多支链烃类、醇类、酸类等酸类等。122 2.解析碎片离子解析碎片离子(1)(1)由特征离子峰及丢失的中性碎片了解可能的结构信息。由特征离子峰及丢失的中性碎片了解可能的结构信息。若质谱图中出现系列若质谱图中出现系列CnH2n+1CnH2n+1峰，则化合物可能含长链烷基。峰，则化合物可能含长链烷基。若出现或部分出现若出现或部分出现m mz 77z 77，6666，6565，5151，4040，3939等弱的碎片等弱的碎片离子蜂，表明化合物含有苯基。若离子蜂，表明化合物含有苯基。若m mz 91z 91或或105105为基峰或强为基峰或强峰，表明化合物含有苄基或苯甲酰基。若质谱图中基峰或强峰，表明化合物含有苄基或苯甲酰基。若质谱图中基峰或强峰出现在质荷比的中部，而其它碎片离子峰少，则化合物可峰出现在质荷比的中部，而其它碎片离子峰少，则化合物可能由两部分结构较稳定，其间由容易断裂的弱键相连。能由两部分结构较稳定，其间由容易断裂的弱键相连。13(2)(2)综合分析以上得到的全部信息，结合分子式及不综合分析以上得到的全部信息，结合分子式及不饱和度，提出化合物的可能结构。饱和度，提出化合物的可能结构。(3)(3)分析所推导的可能结构的裂解机理，看其是否与分析所推导的可能结构的裂解机理，看其是否与质谱图相符，确定其结构，并进一步解释质谱，或与质谱图相符，确定其结构，并进一步解释质谱，或与标准谱图比较，或与其它谱标准谱图比较，或与其它谱(1H NMR(1H NMR、13C NMR13C NMR、IR)IR)配合，确证结构。配合，确证结构。14数据处理数据处理-2-2种质谱定性分析方法种质谱定性分析方法v有机质谱提供分子结构的信息包括：分子量，元素组成以有机质谱提供分子结构的信息包括：分子量，元素组成以及由裂解碎片检测官能团、辨认化合物的类型、推导碳骨及由裂解碎片检测官能团、辨认化合物的类型、推导碳骨架。架。v有机质谱仪按其性能可分为低分辩和高分辩两种有机质谱仪按其性能可分为低分辩和高分辩两种15数据处理数据处理-质谱定性分析质谱定性分析v低低分辩质谱可以确定分子和碎片离子的整数质量，同时显分辩质谱可以确定分子和碎片离子的整数质量，同时显示出相应同位素离子的相对丰度。在分子离子峰相当强的示出相应同位素离子的相对丰度。在分子离子峰相当强的情况下，根据同位素的相对丰度能够估计可能的分子式。情况下，根据同位素的相对丰度能够估计可能的分子式。同理，也可以估计某些碎片的离子的元素组成，结合对分同理，也可以估计某些碎片的离子的元素组成，结合对分子断裂规律的分析，可以得到有机化合物骨架结构的启示子断裂规律的分析，可以得到有机化合物骨架结构的启示和官能团存在的信息。和官能团存在的信息。v再由高分辩质谱给出的精确相对分子质量和碎片离子质量，再由高分辩质谱给出的精确相对分子质量和碎片离子质量，可以计算出该化合物的分子式和碎片离子的元素组成，为可以计算出该化合物的分子式和碎片离子的元素组成，为结构式的推断提供很大方便。结构式的推断提供很大方便。16低分辨质谱确定分子式低分辨质谱确定分子式v各元素具有一定的同位素天然丰度，因此不同的分子式，各元素具有一定的同位素天然丰度，因此不同的分子式，其其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。v若以质谱法测定分子离子峰及其分子离子的同位素峰若以质谱法测定分子离子峰及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的百分的百分比确定分子式。为此，比确定分子式。为此，J.H.BeynonJ.H.Beynon等计算了含碳、氢、等计算了含碳、氢、氧的各种组合的质量和同位素丰度比氧的各种组合的质量和同位素丰度比。v例如，某化合物，根据其质谱图，已知其相对分子质量为例如，某化合物，根据其质谱图，已知其相对分子质量为150150，由质谱测定，由质谱测定，m/z150m/z150、151151和和152152的强度比为的强度比为M(150)=100%M(150)=100%，M+1(151)=9.9%M+1(151)=9.9%，M+2(152)=0.9%M+2(152)=0.9%，试确定，试确定此化合物的分子式。此化合物的分子式。17v从从M+2/M=0.9%M+2/M=0.9%可可见见，该该化化合合物物不不含含S S，BrBr或或C1C1。在在BeynonBeynon的的表表中中相相对对分分子子质质量量为为150150的的分分子子式式共共2929个个，其其中中（M+2M+2）/M/M 的百分比为的百分比为9-119-11的分子式有如下的分子式有如下7 7个：个：v 分子式分子式 M+1 M+2M+1 M+2v （1 1）C C7 7H H1010N N4 4 9.25 0.389.25 0.38v （2 2）C C8 8H H8 8NONO2 2 9.23 0.78 9.23 0.78 v （3 3）C C8 8H H1010N N2 2O O 9.61 0.619.61 0.61v （4 4）C C8 8H H1212N N3 3 9.98 0.459.98 0.45v （5 5）C C9 9H H1010O O2 2 9.96 0.84 9.96 0.84 v （6 6）C C9 9H H1212NO NO 10.34 0.6810.34 0.68v （7 7）C C9 9H H1414N N2 2 10.71 0.5210.71 0.5218v此化合物的相对分子质量是偶数，根据前述氮规则，可此化合物的相对分子质量是偶数，根据前述氮规则，可以排除上列第以排除上列第2 2、4 4、6 6三个式子，剩下四个分子式中，三个式子，剩下四个分子式中，M+1M+1与与9.99.9最接近的是第最接近的是第5 5式（式（C C9 9H H1010O O2 2），这个式子的），这个式子的M+2M+2也也与与0.90.9很接近，因此分子式应为很接近，因此分子式应为C C9 9H H1010O O2 2。19v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v 各各种种化化合合物物在在一一定定能能量量的的离离子子源源中中是是按按照照一一定定的的规规律律进进行行裂裂解解而而形形成成各各种种碎碎片片离离子子的的，因因而而所所得得到到的的质质谱谱图图也也呈呈现现一一定定的的规规律律。所所以以根根据据裂裂解解后后形形成成各各种种离离子子峰峰就就可可以以鉴鉴定物质的组成及结构。定物质的组成及结构。v 同同时时应应注注意意，同同一一种种化化合合物物在在不不同同的的质质谱谱仪仪中中就就可可能能得到不同的质谱图。得到不同的质谱图。20v例如：有一未知物，经初步鉴定是一种酮，它的质谱图如例如：有一未知物，经初步鉴定是一种酮，它的质谱图如图图8-128-12所示，图中分子离子质荷比为所示，图中分子离子质荷比为100100。因而这个化合。因而这个化合物的相对分子质量物的相对分子质量M M为为100100。21v m/zm/z=85:=85:脱落脱落 -CH-CH3 3（质量（质量1515）v M/zM/z=57:=57:脱落脱落 -C=O-C=O（质量（质量2828）v M/zM/z=57:=57:的的碎碎片片离离子子峰峰丰丰度度很很高高，是是标标准准峰峰，表表示示这这个个碎碎片片离离子子很很稳稳定定，也也表表示示这这个个碎碎片片和和分分子子的的其其余余部部分分是是比比较容易断裂的。这个碎片离子很可能是较容易断裂的。这个碎片离子很可能是C(CHC(CH3 3)3 3。22v图图中中质质荷荷比比为为4141和和3939的的两两个个质质谱谱峰峰，则则可可认认为为是是碎碎片片离离子子进进一一步步重重排排和和断断裂裂后后所所生生成成的的碎碎片片离离子子峰峰，这这些些重重排排和和断断裂过程可表示如下：裂过程可表示如下：23高分辨质谱高分辨质谱-确定化合物分子式确定化合物分子式v质谱观测到的分子量是精确的分子质量（质谱观测到的分子量是精确的分子质量（Exact MassExact Mass），），是由组成分子的各种元素丰度最高的同位素的精确质量计是由组成分子的各种元素丰度最高的同位素的精确质量计算出来的。算出来的。v高分辨质谱法高分辨质谱法质荷比均为质荷比均为 28 28 的分子：的分子：CO:27.9949CO:27.9949 12.0000(12.0000(1212C C)+15.9949()+15.9949(1616O O)N N2 2:28.0062:28.0062 2x14.0031(2x14.0031(1414N N)C C2 2H H4 4:28.031:28.0312 2x12.0000(2 2x12.0000(1212C C)+4x1.0078()+4x1.0078(1 1H H)24HPLC-TOF/MSHPLC-TOF/MS数据处理举例数据处理举例v中药及复方成分定性分析处理方法中药及复方成分定性分析处理方法：25HPLC-TOF/MSHPLC-TOF/MS数据处理举例数据处理举例v中药及复方成分定性分析处理方法中药及复方成分定性分析处理方法：26HPLC-TOF/MSHPLC-TOF/MS数据处理举例数据处理举例v中药及复方成分定性分析处理方法中药及复方成分定性分析处理方法：27HPLC-TOF/MSHPLC-TOF/MS数据处理举例数据处理举例v生物样品定性分析：生物样品定性分析：v前几步处理方法同上，到获得前几步处理方法同上，到获得MHDMHD数据后，数据后，v导导入入MPMP处理软件，将输出的处理软件，将输出的TXTTXT文件用文件用vSIMCA-PSIMCA-P软件处理，得到下图：软件处理，得到下图：28HPLC-TOF/MSHPLC-TOF/MS数据处理举例数据处理举例v生物样品定性分析生物样品定性分析：29质谱总结质谱总结v每一种仪器分析法方法，都不是万能的，所以应该很每一种仪器分析法方法，都不是万能的，所以应该很好地利用紫外、红外、核磁、质谱等综合起来进行有机化好地利用紫外、红外、核磁、质谱等综合起来进行有机化合物的结构解析。合物的结构解析。附：常见元素的同位素及丰度附：常见元素的同位素及丰度3031