(波普解析)质谱(MS)
有机化合物波谱解析
仪器分析：测定复杂结构的化合物 样品用量少
• 四谱同时用或联用技术 • 四谱比较： • 灵敏度：MS＞UV＞IR＞1HNMR＞13CNMR
MS: 微克级
UV: ppb级
IR：毫克级（可微克级，FTIR）
1HNMR：0.5mg ｝可回收
13CNMR： 0.5mg
四谱的信息量比较：
1HNMR及13CNMR
loge2
max1
max2
/nm
不论纵坐标选用什么单位，同一化合物的最大吸收对应 的波长(λmax)不变。
四、朗伯－比耳定律（Lambert—Beer定律）
样品的吸光度A与浓度之间的关系为：
A= lc=lgI0/I=lgT-1 式中T—透射率(或透射比)；
I0——入射光强度， I——透过光强度； c——被测液浓度， l——被测液厚度，亦称样品槽厚度。 ——吸光系数 ε——摩尔吸光系数(L／mol·cm) E1%1cm ——百分吸光系数，亦称比吸光系数
液浓度为1g/100ml(1%)，液层厚度为1cm时，溶液的吸光 度。
3.两种表示方法的换算关系
设吸光物质的摩尔质量为M g/mol ，则
1mol/L＝M g/1000ml＝M/10·1g/100ml
∴ ε＝M/10·E1%1cm
通过紫外光谱测定获得吸收度或透光率，使用 Beer-Lambert定律便可计算ε值。
有机化合物波谱解析
• 概论
色谱分析：GC，HPLC，TLC 与裂解---色谱成分分析
波谱分析：UV，IR，NMR，MS（有机）----结构分析
• 色谱分析:具有高效分离能力可以把复杂有机混合物分离 成单一的纯组分
• 波谱分析：纯样品进行结构分析，特点是：微量化、测 量快、结果准确、重复性好。除MS之外，可回收样品
波谱解析
光谱分析基本定律——Lambert-Beer定律：电磁波的波粒二象性——Planck方程：电磁辐射按波长顺序排列称为电磁波谱（光波谱）。
分区依次（短→长）为：γ射线区→X射线区→紫外光区（UV）→可见光区→红外光区（IR）→微波区→射频区（NMR）Franck-Condon原理：①电子跃迁时认为核间距r不变，发生垂直跃迁；②电子能级跃迁时必然同时伴有多种振动能级和转动能级的变化，同理振动能级跃迁时必然同时伴有多种转动能级的变化。
有机波谱的三要素：谱峰的①位臵（定性指标）、②强度（定量指标）和③形状。
【提请注意】对《天然药物化学成分波谱解析》（以下简称“教材”）P.5图1-8不理解的同学，应注意到轨道其中的“+”“-”表示的是波函数的位相，而不是电性！E总=E0+E平+E转+E振+E电电子跃迁类型：①σ→σ*、②n→σ*、③π→π*、④n→π*，其中，后两者对紫外光谱有意义。
此外，还包括主要存在于无机物的⑤电荷迁移跃迁和⑥配位场跃迁。
分子和原子与电磁波相互作用，从一个能级跃迁到另一个能级要遵循一定的规律，这些规律称为光谱选律。
紫外光谱所遵循的选律包括：①自选旋律和②对称性选律。
影响紫外光谱最大吸收波长（λmax）的主要因素：①电子跃迁类型；②发色团（生色团）和助色团；③π-π共轭、p-π共轭和σ-π超共轭（弱）；④溶剂和介质；〃规律：溶剂极性增大，n→π*跃迁发生篮移（紫移），π→π*跃迁发生红移。
〃总结：溶剂的选择原则即紫外透明、溶解度好、化学惰性。
〃例子：甲醇、95%乙醇、环己烷、1,4-二氧六环。
【相关概念】等色点：同一化合物在不同pH条件下测得的紫外光谱曲线相交于一点，此即~。
⑤顺反异构、空间位阻和跨环效应。
影响紫外光谱吸收强度（εmax）的主要因素：εmax=0.87×1020×P(跃迁几率)×α(发色团的靶面积)【提请注意】严格地说，跃迁的强度最好是用吸收峰下的面积来测量（如果是以ε对ν作图）！吸收带：跃迁类型相同的吸收峰称为~。
四大光谱法的解析原理及规律
四大光谱法的解析原理及规律在检测领域，有四大名谱，也是检测领域的“四大天王”分别为色谱、光谱、质谱、波谱，在检测特色和适用范围上各有不同，但总有一款适合你！质谱：分析分子、原子、或原子团的质量的，可以推测物质的组成，一般用于定性分析较多，也可定量。
色谱：是一种兼顾分离与定量分析的手段，可分辨样品中的不同物质。
光谱：定性分析，确定样品中主要基团，确定物质类别。
从红外到X射线，都是光谱，其应用范围差别很大，是对分子或原子的光谱性质进行分析解析的。
波谱：通常指四大波谱，核磁共振（NMR）,物质粒子的质量谱-质谱（MS）,振动光谱-红外/拉曼(IR/Raman）,电子跃迁-紫外（UV）。
光谱分析法光谱分析由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成和相对含量。
光谱分析时，可利用发射光谱，也可以利用吸收光谱。
这种方法的优点是非常灵敏而且迅速。
某种元素在物质中的含量达10皮克，就可以从光谱中发现它的特征谱线，因而能够把它检查出来。
光谱的分类按波长区域不同，光谱可分为红外光谱、可见光谱和紫外光谱。
按产生的本质不同，可分为原子光谱和分子光谱。
按产生的方式不同，可分为发射光谱、吸收光谱和散射光谱。
按光谱表现形态不同，可分为线光谱、带光谱和连续光谱。
分光光谱技术可用于：通过测定某种物质吸收或发射光谱来确定该物质的组成；通过测量适当波长的信号强度确定某种单独存在或其他物质混合存在的一种物质的含量；通过测量某一种底物消失或产物出现的量同时间的关系，示踪反应过程。
鉴定分子式、结构式的方法紫外光谱：反应分子中共轭体系状况；红外光谱：光能团鉴定、分子中环、双键数目。
光谱法的优缺点（1）分析速度较快原子发射光谱用于炼钢炉前的分析，可在l～2分钟内，同时给出二十多种元素的分析结果。
（2）操作简便有些样品不经任何化学处理，即可直接进行光谱分析，采用计算机技术，有时只需按一下键盘即可自动进行分析、数据处理和打印出分析结果。
波谱解析复习——名词解析
波谱学：波谱学是涉及电池辐射与物质量子化的能态间的相互作用，其理论基础是量子化的能量从辐射场向物质转移。
电池辐射区域：γ射线区，X射线区，远紫外，紫外，可见光区，近红外，红外，远红外区，微波区和射频区。
紫外光谱1.助色团：通常把那些本身在紫外或可见光区域吸收带不产生吸收带但与生色团相连后，能使生色团的吸收带向长波方向移动的基团称为助色团（将含有未公用电子对的杂原子基团称为助色团）发色团：有机化合物分子结构中有能吸收紫外光或可见光的基团，此类基团称为发色团。
2.红移：由于化学环境的变化而导致吸收峰长波方向移动的现象叫做红移。
3.蓝移：导致吸收峰向短波方向移动的现象叫做蓝移。
4.增色效应：使紫外吸收强度增加的作用。
5.减色效应：使紫外吸收强度降低的作用。
红外光谱红外吸收：一定波长的红外光照射被研究物质的分子，若辐射能等于振动基态的能级与第一振动激发态的能级之间的能量差时，则分子可吸收能量，由振动基态跃迁到第一振动激发态。
IR选律：在红外光的作用下，只有偶极矩(∆μ)发生变化的振动，即在振动过程中∆μ≠0时，才会产生红外吸收。
1.费米（Fermi）共振：由频率相近的倍频峰和基频峰相互作用产生，结果使倍频峰的强度增大或发生裂分。
2.伸缩振动：沿键轴方向发生周期性变化的振动称为伸缩振动。
3.弯曲振动：沿键角发生周期性变化的振动称为弯曲振动。
4.基频峰：从基态跃迁到第一激发态时将产生一个强的吸收峰，即基频峰。
5.倍频峰：从基态跃迁到第二激发态，第三激发时将产生相应弱的吸收峰，即倍频峰。
6.振动自由度：将多原子分子的复杂振动分解成若干个简单的基本振动，这些基本振动的数目称为分子的振动自由度。
7.指纹区：在红外光谱中，波数在1330~667cm-1 范围内称为指纹区。
8.振动偶合效应：当两个相同的基团在分子中靠得很近时，其相应的特征峰常发生分裂，形成两个峰，这种现象叫作振动偶合。
质谱：是化合物分子在真空条件下受电子流的“轰击”或强电场等其他方法的作用，电离成离子，同时发生某些化学键有规律的断裂，生成具有不同质量的带正电荷的离子，这些离子按质荷比的大小被收集记录的谱。
(波普解析)有机化合物波谱解析
30
第二节 紫外光谱的基本知识 一、 分子轨道
分子轨道是由组成分子的原子轨道相互作用形成的。 分子成键轨道; 分子反键轨道
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分子轨道的种类
(1) 原子A和B的s轨道相互作用，形成的分子轨道
(2)原子A和B的p轨道相互作用形成的分子轨道
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(3)原子A的s轨道和原子B的p轨道相互作用形成的分子轨道
• 吸收光谱特征： 吸收峰→λmax 吸收谷→λmin 肩峰→λsh 末端吸收
43
（2）数据表示法
例如λ 溶m剂a2x 37nm(ε104) 或λ 2溶m3剂a7xnm(lgε4.0)
常用术语
生色团（发色团）：分子结构中含有π电子的基团 产生π→ π* 跃迁和（或）n→ π*跃迁 跃迁，E较低
例： C＝C；C＝O；C＝N；—N＝N— ； —NO2
物质对电磁辐射的吸收性质常用吸收曲线来描述，即考察 物质对不同波长的单色光吸收的情况。
溶液对单色光的吸收程度遵守Lambert-Beer 定律。
A = acl
A 为吸光度(光密度), a为吸光系数, l 为吸收池厚度, c 为溶液的浓度。
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•若溶液的浓度以mol L-1为单位时， Lambert-Beer 定律的吸 收系数(a) 表示，单位为L mol-1 cm-1，即摩尔吸光系数。 •对于相对分子质量未知的物质，常采用质量百分比浓度 (g/100ml)，相应的系数称为百分吸收系数，以E1%1cm表示。 •以摩尔吸收系数 用得最普遍。
三甲基胺n →σ*跃迁的λ分别为173nm、183nm和227nm。
39
第二节 紫外光谱的基本知识
二、 电子跃迁类型
最新波谱解析之质谱篇
4、检测器 包括Faraday圆筒（直接电检测器）、电子倍增器、 闪烁计数器、微通道板、照相低片等
phe-1中[M+H]+离子的FAB-MS/MS谱
CH3O
OH
N
CH3O
OCH3
质谱技术的主要特点
1、应用范围广 2、灵敏度高 3、分析速度快 4、能同时提供有机样品的精确相对分子质 量，元素组成、碳内架及官能团结构信息 5、与计算机结合使用，操作方便 6、与其他仪器相比，其结构复杂，价格昂 贵，使用及维修不方便 7、样品被破坏，无法回收
（加热）
1.3-0.13Pa
b) 直接探针进样：高沸点液体及固体 探针杆通常是一根规格为25cm6mm i.d.，末端有一装样品的黄金杯(坩埚)
，将探针杆通过真空闭锁系统引入样品，如图所示。
优点： 1）引入样品量小，样品蒸汽压
可以很低； 2）可以分析复杂有机物； 3）应用更广泛。
c) 色谱进样：利用气相和液相色谱的分离能力，与质谱仪联用，进行多组份复 杂混合物分析。
在CI离子源中，用电子轰击导入的反应气体，
使其离子化。
B + e - B+• + 2e -
(1) (电子电离)
B+• +B (B+H)+ + (B-H)• (2)
(B-H)+ or (B-H)- (3) （多次反应）
b- or b- •
(4) （碎片离子）
B + e - B- •
(5)
FAB法的关键之一是选择适当的（基质）底物， 从而, 可以进行从低极性到较高极性的范围较广的有机化合物测 定，是目前应用比较广的电离技术。
当高速中性原子轰击底物溶液后，在发生‘爆发性’ 汽化的同时，发生离子—分子反应，从而，产生（解离性） 氢质子转移反应[1]和[2]式及[3]式，与（电子轰击法相 似）的轰击离子化反应[4]等.
质谱MS-2
6价，28Si为4价等)。奇数质量的元素具有奇数化合价
(如1H、35C1、79Br为1价，31P为3价、5价等)。只有N 反常，质量数是偶数(14)，而化合价是奇数(3价、5价)。 由此得出以下规律，称之氮律。 “在有机化合物中，不含氮或含偶数氮的化合物，分
子量一定为偶数(分子离子的质荷比为偶数)，含奇数
38
Question
下列离子源中，哪一种容易产生多电荷离子？
a. EI b. ESI c. FAB
39
Question
多电荷离子可以扩大质谱仪的…
a. 分辨率 b. 灵敏度 c. 分子量测定范围
40
Question
下列哪一种质量分析器的质量范围最广？
a. 四级杆质量分析器 b. 离子阱质量分析器 c. 飞行时间质量分析器
3
质谱中的离子
4
分子离子
分子失去一个电子而得到的离子称为分子离子 （molecular ion），表示为M+.。分子离子是质谱中所有 离子的起源，它在质谱图中所对应的峰为分子离子峰。 有机分子中，最容易失去电子的是杂原子上的孤对 电子，其次是电子，再者是电子。所以，对于含O，N， S等杂原子的化合物，总是先在杂原子的孤对电子上失去 一个电子，形成分子离子，如
13
♦
分子离子峰的识别
质谱法确定有机化合物相对分子质量的依据是分子离
子峰的m/z值。除同位素峰以外，分子离子峰应该出现 在质谱图的最高质量处。化合物分子离子峰的识别，一 般可遵循以下几个原则：
（1）分子离子的质量数服从氮律。
14
氮律
组成有机化合物的大多数元素，偶数质量的元素具有 偶数化合价(如12C为4价，16O为2价，32S为2价、4价或
有机化合物波谱解析第四章 质谱(MS)
• 特 点：电离温和，碎片少，主要产生分子离 子M+和(M+1)+峰。
2.4 场解吸源(Field desorption, FD)
• 类似于场电离源，它也有一个表面长满 “胡须” (长0.01mm)的阳极发射器 (Emitter)。
电离，形成等离子体。 ➢ 等离子体与样品分子反应，生成[M＋H]+或[M－H]–准分子离子。
APCI特点
➢ 软的电离方式，样品直接从液从中拉出来的，不是蒸发，基本 不产生分解，电离过程属于离子-分子反应，与CI原理相似。
➢ 快速地适合高低含量水溶液的流动相，可作梯度分析。
100,000
Which Ionisation Mode?
40
20
0
20
40
60
80
100
120
140
m/z
60
40
20
0 20
77
51 39
40
60
80
100
120
140
m/z
不同能量下获得的苯甲酸的质谱图
• 样品分子可能有四种不同途径形成离子：
• 1、样品分子被打掉一个电子形成分子离 子(M+)。
• 2、分子离子进一步发生化学键断裂形成 碎片离子。
• 3、分子离子发生结构重排形成重排离子。 • 4、通过分子离子反应生成加合离子。
266nm, 337nm 2.94m,10.6m
266nm 2.94m,10.6m 266nm, 337nm, 355nm
应用 蛋白质 蛋白质 蛋白质 蛋白质 核酸、配糖体 蛋白质、配糖体 蛋白质、核酸 蛋白质 蛋白质 合成高分子
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M + e M+. + 2e
1. 电子轰击电离 （Electron Impact Io+nization EI）
M + e M .+ 2e
分子离子
•产生的离子被离子源中的排斥电极推出离子源，然后被加速电 压送出离子源进入质量分析器。 •由于电子动能的一部分转移到分子内部，使分子内部能量过剩， 产生碎片离子。
(波普解析)质谱（MS）
有机化合物波谱分析——质谱
质谱
Mass Spectrum
UV IR NMR MS
质谱的突出优点： ◆灵敏度远远超过其他方法，样品的用量不断的下降。 ◆唯一可以确定分子式的方法，分子式对推测结构至关 重要。为推测结构，若无分子式，一般至少也需知道未 知物的分子量 。
第一节 质谱的基本知识
在CI离子源中，用电子轰击导入的反应气体，使其离子化。 以甲烷反应气为例，部分反应为：
2. 质谱的基本原理
质谱仪器的核心是质量分析器。
2. 质谱的基本原理 了解
单聚焦质量分析器
在离子源中各种离子被加速电压加速，获得动能：
zeV=1/2mv2 （1）
V：加速电压 v：被加速后的速度 m：离子质量 ze：离子所带电荷（e为电子所带电荷，z为正 整数）
2 . 质谱的基本原理 被加速后的离子进入磁场 ，离子运动方向和磁力 线方向垂直。在磁场中，离子受磁场的作用力作 圆周运动。
质量分析器：将离子按不同质荷比(m/z)大小分离，是质谱 计的核心 。
1. 仪器简介
真空系统
了解
进样系统 离子源 质量分析器 检测接收器
控制及数据处理系统
检测接收器：检测各种质核比的离子并将电信号放大的装置。
控制及数据处理系统:：处理并给出分析结果, 现代计算机还 可以控制 质谱仪进行各项工作。
真空系统：利用机械泵, 扩散泵或分子泵等, 抽取离子源和 分析器的空气并达到高真空。
（6）亚稳离子（metastable ion）
从离子源出口到达检测器之间产生的离子 。
（7）奇电子离子（odd-electron ion）和偶电子离子 （even-electron ion ）
具有未配对电子的离子称为奇电子离子。 不具有未配对电子的离子称为偶电子离子。
5. 有机质谱中的各种离子
（8）多电荷离子（multiply-charged ion）
1. 仪器简介 2. 质谱的基本原理 3. 质谱仪器主要指标 4. 质谱图 5. 有机质谱中的各种离子
1. 仪器简介
了解
真空系统
质谱仪
进样系统 离子源 质量分析器 检测接收器
控制及数据处理系统
进样系统：将分析样品导入离子源的装置；当质谱计与色 谱仪联机时，进样系统则由它们的界面所代替。
离子源：使被测样品分子离子化成为带电离子的装置， 并对离子进行 加速使其进入分析器 。
广义的碎片离子包含由分子离子碎裂而产生的一切离 子。狭义的碎片离子指由简单的断裂产生的离子。
（4）重排离子（rearragement ion）
经重排反应产生的离子，其结构并非原来分子的结构 单元。
5. 有机质谱中的各种离子
（5）母离子（parent ion）与子离子（daughter ion）
任何一离子进一步产生了某离子，前者称为母离子，后者 称为子离子。
2.化学电离法（CI, chemical ionization）
CI法亦是一种样品的汽化与离子化分别发生的电 离法典型。
不适合对热易分解的化合物，但是，因为要利用 离子分子反应来实现离子化，因此是‘软电离’ 法。
可以说是其它‘软电离’法，FAB、MALDI、 APCI等的基础。
2.化学电离法（CI, chemical ionization）
R=M /ΔM
（3）灵敏度（sensitivity） 仪器出峰的强度与所用样品量之间的关系。
4. 质谱图
质谱图由横坐标、纵坐标和棒线组成。 横坐标标明离子质荷比（m/z）。 纵坐标标明离子流的强度，常用相对丰度表示。 棒线代表不同质荷比的离子。 图谱中最强的一个峰称为基峰，将它的强度定为100。
丁 酮 的 质 谱 图
失掉两个以上电子的离子是多电荷离子。
（9）同位素离子（isotopi源自 ion）当元素具有非单一同位素组成时，电离过程产生同位素离 子。
第二节. 质谱的电离过程
1. 电子轰击电离 2. 化学电离法 3. 快原子轰击法 4. 基质辅助激光解吸电离 5. 大气压电离
1. 电子轰击电离 （Elecron Impact Ionization EI）
1. 电子轰击电离 （Electron Impact Ionization, EI）
优点
（1）质谱图重现性好，便于计算机检索及 相互对比。
（2）含有较多的碎片离子信息，这对于推 测未知结构是非常必要的。
缺点
当样品分子稳定性不高时，分子离子峰的强 度低，甚至没有分子离子峰。当样品分子不 能气化或遇热分解时，则更没有分子离子峰。
zevB = mv2/rm （2）
B：磁感应强度 rm ：离子在磁分析器中运动的曲率半径
2. 质谱的基本原理
zeV=1/2mv2 （1） zevB = mv2/rm （2）
m/z = rm2 B2e/(2V)
2. 质谱的基本原理
m/z = rm2 B2e/(2V)
检测器装置于固定位置，即rm 为常数。 通过改变磁场强度B或加速电压（一般固定电压）进行扫描，
不同质量的离子依次检测记录. 按离子m/z的大小顺序排列，以线形峰的形式记录，横坐标
为m/z，纵坐标为离子强度（相对丰度）。
3. 质谱仪器主要指标
（1）质量范围（mass range） 质谱仪所检测的离子的质核比范围。 （2）分辨率（resolution） 质谱仪分开相邻两离子质量的能力。如两种相邻离 子正好被分离，则该仪器的分辨率定义为：
5. 有机质谱中的各种离子 重点
（1）分子离子（molecular ion）
由样品分子电离而产生，标为M+. 。
（2）准分子离子（quasi- molecular ion ）
[M+H]+ 、[M-H]+ 称为准分子离子。[M+X]+ 称为加 和离子，也可称为准分子离子。
（3）碎片离子（fragment ion）