1、1,單元分析過程,分析任務 分析要求 最佳取樣和分析方案 取樣 分離和富集 測定 結(jié)果計算,2,任務與作用應用領(lǐng)域,農(nóng)業(yè)：水土調(diào)查，農(nóng)產(chǎn)品檢驗，農(nóng)藥及殘留檢驗 工業(yè)：產(chǎn)品質(zhì)量控制，原料分析，過程分析 社會活動：毒品檢驗，刑事偵察，文物鑒定，興奮劑檢測 生活：水質(zhì)分析，食品安全檢驗，臨床化驗,3,結(jié)構(gòu)分析,Mssbauer譜 X-射線衍射儀 電子能譜 紫外-可見光譜 熒光光譜 紅外與拉曼光譜 電子順磁共振譜 核磁共振譜 質(zhì)譜,4,形態(tài)分析,透射電鏡 掃描電鏡 比表面分析 粒度分布,5,熱、力、電、磁性能,熱分析: 熱重法 (TG, DTG) 示差掃描量熱法 (DSC),6,波譜分析原理: 一定波

2、長的電磁波（光波），作用于被研究物質(zhì) 的分子，引起分子內(nèi)某種物理量的改變（能級躍遷）.,7,分子體系吸收的電磁輻射的能量，總是等于體系的兩個允許狀態(tài)能級的能量差，可用E表示。與E相匹配的輻射能的波長或頻率可表示如： EE2E1,8,電磁波與光譜的關(guān)系：,范圍 光區(qū) 光譜類型 躍遷類型10-410-2nm -ray Mssbauer譜 核能級躍遷10-21 nm X-ray X-光電子能譜 核內(nèi)層電子能級100400nm 紫外光區(qū) 紫外光譜 核外層電子（價400800nm 可見光區(qū) 可見光譜 電子或非鍵電子)2.525m 紅外光區(qū) 紅外光譜 分子振動-轉(zhuǎn)動 (4000400cm-1)1 cm 微

3、波區(qū) 微波譜 分子轉(zhuǎn)動能級 順磁共振譜 電子自旋能級 （磁誘導）50500cm 射頻區(qū) 核磁共振譜 核自旋能級(60060MHz, 無線電波區(qū)） （磁誘導）,9,X射線發(fā)射光譜,X射線熒光分析 掃描電鏡 X射線單晶衍射儀 X射線多晶衍射,10,光電子能譜的基本原理是光電效應。 當能量為h的單色光照射到樣品上，其光子可能被原子內(nèi)部不同能級的電子所吸收或散射，如果吸收的能量大于電子的結(jié)合能，則該電子就會脫離原子成為自由電子而逸出。這些被光子直接激發(fā)出來的電子稱為光電子，光電子的動能大小不等（與原子的種類和樣品表面的信息有關(guān)），如果以動能分布為橫坐標，相對強度為縱坐標，所得到的譜峰即為光電子能譜。,

4、11,例: 金屬鋁表面 可出現(xiàn)Al 2s, Al 2p 兩條譜帶 氧化或部分氧化, 還可出現(xiàn) O 1s, C 1s譜帶,12,擴展譜,13,ESR用于有機自由基的研究：在紫外光的照射下，含有少量H2O2的甲醇溶液發(fā)生光分解反應的ESR譜如下：,14,上圖表明，在該光分解反應中，有CH2OH自由基產(chǎn)生，CH2的兩個等價質(zhì)子使未配對電子裂分為三條譜線（相對強度為1:2:1, 裂距為17.4 Gs）；OH中的一個質(zhì)子又使每一條譜線裂分為兩條譜線（相對強度為1:1, 裂距為1.15 Gs）。ESR譜證明了CH2OH自由基的存在，該自由基產(chǎn)生的機理： H2O2 2OH， CH3OH + OH CH2OH

5、 + H2O,15,EPR和NMR是分別研究電子磁矩和核磁矩在外磁場中重新取向所需的能量。 EPR的共振頻率在微波波段，NMR共振頻率在射頻波段。 EPR的靈敏度比NMR的靈敏度高，EPR檢出所需自由基的絕對濃度約在10-8M的數(shù)量級。 EPR和NMR儀器結(jié)構(gòu)上的差別，前者是恒定頻率，采取掃場法，后者是恒定磁場，采取掃頻法。,EPR和NMR都屬磁共振譜，主要的區(qū)別,16,電子順磁共振的研究對象（兩大類）自由基和順磁性金屬離子（大多數(shù)過渡金屬離子和稀土離子）及其化合物,自由基：分子中含有一個未成對電子的物質(zhì)，如二苯苦基肼基（DPPH），三苯甲基，都有一個未成對電子 雙基（Biradical）或多

6、基（Polyradical）：在一個分子中含有兩個或兩個以上未成對電子的化合物，但它們的未成對電子相距較遠，相互作用較弱。 三重態(tài)分子（triplet molecule）：這種化合物的分子軌道中含有兩個未成對電子，且相距很近，彼此之間有很強的相互作用。如氧分子，它們可以是基態(tài)或激發(fā)態(tài)。,17,過渡金屬離子和稀土離子：這類分子在原子軌道中出現(xiàn)未成對電子，如常見的過渡金屬離子有Ti3+(3d1)，V3+(3d7)等。 固體中的晶格缺陷，一個或多個電子或空穴陷落在缺陷中或其附近，形成了一個具有單電子的物質(zhì)，如面心、體心等。 具有奇數(shù)電子的原子，如氫、氮、堿金屬原子。,18,EPR應用,有機自由基的研

7、究：不但能證明自由基的存在，而且能得到分子結(jié)構(gòu)，化學反應機理和反應動力學方面的重要信息。 催化劑的研究：能獲得催化劑表面的性質(zhì)及反應機理。 生物、醫(yī)學研究：證明了細胞的代謝過程、酶反應的機理都離不開自由基。除此之外，許多病理的過程如衰老、癌變過程也都離不開自由基。其中很重要的原因就是氧自由基的作用。 物理方面：利用EPR對半導體摻雜的研究，可指導采用不同的摻雜技術(shù)獲取不同性質(zhì)的半導體。,19,質(zhì)譜不屬波譜范圍,質(zhì)譜圖與電磁波的波長和分子內(nèi)某種物理量 的改變無關(guān),質(zhì)譜是分子離子及碎片離子的質(zhì)量與其相對 強度的譜, 譜圖與分子結(jié)構(gòu)有關(guān),質(zhì)譜法進樣量少, 靈敏度高, 分析速度快,質(zhì)譜是唯一可以給出分

8、子量, 確定分子式的 方法, 而分子式的確定對化合物的結(jié)構(gòu)鑒定是至關(guān)重要的。,特點：,20,計算機數(shù)據(jù) 處理系統(tǒng),真空系統(tǒng),加速區(qū),進樣系統(tǒng),離子源,質(zhì)量分析器,檢測器,質(zhì)譜計框圖,21,真空系統(tǒng): 為避免離子與氣體分子的碰撞，離子源和質(zhì)量分析器的壓力在104 - 105 Pa 和 105 - 106 Pa。,質(zhì)譜計構(gòu)造,22,進樣系統(tǒng),在不破壞真空度的情況下，使樣品進入離子源。,氣體可通過儲氣器進入離子源。,易揮發(fā)的液體，在進樣系統(tǒng)內(nèi)汽化后進入離子源。,難揮發(fā)的液體或固體樣品，通過探針直接插入離子源。,23,離子源,分子失去電子，生成帶正電荷的分子離子,分子離子可進一步裂解，生成質(zhì)量更小的碎

9、片離子,24,質(zhì)量分析器,質(zhì)量分析器是質(zhì)譜計的核心。,不同類型的質(zhì)量分析器構(gòu)成不同類型的質(zhì)譜計。,不同類型的質(zhì)譜計其功能，應用范圍，原理， 實驗方法均有所不同。,下面進一步介紹。,25,檢測記錄系統(tǒng),質(zhì)量分析器分離并加以聚焦的離子束， 按m/z 的大小依次通過狹縫，到達收集器。 經(jīng)接收放大后被記錄。,26,離子化的方法,電子轟擊電離 Electron Impact Ionization, EI 化學離子化 Chemical Ionization, CI 場電離，場解吸 Field Ionization FD, Field Desorption FD 快原子轟擊 Fast Atom Bombar

10、dment, FAB 基質(zhì)輔助激光解析電離 Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI 電噴霧電離 Electrospray Ionization, ESI 大氣壓化學電離 Atmospheric Pressure Chemical Ionization, APCI,27,FAB是目前廣泛使用的軟電離技術(shù)，適用于難汽化,極性強的大分子。樣品用基質(zhì)調(diào)節(jié)后黏附在靶物上。,常用的基質(zhì)有甘油，硫代甘油，3-硝基芐醇，三乙醇胺等。,注意：FAB質(zhì)譜圖中會出現(xiàn)基質(zhì)分子產(chǎn)生的相應的峰及基質(zhì)分子與樣品分子的結(jié)合峰。,例如：3-硝基芐醇作為基質(zhì)時，會出現(xiàn)

11、m/z 154(MH),136（MHH2O）, 289(MMHH2O) 的峰。,28,電噴霧電離（ESI）和 大氣壓化學電離（APCI）,大氣壓電離 （atmospheric pressure ionization, API） 應用于HPLC-MS聯(lián)機時的電離方法，包括：,29,HPLC,樣品溶液,氮氣霧化,通過加熱 管被汽化,霧化管端 施加高電壓,加熱管端 尖端放電,溶劑分子電離 樣品分子電離,單電荷或多 電荷離子,抽真空,電噴霧電離（ESI）,30,傅立葉變換質(zhì)譜計,Fourier Transform Mass Spectrometer, FT-MS,傅立葉變換質(zhì)譜計應該是傅立葉變換離子回

12、旋共振質(zhì)譜計，是受FT-NMR的啟迪。利用不同m/z的離子， 在磁場B的作用下，各自產(chǎn)生不同的回旋頻率。若施加一射頻場，使其頻率等于某一 m/z離子的回旋頻率，則離子就會吸收能量而激發(fā)。,離子從射頻場吸收能量，稱之離子的回旋共振。,激發(fā)的離子運動速度( v ) 增大，運動軌道半徑( r ) 增大，稱之離子的回旋運動的激發(fā)。,31,質(zhì)譜計的主要技術(shù)指標,質(zhì)量范圍： 指質(zhì)譜計所檢測的單電荷離子的質(zhì)荷比范圍.,分辨率（R）：分辨率是質(zhì)譜計分開相鄰兩單電荷離子質(zhì)量 的能力。,分辨率（ R ）是兩峰間的峰谷為峰高的10%時的測定值，或兩峰各以5%的高度重疊。,32,質(zhì)譜圖 橫坐標為離子的質(zhì)核比，縱坐標為

13、離子相對強度或相對豐度。 乙醇的質(zhì)譜圖如下：,33,分子離子: M+ , M - e M+ ,z=1時， 其m/z等于天然豐度最大的同位素的原子量之和。,碎片離子：廣義上指除分子離子以外的所有離子。,重排離子：經(jīng)過重排，斷裂一個以上化學鍵所生成的離子。,母離子與子離子：任何一個離子進一步裂解為質(zhì)荷比較小 的離子，前者是后者的母離子或前體離 子，后者是前者的子離子。,質(zhì)譜中的離子,34,偶電子離子EE+： 帶雙電子的離子，如 B+, D+ , E+,多電荷離子： 如 z =2的離子，存在于穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)中。,準分子離子： MH+, M-H+,同位素離子： 非單一同位素的元素在電離過程中產(chǎn)生同 位素離

14、子，同位素離子構(gòu)成同位素峰簇。,35,判斷其是否符合N律,不含N或含偶數(shù)N的有機分子, 其分子離子峰的m/z為偶數(shù)。含奇數(shù)N的有機分子, 其分子離子峰的m/z為奇數(shù)。,使用CI電離時，可能出現(xiàn) M+H, MH, M+C2H5, M+C3H5,使用FAB時，可出現(xiàn) M+H, MH, M+Na, M+K,較高分子量的化合物，可能同時生成 M+H, M+2H, M+3H等,36,分子離子峰不出現(xiàn)怎么辦?,改用其它離解方式, 如: CI, FAB, ESI 等,37,利用同位素峰簇的相對豐度推導化合物的分子式,38,例：化合物的質(zhì)譜圖如下，推導其分子式,設： 分子離子峰：72, 7258=14 ？,7

15、3, 7358 = 15 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,分子式 C4H11N, DBE=0,39,DBE（或UN）的計算,DBE: Double Bond Equivalents UN: Unsaturation Number 計算通式如下： DBE =(n+1) +a/2 b/2 n: 4價原子的數(shù)目(C, Si) a: 3價原子的數(shù)目(N, P) b: 1價原子的數(shù)目(H, F, Ci, Br, I),40,例：化合物的質(zhì)譜圖如下，推導其分子式,41,例如: C7H

16、3ClN2O2,DBE=(8+1) +2/2 (3+1)/2=7,42,例 某質(zhì)譜圖高m/z區(qū)離子的m/z及RI如下， 推導其分子式,C2H3Cl,43,研究有機質(zhì)譜裂解反應的實驗方法, 亞穩(wěn)離子法, 同位素標記法,44,亞穩(wěn)離子法,m1 m m2 前體離子（母離子）， 子離子,m = 15 (CH3）, 18 (H2O), 28 (CH2CH2 , CO) ,45,同位素標記法,2H標記，其質(zhì)荷比大于未標記的分子離子或碎片離子。,例如: 醇失水， MS證明是1,4-失水為主,氯代烴脫HCl, 是1,3-失HCl為主,46,質(zhì)譜裂解反應機理,裂解反應瞬間進行，機理研究困難,McLaferty

17、提出“電荷自由基定位理論”,自由基有強烈的電子配對傾向,正電荷有吸引或極化相鄰成鍵電子引起裂解,均裂-單電子轉(zhuǎn)移 異裂-雙電子轉(zhuǎn)移,重排-裂解時，發(fā)生一個以上化學鍵的斷裂。,47,分子失去一個電子，生成帶單電子的正電荷的離子,單電子或正電荷帶在何位？,分子中n電子比電子易丟失，電子比電子易丟失,離子的正電荷愈分散，離子的穩(wěn)定愈大,48,自由基位置引發(fā)的裂解反應,49,自由基位置引發(fā)的重排反應,50,電荷位置引發(fā)的裂解反應,51,有機化合物的一般裂解規(guī)律,如何識別質(zhì)譜圖中的的OE+ ?,不含氮的化合物, m/z 為偶數(shù)的離子是奇電子離子,在質(zhì)譜圖中, 奇電子離子并不多見, 但重要.,52,烴類化

18、合物的裂解規(guī)律:,烴類化合物的裂解優(yōu)先生成穩(wěn)定的正碳離子,CH3(CH2)nCH3 m/z 43或57 是基峰,C6H5CH2(CH2)n CH3 m/z 91是基峰,53,含雜原子化合物的裂解（羰基化合物除外）:,54,羰基化合物的裂解:,55,逆Diels-Alder反應 (RDA):,56,氫的重排反應:,McLafferty重排,57,自由基引發(fā)或正電荷誘導，經(jīng)過四、五、六元環(huán)過渡態(tài)氫的重排,58,長鏈酯基的雙氫重排,59,偶電子離子氫的重排,60,芳環(huán)的鄰位效應,61,烷烴- 環(huán)烷烴,以環(huán)己例: M+ 較強, 因裂解丟失基團需斷裂兩個鍵。m/z 41, 55, 69峰。自由基引發(fā)，經(jīng)

19、過四，五，六元環(huán)過渡態(tài)氫轉(zhuǎn)移，裂解如下: （環(huán)上烷基取代，優(yōu)先失去大基團，正電荷帶在環(huán)上。）,62,63,烯 烴, M+ 峰較弱，但比相應的烷烴強。m/z CnH2n -鍵斷裂（末端烯），m/z 41 CH2=CH-CH2 + 基峰或強峰。 -氫重排 m/z 42 CH2=CH-CH3 +,基峰或強峰 CnH2n -1 (主) , 如 m/z 41, 55, 69, 83, 等。 CnH2n +1 m/z 43, 57, 71, 85, 99, 113等; m = 14 CnH2n m/z 42, 56, 70, 84，等42 +14n。注意：重排時，雙鍵可能發(fā)生移動，其位置難以確定。,64,

20、環(huán)烯： RDA反應,65,芳烴, 烷基苯M+強或中等強度。 -鍵的斷裂，產(chǎn)生m/z 91的基峰或強峰； -H的重排，產(chǎn)生m/z 92的奇電子離子峰， 進一步裂解，產(chǎn)生m/z 78 ，52或 66，40的峰。,66,67,例如,正己基苯的MS如下：,68,醇 M+弱或不出現(xiàn) CnH2n+1O 的含氧碎片, m/z 31, 45, 59等（自由基位置引發(fā)的-裂解）。 M-18,M-18-28 伴有CnH2n +1 m/z 43, 57, 71, 85, 99,113等（ i異裂 R+）。 CnH2n m/z 42, 56, 70, 84，等, 分子失水后類似于烯烴的裂解。 CnH2n -1 m/z

21、 41, 55, 69, 83, 等。,69,環(huán)己醇,70,芐 醇,71,苯 酚,72,醚,脂肪醚: M+弱, M-H CnH2n+1O 的含氧碎片, 31, 45, 59等. - 鍵斷裂,-H轉(zhuǎn)移。 CnH2n +1 m/z 43, 57, 71, 85, 99,113等。 (i異裂 R+ ) C-O 鍵斷裂, 正電荷往往帶在R基上。 低質(zhì)荷比區(qū)伴有CnH2n , CnH2n -1 峰. 與醇類的區(qū)別, 無失水峰.,73,芳香醚,M+較強，類似于脂肪醚的裂解方式。 -H轉(zhuǎn)移 -H重排,74,75,76,77,例如 n-C12H25SH,78,硫 醚, C-S 鍵斷裂,正電荷往往帶在含S碎 片上. -鍵斷裂. CnH2n+1S的含硫片,47,61,75,89等. 四元(-H),五元,六元(-H)過渡態(tài) 氫的重排., M+的相對強度較相應的硫醇強,79,80,正戊基異丙基硫醚,81,胺類化合物, 胺類化合物的M+的RI 較較弱,仲胺,叔胺或大分子伯胺M+峰往往不出現(xiàn),含奇數(shù)個N, M+的m/z 是奇數(shù)值, -鍵斷裂,正電荷帶在含氮的碎片上(N穩(wěn)定正電荷 的能力大于O, S), CnH2n+2N 的含N特征碎片峰,m/z 30, 44, 58,等30+ 14n峰., -H 轉(zhuǎn)移,小分子伯胺,仲