Bài giảng Phương pháp khối phổ (Phổ khối lượng)

65 trang Gia Huy 25/05/2022 5000

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Phương pháp khối phổ (Phổ khối lượng)", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_phuong_phap_khoi_pho_pho_khoi_luong.pdf

Nội dung text: Bài giảng Phương pháp khối phổ (Phổ khối lượng)

PP KHỐI PHỔ (PHỔ KHỐI LƯỢNG)
CHƯƠNG 14 PHỔ KHỐI LƯỢNG 14.1 Các giai đoạn hình thành khối phổ 14.2 Ion hóa bằng va chạm điện tử 14.3 Kỹ thuật thực nghiệm 14.4 Ứng dụng
CHƯƠNG 14 PHỔ KHỐI LƯỢNG 14.1 Các giai đoạn hình thành khối phổ  Nạp mẫu và làm bay hơi mẫu  Ion hóa mẫu  Phân tách các ion  Thu nhận tín hiệu và biểu diễn thành khối phổ
NẠP MẪU &LÀM BAY HƠI MẪU =200-3000C Mẫu Bay hơi (vài μg) Áp suất thấp Không phân cực (M≈1000) Phân cực (M≈300)
ION HÓA MẪU Va chạm điện tử (Electron Ionization EI) ION Trường điện HÓA MẪU Hóa học Chiếu xạ bằng proton
ION HÓA MẪU Bộ phát trường là “mũi nhọn “ dưới dạng ION các dây dẫn rất mảnh (2,5 μm) hay các HÓA lưỡi nhọn tương tự lưỡi dao cạo BẰNG TRƯỜNG Áp đặt điện áp, các mũi nhọn cho trường ĐIỆN điện có gradient 107 – 1010 V/cm làm cho các e- bị bứt khỏi phân tử do hiệu ứng đường hầm
ION HÓA MẪU hơi a b c d g ION HÓA Đốt nóng cathode volfram hoặc reni tạo BẰNG thành chùm electron (b) VA Chùm electron (b) bay về anode với vận CHẠM tốc rất lớn va đập mạnh vào phân tử mẫu ĐIỆN (TT hơi) làm cho phân tử bị ion hóa TỬ Các ion dương các bản gia tốc c , d với vận tốc rất lớn do hiệu điện thế khoảng 8kV, qua khe g để tới khối phân tách ion
ION HÓA MẪU Khối phổ đồ thu được lặp lại tốt ở miền có NL điện tử 50 – 80 eV ION Ở miền NL thấp(10–25 eV)máy cho số vạch HÓA Ít, cường độ bé, nhưng có NL gần với thế BẰNG năng ion hóa của nhiều hợp chất hữu cơ (7–15 eV) nên được sử dụng trong QT đồng VA nhất các ion phân tử hữu cơ CHẠM I ĐIỆN TỬ E(eV) 25 50 75 100
PHÂN TÁCH ION Các ion dương Bộ các tiểu phân phân có (g) tách khối lượng khác nhau Buồng ion hóa Để đảm bảo chuyển động tự do của các ion, ở buồng ion hóa cũng như ở khối phân tách phải hút chân không tới khoảng 10–6–10–7 mmHg
PHÂN TÁCH ION Phân tách bằng từ Phân tách tứ cực (quadrupole) CÁC KIỂU Dựa vào thời gian bay khác nhau PHÂN (Time – of – flight mass spectrometer) TÁCH ION Phân tách dựa vào sự cộng hưởng từ (Ion – cyclotron resonance ICR) Phân tách hai lần (Phổ khối lượng phân giải cao)
PHÂN TÁCH ION Dưới ảnh hưởng của từ trường H các ion chuyển động theo quĩ đạo tròn bán kính r phụ thuộc vào hiệu điện thế V giữa 2 bản gia tốc c và d, khối lượng m của ion, điện PHÂN tích z của ion và cường độ của từ trường H TÁCH BẰNG TỪ m H 2r 2 (1) g h z 2V i
PHÂN TÁCH ION m H 2r 2 (1) g h z 2V i Với H và V xác định, chỉ các hạt có tỷ số m/z thỏa mãn PT (1) mới đi qua khe h tới bản thu nhận i PHÂN Thay đổi H sẽ làm thay đổi r và các ion có TÁCH m/z khác nhau lần lượt đi qua khe h BẰNG Chỉ phân biệt được các ion sai khác nhau TỪ một đơn vị C Có thể dùng m/e thay cho m/z (z thường bằng 1 → m : khối lượng phân tử ) M (CO, H2CN, C2H4, N2 ) = 28 nhưng thực ra lần lượt = 27,9949; 28,0187; 28,0313; 28,0061
PHÂN TÁCH ION Dựa vào sự phân bố các điện cực gồm hai cặp ống song song, từng cặp hai thanh chéo nối với nhau về phương diện điện. PHÂN Dùng trong hệ thống ghép như GC–MS TÁCH hoặc LC– MS TỨ CỰC Rẻ tiền, kích thước gọn, lấy phổ rất nhanh nhưng độ phân giải thấp, chỉ PT được các ion có M thấp (vài trăm đv C)
PHÂN TÁCH ION PHÂN TÁCH DỰA Các ion được gia tốc bởi điện thế V sẽ có VÀO động năng zV. Các ion có kích thước khác THỜI nhau sẽ bay với thời gian khác nhau từ buồng ion hóa đến điểm tiếp nhận → phân GIAN tách được các ion có m/ z khác nhau BAY KHÁC NHAU
PHÂN TÁCH ION Phân tách tĩnh điện trước, từ trường sau PHÂN TÁCH Đo được PTL chính xác đến một phần triệu HAI đơn vị C với lượng mẫu vô cùng bé LẦN (vài ng/vài pg) A (Phổ a – phân tách bằng Khối + tĩnh điện Lượng b phân tách bằng a b – Phân từ trường g – khe vào Giải g h h – khe ra Cao) i i – bản thu nhận A – khe ở vùng trường tự do
THU NHẬN TÍN HIỆU VÀ GHI PHỔ Tùy yêu cầu, sử dụng các thiết bị khác nhau để thu nhận và khuếch đại tín hiệu Ở PP phổ khối lượng phân giải cao, máy tính sẽ cung cấp bản đồ nguyên tố (thành phần của các ion theo chiều tăng giá trị m / z và được sắp xếp theo từng loại)
CHƯƠNG 14 PHỔ KHỐI LƯỢNG 14.2 Ion hóa bằng va chạm điện tử  QT xảy ra trong buồng ion hóa  Tín hiệu của ion phân tử  Con đường cắt mảnh thành mảnh ion  Các yếu tố cho phối đến sự phân mảnh ion  Ion phân tử đồng vị
QT XẢY RA TRONG BUỒNG ION HÓA Khi r < 0,5 A0), các e- do cathode bắn ra sẽ truyền r NL cho phân tử Sau khi nhận NL phân tử có thể bị mất một hoặc vài điện tử để tạo thành ion phân tử. Quá trình kích thích điện tử xảy ra rất nhanh (10–17 s) nên phân tử tạo thành có cùng cấu hình với phân tử ban đầu
QT XẢY RA TRONG BUỒNG ION HÓA Các ion phân tử ở TT kích thích (nhưng không bị phân rã): NL kích thích→NL dao động, lan truyền trong toàn mạch của phân tử và tại một liên kết nào đó của mạch bị yếu đi (do sự phân cực hoặc do hiệu ứng liên hợp ) sẽ có khả năng bị bẻ gãy (10 –12 – 10 –13 s) Xác suất bẻ gãy một liên kết (xác suất tạo thành mảnh ion tương ứng) phụ thuộc vào độ bền của liên kết, độ lớn của NL kích thích, độ ổn định của các ion tạo thành do tương tác cảm ứng hoặc dạng của đồng phân
QT XẢY RA TRONG BUỒNG ION HÓA [Nếu điện tử bị chuyển lên E kích thích nhưng chưa đủ điều kiện để bẻ gãy liên kết thì thời gian sống của ion phân tử sẽ gia tăng và có thể có sự sắp xếp lại cấu hình ion trong các ion phân tử (10–10–10–11 s)]
TÍN HIỆU CỦA ION PHÂN TỬ Phân tử mất một điện tử →ion phân tử. Điện tử mất đi tại một liên kết bất kỳ nhưng sẽ có sự phân bố lại mật độ điện tích trong toàn mạch rất nhanh chóng (10 – 16 s)V Điện tích sẽ định vị tại nơi có điện tử π tự do hoặc điện tử p hay điện tử d, thường tại vị trí các dị tố (S, O, N) chứa trong các nhóm (C=O , C≡N, C=S ), ở các nối đôi hoặc hệ thống nối đôi như trong các nhân thơm
TÍN HIỆU CỦA ION PHÂN TỬ Peak đặc trưng cho ion phân tử sẽ xuất hiện trên khối phổ đồ nếu ion phân tử không bị phân ly trong thời gian bay từ buồng ion hóa đến bộ thu nhận (10 – 6s) Cường độ peak biểu diễn cho mỗi ion phân tử phụ thuộc vào độ bền của ion phân tử. Nếu NL hoạt hóa khá lớn tức ion phân tử khá bền, cường độ của các peak sẽ khá mạnh
TÍN HIỆU CỦA ION PHÂN TỬ Cường độ của peak Mạnh Trung bình Yếu hoặc vắng ArH Olefine liên hợp Hợp chất béo mạch dài ArF Ar – Br , Ar – I Alkan phân nhánh ArCl ArCO – R Alcol béo bậc ba ArCN ArCH2 – R Dẫn xuất Brom béo và ArNH2 ArCH2 – Cl dẫn xuất Iod béo bậc ba
TÍN HIỆU CỦA ION PHÂN TỬ Quá trình ion hóa phân tử M với tác nhân ion hóa là điện tử có thể xảy ra theo ba cơ chế : a) M + e → M +. + 2 e b) M + e → M Z+ + ( z + 1) e c) M + e → M – . Dễ xảy ra nhất là quá trình tạo cation gốc M+. (viết đơn giản là M+ )
TÍN HIỆU CỦA ION PHÂN TỬ Tăng NL của chùm electron → xác suất tạo ion phân tử M+ tăng lên (cường độ peak ứng với M+ tăng lên) Tiếp tục tăng NL của chùm electron, phầnNL dư sẽ bẻ gãy liên kết trong phân tử tạo thành các mảnh (mang điện tích dương hoặc trung hòa về điện) Thế năng cần thiết để chùm e- bắt đầu tạo được các mảnh ion gọi là thế phân mảnh Khi tăng NL khá lớn sẽ có thể bẻ gãy một lúc nhiều liên kết cho nhiều mảnh ion
TÍN HIỆU CỦA ION PHÂN TỬ I E= 8–12 eV: các chất hữu cơ không có mảnh ion E= 15 –20 eV: chỉ bẻ gãy 1 số E(eV) liên kết yếu → khối phổ chỉ 25 50 75 100 có một số ít vạch Sử dụng PP phân tích khối phổ điện thế thấp (10 – 15 eV) sẽ cho cường độ tương đối của ion phân tử đạt giá trị rất lớn → đây là một biện pháp rất hữu hiệu giúp nhận biết tín hiệu của ion phân tử khi phân tích định lượng các hydrocarbon phức tạp
TÍN HIỆU CỦA ION PHÂN TỬ I E= 30 – 50 eV và cao hơn (nhưng < 100 eV): có thể bẻ gãy bất kỳ một liên kết nào → số vạch trên khối phổ E(eV) xuất hiện đáng kể 25 50 75 100 Trong quá trình ion hóa, NL của các điện tử ion hóa ngày càng giảm xuống sẽ làm giảm xác suất của các quá trình phân ly tiếp theo
CON ĐƯỜNG CẮT ĐOẠN THÀNH MẢNH ION Khi p/tử ABCDE va chạm với các ELECTRON Sự ion hóa ABCDE + e → ABCDE +. + 2 e ABCDE +. → ABC + + DE . hay ABCDE +. → ABC. + DE + ABCDE +. → AB + + CDE . Sự bẻ hay ABCDE +. → AB. + CDE+ gãy các ABC + → AB + + C ion dương hay ABC+ → AB + C+ AB + → A + B+ hay AB + → A + + B (ABC + , AB + , B+ : mảnh ion)
CÁC YẾU TỐ CHI PHỐI SỰ PHÂN MẢNH ION Năng lượng ion hóa YẾU TỐ Quy tắc chẵn electron CHI PHỐI Anthalpy hình thành
CÁC YẾU TỐ CHI PHỐI SỰ PHÂN MẢNH ION E0 –NL hoạt hóa các QT phân hủy ion ẢNH + phân tử M ; E1 –NL của ion phân tử HƯỞNG CỦA E E0 : ion phân tử bị phân thành các ion mảnh Cần chọn E1 thích hợp để vừa ghi nhận được tín hiệu của ion phân tử vừa ghi nhận được khối lượng của các mảnh ion
CÁC YẾU TỐ CHI PHỐI SỰ PHÂN MẢNH ION Nếu E1> E0 không đáng kể: ion phân tử ẢNH đi đến bộ thu nhận mà không kịp phân HƯỞNG hủy hoặc ra khỏi buồng ion hóa và bị CỦA phân hủy ở giữa đường NĂNG LƯỢNG Các ion mảnh được hình thành do sự ION phân hủy xảy ra trên đường đi sẽ không HÓA đến được bộ thu nhận (trừ các ion được hình thành ở trường tự do)
CÁC YẾU TỐ CHI PHỐI SỰ PHÂN MẢNH ION Giả sử ion m1 phân hủy thành ion m2 ở vùng trường tự do trước khi đi vào bộ ẢNH phân tách bằng từ trường, động năng zV HƯỞNG của m1 được phân chia cho ion m2 và tiểu CỦA phân trung hòa (m1 – m2) sẽ tỷ lệ với NĂNG khối lượng của chúng LƯỢNG ION Ion m2 sẽ xuất hiện trên phổ khối lượng HÓA ở vị trí m* / z : 2 * m2 m2 m m2 m1 m1
CÁC YẾU TỐ CHI PHỐI SỰ PHÂN MẢNH ION Các ion hình thành ở vùng trường tự do được gọi là các ion metastable (các peak ẢNH thường có khối lượng không tròn, peak HƯỞNG bị tù và có cường độ nhỏ) CỦA NĂNG Khi một ion phân tử có thể bị phân hủy LƯỢNG theo nhiều hướng khác nhau thì QT nào ION có NL thấp nhất sẽ xuất hiện ưu tiên HÓA trên phổ khối lượng nhiều hơn (ion phân tử đứt nối tại vị trí sẽ tạo thành các ion dương bền nhất)
CÁC YẾU TỐ CHI PHỐI SỰ PHÂN MẢNH ION Các ion chẵn electron bền vững hơn nhiều so với các ion gốc nên sự phân hủy tuân theo quy tắc “ chẵn electron “: Các ion lẻ electron (ion gốc) phân hủy QUY bằng cách mất đi một gốc tự do hoặc một TẮC phân tử trung hòa: CHẴN ELECTRON M+ . → B + + gốc hoặc M+ . → A +. + Phân tử trung hòa A+ . → C + + gốc hoặc A+ . → D +. + Phân tử trung hòa (M+ . , A+ . , D +. : ion gốc có số lẻ e- )
CÁC YẾU TỐ CHI PHỐI SỰ PHÂN MẢNH ION Các ion chẵn electron bền vững hơn nhiều so với các ion gốc nên sự phân hủy tuân theo quy tắc “ chẵn electron “: Các ion chẵn electron luôn luôn phân hủy QUY bằng cách mất đi một phân tử trung hòa để TẮC tạo thành các ion chẵn electron: CHẴN ELECTRON E+ → F + + Phân tử trung hòa (E+ , F+: ion với số chẵn electron )
CÁC YẾU TỐ CHI PHỐI SỰ PHÂN MẢNH ION Các ion chẵn electron bền vững hơn nhiều so với các ion gốc nên sự phân hủy tuân theo quy tắc “ chẵn electron “: Các phân tử trung hòa (H O, CH =CH , QUY 2 2 2 HCN, CH COOH ) được tách dễ dàng ra TẮC 3 khỏi các ion chẵn electron để tạo thành CHẴN các ion chẵn electron ELECTRON Phản ứng tạo phân tử trung hòa dễ xảy ra là vì có NL hoạt hóa thấp do sự hình thành một phần liên kết ở trạng thái chuyển tiếp
CÁC YẾU TỐ CHI PHỐI SỰ PHÂN MẢNH ION Liên kết có NL nhỏ nhất kém bền nhất và bị đứt trước: + + ẢNH H và CH3 rất khó tạo thành vì ΔHf rất HƯỞNG lớn (1500 – 1000 kJ/mol), ngược với sự tạo . . CỦA gốc tự do H và CH3 (200 – 150 kJ/mol) ANTHAPY HÌNH Cation Vinyl, cation phenyl khó tạo thành THÀNH hơn gốc vinyl và gốc phenyl Việc hình thành các cation cũng như các gốc bậc ba dễ hơn bậc hai, bậc hai dễ hơn bậc một
CÁC YẾU TỐ CHI PHỐI SỰ PHÂN MẢNH ION Liên kết có NL nhỏ nhất kém bền nhất và bị đứt trước: Mất 3 – 5 hydro rất khó xảy ra và mất từ ẢNH 4 – 13 đơn vị khối lượng hầu như không HƯỞNG CỦA thể xảy ra (mất nhiều hydro đòi hỏi năng ANTHAPY lượng rất lớn) HÌNH Nếu thấy xuất hiện peak thấp hơn 4 – 13 THÀNH đv khối lượng so với peak của ion phân tử thì có hai khả năng: hoặc peak đang xét không phải là peak ion phân tử, hoặc phổ đó là phổ của một hỗn hợp
CÁC YẾU TỐ CHI PHỐI SỰ PHÂN MẢNH ION Liên kết có NL nhỏ nhất kém bền nhất và bị đứt trước: Việc tách nhóm CH từ ion mảnh tương ẢNH 2 đốiù dễ dàng, nhưng từ ion phân tử là HƯỞNG không thể xảy ra (:CH là một tiểu phân CỦA 2 ANTHAPY có năng lượng rất cao) HÌNH THÀNH Mất đi 14 đv khối lượng từ ion phân tử thì nên nghĩ đến sự có mặt đồng thời của một đồng đẳng kém hợp chất nghiên cứu một nhóm CH2
CÁC YẾU TỐ CHI PHỐI SỰ PHÂN MẢNH ION VÍ DỤ C5H12 + Ion gốc C5H12
Ion gốc + C5H12 (1) và + CH3 Gốc C4H9 (1’) + và Ion mảnh C4H9 Gốc CH3 và Tách CH2 từ phân tử khó khăn nhưng từ ion Tiểu phân Ion mảnh C H + mảnh tương đối dễ 3 7 trung hòa CH2
Ion gốc + C5H12 (2) và + Ion mảnh C2 H5 Gốc C3H7 (2’) và Ion mảnh + C3H7 Gốc C2H5 và Tiểu phân + Ion mảnh C2H5 trung hòa CH2
Ion gốc + C5H12 Tiểu phân + Ion mảnh C3H7 trung hòa CH2 và (1’) và và + Gốc CH3 Ion mảnh C4H9 Phân tử trung Mảnh CH + hoà C3H7 2
CÁC YẾU TỐ CHI PHỐI SỰ PHÂN MẢNH ION Ion phân tử được hình thành có thể bị chuyển vị rồi mới phân mảnh: ABCDE +. → ABECD + . ABECD + . → AB + + ECD . Sự phân mảnh cũng có thể xảy ra theo kiểu cặp ion: ABCDE +. + e → AB + + CDE- Các ion phân tử sinh ra có thể tương tác với các mảnh trung hòa điện làm xuất hiện trên phổ khối lượng các peak có khối lượng lớn hơn M+ : ABCDE +. + DE. → ABCDED +. + E.
ION PHÂN TỬ ĐỒNG VỊ Đa số các nguyên tố trong thiên nhiên gồm hỗn hợp nhiều đồng vị Tỷ lệ hàm lượng của các đồng vị trong thiên nhiên cũng chính bằng tỷ lệ hàm lượng của các hợp chất hoá học chứa đồng vị tương ứng Sự hiện diện đồng thời của các đồng vị của phân tử sẽ làm xuất hiện trên phổ khối lượng các tín hiệu M+, (M – 1)+, (M + 1)+, (M + 2)+ có cường độ của các tín hiệu tỷ lệ với thành phần của các đồng vị của nguyên tố đó trong thiên nhiên
ION PHÂN TỬ ĐỒNG VỊ Số thứ tự Khối Khối lượng Thành phần Ký hiệu nguyên lượng chính xác của trong tự nhiên, nguyên tố tử đồng vị đồng vị % H 1 1,0078 99,985 1 D 2 2,0141 0,015 12 12,0000 98,893 6 C 13 13,0034 1,107 14 14,00031 99,634 7 N 15 15,0001 0,336 16 15,9949 99,759 8 O 17 16,9991 0,037 18 17,9992 0,204 35 34,9698 75,529 17 Cl 37 36,9659 24,471 79 78,9183 50,537 35 Br 81 80,9163 49,463 32 31,9721 95,0 S 33 32,9715 0,76 34 33,9679 4,2
ION PHÂN TỬ ĐỒNG VỊ Hàm lượng 35Cl cao gấp ba lần so với 37Cl nên ion phân tử có chứa Cl sẽ cho hai peak cách nhau 2 đơn vị m/z với cường độ tỷ lệ 3 : 1 Phân tử hay ion mảnh chứa Br sẽ cho hai peak có cường độ xấp xỉ nhau và cách nhau hai đơn vị m/z Đồng vị của 32S chiếm 95,0 %, đồng vị của 34S chiếm khoảng 4%, do đó các hợp chất chứa S sẽ có hai peak phân tử với khối lượng M + và (M + 2)+ (peak của M+2 bằng 4% so với peak của M)
ION PHÂN TỬ ĐỒNG VỊ Hợp chất có chứa N: tín hiệu của ion (M + 1)+ có cường độ bằng 0,37% so với cường độ của ion (M)+ (khối lượng ion phân tử là số lẻ thì phân tử có chứa một số lẻ N và ngược lại) Carbon trong tự nhiên gồm 98,9% 12C và 1,1% 13C; 12 13 tỷ lệ CH4 và CH4 trong metan hoàn toàn tương tự. Khi phân tử đang xét có số C tăng lên thì xác suất tìm thấy 13C cũng tăng lên (cường độ của peak chứa phân tử (M + 1)+ cũng tăng lên) Nếu ion chứa n nguyên tử C thì cường độ của peak đồng vị 13C sẽ bằng nx1,1 % so với peak đồng vị 12C. Muốn tìm số C có trong phân tử, lấy % cường độ của peak (M +1)+ chia cho 1,1
ION PHÂN TỬ ĐỒNG VỊ Một giá trị m/z có thể ứng với vài tiểu phân mà các máy có độ phân giải thấp không thể phân biệt được PP ĐỒNG Ví dụ tiểu phân có m / z = 28 có thể ứng VỊ với H2CN, CO hoặc C2H4 , hay tiểu phân ĐÁNH có m / z = 27 có thể ứng với C2H3 , HCN DẤU Người ta thường sử dụng đồng vị đánh dấu để làm rõ cơ chế phân mảnh (được sử dụng nhiều nhất là deuterium D)
ION PHÂN TỬ ĐỒNG VỊ VD: acetylacetone CH3COCH2COCH3 (M+ = 100) được deuteri hóa thành + CH3COCD2COCH3 ( M = 102) PP Khối phổ của acetylacetone có peak m/z =72 ĐỒNG (M–28), có thể xuất hiện do sự mất CO từ VỊ ion phân tử , hoặc do sự mất C2H4 từ sản ĐÁNH phẩm chuyển vị của ion phân tử DẤU Phổ của CH3COCD2COCH3 có peak m/z = 74 chứng tỏ hai n/tử D vẫn còn ở lại trong ion (M – 28), nghĩa là ion (M – 28) hình thành là do sự tách CO từ phân tử ban đầu
CHƯƠNG 14 PHỔ KHỐI LƯỢNG 14.3 Kỹ thuật thực nghiệm  Khối phổ kế  Cách biểu diễn phổ khối lượng
KHỐI PHỔ KẾ Bộ nạp mẫu và làm bay hơi mẫu CẤU Buồng ion hóa TẠO KHỐI PHỔ Bộ phân tách KẾ Khối thu nhận tín hiệu, khuếch đại và ghi thành phổ
KHỐI PHỔ KẾ CẤU TẠO KHỐI PHỔ KẾ Khối phổ kế được phân loại căn cứ vào tính năng của bộ phân tách (phân tách từ, phân tách tứ cực, phân tách theo thời gian bay và phân tách cộng hưởng ion – cyclotron)
KHỐI PHỔ KẾ NĂNG Khả năng có thể phân biệt hai peak SUẤT ứng với lượng gần nhau nhất M và PHÂN M + ΔM: M GIẢI R CỦA M KHỐI PHỔ R càng lớn:khả năng phân biệt các tiểu phân có khối lượng gần nhau càng cao KẾ VD: - để phân biệt CO (M = 27,9949) với C2H4 (M=28,0313), R = 28/0,0364 ≈ 770 - để phân biệt được N2 (M = 28,0062) với CO, R = 28 / 0,0112 ≈ 2500
CÁCH BIỂU DIỄN PHỔ KHỐI LƯỢNG Dùng các vạch thẳng đứng có chiều cao tỷ lệ với cường độ và có vị trí trên trục nằm ngang tương ứng với tỷ số m/z của mỗi ion Cường độ được sử dụng trên trục CÁCH thẳng đứng là cường độ tương đối của BIỂU mỗi ion, được biểu diễn theo hai cách: DIỄN Chọn peak cao nhất làm peak cơ bản (cường độ 100%) và tính % cường độ của các peak khác so với peak cơ bản. Các peak được sắp xếp theo m/z từ thấp đến cao
CÁCH BIỂU DIỄN PHỔ KHỐI LƯỢNG Biểu diễn cường độ qua đơn vị ion hóa hoàn toàn S: cường độ phần trăm của mỗi peak được tính trên tổng cường độ CÁCH của tất cả các peak có giá trị từ m/z =1 BIỂU đến M (M– khối lượng của ion phân tử), DIỄN hoặc từ một peak có giá trị nào đó đến M, biểu diễn bằng dấu Σ. VD: Σ12 là cường độ được tính theo % tổng cường độ các peak từù m/z =12 đến m/z=M Muốn so sánh cường độ các peak ở các phổ khác nhau thì phải dùng đơn vị ion hóa hoàn toàn S
CHƯƠNG 14 PHỔ KHỐI LƯỢNG 14.4 Ứng dụng  Xác định phân tử khối  Quá trình đồng nhất  Xác định công thức cấu tạo
XÁC ĐỊNH PHÂN TỬ KHỐI Trong điều kiện bình thường peak phân tử thường có cường độ lớn, bên cạnh có thể có các peak (M+1)+, (M+2)+,(M -1)+,(M - 2+) là peak của các đồng vị Nếu ion phân tử tạo ra đủ bền, khối lượng phân tử ược xác định trực tiếp từ peak có giá trị m/z cao nhất và có cường độ không phụ thuộc vào áp suất
XÁC ĐỊNH PHÂN TỬ KHỐI Nếu phân tử không đủ bền ở điều kiện năng lượng ion hóa cao và việc giảm năng lượng ion hóa không hiệu quả, có thể sử dụng PP ION HÓA HÓA HỌC (Chemical Ionization CI) để xác định khối lượng phân tử khi mẫu tương đối dễ bay hơi: Đưa một khí nhẹ như CH4, isobutan hoặc ammonia vào buồng ion hóa cùng với hơi của mẫu. Phân tử chất nghiên cứu sẽ bị proton hóa và tạo ra ion [MH] + : +. +. + . CH4 + e → CH4 + 2 e ; CH4 + CH4 → CH5 + CH3 + + CH5 + M → [ MH] + CH4 Trên khối phổ sẽ thu được peak [ MH] + lớn hơn peak M một đơn vị.
QUÁ TRÌNH ĐỒNG NHẤT Sau khi đã XĐ được peak của ion phân tử và peak của đồng vị, dựa vào tỉ số cường độ giữa các peak đồng vị so với peak của ion phân tử và khối lượng của một số mảnh ion tiếp theo có thể xác định công thức nguyên của chất nghiên cứu VD, một hợp chất có peak (M+1)+ có cường độ bằng 3,3% so với peak M+, có thể suy đoán trong phân tử có ba nguyên tử C Tương tự, nếu khối phổ còn có hai peak ứng với m/z = 94 và m / z = 96 có cường độ gần bằng nhau, có thể dự đóan hợp chất đang xét là CH3Br
XÁC ĐỊNH CÔNG THỨC CẤU TẠO Khi không có sự chuyển vị thì sự sắp xếp các nguyên tử trong phân tử có thể được thiết lập trên cơ sở các mảnh tạo thành: NGUYÊN Quy kết cho mỗi peak trên phổ ứng với TẮC một mảnh phân tử xác định và giải thích CHUNG sự tạo thành ion mảnh đó (Các peak mạnh tương ứng với những ion tạo thành với xác suất cao khi phân mảnh)
XÁC ĐỊNH CÔNG THỨC CẤU TẠO Kiểm tra peak có khối lượng lớn nhất có phải là peak ion phân tử (dựa vào anthalpy hình thành) Kiểm tra các peak gần nhất với peak của XĐ ion phân tử có tương ứng với sự mất các ION tiểu phân trung hòa hợp lý không PHÂN TỬ Xem xét mối tương quan giữa cường độ ion phân tử với cấu tạo Xem khối lượng ion phân tử là chẵn hay lẻ - kiểm tra đặc điểm của nhóm peak đồng vị
XÁC ĐỊNH CÔNG THỨC CẤU TẠO Dựa vào sự khác biệt m/z của ion phân tử với một số ion mảnh, nhận xét sơ bộ về nhóm chức và các thông tin từng phần của XĐ cấu tạo phân tử. Tìm các dãy ion có ích và CÁC cả các ion metastable ION MẢNH (Việc ghi nhớ giá trị m/z của các ion đơn giản tạo ra do quá trình phân mảnh sẽ giúp ích rất nhiều cho việc giải phổ)
XÁC ĐỊNH CÔNG THỨC CẤU TẠO m/z Mảnh ion m/z Mảnh ion 14 CH2 27 C2H3 15 CH3 28 C2H4 C H ; 16 O 29 2 5 H – C ≡ O (aldehyd) 17 OH 30 NO ; NH2 = CH2 CH = OH 18 H O; NH 31 2 2 4 (mũi nền của alcohol – 1) 19 F; H3O CH3 – C = O CH3 – CH2 – CH2 C ≡ N ; 43 CH 26 3 C H CH 2 2 CH3
XÁC ĐỊNH CÔNG THỨC CẤU TẠO Dãy ion đồng đẳng của một số hợp chất Hợp chất Ion đơn giản nhất Dãy ion đồng đẳng + Hydrocarbon C2H5 m / z = 29 29, 43, 57, 71, 85, 99, 113 CH = NH m / z = Amin 2 2 30,44,58,72,86,100 30 Ether, CH = OH m / z = 31 31, 45, 59, 73, 87, 101 Alcohol 2 + Cetone CH3 C ≡ 0 m/z = 43 43, 57, 71, 85, 99, 113 Trong một số trường hợp, để nghiên cứu cấu trúc một cách thật hiệu quả, cần phải kết hợp phương pháp khối phổ với các phương pháp khác như UV-VIS, IR hay NMR