[材料科學]質譜-ppt.ppt

1、質譜法 (Mass Spectrometry, MS),原子質量單位： Amu, u, Da 氫原子：1u=1.6605410-23g 12C=12u, 在非精確測量中，常直接以原子或分子量大小來表示。 Amu, u, Da,地球的質量為5.976l027克，這是根據(jù)萬有引力定律測定的。地球質量的確定提供了測定其他天體質量的依據(jù)。從地球的質量可得出地球的平均密度為552克/厘米3。,1 概述 2 質譜分析原理及質譜儀 3 質譜圖上離子的主要類型 4 各類有機化合物的斷裂規(guī)律及質譜圖 5 質譜法的應用,3.1 概述,1 方法概述,以某種方式使有機化合物的分子電離、碎裂，然后按照離子的質荷比（m/

2、z）大小把生成的各種離子分離，檢測它們的強度，并將其排列成譜，這種研究物質的方法稱作質譜法。,2 質譜儀的發(fā)展史 1912年:世界第一臺質譜裝置 40年代: 質譜儀用于同位素測定 50年代：分析石油 60年代：研究GC-MS聯(lián)用技術 70年代：計算機引入,90年代：由于生物分析的需要，一些新的離子化方法得到快速發(fā)展，如快原子轟擊離子源，基質輔助激光解吸電離源，電噴霧電離源，大氣壓化學電離源等。,目前：出現(xiàn)了比較成熟的液相色譜-質譜聯(lián)用儀，感應耦合等離子體質譜儀，富立葉變換質譜儀等。質譜分析法已廣泛地應用于化學、化工、材料、環(huán)境、地質、能源、藥物、刑偵、生命科學、運動醫(yī)學等各個領域。,樣品元素組

3、成； 物質的相對分子質量； 物質的結構信息-結構不同，分子的碎片不同(質荷比不同)； 復雜混合物的定性定量分析-與色譜方法聯(lián)用(GC-MS)； 樣品中原子的同位素比。,3、質譜圖上提供的信息,3.2 質譜分析原理及質譜儀,3.2.1質譜儀的基本結構,質譜儀是通過對樣品電離后產(chǎn)生的具有不同的 m/z 的離子來進行分離分析的。,為了獲得離子的良好分離和分析效果，避免離子損失，凡有樣品分子及離子存在和通過的地方，必須處于真空狀態(tài)。,質譜儀包括進樣系統(tǒng)、電離系統(tǒng)、質量分析系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)。,Agilent7500系列ICP-MS,等離子體又叫做電漿，是由部分電子被剝奪后的原子及原子被電離后產(chǎn)生的正負電子

4、組成的離子化氣體狀物質，它廣泛存在于宇宙中，常被視為是除去固、液、氣外，物質存在的第四態(tài)。等離子體是一種很好的導電體，利用經(jīng)過巧妙設計的磁場可以捕捉、移動和加速等離子體。,質譜法分類：,3.2.2 質譜儀各部分的工作原理,1、真空系統(tǒng) 質譜儀的離子產(chǎn)生及經(jīng)過系統(tǒng)必須處于高真空狀態(tài)（離子源真空度應達1.310-41.310-5Pa，質量分析器中應達1.310-6Pa）。其作用是減少離子碰撞損失。 真空度過低，將會引起： a）大量氧會燒壞離子源燈絲； b）引起其它分子離子反應，使質譜圖復雜化； c）用作加速離子的幾千伏高壓會引起放電。,分子真空泵 它是利用高速旋轉的轉子把動量傳輸給氣體分子，使之獲

5、得定向速度，從而被壓縮、被驅向排氣口后為前級抽走的一種真空泵。這種泵具體可分為： 1)牽引分子泵 氣體分子與高速運動的轉子相碰獲得動量，被驅送到泵的出口。 2)渦輪分子泵 靠高速旋轉的動葉片和靜止的定葉片相互配合來實現(xiàn)抽氣的。這種泵通常在分子流狀態(tài)下工作。 3)復合分子泵 它是由渦輪式和牽引式兩種分子泵串聯(lián)組合起來的一種復合型的分子真空泵。 擴散泵的原理：在前級真空泵所造成的低真空條件下，加熱泵內硅油，使受熱沸騰蒸發(fā)，生成蒸氣，以極高速度通過該泵的各級噴口的縫隙噴出，使容器內部的氣體分子擴散到蒸汽中被帶到前級真空泵所能作用的位置，由前級真空泵迅速抽出，使系統(tǒng)達到高真空的要求。,一般質譜儀都采用

6、機械泵預抽空后，再用高效率擴散泵連續(xù)地運行以保持真空。現(xiàn)代質譜儀采用分子泵可獲得更高的真空度。,要求： 大氣壓下的樣品要進入高真空的質譜儀，而不影響儀器的真空度。,2、進樣系統(tǒng) 進樣系統(tǒng)的作用是高效重復地將樣品引入到離子源中。,進樣裝置有： 間歇式進樣、 直接探針進樣 色譜進樣系統(tǒng) （GC-MS、 HPLC-MS） 高頻感藕等離子體進樣系統(tǒng) （ICP-MS）,如圖所示。注入樣品(10-100g)貯樣器(1L-3L)抽真空并加熱樣品蒸汽分子(壓力陡度)漏隙高真空離子源。,1） 間歇式進樣：適于 氣體、沸點低且易揮發(fā)的液體、中等蒸汽壓固體。(可控漏孔）,2）直接探針進樣：高沸點液體及固體 探針桿通

7、常是一根規(guī)格為25cm6mm，末端有一裝樣品的黃金杯(坩堝)，將探針桿通過真空閉鎖系統(tǒng)引入樣如圖所示。,300-4000c,3) 色譜進樣：利用氣相和液相色譜的分離能力，與質譜儀聯(lián)用，進行多組份復雜混合物分析。,優(yōu)點： 引入樣品量小，樣品蒸汽壓可以很低；,3、電離源 電離源的功能是將進樣系統(tǒng)引入的氣態(tài)樣品分子轉化成離子。 由于離子化所需要的能量隨分子不同差異很大，因此，對于不同的分子應選擇不同的離解方法。 通常稱能給樣品較大能量的電離方法為硬電離方法，而給樣品較小能量的電離方法為軟電離方法，后一種方法適用于易破裂或易電離的樣品。 準分子離子,離子源(ion source),電子電離源(elec

8、tron ionization EI) 化學電離源(chemical ionization CI) 快原子轟擊(fast atom bombardment FAB) 電噴霧源(electronspray ionization ESI) 大氣壓化學電離（atmospheric pressure chemical ionization APCI) 基質輔助激光解吸電離（matrix assisted laser Desorption ionization MALDI),1）電子電離源 電子電離法是通用的電離法，是使用高能電子束從試樣分子中撞出一個電子而產(chǎn)生正離子，即,式中M為待測分子，M+。為分子

9、離子或母體離子。,奇電子離子,偶電子離子,燈絲：2000,可在平行電子束的方向附加一弱磁場，使電子沿螺旋軌道前進，增加碰撞機會，提高靈敏度。,電加熱銻或鎢的燈絲產(chǎn)生高速電子束，其能量為107OeV。當氣態(tài)試樣由分子漏入孔進入電離室時，高速電子與分子發(fā)生碰撞，若電子的能量大于試樣分子的電離電位，將導致試樣分子的電離：,在電子轟擊電離中，樣品分子M受到一定能量的 (如70 eV) 的電 子轟擊后，生成分子離子M+。有機化合物的電離能在10 eV左右， 所以 M+ 具有很高的過剩能量，還可能進一步碎裂，產(chǎn)生碎片離子 F+等。 這些離子在離子源中被加速電壓 (Vacc) 加速后具有一定的動能：,M +

10、 e M+ + 2e M+ F+ + N A+ + B + N .,是1980年以前的主要離子化方式,只能用于遠遠小于生物有機分子的小分子(400Da以下)的檢測。 樣品需經(jīng)過汽化(通常熱解吸附)進入電離區(qū),與電子流撞擊. 電子流傳遞部分能量(多小于6ev)形成離子及部分碎片.,正癸烷,EI的優(yōu)缺點,優(yōu)點 1.高的靈敏度 2.有達10萬個化合物的數(shù)據(jù)庫可快速檢索 3.可根據(jù)碎片方式鑒定未知物 4.從碎片離子判定結構,缺點 1.質量范圍小 2.有可能汽化前發(fā)生解離 3.碎片過多有時看不到分子離子,（2）化學電離源 在質譜中可以獲得樣品的重要信息之一是其相對分子質量。但某些物質的分子經(jīng)電子轟擊產(chǎn)生

11、的M+峰往往不存在或其強度很低。必須采用比較溫和的電離方法，其中之一就是化學電離法。,化學電離法是通過離子 - 分子反應來進行， 而不是用強電子束進行電離。 離子與試樣分子按一定方式進行反應，轉移一個質子給試樣或由試樣移去一電子， 試樣則變成帶+1電荷的離子。 化學電離源一般在1.31021.3103Pa （現(xiàn)已發(fā)展為大氣壓下化學電離技術）壓強下工作， 使用時，往離子源中送入反應氣和氣化的樣品， 如甲烷,CH4+和CH3+很快與大量存在的CH4分子起反應，即： CH4+ + CH4 CH5+ + CH3 CH3+ + CH4 C2H5+ +H2,首先用高能電子，使CH4電離 CH4 + e C

12、H4+ + 2e CH4+ CH3+ + H,CH5+和C2H5+不與中性甲烷進一步反應， 一旦小量樣品（試樣與甲烷之比為110000）導入離子源，試樣分子（M）發(fā)生下列反應： CH5+ M MH+ +CH4 C2H5+M M+ C2H6 MH+ 和M+然后可能碎裂，產(chǎn)生質譜。 （M+H）,（M-H）或（M-C2H5）+ 離子很容易測得其相對分子質量。,準分子離子,氫負離子轉移反應,m/z = M-1,質子轉移反應,50,100,150,200,250,300,350,0,100,%,0,100,%,0,100,%,284,282,142,107,71,249,214,177,253,288,

13、284,282,142,107,71,249,214,179,253,288,284,282,249,142,107,71,214,177,253,288,2 pg 六氯苯,60 ng 六氯苯,200 pg 六氯苯,EI譜圖,在TRACE MS EI/70獲得的結果,CI譜圖,50,100,150,200,250,300,350,m/z,0,100,%,0,100,%,0,100,%,200,183,201,217,Scan CI+,183,105,184,211,223,Scan CI+,105,77,51,76,78,182,106,181,152,183,Scan EI+,苯甲酮, EI

14、,苯甲酮,甲烷 CI+,苯甲酮,氨 CI+,EI和PCI的比較 使用甲烷和氨氣,特點： 得到一系列準分子離子（M+1）+,（M-1）+， （M+29）+等等； CI源的的碎片離子峰少，圖譜簡單，易于解釋； 不適于難揮發(fā)成分的分析。,3）電噴霧電離(ESI),結構：噴嘴，霧化氣，干燥氣 原理：噴霧 蒸發(fā) 高電壓,電噴霧通常要選擇合適的溶劑。 除了考慮對樣品的溶解能力外，溶劑 的極性也須考慮。 一般來說，極性溶劑（如甲醇、乙腈、丙酮等）更適合于電噴霧。 對于水溶液，由于液體表面張力較大，ESI 要求的閾電位也較高。為了避免高壓放電，可向噴霧區(qū)引入有效的電子清除劑或使離子源加熱以降低表面張力。,通常

15、小分子得到M+H+ +,M+Na+ 或 M-H-單電荷離子， 生物大分子產(chǎn)生多電荷離子，由于質譜儀測定質/荷比，因此質量范圍只有幾千質量數(shù)的質譜儀可測定質量數(shù)十幾萬的生物大分子。 電噴霧電離是最軟的電離技術，通常只產(chǎn)生分子離子峰，因此可直接測定混合物，并可測定熱不穩(wěn)定的極性化合物； 其易形成多電荷離子的特性可分析蛋白質和DNA等生物大分子；通過調節(jié)離子源電壓控制離子的碎裂（源內CID）測定化合物結構。,ESI優(yōu)缺點,優(yōu)點 1、質量數(shù)可達70，000Da 2、靈敏度高達femtomole級。 3、軟電離，可觀察生物分子非共價反應。 4、易于和LC串聯(lián)，直接分析流速為1ml/min的LC洗脫液。

16、5、沒有基質干擾。 6、適于聯(lián)四極桿質量分析器、離子阱質量分析器做結構分析。 7、帶多電荷，允許質量范圍窄的設備檢測高質量數(shù)的離子。 8、帶多電荷，通過計算平均值給出更精確的質量數(shù)。 9、特別適于測多肽的修飾。 10、樣品前處理簡單可直接分析RP-HPLC脫鹽處理的溶液。,缺點 1、耐鹽能力低。 2、對某些化合物特別敏感，污染難清洗。 3、帶多電荷，在分析混合物時，產(chǎn)生混亂。 4、定量時需內校準。,(4)大氣壓化學電離（atmospheric pressure chemical ionization, APCI） ： 是由ESI源派生出來的，常壓下電暈放電。 噴出的液滴先汽化，隨后空氣中某些中

17、性分子（H2O,N2,O2等）及溶劑分子被電離，發(fā)生化學電離的過程。 適用于弱極性的小分子化合物(M1000)。,大氣壓化學電離（APCI）特點,大氣壓化學電離也是軟電離技術，只產(chǎn)生單電荷峰， 適合測定質量數(shù)小于2000Da的弱極性的小分子化合物； 適應高流量的梯度洗脫/高低水溶液變化的流動相； 通過調節(jié)離子源電壓控制離子的碎裂。,大氣壓電離技術中產(chǎn)生的離子為偶電子離子，其主要的碎片應由化學鍵的誘導斷裂和重排反應來產(chǎn)生。 所以在EI質譜解析中總結出的偶電子離子的開裂規(guī)則一般可適用于CID質譜的解釋。,電噴霧與大氣壓化學電離的比較,電離機理：電噴霧采用離子蒸發(fā)，而APCI電離是高壓放電發(fā)生了質子

18、轉移而生成MH+或M-H-離子。 樣品流速（LG-MS）：APCI源可從0.2到2 mlmin；而電噴霧源允許流量相對較小,一般為0.2-1 mlmin.,斷裂程度；APCI源的探頭處于高溫，對熱不穩(wěn)定的化合物就足以使其分解. 靈敏度：通常認為電噴霧有利于分析極性大的小分子和生物大分子及其它分子量大的化合物，而APCI更適合于分析極性較小的化合物。 多電荷：APCI源不能生成一系列多電荷離子,正負離子模式:,一般的商品儀器中,ESI和APCI接口都有正負離子測定模式可供選擇。 根據(jù)樣品的性質選擇，也可兩種模式同時進行,分子量,非極性,極性,EI/CI,ESI,APCI,100,000,1000

19、,哪種離子化方式?,EI(Electron Impact Ionization):電子轟擊電離硬電離。 CI(Chemical Ionization):化學電離核心是質子轉移。 FD(Field Desorption):場解吸目前基本被FAB取代。 FAB(Fast Atom Bombardment):快原子轟擊或者銫離子 (LSIMS,液體二次離子質譜 ) 。 ESI(Electrospray Ionization):電噴霧電離屬最軟的電離方式。適宜極性分子的分析，能分析小分子及大分子(如蛋白質分子多肽等) APCI(Atmospheric Pressure Chemical Ionizat

20、ion):大氣壓化學電離同上，更適宜做弱極性小分子。 APPI(Atmospheric Pressure PhotoSpray Ionization):大氣壓光噴霧電離同上，更適宜做非極性分子。 MALDI(Matrix Assisted Laser Desorption):基體輔助激光解吸電離。通常用于飛行時間質譜和FT-MS，特別適合蛋白質，多肽等大分子,4、質量分析器(mass analyzer) 單聚焦分析器（single focusing mass analyzer） 雙聚焦分析器（double focusing mass analyzer） 四極桿分析器 (quadrupole a

21、nalyzer) 離子阱分析器 (Ion trap) 飛行時間分析器(time of flight） 富立葉變換離子回旋共振 （Fourier tranform ion cyclotron resonance）,（1）單聚焦分析器（single focusing mass analyzer）,1）結構： 扇形磁場 （可以是1800 900 600等）,電場加速后 zU=(1/2)m2 ( z-電荷；V-電壓； m-質量； -速度),磁場中 Bz = m2/r (B-磁場強度；r-半徑) 推出 m/z=B2r2/2U,離子的m/Z大，偏轉半徑也大，通過磁場可以把不同離子分開； 當 r 為儀器設置

22、不變時，改變加速電壓或磁場強度，則不同m/z的離子依次通過狹縫到達檢測器，形成質譜。,（2）雙聚焦分析器 （Double focusing mass analyzer）,為什么要雙聚焦： 進入離子源的離子初始能量不為零，且能量各不相同，加速后的離子能量也不相同，運動半徑差異，難以完全聚集。,對于動能不同的離子，通過調節(jié)電場能，達到聚焦的目的。,雙聚焦分析器的特點：分辨率高,解決辦法： 加一靜電場E，實現(xiàn)能量分散：,單聚焦（single-focusing）和雙聚焦（double-focusing）質量分析器 單聚焦質量分析器使用扇型磁場，結構簡單，操作方便，但是分辨率低。 雙聚焦質量分析器使用扇

23、型電場及扇型磁場，分辨率高，其缺點是價格貴，操作和調整比較困難。,（3）四極桿分析器 (quadrupole analyzer),四極質量分析器（Quadrupole Mass Analyzer）,由四跟平行的棒狀電極組成而得名。與扇型磁場的質量分析器的原理完全不同。,在一定DC/VC作用下，具有一定m/z的離子能到達收集器，其他離子被濾掉。,結構:四根棒狀電極，形成四極場 A，B棒： (Vdc +Vrf) C，D棒：- (Vdc+ Vrf ) 原理：在一定的Vdc Vrf 下 ， Vdc Vrf (射頻調制,108Hz）,只有一定質量的離子可通過四極場，到達檢測器。 在一定的（Vdc/Vrf

24、)下，改變Vrf 可實現(xiàn)掃描。,由一組平行放置的四根金屬棒構成,用陶瓷絕緣,交錯地聯(lián)結成兩對； 加以方向相反的直流(DC)和射頻(RF)電壓； 加速粒子進入分析器,并按m/z和RF/DC值開始以一種復雜的形式振蕩,穩(wěn)定振蕩的離子通過打拿極射到倍增器上被放大記錄,不穩(wěn)定振蕩的離子打到四極桿上被中和,從而達到質量分離目的.,當質荷比為 m/z 的離子沿 z 軸射入四極場時， 其運動方程為：,這是典型的 Mathieu 方程，a、q 值在穩(wěn)定區(qū)內的離子產(chǎn)生穩(wěn)定振蕩，順利通過四極場到達檢測器； a、q 值在非穩(wěn)定區(qū)的離子產(chǎn)生不穩(wěn)定振蕩而被電極中和。,當一組質荷比不同的離子進入由 DC 和 RF 組成的

25、電場時，只有滿足特定條件的離子作穩(wěn)定振動通過四極桿，到達檢測器。其他離子均作不穩(wěn)定振動而與四極桿相撞，不能通過四極桿。,對于一臺四極質譜儀，其場半徑 r 為固定值， 也選為定值。 若以 a/q = U/V = 常數(shù) 對 V 進行掃描，可使一組不同質量的離子先后進入穩(wěn)定區(qū)而被檢測。 顯然，a/q 比值越大（掃描成的斜率越大），掃描線上穩(wěn)定區(qū)內的質量范圍越窄，儀器的分辨率越高。,四極分析器可以自身串聯(lián)，構成串聯(lián)質譜儀，如 Q1，q，Q2 其中，q 是一個只有射頻電壓的碰撞室， Q1 和 Q2 是兩個分析器。 它還可以與其它質量分析器串聯(lián)，構成雜化型串聯(lián)質譜儀，以綜合利用各種分析器的特點。,ESI

26、Quadrupole MS 的典型結果,From Eckerskorn in “Bioanalytik”, Lottspeich and Zorbas (Eds),優(yōu)點： 1）結構簡單、容易操作、價格便宜； 2）僅用電場而不用磁場，無磁滯現(xiàn)象，掃描速度快，適合與色譜聯(lián)機； 3）操作時的真空度相對較低，特別適合與液相色譜聯(lián)機。 缺點： 1）分辨率不高（R=103-104）； 2）對較高質量的離子有質量歧視效應。,(4)離子阱質量分析器,三維的四極桿，RF加在環(huán)形電極上。,環(huán)形電極,離子阱質譜儀的分析器是由一對環(huán)形電極（ring electrode）和兩個呈雙曲面形的端電極（end cap ele

27、ctrode）組成。在環(huán)形電極上加射頻電壓或再加直流電壓，上、下端蓋電極接地，如圖示。離子阱中心至上下端電極距離為Z，至環(huán)電極內側為r 。,離子被引入阱中后, 經(jīng)RF射頻電壓掃描, 不同質/荷比的離子相繼排出得到檢測。 由于離子在阱內可存儲較長的時間, 增加了離子相互碰撞的機會, 適用于氣相離子反應研究。 突出優(yōu)點在于高靈敏度（低至1018克分子）、快速掃描（5000道爾頓/秒）以及可在一個離子阱檢測器內實現(xiàn)程序掃描多級串聯(lián)質譜功能。,離子阱中離子的運動，可以由 Mathieu 方程給出： 式中各物理量的含義分別由下式給出：,Mathieu 參數(shù) a 和 q 很重要，它們決定了離子運動是否穩(wěn)定

28、。可以用 az 和 qz 為坐標的穩(wěn)定性圖來表示：,圖中，有若干相互交叉的曲線，稱為等線。從左到右的曲線是從0 1的等 z 線；從上到下的曲線則是從0 1的等 r 線。 處于穩(wěn)定區(qū)的離子，即是 r , z = 0 1 的區(qū)域。處于此區(qū)域的離子，在 r 方向或 z 方向的運動振幅均不大，能長期貯存于離子肼中； 穩(wěn)定區(qū)周域以外是不穩(wěn)定區(qū)，處在不穩(wěn)定區(qū)的離子，由于在r 方向或 z 方向的運動振幅過大，會與環(huán)電極或端電極碰撞而導致消亡。,上圖中的 m1、m2 和 m3 分別表示三種離子在質量選擇噴射時的（az, qz）坐標： m1 表示已經(jīng)噴射出去并被檢測的離子； m2 表示正好處在噴射口的離子； m

29、3 表示仍然留在肼中的離子。,當 U = 0, 即此時不加直流電壓。 由 qz 的表達公式及上圖可知，固定的射頻，當逐漸增加 V 時，qz 會隨之增加。 一旦到達qz = 0.908（即圖中m2 所在位置所對應的qz 值）時，離子進入不穩(wěn)定區(qū)，由端蓋電極上的小孔排出。 因此，當V逐漸增高時，質荷比從小到大的離子逐次排出并被記錄而獲得質譜圖。 這就是離子肼進行質量掃描的原理。,除此之外，離子阱還可以貯存離子。 當不加直流電壓時，qz 0.908 的離子均貯于離子阱內。 可根據(jù)需要選擇感興趣的某一質荷比的離子貯存于離子阱內，進行時間上的 MSn 操作。 四極離子肼可直接在肼中使樣品電離，也可使用外

30、部離子源。 前者是在一個端電極上置一微孔，燈絲發(fā)射的電子由此進入阱中使樣品分子電離；后者將在離子源中產(chǎn)生的離子注入肼中進行分析。采用外部離子源可使四極離子阱在分析上得到更廣泛的應用。例如，采用ESI電離源，離子阱可與 HPLC 聯(lián)用，用于生物大分子的結構研究。,離子阱（ion trap） 優(yōu)點： 1）單一的離子阱可實現(xiàn)多極“時間上”的串聯(lián)質譜； 2）結構簡單、價格便宜，性能價格比高； 3）靈敏度高，較四極質量分析器高達10-10000倍； 4）質量范圍大，可達6000。 缺點： 質譜與標準譜有差別。,(5)飛行時間質量分析器 Time-of-Flight Analyzer,在離子源中產(chǎn)生的離子

31、經(jīng)電壓 Vacc 加速后獲得的速度為： 經(jīng)過長度為 L 的漂移管到達檢測器，離子的飛行需要的時間： 可以看出，質荷比大的離子飛行速度越小，到達檢測器的時間也越長，質荷比小的離子先到達檢測器。在通常情況下，離子的飛行時間為微秒數(shù)量級。,所有離子同時啟動 小的離子移動速度快 測量已知距離下的速度(飛行時間),優(yōu)點： 1）檢測離子的質荷比范圍非常寬； 2）特別適合于與脈沖產(chǎn)生離子的電離源（MALDI-TOF）； 3）靈敏度高，適合于作串聯(lián)質譜的第二級； 4）掃描速度快，適合研究極快過程； 缺點： 分辨率隨質荷比的增加而降低。,飛行時間質譜計（time of flight, TOF ）,飛行時間質譜首

32、先要考慮的問題是如何使離子在被注入漂移區(qū)后既無空間發(fā)散又無能量發(fā)散。如果相同質量的離子在不同時間離開離子源或存在能量發(fā)散，分辨率將大為下降。 解決辦法之一是采用離子反射技術，使不同動能的離子得到聚焦。如圖示，在經(jīng)過漂移管后，離子進入減速反射區(qū)；動能較大的離子在該區(qū)中進入較深（存在運動慣性），反射過來所需的時間也較長，這使動能較小的離子可以趕上。因此，經(jīng)過反射，質量相同而動量不同的離子可以同時到達檢測器。,反射飛行時間質量分析器(RETOF-MS),Uref,TOF對真空度的要求非常高10Torr MALDI源一般同時聯(lián)接Time-of-Flight Analyzer和RETOF,(6)傅立葉回

33、旋共振質量分析器fourier Transform-IonCyclotronResonance,假設在激發(fā)電極上加一個高頻電信號，其頻率與某一個質荷比離 子的回旋運動頻率一致，則這個離子將吸收高頻電信號的能量，因 而這個離子的運動速度加快，回旋運動的半徑逐漸加大（圖1-12）。 停止高頻電信號后，該離子將以較大的固定半徑作回旋運動，由于 該離子離檢測電極較近，因而檢測電極被感應而產(chǎn)生高頻電信號 （下頁圖）。這個信號被檢測，其頻率和該離子的回旋運動頻率相 一致，由公式（1）就可計算出該離子的質量。,但必須指出，由于FTICR-MS 是用特定波形的高頻電場，把共振 池中某段質量范圍的離子同時激發(fā)到

34、回旋運動軌道上，并以各自的 回旋頻率作運動，因此，在檢測電極上感應出不只一種頻率電信 號，而是多種頻率電信號的疊加。必須再用傅立葉變換技術，快速 將時域譜變換成頻域譜。按公式（1），可以由頻率換算成質量數(shù)， 從而獲得各個離子的質量及其豐度，即常見的質譜圖。,通過同時激發(fā)分析時內的所有質荷比的離子，通過對檢測信號進行傅立葉變換得到質譜圖。,質量精度最高，達0.001,幾種質量分析器的比較,3.3質量分析器的串聯(lián),串聯(lián)質譜是通過對選定m/z離子反應產(chǎn)物的分析，對目標化合物進行結構鑒定或斷裂機理等方面的研究。 此法不須預先色譜分離,適合復雜混合物體系分析。,若要深入了解離子（包括分子離子和碎片離子）

35、的性質及其反應機 理，僅僅取得常規(guī)質譜數(shù)據(jù)是遠遠不夠的，須結合串聯(lián)質譜技術得到進 一步的結構信息。 M+ 和 F+ 離子的分解反應通常都有許多競爭的反應通道。 因此，常規(guī)質譜記錄的是所有這些連續(xù)和平行反應的總和。,串聯(lián)質譜,第一類儀器利用質譜在空間中的順序，是由兩臺質譜儀串聯(lián)組裝而成。即前面列出的串列式多級質譜儀。 第二類利用了一個質譜儀時間順序上的離子儲存能力，由具有存儲離子的分析器組成， 如離子回旋共振儀（ICR）和離子阱質譜儀。但不能進行母離子掃描或中性丟失。,3.3.1.空間串聯(lián)質譜,1 串聯(lián)四極桿（三級四極桿） triple-Quadrupole Analyzer Q為過濾單元Q為碰

36、撞單元Q為分析單元,4 幾種掃描方式的原理解釋：,（1）Q1 Full Scan (Start Stop)(Q1全掃描) Q1 always used as single MS analyzer Used primarily for ident. of precursor ion,（2）SIM - Selected Ion Monitoring(選擇離子監(jiān)測),Used to optimize analyzer for specific ions SIM used for quantitative analyses Q1 SIM used to “optimize” precursor ion

37、 Maximize signal in preparation for MS/MS,（3) Multiple Reaction Monitoring (MRM) -選擇離子對作多種反應監(jiān)測 (SRM),Many precursor to product ion pairs can be monitored (A-B, A-B, etc.) MRM is the best way to maximize signal intensity of product ions MRM used primarily for quantitation,（4）Neutral Loss Scan(中性丟失掃描)

38、,Q1 式中 a為其中一峰的峰高5%處的峰寬; b為相鄰兩峰的中心距離,(4) 靈敏度（sensitivity） 對于一定樣品（如硬脂酸甲酯），在一定的分辨率情況下，產(chǎn)生一定信噪比（如S/N501）的分子離子峰所需的樣品量。 （5）穩(wěn)定性一定時間內質量漂移情況。,3.6 質譜圖上離子的主要類型,3.6.1 質譜圖 質譜圖是以質荷比（m/z）為橫坐標，相對強度為縱坐標構成。一般將原始質譜圖上最強的離子峰為基峰并定為相對強度為100%，其它離子峰以對基峰的相對百分值表示。,3.6.2 質譜圖上離子峰的類型 分子在離子源中可以產(chǎn)生各種電離，即同一種分子可以產(chǎn)生多種離子峰，主要的有分子離子峰、碎片離子

39、峰、亞穩(wěn)離子峰和同位素離子峰等。 1、分子離子峰 試樣分子在高能電子撞擊下產(chǎn)生正離子，即；,M+為分子離子或母體離子。,分子離子的質量與化合物的分子量相等。,分子離子峰的強度和化合物的結構的關系 各種化合物分子離子峰的相對強度。 (1) 芳香化合物共軛多烯脂環(huán)化合物低分子量直鏈烷烴某些含硫化合物。通常給出較強的分子離子峰。 (2) 直鏈的酮、酯、酸、醛、酰胺、鹵化物等通常顯示分子離子峰。 (3) 脂肪醇、胺、腈、硝酸酯、硝酸酯、縮醛和多支鏈的化合物通常沒有分子離子峰。,若不考慮同位素的影響，分子離子應該具有最高質量。,強度較弱的分子離子峰的確認。 (1) 降低電子能量（通常為70eV）。 (2

40、) 采用軟電離技術。 (3) 樣品化合物衍生化。,質譜圖上質荷比最大的峰一定為分子離子峰嗎？,如何鑒別分子離子峰？,（1) 律,由、X（鹵素）組成的有機化合物，一定是偶數(shù)。 由、組成的有機化合物，奇數(shù)，奇數(shù)。 由、組成的有機化合物，偶數(shù)，偶數(shù)。,（2) 與鄰近的峰相差是否合理,分子離子不可能裂解出三個以上的氫原子和小于一個甲基的基團，故分子離子峰的左面不可能出現(xiàn)小于314個質量單位的峰。,氮規(guī)則 當化合物不含氮或含偶數(shù)個氮時，其分子量為偶數(shù)； 當化合物含奇數(shù)個氮時，其分子量為奇數(shù)。,(3) 分子離子峰(M+ )的辨認 a）最大質量數(shù)的峰可能是分子離子峰。 b）必須是奇電子離子。 c）合理的中性

41、碎片（小分子或自由基）的丟失。M-3 到M-13、M-20到M-25之內不可能有峰。,c)氮規(guī)則 符合上述判斷原則的離子峰-分子離子峰 其中有一項不符合-非分子離子峰,- e,特定位置的電離能 就電離的容易程度而言，雜原子上孤對電子 共軛 電子 電子 電子。 鍵電離： 烷烴：R CR3 R + +CR3 (CH3)2CCH2CH3 (CH3)2C CH2CH3 (CH3)2C+ + CH2CH3 100%,若質量為m1的離子在離開離子源受電場加速后，在進入質量分析器之前，由于碰撞等原因很容易進一步分裂失去中性碎片而形成質量m2的離子，即 m1m2+N,式中 m1+ ：母離子 m2+ ：子離子

42、N： 中性碎片，其質量為m1-m2,5 亞穩(wěn)離子（metastable ion）,由于一部分能量被中性碎片帶走，此時的m2離子比在離子源中形成的m2離子能量小故將在磁場中產(chǎn)生更大的偏轉，觀察到的m/z 較小。 這種峰稱為亞穩(wěn)離子峰，用m*表示。它的表觀質量m*與m1、m2的關系是： m* = （ m2 ）2 / m1 式中m1為母離子的質量， m2為子離子的質量。,穩(wěn)定離子 壽命10-5秒，檢測器記錄 M1 不穩(wěn)定離子 壽命10-6秒，檢測器記錄 M2 亞穩(wěn)離子 壽命10-610-5秒，檢測器記錄M*,亞穩(wěn)離子峰由于其具有離子峰寬（約25個質量單位）、相對強度低、m/z不為整數(shù)等特點，很容易從

43、質譜圖中觀察。 通過亞穩(wěn)離子峰可以獲得有關裂解信息，通過對m*峰觀察和測量，可找到相關母離子的質量與子離子的質量m2從而確定裂解途徑。,亞穩(wěn)離子：,準分子離子：比分子多或少一個H的離子 雙電荷離子和多電荷離子,6 同位素離子峰 有些元素具有天然存在的穩(wěn)定同位素，所以在質譜圖上出現(xiàn)一些M+1，M+2，M+3的峰，由這些同位素形成的離子峰稱為同位素離子峰。,在一般有機分子鑒定時，可以通過同位素峰統(tǒng)計分布來確定其元素組成，分子離子的同位素離子峰相對強度之比符合一定的統(tǒng)計規(guī)律。,同位素峰的相對強度與分子中所含元素的原子數(shù)目及各元素的天然同位素豐度有關。,同位素離子峰的強度比為 (a+b)n 展開后的各

44、項數(shù)值比。,a:輕同位素豐度; b:重同位素豐度; n:該元素在分子中的個數(shù)。,CH2Cl2中，對元素Cl來說， (a+b)n a=3,bl，n2 故（abn=96l， 則其分子離子峰與相應同位素離子峰相對強度之比為: m/z84(M):m/z86(M+2):m/z88(M+4)=9:6:1,同位素離子峰鑒定分子中氯、溴、硫原子。,如:CH3CH2Br 天然豐度% 79Br 50.537% ; 81Br 49.463%,相對強度： M：100% M+2 97.87% 峰強度比：1 1,當分子中含有鹵素氯、溴兩種原子，則同位素相對豐度比為：,(a+b)n(c+d)m,m、n為氯、溴原子的數(shù)目；

45、a、b為氯原子輕、重同位素的天然豐度; c、d為溴原子輕、重同位素的天然豐度,通過分子離子峰與同位素離子峰的相對強度比導出化合物的 分子式 (即利用同位素確定分子式)。,例：某化合物的質譜數(shù)據(jù)：M=181，PM%=100% P(M+1)%=14.68% P(M+2)%=0.97%,查貝諾表,根據(jù)“氮規(guī)則” M=181，化合物分子式為(2)。,利用高分辨質譜儀給出精確分子量，以推出分子式。,如：高分辨質譜儀測定精確質量為166.0630（0.006）。,MW： 166.0570166.0690,3.6 .3 有機質譜中的裂解反應 1 單分子裂解反應 2 重排 麥氏重排 反Diels-Alder重

46、排（RDA）,1 單分子裂解反應 只有一個鍵斷裂 問題：在什么位置斷裂？ 裂解反應只在活性反應中心的鄰近發(fā)生。 什么是活性中心？,（1）離子碎裂反應的活性中心 分子失去一個電子形成的離子 M+ 是一個奇電子離子。,電荷自由基定位理論,M+ OE+ + N EE+ + N,奇電子離子有二個活潑的反應中心，即電荷中心 和自由基中心；,它的裂解反應可能丟失一個偶電子的中性分子或奇電子的中性自由基：,電荷中心 自由基中心,偶電子離子只有電荷中心。 奇電子和偶電子離子均優(yōu)先失去偶電子中性碎片，從而使產(chǎn)物離子的自旋態(tài)保持不變。然而， 分子離子也可能失去一個自由基而生成偶電子離子。,EE+ EE1+ + N

47、,一般情況下，裂解反應只在活性反應中心的鄰近發(fā)生。 對于由活性中心引發(fā)的碎裂反應，活性中心在離子中位置的確定是非常重要的。,電子轉移的表示,：一個電子的轉移；,：一對電子的轉移。,離子正電荷位置的表示,（2 ）分子離子（M+）裂解的三種方式：,(a) 均裂（homolytic bond cleavage）：,自由基引發(fā)（ 斷裂） 反應的動力來自自由基強烈的電子配對傾向。,含飽和雜原子的化合物：,試寫乙醇分子離子裂解,醇、胺、醚、硫醇、硫醚、鹵代物, 斷裂:,含不飽和雜原子的化合物：,羰基化合物, 斷裂,含碳-碳不飽和鍵的化合物：,+,烯丙斷裂,(b) 異裂（heterolytic bond c

48、leavage）：,電荷引發(fā)（誘導效應，i 斷裂） 進行 i 斷裂時，一對電子發(fā)生轉移。,OE+型,EE+型,i 斷裂:,(c) 半異裂（hemiheterolytic bond cleavage）：,當化合物不含O、N等雜原子，也沒有 鍵時，只能發(fā)生 斷裂：,也稱為 斷裂:,半異裂,（ 斷裂）:,（d) 裂解,烷基苯,2 重排（rearrangement) 重排的特點 重排同時涉及至少兩根鍵的變化，在重排中既有鍵的斷裂也有鍵的生成。重排產(chǎn)生了在原化合物中不存在的結構單元的離子。 最常見的重排反應是氫重排裂解。,化合物分子中含有C X（X為O，N，S，C）基團，而且于這個基團相連的鏈上有氫原子

49、，這種化合物的分子離子破碎時， 氫原子可以轉移到X原子上去，同時發(fā)生鍵斷裂。,脫離掉的中性小分子及所產(chǎn)生的重排離子均符合氮規(guī)則。 從離子的質量數(shù)的奇、偶性可區(qū)分經(jīng)簡單斷裂所產(chǎn)生的碎片離子和脫離中性小分子所產(chǎn)生的重排離子。 重排離子質量數(shù)為偶數(shù)。,麥氏重排條件：,含有C=O， C=N，C=S及碳碳雙鍵 與雙鍵相連的鏈上有碳，并在 碳有H原子（氫） 六圓環(huán)過度，H 轉移到雜原子上，同時 鍵發(fā)生斷裂，生成一個中性分子和一個奇電子離子,重排離子如仍滿足條件，可再次發(fā)生該重排。,薄荷酮的麥氏重排,芳香環(huán)的麥氏重排,+,烯烴的麥氏重排,環(huán)氧的麥氏重排,兩次麥氏重排,其他氫重排 氫重排在有機質譜中非常普遍，

50、不僅有上述六元環(huán)過渡態(tài)，也有 四元環(huán)過渡態(tài)及七元環(huán)過渡態(tài)、八元環(huán)過渡態(tài)等。在奇電子離子中 發(fā)生氫重排可以通過游離基引發(fā)，偶電子離子則是通過正電荷中心 引發(fā)；氫重排之后的后續(xù)反應可以是 碎裂，也可以是 i 碎裂。,【脂肪胺】,常見的麥氏重排離子（最低質量數(shù)）,苯環(huán)的鄰位效應,(2) 環(huán)狀化合物的裂解,逆Diels-Alder反應（Retro-Diels-Alder, RDA） 當分子中存在含一個 鍵的六員環(huán)時，可發(fā)生RAD反應。,說明：該重排正好是Diels-Alder反應的逆反應； 含原雙鍵的部分帶正電荷的可能性大些； 當環(huán)上有取代基時，正電荷也有可能在烯的碎片上,4苯基環(huán)己烯的質譜圖,4-苯

51、基環(huán)己烯可能的裂解途徑：,環(huán)已醇質譜圖,離子的主要類型：,3.6.4 有機化合物的一般裂解規(guī)律 1.偶電子規(guī)律: 偶電子離子電離只能產(chǎn)生偶電子離子； 奇電子離子電離既能產(chǎn)生奇電子離子，也能產(chǎn)生偶電子離子。,奇電子離子,偶電子離子,2. 碎片離子的穩(wěn)定性,不飽和烴類化合物,從熱力學角度出發(fā)，在分子離子斷裂過程中，能夠生成穩(wěn)定脆片離子的過程總是優(yōu)先進行，觀測到的碎片離子豐度也高。,烷基苯化合物,基峰,3. Stevenson規(guī)則 奇電子離子裂解過程中，自由基留在電離電位（IP）較高的碎片上，而正電荷留在IP較低的碎片上。,奇電子離子斷裂時支配電荷保留或轉移規(guī)則,（主要） （次要）,4. 最大烷基丟

52、失規(guī)律,當離子中的同一個原子上連接幾個烷基，失去較大烷基概率高。,5 產(chǎn)生電中性小分子的斷裂優(yōu)先 H2O CO、CO2、HCN、CH3CN等小分子。,甲基遷移：,1 飽和烴類,3.6.5 重要有機化合物的斷裂規(guī)律,1) 正構烷烴的裂解規(guī)律：,2021/3/27,198,正癸烷,在CnH 2n+1的系列峰中，一般m/z 43、57峰的相對強度較大,此外，在斷裂過程中，由于伴隨失去一分子氫，故可在各比碎片離子峰低二個質量單位處出現(xiàn)一些鏈烯的小峰；從而在質譜圖上得到實驗式是 CnH 2n-1（即m/z 27、41、55)的另一系列峰,碎片離子C3以上強度遞減，因為碎片可繼續(xù)分裂， 但 C3可重排為C

53、H3CHCH3而穩(wěn)定；,。分子離子峰的強度則隨其相對分子質量的增加而下降，但仍清晰可見。,正癸烷,正十六烷質譜圖,n-C16H34,有機化合物分子離子峰的穩(wěn)定性順序： 芳香化合物共軛鏈烯烯烴脂環(huán)化合物直鏈烷烴酮醚酯胺酸 醇多支鏈烷烴,2. 碎片離子的穩(wěn)定性,3. Stevenson規(guī)則,4. 最大烷基丟失規(guī)律,5 產(chǎn)生電中性小分子的斷裂優(yōu)先 H2O CO、CO2、HCN、CH3CN等小分子。,1.偶電子規(guī)律:,有機化合物的一般裂解規(guī)律,正構烷烴的裂解規(guī)律：,正十六烷質譜圖,n-C16H34,2) 異構烷烴（支鏈烷烴）,5-甲基十五烷 C10H21CHC4H9,CH3,例如5-甲基十五烷C10H

54、21CHC4H9,CH3,169,85,在支鏈處易斷裂，優(yōu)先失去大基團，正電荷留在多支鏈的碳上,m/z=85,m/z=169,5-甲基十五烷C16H34(M=226)的裂解：,m/z=85,m/z=169,在支鏈處的斷裂，伴隨有失去單個氫的傾向，產(chǎn)生較強的CnH2n離子，有時可強于相應的CnH2n+1離子。,5甲基十五烷質譜圖,m,/,z,=,9,9,C,7,1,1,3,C,9,C,1,0,C,1,2,C,1,6,M,1,5,M,5,-,M,e,t,h,y,l,p,e,n,t,a,d,e,c,a,n,e,C,H,3,(,C,H,2,),3,C,H,(,C,H,2,),9,C,H,3,C,H,3

55、,8,5,1,6,9,1,4,1,5,7,-,支鏈烷烴的分子離子峰明顯下降，支化程度高的烷烴檢測不到分子離子峰。,支鏈烷烴的分子離子峰較直鏈烷烴降低。 在支鏈處易斷裂，優(yōu)先失去大基團，正電荷留在多支鏈的碳上，產(chǎn)生CnH2n+1離子。 在支鏈處的斷裂，伴隨有失去單個氫的傾向，產(chǎn)生較強的CnH2n離子，有時可強于相應的CnH2n+1離子。,2) 支鏈烷烴的裂解規(guī)律：,（3） 環(huán)烷烴,環(huán)戊烷,2 烯烴,1- 己烯,-e,.,+,+,.,+,- C2H4,.,+,CnH 2n-1,+,相對雙鍵 -C原子上有氫時,1-丁烯,雙鍵的引入，可增加分子離子峰的強度。分子離子峰比同碳數(shù)的烷烴稍強；,特征系列峰的

56、通式為CnH 2n-1；,“烯系列” （27，41，55，69,CH2 = CH CH2M / Z = 41 CH2 = CH R R CH2 CH2 CH2 CH CH2,+,易發(fā)生烯丙基斷裂；,+.,1丁烯的質譜圖,長鏈烯烴可發(fā)生麥氏重排；,當相對雙鍵 -C原子上有氫時，可發(fā)生McLafferty重排。,1-十六烯C16H32(M=224)的裂解：,1十六烯的質譜圖,3 炔烴 （1）分子離子峰較強。 （2）類似烯烴的炔丙基分裂，炔的a-斷裂產(chǎn)生m/z39的偶電子離子。,（3）端位炔易脫去H，形成很強的M-1峰。,1-戊炔C5H8(M=68)的裂解：,1戊炔的質譜圖,4 芳香族化合物,-H+

57、,39 65 91 92 M / Z,4 芳香族化合物 (1) 烷基取代苯 （a）分子離子峰較強 （b）簡單斷裂生成芐基離子C7H7+，m/z 91的峰一般都較強。 （c）當相對苯環(huán)存在 氫時，易發(fā)生McLafferty重排，m/z 92的峰有相當強度。,（d）苯環(huán)碎片離子依此失去C2H2，化合物含苯環(huán)時，一般可見 m/z 39、51、65、77等峰。,m/z91離子常常可以通過重排而形成，因此分子中不一定存在芐基結構才會產(chǎn)生m/z91的離子峰 。,對腈基叔丁基苯的質譜圖,對腈基叔丁基苯C11H13N(M=159)的裂解：,四元環(huán)過度重排,5 醇和酚 醇類 （2）雜原子存在，形成M/Z 31的

58、離子和M1的離子；,CH3CH2OH（M /Z 46） CH2 = OH M / Z 31,CH3CH2OH（M /Z 46） CH3CH = OH M / Z 45,（1）分子離子峰很弱或不出現(xiàn)。,C3H7 CH CH3,OH,C3H7CH,OH,CHCH3,OH,M/Z = 73,M/Z = 45,M/Z = 88,+,+,（2）易發(fā)生a-斷裂，優(yōu)先失去較大的R基團，生成 m/z(31+14n)峰。小分子醇也出現(xiàn)M-1峰。,醇的重要裂解反應：,(M-C3H7)+,伯、仲和叔三種醇的質譜圖,醇的重要裂解反應：,（2）失水生成M18離子。,1-丁醇,2-丁醇,H,酚類,酚類的分子離子峰很強，往

59、往是基峰。酚易失去CO和CHO形成M28和M29的離子峰。 鄰位效應,苯酚的裂解：,m/z 39,芳香族化合物,-H+,苯酚,(苯甲醇）,苯甲醇,6.醚, 和 i 斷裂反應,醚的重要裂解反應（與醇相似）：,異丙基醚,-CH3,i裂解,碎片離子四元環(huán)過度態(tài)重排,-CH3,+,CH3,CH2,O,+,CH2,CH2,CH2,+,碎片離子麥氏重排,乙基異丁基醚的質譜圖,乙基異丁基醚的裂解：,乙基異丁基醚C6H13O(M=102)的裂解：,醚類化合物 特點： （1）脂肪醚分子離子峰很弱。 （2）易發(fā)生a-斷裂，優(yōu)先失去較大的R基團，生成m/z(31+14n) 31，45，59，偶電子離子峰。 （3）也

60、發(fā)生i-斷裂，生成一系列m/z 29, 43, 57, 碎片離子。 （4） a-斷裂生成的EE+可發(fā)生四元環(huán)氫重排裂解或i-斷裂。,（5）芳香醚的分子離子峰很強，裂解行為和脂肪醚相似，同時具有芳環(huán)碎裂的特征。,苯甲醚C7H8O (M=108)的裂解：,苯甲醚的質譜圖,7 胺類化合物 特點： （1）脂肪胺分子離子峰很弱，芳香胺的分子離子峰相對較強。 （2）易發(fā)生a-斷裂，生成m/z(30+14n) 30，44，58，72，偶電子離子峰。 （3） a-斷裂生成的EE+可發(fā)生四元環(huán)氫重排裂解或i-斷裂。 （4）長鏈的一級胺可發(fā)生取代重排反應，生成m/z58，72，86，100系列峰。而長鏈醇則不發(fā)生