儀器分析質(zhì)譜分析法PPT課件

1、質(zhì)譜儀的發(fā)展史1912年:世界第一臺(tái)質(zhì)譜裝置40年代: 質(zhì)譜儀用于同位素測(cè)定50年代： 分析石油60年代： 研究GC-MS聯(lián)用技術(shù)70年代： 計(jì)算機(jī)引入第1頁(yè)/共69頁(yè)質(zhì)譜法是一種按照離子的質(zhì)核比（m/z）大小對(duì)離子進(jìn)行分離和測(cè)定的方法。質(zhì)譜法的主要作用是：（1）準(zhǔn)確測(cè)定物質(zhì)的分子量（2）根據(jù)碎片特征進(jìn)行化合物的結(jié)構(gòu)分析分析時(shí)，首先將分子離子化，然后利用離子在電場(chǎng)或磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，把離子按質(zhì)核比大小排列成譜，此即為質(zhì)譜。第2頁(yè)/共69頁(yè)質(zhì)譜法分類：按用途分有機(jī)質(zhì)譜無(wú)機(jī)質(zhì)譜同位素質(zhì)譜按原理分單聚焦質(zhì)譜雙聚焦質(zhì)譜四極質(zhì)譜飛行時(shí)間質(zhì)譜回旋共振質(zhì)譜按聯(lián)用方式分氣質(zhì)聯(lián)用液質(zhì)聯(lián)用質(zhì)質(zhì)聯(lián)用第3頁(yè)/共69頁(yè)

2、第二節(jié)質(zhì)譜分析的原理與儀器一、質(zhì)譜分析的過(guò)程與原理第4頁(yè)/共69頁(yè)1、進(jìn)樣化合物通過(guò)汽化引入離子化室；2、離子化在離子化室，組分分子被一束加速電子碰撞（能量約70eV），撞擊使分子電離形成正離子；M M+ + e或與電子結(jié)合，形成負(fù)離子M + e M第5頁(yè)/共69頁(yè)3、離子也可因撞擊強(qiáng)烈而形成碎片離子：4、荷電離子被加速電壓加速，產(chǎn)生一定的速度v，與質(zhì)量、電荷及加速電壓有關(guān)：) 1 (212mvzH 第6頁(yè)/共69頁(yè)5、加速離子進(jìn)入一個(gè)強(qiáng)度為H的磁場(chǎng)，發(fā)生偏轉(zhuǎn)，半徑為：)2(zHmvr 將（1）（2）合并：) 3(222VrHZm當(dāng) r 為儀器設(shè)置不變時(shí)，改變加速電壓或磁場(chǎng)強(qiáng)度，則不同m/z的

3、離子依次通過(guò)狹縫到達(dá)檢測(cè)器，形成質(zhì)量譜，簡(jiǎn)稱質(zhì)譜。第7頁(yè)/共69頁(yè)q進(jìn)樣系統(tǒng)(inlet system) q離子源(ion source)q質(zhì)量分析器（mass analyzer）q檢測(cè)器（detecter） q真空系統(tǒng)（Vacuum system）二、質(zhì)譜儀的組成第8頁(yè)/共69頁(yè)1、樣品引入系統(tǒng)氣體直接導(dǎo)入或用氣相色譜進(jìn)樣液體加熱汽化或霧化進(jìn)樣固體用直接進(jìn)樣探頭第9頁(yè)/共69頁(yè)Heated GasHENNebulizerWater VaporWater VaporDry AerosolNebulizer GasMakeup GasSweepGas InSweepGas OutSample F

4、low InHeater進(jìn)樣系統(tǒng)第10頁(yè)/共69頁(yè)Laser Ablation of Plastics Applying Different Wavelenghts1064 nm308 nm248 nm第11頁(yè)/共69頁(yè)對(duì)于蒸汽壓低的樣品進(jìn)行衍生化后進(jìn)樣例如：葡萄糖變成三甲基硅醚的衍生物OCH2OHOHOHHOHOOCH2OSiMe3OSiMe3OSiMe3Me3SiOMe3SiOMe3SiCl第12頁(yè)/共69頁(yè) 2、 離子源(ion source)主要作用是使分析物的分子離子化電子電離源(electron ionization EI)化學(xué)電離源(chemical ionization CI)

5、快原子轟擊(fast atom bombardment FAB)電噴霧源(electronspray ionization ESI)大氣壓化學(xué)電離（atmospheric pressure chemical ionization APCI)基質(zhì)輔助激光解吸電離（matrix assisted laserDesorption ionization MALDI)第13頁(yè)/共69頁(yè)（1） 電子電離源(electron ionization EI)由陰極發(fā)射電子束，通過(guò)離子化室到達(dá)陽(yáng)極，電子能量70eV，有機(jī)化合物的電離電位8-15eV。可在平行電子束的方向附加一弱磁場(chǎng)，使電子沿螺旋軌道前進(jìn)，增加碰撞

6、機(jī)會(huì)，提高靈敏度。第14頁(yè)/共69頁(yè)特點(diǎn)： v 碎片離子多，結(jié)構(gòu)信息豐富， 有標(biāo)準(zhǔn)化合物質(zhì)譜庫(kù)；v 不能汽化的樣品不能分析；v 有些樣品得不到分子離子；第15頁(yè)/共69頁(yè)（2）化學(xué)電離源(chemical ionization CI)CH4 + e CH4 + + 2eCH4+ + CH4 CH5 + + CH3結(jié)構(gòu)與EI同，但是在離子化室充CH4，電子首先將CH4離解，其電離過(guò)程如下：生成的氣體離子再與樣品分子M反應(yīng)： CH5 + + M CH4 + MH+第16頁(yè)/共69頁(yè)特點(diǎn)： v得到一系列準(zhǔn)分子離子（M+1）+， （M-1）+， （M+2）+等等；vCI源的的碎片離子峰少，圖譜簡(jiǎn)單，易

7、于解釋；v不適于難揮發(fā)成分的分析。第17頁(yè)/共69頁(yè) （3）快原子轟擊(fast atom bombardment FAB)高能量的Xe原子轟擊涂在靶上的樣品，濺射出離子流。本法適合于高極性、大分子量、低蒸汽壓、熱穩(wěn)定性差的樣品。FAB一般用作磁式質(zhì)譜的離子源。第18頁(yè)/共69頁(yè)（4）電噴霧源(electronspray ionization ESI)結(jié)構(gòu)：噴嘴，霧化氣，干燥氣原理：噴霧 蒸發(fā) 電壓噴霧針帶電液滴溶劑揮發(fā)樣品離子小孔板噴霧針尖電壓小孔板電壓電場(chǎng)方向圖2-1 樣品在ESI接口中的離子化過(guò)程第19頁(yè)/共69頁(yè)特點(diǎn)：特點(diǎn)：1 適用于強(qiáng)極性，大分子量的樣品分析適用于強(qiáng)極性，大分子量的樣

8、品分析 如肽，蛋白質(zhì)，糖等如肽，蛋白質(zhì)，糖等2 產(chǎn)生的離子帶有多電荷產(chǎn)生的離子帶有多電荷3 主要用于液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀主要用于液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀第20頁(yè)/共69頁(yè)3、質(zhì)量分析器(mass analyzer)1 單聚焦分析器（single focusing mass analyzer）2 雙聚焦分析器（double focusing mass analyzer）3 四極桿分析器 (quadrupole analyzer)4 離子阱分析器 (Ion trap)5 飛行時(shí)間分析器(time of flight）6 富立葉變換離子回旋共振 （Fourier tranform ion cyclotron

9、 resonance）第21頁(yè)/共69頁(yè)（1）單聚焦分析器（single focusing mass analyzer）1）結(jié)構(gòu)：扇形磁場(chǎng)（可以是1800 900600等）第22頁(yè)/共69頁(yè)原理：由（3）式可知：) 3(222VrHZm離子的m/Z大，偏轉(zhuǎn)半徑也大，通過(guò)磁場(chǎng)可以把不同離子分開(kāi)；當(dāng) r 為儀器設(shè)置不變時(shí)，改變加速電壓或磁場(chǎng)強(qiáng)度，則不同m/z的離子依次通過(guò)狹縫到達(dá)檢測(cè)器，形成質(zhì)譜。第23頁(yè)/共69頁(yè)（2）雙聚焦分析器（Double focusing mass analyzer）第24頁(yè)/共69頁(yè)為什么要雙聚焦：進(jìn)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

10、，運(yùn)動(dòng)半徑差異，難以完全聚集。解決辦法： 加一靜電場(chǎng)Ee，實(shí)現(xiàn)能量分散：eMeeRERmvE22eMeEER2對(duì)于動(dòng)能不同的離子，通過(guò)調(diào)節(jié)電場(chǎng)能，達(dá)到聚焦的目的。雙聚焦分析器的特點(diǎn)：分辨率高第25頁(yè)/共69頁(yè)（3）四極桿分析器 (quadrupole analyzer)第26頁(yè)/共69頁(yè)直流電壓Vdc交流電壓Vrf頻率為射頻區(qū)第27頁(yè)/共69頁(yè)結(jié)構(gòu):四根棒狀電極，形成四極場(chǎng) 1，3棒： (Vdc +Vrf) 2，4棒：- (Vdc+ Vrf )原理：在一定的Vdc Vrf 下 ， 只有一定質(zhì)量的離子可通過(guò)四極場(chǎng)，到達(dá)檢測(cè)器。在一定的（Vdc/Vrf)下，改變Vrf 可實(shí)現(xiàn)掃描。特點(diǎn)：掃描速度快

11、，靈敏度高 適用于GC-MS第28頁(yè)/共69頁(yè)+-第29頁(yè)/共69頁(yè)霧化氣噴霧針小孔板氣簾氣聚焦環(huán)一級(jí)四極桿碰撞四極桿二級(jí)四極桿碰撞氣小孔電壓 聚焦環(huán)電壓 一級(jí)四極桿電壓碰撞四極桿電壓二級(jí)四極桿電壓圖2-2 MS/MS儀器結(jié)構(gòu)圖；各項(xiàng)主要電參數(shù)及氣體參數(shù)含義第30頁(yè)/共69頁(yè)170937765圖2-5 m/z =170的分子離子峰的子離子掃描圖NH第31頁(yè)/共69頁(yè)NHNH2M1+H+m/z 170m/z 93m/z 77m/z 65第32頁(yè)/共69頁(yè)（4）離子阱分析器Ion Trap Analyzer特點(diǎn)：q結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單q靈敏度高q適于小型聯(lián)用儀器（GC-MS）第33頁(yè)/共69頁(yè)（5）飛行時(shí)間分

12、析器Time of Flight Analyzer 試樣入口電子發(fā)射柵極1-270V柵極2 2.8kV接收器抽真空第34頁(yè)/共69頁(yè)特點(diǎn) 儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,不需要磁場(chǎng)、電場(chǎng)等； 掃描速度快，可在10-5 s內(nèi)觀察到整段圖譜； 無(wú)聚焦狹縫，靈敏度很高； 可用于大分子的分析（幾十萬(wàn)原子量單位），在生命科學(xué)中用途很廣；第35頁(yè)/共69頁(yè)4、 真空系統(tǒng) 離子源的真空度應(yīng)達(dá)到10-3-10-5 Pa，質(zhì)量分析器應(yīng)達(dá)到10-6 Pa。真空裝置：機(jī)械真空泵 擴(kuò)散泵 分子渦輪泵第36頁(yè)/共69頁(yè)5、 檢測(cè)器(detector) 電子倍增器第37頁(yè)/共69頁(yè)6、檢測(cè)器的性能指標(biāo)（1）質(zhì)量范圍指所能檢測(cè)的M/Z范圍四

13、極質(zhì)譜 M/Z小于或等于1000磁式質(zhì)譜 M/Z可達(dá)到幾千飛行時(shí)間質(zhì)譜 M/Z可達(dá)到幾十萬(wàn)（2）掃描速度指掃描一定質(zhì)量范圍所需時(shí)間例如GC-MS：M/Z 1-1000所需時(shí)間1s第38頁(yè)/共69頁(yè)（3）分辨率R質(zhì)譜對(duì)相鄰兩質(zhì)量組分分開(kāi)的能力MMR例如：CO+27.9949N2+28.006125009949.270061.289949.27MMR四極質(zhì)譜恰好能將此分開(kāi).第39頁(yè)/共69頁(yè)但是:ArCl+74.9312As+74.921678009216.749312.749216.74MMR需要用高分辨質(zhì)譜.(4) 靈敏度指信噪比大于10時(shí)的樣品量。第40頁(yè)/共69頁(yè)第三節(jié)常見(jiàn)化合物的質(zhì)譜一、

14、烴類質(zhì)譜1、烷烴71574329第41頁(yè)/共69頁(yè)正構(gòu)烷烴的裂解規(guī)律：（1）質(zhì)譜特征是具有質(zhì)量相差14（CH2）單位的CnH2n+1系列；（2）碎片離子C3以上強(qiáng)度遞減，因?yàn)樗槠衫^續(xù)分裂，但 C3可重排為CH3CHCH3而穩(wěn)定；（3）異構(gòu)烷烴（支鏈烷烴）分支處易斷裂：+例如5-甲基十五烷C10H21CHC4H9CH316985第42頁(yè)/共69頁(yè)2、烯烴（1）具有烷烴的特征（2）易發(fā)生烯丙斷裂，生成很強(qiáng)的烯丙離子CH2 = CH CH2M / Z = 41CH2 = CH RR CH2 CH2 CH2 CH = CH2+第43頁(yè)/共69頁(yè)3、芳烴易發(fā)生芐基斷裂，生成芐基離子CH2+C2H2-2

15、6C2H2 -26M /Z 91M /Z 91M /Z 39M /Z 65第44頁(yè)/共69頁(yè)39 65 91 92 M / Z CH3第45頁(yè)/共69頁(yè)二、雜原子的質(zhì)譜(1) 醇和酚醇類（1）雜原子存在，形成M/Z 31的離子和M1的離子；（2）失水生成M18離子。CH3CH2OH（M /Z 46） CH2 = OH M / Z 31CH3CH2OH（M /Z 46） CH3CH = OH M / Z 45第46頁(yè)/共69頁(yè)C3H7 CH CH3OHC3H7CHOHCHCH3OHM/Z = 73M/Z = 45M/Z = 88M-H2OM-CH3M-1M45 70 73 88第47頁(yè)/共69頁(yè)

16、酚類：（1）失去 C = O M/Z28（2）失去 H2OM/Z18（3）具有苯的特征第48頁(yè)/共69頁(yè)（2）醛、酮、醚辛酮4CH3CH2CH3CCH2CH2CH2CH3OM/Z12843715785M/Z12885715743第49頁(yè)/共69頁(yè)第50頁(yè)/共69頁(yè)CHO+OHOHCO+OH+-H-CO-CO-C2H2122121936539+再例如對(duì)羥基苯甲醛第51頁(yè)/共69頁(yè)醚類乙基異丁基醚CH3CH2CHOCH2CH3CH3斷裂斷裂第52頁(yè)/共69頁(yè)（3） 鹵素化合物RX + R+ + X RCH2X+R + CH2 = X+如果是長(zhǎng)鏈烴類，則可能有下列途徑R-(CH2)4-X+R.+X第

17、53頁(yè)/共69頁(yè)（4）胺類CH3（CH2）8CH2NH2+CH3（CH2）8.CH2 = NH2+M / Z = 30醇、醚、酮等化合物均無(wú)此分裂。第54頁(yè)/共69頁(yè)三、分裂和重排（1）麥?zhǔn)现嘏牛∕clafferty）在辛酮-4的質(zhì)譜中，除43、57、71、85和128的質(zhì)譜峰外，還有一個(gè)很高的峰，質(zhì)量58，以及另兩個(gè)峰，質(zhì)量86和100。這是由于發(fā)生了重排：C3H7CC4H9O第55頁(yè)/共69頁(yè)CCH2H2CCH2COHHHHCCH2H2CCH2COHHHCH3HHH2CCH2CCH2COHCH3HHH2CC+M/Z = 86M/Z = 100第56頁(yè)/共69頁(yè)CCH2H2CCH2COHHH

18、HH2CCH2COHCH3HHH2CC+M/Z = 86M/Z = 100H2CCH3COHHCCH2COH3+M/Z = 58M/Z = 58第57頁(yè)/共69頁(yè)YWXCZHWYZCXH+麥?zhǔn)现嘏诺囊?guī)律（1） 雙鍵及r位置上有H原子；（2）雙鍵范圍有酮、醛、酸、酯、C=N、以及烯烴、苯環(huán)化合物等。第58頁(yè)/共69頁(yè)YWXCZHWYZCXH+麥?zhǔn)现嘏诺囊?guī)律（1） 雙鍵及r位置上有H原子；（2）雙鍵范圍有酮、醛、酸、酯、C=N、以及烯烴、苯環(huán)化合物等。第59頁(yè)/共69頁(yè)RHCH2HH+R+（2）環(huán)狀分子的分裂例如：環(huán)己烯可以生成丁二烯和乙烯+第60頁(yè)/共69頁(yè)再例如：解釋下列化合物的質(zhì)譜 M/Z=108 的來(lái)源OOM/Z=108+第61頁(yè)/共69頁(yè)第四節(jié)有機(jī)化合物的質(zhì)譜分析一、分子量的確定規(guī)律：1、分子離子峰一定是質(zhì)譜中質(zhì)量數(shù)最大的峰；2、分子離子峰應(yīng)有合理的質(zhì)量丟失：例如：在比分子離子峰小4-14及20-25質(zhì)量單位處不應(yīng)有離子峰出現(xiàn)，因?yàn)橐粋€(gè)有機(jī)化合物不可能失去4-14個(gè)氫而不斷鏈，但如果斷鏈，失去最小碎片應(yīng)為CH3，質(zhì)量數(shù)為15，同理，不可能失去20-25質(zhì)量單位。3、質(zhì)量數(shù)符合氮規(guī)律，即有機(jī)化合物含奇數(shù)氮原子，分子量為奇數(shù)，含偶數(shù)氮原子（包括0氮原子），分子量為偶數(shù)。第62頁(yè)/共69頁(yè)例如：元