質(zhì)譜--2013625

1、1質(zhì)譜分析法質(zhì)譜分析法（Mass Spectrometry, MS）匯報匯報人：祁倩倩人：祁倩倩導師導師：陳陳平平2質(zhì)譜：就是將樣品轉(zhuǎn)化為運動的氣態(tài)離子碎片，并在磁場中按質(zhì)荷比質(zhì)譜：就是將樣品轉(zhuǎn)化為運動的氣態(tài)離子碎片，并在磁場中按質(zhì)荷比(m/z)(m/z)大小進行大小進行分離記錄的分析方法。分離記錄的分析方法。質(zhì)譜與其它分析方法相比，有以下特點：質(zhì)譜與其它分析方法相比，有以下特點：(1)(1)質(zhì)譜法幾乎是唯一能夠確定有機化合物分子式的方法。低分辨率的質(zhì)譜儀可以測質(zhì)譜法幾乎是唯一能夠確定有機化合物分子式的方法。低分辨率的質(zhì)譜儀可以測定分子量，高分辨率的質(zhì)譜儀不僅可以得準確的分子量定分子量，高分辨

2、率的質(zhì)譜儀不僅可以得準確的分子量( (準確到小數(shù)點后準確到小數(shù)點后3-43-4位位) )，而，而且還可以確定分子式。且還可以確定分子式。(2)(2)質(zhì)譜分析法靈敏度高，試樣通常只需微克級，就可得到一張很好的譜圖，檢出限質(zhì)譜分析法靈敏度高，試樣通常只需微克級，就可得到一張很好的譜圖，檢出限量可達量可達1010-14 -14 g g 。(3)(3)此外，質(zhì)譜法還能根據(jù)各類化合物分子離子斷裂成碎片的規(guī)律，提供豐富的分子此外，質(zhì)譜法還能根據(jù)各類化合物分子離子斷裂成碎片的規(guī)律，提供豐富的分子碎片信息，用于結(jié)構(gòu)分析。碎片信息，用于結(jié)構(gòu)分析。尤其是近年來，計算機在質(zhì)譜上的應用，質(zhì)譜與其它分析方法的聯(lián)用，如氣

3、相色譜尤其是近年來，計算機在質(zhì)譜上的應用，質(zhì)譜與其它分析方法的聯(lián)用，如氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用、液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用、等技術(shù)的發(fā)展，使得質(zhì)譜的應用更為廣泛，作用更質(zhì)譜聯(lián)用、液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用、等技術(shù)的發(fā)展，使得質(zhì)譜的應用更為廣泛，作用更為重要。使它在生命科學、環(huán)境科學、藥物檢測等領域中已成為必不可少的手段。為重要。使它在生命科學、環(huán)境科學、藥物檢測等領域中已成為必不可少的手段。1.1.質(zhì)譜的基本原理質(zhì)譜的基本原理3整個系統(tǒng)是高真空的，氣體樣品從進樣口整個系統(tǒng)是高真空的，氣體樣品從進樣口a a進入離解室，樣品分子被一束高能進入離解室，樣品分子被一束高能量的電子撞擊，結(jié)果使樣品分子發(fā)生各種反應。首先是樣品分子中

4、的一個電量的電子撞擊，結(jié)果使樣品分子發(fā)生各種反應。首先是樣品分子中的一個電子被擊出，形成帶正電荷的自由基分子離子。以甲烷為例：子被擊出，形成帶正電荷的自由基分子離子。以甲烷為例：該分子離子可繼續(xù)反應形成碎片離子，碎片離子可進一步分裂成新的碎片離該分子離子可繼續(xù)反應形成碎片離子，碎片離子可進一步分裂成新的碎片離子。這樣，一個化合物在離子室中可以產(chǎn)生若干個質(zhì)荷比不同的離子，如甲子。這樣，一個化合物在離子室中可以產(chǎn)生若干個質(zhì)荷比不同的離子，如甲烷：烷：這些離子進入一個具有幾千伏電壓的加速區(qū)這些離子進入一個具有幾千伏電壓的加速區(qū)c c，加速后通過狹縫，加速后通過狹縫d d進入磁場進入磁場f f。質(zhì)量為

5、質(zhì)量為m m的離子經(jīng)電場加速后獲得的動能來源于加速電場的勢能，即：的離子經(jīng)電場加速后獲得的動能來源于加速電場的勢能，即：zV = mzV = m 2/22/2而在磁場中，離子運動方向發(fā)生而在磁場中，離子運動方向發(fā)生改變，進行圓周運動。這時，改變，進行圓周運動。這時，只有磁場施加給離子的向心只有磁場施加給離子的向心力力(Hz(Hz ) )與離子的離心與離子的離心力力(m(m 2/r2/r) )相等，才能達到相等，才能達到分析器的出口，被檢測到。分析器的出口，被檢測到。CH4 + eCH4+ 2eCH4 + eCH4CH3CH2CHC+樣品真空泵abcdfqi圖12-26 單聚焦質(zhì)譜儀示意圖m 2

6、/rHz =4合并上述兩式，消去速度合并上述兩式，消去速度 ，可得到公式：，可得到公式：這是質(zhì)譜的基本方程。這是質(zhì)譜的基本方程。m/zm/z稱為質(zhì)荷比，由公式可知，當儀器的加速電稱為質(zhì)荷比，由公式可知，當儀器的加速電壓壓(V)(V)和磁場強度和磁場強度(H)(H)一定時，只有運動半徑為一定時，只有運動半徑為r r的離子才能達到分析器的離子才能達到分析器的出口，被檢測器檢測出來。的出口，被檢測器檢測出來。反過來，如果固定加速電壓反過來，如果固定加速電壓V V和離子運動半徑和離子運動半徑r r，對磁場進行掃描，由，對磁場進行掃描，由于于m/zm/z與與H2H2成正比，當成正比，當H H由小到大改變

7、時，不同質(zhì)荷比的離子就會由小由小到大改變時，不同質(zhì)荷比的離子就會由小到大，依次穿過狹縫到大，依次穿過狹縫q q，被檢測器，被檢測器i i依次接收，從而得到所有依次接收，從而得到所有m/zm/z離子的離子的質(zhì)譜圖。質(zhì)譜圖。二、質(zhì)譜圖二、質(zhì)譜圖一般的質(zhì)譜圖用棒狀圖表示，其橫坐標為不同離子的一般的質(zhì)譜圖用棒狀圖表示，其橫坐標為不同離子的m/z m/z ，縱坐標為，縱坐標為各峰的相對強度。右圖為甲烷各峰的相對強度。右圖為甲烷的質(zhì)譜圖，在不同的的質(zhì)譜圖，在不同的m/zm/z處，有強度處，有強度不同的峰，最高的峰稱為基峰，把不同的峰，最高的峰稱為基峰，把它的強度定為它的強度定為100100，其它峰高相對于

8、，其它峰高相對于它的百分數(shù)為各峰的相對強度。峰的它的百分數(shù)為各峰的相對強度。峰的相對強度表示不同質(zhì)荷比離子的相對含量。相對強度表示不同質(zhì)荷比離子的相對含量。mzH2r22 V=161514131220406080100相對強度m / zM甲烷質(zhì)譜圖M+15p在上圖中，在上圖中，m/zm/z1616的基峰為甲烷打掉一個電子生成的分子離子峰，常的基峰為甲烷打掉一個電子生成的分子離子峰，常用用M+M+表示。甲烷的分子離子較穩(wěn)定，所以它的強度最大，可作為基峰。表示。甲烷的分子離子較穩(wěn)定，所以它的強度最大，可作為基峰。但是，在很多有機化合物的質(zhì)譜中，分子離子峰并不一定是最強峰但是，在很多有機化合物的質(zhì)譜

9、中，分子離子峰并不一定是最強峰( (基基峰峰)。161514131220406080100相對強度m / zM甲烷質(zhì)譜圖M+16 相對分子質(zhì)量和分子式的確定相對分子質(zhì)量和分子式的確定一、分子離子和相對分子質(zhì)量一、分子離子和相對分子質(zhì)量分子失去一個電子生成的自由基分子正離子叫做分子離子。因它只帶一分子失去一個電子生成的自由基分子正離子叫做分子離子。因它只帶一個正電荷，質(zhì)荷比個正電荷，質(zhì)荷比(m/z)(m/z)在數(shù)值上與分子的質(zhì)量相同，因此，在質(zhì)譜中，在數(shù)值上與分子的質(zhì)量相同，因此，在質(zhì)譜中，找到分子離子峰就可確定相對分子質(zhì)量。這是質(zhì)譜的重要應用之一。找到分子離子峰就可確定相對分子質(zhì)量。這是質(zhì)譜的

10、重要應用之一。它比用其它方法，如冰點降低、沸點升高法測定相對分子質(zhì)量簡單得它比用其它方法，如冰點降低、沸點升高法測定相對分子質(zhì)量簡單得多。多。分子離子峰一般是質(zhì)譜圖中質(zhì)荷比最大的峰。但多數(shù)情況下其右側(cè)還伴分子離子峰一般是質(zhì)譜圖中質(zhì)荷比最大的峰。但多數(shù)情況下其右側(cè)還伴隨有弱的同位素峰和反應離子峰。有些化合物的分子離子比較穩(wěn)定，隨有弱的同位素峰和反應離子峰。有些化合物的分子離子比較穩(wěn)定，峰的強度較大，在質(zhì)譜圖譜上容易找到；但有些化合物的分子離子不峰的強度較大，在質(zhì)譜圖譜上容易找到；但有些化合物的分子離子不夠穩(wěn)定，容易生成碎片，此時，這些分子離子峰很弱或幾乎找不到夠穩(wěn)定，容易生成碎片，此時，這些分子

11、離子峰很弱或幾乎找不到( (如如帶支鏈的烷烴、醇類等帶支鏈的烷烴、醇類等) )。這時，可采用降低質(zhì)譜儀撞擊電子流的能量。這時，可采用降低質(zhì)譜儀撞擊電子流的能量的方法，或以其它經(jīng)驗方法來確定分子離子峰。的方法，或以其它經(jīng)驗方法來確定分子離子峰。7分子式的確定分子式的確定確定了相對分子量，并不能寫出分子式，因為多種分子可能具有相同的分子量。那確定了相對分子量，并不能寫出分子式，因為多種分子可能具有相同的分子量。那么，如何確定分子式呢？常用的有兩種方法。么，如何確定分子式呢？常用的有兩種方法。1.1.高分辨率質(zhì)譜法測定分子式高分辨率質(zhì)譜法測定分子式利用高分辨率質(zhì)譜儀測定分子式的依據(jù)是，當規(guī)定利用高分

12、辨率質(zhì)譜儀測定分子式的依據(jù)是，當規(guī)定12C12C的原子質(zhì)量為的原子質(zhì)量為12.000 00012.000 000時，時，其它各元素的原子質(zhì)量嚴格地講都不是整數(shù)。如：其它各元素的原子質(zhì)量嚴格地講都不是整數(shù)。如：1H1H：1.007 8251.007 825，16O16O：45.994 45.994 914914，14N14N：14.003 05014.003 050。因此，即便是有的化合物分子在整數(shù)部分是相同的，但。因此，即便是有的化合物分子在整數(shù)部分是相同的，但其在小數(shù)部分絕對不會相同。其在小數(shù)部分絕對不會相同。因此，只要能足夠精確地測出分子量，就能推斷出分子式?，F(xiàn)代高分辨率質(zhì)譜已能因此，只要

13、能足夠精確地測出分子量，就能推斷出分子式。現(xiàn)代高分辨率質(zhì)譜已能精確到萬分之一，誤差僅為精確到萬分之一，誤差僅為0.0060.006。能夠符合這一精度的，可能的分子式數(shù)目已。能夠符合這一精度的，可能的分子式數(shù)目已經(jīng)很少了。若再配合其它信息，就可從這少數(shù)的幾個分子式中推斷出合理的分子經(jīng)很少了。若再配合其它信息，就可從這少數(shù)的幾個分子式中推斷出合理的分子式。式。例如：用高分辨率質(zhì)譜儀測得試樣例如：用高分辨率質(zhì)譜儀測得試樣M.+M.+為為150.1045150.1045，該化合物在，該化合物在IRIR光譜中有明顯的羰光譜中有明顯的羰基吸收峰，求其分子式?；辗澹笃浞肿邮?。解：若質(zhì)譜儀的誤差是解：若

14、質(zhì)譜儀的誤差是0.0060.006，那么分子量小數(shù)部分的范圍是：，那么分子量小數(shù)部分的范圍是：0.09850.09850.11050.1105，查貝農(nóng)表，質(zhì)量整數(shù)為查貝農(nóng)表，質(zhì)量整數(shù)為150150，小數(shù)部分在這一范圍的可能分子式有，小數(shù)部分在這一范圍的可能分子式有4 4個。個。8 (1) C3H12N5O2, 150.099093 (2) C5H14N2O3, 150.100435(1) C3H12N5O2, 150.099093 (2) C5H14N2O3, 150.100435 (3) C8H12N3, 150.103117 (4) C10H14O, 150.104459(3) C8H12

15、N3, 150.103117 (4) C10H14O, 150.104459 首先，根據(jù)首先，根據(jù)N N規(guī)律，排除規(guī)律，排除(1)(1)和和(3)(3)。 所謂所謂N N規(guī)律是指：當有機分子的分子量為偶數(shù)時，該分子中不含規(guī)律是指：當有機分子的分子量為偶數(shù)時，該分子中不含N N或含偶數(shù)個或含偶數(shù)個N N；當分子量為奇數(shù)時，分子中必含有奇數(shù)個；當分子量為奇數(shù)時，分子中必含有奇數(shù)個N N原子。原子。 再計算再計算(2)(2)和和(4)(4)的不飽和度。的不飽和度。=C+1=C+1(H(HN)/2 N)/2 UN(2)UN(2)5 51 10.50.5(14-2)(14-2)0 0 UN(4)UN(4

16、)10101 10.50.5(14)(14)4 4 由題義可知，分子中有一個羰基，說明至少有一個不飽和度。而由題義可知，分子中有一個羰基，說明至少有一個不飽和度。而(2)(2)的不飽和度為的不飽和度為0 0，也不合理。因此，只有，也不合理。因此，只有(4)(4)才是可能的分子才是可能的分子式。式。 2.2.同位素豐度法推斷分子式同位素豐度法推斷分子式 在自然界中，組成有機化合物的各種元素按其同位素特征可分為在自然界中，組成有機化合物的各種元素按其同位素特征可分為三類：三類： A A類元素：不含同位素的元素，如類元素：不含同位素的元素，如I I、F F、P P等，氫的同位素等，氫的同位素D D含

17、量含量很少很少(0.016%)(0.016%)，?？梢院雎圆挥嫞矚w為，常可以忽略不計，也歸為A A類元素。類元素。 A A1 1類元素：類元素：C C、N N的同位素比普通的多一個中子，質(zhì)量數(shù)多的同位素比普通的多一個中子，質(zhì)量數(shù)多1 1，稱為稱為A A1 1類元素。類元素。 A A2 2類元素：類元素：O O、S S、SiSi、BrBr除了含質(zhì)量數(shù)多除了含質(zhì)量數(shù)多2 2的同位素外，的同位素外，9O O、S S、SiSi還含有質(zhì)量數(shù)多還含有質(zhì)量數(shù)多1 1的同位素。這些同位素在自然界中的相對豐度的同位素。這些同位素在自然界中的相對豐度都是是已知的。都是是已知的。因此，我們可以根據(jù)同位素的豐度和質(zhì)

18、譜圖中同位素峰的相對強度來推因此，我們可以根據(jù)同位素的豐度和質(zhì)譜圖中同位素峰的相對強度來推斷分子式。斷分子式。在質(zhì)譜圖中，同位素離子峰的強度取決于三個因素：在質(zhì)譜圖中，同位素離子峰的強度取決于三個因素：(1)(1)分子式，即分子由什么元素組成。分子式，即分子由什么元素組成。(2)(2)分子中具有同位素的原子的個數(shù)。分子中具有同位素的原子的個數(shù)。(3)(3)同位素的天然豐度。同位素的天然豐度。例如：例如：13C13C的天然豐度為的天然豐度為1.1%1.1%，那么，那么CH4CH4的的M M1(17)1(17)峰的相對強度是峰的相對強度是M.+(16)M.+(16)峰的峰的1.1%1.1%。而乙烷

19、的。而乙烷的M M1(31)1(31)峰的強度是峰的強度是M.+M.+（3030）峰的）峰的2.2%2.2%。由此可見，知道了化合物的分子式，就可計算出由此可見，知道了化合物的分子式，就可計算出M.+M.+，M M1 1，M M2 2峰的相峰的相對強度。對強度。反過來，如果在質(zhì)譜圖中測得了這些峰的相對強度，就可計算或推斷出反過來，如果在質(zhì)譜圖中測得了這些峰的相對強度，就可計算或推斷出分子式。分子式。10科學家貝農(nóng)已根據(jù)公式計算出結(jié)果，并編制成表，稱為貝農(nóng)質(zhì)譜數(shù)據(jù)表。科學家貝農(nóng)已根據(jù)公式計算出結(jié)果，并編制成表，稱為貝農(nóng)質(zhì)譜數(shù)據(jù)表。根據(jù)貝農(nóng)數(shù)據(jù)表，再在質(zhì)譜圖中測得分子離子的質(zhì)量和同位素峰的相對根據(jù)

20、貝農(nóng)數(shù)據(jù)表，再在質(zhì)譜圖中測得分子離子的質(zhì)量和同位素峰的相對強度，就可推測出分子式。強度，就可推測出分子式。如：有一化合物在質(zhì)譜圖上最大的質(zhì)量區(qū)有三個峰，分別是：如：有一化合物在質(zhì)譜圖上最大的質(zhì)量區(qū)有三個峰，分別是：132(M.+)100132(M.+)100，133(M+1)7.85133(M+1)7.85，134(M+2)0.26134(M+2)0.26，試推測其分子式。，試推測其分子式。解：查貝農(nóng)表，質(zhì)量數(shù)為解：查貝農(nóng)表，質(zhì)量數(shù)為132132，相對強度，相對強度M+1M+1峰在峰在7.857.85附近，附近，M+2M+2峰在峰在0.260.26附近的分子式有附近的分子式有4 4個：個：則則

21、N N規(guī)律，分子量為規(guī)律，分子量為132132時，前兩個不合理，時，前兩個不合理，在后兩個中，在后兩個中，C7H16C7H16的的M+1M+1和和M+2M+2峰的峰的相對強度與測定值接近，因此，該化合物相對強度與測定值接近，因此，該化合物的分子式為：的分子式為：C7H16C7H16。C6H14NC7H2NC7H16C8H4M+1M+27.090.227.890.287.820.268.710.3311質(zhì)譜儀的組成質(zhì)譜儀的組成進樣系統(tǒng)進樣系統(tǒng)離子源離子源質(zhì)量分析器質(zhì)量分析器檢測器檢測器1.氣體擴散氣體擴散2.直接進樣直接進樣3.色譜進樣色譜進樣1.電子轟擊電子轟擊2.化學電離化學電離3.場致電離

22、場致電離4.場解析場解析5.快原子轟擊快原子轟擊1.單聚焦單聚焦 2.雙聚焦雙聚焦 3.四級桿四級桿4.離子肼離子肼5.飛行時間飛行時間 1.電子倍增器電子倍增器 2.閃爍檢測器閃爍檢測器 3.法拉第杯法拉第杯4.照相檢測照相檢測p質(zhì)譜儀質(zhì)譜儀一般由進樣進樣系統(tǒng)統(tǒng)、離子源、質(zhì)質(zhì)量分析器、檢測檢測器和記錄記錄系統(tǒng)統(tǒng)等組組成，還還包括真真空系統(tǒng)統(tǒng)和自動動控制數(shù)數(shù)據(jù)處處理等輔輔助設備設備。12質(zhì)量分析器質(zhì)量分析器 作用：將不同碎片按質(zhì)荷比作用：將不同碎片按質(zhì)荷比m/z分開。分開。 質(zhì)量分析器類型：磁分析器（單聚焦、雙聚焦）、飛行時間、質(zhì)量分析器類型：磁分析器（單聚焦、雙聚焦）、飛行時間、四極濾質(zhì)器（

23、四極桿）、離子阱、離子回旋共振等。四極濾質(zhì)器（四極桿）、離子阱、離子回旋共振等。131. 單聚焦質(zhì)量分析器單聚焦質(zhì)量分析器依據(jù)離子在磁場的運動行為，將不同質(zhì)量的離子分開依據(jù)離子在磁場的運動行為，將不同質(zhì)量的離子分開進入分析器前，加速離子的動能為：進入分析器前，加速離子的動能為：zVmv 221HzvRmv2VrHzm222進入分析器后，在磁場進入分析器后，在磁場H作用下，改作圓周運動，只有離心力與作用下，改作圓周運動，只有離心力與向心力相等時，離子才能飛出彎曲區(qū)，即按曲線軌跡飛行。向心力相等時，離子才能飛出彎曲區(qū)，即按曲線軌跡飛行。f離離f向向 質(zhì)譜方程式：質(zhì)譜方程式：14 方向聚焦：相同質(zhì)方

24、向聚焦：相同質(zhì)荷比，入射方向不荷比，入射方向不同的離子會聚；同的離子會聚； 分辨率不高，適合分辨率不高，適合于能量分散較小的于能量分散較小的離子源。離子源。15單聚焦分析器：假定離子的初始能量為零。實際初始能量不單聚焦分析器：假定離子的初始能量為零。實際初始能量不為零且各不相同。具有相同質(zhì)荷比的離子，其初始能量不同為零且各不相同。具有相同質(zhì)荷比的離子，其初始能量不同通過質(zhì)量分析器后也不能完全聚焦在一起。通過質(zhì)量分析器后也不能完全聚焦在一起。離子能量分散對分辨率的影響離子能量分散對分辨率的影響 162. 雙聚焦質(zhì)量分析器雙聚焦質(zhì)量分析器為了消除離子能量分散對分辨率的影響，通常在扇型磁場前為了消除離子能量分散對分辨率的影響，通常在扇型磁場前附加一個扇型電場（靜電分析器），進入電場的離子受到一附加一個扇型電場（靜電分析器），進入電場的離子受到一個靜電力的作用，改做圓周運動：個靜電力的作用，改做圓周運動：e2RmEz EzmRe217雙聚焦質(zhì)量分析器雙聚焦質(zhì)量分析器將電場和磁場配合使用，當靜電將電場和磁場配合使用，當靜電分析器產(chǎn)生的能量色散和磁分析分析器產(chǎn)生的能量色散和磁分析器產(chǎn)生的能量色散，在數(shù)值上相器產(chǎn)生的能量色散，在數(shù)值上相等，方向上相反時，離子經(jīng)過這等，方向上相反時，離子經(jīng)過這兩個分析器后，可以實現(xiàn)能量聚兩個分析器后，可以實現(xiàn)