儀器分析第九章質(zhì)譜分析法

1、儀器分析課件第九章質(zhì)譜分析法第一頁，共68頁。質(zhì)譜儀的發(fā)展史質(zhì)譜儀的發(fā)展史1912年年:世界第一臺質(zhì)譜裝置世界第一臺質(zhì)譜裝置40年代年代: 質(zhì)譜儀用于同位素測定質(zhì)譜儀用于同位素測定50年代：年代： 分析石油分析石油60年代：年代：研究研究GC-MS聯(lián)用技術(shù)聯(lián)用技術(shù)70年代：年代：計算機(jī)引入計算機(jī)引入第二頁，共68頁。質(zhì)譜法是一種按照離子的質(zhì)核比（m/z）大小對離子進(jìn)行分離和測定的方法。質(zhì)譜法的主要作用是：（1）準(zhǔn)確測定物質(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，首先將分子離子化，然后利用離子在電場或磁場中運(yùn)動的性質(zhì)，把離子按質(zhì)核比大小排列成譜，此即為質(zhì)譜。第三頁，共68頁。質(zhì)譜法

2、分類：質(zhì)譜法分類：按用途分有機(jī)質(zhì)譜無機(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)用第四頁，共68頁。第二節(jié)第二節(jié)質(zhì)譜分析的原理與儀器質(zhì)譜分析的原理與儀器一、質(zhì)譜分析的過程與原理一、質(zhì)譜分析的過程與原理第五頁，共68頁。1、進(jìn)樣化合物通過汽化引入離子化室；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第六頁，共68頁。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)：)

3、 1 (212mvzH 第七頁，共68頁。5、加速離子進(jìn)入一個強(qiáng)度為H的磁場，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，改變加速電壓或磁場強(qiáng)度，則不同m/z的離子依次通過狹縫到達(dá)檢測器，形成質(zhì)量譜，簡稱質(zhì)譜。第八頁，共68頁。q進(jìn)樣系統(tǒng)進(jìn)樣系統(tǒng)(inlet system) q離子源離子源(ion source)q質(zhì)量分析器（質(zhì)量分析器（mass analyzer）q檢測器（檢測器（detecter） q真空系統(tǒng)（真空系統(tǒng)（Vacuum system）二、質(zhì)譜儀的組成二、質(zhì)譜儀的組成第九頁，共68頁。1、樣品引入系統(tǒng)氣體直接導(dǎo)入或用氣

4、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)樣探頭第十頁，共68頁。Heated GasHENNebulizerWater VaporWater VaporDry AerosolNebulizer GasMakeup GasSweepGas InSweepGas OutSample Flow InHeater進(jìn)樣系統(tǒng)進(jìn)樣系統(tǒng)第十一頁，共68頁。Laser Ablation of Plastics Applying Different Wavelenghts1064 nm308 nm248 nm第十二頁，共68頁。對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OCH2OHO

5、HOHHOHOOCH2OSiMe3OSiMe3OSiMe3Me3SiOMe3SiOMe3SiCl第十三頁，共68頁。 2、 離子源離子源(ion source)主要作用是使分析物的分子離子化主要作用是使分析物的分子離子化電子電離源電子電離源(electron ionization EI)化學(xué)電離源化學(xué)電離源(chemical ionization CI)快原子轟擊快原子轟擊(fast atom bombardment FAB)電噴霧源電噴霧源(electronspray ionization ESI)大氣壓化學(xué)電離（大氣壓化學(xué)電離（atmospheric pressure chemical i

6、onization APCI)基質(zhì)輔助激光解吸電離（基質(zhì)輔助激光解吸電離（matrix assisted laserDesorption ionization MALDI)第十四頁，共68頁。（1） 電子電離源電子電離源(electron ionization EI)由陰極發(fā)射電子束，通過離子化室到達(dá)陽極，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，使電子沿螺旋軌道前進(jìn)，增加碰撞機(jī)會，提高靈敏度。第十五頁，共68頁。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；v 不能汽化的樣品不能分析；v 有些樣品得不到分子離子；第十六頁，共68頁。（

7、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+第十七頁，共68頁。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，圖譜簡單，易于解釋；v不適于難揮發(fā)成分的分析。第十八頁，共68頁。 （3）快原子轟擊）快原子轟擊(fast atom bombardment FAB)高能量的Xe原子轟擊涂在靶上的樣

8、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。第十九頁，共68頁。（4）電噴霧源）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方向圖2-1 樣品在ESI接口中的離子化過程第二十頁，共68頁。特點(diǎn)：特點(diǎn)：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

9、二十一頁，共68頁。3、質(zhì)量分析器、質(zhì)量分析器(mass analyzer)1 單聚焦分析器（單聚焦分析器（single focusing mass analyzer）2 雙聚焦分析器（雙聚焦分析器（double focusing mass analyzer）3 四極桿分析器四極桿分析器 (quadrupole analyzer)4 離子阱分析器離子阱分析器 (Ion trap)5 飛行時間分析器飛行時間分析器(time of flight）6 富立葉變換離子回旋共振富立葉變換離子回旋共振 （Fourier tranform ion cyclotron resonance）第二十二頁，共68頁

10、。（1）單聚焦分析器（single focusing mass analyzer）1）結(jié)構(gòu)：扇形磁場（可以是1800 900600等）第二十三頁，共68頁。原理：原理：由（3）式可知：)3(222VrHZm離子的m/Z大，偏轉(zhuǎn)半徑也大，通過磁場可以把不同離子分開；當(dāng) r 為儀器設(shè)置不變時，改變加速電壓或磁場強(qiáng)度，則不同m/z的離子依次通過狹縫到達(dá)檢測器，形成質(zhì)譜。第二十四頁，共68頁。（2）雙聚焦分析器）雙聚焦分析器（Double focusing mass analyzer）第二十五頁，共68頁。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，運(yùn)動半

11、徑差異，難以完全聚集。解決辦法： 加一靜電場Ee，實(shí)現(xiàn)能量分散：eMeeRERmvE22eMeEER2對于動能不同的離子，通過調(diào)節(jié)電場能，達(dá)到聚焦的目的。雙聚焦分析器的特點(diǎn)：分辨率高第二十六頁，共68頁。（3）四極桿分析器）四極桿分析器 (quadrupole analyzer)第二十七頁，共68頁。直流電壓直流電壓Vdc交流電壓交流電壓Vrf頻率為射頻區(qū)第二十八頁，共68頁。結(jié)構(gòu):四根棒狀電極，形成四極場 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)量的離子可通過四極場，到達(dá)檢測器。在一定的（Vdc/Vrf)下，改變V

12、rf 可實(shí)現(xiàn)掃描。特點(diǎn)：掃描速度快，靈敏度高 適用于GC-MS第二十九頁，共68頁。+-第三十頁，共68頁。霧化氣噴霧針小孔板氣簾氣聚焦環(huán)一級四極桿碰撞四極桿二級四極桿碰撞氣小孔電壓 聚焦環(huán)電壓 一級四極桿電壓碰撞四極桿電壓二級四極桿電壓圖2-2 MS/MS儀器結(jié)構(gòu)圖；各項主要電參數(shù)及氣體參數(shù)含義第三十一頁，共68頁。170937765圖2-5 m/z =170的分子離子峰的子離子掃描圖NH第三十二頁，共68頁。NHNH2M1+H+m/z 170m/z 93m/z 77m/z 65第三十三頁，共68頁。（4）離子阱分析器）離子阱分析器Ion Trap Analyzer特點(diǎn)：q結(jié)構(gòu)簡單q靈敏度高

13、q適于小型聯(lián)用儀器（GC-MS）第三十四頁，共68頁。（5）飛行時間分析器）飛行時間分析器Time of Flight Analyzer 試樣入口電子發(fā)射柵極1-270V柵極2 2.8kV接收器抽真空第三十五頁，共68頁。特點(diǎn) 儀器結(jié)構(gòu)簡單,不需要磁場、電場等； 掃描速度快，可在10-5 s內(nèi)觀察到整段圖譜； 無聚焦狹縫，靈敏度很高； 可用于大分子的分析（幾十萬原子量單位），在生命科學(xué)中用途很廣；第三十六頁，共68頁。4、 真空系統(tǒng)真空系統(tǒng) 離子源的真空度應(yīng)達(dá)到離子源的真空度應(yīng)達(dá)到10-3-10-5 Pa，質(zhì)量分析器應(yīng)達(dá)到質(zhì)量分析器應(yīng)達(dá)到10-6 Pa。真空裝置：真空裝置：機(jī)械真空泵機(jī)械真空泵

14、 擴(kuò)散泵擴(kuò)散泵 分子渦輪泵分子渦輪泵第三十七頁，共68頁。5、 檢測器檢測器(detector) 電子倍增器電子倍增器第三十八頁，共68頁。6、檢測器的性能指標(biāo)（1）質(zhì)量范圍指所能檢測的M/Z范圍四極質(zhì)譜 M/Z小于或等于1000磁式質(zhì)譜 M/Z可達(dá)到幾千飛行時間質(zhì)譜 M/Z可達(dá)到幾十萬（2）掃描速度指掃描一定質(zhì)量范圍所需時間例如GC-MS： M/Z 1-1000所需時間1s第三十九頁，共68頁。（3）分辨率R質(zhì)譜對相鄰兩質(zhì)量組分分開的能力MMR例如：CO+27.9949N2+28.006125009949.270061.289949.27MMR四極質(zhì)譜恰好能將此分開.第四十頁，共68頁。但是

15、: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時的樣品量。第四十一頁，共68頁。第三節(jié)常見化合物的質(zhì)譜一、烴類質(zhì)譜1、烷烴71574329第四十二頁，共68頁。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，因為碎片可繼續(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第四十三頁，共68頁。2、烯烴（1）具有烷烴的特征（2

16、）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+第四十四頁，共68頁。3、芳烴易發(fā)生芐基斷裂，生成芐基離子C2H2-26C2H2 -26M /Z 91M /Z 91M /Z 39M /Z 65第四十五頁，共68頁。39 65 91 92 M / Z 第四十六頁，共68頁。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） CH3

17、CH = OH M / Z 45第四十七頁，共68頁。C3H7 CH CH3OHC3H7CHOHCHCH3OHM/Z = 73M/Z = 45M/Z = 88M-H2OM-CH3M-1M45 70 73 88第四十八頁，共68頁。酚類：（1）失去 C = OM/Z28（2）失去 H2OM/Z18（3）具有苯的特征第四十九頁，共68頁。（2）醛、酮、醚辛酮4CH3CH2CH3CCH2CH2CH2CH3OM/Z12843715785M/Z12885715743第五十頁，共68頁。第五十一頁，共68頁。再例如對羥基苯甲醛第五十二頁，共68頁。醚類乙基異丁基醚CH3CH2CHOCH2CH3CH3斷裂斷

18、裂第五十三頁，共68頁。（3） 鹵素化合物RX + R+ + X RCH2X+R + CH2 = X+如果是長鏈烴類，則可能有下列途徑第五十四頁，共68頁。（4）胺類CH3（CH2）8CH2NH2+CH3（CH2）8.CH2 = NH2+M / Z = 30醇、醚、酮等化合物均無此分裂。第五十五頁，共68頁。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，還有一個很高的峰，質(zhì)量58，以及另兩個峰，質(zhì)量86和100。這是由于發(fā)生了重排：第五十六頁，共68頁。+M/Z = 86M/Z = 100第五十七頁，共68頁。CCH2H2C

19、CH2COHHHHH2CCH2COHCH3HHH2CC+M/Z = 86M/Z = 100HCCH2COH3+M/Z = 58M/Z = 58第五十八頁，共68頁。+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。第五十九頁，共68頁。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。第六十頁，共68頁。（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六十一頁，共68頁。再例如：解釋下列化合物的質(zhì)譜 M/Z=108 的來源M/Z=108+第六十二頁，共68頁。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)，因為一個有機(jī)化合物不可能失去4-14個氫而