第八章 質(zhì)譜分析課件

1、第八章質(zhì)譜分析法Mass Spectrometry，MS主要內(nèi)容質(zhì)譜法質(zhì)譜法的主要作用是：質(zhì)譜法的主要作用是：（1 1）準確測定物質(zhì)的分子量）準確測定物質(zhì)的分子量（2 2）根據(jù)碎片特征進行化合物的結(jié)構(gòu)分析）根據(jù)碎片特征進行化合物的結(jié)構(gòu)分析8.1 概述M-eM+.A+ + B+.C+ D質(zhì)譜儀的發(fā)展史1912年:世界第一臺質(zhì)譜裝置40年代: 質(zhì)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(shù)70年代：計算機引入 至 今： 廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域： 原子能工業(yè)、石油化工、電子、醫(yī)藥、食品、材料、農(nóng)業(yè)科學(xué)、核物理、電子與離子物理、同位素地質(zhì)學(xué)、有機化學(xué)、生物化學(xué)、地球化學(xué)、臨床

2、醫(yī)學(xué)、考古、環(huán)境監(jiān)測、空間探索對于高分子材料：無法直接測量，可通過軟電離方法測定其主體結(jié)構(gòu)和各種添加劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)。質(zhì)譜法分類：按用途分有機質(zhì)譜無機質(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)用熱重-質(zhì)譜聯(lián)用8.2質(zhì)譜分析的原理與儀器一、原理1、進樣化合物通過氣化引入離子化室；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，形成負離子：M + e M-3、離子也可因撞擊強烈而形成碎片離子；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m、電荷及加速電壓V有關(guān)：

3、21(1)2zVmv5、加速離子進入一個強度為H的磁場，發(fā)生偏轉(zhuǎn)，半徑 r 為：)2(zHmvr 將（1）（2）合并：) 3(222VrHzm當 r 為儀器設(shè)置不變時，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(zhì)量譜，簡稱質(zhì)譜。1、質(zhì)量測定范圍 質(zhì)譜儀的質(zhì)量測定范圍表示質(zhì)譜儀所能夠進行分析樣品的相對原子質(zhì)量（或相對分子質(zhì)量）范圍，通常采用原子質(zhì)量單位（符號u）進行度量。 測定氣體用的質(zhì)譜儀，一般質(zhì)量測定范圍在2100，而有機質(zhì)譜儀一般可達幾千。二、質(zhì)譜儀的主要性能指標2、分辨本領(lǐng) 定義：對兩個相等強度的相鄰峰，當兩峰間的峰谷不大于其峰高10時，則認為兩峰已經(jīng)分開。2

4、、分辨本領(lǐng) 分辨本領(lǐng) R ：mmmmmR11213、靈敏度 質(zhì)譜儀的靈敏度有質(zhì)譜儀的靈敏度有絕對靈敏度、相對靈敏度和絕對靈敏度、相對靈敏度和分析靈敏度分析靈敏度等幾種表示方法。等幾種表示方法。 絕對靈敏度絕對靈敏度是指儀器可以檢測到的最小樣品量；是指儀器可以檢測到的最小樣品量； 相對靈敏度是相對靈敏度是指儀器可以同時檢測的大組分與指儀器可以同時檢測的大組分與小組分含量之比；小組分含量之比； 分析靈敏度分析靈敏度則指輸入儀器的樣品量與儀器輸出則指輸入儀器的樣品量與儀器輸出的信號之比。的信號之比。 第八章質(zhì)譜分析法Mass Spectrometry，MSq進樣系統(tǒng)(inlet system) q離

5、子源(ion source)q質(zhì)量分析器（mass analyzer）q檢測器（detecter） q真空系統(tǒng)（Vacuum system）三、質(zhì)譜儀的組成1、進樣系統(tǒng) 氣體直接導(dǎo)入或用氣相色譜進樣液體加熱汽化或霧化進樣固體用直接進樣探頭進樣一般有兩種方法：加熱進樣法和直接進樣法?；蛘哌M樣一般有兩種方法：加熱進樣法和直接進樣法?；蛘吲c色譜聯(lián)用。與色譜聯(lián)用。加熱進樣法：將樣品在減壓下加熱，再將得到的樣品氣加熱進樣法：將樣品在減壓下加熱，再將得到的樣品氣體以一定速度送入離子化室。體以一定速度送入離子化室。直接進樣法：直接進樣法： 直接將樣品送入離子源。對于熱不穩(wěn)定直接將樣品送入離子源。對于熱不穩(wěn)定

6、樣品、或樣品極少以及難以氣化的樣品適合用此法。樣品、或樣品極少以及難以氣化的樣品適合用此法。對于蒸汽壓低或易分解樣品進行衍生化后進樣例如：葡萄糖變成三甲基硅醚的衍生物OCH2OHOHOHHOHOOCH2OSiMe3OSiMe3OSiMe3Me3SiOMe3SiOMe3SiCl 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)快原子轟擊(fast atom bombardment FAB)電噴霧源(electronspray ionization ESI)大氣壓化

7、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)（1） 電子電離源(electron ionization EI)又稱電子轟擊源，由陰極發(fā)射電子束，通過離子化室到達陽極，電子能量70eV，有機化合物的電離電位8-15eV?？稍谄叫须娮邮姆较蚋郊右蝗醮艌?，使電子沿螺旋軌道前進，增加碰撞機會，提高靈敏度。特點： v 碎片多，結(jié)構(gòu)信息豐富， 有標準化合物質(zhì)譜庫；v 不能氣化的樣品不能分析；v 有些樣品得不到分子離子。（2）化學(xué)電

8、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+特點： v得到一系列準分子離子（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。 （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。適合于高極性、大分子量、低蒸汽壓、熱穩(wěn)定性差

9、的樣品。FAB一般用作磁式質(zhì)譜的離子源。（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方向圖2-1 樣品在ESI接口中的離子化過程特點：適用于強極性，大分子量的樣品分析 如肽，蛋白質(zhì)，糖等2 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

10、）（3） 四極桿分析器 (quadrupole analyzer)（4） 離子阱分析器 (Ion trap)（5） 飛行時間分析器(time of flight）（6） 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）結(jié)構(gòu)：扇形磁場（可以是1800、900 、 600 等）原理：由公式可知：222mH rZV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 r 為儀器設(shè)置不變時，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，

11、形成質(zhì)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。解決辦法： 加一靜電場Ee，實現(xiàn)能量分散。 對于動能不同的離子，通過調(diào)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HP6890 GC (Agilent 4 USA)/Micromass Autospec-Ultima NT (Micromass UK)質(zhì)譜計：雙聚焦磁質(zhì)譜質(zhì)譜計：雙聚焦磁質(zhì)譜質(zhì)量范圍：質(zhì)量范圍：3000/2000(8kV加速電壓加速電壓)分辨率：分辨率：800

12、00(10%谷底谷底)靈敏度：電子轟擊離子化，靈敏度：電子轟擊離子化，分辨率分辨率1000時，時，1g硬硬脂酸甲酯產(chǎn)生脂酸甲酯產(chǎn)生510-7C電量電量離子化方法：離子化方法：EI(電子轟擊電子轟擊)（3）四極桿分析器 (quadrupole analyzer)直流電壓Vdc交流電壓Vrf頻率為射頻區(qū)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，到達檢測器。在一定的（Vdc/Vrf)下，改變Vrf 可實現(xiàn)掃描。特點： 掃描速度快，靈敏度高Finnigan Trace

13、2000 GC/MS(Thermo USA)質(zhì)譜計：四級桿質(zhì)譜計：四級桿質(zhì)量范圍：質(zhì)量范圍：2-1023u2-1023u分辨率：在分辨率：在1000u1000u可調(diào)至可調(diào)至2500u2500u靈敏度：電子轟擊離子化，無靈敏度：電子轟擊離子化，無分流進樣分流進樣 每秒鐘五次全掃描每秒鐘五次全掃描(m/z 200-300)1pg(m/z 200-300)1pg八氟萘選八氟萘選擇離子檢測擇離子檢測m/z 272m/z 272信噪比信噪比50;20fg50;20fg八氟萘的信噪比八氟萘的信噪比10:110:1。離子化方法：離子化方法：EI(EI(電子轟擊電子轟擊)（4）離子阱分析器 Ion Trap

14、Analyzer特點：q結(jié)構(gòu)簡單q靈敏度高q適于小型聯(lián)用儀器（GC-MS）（5）飛行時間分析器 （Time of Flight Analyzer） 特點：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；GCT(Micromass UK) 質(zhì)譜計：質(zhì)譜計：時間飛行質(zhì)譜時間飛行質(zhì)譜 質(zhì)量范圍：質(zhì)量范圍：3000/2000(8kV加速電壓加速電壓) 分辨率：分辨率：5000(FWHM) 靈敏度：電子轟擊離子化，靈敏度：電子轟擊離子化，進樣進樣1pg六氯苯，抽提質(zhì)六氯苯，抽提質(zhì)量數(shù)量數(shù)

15、m/z 283.8102，使用，使用20mu的質(zhì)量窗口，測得的質(zhì)量窗口，測得信噪比信噪比29:1。4、 離子檢測器(detector) 三種檢測方法：（1）直接電測法 用金屬電極直接接收離子流，時間常數(shù)較大，為1s左右，不適于快速分析，測量的線性較好，結(jié)構(gòu)簡單；（2）二次效應(yīng)電測法 使離子引起二次效應(yīng)，產(chǎn)生二次電子或光子，然后用倍增管或電學(xué)方法記錄離子流。時間常數(shù)遠小于1s，適用于快速分析，但需要校正（3）照相記錄法 多應(yīng)用于高頻火花源質(zhì)譜中，檢測微量固體組分。5、 真空系統(tǒng) 離子源的真空度應(yīng)達到 10-3-10-5 Pa， 質(zhì)量分析器應(yīng)達到 10-6 Pa。 一般采用機械泵預(yù)抽真空，再用擴散

16、泵+分子渦輪泵連續(xù)工作。三、質(zhì)譜圖以質(zhì)荷比m/z為橫座標，以對基峰的相對強度為縱座標所構(gòu)成的譜圖，稱之為質(zhì)譜圖。所謂基峰，就是指最強離子峰，規(guī)定相對強度為100%。 橫坐標：質(zhì)荷比 (m/z) 由于分子或離子碎片大多只帶一個正電荷， m/z=質(zhì)量數(shù)，如-CH3離子的質(zhì)量數(shù)(m/z)為15； 縱坐標：離子強度，主要指相對強度 一般規(guī)定是最強峰為100，其余各峰均相對于最強峰標識。8.3 離子的類型 分子在離子源中可產(chǎn)生各種電離，即同一分子可產(chǎn)生多種離子峰：分子離子峰、同位素離子峰、碎片離子峰、重排離子峰、亞穩(wěn)離子峰等。 設(shè)有機化合物由A，B，C和D組成，當蒸汽分子進入離子源，受到電子轟擊可能發(fā)生

17、下列過程而形成各種類型的離子：分子離子分子離子碎片離子碎片離子重排裂解碰撞裂解 分子電離一個電子形成的離子所產(chǎn)生的峰（ ABCD+ ）。分子離子的質(zhì)量與化合物的分子量相等。 對于有機物，雜原子S，O，P，N等上的未共用電子(n電子)對最易失去，其次是電子，再其次是 電子。 分子離子峰若能出現(xiàn)，應(yīng)位于質(zhì)譜圖的右端，其相對強度取決于裂解產(chǎn)物的穩(wěn)定性。1、分子離子峰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)化合物直鏈烷烴酮胺酯醚酸支鏈烷烴醇。1、分子離子峰質(zhì)譜圖上質(zhì)荷比最大的峰一定為分子離子峰嗎？質(zhì)譜圖上質(zhì)荷比最大的峰一定為分子離子峰嗎？如何確定分子離子峰？如何確定分子離子峰？1、

18、分子離子峰(i) CH3I (ii) CH3CN (iii) C2H5NH2 (iv) H2NCH2CH2NH2NH(v)2、碎片離子峰 因分子發(fā)生鍵的斷裂只需要十幾電子伏特的能量，而電子轟擊的能量為70eV，因而會產(chǎn)生更小的碎片離子峰。碎片離子峰在質(zhì)譜上位于分子離子峰的左側(cè)。 分子的碎裂過程與其結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系。研究最大風(fēng)度的離子斷裂過程，能提供被分析化合物的結(jié)構(gòu)信息。碎片離子峰碎片離子峰m/z15294357859911314271CH3+， C2H5+ ， C3H7+ ， C4H9+ ， C3H7+ ， C10H22+ a 烷烴化合物斷裂多在C-C之間發(fā)生，且易發(fā)生在支鏈上： b 烯烴多

19、在雙鍵旁的第二個鍵上開裂： c 苯的最強峰為M+，芳香族化合物將先失去取代基，再形成苯甲離子：d 含C=O鍵化合物的開裂多在與其相鄰的鍵上：e 對含雜原子的分子，斷裂的鍵位順序為 位、 位和 位：RX R+X共振穩(wěn)定化離子共振穩(wěn)定化離子3、重排離子峰 在兩個或兩個以上鍵的斷裂過程中，某些原子或基團從一個位置轉(zhuǎn)移到另一個位置所生成的離子，稱為重重排離子排離子。質(zhì)譜上相應(yīng)的峰為重排離子峰，轉(zhuǎn)移的基團常常是氫離子。 重排的類型很多，最常見的是麥式重排：+OHCRCH2CH2CH2HCH2CH2CH2RCO+.4、亞穩(wěn)離子峰 離子在離開電離室到達收集器之前的飛行過程中，發(fā)生分解而形成低質(zhì)量的離子所產(chǎn)生

20、的峰，稱為亞穩(wěn)離子峰或亞穩(wěn)峰。 亞穩(wěn)離子峰是弱而寬的峰，可能跨2-5個質(zhì)量單位。4、亞穩(wěn)離子峰 該離子具有質(zhì)量為m0離子的速度，m1離子的質(zhì)量，出現(xiàn)在比m1更低的m*處。亞穩(wěn)離子的表觀質(zhì)量與其真實質(zhì)量和原離子質(zhì)量間的關(guān)系，可用下列方程式表示： 此公式可用于尋找裂解途徑(通過母離子m1與子離子m2的關(guān)系) 021*mmm特點：峰弱，峰鈍，質(zhì)荷比一般不是整數(shù)。4、亞穩(wěn)離子峰 由于天然同位素的存在，因此在質(zhì)譜圖上出現(xiàn)M+1，M+2等峰，由這些同位素所形成的峰稱之為同位素峰同位素峰。 各元素的最輕同位素的天然豐度最大，一般來說，與物質(zhì)相對分子質(zhì)量有關(guān)的分子離子峰M，是由最大豐度的同位素所生的。5、同位

21、素峰 分子離子峰：分子離子峰：1616 同位素離子峰：同位素離子峰： ( 13C1H4 )：17 (12C2H1H3 )：175、同位素峰5、同位素峰 在一般有機化合物分子鑒定時，可以通過同位素的統(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比總是符合統(tǒng)計規(guī)律的。5、同位素峰5、同位素峰 同位素峰強比可用二項展開式同位素峰強比可用二項展開式 (a+b)n求出。求出。這里，這里，a是輕質(zhì)同位素的豐度，是輕質(zhì)同位素的豐度，b是重質(zhì)同位素的是重質(zhì)同位素的豐度，豐度，n是分子中同種鹵原子的個數(shù)。是分子中同種鹵原子的個數(shù)。例例1 分子中含兩個氯原子分子中含兩個氯原子35Cl/37Cl =100

22、/32.5 a : b 3 : 1(a+b)2 = (3 +1)2 = 9+6+1M : （M+2） :（ M+4） = 9：6：1分子中有三個氯原子？分子中有一個氯原子，一個溴原子？ 分子離子峰和碎片離子峰的識別和解析，對有機分子的定性分析十分重要?？梢酝ㄟ^選擇不同離子源來獲得不同的信息。 下圖是不同離子源下麻黃堿的質(zhì)譜圖?；瘜W(xué)電離與電子轟擊源質(zhì)譜圖比較化學(xué)電離源化學(xué)電離源電子轟擊源電子轟擊源麻黃堿麻黃堿分子離子峰分子離子峰第八章質(zhì)譜分析法Mass Spectrometry，MS8.4 質(zhì)譜定性分析 1、分子量確定 根據(jù)分子離子峰質(zhì)荷比可確定分子量，通常分子離子峰位于質(zhì)譜圖最右邊，但由于分子

23、離子的穩(wěn)定性及重排等，質(zhì)譜圖上質(zhì)荷比最大的峰有時并不一定是分子離子峰。那么，如何辯認分子離子峰呢？解析質(zhì)譜圖的一些規(guī)律和經(jīng)驗方法：1）原則上除同位素峰外，分子離子峰是最高質(zhì)量的峰。但要注意“醚、胺、脂的(M+H)+峰”及“芳醛、醇等的(M-H)+峰”。2）分子離子峰應(yīng)符合“氮律”。在C、H、O組成的化合物中，分子離子峰的質(zhì)量數(shù)一定是偶數(shù)；在含C、H、O、N化合物中，含偶數(shù)個N的分子量為偶數(shù)，含奇數(shù)個N的分子量為奇數(shù)。3）分子離子峰與鄰近峰的質(zhì)量差是否合理。有機分子失去碎片大小是有規(guī)律的： 如失去H、CH3、H2O、C2H5.，因而質(zhì)譜圖中可看到M-1，M-15，M-18， M-28等峰，而不可

24、能出現(xiàn)M-3，M-14，M-24等峰，如出現(xiàn)這樣的峰，則該峰一定不是分子離子峰。4）EI 源中，當電子轟擊電壓降低，強度不增加的峰不是分子離子峰。分子離子峰的質(zhì)核比 相對分子質(zhì)量例：辛酮-4 （C8H16O）質(zhì) 荷 比 為： 128.1202相對分子質(zhì)量： 128.2161質(zhì)荷比：由離子中豐度最大的同位素質(zhì)量計算得到的。相對分子質(zhì)量：由分子中各元素同位素質(zhì)量的加權(quán)平均值計算而得。在絕大多數(shù)情況下，兩者整數(shù)部分均相等。?2、化學(xué)式的確定（1）高分辨質(zhì)譜：可分辨質(zhì)荷比相差很小的分子或碎片離子。 如 CO 和 N2 分子離子的 m/z 均為28，但其準確質(zhì)荷比分別為28.0040和27.9949，高

25、分辨質(zhì)譜可以識別它們。（2）低分辨質(zhì)譜則不能分辨m/z相差很小的碎片離子。如對于CO和N2，通常需通過同位素相對豐度法同位素相對豐度法來確定分子的化學(xué)式。 （3）對于化合物CwHxNyOz a/ 由質(zhì)譜確定其同位素離子峰(M+1) 和(M+2) 與分子離子峰的強度比； b/ 查同位素相對強度表(Beynon表)找到符合條件的可能分子式； c/ 根據(jù)前述規(guī)則(如氮規(guī)則等)進一步篩選； d/ 對比并驗證（M+1）和（M+2）的相對強度，確定分子式。 CwHxNyOz分子，其M+1和M+2同位素峰的相對強度，可以按照下面公式進行計算：例：某未知物分子離子峰的m/z為32，M+1峰為0.85。該化合物

26、是CH4O還是N2H4？貝農(nóng)貝農(nóng)(Beynon)表表 M=102化合物化合物 M+1 M+2 化合物化合物 M+1 M+2C5H10O2 5.64 0.53 C6H14O 6.75 0.39C5H12NO 6.02 0.35 C7H2O 7.64 0.45C5H14N2 6.39 0.17 C7H4N 8.01 0.28C6H2N2 7.28 0.23 C8H6 8.74 0.34例：若在質(zhì)量數(shù)為102處有分子離子峰，M+1峰和M+2峰相對其強度分別為7.81%和0.35%，根據(jù)表中數(shù)據(jù)，得到該化合物分子式應(yīng)為？3、結(jié)構(gòu)鑒定根據(jù)質(zhì)譜圖，找出分子離子峰、碎片離子峰、亞穩(wěn)離子峰、m/z、相對峰高等質(zhì)譜信息，根據(jù)各類化合物的裂規(guī)律，重組整個分子結(jié)構(gòu)。采用與標準譜庫對照的方法。8.5 質(zhì)譜定量分析基本要求：組分中至少有一個與其他組分有顯著不同的峰；各組分的裂解模型具有重現(xiàn)性；組分的靈敏度具有一定的重現(xiàn)性(1%)；每種組分對峰的貢獻具有線性加和性；1.有適當?shù)墓残Ｕ齼x器用的標準物等。 在一定的壓強范圍內(nèi)，單純組份的離子流強度正比于其壓強：piImm%100總ppxn 如混合物所產(chǎn)生的質(zhì)譜中有各單組份的峰，只需測