第十一章質(zhì)譜分析學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1第十一章質(zhì)譜分析第十一章質(zhì)譜分析(fnx)第一頁，共48頁。質(zhì)譜法是通過將樣品轉(zhuǎn)化為運動的氣態(tài)離子并按質(zhì)譜法是通過將樣品轉(zhuǎn)化為運動的氣態(tài)離子并按 質(zhì)質(zhì)荷比（荷比（m/z）大小）大小(dxio) 進(jìn)行分離記錄的分析方法。所獲得進(jìn)行分離記錄的分析方法。所獲得結(jié)果即為質(zhì)譜圖（亦稱質(zhì)譜）。結(jié)果即為質(zhì)譜圖（亦稱質(zhì)譜）。 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動的性質(zhì)(xngzh)，把離子按質(zhì)核比大小排列成譜，此即為質(zhì)譜。第1頁/共48頁第二頁，共48頁。質(zhì)譜可以提供以下信息：質(zhì)譜可以提供以下信息：

2、a) 樣品元素組成；樣品元素組成；b) 無機(jī)、有機(jī)及生物分析無機(jī)、有機(jī)及生物分析(fnx)的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)-結(jié)構(gòu)不同結(jié)構(gòu)不同，分子或原子碎片不同，分子或原子碎片不同(質(zhì)荷比不同質(zhì)荷比不同)c) 復(fù)雜混合物的定性定量分析復(fù)雜混合物的定性定量分析(fnx)-與色譜方與色譜方法聯(lián)用法聯(lián)用d) 固體表面結(jié)構(gòu)和組成分析固體表面結(jié)構(gòu)和組成分析(fnx)-激光激光燒蝕等離子體燒蝕等離子體-質(zhì)譜聯(lián)用；質(zhì)譜聯(lián)用； 樣品中原子的同位素比。樣品中原子的同位素比。 第2頁/共48頁第三頁，共48頁。質(zhì)譜法分類質(zhì)譜法分類(fn li)：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

3、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/共48頁第四頁，共48頁。11.2 基本原理基本原理11.2.111.2.1、基本原理概述、基本原理概述 質(zhì)譜分析是將樣品轉(zhuǎn)化為運動的帶電氣態(tài)離子，于磁場中按質(zhì)質(zhì)譜分析是將樣品轉(zhuǎn)化為運動的帶電氣態(tài)離子，于磁場中按質(zhì)荷比荷比(m/z)(m/z)大小分離并記錄的分析方法。大小分離并記錄的分析方法。其過程為可簡單描述為：其過程為可簡單描述為：其中，其中，z z為電荷數(shù)，為電荷數(shù)，e e為電子電荷，為電子電荷，U U為加速電壓，為加速電壓，m m為碎片質(zhì)量，為碎片質(zhì)量，V V為電為電子運動速度。子運動速度。離子源離子源轟擊樣品轟擊樣品帶電荷的帶電荷的碎

4、片離子碎片離子電場加速電場加速(zeU)(zeU) 獲得動能獲得動能(1/2mV(1/2mV2 2) )磁場分離磁場分離(m/z)(m/z)檢測器記錄檢測器記錄第4頁/共48頁第五頁，共48頁。第5頁/共48頁第六頁，共48頁。1、進(jìn)樣、進(jìn)樣化合物通過化合物通過(tnggu)汽化引入離子化室；汽化引入離子化室；2、離子化、離子化在離子化室，組分分子被一束加速電子在離子化室，組分分子被一束加速電子碰撞（能量碰撞（能量(nngling)約約70eV），撞擊），撞擊使分子電離形成正離子；使分子電離形成正離子；M M+ + e或與電子結(jié)合，形成負(fù)離子或與電子結(jié)合，形成負(fù)離子M + e M第6頁/共48

5、頁第七頁，共48頁。3、離子也可因撞擊強(qiáng)烈而形成碎片離子、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、荷電離子被加速電壓加速，產(chǎn)生一定的速度的速度v，與質(zhì)量、電荷及加速電壓有關(guān)，與質(zhì)量、電荷及加速電壓有關(guān)：)1(212mvzH 第7頁/共48頁第八頁，共48頁。5、加速離子進(jìn)入一個強(qiáng)度為、加速離子進(jìn)入一個強(qiáng)度為H的磁場，發(fā)的磁場，發(fā)生偏轉(zhuǎn)，半徑為：生偏轉(zhuǎn)，半徑為：)2(zHmvr 將（將（1）（）（2）合并：）合并：) 3(222VrHZm當(dāng)當(dāng) r 為儀器設(shè)置不變時，改變加速電壓或為儀器設(shè)置不變時，改變加速電壓或磁場強(qiáng)度，則不同磁場強(qiáng)度，則不同m/z的離子依次通過狹

6、縫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。到達(dá)檢測器，形成質(zhì)量譜，簡稱質(zhì)譜。第8頁/共48頁第九頁，共48頁。 按質(zhì)量分析器(或者磁場種類)可分為靜態(tài)儀器和動態(tài)儀器，即穩(wěn)定磁場（單聚焦及雙聚焦質(zhì)譜儀）和變化磁場（飛行時間和四極桿質(zhì)譜儀）。 MS儀器一般由進(jìn)樣系統(tǒng)(xtng)、電離源、質(zhì)量分析器、真空系統(tǒng)(xtng)和檢測系統(tǒng)(xtng)構(gòu)成。11.3質(zhì)譜儀質(zhì)譜儀第9頁/共48頁第十頁，共48頁。第10頁/共48頁第十一頁，共48頁。真空系統(tǒng)真空系統(tǒng) 質(zhì)譜儀中所有部分質(zhì)譜儀中所有部分(b fen)均要處高度真空的條件均要處高度真空的條件下下(10-4-10-6Torr或或mmHg),

7、 其作用是減少離子碰撞損失其作用是減少離子碰撞損失。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)量分析器的真空度應(yīng)達(dá)到質(zhì)量分析器的真空度應(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 擴(kuò)散泵擴(kuò)散泵 分子渦輪泵分子渦輪泵第11頁/共48頁第十二頁，共48頁。a）大量氧會燒壞離子源燈絲；）大量氧會燒壞離子源燈絲；b）引起其它分子離子反應(yīng)，使質(zhì)譜圖復(fù)雜化）引起其它分子離子反應(yīng)，使質(zhì)譜圖復(fù)雜化c）干擾）干擾(gnro)離子源正常調(diào)節(jié)；離子源正常調(diào)節(jié)；d）用作加速離子的幾千伏高壓會引起放電。）用作加速離子的幾千伏高壓會引起放電。真空度過低，將會引起(ynq)：第1

8、2頁/共48頁第十三頁，共48頁。進(jìn)樣系統(tǒng)進(jìn)樣系統(tǒng)(xtng)進(jìn)樣系統(tǒng)進(jìn)樣系統(tǒng)(xtng)的要求：重復(fù)性、不引起真空的要求：重復(fù)性、不引起真空度降低度降低氣體氣體直接導(dǎo)入或用氣相色譜進(jìn)樣直接導(dǎo)入或用氣相色譜進(jìn)樣液體液體加熱汽化或霧化進(jìn)樣加熱汽化或霧化進(jìn)樣固體固體用直接進(jìn)樣探頭用直接進(jìn)樣探頭 對于蒸汽壓低的樣品進(jìn)行衍生化后進(jìn)樣對于蒸汽壓低的樣品進(jìn)行衍生化后進(jìn)樣第13頁/共48頁第十四頁，共48頁。電離源電離源(室室) 將引入的樣品轉(zhuǎn)化將引入的樣品轉(zhuǎn)化(zhunhu)成為碎片離子的成為碎片離子的裝置。裝置。電子電離(dinl)源(electron ionization EI)化學(xué)電離(dinl)源

9、(chemical ionization CI)快原子轟擊(fast atom bombardment FAB)電噴霧源(electronspray ionization ESI)大氣壓化學(xué)電離(dinl)（atmospheric pressure chemical ionization APCI)基質(zhì)輔助激光解吸電離(dinl)（matrix assisted laser Desorption ionization MALDI)第14頁/共48頁第十五頁，共48頁。（1） 電子電離源電子電離源(electron ionization EI) 由陰極發(fā)射電子由陰極發(fā)射電子束，通過離子化室到束，

10、通過離子化室到達(dá)陽極達(dá)陽極(yngj)，電子，電子能量能量70eV，有機(jī)化合，有機(jī)化合物的電離電位物的電離電位8-15eV。 可在平行電子束可在平行電子束的方向附加一弱磁場的方向附加一弱磁場，使電子沿螺旋軌道，使電子沿螺旋軌道前進(jìn)，增加碰撞機(jī)會前進(jìn)，增加碰撞機(jī)會，提高靈敏度。，提高靈敏度。第15頁/共48頁第十六頁，共48頁。特點：特點： 碎片離子多，結(jié)構(gòu)信息豐富，有標(biāo)準(zhǔn)化合碎片離子多，結(jié)構(gòu)信息豐富，有標(biāo)準(zhǔn)化合物質(zhì)譜庫；物質(zhì)譜庫； 不能汽化的樣品不能汽化的樣品(yngpn)不能分析；不能分析； 有些樣品有些樣品(yngpn)得不到分子離子；得不到分子離子；第16頁/共48頁第十七頁，共48頁。

11、（2）化學(xué)）化學(xué)(huxu)電離源電離源(chemical ionization CI) 結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)與EI同，但是在離子化室充同，但是在離子化室充CH4，電，電子首先子首先(shuxin)將將CH4離解，其電離過程離解，其電離過程如下：如下：生成的氣體離子再與樣品分子生成的氣體離子再與樣品分子M反應(yīng)：反應(yīng)： CH5 + + M CH4 + MH+CH4 + e CH4 + + 2eCH4+ + CH4 CH5 + + CH3 第17頁/共48頁第十八頁，共48頁。特點：得到一系列準(zhǔn)分子離子（M+1）+， （M-1）+， （M+2）+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)

12、成分(chng fn)的分析。第18頁/共48頁第十九頁，共48頁。質(zhì)量分析器質(zhì)量分析器 作用是將不同碎片作用是將不同碎片(su pin)按質(zhì)荷比按質(zhì)荷比m/z分分開。開。質(zhì)量分析器類型：磁分析器、飛行時間、四極質(zhì)量分析器類型：磁分析器、飛行時間、四極桿、離子捕獲、離子回旋等。桿、離子捕獲、離子回旋等。第19頁/共48頁第二十頁，共48頁。質(zhì)量分析器質(zhì)量分析器(mass analyzer)1 單聚焦單聚焦(jjio)分析器（分析器（single focusing mass analyzer）2 雙聚焦雙聚焦(jjio)分析器（分析器（double focusing mass analyzer）

13、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20頁/共48頁第二十一頁，共48頁。（1）單聚焦）單聚焦(jjio)分析器（分析器（single focusing mass analyzer）1）結(jié)構(gòu)：）結(jié)構(gòu)：扇形扇形(shn xn)磁場磁場（可以是（可以是1800 900600等）等）第21頁/共48頁第二十二頁，共48

14、頁。原理：由（3）式可知：) 3(222VrHZm離子的離子的m/Z大，偏轉(zhuǎn)半徑也大，通過磁場可大，偏轉(zhuǎn)半徑也大，通過磁場可以把不同以把不同(b tn)離子分開；離子分開；當(dāng)當(dāng) r 為儀器設(shè)置不變時，改變加速電壓或磁為儀器設(shè)置不變時，改變加速電壓或磁場強(qiáng)度，則不同場強(qiáng)度，則不同(b tn)m/z的離子依次通過狹縫到達(dá)的離子依次通過狹縫到達(dá)檢測器，形成質(zhì)譜。檢測器，形成質(zhì)譜。第22頁/共48頁第二十三頁，共48頁。（2）雙聚焦）雙聚焦(jjio)分析器分析器（Double focusing mass analyzer）第23頁/共48頁第二十四頁，共48頁。為什么要雙聚焦(jjio)：進(jìn)入離子源

15、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：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：分辨率高第24頁/共48頁第二十五頁，共48頁。第25頁/共48頁第二十六頁，共48頁。 電子倍增器的工作原理：一定能量的離子轟擊陰極導(dǎo)致電子電子倍增器的工作原理：一定能量的離子轟擊陰極導(dǎo)致電子發(fā)射，電子在電場的作用下，依次轟擊下一級電極而被放大，電發(fā)射，電子在電場的作用下，依次轟擊下一級電極而被放大，電子倍增器的放大倍數(shù)一般在子倍增器的放大倍數(shù)一般在1

16、05108。電子倍增器中電子通過的。電子倍增器中電子通過的時間時間(shjin)很短，利用電子倍增器可以實現(xiàn)高靈敏、快速測定很短，利用電子倍增器可以實現(xiàn)高靈敏、快速測定。但電子倍增器存在質(zhì)量歧視效應(yīng)，且隨使用時間。但電子倍增器存在質(zhì)量歧視效應(yīng)，且隨使用時間(shjin)增加增加，增益會逐步減小。，增益會逐步減小。第26頁/共48頁第二十七頁，共48頁。6、檢測器的性能指標(biāo)（1）質(zhì)量范圍(fnwi)指所能檢測的M/Z范圍(fnwi)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(somio)速度指掃描(somio)一定質(zhì)量范圍所需時間例如G

17、C-MS：M/Z 1-1000所需時間1s第27頁/共48頁第二十八頁，共48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28頁/共48頁第二十九頁，共48頁。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時的樣品(yngpn)量。第29頁/共48頁第三十頁，共48頁。11.4質(zhì)譜圖質(zhì)譜圖、質(zhì)譜圖、質(zhì)譜圖 以質(zhì)荷比以質(zhì)荷比m/z為橫座標(biāo)，以對基峰為橫座

18、標(biāo)，以對基峰(最強(qiáng)離子峰最強(qiáng)離子峰，規(guī)定相對強(qiáng)度，規(guī)定相對強(qiáng)度(qingd)為為100%)相對強(qiáng)度相對強(qiáng)度(qingd)為縱座標(biāo)所構(gòu)成的譜圖，稱之為質(zhì)譜圖為縱座標(biāo)所構(gòu)成的譜圖，稱之為質(zhì)譜圖。第30頁/共48頁第三十一頁，共48頁。第31頁/共48頁第三十二頁，共48頁。第32頁/共48頁第三十三頁，共48頁。第33頁/共48頁第三十四頁，共48頁。、質(zhì)譜定性分析、質(zhì)譜定性分析(dngxngfnx)內(nèi)容內(nèi)容(nirng)有：有：1 分子量分子量測定；測定； 2 化學(xué)式鑒定化學(xué)式鑒定 3 結(jié)構(gòu)式鑒定結(jié)構(gòu)式鑒定第34頁/共48頁第三十五頁，共48頁。1、分子量確定、分子量確定 根據(jù)分子離子峰質(zhì)荷比可

19、確定分子根據(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量，通常分子離子峰位于(wiy)質(zhì)譜圖最質(zhì)譜圖最右邊，右邊，第35頁/共48頁第三十六頁，共48頁。2、化學(xué)式的確定、化學(xué)式的確定 高分辨質(zhì)譜：可分辨質(zhì)荷比相差高分辨質(zhì)譜：可分辨質(zhì)荷比相差(xin ch)很小的分子離子或碎片離子。很小的分子離子或碎片離子。 低分辨質(zhì)譜：通常通過同位素相對豐度低分辨質(zhì)譜：通常通過同位素相對豐度法來確定分子的化學(xué)式。法來確定分子的化學(xué)式。 第36頁/共48頁第三十七頁，共48頁。第37頁/共48頁第三十八頁，共48頁。第38頁/共48頁第三十九頁，共48頁。第39頁/共48頁第四十頁，共48頁。第40頁/

20、共48頁第四十一頁，共48頁。第41頁/共48頁第四十二頁，共48頁。 可以發(fā)生這類重排的化合物有可以發(fā)生這類重排的化合物有:酮、醛、酸、醋和其它含羰基酮、醛、酸、醋和其它含羰基(tn j)的化合物，含的化合物，含P = O，S = O的化合物以及烯烴類和苯類化的化合物以及烯烴類和苯類化合物等。發(fā)生這類重排所需的結(jié)構(gòu)特征是分子中有一個雙鍵以及在合物等。發(fā)生這類重排所需的結(jié)構(gòu)特征是分子中有一個雙鍵以及在位置上有氫原子。位置上有氫原子。第42頁/共48頁第四十三頁，共48頁。3、結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)(jigu)簽定：簽定：a) 根據(jù)質(zhì)譜圖，找出分子離子峰、碎片離子峰、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、亞穩(wěn)離子峰、m/z、相對峰高等質(zhì)譜信息，根據(jù)各、相對峰高等質(zhì)譜信息，根據(jù)各