質(zhì)譜分析法概述和原理1

1、質(zhì)譜分析法概述和原理129.1 概述質(zhì)譜法是通過(guò)將樣品轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)的氣態(tài)離子并按質(zhì)荷比(M/Z)大小進(jìn)行分離并記錄其信息的分析方法所得結(jié)果以圖譜表達(dá)，即所謂的質(zhì)譜圖根據(jù)質(zhì)譜圖提供的信息可以進(jìn)行多種有機(jī)物及無(wú)機(jī)物的定性和定量分析、復(fù)雜化合物的結(jié)構(gòu)分析、樣品中各種同位素比的測(cè)定及固體表面的結(jié)構(gòu)和組成分析等質(zhì)譜分析法39.1 概述質(zhì)譜分析法是通過(guò)測(cè)定待測(cè)樣品離子的質(zhì)荷比（mass-to-charge-ratio）來(lái)進(jìn)行分析的方法。Overview of Mass SpectrometryMass SpectrumMass AnalyzerIonizationM+/FragmentationSample

2、 Molecule (M)4質(zhì)譜儀的發(fā)展簡(jiǎn)史 1912年： 世界第一臺(tái)質(zhì)譜裝置 1940年代: 質(zhì)譜儀用于同位素測(cè)定 1950年代：分析石油 1960年代：研究GC-MS聯(lián)用技術(shù) 1970年代：商品GC-MS出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)引入， GC-MS技術(shù)基本成熟。 1980年代：大氣壓電離的LC-MS出現(xiàn) 1990年代：基質(zhì)輔助激光解吸飛行時(shí)間 質(zhì)譜儀出現(xiàn)，質(zhì)譜技術(shù)大量用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域，出現(xiàn)“生物質(zhì)譜”概念。9.1 概述59. 質(zhì)譜儀的分類(lèi)1 有機(jī)質(zhì)譜儀： 1）氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀 2）液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀 3）其他質(zhì)譜儀 :傅立葉變換質(zhì)譜儀 基質(zhì)輔助激光解吸-飛行時(shí)間變質(zhì)譜儀2 無(wú)機(jī)質(zhì)譜儀：ICP-MS

3、3 同位素質(zhì)譜儀：輕元素同位素，重元素同位素4 氣體分析質(zhì)譜儀9.1 概述69.1.4 質(zhì)譜分析基本術(shù)語(yǔ)1質(zhì)量數(shù)和質(zhì)量范圍 在質(zhì)譜分析中，被測(cè)定的分子和原子都是以離子形式記錄的，如果離子只帶一個(gè)電荷，則離子的質(zhì)荷比在數(shù)值上就等于它的質(zhì)量數(shù)，質(zhì)譜儀的質(zhì)量范圍是指儀器所能測(cè)量的離子質(zhì)荷比范圍氣體分析用質(zhì)譜儀的質(zhì)量范圍一般從2100，而有機(jī)質(zhì)譜儀的質(zhì)量范圍一般從幾十到幾千7 2分辨率分辨率表示儀器分開(kāi)兩個(gè)相鄰質(zhì)量數(shù)離子的能力它一般定義為：對(duì)兩個(gè)相等強(qiáng)度的相鄰峰，當(dāng)兩峰間的峰谷不大于其峰高的10時(shí)，可認(rèn)為此兩峰已經(jīng)分開(kāi)（圖9-6），這時(shí)，儀器的分辨率R用下式計(jì)算：式中，m為質(zhì)量數(shù)，且m1m2 8圖9-

4、6 分辨率示意圖 93靈敏度 靈敏度對(duì)于不同用途的質(zhì)譜儀有不同的表示方法有機(jī)質(zhì)譜常用絕對(duì)靈敏度，無(wú)機(jī)質(zhì)譜常用相對(duì)靈敏度，而同位素分析質(zhì)譜常用豐度靈敏度絕對(duì)靈敏度是指儀器能檢測(cè)的最小樣品量目前，有機(jī)質(zhì)譜儀靈敏度可優(yōu)于10-10g10 相對(duì)靈敏度是指儀器同時(shí)可檢測(cè)的大組分與小組分的含量之比即表示儀器可測(cè)定的樣品中雜質(zhì)的最低相對(duì)含量，例如10-9 豐度靈敏度表示大豐度同位素峰的“拖尾”對(duì)相鄰小豐度同位素峰的影響 11若大豐度同位素峰強(qiáng)度為IM，它對(duì)相鄰小豐度同位素峰的貢獻(xiàn)為IM+1，則： 豐度靈敏度= IM/IM+1 （9-16）豐度靈敏度實(shí)際上也是一種相對(duì)靈敏度，一般同位素分析用的質(zhì)譜儀，其豐度靈

5、敏度為105106還有用分析靈敏度表示的方法，它是指輸入的樣品量與儀器輸出信號(hào)之比，即對(duì)單位樣品量所能產(chǎn)生的信號(hào)的大小129.2 質(zhì)譜儀器由進(jìn)樣系統(tǒng)、離子源、質(zhì)量分析器、離子檢測(cè)器和記錄器組成此外，還包括真空系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等輔助設(shè)備根據(jù)質(zhì)量分析器的工作原理不同，有單聚焦、雙聚焦、飛行時(shí)間和四極濾質(zhì)器質(zhì)譜儀13Inlet system Ion SourceAnalyzerIon DetectorComputerMass Spectrumm/z離子源進(jìn)樣系統(tǒng)質(zhì)量分析器檢測(cè)器真空系統(tǒng)10-2-10-6Pa14氣體分析用的質(zhì)譜儀進(jìn)樣系統(tǒng)一般由管道、閥門(mén)、壓力表、樣品貯存器和漏口組成它適用于室溫下氣體或

6、易揮發(fā)液體樣品的分析有機(jī)質(zhì)譜儀常與色譜儀聯(lián)用色譜儀是質(zhì)譜儀的進(jìn)樣系統(tǒng)，由色譜柱流出的樣品經(jīng)噴射式分子分離裝置將載氣分離后進(jìn)入質(zhì)譜儀用于無(wú)機(jī)物分析的質(zhì)譜儀，沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的進(jìn)樣系統(tǒng)，一般是把要分析的樣品制成電極，置于離子源中，靠高頻高壓使它電離9.2.1 進(jìn)樣系統(tǒng)9.2 質(zhì)譜儀器159.2.2 離子源質(zhì)譜分析的對(duì)象是樣品離子，應(yīng)首先把樣品分子或原子電離成離子，用于產(chǎn)生離子的裝置叫離子源，主要有電子電離源、化學(xué)電離源、火花電離源和高頻火花源等 9.2 質(zhì)譜儀器16 1 電子電離源(electron ionization EI)利用高速電子轟擊試樣分子使它電離的離子源稱(chēng)為電子電離源它是由電熱陰極發(fā)射的電子

7、，在正電位作用下進(jìn)入電離室，前進(jìn)過(guò)程中與進(jìn)入電離室的樣品分子碰撞若電子的能量大于樣品分子的電離電位，碰撞的結(jié)果將導(dǎo)致樣品分子的電離，所產(chǎn)生的正離子在靜電場(chǎng)的加速下進(jìn)入分析器17 1 電子電離源(electron ionization EI)18 電子電離源中分子離子及碎片離子的形成形成分子離子裂解成碎片離子裂解重排裂解碰撞 1 電子電離源(electron ionization EI)19電子電離源的特點(diǎn)： 1 電離電壓：70eV2 加一小磁場(chǎng)增加電離幾率。3 EI源碎片離子多，結(jié)構(gòu)信息豐富，有標(biāo)準(zhǔn)化合物質(zhì)譜庫(kù)。4 樣品在氣態(tài)下電離，不能汽化的樣品不能分析，主要用于氣-質(zhì)聯(lián)用儀。5 有些樣品得

8、不到分子離子。6 適用于分子量低于1000的樣品。 1 電子電離源(electron ionization EI)20 2 化學(xué)電離源(chemical ionization CI)利用反應(yīng)氣的離子與試樣分子碰撞使它電離的離子源稱(chēng)為化學(xué)電離源結(jié)構(gòu)同EI，一般儀器EI和CI可以互相切換。 在化學(xué)電離源中，試樣的電離是由反應(yīng)氣離子同樣品分子反應(yīng)產(chǎn)生的現(xiàn)以CH4作為反應(yīng)氣，XH為樣品氣說(shuō)明化學(xué)電離的過(guò)程21在電離室中，樣品氣含量?jī)H為反應(yīng)氣的千分之一左右，因此，在電子的轟擊下，主要是反應(yīng)氣電離：CH4e-CH4CH3CH2CH CH2+H+其中，碎片離子主要是CH4和CH3 2 化學(xué)電離源(chemi

9、cal ionization CI)22它們又與反應(yīng)氣作用，生成新的離子： CH4CH4CH5CH3 CH3CH4C2H5H2樣品分子經(jīng)離子-分子反應(yīng)，總共生成XH2+、X+、A+和B+等正離子檢測(cè)這些離子，就可以獲得有關(guān)樣品的質(zhì)譜 2 化學(xué)電離源(chemical ionization CI)23 2 化學(xué)電離源(chemical ionization CI)反應(yīng)氣的反應(yīng)甲烷為反應(yīng)氣時(shí)主要存在形式加氫反應(yīng)，樣品對(duì)質(zhì)子親和力強(qiáng)烷烴脫氫反應(yīng)，對(duì)質(zhì)子親和力弱電荷交換形成加和離子形成負(fù)自由基離子由反應(yīng)氣產(chǎn)生反應(yīng)氣和樣品共同決定產(chǎn)物的形式24 3 電噴霧電離源(electrospray ionizat

10、ion ESI)結(jié)構(gòu)：噴嘴（金屬毛細(xì)管），霧化氣，干燥氣(curtain gas)原理：噴霧 蒸發(fā) 電壓106V/m離子在電壓差和壓力差的驅(qū)使下向下游移動(dòng)25電噴霧源(ESI)的特點(diǎn)：1 電噴霧源屬軟電離技術(shù)，只產(chǎn)生分子離子， 不產(chǎn)生碎片離子。2 產(chǎn)生的離子常常帶有多電荷，尤其是生物大分子。3 適用于強(qiáng)極性，大分子量的樣品分析。 如肽，蛋白質(zhì)，糖等。4 主要用于液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀。 3 電噴霧電離源(electrospray ionization ESI)26 4 高頻火花源利用高頻火花放電使試樣分子電離的離子源稱(chēng)為高頻火花源它適用于分析難以蒸發(fā)的金屬、半導(dǎo)體、絕緣體等固體材料被分析樣品加工

11、成棒狀電極，或與石墨混和壓制成電極兩極間施加10100kV的脈沖高頻電壓，使電極在真空中發(fā)生火花放電，從而使電極上的樣品蒸發(fā)并電離27作用：將離子源產(chǎn)生的離子按質(zhì)荷比m/z的大小分開(kāi) ion separation1 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 analyzer)5 飛行時(shí)間分析器 (time-of-flight analyzer)6 富立葉變換離子回旋共振 (Fourie

12、r transform ion cyclotron resonance)9.2.3 質(zhì)量分析器9.2 質(zhì)譜儀器28 1單聚焦分析器 (single focusing mass analyzer) 9.2.3 質(zhì)量分析器不同質(zhì)量的離子可通過(guò)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度或A, B間的加速電壓使之依次通過(guò)出口狹縫1）結(jié)構(gòu)：扇形磁場(chǎng)可以是180 90 60 等292）原理：R30結(jié)論：1 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)2 在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度B下，改變加速電壓V 可以使不同離子先后通過(guò)檢測(cè)器， 實(shí)現(xiàn)質(zhì)量掃描，得到質(zhì)譜。3）特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便 分辨率低31 雙聚焦分析器是指同時(shí)實(shí)現(xiàn)方向聚焦

13、和能量（速度）聚焦它可克服單聚焦分析器中，即使是m/e相同的離子，因初始能量不同而不能全部聚焦在一起的缺點(diǎn)，從而使儀器的分辨率顯著提高 2 雙聚焦分析器 (double focusing mass analyzer) 32結(jié)構(gòu)：磁場(chǎng)、電場(chǎng)任意順序組合原理：?jiǎn)尉劢狗治銎鞣直媛实偷闹饕蛟谟谒荒苓M(jìn)行能量聚焦。 雙聚焦分析器具有能量聚焦和方向聚焦的特點(diǎn)特點(diǎn)：分辨率高(150,000)(方向焦面)(能量焦面)動(dòng)能大，投射到+極動(dòng)能小，在-極放電一定能量的離子到達(dá)出口同能量的離子匯聚33雙聚焦質(zhì)量分析器是將一靜電場(chǎng)分析器置于離子源和磁分離器之間當(dāng)質(zhì)量為m、電荷為e的離子通過(guò)一個(gè)與其飛行方向垂直的強(qiáng)度

14、為E的電場(chǎng)時(shí)，則要受到一個(gè)FeE的力，這個(gè)恒定的力將使離子偏轉(zhuǎn)進(jìn)入一個(gè)圓弧形軌道，軌道的半徑為re 能量聚焦34根據(jù)所受力的大小與粒子的離心力相等可得因進(jìn)入靜電分析器前，該離子在加速電場(chǎng)V中所獲得的動(dòng)能為eV，即mv2/2=eV，代入式（9-17）中得 (9-17)（9-18） 35由式（9-18）可知，粒子的質(zhì)量不是一個(gè)參變量，因而靜電分析器分析的不是質(zhì)量它實(shí)際上分析的是能量，即能夠選擇具有一定能量的離子使之通過(guò)一定直徑的靜電分析器經(jīng)能量選擇的離子束隨后進(jìn)入磁分析器，它所受的磁場(chǎng)作用力FHev，離子作圓周運(yùn)動(dòng)的向心力與磁場(chǎng)作用力平衡，即方向聚焦36代入mv2/2=eV得 離子運(yùn)動(dòng)的半徑rm取

15、決于磁場(chǎng)強(qiáng)度H、離子的質(zhì)荷比m/e以及加速電壓V若保持H和V不變，則離子運(yùn)動(dòng)的半徑rm僅取決于離子本身的質(zhì)荷比m/e，m/e不同的離子，由于運(yùn)動(dòng)半徑不同，在磁分析器中被分開(kāi)隨即用照相底片攝取譜圖，即可獲得完整的質(zhì)譜圖 37通常在質(zhì)譜儀中，出射狹縫的位置是固定的，故一般采用固定加速電壓V而連續(xù)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度H（磁場(chǎng)掃描）的方法；或固定磁場(chǎng)強(qiáng)度H而連續(xù)改變加速電壓V（電場(chǎng)掃描）的方法，使不同質(zhì)荷比的離子依次通過(guò)狹縫，到達(dá)收集器，從而獲得質(zhì)譜圖38 3 四極桿分析器 (quadrupole mass analyzer) 四極濾質(zhì)器， quadrupole mass filter結(jié)構(gòu): 四根棒狀電極，相

16、對(duì)的兩個(gè)電極相連，形成四極場(chǎng) 1，3棒：+(Vdc + Vrf) 2，4棒：- (Vdc+ Vrf )特點(diǎn)：掃描速度快，靈敏度高。 適用于GC-MS。9.2.3 質(zhì)量分析器39四根棒狀電極加速電壓5-15V 3 四極桿分析器40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，其他質(zhì)量的離子碰到四極桿被吸收，在另外的Vdc Vrf 下可接收到另外質(zhì)量的離子。在一定的（Vdc/Vrf)下，連續(xù)改變Vrf或Vdc可實(shí)現(xiàn)質(zhì)量掃描。414 飛行時(shí)間分析器(time-of-flight analyzer, TOF）正離子在電場(chǎng)作用下被加速所有離子同時(shí)飛越長(zhǎng)度為L(zhǎng)的無(wú)場(chǎng)空

17、間，先后到達(dá)檢測(cè)器V,L不變時(shí)， t由m/e決定一般，1-30s424 飛行時(shí)間分析器43特點(diǎn)：簡(jiǎn)單、耐用，無(wú)質(zhì)量范圍限制。取樣速度快，適用于快速GC/MS；分析適用于脈沖離子化方式（如MALDI）的大分子量的多肽、蛋白質(zhì)。早期分辨率低的問(wèn)題通過(guò)延遲萃取技術(shù)等已經(jīng)得到解決。4 飛行時(shí)間分析器449.2.4 檢測(cè)器 (detector)1 電子倍增器 electron photon multiplier2 光子倍增器 photon multiplier3 法拉第杯 Faraday cup4 陣列檢測(cè)器 array detectors9.2 質(zhì)譜儀器45電子倍增器469.2.5 質(zhì)譜分析法的應(yīng)用1

18、 GC-MS聯(lián)用分析 A GC-MS定性分析 1） 分析條件的設(shè)定 GC條件：同普通GC MS條件：掃描方式，掃描范圍，掃描速度, 燈絲電流，倍增器電壓等 2）定性分析 數(shù)據(jù)的采集：進(jìn)樣，電離，質(zhì)譜數(shù)據(jù)的采集 47B GC-MS定量分析 GC-MS定量分析依據(jù)： 含量W=F 峰面積A 用總離子色譜圖定量 用質(zhì)量色譜圖（提取離子色譜圖）定量 用選擇離子色譜圖定量 GC-MS定量分析方法： 外標(biāo)法 內(nèi)標(biāo)外標(biāo)法482 LC-MS聯(lián)用分析 A LC LC-MS 聯(lián)用儀 (LC-MS) 組成： LC：普通LC MS：帶有電噴霧源（ESI）的質(zhì)譜儀， 可以是： 四極桿（Q）質(zhì)譜儀 離子阱（Trap)質(zhì)譜儀

19、 飛行時(shí)間（TOF） MS-MS： 三級(jí)四極（Q-Q-Q）質(zhì)譜儀 混合（Q-TOF）質(zhì)譜儀 多級(jí)MS 數(shù)據(jù)系統(tǒng)：計(jì)算機(jī) 蛋白質(zhì)庫(kù) 49B LC-MS定性分析 1 ）分析條件的選擇 LC條件的選擇 電噴霧條件 MS條件 2 ）定性分析 分子量確定：（M+1）（M-1） 多電荷 MS-MS聯(lián)用測(cè)定子離子譜C LC-MS定量分析 質(zhì)量色譜圖 多反應(yīng)監(jiān)測(cè)（MRM）509.3 質(zhì)譜解析9.3.1 質(zhì)譜中的離子1 分子離子or雙鍵或環(huán)狀結(jié)構(gòu)、有機(jī)酸、醇等的分子離子峰強(qiáng)度大M51分子離子峰的判斷一般在質(zhì)譜的最右端有合理的質(zhì)量丟失（丟失的質(zhì)量數(shù)不應(yīng)為4-14; 20-25；37；38；5053；65；66）分

20、子量符合氮規(guī)則N的個(gè)數(shù)為奇數(shù)，分子量為奇數(shù)N的個(gè)數(shù)為0,2,4等偶數(shù)，分子量為偶數(shù)（N為奇數(shù)價(jià)，偶數(shù)分子量）9.3.1 質(zhì)譜中的離子522 碎片離子EI(1) 自由基引發(fā)的斷裂 斷裂醇的特征離子伯胺53雙鍵酮烷基苯54(2) 正電荷引發(fā)的斷裂雙電子轉(zhuǎn)移斷裂（幾率大）電荷引發(fā)（幾率小）斷裂55(3) 斷裂無(wú) 電子和 電子的烷烴分枝處易斷裂、易丟失最大烷基56(4) 環(huán)烯的斷裂Retro-Diels-Alder反應(yīng)573 同位素離子一般質(zhì)量數(shù)大于分子離子同位素峰的強(qiáng)度取決于同位素的種類(lèi)和豐度根據(jù)同位素峰強(qiáng)度比可以估計(jì)該元素的個(gè)數(shù)同位素峰強(qiáng)度符合 規(guī)則輕同位素豐度重同位素豐度同位素元素的個(gè)數(shù)583

21、同位素離子12C和13C有1個(gè)C時(shí)，(100+1.1)1 ；M+1峰的強(qiáng)度：（M+1） 2個(gè)C時(shí)， (100+1.1)2 =10022 ；M+1峰強(qiáng)度：（M+1）/M2 = 2.2%M+2峰強(qiáng)度：（M+2）/M2 / 1002 = 0.0121%593 同位素離子35Cl和37Cl100:32.5 3:150 5231幾率84 86 88961118 120 122 124272791604 重排離子麥?zhǔn)现嘏?(Mclafferty)含有含有 氫原子619.3 質(zhì)譜解析9.3.2 常見(jiàn)有機(jī)化合物的質(zhì)譜1烴類(lèi) 強(qiáng)度隨著分子質(zhì)量的增加而減弱；呈現(xiàn)CnH2n+1系列碎片離子峰C3，C4的碎片出現(xiàn)幾率

22、大；M-15峰極弱或觀(guān)察不到A、直鏈烷烴62支鏈烷烴的 更弱支鏈處容易斷裂，產(chǎn)生的仲或叔碳正離子，碎片離子強(qiáng)度大5716985141B、支鏈烷烴1烴類(lèi)631烴類(lèi)64D 烯烴易發(fā)生鍵斷裂，出現(xiàn)CnH2n-1 （41+14n）烯烴特征峰可發(fā)生麥?zhǔn)现嘏女a(chǎn)生離子峰CnH2n（42+14n）1烴類(lèi)C 環(huán)烷烴易發(fā)生斷裂，得到環(huán)的碎片CnH2n-1 65E 芳烴芐基容易斷裂生成正離子R+CH2RCH21烴類(lèi)易發(fā)生鍵斷裂，生成m/Z=91的C7H7+，C5H5+ （m/Z=65）， C3H3+ （ m/Z=38） CnHm:38, 39, 50-22,63-65,75-78 發(fā)生麥?zhǔn)现嘏派蒻/Z=92的C7H8+669.3 質(zhì)譜解析9.3.2 常見(jiàn)有機(jī)化合物的質(zhì)譜2 醇和酚醇斷裂脫水CnH2n+1O+679.3 質(zhì)譜解析9.3.2 常見(jiàn)有機(jī)化合物的質(zhì)譜酚較強(qiáng)的分子離子苯的特征異構(gòu)化689.3 質(zhì)譜解析9.3.2 常見(jiàn)有機(jī)化合物的質(zhì)譜麥?zhǔn)现嘏? 醛和酮斷裂4 酯和酸酸CnH2n-1O+CnH2n-1O2+M-1H-CO (m/z=29)R+R+OR+699.3 質(zhì)譜解析9.3.2 常見(jiàn)有機(jī)化合物的質(zhì)譜5 胺脂肪胺伯胺仲胺、叔胺