質(zhì)譜原理與方法

質(zhì)譜原理與方法第一頁，共四十四頁，2022年，8月28日一、質(zhì)譜發(fā)展史1910年，英國劍橋大學J.J.Thomson首先發(fā)現(xiàn)了氖的同位素（20Ne22Ne)，1934年，雙聚焦質(zhì)譜儀，大大提高了分辨率。二戰(zhàn)期間，用于美國原子彈制造計劃（研究235U）。1942年，世界上第一臺商品化質(zhì)譜儀問世，并用于石油分析。1953年，出現(xiàn)新型質(zhì)量分析器－四極濾質(zhì)器。1955年，脈沖飛行時間分析器問世并出現(xiàn)新的離子化手段，火花離子源、二次離子源等。第二頁，共四十四頁，2022年，8月28日60年代以后，更多的新的離子化方法：EI，F(xiàn)D，CI，激光離子化，ICP，F(xiàn)AB，ESI，復雜的質(zhì)譜儀推出，離子探針，三級四極桿，四極桿飛行時間，磁場四極，磁場飛行時間，離子回旋共振等，氣質(zhì)聯(lián)用(GC-MS)。1974年等離子體質(zhì)譜。1981年快原子轟擊質(zhì)譜(FAB)。1988年，多級電噴霧電離質(zhì)譜(ESI-MS)，液質(zhì)聯(lián)用（LC-MS）。90年代以后，EPI-MS，ESI-MSMALDI-MS用于生物間非共價鍵作用研究，聯(lián)用技術(shù)發(fā)展迅速,核磁共振質(zhì)譜連用(NMR-MS)。第三頁，共四十四頁，2022年，8月28日二、質(zhì)譜分析原理

1、質(zhì)譜儀組成：進樣系統(tǒng)離子源質(zhì)量分析器檢測器1.氣體擴散2.直接進樣3.氣相色譜1.電子轟擊2.化學電離3.場致電離4.激光

1.單聚焦2.雙聚焦3.飛行時間4.四極桿

1.電子倍增管2、光電倍增管

第四頁，共四十四頁，2022年，8月28日2、質(zhì)譜儀的特點質(zhì)譜儀需要在高真空下工作：離子源（10-3

10-5Pa

）質(zhì)量分析器（10-6Pa

）(1)大量氧會燒壞離子源的燈絲；(2)用作加速離子的幾千伏高壓會引起電；(3)引起額外的離子－分子反應，改變裂解模型，譜圖復雜化。第五頁，共四十四頁，2022年，8月28日3、質(zhì)譜定義與特點定義：質(zhì)譜是在高真空系統(tǒng)中測定樣品的分子離子及碎片的質(zhì)量，以確定樣品相對分子質(zhì)量及分子結(jié)構(gòu)的方法研究對象：同位素、無機物、有機物、生物大分子、聚合物等質(zhì)譜用途：1、測分子量2、測分子式3、測分子結(jié)構(gòu)質(zhì)譜優(yōu)點：1、應用范圍廣泛2、靈敏度高10-15mol(UV

10-6IR10-8NMR10-5)

3、信息多質(zhì)譜缺點：1、高真空操作2、需要精致的電壓、電流、磁場第六頁，共四十四頁，2022年，8月28日三、質(zhì)譜儀原理

與結(jié)構(gòu)圖電離室原理與結(jié)構(gòu)第七頁，共四十四頁，2022年，8月28日1、離子源：

（1）電子轟擊源(EI)優(yōu)點:碎片豐富,通過給出離子的碎裂方式可以幫助鑒定化合物缺點:缺少分子離子峰加速電子金屬熱絲（錸，氧化釷）陽極反射極板第八頁，共四十四頁，2022年，8月28日（2）化學電離源（CI）優(yōu)點:可以產(chǎn)生很強的分子離子峰,又稱軟電離源第九頁，共四十四頁，2022年，8月28日甲烷為反應氣的化學電離源第十頁，共四十四頁，2022年，8月28日（3）場解吸電離源(FD軟電離源)第十一頁，共四十四頁，2022年，8月28日（4）電噴霧電離源(ESI軟電離源)

第十二頁，共四十四頁，2022年，8月28日電噴霧電離源原理第十三頁，共四十四頁，2022年，8月28日2、質(zhì)量分析器分類扇形磁偏轉(zhuǎn)分析器四極桿質(zhì)量分析器離子阱（四極離子阱）分析器飛行時間質(zhì)譜分析器離子回旋共振質(zhì)譜分析器第十四頁，共四十四頁，2022年，8月28日（1）磁偏轉(zhuǎn)分析器在磁場存在下，帶電離子直線運動改為曲線軌跡飛行；離心力=向心力；m

2/R=H0eV曲率半徑：R=(m

)/zH0

質(zhì)譜方程式：m/z=(H02R2)/2V離子在磁場中的軌道半徑R取決于：m/z、H0、V改變加速電壓V,可以使不同m/z的離子進入檢測器。質(zhì)譜分辨率=M/M=M/M2-M1

（指儀器對質(zhì)量非常接近的兩種離子的分離能力）加速后離子的動能(直線運動）:(1/2)m

2=eV

=[(2V)/(m/z)]1/2第十五頁，共四十四頁，2022年，8月28日扇形磁偏轉(zhuǎn)分析器示意圖第十六頁，共四十四頁，2022年，8月28日（2）四極桿質(zhì)量分離器第十七頁，共四十四頁，2022年，8月28日儀器與結(jié)構(gòu)第十八頁，共四十四頁，2022年，8月28日與質(zhì)譜聯(lián)用儀器儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)第十九頁，共四十四頁，2022年，8月28日聯(lián)用儀器（GC/MS）SampleSample

58901.0DEG/MINHEWLETTPACKARDHEWLETTPACKARD5972AMassSelectiveDetectorDCBA

ABCDGasChromatograph(GC)MassSpectrometer(MS)SeparationIdentificationBACD第二十頁，共四十四頁，2022年，8月28日聯(lián)用儀器（LC/MS）第二十一頁，共四十四頁，2022年，8月28日四、質(zhì)譜中的各種離子1、分子離子：由失去分子中最低電離能的電子形成，用于測定分子量（單電荷分子離子m/z等于分子量）2、碎片離子：由分子離子進一步開裂形成，

用于測定分子結(jié)構(gòu)

3、同位素離子：由同位素形成，用于測定分子式4、準分子離子：比分子多或少一個（H、Na或K）的離子，用于測定分子量5、雙電荷離子和多電荷離子：由于不同的電離原理形成，用于測定大分子的分子量

第二十二頁，共四十四頁，2022年，8月28日6、亞穩(wěn)離子：穩(wěn)定離子M1壽命>10-5秒，由M1開裂生成不穩(wěn)定離子M2不穩(wěn)定離子M2壽命<10-6秒，亞穩(wěn)離子壽命10-6~10-5秒，檢測器記錄的M*叫亞穩(wěn)離子，表觀質(zhì)量數(shù)M*M*=M22/M1M*是一個小數(shù)，用于判斷M2是否由M1裂解而來7、絡合離子m/z可以大于分子離子的m/z第二十三頁，共四十四頁，2022年，8月28日五、質(zhì)譜離子形成與表示法1、電子轉(zhuǎn)移的表示：魚鉤代表單個電子的轉(zhuǎn)移，箭頭代表一對電子的轉(zhuǎn)移。第二十四頁，共四十四頁，2022年，8月28日2、質(zhì)譜離子的電荷表示方法第二十五頁，共四十四頁，2022年，8月28日3、分子離子峰1）、分子離子的穩(wěn)定性分子電離一個電子形成的離子所產(chǎn)生的峰。單電荷分子離子的質(zhì)量與化合物的相對摩爾質(zhì)量相等。

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。第二十六頁，共四十四頁，2022年，8月28日2）、分子離子峰的特點：

一般質(zhì)譜圖上質(zhì)荷比最大的峰為分子離子峰；有例外。形成分子離子需要的能量最低，一般約１０電子伏特。

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？第二十七頁，共四十四頁，2022年，8月28日3）、確定分子離子峰的Ｎ規(guī)律

由Ｃ、Ｈ、Ｏ組成的有機化合物，Ｍ一定是偶數(shù)。由Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎ組成的有機化合物，Ｎ奇數(shù)，Ｍ奇數(shù)。由Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎ組成的有機化合物，Ｎ偶數(shù)，Ｍ偶數(shù)。分子離子峰與相鄰峰的質(zhì)量差必須合理。第二十八頁，共四十四頁，2022年，8月28日例如：CH4

M=1612C+1H×4=16

M13C+1H×4=17M+112C+2H+1H×3=17M+113C+2H+1H×3=18M+2同位素峰分子離子峰2、同位素離子峰（M+1峰）

由于同位素的存在，可以看到比分子離子峰大一個質(zhì)量單位的峰；有時還可以觀察到M+2，M+3……..；第二十九頁，共四十四頁，2022年，8月28日同位素離子峰的用途－質(zhì)譜法求分子式

同位素峰相對強度法求分子式1）、各種同位素在自然界的天然豐度是定值參看199頁、表5-22）、每一種化合物的同位素強度比是定值可以從理論上計算出的M+1/M值3）、從質(zhì)譜圖上可以讀取M+1與M峰的強度,從實測值進一步算出M+1/M值4）、所以利用同位素強度比可以測定分子式第三十頁，共四十四頁，2022年，8月28日例1：CH3CH2OH的分子式：C2H6O如果把M峰的豐度作為100則:(M+1)%=(1.108×2＋0.015×6+0.04×1）＝2.346％那么：在質(zhì)譜圖上M+1強度/M強度＝2.346％即：M+1/M=2.346%對應的分子式是C2H6O求分子式的過程與方法略第三十一頁，共四十四頁，2022年，8月28日2、高分辨質(zhì)譜法求分子式1、每一種元素都有精確原子量例如：1H=1.007832H=2.014112C=12.0000

13C=13.0033514N=14.0030715N=15.00011

16O=15.9949117O=16.99991418O=17.99916

19F=18.998434S=33.9678636S=35.96709所以每一個分子式有精確的分子量例如：CO=12.0000+15.99491=27.99491N2=14.00307×2＝28.00614C2H4=12.0000×2＋1.00783×4＝28.03132CH2N=12.0000+1.00783×2＋14.00307＝28.01873如果在質(zhì)譜圖上給出28.0177應是CH2N具體計算方法（略）第三十二頁，共四十四頁，2022年，8月28日六、質(zhì)譜裂解類型（1）、σ―裂解（2）、α-裂解，β-裂解，-裂解（4）、重排裂解（5）、1烯丙基裂解（6）、芐基裂解第三十三頁，共四十四頁，2022年，8月28日

當有機化合物蒸氣分子進入離子源受到電子轟擊時，按下列方式形成各種類型離子（分子碎片）：ABCD+e-

ABCD+

+2e-分子離子BCD?

+A+

B?+A+

CD?

+AB+

A?+B+

ABCD+D?

+C+

AB?

+

CD+

C?

+D+碎片離子第三十四頁，共四十四頁，2022年，8月28日（1）、σ―裂解

一般有機化合物的電離能為7－13電子伏特，質(zhì)譜中常用的電離電壓為70電子伏特，使結(jié)構(gòu)裂解，產(chǎn)生各種“碎片”離子。正己烷第三十五頁，共四十四頁，2022年，8月28日碎片離子峰實例正癸烷第三十六頁，共四十四頁，202