儀器分析課件第九章質譜分析法

儀器分析課件第九章質譜分析法質譜儀的發(fā)展史 1912年: 世界第一臺質譜裝置 40年代: 質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 70年代： 計算機引入 質譜法是一種按照離子的質核比（m/z）大小對離子進行分離和測定的方法。 質譜法的主要作用是：（1）準確測定物質的分子量（2）根據碎片特征進行化合物的結構分析 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，把離子按質核比大小排列成譜，此即為質譜。4、荷電離子被加速電壓加速，產生一定的速度v，與質量、電荷及加速電壓有關：離子的m/Z大，偏轉半徑也大，通過磁場可以把不同離子分開；可利用Beynon同位素豐度表確定。例如GC-MS： M/Z1-1000所需時間<1s60年代： 研究GC-MS聯(lián)用技術第二節(jié) 質譜分析的原理與儀器固體——用直接進樣探頭質譜法是一種按照離子的質核比（m/z）大小對離子進行分離和測定的方法。CH3（CH2）8—CH2—NH2+（2）掃描速度指掃描一定質量范圍所需時間DesorptionionizationMALDI)例如：某化合物分子量為150，M/Z150、151和152的 強度比為：1912年: 世界第一臺質譜裝置（3）異構烷烴（支鏈烷烴）分支處易斷裂：化學電離源(chemicalionizationCI)質譜法分類：按用途分有機質譜無機質譜同位素質譜按原理分單聚焦質譜雙聚焦質譜四極質譜飛行時間質譜回旋共振質譜按聯(lián)用方式分氣質聯(lián)用液質聯(lián)用質質聯(lián)用第二節(jié) 質譜分析的原理與儀器一、質譜分析的過程與原理1、進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，產生一定的速度v，與質量、電荷及加速電壓有關：5、加速離子進入一個強度為H的磁場，發(fā)生偏轉，半徑為：將（1）（2）合并：當r為儀器設置不變時，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，形成質量譜，簡稱質譜。 進樣系統(tǒng)(inletsystem) 離子源(ionsource) 質量分析器（massanalyzer） 檢測器（detecter） 真空系統(tǒng)（Vacuumsystem）二、質譜儀的組成1、樣品引入系統(tǒng)

氣體——直接導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系統(tǒng)LaserAblationofPlasticsApplyingDifferentWavelenghts1064nm308nm248nm對于蒸汽壓低的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(ionsource)主要作用是使分析物的分子離子化電子電離源(electronionizationEI)化學電離源(chemicalionizationCI)快原子轟擊(fastatombombardmentFAB)電噴霧源(electronsprayionizationESI)大氣壓化學電離（atmosphericpressurechemicalionizationAPCI)基質輔助激光解吸電離（matrixassistedlaserDesorptionionizationMALDI)（1）電子電離源(electronionizationEI) 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。 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，增加碰撞機會，提高靈敏度。特點：

碎片離子多，結構信息豐富， 有標準化合物質譜庫；不能汽化的樣品不能分析；有些樣品得不到分子離子；（2）化學電離源(chemicalionizationCI)CH4+eCH4+

+2eCH4+

+CH4CH5++CH3 結構與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：

CH5++

MCH4+MH+特點：

得到一系列準分子離子（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)成分的分析。

（3）快原子轟擊(fastatombombardmentFAB) 高能量的Xe原子轟擊涂在靶上的樣品，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一般用作磁式質譜的離子源。（4）電噴霧源(electronsprayionizationESI) 結構：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，糖等2產生的離子帶有多電荷3主要用于液相色譜質譜聯(lián)用儀3、質量分析器(massanalyzer)1單聚焦分析器（singlefocusingmassanalyzer）2雙聚焦分析器（doublefocusingmassanalyzer）3四極桿分析器(quadrupoleanalyzer)4離子阱分析器(Iontrap)5飛行時間分析器(timeofflight）6富立葉變換離子回旋共振（Fouriertranformioncyclotronresonance）（1）單聚焦分析器（singlefocusingmassanalyzer）1）結構：扇形磁場（可以是1800900600等）原理：由（3）式可知：

離子的m/Z大，偏轉半徑也大，通過磁場可以把不同離子分開； 當r為儀器設置不變時，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，形成質譜。（2）雙聚焦分析器（Doublefocusingmassanalyzer）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（3）四極桿分析器(quadrupoleanalyzer)直流電壓Vdc交流電壓Vrf頻率為射頻區(qū)結構: 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VdcVrf下，只有一定質量 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 適用于GC-MS++-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2-2MS/MS儀器結構圖；各項主要電參數及氣體參數含義170937765圖2-5m/z=170的分子離子峰的子離子掃描圖[M1+H+]m/z170m/z93m/z77m/z65（4）離子阱分析器IonTrapAnalyzer特點：

結構簡單 靈敏度高 適于小型聯(lián)用儀器（GC-MS）（5）飛行時間分析器TimeofFlightAnalyzer試樣入口電子發(fā)射柵極1 -270V柵極2–2.8kV接收器抽真空特點儀器結構簡單,不需要磁場、電場等；掃描速度快，可在10-5s內觀察到整段圖譜；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），在生命科學中用途很廣；5飛行時間分析器(timeofflight）50年代： 分析石油離子源的真空度應達到10-3-10-5Pa，化合物通過汽化引入離子化室；加一靜電場Ee，實現(xiàn)能量分散：（2）易發(fā)生烯丙斷裂，生成很強的烯丙離子化學電離源(chemicalionizationCI)4、如果確認無分子離子峰，則應在儀器上想辦法。LaserAblationofPlasticsApplyingDifferentWavelenghts生成的氣體離子再與樣品分子M反應：4、如果確認無分子離子峰，則應在儀器上想辦法。液體——加熱汽化或霧化進樣（2）掃描速度指掃描一定質量范圍所需時間第四節(jié) 有機化合物的質譜分析3、質量分析器(massanalyzer)4、真空系統(tǒng)離子源的真空度應達到10-3-10-5Pa，質量分析器應達到10-6Pa。真空裝置：機械真空泵 擴散泵 分子渦輪泵5、檢測器(detector)

電子倍增器6、檢測器的性能指標（1）質量范圍指所能檢測的M/Z范圍四極質譜 M/Z小于或等于1000磁式質譜 M/Z可達到幾千飛行時間質譜 M/Z可達到幾十萬（2）掃描速度指掃描一定質量范圍所需時間

例如GC-MS： M/Z1-1000所需時間<1s（3）分辨率R質譜對相鄰兩質量組分分開的能力例如：CO+ 27.9949 N2+ 28.0061四極質譜恰好能將此分開.但是: ArCl+ 74.9312 As+ 74.9216需要用高分辨質譜.(4)靈敏度 指信噪比大于10時的樣品量。第三節(jié) 常見化合物的質譜一、烴類質譜1、烷烴71574329正構烷烴的裂解規(guī)律：（1）質譜特征是具有質量相差14（CH2）單位的CnH2n+1系列；（2）碎片離子C3以上強度遞減，因為碎片可繼續(xù)分裂，但C3可重排為CH3CHCH3而穩(wěn)定；（3）異構烷烴（支鏈烷烴）分支處易斷裂：+例如5-甲基十五烷 C10H21—CH—C4H9CH3169852、烯烴（1）具有烷烴的特征（2）易發(fā)生烯丙斷裂，生成很強的烯丙離子CH2=CH—CH2 M/Z=41CH2=CH—RR—CH2—CH2—CH2—CH=CH2+3、芳烴易發(fā)生芐基斷裂，生成芐基離子C2H2-26C2H2 -26M/Z91M/Z91M/Z39M/Z6539 65 9192M/Z

二、雜原子的質譜(1)醇和酚醇類 （1） 雜原子存在，形成M/Z31的離子 和M—1的離子； （2） 失水生成M—18離子。CH3—CH2—OH（M/Z46） CH2=OH M/Z31CH3—CH2—OH（M/Z46） CH3—CH=OHM/Z45C3H7—CH—CH3OHC3H7CHOHCH—CH3OHM/Z=73M/Z=45M/Z=88M-H2OM-CH3M-1M45 707388酚類：（1）失去C=O M/Z 28（2）失去H2O M/Z 18（3）具有苯的特征（2）醛、酮、醚

辛酮—4CH3CH2CH3—C—CH2CH2CH2CH3OM/Z 12843715785M/Z 128 85 71 57 43再例如 對羥基苯甲醛醚類 乙基異丁基醚CH3—CH2—CH—O—CH2—CH3CH3—斷裂—斷裂（3）鹵素化合物R—X+ R++X

R—CH2X+ R

+CH2=X+如果是長鏈烴類，則可能有下列途徑5、加速離子進入一個強度為H的磁場，發(fā)生偏轉，半徑為：原理： 在一定的VdcVrf下，只有一定質量 的離子可通過四極場，到達檢測器。例如：某化合物分子量為150，M/Z150、151和152的 強度比為：原理： 在一定的VdcVrf下，只有一定質量 的離子可通過四極場，到達檢測器。CH3CH2CH3—C—CH2CH2CH2CH3離子源的真空度應達到10-3-10-5Pa，適用于強極性，大分子量的樣品分析結構: 四根棒狀電極，形成四極場50年代： 分析石油加一靜電場Ee，實現(xiàn)能量分散：電噴霧源(electronsprayionizationESI)適用于GC-MS結構：噴嘴，霧化氣，干燥氣M+e——M—主要作用是使分析物的分子離子化（4）胺類CH3（CH2）8—CH2—NH2+CH3（CH2）8.CH2=NH2+M/Z=30醇、醚、酮等化合物均無此分裂。三、分裂和重排（1）麥氏重排（Mclafferty） 在辛酮-4的質譜中，除43、57、71、85和128的質譜峰外，還有一個很高的峰，質量58，以及另兩個峰，質量86和100。這是由于發(fā)生了重排：+++M/Z=86M/Z=100++M/Z=86M/Z=100++M/Z=58M/Z=58+++麥氏重排的規(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。+++麥氏重排的規(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。（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再例如：解釋下列化合物的質譜M/Z=108的來源M/Z=108+因此，結構可能是（見教材473頁）。例如：某化合物分子量為150，M/Z150、151和152的 強度比為：適用于強極性，大分子量的樣品分析（1）質譜特征是具有質量相差14（CH2）單位的CnH2n+1系列；（1）麥氏重排（Mclafferty）圖2-2MS/MS儀器結構圖；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；結構與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：1單聚焦分析器（singlefocusingmassanalyzer）2、液相色譜-質譜聯(lián)用（LC-MS）（2） 失水生成M—18離子。圖2-5m/z=170的分子離子峰的子離子掃描圖圖2-2MS/MS儀器結構圖；（2）雙鍵范圍有酮、醛、酸、酯、C=N、以及烯烴、苯環(huán)化合物等。檢測器（detecter）第四節(jié) 有機化合物的質譜分析一、分子量的確定規(guī)律：1、