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1、1,第9章 质谱分析法(MS),9.1 概述9.2 质谱仪器 进样系统 离子源 9.2.3 质量分析器 检测器 9.2.5 质谱联用技术9.3 质谱解析 9.3.1 质谱中的离子 9.3.2 常见有机化合物的质谱 9.3.3 质谱解析例,2,3,9.1 概述,质谱法是通过将样品转化为运动的气态离子并按质荷比(M/Z)大小进行分离并记录其信息的分析方法所得结果以图谱表达，即所谓的质谱图根据质谱图提供的信息可以进行多种有机物及无机物的定性和定量分析、复杂化合物的结构分析、样品中各种同位素比的测定及固体表面的结构和组成分析等,质谱分析法,4,质谱分析法是通过测定待测样品离子的质荷比（mass-to-
2、charge-ratio）来进行分析的方法。,Overview of Mass Spectrometry,Mass Spectrum,Mass Analyzer,Ionization,M+/Fragmentation,Sample Molecule(M),9.1 概述,5,质谱仪的发展简史 1912年：世界第一台质谱装置 1940年代:质谱仪用于同位素测定 1950年代：分析石油 1960年代：研究GC-MS联用技术 1970年代：商品GC-MS出现，计算机引入，GC-MS技术基本成熟。1980年代：大气压电离的LC-MS出现 1990年代：基质辅助激光解吸飞行时间 质谱仪出现，质谱技术大量用
3、于生物医药领域，出现“生物质谱”概念。,9.1 概述,6,9.1.3质谱仪的分类1 有机质谱仪：1）气相色谱-质谱联用仪 2）液相色谱-质谱联用仪 3）其他质谱仪:傅立叶变换质谱仪 基质辅助激光解吸-飞行时间变质谱仪2 无机质谱仪：ICP-MS3 同位素质谱仪：轻元素同位素，重元素同位素4 气体分析质谱仪,9.1 概述,7,9.1.4 质谱分析基本术语,1质量数和质量范围 在质谱分析中，被测定的分子和原子都是以离子形式记录的，如果离子只带一个电荷，则离子的质荷比在数值上就等于它的质量数，质谱仪的质量范围是指仪器所能测量的离子质荷比范围气体分析用质谱仪的质量范围一般从2100，而有机质谱仪的质量
4、范围一般从几十到几千,8,2分辨率分辨率表示仪器分开两个相邻质量数离子的能力它一般定义为：对两个相等强度的相邻峰，当两峰间的峰谷不大于其峰高的10时，可认为此两峰已经分开（图9-6），这时，仪器的分辨率R用下式计算：,式中，m为质量数，且m1m2,9,图9-6 分辨率示意图,10,3灵敏度 灵敏度对于不同用途的质谱仪有不同的表示方法有机质谱常用绝对灵敏度，无机质谱常用相对灵敏度，而同位素分析质谱常用丰度灵敏度绝对灵敏度是指仪器能检测的最小样品量目前，有机质谱仪灵敏度可优于10-10g,11,相对灵敏度是指仪器同时可检测的大组分与小组分的含量之比即表示仪器可测定的样品中杂质的最低相对含量，例如1
5、0-9 丰度灵敏度表示大丰度同位素峰的“拖尾”对相邻小丰度同位素峰的影响,12,若大丰度同位素峰强度为IM，它对相邻小丰度同位素峰的贡献为IM+1，则：丰度灵敏度=IM/IM+1（9-16）丰度灵敏度实际上也是一种相对灵敏度，一般同位素分析用的质谱仪，其丰度灵敏度为105106还有用分析灵敏度表示的方法，它是指输入的样品量与仪器输出信号之比，即对单位样品量所能产生的信号的大小,13,9.2 质谱仪器,由进样系统、离子源、质量分析器、离子检测器和记录器组成此外，还包括真空系统和电气系统等辅助设备根据质量分析器的工作原理不同，有单聚焦、双聚焦、飞行时间和四极滤质器质谱仪,14,Inlet syst
6、em,Computer,离子源,进样系统,质量分析器,检测器,真空系统,10-2-10-6Pa,15,气体分析用的质谱仪进样系统一般由管道、阀门、压力表、样品贮存器和漏口组成它适用于室温下气体或易挥发液体样品的分析有机质谱仪常与色谱仪联用色谱仪是质谱仪的进样系统，由色谱柱流出的样品经喷射式分子分离装置将载气分离后进入质谱仪用于无机物分析的质谱仪，没有专门的进样系统，一般是把要分析的样品制成电极，置于离子源中，靠高频高压使它电离,9.2.1 进样系统,9.2 质谱仪器,16,9.2.2 离子源,质谱分析的对象是样品离子，应首先把样品分子或原子电离成离子，用于产生离子的装置叫离子源，主要有电子电离
7、源、化学电离源、火花电离源和高频火花源等,9.2 质谱仪器,17,1 电子电离源(electron ionization EI),利用高速电子轰击试样分子使它电离的离子源称为电子电离源它是由电热阴极发射的电子，在正电位作用下进入电离室，前进过程中与进入电离室的样品分子碰撞若电子的能量大于样品分子的电离电位，碰撞的结果将导致样品分子的电离，所产生的正离子在静电场的加速下进入分析器,18,1 电子电离源(electron ionization EI),19,电子电离源中分子离子及碎片离子的形成,形成分子离子,裂解成碎片离子,裂解重排,裂解碰撞,1 电子电离源(electron ionization
8、 EI),20,电子电离源的特点：1 电离电压：70eV2 加一小磁场增加电离几率。3 EI源碎片离子多，结构信息丰富，有标准化合物质谱库。4 样品在气态下电离，不能汽化的样品不能分析，主要用于气-质联用仪。5 有些样品得不到分子离子。6 适用于分子量低于1000的样品。,1 电子电离源(electron ionization EI),21,2 化学电离源(chemical ionization CI),利用反应气的离子与试样分子碰撞使它电离的离子源称为化学电离源结构同EI，一般仪器EI和CI可以互相切换。在化学电离源中，试样的电离是由反应气离子同样品分子反应产生的现以CH4作为反应气，XH为
9、样品气说明化学电离的过程,22,在电离室中，样品气含量仅为反应气的千分之一左右，因此，在电子的轰击下，主要是反应气电离：CH4e-CH4CH3CH2CH CH2+H+其中，碎片离子主要是CH4和CH3,2 化学电离源(chemical ionization CI),23,它们又与反应气作用，生成新的离子：CH4CH4CH5CH3 CH3CH4C2H5H2样品分子经离子-分子反应，总共生成XH2+、X+、A+和B+等正离子检测这些离子，就可以获得有关样品的质谱,2 化学电离源(chemical ionization CI),24,2 化学电离源(chemical ionization CI),反
10、应气和样品共同决定产物的形式,25,3 电喷雾电离源(electrospray ionization ESI),结构：喷嘴（金属毛细管），雾化气，干燥气(curtain gas)原理：喷雾 蒸发 电压,106V/m,离子在电压差和压力差的驱使下向下游移动,26,电喷雾源(ESI)的特点：1 电喷雾源属软电离技术，只产生分子离子，不产生碎片离子。2 产生的离子常常带有多电荷，尤其是生物大分子。3 适用于强极性，大分子量的样品分析。如肽，蛋白质，糖等。4 主要用于液相色谱-质谱联用仪。,3 电喷雾电离源(electrospray ionization ESI),27,4 高频火花源,利用高频火花放
11、电使试样分子电离的离子源称为高频火花源它适用于分析难以蒸发的金属、半导体、绝缘体等固体材料被分析样品加工成棒状电极，或与石墨混和压制成电极两极间施加10100kV的脉冲高频电压，使电极在真空中发生火花放电，从而使电极上的样品蒸发并电离,28,作用：将离子源产生的离子按质荷比m/z的大小分开 ion separation,1 单聚焦分析器(single focusing mass analyzer)2 双聚焦分析器(double focusing mass analyzer)3 四极杆分析器(quadrupole analyzer)4 离子阱分析器(Ion trap analyzer)5 飞行时
12、间分析器(time-of-flight analyzer)6 富立叶变换离子回旋共振(Fourier transform ion cyclotron resonance),9.2.3 质量分析器,9.2 质谱仪器,29,1单聚焦分析器(single focusing mass analyzer),9.2.3 质量分析器,1）结构：扇形磁场可以是180 90 60 等,30,2）原理：,R,31,结论：1 离子的m/z大，偏转半径也大，通过磁场 可以把不同离子分开2 在一定磁感应强度B下，改变加速电压V 可以使不同离子先后通过检测器，实现质量扫描，得到质谱。,3）特点 结构简单，操作方便 分辨率
13、低,32,双聚焦分析器是指同时实现方向聚焦和能量（速度）聚焦它可克服单聚焦分析器中，即使是m/e相同的离子，因初始能量不同而不能全部聚焦在一起的缺点，从而使仪器的分辨率显著提高,2 双聚焦分析器(double focusing mass analyzer),33,结构：磁场、电场任意顺序组合原理：单聚焦分析器分辨率低的主要原因在于它不能进行能量聚焦。双聚焦分析器具有能量聚焦和方向聚焦的特点特点：分辨率高(150,000),(方向焦面),(能量焦面),34,双聚焦质量分析器是将一静电场分析器置于离子源和磁分离器之间当质量为m、电荷为e的离子通过一个与其飞行方向垂直的强度为E的电场时，则要受到一个
14、FeE的力，这个恒定的力将使离子偏转进入一个圆弧形轨道，轨道的半径为re,能量聚焦,35,根据所受力的大小与粒子的离心力相等可得,因进入静电分析器前，该离子在加速电场V中所获得的动能为eV，即mv2/2=eV，代入式（9-17）中得,(9-17),（9-18）,36,由式（9-18）可知，粒子的质量不是一个参变量，因而静电分析器分析的不是质量它实际上分析的是能量，即能够选择具有一定能量的离子使之通过一定直径的静电分析器经能量选择的离子束随后进入磁分析器，它所受的磁场作用力FHev，离子作圆周运动的向心力与磁场作用力平衡，即,方向聚焦,37,代入mv2/2=eV得,离子运动的半径rm取决于磁场强
15、度H、离子的质荷比m/e以及加速电压V若保持H和V不变，则离子运动的半径rm仅取决于离子本身的质荷比m/e，m/e不同的离子，由于运动半径不同，在磁分析器中被分开随即用照相底片摄取谱图，即可获得完整的质谱图,38,通常在质谱仪中，出射狭缝的位置是固定的，故一般采用固定加速电压V而连续改变磁场强度H（磁场扫描）的方法；或固定磁场强度H而连续改变加速电压V（电场扫描）的方法，使不同质荷比的离子依次通过狭缝，到达收集器，从而获得质谱图,39,3 四极杆分析器(quadrupole mass analyzer)四极滤质器，quadrupole mass filter,结构:四根棒状电极，相对的两个电极
16、相连，形成四极场 1，3棒：+(Vdc+Vrf)2，4棒：-(Vdc+Vrf),特点：扫描速度快，灵敏度高。适用于GC-MS。,9.2.3 质量分析器,40,四根棒状电极,加速电压5-15V,3 四极杆分析器,41,原理：,在一定的Vdc Vrf 下，只有一定质量的离 子可通过四极场，到达检测器，其他质量的离子碰到四极杆被吸收，在另外的Vdc Vrf 下可接收到另外质量的离子。在一定的（Vdc/Vrf)下，连续改变Vrf或Vdc可实现质量扫描。,42,4 飞行时间分析器(time-of-flight analyzer,TOF）,正离子在电场作用下被加速所有离子同时飞越长度为L的无场空间，先后到
17、达检测器,V,L不变时，t由m/e决定一般，1-30s,43,4 飞行时间分析器,44,特点：简单、耐用，无质量范围限制。取样速度快，适用于快速GC/MS；分析适用于脉冲离子化方式（如MALDI）的大分子量的多肽、蛋白质。早期分辨率低的问题通过延迟萃取技术等已经得到解决。,4 飞行时间分析器,45,9.2.4 检测器(detector),1 电子倍增器 electron photon multiplier2 光子倍增器 photon multiplier3 法拉第杯 Faraday cup4 阵列检测器 array detectors,9.2 质谱仪器,46,电子倍增器,47,9.2.5 质谱
18、分析法的应用1 GC-MS联用分析 A GC-MS定性分析 1）分析条件的设定 GC条件：同普通GC MS条件：扫描方式，扫描范围，扫描速度,灯丝电流，倍增器电压等 2）定性分析 数据的采集：进样，电离，质谱数据的采集,48,B GC-MS定量分析 GC-MS定量分析依据：含量W=F 峰面积A 用总离子色谱图定量 用质量色谱图（提取离子色谱图）定量 用选择离子色谱图定量 GC-MS定量分析方法：外标法 内标外标法,49,2 LC-MS联用分析 A LC LC-MS 联用仪(LC-MS)组成：LC：普通LC MS：带有电喷雾源（ESI）的质谱仪，可以是：四极杆（Q）质谱仪 离子阱（Trap)质谱
19、仪 飞行时间（TOF）MS-MS：三级四极（Q-Q-Q）质谱仪 混合（Q-TOF）质谱仪 多级MS 数据系统：计算机 蛋白质库,50,B LC-MS定性分析 1）分析条件的选择 LC条件的选择 电喷雾条件 MS条件 2）定性分析 分子量确定：（M+1）（M-1）多电荷 MS-MS联用测定子离子谱C LC-MS定量分析 质量色谱图 多反应监测（MRM）,51,9.3 质谱解析9.3.1 质谱中的离子,1 分子离子,or,双键或环状结构、有机酸、醇等的分子离子峰强度大,M,52,分子离子峰的判断,一般在质谱的最右端有合理的质量丢失（丢失的质量数不应为4-14;20-25；37；38；5053；65
20、；66）分子量符合氮规则,N的个数为奇数，分子量为奇数N的个数为0,2,4等偶数，分子量为偶数（N为奇数价，偶数分子量）,9.3.1 质谱中的离子,53,2 碎片离子EI,(1)自由基引发的断裂 断裂,醇的特征离子,伯胺,54,双键,酮,烷基苯,55,(2)正电荷引发的断裂,双电子转移,断裂（几率大）,电荷引发（几率小）,断裂,56,(3)断裂,无 电子和 电子的烷烃,分枝处易断裂、易丢失最大烷基,57,(4)环烯的断裂Retro-Diels-Alder反应,58,3 同位素离子,一般质量数大于分子离子同位素峰的强度取决于同位素的种类和丰度根据同位素峰强度比可以估计该元素的个数,同位素峰强度符
21、合 规则,轻同位素丰度,重同位素丰度,同位素元素的个数,59,3 同位素离子,12C和13C,100:1.1,有1个C时，(100+1.1)1；M+1峰的强度：（M+1）/M=1.1/100 2个C时，(100+1.1)2=1002+21001.1+1.12；M+1峰强度：（M+1）/M=21001.1/1002=2.2%M+2峰强度：（M+2）/M=1.12/1002=0.0121%,60,3 同位素离子,35Cl和37Cl,100:32.5 3:1,50 52,3,1,几率,84 86 88,9,6,1,118 120 122 124,27,27,9,1,61,4 重排离子麦氏重排(Mcl
22、afferty),含有含有 氢原子,62,9.3 质谱解析9.3.2 常见有机化合物的质谱,1烃类,强度随着分子质量的增加而减弱；呈现CnH2n+1系列碎片离子峰,C3，C4的碎片出现几率大；M-15峰极弱或观察不到,A、直链烷烃,63,支链烷烃的 更弱支链处容易断裂，产生的仲或叔碳正离子，碎片离子强度大,57,169,85,141,B、支链烷烃,1烃类,64,1烃类,65,D 烯烃,易发生键断裂，出现CnH2n-1（41+14n）烯烃特征峰,可发生麦氏重排产生离子峰CnH2n（42+14n）,1烃类,C 环烷烃易发生断裂，得到环的碎片CnH2n-1,66,E 芳烃,苄基容易断裂生成正离子,R
23、,+,C,H,2,R,C,H,2,1烃类,易发生键断裂，生成m/Z=91的C7H7+，C5H5+（m/Z=65），C3H3+（m/Z=38）CnHm:38,39,50-22,63-65,75-78,发生麦氏重排生成m/Z=92的C7H8+,67,9.3 质谱解析9.3.2 常见有机化合物的质谱,2 醇和酚,醇,断裂,脱水,CnH2n+1O+,68,9.3 质谱解析9.3.2 常见有机化合物的质谱,酚,较强的分子离子,苯的特征,异构化,69,9.3 质谱解析9.3.2 常见有机化合物的质谱,麦氏重排,3 醛和酮,断裂,4 酯和酸,酸,CnH2n-1O+,CnH2n-1O2+,M-1,H-CO(m
24、/z=29),R+,R+,OR+,70,9.3 质谱解析9.3.2 常见有机化合物的质谱,5 胺,脂肪胺,伯胺,仲胺、叔胺,断裂,碎片离子进一步重排,芳胺,与酚类似,CnH2n+2N+,71,总结,侧链碳原子处最易断裂，取代基大的优先断裂。饱和环在侧链部位断裂。双键，芳环和杂环的M+稳定，易发生断裂含有杂原子的化合物易产生断裂羰基化合物易产生断裂,72,低质量端的常见离子,73,9.3 质谱解析,质谱解析步骤计算不饱和度由分子离子峰确定分子量分析碎片例子 由高质量端确定取代基 由低质量端寻找特征离子系列 由结构单元给出可能的结构,74,9.3 质谱解析9.3.3 质谱解析例,例1 某未知化合物
25、质谱图如下图所示，给出结构式。,26,31,28,75,不饱和度：=1+8-8/2=5化合物较强的离子峰有m/e=136,105,77,51m/e=39，51，77为芳香环的特征峰m/e=136 是分子离子峰 m/e=105（M-31）去掉一个 或 m/e=77（M-31-28）去掉一个-CO或-C2H2m/e=51（M-31-28-26）去掉一个-C2H2,76,可能结构,+,C4H3,m/e=136,m/e=105,m/e=77,m/e=51,m/e=136,CO,C2H2,77,9.3 质谱解析9.3.3 质谱解析例,例2 某未知化合物质谱图如下图所示，分子式为C6H12O，给出结构式。
26、,78,9.3 质谱解析9.3.3 质谱解析例,没有M-1峰，因此不可能是醛类,不饱和度=1,79,9.3 质谱解析9.3.3 质谱解析例,因此结构式为：,80,81,本章要点1.原理：质谱分析的主要目的；质谱图的横纵坐标2.仪器：质谱仪器的方框图(注意从进样系统至检测器部分需置于真空状态)常用进样方法及适用范围质量分析器的作用及种类；单聚焦质量分析器、双聚焦质量分析器、四极杆质量分析器的原理及优缺点。了解飞行时间质量分析器离子源的种类、特点及各自的适用性,82,3.应用(1)分子离子峰及其判断；碎片离子(断裂、断裂、正电荷引发的断裂)、同位素离子和重排离子的形成规律(2)常见有机化合物的质谱特征烃(烷烃、烯烃、芳烃)、醇、有机酸、酯、醛、酮(3)质谱解析4.质谱联用技术：GC-MS,HPLC-MS,
