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1、第十章 质谱分析,10.1 质谱分析概述10.2 质谱仪器10.3 质谱图及其应用10.4 联用技术10.5 环境分析中的实例,10.1 质谱分析概述,世界上第一台质谱仪出现于1912年早期质谱仪器:测定原子质量、同位素的相对丰度、研究电子碰撞过程二次世界大战时期，质谱法在化学分析中受到重视20世纪60年代末，色谱质谱联用技术出现,质谱按照离子的质量对电荷比值(即质荷比)的大小依次排列构成的图谱。,质谱法按照离子的质核比（m/z）大小对离子进行分离和测定的方法。,主要作用：（1）准确测定物质的分子量（2）据碎片特征进行化合物的结构分析,质谱法是唯一可以确定物质分子质量的方法,质谱法的分类,质谱
2、法的特点,应用范围广。测定样品可以是无机物、有机物；气体、液体、固体。可做化合物的结构分析、测定原子量与相对分子量、同位素分析、热力学与反应动力学、环境监测。灵敏度高，样品用量少。有机质谱仪的绝对灵敏度可达50pg（1012g），无机质谱仪绝对灵敏度可达1014 g，用微克级样品即可得到满意的分析结果。分析速度快。仪器结构复杂，价格昂贵，对样品有破坏性。,进样系统,离子源,质量分析器,检测器,1.气体扩散2.直接进样3.气相色谱,1.电子轰击2.化学电离3.场致电离4.场解析5.快原子轰击6.高频火花7.激光,1.单聚焦 2.双聚焦 3.四极杆4.飞行时间5.离子阱,10.2 质谱仪器,进样系
3、统,离子源,质量分析器,检测器,真空系统 质谱仪的离子源、质量分析器必须处于高真空状态。若真空度低，则：大量氧会烧坏离子源的灯丝；使本底增高，干扰质谱图；引起额外的离子分子反应，质谱复杂化；干扰离子源中电子束的正常调节；用作加速离子的几千伏高压会引起放电。机械泵预抽真空，高效扩散泵连续抽气。,进样系统,将试样转化为气态，然后送进电离室。间歇式直接探针色谱质谱联用中经分子分离器进入,电离室（离子源）,使分析物质电离为正离子、负离子或其它碎片等的装置。,1）电子轰击离子源(electron impact;EI)：,EI源：可变的离子化能量(1070 eV),电子能量,电子能量,分子离子增加,碎片离
4、子增加,标准质谱图基本都是采用EI源(70eV)获得的,气化区,电子轰击,离子加速区,到分析器,M+e-M+2e-,EI的优点：,离子流稳定，碎片离子较丰富，应用广泛。,EI的缺点：,对于分子量较大或稳定性差的样品，常常得不到分子离子峰，因而也不能测定其分子量。,2）化学离子源(chemical ionization source;CI),（1）甲烷电离,（2）甲烷离子与分子反应生成加合离子,（3）加合离子与样品分子反应,可见，采用CI源,易测得分子量,3）快速原子轰击离子源(fast atom bombard-ment;FAB),由电场使氙（氩）原子电离并加速，产生快速离子，再直接通过氙气室
5、产生电荷交换得到快速原子。,Xe+(快)+Xe Xe(快)+Xe+,适用高极性、大分子量、热稳定差,三种离子源测得甲糖宁的质谱图,三种离子源的比较,4）场致离子源,采用强电场把冷阳极附近的样品分子的电子拉出去，形成离子。,场电离(field ionization;FI也称场致电离)：是将气体通过电场电离。,场解析(field desorption;FD)：是将固体样品涂在发射体表面使之电离，适用于较大分子量和热不稳定化合物电离。,5）大气压电离（Atmospheric pressure Ionisation,API）,(1)电喷雾电离源(ESI),多电荷离子、测定的样品分子量大,（2）大气压化
6、学电离（APCI）,4 质量分析器(Mass analyzer)单聚焦分析器（single focusing）双聚焦分析器（double focusing）四极杆分析器(quadrupole)飞行时间分析器(time of flight）离子阱分析器(Ion trap)富立叶变换离子回旋共振（Fourier tranform ion cyclotron resonance）,（1）单聚焦分析器（single focusing mass analyzer）,自离子源发生的离子束在加速电极电场（8008000V）的作用下，使质量m的正离子获得速度v，以直线方向运动，其动能为：zU1/2mv2 式中
7、，z为离子电荷数，U为加速电压。,具有一定动能的正离子进入垂直于离子速度方向的均匀磁场（质量分析器）时，正离子在磁场力（洛仑兹力）的作用下，将改变运动方向作圆周运动（半径为R），则运动离心力mv2/R 必然和磁场力Hzv相等：Hzvmv2/R 式中H为磁场强度。,zU1/2mv2,Hzvmv2/R,将两式合并，得 质谱方程式：,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；当 R为仪器设置不变时，改变加速电压或磁场强度，则不同m/z的离子依次通过狭缝到达检测器，形成质谱。,（2）双聚焦分析器（Double focusing）,采用单聚焦，进入离子源的离子初始能量不为零，且能量各不相
8、同，加速后的离子能量也不相同，运动半径差异，难以完全聚集。加一静电场Ee，实现能量分散：,对于动能不同的离子，通过调节电场能，达到聚焦的目的。,双聚焦分析器的特点：分辨率高,方向聚焦：相同质荷比，入射方向不同的离子会聚。能量聚焦：相同质荷比，速度(能量)不同的离子会聚。,质量相同，能量不同的离子通过电场和磁场时，均产生能量色散；两种作用大小相等，方向相反时互补实现双聚焦。,（3）四级杆分析器,四极杆（Quadrupole）：由四根带有直流电压（DC）和叠加的射频电压（RF）的准确平行杆构成，相对的一对电极是等电位的，两对电极之间电位相反。,结构:四根棒状电极，形成四极场 原理：在一定Vdc V
9、rf 下，只有一定质量的离子可通过四极 场到达检测器。在一定的（Vdc/Vrf)下，改变Vrf 可实现扫描。特点：扫描速度快，灵敏度高 适用于GC-MS,（4）飞行时间分析器（Time of Flight Analyzer）,试样入口,电子发射,栅极1-270V,栅极2 2.8kV,接收器,抽真空,若忽略离子（质量为m）的初始能量，可以认为离子动能为：,由此，离子速度：,离子飞行长度为L的漂移空间所需时间t=L/v，即：,特点：仪器结构简单,不需要磁场、电场等；扫描速度快，可在10-5 s内观察到整段图谱；无聚焦狭缝，灵敏度很高；可用于大分子的分析（几十万原子量单位），在生命科学中用途很广。,
10、5 离子检测器,质谱仪中最常用的离子检测器是电子倍增器。一定能量的离子轰击阴极导致电子发射，电子在电场的作用下，依次轰击下一级电极而被放大。利用电子倍增器可以实现高灵敏、快速测定。,质谱仪主要性能指标,（1）分辨率 分辨率是指仪器对质量非常接近的两种离子的分辨能力。对两个相等强度的相邻峰，当两峰间的峰谷不大于其峰高10%时，则认为两峰已经分开。,其中m1、m2为质量数，且m1m2，故在两峰质量数较小时，要求仪器分辨率越大。,（2）质量范围 质量范围是指质谱仪能测量的最大m/z值，它决定仪器所能测量的最大相对分子量。测定气体用的质谱仪，一般质量测定范围在2100，而有机质谱仪一般可达几千。,用一
11、定量的某样品在一定条件下，产生该样品分子离子峰的信噪比(S/N)来表示。,（3）灵敏度(sensitivity),10.3 质谱图及其应用,横坐标是质荷比；纵坐标是离子的相对强度（丰度）。图中最高的峰称为基峰，其相对丰度定为100%，其它离子峰的强度按基峰的百分比表示。,质谱图,根据质谱峰的质荷比测定化合物分子量，推测分子式及结构式 根据峰强度进行定量分析,质谱表用表格形式表示质谱数据，准确给出m/z值和相对强度。,1 主要离子峰的类型 当气体或蒸气分子（原子）进入离子源（例如电子轰击离子源）时，受到电子轰击而形成各种类型的离子。以A，B，C，D四种原子组成的有机化合物分子为例，它在离子源中可
12、能发生下列过程：,高真空可忽略,分子离子峰：分子失去电子形成带正电荷的阳离子ABCD+，称为分子离子，质谱图中相应的峰称为分子离子峰或母峰。分子离子峰是除同位素峰之外，质量数最大的质谱峰，可准确测定未知物的相对分子质量。,对于有机物，杂原子上未共用电子（n电子）最易失去，其次是电子，再其次是电子。,同位素离子峰：由于同位素的存在，质谱图中就会出现不同质量数的同位素形成的峰，称为同位素离子峰。同位素离子峰的丰度比，与同位素在自然界的丰度比相当。利用同位素离子峰可以判断化合物中是否含有某种元素。通过测定质谱图上同位素离子峰与分子离子峰的丰度比，可以推断化合物的分子式。,碎片离子峰：当轰击电子的能量
13、超过分子电离所需的能量时，原子之间的化学键会断裂，形成碎片，带有正电荷的碎片进入离子检测器，在质谱图上出现许多碎片离子峰。碎片离子的形成和化学键的断裂与分子结构有关，利用碎片峰可协助阐明分子的结构。,重排离子峰：在分子中有两个或两个以上的键断裂时，某些原子或基团从分子或离子中的一个位置转移到另一个位置所生成的离子，称为重排离子，相应的峰为重排离子峰。重排离子峰的形成和化学键的断裂与分子结构有关，利用碎片峰可协助阐明分子的结构。,亚稳离子峰：在电离、裂解、重排过程中的产生的离子，有一部分处于亚稳态，它们有可能进一步发生裂解，部分亚稳态离子进入离子检测器，形成亚稳离子峰。亚稳离子峰钝，一般要跨25
14、个质量单位，其质荷比通常不是整数，易于区别。亚稳离子峰的形成和化学键的断裂与分子结构有关，利用碎片峰可协助阐明分子的结构。,举例,分子离子,碎片离子,重排离子,2 相对分子质量的测定 轰击电子的能量在7615eV时，所产生的分子离子峰(母峰)的质荷比数值就是有机化合物的相对分子质量。,在判断分子离子峰时应注意：（1）分子离子稳定性的一般规律。（2）分子离子峰质量数的规律（氮律）：a.由C、H、O组成的有机化合物，分子离子峰质量一定是偶数。b.由C、H、O、N组成的化合物：含奇数个N，分子离子峰的质量是奇数；含偶数个N，分子离子峰的质量则是偶数。,（3）分子离子峰与邻近峰的质量差是否合理（从分子
15、离子中丢失的游离基和中性碎片）。（4）M+1峰：某些化合物（如醚、酯、胺、酰胺等）形成的分子离子不稳定，分子离子峰很小，甚至不出现，但M+1峰却相当大。这是由于分子离子在离子源中捕获一个H而形成的。（5）降低电子轰击源的电子能量：可采用12eV左右低电子能量，虽然总离子流强度会大为降低，但有可能得到一定强度的分子离子。,3 分子式的测定各元素具有一定的同位素天然丰度。不同物质的分子，其同位素离子峰与分子离子峰之比(M+1)/M和(M+2)/M都将不同。拜诺表(Bynon)：拜诺等人利用同位素丰度与分子离子峰丰度的比值和化合物分子式之间的关系，计算了相对分子质量在500以下，只含C，H，N，O的
16、各种有机化合物(M+1)和(M+2)峰与分子离子峰的相对丰度，编制为表格。,由质谱图确定分子离子峰及其分子离子同位素峰(M+1，M+2)的相对丰度。对照拜诺表，就能根据其相对丰度及比值来确定分子式。例如：丁酮分子离子中若有一个碳原子为13C，它的质荷比为73，即在(M+1)处出现。若以M峰的丰度为100，实验测定(M+1)和(M+2)的相对丰度分别为4.7和0.3，其比值等于15.7。,例：某化合物，已知其相对分子质量为150，由质谱测定，m/z 150、151和152的强度比。确定其分子式。,在Bynon的表中，相对分子质量为150的分子式共29个，其中（M+1)/M的百分比在9-11的分子
17、式有如下 7 个:,此化合物的相对分子质量是偶数，根据氮律，可以排除上列第 2、4、6 三个式子，剩下四个分子式中，M+1与9.9最接近的是第5式（C9H10O2）,这个式子的M+2也与0.9很接近，因此分子式可能为C9H10O2。,4 推测化合物的分子结构（1）由最高质量的一组峰研究分子离子峰：A 是否具有分子离子峰的特征；B 由分子离子峰的强度大小，大体判断是芳香族化合物，还是脂肪族化合物；C 由分子离子质量数的奇偶，了解含N数；D 求化合物的分子式和不饱和度。,（2）研究碎片离子的情况：A 特征断裂是否明显，由此估算化合物的 结构类型或裂解类型；B 根据碎片离子的质量推断碎片离子的元素组
18、成、估算化合物的结构类型；C 重要离子质量的奇偶数特征；,（3）列出部分结构单元：A 有哪些结构单元；B 亚稳离子峰是否指出各主要离子之间的某些关系；C 根据各结构单元算出不饱和度与原子数；D 除了这些结构单元外，其余部分的可能性。,（4）推断结构式：A 将各结构单元和剩余部分结构，按所有可能的结合方式联结起来；B 用质谱或其他数据，舍去不合理的结构式，即得到比较合理的结构式。,10.4 联用技术气相色谱质谱联用（GCMS）,气相色谱仪是质谱法的理想的“进样器”，试样经色谱分离后以纯物质形式进入质谱仪，就可充分发挥质谱法的特长。质谱仪是气相色谱法的理想的“检测器”，色谱法所用的检测器如氢焰电离
19、检测器、热导池检测器、电子捕获检测器等都有局限性，而质谱仪能检出几乎全部化合物，灵敏度又很高。,仪器内部结构,气相色谱,接口,质谱,联用过程,在离子源与质量分析器之间，有一个总离子流检测器，以截取部分离子流信号。总离子流强度的变化正是流入离子源的色谱组分变化的反映，因而总离子流强度与时间或扫描数变化曲线就是混合物的色谱图。,总离子流色谱图（TIC）,气相色谱,接口,质谱,总离子流检测器,在相同条件下，由 GC-MS 得到的总离子流色谱图与由普通气相色谱仪所得色谱图大体相同。各个峰的保留时间、峰高、峰面积可作为各峰的定量参数。一般TIC的灵敏度比GC的氢火焰离子化检测器高1-2个数量级，它对所有
20、的峰都有相近的响应值。,总离子流色谱图特点,GC-MS 联用的关键-接口装置,载气：氦气,He的电离电位 24.6 eV，是气体中最高的（H2,N2：为15.8 eV),它难于电离，不会因气流不稳而影响色谱图的基线。He的相对分子质量只有4，易于与其它组分分子分离。它的质谱峰很简单，主要在m/z 4处出现，不干扰后面的质谱峰。,毛细管柱气相色谱-质谱联用,由于填充柱的分离效率不高，柱中固定液易流失而引致质谱仪的污染和本底提高。因此毛细管柱气相色谱在联用中得到更广泛的应用。毛细管柱载气流量大大下降，一般1-3mLmin-1，所以可实现直接导入式接口，亦即将毛细管色谱柱的末端直接插入质谱离子源内，
21、接口只起保护插入段毛细管柱和控制温度的作用。,GC-MS的应用,一般说来，凡能用气相色谱法进行分析的试样，大部分都能用GC-MS进行定性鉴定及定量测定。环境分析是GC-MS应用最重要的领域。水（地表水、废水、饮用水等）、危害性废弃物、本壤中有机污染物，空气中挥发性有机物、农药残留量等的GC-MS分析方法已被美国环保局（EPA）及许多国家采用，有的已以法规形式确认。,液相色谱质谱联用（LC MS）,液相色谱的应用不受沸点的限制，并能对热稳定性差的试样进行分离、分析。然而液相色谱的定性能力更弱，因此液相色谱与有机质谱的联用，其意义是显而易见。由于液相色谱的一些特点，在实现联用时所遇到的困难比 GCMS 大得多。主要有两方面：液相色谱流动相对质谱工作条件的影响以及质谱离子源的温度对液相色谱分析试样的影响。,LCMS困难解决,大气压化学电离接口电喷雾电离接口粒子束接口液相3m颗粒固定相及细径柱的使用,10.5 环境分析中的实例,
