儀器分析質(zhì)譜分析法PPT課件

1、質(zhì)譜儀的發(fā)展史1912年:世界第一臺質(zhì)譜裝置40年代: 質(zhì)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(shù)70年代： 計算機(jī)引入第1頁/共69頁質(zhì)譜法是一種按照離子的質(zhì)核比（m/z）大小對離子進(jìn)行分離和測定的方法。質(zhì)譜法的主要作用是：（1）準(zhǔn)確測定物質(zhì)的分子量（2）根據(jù)碎片特征進(jìn)行化合物的結(jié)構(gòu)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(zhì)，把離子按質(zhì)核比大小排列成譜，此即為質(zhì)譜。第2頁/共69頁質(zhì)譜法分類：按用途分有機(jī)質(zhì)譜無機(jī)質(zhì)譜同位素質(zhì)譜按原理分單聚焦質(zhì)譜雙聚焦質(zhì)譜四極質(zhì)譜飛行時間質(zhì)譜回旋共振質(zhì)譜按聯(lián)用方式分氣質(zhì)聯(lián)用液質(zhì)聯(lián)用質(zhì)質(zhì)聯(lián)用第3頁/共69頁

2、第二節(jié)質(zhì)譜分析的原理與儀器一、質(zhì)譜分析的過程與原理第4頁/共69頁1、進(jìn)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(jié)合，形成負(fù)離子M + e M第5頁/共69頁3、離子也可因撞擊強(qiáng)烈而形成碎片離子：4、荷電離子被加速電壓加速，產(chǎn)生一定的速度v，與質(zhì)量、電荷及加速電壓有關(guān)：) 1 (212mvzH 第6頁/共69頁5、加速離子進(jìn)入一個強(qiáng)度為H的磁場，發(fā)生偏轉(zhuǎn)，半徑為：)2(zHmvr 將（1）（2）合并：) 3(222VrHZm當(dāng) r 為儀器設(shè)置不變時，改變加速電壓或磁場強(qiáng)度，則不同m/z的

3、離子依次通過狹縫到達(dá)檢測器，形成質(zhì)量譜，簡稱質(zhì)譜。第7頁/共69頁q進(jìn)樣系統(tǒng)(inlet system) q離子源(ion source)q質(zhì)量分析器（mass analyzer）q檢測器（detecter） q真空系統(tǒng)（Vacuum system）二、質(zhì)譜儀的組成第8頁/共69頁1、樣品引入系統(tǒng)氣體直接導(dǎo)入或用氣相色譜進(jìn)樣液體加熱汽化或霧化進(jìn)樣固體用直接進(jìn)樣探頭第9頁/共69頁Heated GasHENNebulizerWater VaporWater VaporDry AerosolNebulizer GasMakeup GasSweepGas InSweepGas OutSample F

4、low InHeater進(jìn)樣系統(tǒng)第10頁/共69頁Laser Ablation of Plastics Applying Different Wavelenghts1064 nm308 nm248 nm第11頁/共69頁對于蒸汽壓低的樣品進(jìn)行衍生化后進(jìn)樣例如：葡萄糖變成三甲基硅醚的衍生物OCH2OHOHOHHOHOOCH2OSiMe3OSiMe3OSiMe3Me3SiOMe3SiOMe3SiCl第12頁/共69頁 2、 離子源(ion source)主要作用是使分析物的分子離子化電子電離源(electron ionization EI)化學(xué)電離源(chemical ionization CI)

5、快原子轟擊(fast atom bombardment FAB)電噴霧源(electronspray ionization ESI)大氣壓化學(xué)電離（atmospheric pressure chemical ionization APCI)基質(zhì)輔助激光解吸電離（matrix assisted laserDesorption ionization MALDI)第13頁/共69頁（1） 電子電離源(electron ionization EI)由陰極發(fā)射電子束，通過離子化室到達(dá)陽極，電子能量70eV，有機(jī)化合物的電離電位8-15eV?？稍谄叫须娮邮姆较蚋郊右蝗醮艌?，使電子沿螺旋軌道前進(jìn)，增加碰撞

6、機(jī)會，提高靈敏度。第14頁/共69頁特點： v 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；v 不能汽化的樣品不能分析；v 有些樣品得不到分子離子；第15頁/共69頁（2）化學(xué)電離源(chemical ionization CI)CH4 + e CH4 + + 2eCH4+ + CH4 CH5 + + CH3結(jié)構(gòu)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(yīng)： CH5 + + M CH4 + MH+第16頁/共69頁特點： v得到一系列準(zhǔn)分子離子（M+1）+， （M-1）+， （M+2）+等等；vCI源的的碎片離子峰少，圖譜簡單，易

7、于解釋；v不適于難揮發(fā)成分的分析。第17頁/共69頁 （3）快原子轟擊(fast atom bombardment FAB)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(zhì)譜的離子源。第18頁/共69頁（4）電噴霧源(electronspray ionization ESI)結(jié)構(gòu)：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第19頁/共69頁特點：特點：1 適用于強(qiáng)極性，大分子量的樣品分析適用于強(qiáng)極性，大分子量的樣

8、品分析 如肽，蛋白質(zhì)，糖等如肽，蛋白質(zhì)，糖等2 產(chǎn)生的離子帶有多電荷產(chǎn)生的離子帶有多電荷3 主要用于液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀主要用于液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀第20頁/共69頁3、質(zhì)量分析器(mass analyzer)1 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)5 飛行時間分析器(time of flight）6 富立葉變換離子回旋共振 （Fourier tranform ion cyclotron

9、 resonance）第21頁/共69頁（1）單聚焦分析器（single focusing mass analyzer）1）結(jié)構(gòu)：扇形磁場（可以是1800 900600等）第22頁/共69頁原理：由（3）式可知：) 3(222VrHZm離子的m/Z大，偏轉(zhuǎn)半徑也大，通過磁場可以把不同離子分開；當(dāng) r 為儀器設(shè)置不變時，改變加速電壓或磁場強(qiáng)度，則不同m/z的離子依次通過狹縫到達(dá)檢測器，形成質(zhì)譜。第23頁/共69頁（2）雙聚焦分析器（Double focusing mass analyzer）第24頁/共69頁為什么要雙聚焦：進(jìn)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

10、，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：eMeeRERmvE22eMeEER2對于動能不同的離子，通過調(diào)節(jié)電場能，達(dá)到聚焦的目的。雙聚焦分析器的特點：分辨率高第25頁/共69頁（3）四極桿分析器 (quadrupole analyzer)第26頁/共69頁直流電壓Vdc交流電壓Vrf頻率為射頻區(qū)第27頁/共69頁結(jié)構(gòu):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Vdc Vrf 下 ， 只有一定質(zhì)量的離子可通過四極場，到達(dá)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

11、，靈敏度高 適用于GC-MS第28頁/共69頁+-第29頁/共69頁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2-2 MS/MS儀器結(jié)構(gòu)圖；各項主要電參數(shù)及氣體參數(shù)含義第30頁/共69頁170937765圖2-5 m/z =170的分子離子峰的子離子掃描圖NH第31頁/共69頁NHNH2M1+H+m/z 170m/z 93m/z 77m/z 65第32頁/共69頁（4）離子阱分析器Ion Trap Analyzer特點：q結(jié)構(gòu)簡單q靈敏度高q適于小型聯(lián)用儀器（GC-MS）第33頁/共69頁（5）飛行時間分

12、析器Time of Flight Analyzer 試樣入口電子發(fā)射柵極1-270V柵極2 2.8kV接收器抽真空第34頁/共69頁特點 儀器結(jié)構(gòu)簡單,不需要磁場、電場等； 掃描速度快，可在10-5 s內(nèi)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(xué)中用途很廣；第35頁/共69頁4、 真空系統(tǒng) 離子源的真空度應(yīng)達(dá)到10-3-10-5 Pa，質(zhì)量分析器應(yīng)達(dá)到10-6 Pa。真空裝置：機(jī)械真空泵 擴(kuò)散泵 分子渦輪泵第36頁/共69頁5、 檢測器(detector) 電子倍增器第37頁/共69頁6、檢測器的性能指標(biāo)（1）質(zhì)量范圍指所能檢測的M/Z范圍四

13、極質(zhì)譜 M/Z小于或等于1000磁式質(zhì)譜 M/Z可達(dá)到幾千飛行時間質(zhì)譜 M/Z可達(dá)到幾十萬（2）掃描速度指掃描一定質(zhì)量范圍所需時間例如GC-MS：M/Z 1-1000所需時間1s第38頁/共69頁（3）分辨率R質(zhì)譜對相鄰兩質(zhì)量組分分開的能力MMR例如：CO+27.9949N2+28.006125009949.270061.289949.27MMR四極質(zhì)譜恰好能將此分開.第39頁/共69頁但是:ArCl+74.9312As+74.921678009216.749312.749216.74MMR需要用高分辨質(zhì)譜.(4) 靈敏度指信噪比大于10時的樣品量。第40頁/共69頁第三節(jié)常見化合物的質(zhì)譜一、

14、烴類質(zhì)譜1、烷烴71574329第41頁/共69頁正構(gòu)烷烴的裂解規(guī)律：（1）質(zhì)譜特征是具有質(zhì)量相差14（CH2）單位的CnH2n+1系列；（2）碎片離子C3以上強(qiáng)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(gòu)烷烴（支鏈烷烴）分支處易斷裂：+例如5-甲基十五烷C10H21CHC4H9CH316985第42頁/共69頁2、烯烴（1）具有烷烴的特征（2）易發(fā)生烯丙斷裂，生成很強(qiáng)的烯丙離子CH2 = CH CH2M / Z = 41CH2 = CH RR CH2 CH2 CH2 CH = CH2+第43頁/共69頁3、芳烴易發(fā)生芐基斷裂，生成芐基離子CH2+C2H2-2

15、6C2H2 -26M /Z 91M /Z 91M /Z 39M /Z 65第44頁/共69頁39 65 91 92 M / Z CH3第45頁/共69頁二、雜原子的質(zhì)譜(1) 醇和酚醇類（1）雜原子存在，形成M/Z 31的離子和M1的離子；（2）失水生成M18離子。CH3CH2OH（M /Z 46） CH2 = OH M / Z 31CH3CH2OH（M /Z 46） CH3CH = OH M / Z 45第46頁/共69頁C3H7 CH CH3OHC3H7CHOHCHCH3OHM/Z = 73M/Z = 45M/Z = 88M-H2OM-CH3M-1M45 70 73 88第47頁/共69頁

16、酚類：（1）失去 C = O M/Z28（2）失去 H2OM/Z18（3）具有苯的特征第48頁/共69頁（2）醛、酮、醚辛酮4CH3CH2CH3CCH2CH2CH2CH3OM/Z12843715785M/Z12885715743第49頁/共69頁第50頁/共69頁CHO+OHOHCO+OH+-H-CO-CO-C2H2122121936539+再例如對羥基苯甲醛第51頁/共69頁醚類乙基異丁基醚CH3CH2CHOCH2CH3CH3斷裂斷裂第52頁/共69頁（3） 鹵素化合物RX + R+ + X RCH2X+R + CH2 = X+如果是長鏈烴類，則可能有下列途徑R-(CH2)4-X+R.+X第

17、53頁/共69頁（4）胺類CH3（CH2）8CH2NH2+CH3（CH2）8.CH2 = NH2+M / Z = 30醇、醚、酮等化合物均無此分裂。第54頁/共69頁三、分裂和重排（1）麥?zhǔn)现嘏牛∕clafferty）在辛酮-4的質(zhì)譜中，除43、57、71、85和128的質(zhì)譜峰外，還有一個很高的峰，質(zhì)量58，以及另兩個峰，質(zhì)量86和100。這是由于發(fā)生了重排：C3H7CC4H9O第55頁/共69頁CCH2H2CCH2COHHHHCCH2H2CCH2COHHHCH3HHH2CCH2CCH2COHCH3HHH2CC+M/Z = 86M/Z = 100第56頁/共69頁CCH2H2CCH2COHHH

18、HH2CCH2COHCH3HHH2CC+M/Z = 86M/Z = 100H2CCH3COHHCCH2COH3+M/Z = 58M/Z = 58第57頁/共69頁YWXCZHWYZCXH+麥?zhǔn)现嘏诺囊?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。第58頁/共69頁YWXCZHWYZCXH+麥?zhǔn)现嘏诺囊?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。第59頁/共69頁RHCH2HH+R+（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+第60頁/共69頁再例如：解釋下列化合物的質(zhì)譜 M/Z=108 的來源OOM/Z=108+第61頁/共69頁第四節(jié)有機(jī)化合物的質(zhì)譜分析一、分子量的確定規(guī)律：1、分子離子峰一定是質(zhì)譜中質(zhì)量數(shù)最大的峰；2、分子離子峰應(yīng)有合理的質(zhì)量丟失：例如：在比分子離子峰小4-14及20-25質(zhì)量單位處不應(yīng)有離子峰出現(xiàn)，因為一個有機(jī)化合物不可能失去4-14個氫而不斷鏈，但如果斷鏈，失去最小碎片應(yīng)為CH3，質(zhì)量數(shù)為15，同理，不可能失去20-25質(zhì)量單位。3、質(zhì)量數(shù)符合氮規(guī)律，即有機(jī)化合物含奇數(shù)氮原子，分子量為奇數(shù)，含偶數(shù)氮原子（包括0氮原子），分子量為偶數(shù)。第62頁/共69頁例如：元