第十章 質(zhì)譜分析

第十章質(zhì)譜分析第一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五10.1質(zhì)譜分析概述10.2質(zhì)譜儀器10.3質(zhì)譜圖及其應(yīng)用10.4聯(lián)用技術(shù)10.5環(huán)境分析中的實例第二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五10.1質(zhì)譜分析概述世界上第一臺質(zhì)譜儀出現(xiàn)于1912年早期質(zhì)譜儀器:測定原子質(zhì)量、同位素的相對豐度、研究電子碰撞過程二次世界大戰(zhàn)時期，質(zhì)譜法在化學(xué)分析中受到重視20世紀60年代末，色譜—質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)出現(xiàn)第三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五質(zhì)譜按照離子的質(zhì)量對電荷比值(即質(zhì)荷比)的大小依次排列構(gòu)成的圖譜。質(zhì)譜法按照離子的質(zhì)核比（m/z）大小對離子進行分離和測定的方法。 主要作用：（1）準確測定物質(zhì)的分子量（2）據(jù)碎片特征進行化合物的結(jié)構(gòu)分析質(zhì)譜法是唯一可以確定物質(zhì)分子質(zhì)量的方法第四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五質(zhì)譜法的分類用途有機質(zhì)譜無機質(zhì)譜同位素質(zhì)譜原理單聚焦質(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)譜聯(lián)用方式氣質(zhì)聯(lián)用液質(zhì)聯(lián)用質(zhì)質(zhì)聯(lián)用第五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五質(zhì)譜法的特點應(yīng)用范圍廣。

測定樣品可以是無機物、有機物；氣體、液體、固體?？勺龌衔锏慕Y(jié)構(gòu)分析、測定原子量與相對分子量、同位素分析、熱力學(xué)與反應(yīng)動力學(xué)、環(huán)境監(jiān)測。靈敏度高，樣品用量少。

有機質(zhì)譜儀的絕對靈敏度可達50pg（10?12g），無機質(zhì)譜儀絕對靈敏度可達10?14g，用微克級樣品即可得到滿意的分析結(jié)果。分析速度快。儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴，對樣品有破壞性。

第六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五進樣系統(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(xué)電離3.場致電離4.場解析5.快原子轟擊6.高頻火花7.激光

1.單聚焦2.雙聚焦3.四極桿4.飛行時間5.離子阱10.2質(zhì)譜儀器第七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五進樣系統(tǒng)離子源質(zhì)量分析器檢測器第八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五真空系統(tǒng)

質(zhì)譜儀的離子源、質(zhì)量分析器必須處于高真空狀態(tài)。若真空度低，則：大量氧會燒壞離子源的燈絲；使本底增高，干擾質(zhì)譜圖；引起額外的離子－分子反應(yīng)，質(zhì)譜復(fù)雜化；干擾離子源中電子束的正常調(diào)節(jié)；用作加速離子的幾千伏高壓會引起放電。機械泵預(yù)抽真空，高效擴散泵連續(xù)抽氣。

第九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五進樣系統(tǒng)

將試樣轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，然后送進電離室。間歇式

直接探針

色譜—質(zhì)譜聯(lián)用中經(jīng)分子分離器進入第十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五電離室（離子源）使分析物質(zhì)電離為正離子、負離子或其它碎片等的裝置。第十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五1）電子轟擊離子源(electronimpact;EI)：EI源：可變的離子化能量

(10~70eV)電子能量電子能量分子離子增加碎片離子增加標準質(zhì)譜圖基本都是采用EI源(70eV)獲得的第十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五氣化區(qū)電子轟擊離子加速區(qū)到分析器M+e-

M?

++2e-EI的優(yōu)點：離子流穩(wěn)定，碎片離子較豐富，應(yīng)用廣泛。EI的缺點：對于分子量較大或穩(wěn)定性差的樣品，常常得不到分子離子峰，因而也不能測定其分子量。第十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五2）化學(xué)離子源(chemicalionizationsource;CI)（1）甲烷電離（2）甲烷離子與分子反應(yīng)生成加合離子第十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五（3）加合離子與樣品分子反應(yīng)準分子離子:

(M±

1)+(M+1)+(M-1)+}氣體分子試樣分子準分子離子電子第十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五可見，采用CI源,易測得分子量M=390COOC8H17COOC8H17第十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五3）快速原子轟擊離子源(fastatombombard-ment;FAB)由電場使氙（氬）原子電離并加速，產(chǎn)生快速離子，再直接通過氙氣室產(chǎn)生電荷交換得到快速原子。Xe+(快)+Xe→Xe(快)+Xe+適用高極性、大分子量、熱穩(wěn)定差第十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五三種離子源測得甲糖寧的質(zhì)譜圖第十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五離子源優(yōu)點

缺點

EI重現(xiàn)性好

對分子量較大或穩(wěn)定性差的樣品，常不能得到分子離子峰

靈敏度高，圖譜復(fù)雜，獲得的信息多

樣品需要加熱氣化后進行離子化，不適用于難揮發(fā)、熱穩(wěn)定性差的化合物（重現(xiàn)性差）有豐富的碎片信息和成熟的離子開環(huán)理論

CI屬于軟電離方式，準分子離子峰強度大

樣品需要加熱氣化后進行離子化，不適用于難揮發(fā)、熱穩(wěn)定性差的化合物

易獲得化合物官能團的信息

FAB

離子化過程中樣品無需加熱氣化，適用于強極性、大分子量、非揮發(fā)性及熱穩(wěn)定性差的化合物

重現(xiàn)性差

屬于軟電離方式，可獲得強度較高的準分子離子峰

靈敏度低于EI

三種離子源的比較第十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五4）場致離子源采用強電場把冷陽極附近的樣品分子的電子拉出去，形成離子。場電離(fieldionization;FI也稱場致電離)：是將氣體通過電場電離。場解析(fielddesorption;FD)：是將固體樣品涂在發(fā)射體表面使之電離，適用于較大分子量和熱不穩(wěn)定化合物電離。第二十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五5）大氣壓電離（AtmosphericpressureIonisation,API）(1)電噴霧電離源(ESI)多電荷離子、測定的樣品分子量大（2）大氣壓化學(xué)電離（APCI）第二十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五4質(zhì)量分析器(Massanalyzer)單聚焦分析器（singlefocusing）雙聚焦分析器（doublefocusing）四極桿分析器(quadrupole)飛行時間分析器(timeofflight）離子阱分析器(Iontrap)富立葉變換離子回旋共振（Fouriertranformioncyclotronresonance）第二十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五（1）單聚焦分析器（singlefocusingmassanalyzer）第二十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五自離子源發(fā)生的離子束在加速電極電場（800～8000V）的作用下，使質(zhì)量m的正離子獲得速度v，以直線方向運動，其動能為：

zU＝1/2mv2

式中，z為離子電荷數(shù)，U為加速電壓。第二十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五具有一定動能的正離子進入垂直于離子速度方向的均勻磁場（質(zhì)量分析器）時，正離子在磁場力（洛侖茲力）的作用下，將改變運動方向作圓周運動（半徑為R），則運動離心力mv2/R必然和磁場力Hzv相等：

Hzv＝mv2/R

式中H為磁場強度。第二十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五zU＝1/2mv2Hzv＝mv2/R第二十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五將兩式合并，得質(zhì)譜方程式：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度，則不同m/z的離子依次通過狹縫到達檢測器，形成質(zhì)譜。第二十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五（2）雙聚焦分析器（Doublefocusing）采用單聚焦，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。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(diào)節(jié)電場能，達到聚焦的目的。雙聚焦分析器的特點：分辨率高第二十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五離子源收集器磁場電場S1S2+-方向聚焦：

相同質(zhì)荷比，入射方向不同的離子會聚。能量聚焦：

相同質(zhì)荷比，速度(能量)不同的離子會聚。質(zhì)量相同，能量不同的離子通過電場和磁場時，均產(chǎn)生能量色散；兩種作用大小相等，方向相反時互補實現(xiàn)雙聚焦。第二十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五（3）四級桿分析器四極桿（Quadrupole）：由四根帶有直流電壓（DC）和疊加的射頻電壓（RF）的準確平行桿構(gòu)成，相對的一對電極是等電位的，兩對電極之間電位相反。第三十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五

結(jié)構(gòu):四根棒狀電極，形成四極場

原理：在一定VdcVrf下，只有一定質(zhì)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第三十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五（4）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接收器抽真空第三十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五若忽略離子（質(zhì)量為m）的初始能量，可以認為離子動能為：

由此，離子速度：

離子飛行長度為L的漂移空間所需時間t=L/v，即：

第三十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五特點：儀器結(jié)構(gòu)簡單,不需要磁場、電場等；掃描速度快，可在10-5s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。第三十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五5離子檢測器質(zhì)譜儀中最常用的離子檢測器是電子倍增器。一定能量的離子轟擊陰極導(dǎo)致電子發(fā)射，電子在電場的作用下，依次轟擊下一級電極而被放大。利用電子倍增器可以實現(xiàn)高靈敏、快速測定。第三十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五質(zhì)譜儀主要性能指標（1）分辨率

分辨率是指儀器對質(zhì)量非常接近的兩種離子的分辨能力。對兩個相等強度的相鄰峰，當(dāng)兩峰間的峰谷不大于其峰高10%時，則認為兩峰已經(jīng)分開。其中m1、m2為質(zhì)量數(shù)，且m1＜m2，故在兩峰質(zhì)量數(shù)較小時，要求儀器分辨率越大。第三十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五

（2）質(zhì)量范圍

質(zhì)量范圍是指質(zhì)譜儀能測量的最大m/z值，它決定儀器所能測量的最大相對分子量。測定氣體用的質(zhì)譜儀，一般質(zhì)量測定范圍在2～100，而有機質(zhì)譜儀一般可達幾千。

用一定量的某樣品在一定條件下，產(chǎn)生該樣品分子離子峰的信噪比(S/N)來表示。（3）靈敏度(sensitivity)第三十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五10.3質(zhì)譜圖及其應(yīng)用橫坐標是質(zhì)荷比；縱坐標是離子的相對強度（豐度）。圖中最高的峰稱為基峰，其相對豐度定為100%，其它離子峰的強度按基峰的百分比表示。第三十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五質(zhì)譜圖

根據(jù)質(zhì)譜峰的質(zhì)荷比測定化合物分子量，推測分子式及結(jié)構(gòu)式根據(jù)峰強度進行定量分析

第三十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五質(zhì)譜表用表格形式表示質(zhì)譜數(shù)據(jù)，準確給出m/z值和相對強度。第四十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五1主要離子峰的類型當(dāng)氣體或蒸氣分子（原子）進入離子源（例如電子轟擊離子源）時，受到電子轟擊而形成各種類型的離子。以A，B，C，D四種原子組成的有機化合物分子為例，它在離子源中可能發(fā)生下列過程：

第四十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五高真空可忽略第四十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五①分子離子峰：

分子失去電子形成帶正電荷的陽離子ABCD+

，稱為分子離子，質(zhì)譜圖中相應(yīng)的峰稱為分子離子峰或母峰。

分子離子峰是除同位素峰之外，質(zhì)量數(shù)最大的質(zhì)譜峰，可準確測定未知物的相對分子質(zhì)量。

第四十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五

對于有機物，雜原子上未共用電子（n電子）最易失去，其次是π電子，再其次是σ電子。第四十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五第四十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五②同位素離子峰：由于同位素的存在，質(zhì)譜圖中就會出現(xiàn)不同質(zhì)量數(shù)的同位素形成的峰，稱為同位素離子峰。同位素離子峰的豐度比，與同位素在自然界的豐度比相當(dāng)。利用同位素離子峰可以判斷化合物中是否含有某種元素。通過測定質(zhì)譜圖上同位素離子峰與分子離子峰的豐度比，可以推斷化合物的分子式。第四十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五第四十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五③碎片離子峰：當(dāng)轟擊電子的能量超過分子電離所需的能量時，原子之間的化學(xué)鍵會斷裂，形成碎片，帶有正電荷的碎片進入離子檢測器，在質(zhì)譜圖上出現(xiàn)許多碎片離子峰。碎片離子的形成和化學(xué)鍵的斷裂與分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，利用碎片峰可協(xié)助闡明分子的結(jié)構(gòu)。第四十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五④重排離子峰：

在分子中有兩個或兩個以上的鍵斷裂時，某些原子或基團從分子或離子中的一個位置轉(zhuǎn)移到另一個位置所生成的離子，稱為重排離子，相應(yīng)的峰為重排離子峰。

重排離子峰的形成和化學(xué)鍵的斷裂與分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，利用碎片峰可協(xié)助闡明分子的結(jié)構(gòu)。第四十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五⑤亞穩(wěn)離子峰：在電離、裂解、重排過程中的產(chǎn)生的離子，有一部分處于亞穩(wěn)態(tài)，它們有可能進一步發(fā)生裂解，部分亞穩(wěn)態(tài)離子進入離子檢測器，形成亞穩(wěn)離子峰。亞穩(wěn)離子峰鈍，一般要跨2～5個質(zhì)量單位，其質(zhì)荷比通常不是整數(shù)，易于區(qū)別。

亞穩(wěn)離子峰的形成和化學(xué)鍵的斷裂與分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，利用碎片峰可協(xié)助闡明分子的結(jié)構(gòu)。第五十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五舉例第五十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五分子離子第五十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五碎片離子第五十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五第五十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五重排離子第五十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五2相對分子質(zhì)量的測定

轟擊電子的能量在76～15eV時，所產(chǎn)生的分子離子峰(母峰)的質(zhì)荷比數(shù)值就是有機化合物的相對分子質(zhì)量。

第五十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五在判斷分子離子峰時應(yīng)注意：（1）分子離子穩(wěn)定性的一般規(guī)律。（2）分子離子峰質(zhì)量數(shù)的規(guī)律（氮律）：

a.由C、H、O組成的有機化合物，分子離子峰質(zhì)量一定是偶數(shù)。b.由C、H、O、N組成的化合物：含奇數(shù)個N，分子離子峰的質(zhì)量是奇數(shù)；含偶數(shù)個N，分子離子峰的質(zhì)量則是偶數(shù)。第五十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五（3）分子離子峰與鄰近峰的質(zhì)量差是否合理（從分子離子中丟失的游離基和中性碎片）。（4）M+1峰：某些化合物（如醚、酯、胺、酰胺等）形成的分子離子不穩(wěn)定，分子離子峰很小，甚至不出現(xiàn)，但M+1峰卻相當(dāng)大。這是由于分子離子在離子源中捕獲一個H而形成的。（5）降低電子轟擊源的電子能量：可采用12eV左右低電子能量，雖然總離子流強度會大為降低，但有可能得到一定強度的分子離子。第五十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五3分子式的測定各元素具有一定的同位素天然豐度。不同物質(zhì)的分子，其同位素離子峰與分子離子峰之比(M+1)/M和(M+2)/M都將不同。拜諾表(Bynon)：拜諾等人利用同位素豐度與分子離子峰豐度的比值和化合物分子式之間的關(guān)系，計算了相對分子質(zhì)量在500以下，只含C，H，N，O的各種有機化合物(M+1)和(M+2)峰與分子離子峰的相對豐度，編制為表格。第五十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五由質(zhì)譜圖確定分子離子峰及其分子離子同位素峰(M+1，M+2)的相對豐度。對照拜諾表，就能根據(jù)其相對豐度及比值來確定分子式。例如：丁酮分子離子中若有一個碳原子為13C，它的質(zhì)荷比為73，即在(M+1)處出現(xiàn)。若以M峰的豐度為100，實驗測定(M+1)和(M+2)的相對豐度分別為4.7和0.3，其比值等于15.7。第六十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五例：某化合物，已知其相對分子質(zhì)量為150，由質(zhì)譜測定，m/z150、151和152的強度比。確定其分子式。第六十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五在Bynon的表中，相對分子質(zhì)量為150的分子式共29個，其中（M+1)/M的百分比在9％-11％的分子式有如下7個:此化合物的相對分子質(zhì)量是偶數(shù)，根據(jù)氮律，可以排除上列第2、4、6三個式子，剩下四個分子式中，M+1與9.9％最接近的是第5式（C9H10O2）,這個式子的M+2也與0.9很接近，因此分子式可能為C9H10O2。第六十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五4推測化合物的分子結(jié)構(gòu)（1）由最高質(zhì)量的一組峰研究分子離子峰：A是否具有分子離子峰的特征；B由分子離子峰的強度大小，大體判斷是芳香族化合物，還是脂肪族化合物；C由分子離子質(zhì)量數(shù)的奇偶，了解含N數(shù)；D求化合物的分子式和不飽和度。第六十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五（2）研究碎片離子的情況：A特征斷裂是否明顯，由此估算化合物的結(jié)構(gòu)類型或裂解類型；B根據(jù)碎片離子的質(zhì)量推斷碎片離子的元素組成、估算化合物的結(jié)構(gòu)類型；C重要離子質(zhì)量的奇偶數(shù)特征；第六十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五（3）列出部分結(jié)構(gòu)單元：A有哪些結(jié)構(gòu)單元；B亞穩(wěn)離子峰是否指出各主要離子之間的某些關(guān)系；C根據(jù)各結(jié)構(gòu)單元算出不飽和度與原子數(shù)；D除了這些結(jié)構(gòu)單元外，其余部分的可能性。第六十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五（4）推斷結(jié)構(gòu)式：A將各結(jié)構(gòu)單元和剩余部分結(jié)構(gòu)，按所有可能的結(jié)合方式聯(lián)結(jié)起來；B用質(zhì)譜或其他數(shù)據(jù)，舍去不合理的結(jié)構(gòu)式，即得到比較合理的結(jié)構(gòu)式。第六十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五10.4聯(lián)用技術(shù)

氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用（GC－MS）氣相色譜儀是質(zhì)譜法的理想的“進樣器”，試樣經(jīng)色譜分離后以純物質(zhì)形式進入質(zhì)譜儀，就可充分發(fā)揮質(zhì)譜法的特長。質(zhì)譜儀是氣相色譜法的理想的“檢測器”，色譜法所用的檢測器如氫焰電離檢測器、熱導(dǎo)池檢測器、電子捕獲檢測器等都有局限性，而質(zhì)譜儀能檢出幾乎全部化合物，靈敏度又很高。第六十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五第六十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)氣相色譜接口質(zhì)譜第六十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五聯(lián)用過程SampleSample

58901.0DEG/MINHEWLETTPACKARDHEWLETTPACKARD5972AMassSelectiveDetectorDCBA

ABCDGasChromatograph(GC)MassSpectrometer(MS)SeparationIdentificationBACD第七十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五在離子源與質(zhì)量分析器之間，有一個總離子流檢測器，以截取部分離子流信號?？傠x子流強度的變化正是流入離子源的色譜組分變化的反映，因而總離子流強度與時間或掃描數(shù)變化曲線就是混合物的色譜圖?？傠x子流色譜圖（TIC）第七十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五氣相色譜接口質(zhì)譜總離子流檢測器第七十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期五在相同條件下，由GC-MS得到的總離子流色譜圖與由普通氣相色譜儀所得色譜圖大體相同。各個峰的保留時間、峰高、峰面積可作為各峰的定量參數(shù)。一般TIC的靈敏度比