儀器分析課件第九章質(zhì)譜分析法

儀器分析課件第九章質(zhì)譜分析法質(zhì)譜儀的發(fā)展史 1912年: 世界第一臺(tái)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(jì)算機(jī)引入 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(shí)，首先將分子離子化，然后利用離子在電場或磁場中運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，把離子按質(zhì)核比大小排列成譜，此即為質(zhì)譜。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)：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；可利用Beynon同位素豐度表確定。例如GC-MS： M/Z1-1000所需時(shí)間<1s60年代： 研究GC-MS聯(lián)用技術(shù)第二節(jié) 質(zhì)譜分析的原理與儀器固體——用直接進(jìn)樣探頭質(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。CH3（CH2）8—CH2—NH2+（2）掃描速度指掃描一定質(zhì)量范圍所需時(shí)間DesorptionionizationMALDI)例如：某化合物分子量為150，M/Z150、151和152的 強(qiáng)度比為：1912年: 世界第一臺(tái)質(zhì)譜裝置（3）異構(gòu)烷烴（支鏈烷烴）分支處易斷裂：化學(xué)電離源(chemicalionizationCI)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(shí)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—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)：5、加速離子進(jìn)入一個(gè)強(qiáng)度為H的磁場，發(fā)生偏轉(zhuǎn)，半徑為：將（1）（2）合并：當(dāng)r為儀器設(shè)置不變時(shí)，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)量譜，簡稱質(zhì)譜。 進(jìn)樣系統(tǒng)(inletsystem) 離子源(ionsource) 質(zhì)量分析器（massanalyzer） 檢測器（detecter） 真空系統(tǒng)（Vacuumsystem）二、質(zhì)譜儀的組成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)樣探頭進(jìn)樣系統(tǒng)LaserAblationofPlasticsApplyingDifferentWavelenghts1064nm308nm248nm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

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(xué)電離源(chemicalionizationCI)快原子轟擊(fastatombombardmentFAB)電噴霧源(electronsprayionizationESI)大氣壓化學(xué)電離（atmosphericpressurechemicalionizationAPCI)基質(zhì)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(dá)陽極，電子能量70eV，有機(jī)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(jìn)，增加碰撞機(jī)會(huì)，提高靈敏度。特點(diǎn)：

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；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(xué)電離源(chemicalionizationCI)CH4+eCH4+

+2eCH4+

+CH4CH5++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++

MCH4+MH+特點(diǎn)：

得到一系列準(zhǔn)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(zhì)譜的離子源。（4）電噴霧源(electronsprayionizationESI) 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特點(diǎn)：適用于強(qiáng)極性，大分子量的樣品分析如肽，蛋白質(zhì)，糖等2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3、質(zhì)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(shí)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(jié)構(gòu)：扇形磁場（可以是1800900600等）原理：由（3）式可知：

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(shí)，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。（2）雙聚焦分析器（Doublefocusingmassanalyzer）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，運(yùn)動(dòng)半徑差異，難以完全聚集。解決辦法： 加一靜電場Ee，實(shí)現(xiàn)能量分散： 對于動(dòng)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(diǎn)：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(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VdcVrf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(shí) 現(xiàn)掃描。特點(diǎn)： 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(jí)四極桿碰撞四極桿二級(jí)四極桿碰撞氣小孔電壓

聚焦環(huán)電壓

一級(jí)四極桿電壓碰撞四極桿電壓二級(jí)四極桿電壓圖2-2MS/MS儀器結(jié)構(gòu)圖；各項(xiàng)主要電參數(shù)及氣體參數(shù)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(diǎn)：

結(jié)構(gòu)簡單 靈敏度高 適于小型聯(lián)用儀器（GC-MS）（5）飛行時(shí)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(diǎn)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；5飛行時(shí)間分析器(timeofflight）50年代： 分析石油離子源的真空度應(yīng)達(dá)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(shí)現(xiàn)能量分散：（2）易發(fā)生烯丙斷裂，生成很強(qiáng)的烯丙離子化學(xué)電離源(chemicalionizationCI)4、如果確認(rèn)無分子離子峰，則應(yīng)在儀器上想辦法。LaserAblationofPlasticsApplyingDifferentWavelenghts生成的氣體離子再與樣品分子M反應(yīng)：4、如果確認(rèn)無分子離子峰，則應(yīng)在儀器上想辦法。液體——加熱汽化或霧化進(jìn)樣（2）掃描速度指掃描一定質(zhì)量范圍所需時(shí)間第四節(jié) 有機(jī)化合物的質(zhì)譜分析3、質(zhì)量分析器(massanalyzer)4、真空系統(tǒng)離子源的真空度應(yīng)達(dá)到10-3-10-5Pa，質(zhì)量分析器應(yīng)達(dá)到10-6Pa。真空裝置：機(jī)械真空泵 擴(kuò)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(biāo)（1）質(zhì)量范圍指所能檢測的M/Z范圍四極質(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(shí)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(shí)間

例如GC-MS： M/Z1-1000所需時(shí)間<1s（3）分辨率R質(zhì)譜對相鄰兩質(zhì)量組分分開的能力例如：CO+ 27.9949 N2+ 28.0061四極質(zhì)譜恰好能將此分開.但是: ArCl+ 74.9312 As+ 74.9216需要用高分辨質(zhì)譜.(4)靈敏度 指信噪比大于10時(shí)的樣品量。第三節(jié) 常見化合物的質(zhì)譜一、烴類質(zhì)譜1、烷烴71574329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?yàn)樗槠衫^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 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(qiáng)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(zhì)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(jìn)入一個(gè)強(qiáng)度為H的磁場，發(fā)生偏轉(zhuǎn)，半徑為：原理： 在一定的VdcVrf下，只有一定質(zhì)量 的離子可通過四極場，到達(dá)檢測器。例如：某化合物分子量為150，M/Z150、151和152的 強(qiáng)度比為：原理： 在一定的VdcVrf下，只有一定質(zhì)量 的離子可通過四極場，到達(dá)檢測器。CH3CH2CH3—C—CH2CH2CH2CH3離子源的真空度應(yīng)達(dá)到10-3-10-5Pa，適用于強(qiáng)極性，大分子量的樣品分析結(jié)構(gòu): 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(shí)現(xiàn)能量分散：電噴霧源(electronsprayionizationESI)適用于GC-MS結(jié)構(gòu)：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?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(gè)很高的峰，質(zhì)量58，以及另兩個(gè)峰，質(zhì)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?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。+++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。（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(zhì)譜M/Z=108的來源M/Z=108+因此，結(jié)構(gòu)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(qiáng)度比為：適用于強(qiáng)極性，大分子量的樣品分析（1）質(zhì)譜特征是具有質(zhì)量相差14（CH2）單位的CnH2n+1系列；（1）麥?zhǔn)现嘏牛∕clafferty）圖2-2MS/MS儀器結(jié)構(gòu)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(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：1單聚焦分析器（singlefocusingmassanalyzer）2、液相色譜-質(zhì)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(jié)構(gòu)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(jī)化合物的質(zhì)譜分析一、分子量的確定規(guī)律：1、