第九章 质谱分析法.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第九章质谱分析法,Mass Spectrometry,，,MS,第一节概述,分子,质谱仪的发展史,1912,年,:,世界第一台质谱装置,40,年代,:,质谱仪用于同位素测定,50,年代：分析石油,60,年代：研究,GC-MS,联用技术,70,年代：计算机引入,质谱法是一种按照离子的质核比（,m/z,）,大小对离子进行分离和测定的方法。,质谱法的主要作用是：,（,1,）准确测定物质的分子量,（,2,）根据碎片特征进行化合物的结构分析,分析时，首先将分子离子化，然后利用离子在电场或磁场中运动的性质，把离子按质核比大小排列成谱，此即为质谱。,质谱法分类：,按用途分,有机质谱,无机质谱,同位素质谱,按原理分,单聚焦质谱,双聚焦质谱,四极质谱,飞行时间质谱,回旋共振质谱,按联用,方式分,气质联用,液质联用,质质联用,第二节质谱分析的原理与仪器,一、质谱分析的过程与原理,1,、进样,化合物通过汽化引入离子化室；,2,、离子化,在离子化室，组分分子被一束加速电子碰撞（能量约,70,eV,），,撞击使分子电离形成正离子；,M M,+,+e,或与电子结合，形成负离子,M+e M,3,、离子也可因撞击强烈而形成碎片离子：,4,、荷电离子被加速电压加速，产生一定的速度,v,，,与质量、电荷及加速电压有关：,5,、,加速离子进入一个强度为,H,的磁场，发生偏转，半径为：,将（,1,）（,2,）合并：,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，形成质量谱，简称质谱。,进样系统,(,inlet system),离子源,(,ion source),质量分析器（,mass analyzer,）,检测器（,detecter,）,真空系统（,Vacuum system,）,二、质谱仪的组成,1,、样品引入系统,气体,直接导入或用气相色谱进样,液体,加热汽化或雾化进样,固体,用直接进样探头,进样系统,Laser Ablation of Plastics Applying Different,Wavelenghts,1064,nm,308,nm,248,nm,对于蒸汽压低的样品进行衍生化后进样,例如：葡萄糖变成三甲基硅醚的衍生物,O,CH2OH,OH,OH,HO,HO,O,CH2OSiMe,3,OSiMe,3,OSiMe,3,Me,3,SiO,Me,3,SiO,Me,3,SiCl,2,、离子源,(,ion source),主要作用是使分析物的分子离子化,电子电离源,(,electron ionization EI),化学电离源,(,chemical ionization CI),快原子轰击,(,fast atom bombardment FAB),电喷雾源,(,electronspray,ionization ESI),大气压化学电离（,atmospheric pressure chemical ionization APCI),基质辅助激光解吸电离（,matrix assisted laser,Desorption,ionization MALDI),（,1,）,电子电离源,(,electron ionization EI),由阴极发射电子束，通过离子化室到达阳极，电子能量,70,eV,，,有机化合物的电离电位,8-15,eV,。,可在平行电子束的方向附加一弱磁场，使电子沿螺旋轨道前进，增加碰撞机会，提高灵敏度。,特点：,碎片离子多，结构信息丰富，有标准化合物质谱库；,不能汽化的样品不能分析；,有些样品得不到分子离子；,（,2,）化学电离源,(,chemical ionization CI),CH,4,+e CH,4,+,+2e,CH,4,+,+CH,4,CH,5,+,+CH,3,结构与,EI,同，但是在离子化室充,CH,4,，,电子首先将,CH,4,离解，其电离过程如下：,生成的气体离子再与样品分子,M,反应：,CH,5,+,+,M CH,4,+MH,+,特点：,得到一系列准分子离子（,M+1,）,+,，（,M-1,）,+,，（,M+2,）,+,等等；,CI,源的的碎片离子峰少，图谱简单，易于解释；,不适于难挥发成分的分析。,（,3,）快原子轰击,(,fast atom bombardment FAB),高能量的,Xe,原子轰击涂在靶上的样品，溅射出离子流。,本法适合于高极性、大分子量、低蒸汽压、热稳定性差的样品。,FAB,一般用作磁式质谱的离子源。,（,4,）电喷雾源,(,electronspray,ionization ESI),结构：喷嘴，雾化气，干燥气,原理：喷雾 蒸发 电压,喷雾针,带电液滴,溶剂挥发,样品离子,小孔板,喷雾针尖电压,小孔板电压,电场方向,图,2-1,样品在,ESI,接口中的离子化过程,特点：,适用于强极性，大分子量的样品分析,如肽，蛋白质，糖等,2,产生的离子带有多电荷,3,主要用于液相色谱质谱联用仪,3,、质量分析器,(,mass analyzer),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),5,飞行时间分析器,(,time of flight,）,6,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,）,1,）结构：,扇形磁场,（可以是,180,0,90,0,60,0,等）,原理：,由（,3,）式可知：,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 mass analyzer,）,为什么要双聚焦：,进入离子源的离子初始能量不为零，且能量各不相同，加速后的离子能量也不相同，运动半径差异，难以完全聚集。,解决办法：,加一静电场,E,e,，,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,（,3,）四极杆分析器,(,quadrupole,analyzer),直流电压,V,dc,交流电压,V,rf,频率为射频区,结构,:,四根棒状电极，形成四极场,1,，,3,棒：,(,V,dc,+,V,rf,),2,，,4,棒：,-(,V,dc,+,V,rf,),原理：在一定的,V,dc,V,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（,V,dc,/,V,rf,),下，改变,V,rf,可实现扫描。,特点：扫描速度快，灵敏度高,适用于,GC-MS,+,+,-,雾化气,喷雾针,小孔板,气帘气,聚焦环,一级四极杆,碰撞四极杆,二级四极杆,碰撞气,小孔电压,聚焦环电压,一级四极杆电压,碰撞四极杆电压,二级四极杆电压,图,2-2,MS/MS,仪器结构图；各项主要电参数及气体参数含义,170,93,77,65,图,2-5,m/z=170,的分子离子峰的子离子扫描图,M,1,+H,+,m/z 170m/z 93m/z 77m/z 65,（,4,）离子阱分析器,Ion Trap Analyzer,特点：,结构简单,灵敏度高,适于小型联用仪器（,GC-MS,）,（,5,）飞行时间分析器,Time of Flight Analyzer,试样入口,电子发射,栅极,1-270,V,栅极,2 2.8,kV,接收器,抽,真空,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；,4,、真空系统,离子源的真空度应达到,10,-3,-10,-5,Pa,，,质量分析器应达到,10,-6,Pa,。,真空装置：,机械真空泵 扩散泵 分子涡轮泵,5,、检测器,(,detector),电子倍增器,6,、检测器的性能指标,（,1,）质量范围,指所能检测的,M/Z,范围,四极质谱,M/Z,小于或等于,1000,磁式质谱,M/Z,可,达到几千,飞行时间质谱,M/Z,可,达到几十万,（,2,）扫描速度指扫描一定质量范围所需时间,例如,GC-MS,：,M/Z 1-1000,所需时间,1,s,（,3,）分辨率,R,质谱对相邻两质量组分分开的能力,例如：,CO+27.9949,N2+28.0061,四极质谱恰好能将此分开,.,但是,:,ArCl,+74.9312,As+74.9216,需要用高分辨质谱,.,(4),灵敏度,指信噪比大于,10,时的样品量。,第三节常见化合物的质谱,一、烃类质谱,1,、烷烃,71,57,43,29,正构烷烃的裂解规律：,（,1,）质谱特征是具有质量相差,14,（,CH,2,）,单位的,C,n,H,2n+1,系列；,（,2,）碎片离子,C3,以上强度递减，因为碎片可继续分裂，但,C3,可重排为,CH,3,CHCH,3,而稳定；,（,3,）异构烷烃（支链烷烃）分支处易断裂：,+,例如,5-,甲基十五烷,C,10,H,21,CHC,4,H,9,CH,3,169,85,2,、,烯烃,（,1,）具有烷烃的特征,（,2,）易发生烯丙断裂，生成很强的烯丙离子,CH,2,=CH CH,2,M/Z=41,CH,2,=CH R,R CH,2,CH,2,CH,2,CH=CH,2,+,3,、芳烃,易发生苄基断裂，生成苄基离子,C,2,H,2,-26,C,2,H,2,-26,M/Z 91,M/Z 91,M/Z 39,M/Z 65,39 65 91 92,M/Z,二、杂原子的质谱,(1),醇和酚,醇类,（,1,）杂原子存在，形成,M/Z 31,的离子和,M1,的离子；,（,2,）失水生成,M18,离子。,CH,3,CH,2,OH（M/Z 46）CH,2,=OH M/Z 31,CH,3,CH,2,OH（M/Z 46）CH,3,CH=OH M/Z 45,C3H7 CH CH3,OH,C3H7CH,OH,CHCH3,OH,M/Z=73,M/Z=45,M/Z=88,M-H2O,M-CH3,M-1,M,45 70 73 88,酚类：,（,1,）失去,C=OM/Z28,（,2,）,失去,H2OM/Z18,（,3,）,具有苯的特征,（,2,）醛、酮、醚,辛酮,4,CH,3,CH,2,CH,3,CCH,2,CH,2,CH,2,CH,3,O,M/Z128,43,71,57,85,M/Z12885715743,再例如,对羟基苯甲醛,醚类乙基异丁基醚,CH3CH2CHOCH2CH3,CH3,断裂,断裂,（,3,）卤素化合物,RX,+,R,+,+X,RCH,2,X,+,R,+CH,2,=X,+,如果是长链烃类，则可能有下列途径,（,4,）胺类,CH,3,（CH,2,）,8,CH2NH,2,+,CH,3,（CH,2,）,8,.,CH,2,=NH,2,+,M/Z=30,醇、醚、酮等化合物均无此分裂。,三、分裂和重排,（,1,）麦氏重排（,Mclafferty,）,在辛酮,-4,的质谱中，除,43,、,57,、,71,、,85,和,128,的质谱峰外，还有一个很高的峰，质量,58,，以及另两个峰，质量,86,和,100,。这是由于发生了重排：,+,+,+,M/Z=86,M/Z=100,+,+,M/Z=86,M/Z=100,+,+,M/Z=58,M/Z=58,+,+,+,麦氏重排的规律,（,1,）双键及,r,位置上有,H,原子；,（,2,）双键范围有酮、醛、酸、酯、,C=N,、,以及烯烃、苯环化合物等。,+,+,+,麦氏重排的规律,（,1,）双键及,r,位置上有,H,原子；,（,2,）双键范围有酮、醛、酸、酯、,C=N,、,以及烯烃、苯环化合物等。,（,2,）环状分子的分裂,例如：环己烯可以生成丁二烯和乙烯,再例如：解释下列化合物的质谱,M/Z=108,的来源,M/Z=108,+,第四节有机化合物的质谱分析,一、分子量的确定,规律：,1,、分子离子峰一定是质谱中质量数最大的峰；,2,、分子离子峰应有合理的质量丢失：,例如：在比分子离子峰小,4-14,及,20-25,质量单位处不应有离子峰出现，因为一个有机化合物不可能失去,4-14,个氢而不断链，但如果断链，失去最小碎片应为,CH3,，,质量数为,15,，同理，不可能失去,20-25,质量单位。,3,、质量数符合氮规律，即有机化合物含奇数氮原子，分子量为奇数，含偶数氮原子（包括,0,氮原子），分子量为偶数。,例如：,元素价数原子量,C412,偶偶,0216,偶偶,P3-531,奇奇,N314,奇,偶,4,、,如果确认无分子离子峰，则应在仪器上想办法。,二、分子式的确定,可利用,Beynon,同位素丰度表确定。因为同一元素的不同同位素丰度不同。,例如：,CO,、,C2H2,、,N2,的质量数都是,28,，但同位素丰度不同，因此可加以区分。,例如：某化合物分子量为,150,，,M/Z150,、,151,和,152,的强度比为：,M,（,150,）,100%,M+1,（,151,）,9.9%,M+2(152)0.9%,查表可知为,C,9,H,10,O,2,三、分子结构的确定,1,、,确定化合物的不饱和度,2,、确定碎片离子,例如：已知,C,8,H,8,O,2,（,136,）,（,1,）,不饱和度为,5,，怀疑有苯环；,（,2,）碎片峰,77,、,51,，为苯环特征；,（,3,）,136-105=31,是（,CH2OH,，,OCH3,）,丢失；,（,4,）,105-77=28,是（,CO,，,C2H4,）,丢失。,因此，结构可能是（见教材,473,页）。,四、有机混合物分析,1,、气相色谱,-,质谱联用（,GC-MS),2,、液相色谱,-,质谱联用（,LC-MS,）,3,、,质谱,-,质谱联用（,MS-MS,）,操作程序：,（,1,）总离子流图,（,2,）选择性离子扫描,（,3,）质量解析,GC,MS,241,134,106,77,图,3-3,对图,3-1b,中峰,3,的正离子碎片扫描图,