仪器分析第四版质谱原理与应用.ppt

第九章 质谱原理,有机质谱结构解析,有机质谱裂解原理,质谱仪器与工作原理,质谱分析概述,主 要 内 容,1.1 方法概述,质谱分析法就是通过对被测样品离子的质荷比的测定来获得物质分子量的一种分析方法。 而把化合物分子用一定方式裂解后生成的各种离子，按其质量大小排列而成的图谱称为质谱。,第一部分 质谱分析概述,质谱就是把化合物分子用一定方式裂解后生成的各种离子，按其质量大小排列而成的图谱。,第一部分 质谱分析概述,1.2 发展历史,1912年 Thomson 研制第世界上一台质谱仪 1919年 Aston 精密仪器，测定50多种同位素 1940年 应用于石油、化工等领域 1946年 飞行时间质谱(Time-of flight mass analysis) 1953年 四极杆分析器(Quadrupole analyzers) 1956年 气相色谱-质谱联用(GC/MS) 高分辨质谱仪 (High-resolution MS),第一部分 质谱分析概述,1966年 化学电离(Chemical ionization) 1967年 串联质谱(Tandem mass spectrometry) 1973年 液相色谱-质谱联用 (LC/MS)，热喷雾方法 1974年 傅立叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR-MS) 1981年 快原子轰击电离质谱(FAB MS)，,1.2 发展历史,第一部分 质谱分析概述,质谱：称量离子质量的特殊天平。,第二部分 质谱仪器与工作原理,2.1 质谱基本原理,质谱分析法就是通过测定被测样品离子的质荷比来获得物质分子量的一种分析方法。,第二部分 质谱仪器与工作原理,质谱分析法主要是通过对样品离子质荷比的分析而实现对样品进行定性和定量的一种方法 电离装置把样品电离为离子 质量分析装置把不同质荷比的离子分开 经检测器检测之后可以得到样品的质谱图,第二部分 质谱仪器与工作原理,质 谱,同位素质谱,生物质谱,结构鉴定、定量分析,化学、化工,环境、地球,药学、毒物学、刑侦,生命、医学、农业科学,有机质谱,无机质谱,2.2 质谱分类,第二部分 质谱仪器与工作原理,2.3 质谱仪组成,离子源和质量分析器的压力在 104 106 Pa 大量氧会烧坏离子源的灯丝； 用作加速离子的几千伏高压会引起放电； 引起额外的离子分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。 为了获得离子的良好分离和分析效果，避免离子损失，凡有样品分子及离子存在和通过的地方，必须处于真空状态。,2.3.1 真空系统,第二部分 质谱仪器与工作原理,2.3.2 进样系统（Sample Introduction）,要求： 大气压下的样品在不破坏真空度的情况下，使样品进入离子源 方式： 直接进样 色谱进样（气相色谱及液相色谱）,第二部分 质谱仪器与工作原理,2.3.3 离子源（Ion Source）,功能： 将进样系统引入的气态样品分子转化成离子； 硬电离 软电离,第二部分 质谱仪器与工作原理,电子电离 Electron Ionization, EI 化学离子 Chemical Ionization, CI 快原子轰击 Fast Atom Bombardment, FAB 电喷雾电离 Electrospray Ionization, ESI 大气压化学电离 Atmospheric Pressure Chemical Ionization, APCI 场电离，场解吸 Field Ionization FD, Field Desorption FD 基质辅助激光解析电离 Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI,2.3.3 离子源（Ion Source）,第二部分 质谱仪器与工作原理,1 电子电离源(Electron Ionization EI),第二部分 质谱仪器与工作原理,M+eM+2e,1 电子电离源(Electron Ionization EI),第二部分 质谱仪器与工作原理,1 电子电离源(Electron Ionization EI),第二部分 质谱仪器与工作原理,1 电子电离源(Electron Ionization EI),对于易电离的物质降低电子能量，而对于难电离的物质则加大电子能量。,第二部分 质谱仪器与工作原理,是应用最普遍，发展最成熟的电离方法。 标准质谱图基本都是采用EI源得到的。 常用轰击电压 5070eV, 有机分子的电离电位一般为715eV。 可提供丰富的结构信息。 有些化合物的分子离子不出现或很弱。,1 电子电离源(Electron Ionization EI),第二部分 质谱仪器与工作原理,高能电子束（100240eV）轰击离子室内的反应气（甲烷等；10100Pa，样品的103105倍），产生初级离子，再与试样分子碰撞，产生准分子离子。,2 化学电离源(Chemical Ionization CI),CH4 + e CH4+ + 2e (46%),CH3+ (39%),CH2+(7%),第二部分 质谱仪器与工作原理,初级离子: CH4+, CH3+ , CH2+,第二部分 质谱仪器与工作原理,2 化学电离源(Chemical Ionization CI),准分子离子QM +,M + CH5+ MH + + CH4,M + C2H5+ MH + + C2H4,M + C2H5+ MH + + C2H6,第二部分 质谱仪器与工作原理,最强峰为准分子离子;谱图简单;不适用难挥发试样,2 化学电离源(Chemical Ionization CI),第二部分 质谱仪器与工作原理,电压：107-108 V/cm； 强电场将分子中拉出一个电子； 分子离子峰强； 碎片离子峰少； 不适合化合物结构鉴定；,3 场电离(Field Ionization, FI),当样品蒸汽接近或接触带高正电位的金属针时，在强电场的作用下发生电离。要求样品分子处于气态，灵敏度不高，应用逐渐减少。,样品不需汽化, 预先附在处理好的场离子发射 体上, 送入离子源, 然后通以微弱电流, 使样品分子 从发射体上解吸下来, 并扩散至高场强的场发射区, 进行离子化。,适用于难汽化, 热不稳定的样品. 如: 糖类，肽 类，金属有机化合物，聚合物等。,3 场解吸（Field Desorption，FD）,惰性气体Ar或Xe的原子首先被电离并被加速， 使之具有高的动能，在原子枪(atom gun)内进行电荷交换反应：,Ar+（高动能的）+ Ar（热运动的）Ar（高动能的）+ Ar+（热运动的）,高动能的Ar或Xe原子束再轰击样品分子使其离子化,4 快原子轰击(Fast Atom Bombardment,FAB),第二部分 质谱仪器与工作原理,FAB是目前广泛使用的软电离技术，适用于难汽化,极性强的大分子。样品用基质调节后黏附在靶物上。,常用的基质有甘油，硫代甘油，3-硝基苄醇，三乙醇胺等。,注意：FAB质谱图中会出现基质分子产生的相应的峰及基质分子与样品分子的结合峰。,例如：3-硝基苄醇作为基质时，会出现 m/z154(MH), 136（MHH2O）, 289(MMHH2O) 的峰。,4 快原子轰击(Fast Atom Bombardment,FAB),利用不同离子源获得的质谱图,4 快原子轰击(Fast Atom Bombardment,FAB),m/z 295为(M+Na)+峰，273为(MH)+峰，均为准分子离子峰；图中的其它强峰me 107、136、154、289等来自甘油或间硝基苄醇，可用空白谱消除。,4 快原子轰击(Fast Atom Bombardment,FAB),MALDI可使热敏感或不挥发的化合物由固相直接得到离子。,待测物质的溶液与基质的溶液混合后蒸发，使分析物与基质成为晶体或半晶体，用一定波长的脉冲式激光进行照射时，基质分子能有效的吸收激光的能量，使基质分子和样品分子进入气相并得到电离。,5 基质辅助激光解析电离 (MALDI ),样品置于涂有基质的样品靶上，一定波长的脉冲式激光照射到样品靶上，基质分子吸收激光能量，与样品分子一起蒸发到气相并使样品分子电离。 常用的基质有2,5二羟基苯甲酸、芥子酸、烟酸、-氰基-4-羟基肉桂酸等。 特别适合于飞行时间质谱仪(TOF)，组成MALDI-TOF。 MALDI属于软电离技术，它比较适合于分析生物大分子，如肽、蛋白质、核酸等。 得到的质谱主要是分子离子，准分子离子。碎片离子和多电荷离子较少。,5 基质辅助激光解析电离 (MALDI ),流出液在高电场下形成带电喷雾，在电场力作用下穿过气帘；气帘的作用：雾化；蒸发溶剂；阻止中性溶剂分子,6 电喷雾电离 (Electron spray Ionization,ESI ),6 电喷雾电离 (Electron spray Ionization,ESI ),通常没有碎片离子峰，只有整体分子的峰 小分子得到带单电荷的准分子离子 生物大分子得到多种多电荷离子 适合于分析极性强的大分子有机化合物 可以得到正离子质谱或负离子质谱,6 电喷雾电离 (Electron spray Ionization,ESI ),7 大气压化学电离源(Atmospheric pressure chemical Ionization, APCI）,在APCI喷咀的下游放置一个针状放电电极，通过放电电极的高压放电，使空气中某些中性分子电离，产生H3O+，N2+，O2+ 和O+ 等离子，溶剂分子也会被电离，这些离子与样品分子进行离子-分子反应，使样品分子离子化。 适合于分析弱极性的小分子化合物，得到样品分子的准分子离子峰,7 大气压化学电离源(Atmospheric pressure chemical Ionization, APCI）,2.3.4 质量分析器（Mass analyzer ）,扇形磁场质量分析器；Magnetic-Sector 四极杆质量分析器；Quadrupole 离子阱质量分析器；IT(Ion Trap) 飞行时间质量分析器；TOF(Time Of Flight) 傅里叶变换离子回旋共振(Fourier transform Ion Cyclotron Resonance mass spectrometer, FT ICR),第二部分 质谱仪器与工作原理,1.磁分析器 质量分析内主要为一电磁铁，自离子源发生的离子束在加速电极电场（800-8 000V）的作用下，使质量的正离于获得的速度，以直线方向n运动,MS,其动能为： （8-1） 式中 z 为离子电荷数，U 加速电压。显然，在一定的加速电压下，离子的运动速度与质量 m 有关。,MS,当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(磁场不能改变离子的运动速度)作圆周运动。,MS,设离子作圆周运动的轨道半径(近似为磁场曲率半径)为 R ，则运动离心力必然和磁场力相等，故 （8-2） 式中 H 为磁场强度。,MS,由此式可见，离子在磁场内运动半径R与m/z、H、U有关。因此只有在U及H一定的条件下，某些具有一定质荷比的正离子才能以运动半径为 R 的轨道到达检测器。,MS,若H、R固定，m/z 1/U，只要连续改变加速电压(电压扫描)；或U、R固定，m/z H2，连续改变 H(磁场扫描)，就可使具有不同m/z的离子依次到达检测器发生信号而得到质谱图(如图8-1所示)。,例 21-2试计算在曲率半径为10cm的1.2T的磁场中，一个质量数为100的一价正离子所需的加速电压是多少？ 解: 据方程（上式）,=6.94103V,方向聚焦； 相同质荷比，入射方向不同的离子会聚； 分辨率不高,1 单聚焦磁场分析器,只有一扇形磁场的质量分析器又称为磁分析器。,1 单聚焦磁场分析器,双聚焦由静电分析器和磁分析器组成，静电分析器由两个同心圆板组成，两圆板之间保持一定的电位差(E)。,2 双聚焦磁场分析器,优点:分辨率高; 缺点:扫描速度慢，操作、调整比较困难,体积大,而且仪器造价也比较昂贵。,四极质谱结构简单，价廉，体积小，易操作，无磁滞现象，扫描速度快，适合于GC-MS, LC-MS。分辨率不高。,3 四级杆质量分析器,4 离子阱质量分析器,特定m/z离子在阱内一定轨道上稳定旋转，改变端电极电压，不同m/z离子飞出阱到检测器；,4 离子阱质量分析器,优点 单一的离子阱可实现多级串联质谱（MS）n 结构简单，性价比高 灵敏度高 质量范围大 缺点 质谱图与标准谱图有差别,TOF MS的核心部分是一个无场的离子漂移管,加速后的离子具有相同的动能,4 飞行时间质量分析器(Time of flight analyzer),m/z小的离子，漂移运动的速度快，最先通过漂移管，到达检测器。 m/z大的离子，漂移运动的速度慢，最后通过漂移管，到达检测器。 检测通过漂移管的时间( t )及其相应的信号强度，可得到质谱图，t为 或s数量级。 适合于生物大分子，灵敏度高，扫描速度快，结构简单，分辨率随m/z的增大而降低。,4 飞行时间质量分析器(Time of flight analyzer),傅立叶变换离子回旋共振分析器利用不同m/z的离子， 在磁场B的作用下，各自产生不同的回旋频率。若施加一射频场，使其频率等于某一 m/z离子的回旋频率，则离子就会吸收能量而激发。,离子从射频场吸收能量，称之离子的回旋共振。,激发的离子运动速度( v ) 增大，运动轨道半径( r ) 增大，称之离子的回旋运动的激发。,5 傅立叶变换离子回旋共振分析器（Fourier transform ion cyclotron resonance analyzer, FTICR）,如果磁场强度（B）一定，改变射频场的频率（），即可激发不同m/z的离子而得到质谱。 FT-MS的核心为分析室，分析室由三对平行的极板构成。磁力线沿z轴方向，离子的回旋运动垂直于z轴，在与x轴方向垂直的两极板上施加激发射频，在与y轴方向垂直的两极板上检测信号。 FT-MS分辨率极高，目前可得到精确度最高的精确质量 FT-MS灵密度高，质量范围宽，速度快，性能可靠。,5 傅立叶变换离子回旋共振分析器（Fourier transform ion cyclotron resonance analyzer, FTICR）,2.3.5 检测器(Detecter),质量分析器分离并加以聚焦的离子束，按m/z的大小依次通过狭缝，到达收集器，信号经接收放大后被记录。 质谱仪的检测主要使用电子倍增器，也有的使用光电倍增管。,第二部分 质谱仪器与工作原理,特点： 质谱不属波谱范围 质谱图与电磁波的波长和分子内某种物理量的改变无关 质谱是分子离子及碎片离子的质量与其相对强度的谱, 谱图 与分子结构有关 质谱法进样量少, 灵敏度高, 分析速度快 质谱是唯一可以给出分子量, 确定分子式的方法, 而分子式的确定对化合物的结构鉴定是至关重要的。,第二部分 质谱仪器与工作原理,1. 质量范围：指质谱计所检测的单电荷离子的质核比范围,2.3.5 质谱仪的主要技术指标,不同仪器： 四极杆 1600Da，14000Da， 磁质谱：110000Da 飞行时间质谱：无上限 离子阱质谱：12000Da，14000Da 不同要求：气体分析， 1300Da 气相色谱质谱， 1600Da，800Da 有机质谱， 12000Da 生物分子， 110000Da或更大,2.分辨率（R）：是质谱计分开相邻两离子质量的能力。,第二部分 质谱仪器与工作原理,高分辨：30 000以上 中分辨：10 000-30 000 低分辨：几百到几千,质量稳定性，通常用一定时间内质量漂移的质量单位来表示。例如某仪器的质量稳定性为：0.1amu/12hr，意思是该仪器在12小时之内，质量漂移不超过0.1amu。,3. 质量稳定性主要是指仪器在工作时质量稳定的情况,第二部分 质谱仪器与工作原理,常用相对百分比表示，例如，某化合物的质量为152,0473amu，用某质谱仪多次测定该化合物，测得的质量与该化合物理论质量之差在0.003 amu之内,则该仪器的质量精度为百万分之二十（20ppm）。质量精度是高分辨质谱仪的一项重要指标，对低分辨质谱仪没有太大意义。,4. 质量精度指质量测定的精确程度。,第二部分 质谱仪器与工作原理,MS,利用质谱仪定性分析时，质量精度是一个很重要的性能指标。在低分辨质谱仪中，仪器的质量指示标尺精度不应低于0.4质量数。高分辨率质谱仪给出离子的精确质量，相对精度一般在1-10ppm。,高分辨质谱进行元素组成分析： 任何一种同位素的质量并不是正好的整数。 12C的准确质量为12.00000000, 1H = 1.007782506，14N = 14.00307407，16O = 15.99491475，末位有效数字。 每一个同位素都具有唯一的、特征的“质量亏损”，离子的质量包含了同位素的总的质量亏损，也是特征的，以此来鉴定离子的同位素和元素组成。,第二部分 质谱仪器与工作原理,例： m=43.0184Da的离子必定是C2H3O+，不可能是 C3H7+(m=43.0058)或 C2H5N+(m=42.9984)，或CH3N2+(m=43.0296)。 为了区分这四个离子，测量的质量的准确度需达到130ppm。即小数点后第四位是准确的。 元素组成信息随着质量的增加而呈指数地上升，对质谱质量的测定准确度要求更高。,第二部分 质谱仪器与工作原理,例： 分子量为310的质谱峰，已知它们的元素组成限于碳、氢、氮和氧，且最多不超过3个氮原子和4个氧原子。如果将其各种组合出来的质量能够区分开来，要求的质量准确度达到2 ppm，这是目前最高质量分辨力的FT-ICR-MS勉强能够达到的水平。,第二部分 质谱仪器与工作原理,质谱学上的高分辨的含义： 高的分辨本领 保证两个靠得很近的峰能够分开来，从而知道是两个峰而不是一个峰。 良好的线性行为 用已知精确质量的离子去得到待测定离子的质量数，不容许二者峰的质量是一样的(重叠在一起)，二者之间必有一定的质量差异，质谱仪的线性不好，用已知精确离子的质量来得到待测定离子的质量，就会因此而产生偏差，从而造成误差，两者距离越远，这种误差越大。,第二部分 质谱仪器与工作原理,良好的稳定性 磁质谱，飞行时间质谱仪，离子回旋共振质谱仪： 分辨力、线性和稳定性好，属高分辨质谱仪。 离子阱质谱仪：分辨力高，线性低，准高分辨质谱仪，用于判断质谱峰带的电荷数。 四极杆质谱仪：分辨力低，线性好，不属于高分辨质谱仪。,第二部分 质谱仪器与工作原理,第三部分 质谱裂解机理,基 峰:离子强度最大的峰，规定其相对丰度为100 质荷比:离子质量与所带电荷数之比，用m/z或m/e表示 精确质量:精确质量的计算基于天然丰度最大的同位素的精确原子量,3.1 质谱常用术语,表1 部分元素的天然同位素的精确质量和丰度 (以12C：12.000000为标准),分子离子(molecular ion)：由样品分子失去一个电子生成的带正电荷的离子，记做M+。 碎片离子(fragment ion)：由分子离子裂解产生的所有离子。 重排离子(rearrangement ion)：经过重排反应生成的离子。 母离子与子离子(Parent ion and daughter ion)：任何一个离子进一步裂解生成质荷比较小的离子，前者称为后者的母离子，后者称为前者的子离子。,3.2 质谱中的离子,奇电子离子和偶电子离子(odd-electron ion and even-electron ion ) ：带有未配对电子的离子为奇电子离子， 记做OE+，无未配对电子的离子为偶电子离子，记做EE+。 多电荷离子(multiply-charged ion)：一个分子丢失一个以上电子所形成的离子 。 准分子离子(quasi-molecular ion，QM):比分子量多(或少)1质量单位的离子 ，如(MH)+，(M-H)+ 亚稳离子(metastable ion，m*):从离子源出口到达检测器之前产生并记录下来的离子,其质量数不是整数，且峰宽度宽，丰度低。,3.3 分子离子峰的识别,必须是化合物谱图中质量最高的离子 必须是奇电子离子、符合氮规则 必须能通过丢失合理的中性离子，产生谱图中高质量区的重要离子,m = 4-14, 21-24, 37-38通常认为是不合理丢失,3.3 分子离子峰的识别,氮律：不含N或含偶数N的有机分子, 其分子离子峰m/z为偶数。含奇