《仪器分析质谱法》PPT课件.ppt

1、第十七章 质谱法 Mass Spectrometry( MS,质谱分析法：是利用离子化技术,将物质分子转化为离子，按其质荷比 (m/z) 的的差异分离测定，从而进行物质成分和结构分析的方法,MS发展历史,20世纪20年代， 同位素测定 无机元素分析 20世纪40年代，有机物分析 20世纪60年代，气相色谱-质谱联用仪 (GC-MS) 20世纪80年代，新质谱技术 LC-MS，ICP-MS, FT-MS,与MS有关的诺贝尔奖,Sir Joseph John Thomson - 1906年诺贝尔物理奖贡献：正电荷离子束在磁场中的偏转,磁质谱仪的基础同位素分析 Frederick Soddy - 1

2、921年诺贝尔化学奖贡献：使我们对放射活性物质的认识大大提高，另外他对同位素的起源和性质也作了出色工作。 Francis William Aston - 1922年诺贝尔化学奖贡献：使用质谱方法大规模的研究非放射性元素的同位素；提出整数规则。 Hans G. Dehmelt and Wolfgang Paul - 1989年诺贝尔物理奖贡献：开发了离子阱质谱技术。 Robert F. Curl Jr. EI,EI的特点： 重现性好（质谱图库 70eV) 碎片离子丰富（特征性强） 灵敏度高,分子量大和稳定性差样品，常无分子离子峰 不适用难挥发、热不稳定化合物,2. 化学电离源 CI chemic

3、al ionization source,在离子源中送入反应气体，压强约为 26.7 267 Pa，轰击电子使反应气首先被电离成离子，然后反应气离子和样品分子碰撞发生离子-分子反应，能量交换，产生样品离子,CH4 + e CH4+ ,CH3+ CH4+ + CH4 CH5+ + CH3 CH3+ + CH4 C2H5+ + H2 CH5+ + M (M+H)+ + CH4 C2H5+ + M (M+H)+ + C2H4 CH5+ + M (M-H)+ + H2 + CH4 C2H5+ + M (M-H)+ + C2H6,CI的特点： 属软电离方式，准分子离子峰（ M 1） 强度大 易获得有关化

4、合物官能团的信息,缺点： 重现性较差 不适用于难挥发、热不稳定样品的分析,常用的反应气： 甲烷、异丁烷、氨、氢、氦等,3. 快原子轰击离子源 FAB fast atom bombardment 电场使氦原子电离并加速，产生的快离子经电荷交换得到快原子，快原子轰击样品,FAB的特点： 适用于强极性、高分子量、非挥发性和热不稳定化合物分析 给出强度较高的准分子离子峰 MX (X=H, Na, K,FAB的缺点： 重现性差 检测灵敏度低于EI,其他离子源简介,场致离子源：适用于难挥发和热不稳定的大分子化合物 电喷雾电离源：分析极性强大分子（如蛋白质、肽、糖） 大气压化学电离源：分析中等极性化合物 激

5、光解吸源：生物大分子（肽、蛋白质、核酸） 火花源: 无机物,四. 质量分析器 mass analyzer 将离子源中形成的离子按质荷比的差异进行分离的装置。 分类： 磁分析器 四极杆分析器,1)分类： 单聚焦分析器：已淘汰 质量色散和方向聚焦。 双聚焦分析器： 质量色散和方向聚焦及能量聚焦,1. 磁分析器,单聚焦分析器,双聚焦分析器,2) 磁偏转式质量分析器原理,加速后离子动能,离子受磁场力作用, 做匀速圆周运动. 向心力等于磁场力,质谱方程式,或,由上式可知： 当V和H固定时，m/z R。说明磁场对不同m/z的离子有质量色散作用，即不同质量离子将依照质量大小在磁场中依次排列起来,当V和R固定

6、时， m/z H2。即H由小到大进行磁场扫描时，则可使不同m/z的离子被检测,当H和R固定时， m/z 1/V。连续的改变 V ( 称为电压扫描 ) 可以使不同m/z的离子被检测,2. 四极杆质量分析器：又称四极滤质器 它是使用一个射频四极电场来鉴别m/z值的,四极杆质谱仪优点： A 结构简单，体积小，重量轻，价格便宜。 B 扫描速度快。有利于与色谱仪联用。 C自动化程度高,缺点： A 分辨率低。 B 质量范围窄。 C 不能提供亚稳离子信息,其他,飞行时间质量分析器 离子肼质量分析器 傅里叶变换离子回旋共振分析器,三. 离子检测器 -电子倍增器,1.棒图： 横坐标：表示质荷比（m/z）。 纵坐

7、标：表示离子丰度（ion abundance),即离子数目的多少。 常用相对丰度,质谱数据形式： 棒图-即质谱图 质谱表,相对丰度（relative abundance): 相对强度 以质谱中最强峰的高度定为100%（此峰称为基峰，base peak）。其它峰高与它相比所得的分数即为其它离子的相对丰度,棒图示例,2. 质谱表 表格形式的质谱数据,指仪器能分离相邻两质谱峰的能力。 两个强度近似相等、质量分别为M和M+M的相邻峰恰好分开时。 （当两峰间的峰谷等于峰高的10%时,六. 质谱仪的主要性能指标 1.分辨率： resolution; R,例： CO = 27.9949，N2 = 28.00

8、61,R10000 高分辩质谱,2. 灵敏度 ： sensitivity 仪器记录所产生的峰信号强度与所用样品量之间的度量 有机质谱：一定分辨率时，产生一定信噪比的分子离子峰所需要的样品的量 常用硬脂酸甲酯或六氯苯,3. 质量范围（mass range）： 质谱仪能够测量的离子质量范围。通常采用原子质量单位（amu）进行度量。 四极杆质谱仪：10 1000 amu 磁质谱仪：几十到几千 amu 飞行时间质谱仪: 几十万,原子质量单位: amu,一个处于基态的12C原子的质量的1/12,非精确场合采用质子和中子的总数-质量数,4. 质量准确度（质量精度） 离子质量实测值M与理论值M0的相对误差,

9、m为离子质量数的整数,HP5988四极杆质谱仪,Finnigan公司：双聚焦磁质谱仪 MAT 90,高分辨率质谱仪,第二节 质谱中的主要离子 及其裂解类型,分子离子 碎片离子 同位素离子 亚稳离子,50,一. 分子离子： molecular ion 分子失去一个电子形成的离子,分子离子含奇数个电子，在质谱最右侧 作用:确定相对分子量及分子式,51,二. 碎片离子：fragment ion 分子中某些化学键发生断裂而形成的离子 作用: 提供化合物的结构信息,52,53,三. 同位素离子： isotopic ion 含有同位素的离子,表中丰度比%，是以丰度最大的轻质同位素为100%计算而得。 作用

10、: 确定分子中是否含S, Cl, Br及原子数目,例：分子中含一个氯原子 M : (M+2) = 100 : 32.0 3:1 分子中含一个溴原子 M : (M+2) = 100 : 97.3 1:1,同位素的峰强比： ( a + b )n a与b为轻质及重质同位素的丰度比 n为原子数目,离子m1+,脱离离子源后并在磁场分离前，在飞行途中开裂成质量为m2+(m*) 和(m1 - m2) 中性碎片。由于一部分能量被中性碎片带走，m*的动能比在离子源中产生的m2+的动能小。 且不稳定，这种离子称亚稳离子,四. 亚稳离子： metastable ion,M1+（母离子,离子源,m2+(子离子,飞行途

11、中,m*(亚稳离子,作用：提供碎片离子前体的信息,m*与母离子m1+及子离子m2+的关系： m* = m22 / m1,亚稳峰的特点： 峰弱，强度仅为m1峰的1% 3%。 峰钝，一般可跨25个质量单位。 质荷比一般不是整数,例,一） 单纯开裂：一个键发生裂解 (1) 均裂：homolytic cleavage 在键断裂后，两个成键电子分别保留在各自的碎片上,2) 异裂：heterolytic cleavage 在键断裂后，两个成键电子全部转移到一个碎片上的裂解过程,3) 半异裂：hemi-homolysis cleavage 离子化的键的断裂过程,二） 重排开裂：rearrangement c

12、leavage 通过断裂两个或两个以上的化学键，结构重新排列。 重排离子：重排开裂得到的离子。 重排方式：McLafferty重排 逆Diels-Alder裂解,1) McLafferty重排： 含不饱和中心 C = X ( X为O, N, S, C ); 有 氢原子,2) 逆Diels-Alder重排 是以双键为起点的重排。产物是共轭二烯离子,第三节 质谱分析法,一. 分子式的测定 （一）分子离子峰的确认 一般位于质谱图中质荷比最高的位置。但 1. 分子离子的稳定性规律 芳香族化合物 共轭链烯 脂环化合物 直链烷烃 硫醇 酮 胺 酯 醚 酸 分支烷烃 醇,3. 最高质荷比离子与相邻的离子间的

13、质量数差是否合理。 相差4-14则不是分子离子峰 4. 注意M+1和M 1准分子离子峰。 5. 改变实验条件,二）. 相对分子量的测定 一般分子离子峰的质荷比等于分子量。 当分子量很大时，两者可差一个质量单 位,三）. 分子式的确定 低分辨质谱仪用同位素峰强比法； 高分辨质谱仪用精密质量法,二、有机化合物的结构鉴定 （一） 几类有机化合物的质谱,一. 烃类 1.饱和烷烃： 分子离子峰较弱，随碳链增长，强度降低以至消失。 直链烃具有一系列m/z相差14的CnH2n+1碎片离子峰（m/z = 29、43、57,在CnH2n+1峰的两侧有系列“伴峰”，伴随着质量数大1个质量单位的同位素峰及质量小 1

14、 或 2 个单位的CnH2n 或 CnH2n-1等小峰，组成各峰群。M-15峰一般不出现。 支链烷烃：在分支处优先裂解，形成稳定的仲碳或叔碳阳离子,2. 链烯： 分子离子较稳定，丰度较大。 有一系列CnH2n1的碎片离子峰，通常为41 + 14 n, n = 0,1,2,。 易发生开裂，生成烯丙基正碳离子(m/z 41) 具有重排离子峰（麦氏重排,3. 芳烃： 分子离子峰稳定，峰较强。 烷基取代苯易发生裂解，产生m/z 91的卓翁离子（tropylium ion）是烷基取代苯的重要特征,卓翁离子可进一步裂解生成环戊二烯及环丙烯离子,取代苯也能发生 裂解产生苯离子，进一步裂解生成环丙烯离子及环丁

15、二烯离子,具有 氢的烷基取代苯，能发生麦氏裂解，产生m/z 92的重排离子,烷基取代苯的特征离子： C7H7+ ( m/z 91 ) C6H5+ ( 77 ) C4H3+ ( 51 ) C3H3+ ( 39,二. 醇类（饱和脂肪醇） 分子离子峰很小，且随碳链的增长而减弱，以至消失。 易发生 裂解。 易发生脱水的重排反应，产生M-18离子。 峰复杂（含氧的羟基离子、烷基离子、链烯离子,三. 醛与酮类 1. 醛： 分子离子峰明显。 裂解产生R+及M-1峰。 具有 氢的醛，能发生麦氏重排产生m/z 44的离子。 醛也能发生 裂解,2. 酮： 分子离子峰明显。 易发生裂解。 含 氢的酮，发生麦氏重排,四. 酸与酯类 一元饱和羧酸及其酯的分