(3)气相色谱质谱法及其在环境监测中的应用ppt课件

1、气相色谱质谱法及其在环境监测中的应用,方法原理及仪器概述,操作技术及日常维护,在环境监测中的应用概述,挥发性有机物的应用实例,半挥发性有机物的应用实例,主要内容,1、质谱是什么？Mass Spectromety 特殊的天平：称量离子的质量。 质谱学：是一门研究气相离子结构、 性质及反应行为的科学。 2、质谱能做什么？ 定性：化合物的结构 定量：混合物的组成 领域： 化学、生物学、医学、药学、 环境、物理、材料、能源等 3、质谱的独到之处是什么？ 4S特性： Sensitivity 灵敏 Speed 快速 Specificity 特异 Stoichiometry 化学计量,通用型检测器 高灵敏度

2、, 高选择性 选择离子可改善色谱峰的分辨率 同时进行定量和确认,质谱的基本概念,一、方法原理及 仪器概述,为什么用GC/MSD？,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) 1966年 化学电离(Chemical ionization

3、) 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),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,质谱分类,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性和定量的一种方法。离子源把样品电离为离子，质量分析器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。,质谱仪需要在高真空下工作：离

4、子源（10-3 10 -5 Pa ） 质量分析器（10 -6 Pa ） 1大量氧会烧坏离子源的灯丝； 2用作加速离子的几千伏高压会引起放电； 3引起额外的离子分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。,方法原理,进样系统,离子源,质量分析器,检测器,1.气体扩散 2.直接进样 3.气相色谱,1.电子轰击 2.化学电离 3.场致电离 4.激光,1.单聚焦 2.双聚焦 3.飞行时间 4.四极杆,质谱检测器（MSD）,仪器内部连接示意图,气质联用(四极杆质谱)内部结构图,直接进样系统：适于高沸点、热不稳定性化合物、粘稠液体或 固体样品。 间歇进样系统：适于气体及沸点不高、易于挥发的液体。 色谱进样系统：G

5、C-MS、HPLC-MS、CE-MS等。,在不降低真空度的情况下，将样品引入离子源,1.1 仪器概述,使样品分子转化为离子,Lens,Ion exit,S,N,Sample,M,在真空中，加热灯丝发射电子，轰击中性分子，进行能量交换，中性分子得到能量处于激发状态，在能量达到大于10ev时，外层电子就可能脱落变成离子。,电子电离源 EI,优点： 离子化效率高、灵敏度高； 指纹谱提供丰富结构信息； 谱图重复性好，谱图库检索。 缺点： 样品必须能气化； 分子离子易破碎，得不到分子量信息； 谱图解析复杂； 只检测正离子，不检测负离子。,特点： 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

6、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。,电子电离源 EI,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。,化学电离源CI,优点： 较强的准分子离子峰；碎片离子种类少，质谱图大为简化，易解析。 缺点： 碎片少，结构信息少。,CI和EI所获得到质谱图比较,特点： 电离能小，质谱峰数少，图谱简单； 准分子离子(M+1)+峰大，可提供分子量这一种要信息； 不适用于难挥发，热不稳定或极性较大的有机物

7、分析。,(a) EI源 (b) CI源（甲烷） (c) CI源（异丁烷） 邻苯二甲酸二辛酯的质谱图,16,；.,快原子轰击FAB,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，高动能的Ar或Xe原子束再轰击样品分子使其离子化。,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（MH

8、H2O）,289(MMHH2O) 的峰。,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。,特点： 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。,电喷雾电离 ESI,正离子模式： 适合于碱性样品，可用乙酸或甲酸对样品加以酸化。样品中含有仲氨或叔氨时可优先考虑使用正离子模式。 负离子模式： 适合于酸性样品，可用氨水或三乙胺对样品进行碱化。样品中含有较多的强伏电性基团，如含氯、含溴和多个羟基时可尝试使用负离子模式。,软电离

9、技术适用于HPLC-MS,电喷雾电离 ESI,大气压化学电离 APCI,特点： 在APCI喷嘴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,软电离技术适用于HPLC-MS,电离机理：电喷雾采用离子蒸发，而APCI电离是高压放电发生了质子转移而生成MH+或M-H-离子。 样品流速：APCI源可从0.2到2 mlmin；而电喷雾源允许流量相对较小,一般为0.2-1 mlmin。 断裂程

10、度；APCI源的探头处于高温，对热不稳定的化合物就足以使其分解。 灵敏度：通常认为电喷雾有利于分析极性大的小分子和生物大分子及其它分子量大的化合物，而APCI更适合于分析极性较小的化合物。 多电荷：APCI源不能生成一系列多电荷离子。,ESI和APCI的比较,特征：只检测带电粒子，测定的是离子的质荷比m/z 只检测气相离子，为控制气相离子运动轨道，必须在真空状态下工作,质量分析器,四极杆 离子阱 飞行时间 扇形场 傅里叶变换,低分辨,高分辨,将离子源产生的离子按质荷比m/z进行分离,1） 四极杆质量分析器 单四极杆质量分析器（Single quadrupole, Q) 结构：由四根严格平行并与

11、中心轴等间隔的圆柱形或双曲面柱状电极 构成正负两组电极，在其上施加直流和射频电压，产生一动态 电场（四极场）。 特点： GC/MS联用中最通用的一种质量分析器，性能稳定。 全扫描获得丰富信息；选择离子检测采集效率高，灵敏度高特 别适合于定量分析。,23,；.,三重四极杆质量分析器（triple quadrupole, Q-Q-Q) 结构: 特点：1 、两个质量分析器在不同条件下操作，具有MS-MS功能。 2、通过子离子、母离子、中性丢失三种扫描方式，可确 定各个离子的归属，研究离子的破碎途径，用于化合 物结构分析。 3、多反应选择离子检测模式（MRM)比单四极杆SIM模式 信噪比更高，检测限更

12、低,用于定量分析。,结构: 特点：1、具有全扫描和选择性离子扫描功能，同时还具备离子储存技术，可 进行高灵敏的质谱测定和在时间上实现多极质谱（MSn)功能。 2、体积小，结构简单，价格便宜，广泛应用于蛋白质组学和药物代谢 分析。 3、属低（中）分辨仪器，检测限、线形范围、稳定性稍逊四极杆一筹。 4、定量分析不是强项，A 、动力学范围有限；B、捕获期间，离子-分 子反应；离子-离子相互作用对定量造成不利影响。,2）离子阱质量分析器,式中： K常数 U 电压 D 飞行距离 t 飞行时间,特点： 1、在理论上不存在质量上限,因此在高分子量(生物大分子和高分子聚合物)物质 分析中应用广泛。 2、由于可

13、采用离子延迟引出、反射器以及快电子技术，TOF具备高分辨和高质量 准确度的性能。 3、与扫描质谱仪不同，它可平行记录所有离子，因此是最快的质量分析器。,3）飞行时间质量分析器,m/z = 2,26,；.,特点： 不能解决离子能量分散问题，因此分辨率较低（约5000）。 只适合于离子能量分散较小的离子源，如EI，CI。,4）扇形磁质量分析器,单聚焦质量分析器,27,；.,双聚焦质量分析器,在一恒定的电压条件下，加速的离子束进入静电场，不同动能的离子具有的运动曲率半径不同，只有运动曲率半径符合的离子才能通过狭缝而进入磁分析器。换句话说，静电分析器可将离子源发散出的离子束按动能聚焦成一系列点，因而具

14、有能量色散和方向聚焦作用。经过适当加工的极面可使磁场将具有相同m/z的离子束再聚焦于一点。,特点：分辨率可达150 000甚至更高，对于相对分子量为600的化合物可测至误差 0.0002u。在高分辨质谱领域仍占有一席之地，尤其是动态范围和可靠性 使其在二恶英和兴奋剂痕量分析中极具竞争力。扫描速度慢，操作比较烦 琐，造价昂贵。,5）傅立叶变换离子回旋共振质谱,29,；.,特点： 1、具有超高的分辨率，通过加长采集离子信号的时间,就 可以实现从低分辨率到到高分辨率的转变，且不损失灵 敏度。 2、具有很高的质量准确度。一般情况下，可达（3-4）10-6， 如使用内标物，可达110-6水平。 3、与离

15、子阱质谱一样，可进行“时间串联”的多级质谱实验。 4、需采用超导磁场及高真空，硬件、软件较复杂，操作费用 高，对操作者要求也高。,不同质量分析器配置和功能,31,；.,高能打拿极,二次电子,接受由质量分析器分离的离子，进行离子计数并转换成电压信号放大输出,输出的信号经计算机进行处理，得到质谱图,过程： 打拿极发射出的二次电子，打到一个能发射光子的闪烁晶体上， 发射出光子，由光电倍增管及放大器放大，转换成电流被检测。,光电倍增器,p 10-2 Torr 低真空 p = 10-2 10-4Torr 中真空 p = 10-4 10-7Torr 高真空 p 10-8Torr 甚高真空 p 10-12T

16、orr 超高真空,质谱仪的真空要求： 10-5 10-10Torr,INTERFACE,GC,MSD,10-5 Torr,2 mL/min,760 Torr,0.5 - 15 mL/min,传输线,1、平均自由程 运动的气体分子，在发生相互作用之前所飞越的平均距离。,平均自由程短 平均自由程长,10-5Torr 平均自由程可达5米,质谱为何需要真空？,2、压强对离子源调谐的影响 气压达到10-1Torr或更高，灯丝发射电流会受到抑制甚至被完全截止，此时反馈信号迫使灯丝电压不断增加来提高发射电流，最终导致灯丝烧毁。 3、气体传导会引起高压放电 在离子源区域，如果气压大于10-1Torr ，就很可

17、能引起放电，导致相关部件和高压电路板的损坏。 4、气体对电子倍增器寿命的影响 电子倍增器的打拿极是特殊材料制成，频繁暴露大气会缩短其使用寿命，因此需要真空保护。 5、气体形成本底干扰 气体和样品一同被电离，产生的信号会抬高基线，影响灵敏度，造成谱图识别困难，对定性、定量都不利。,质谱为何需要真空？,10-1 10-2 torr,机械泵,前级泵,10-5 10-6 torr,原理： 加热炉盘将泵液（聚苯醚）加热至沸腾，蒸气沿塔式泵芯升，由向下倾斜 的喷口以高速黏性蒸气向下喷射，其冲量传递给气体分子，气体分子下移 至底部出口被前级泵抽走。 优点： 泵中少机械移动部件，稳定可靠； 只需定期更换泵液，

18、很少用维修；价格低。 缺点： 存在泵液返流，造成质谱污染形成本底； 会产生较大热量；忽然停电，严重 返油，污染仪器。,高真空泵,原理：高速旋转的叶片给气体分子以定向的速度向下运动，气体分子由底部 出口被前级泵抽走。 优点：达到真空极限的时间短；无泵油污染，谱图干净；自身保护措施，避 免断电产生不 良后果。 缺点：价格昂贵；内部部件损坏将导致泵完全报废。,10-5 10-6 torr,高真空泵,气质联用数据是三维的,1.2 质谱基础,1) 质量范围 质谱仪器能检测的最低和最高质量，质量范围取决于质量分析器的类型。 m/z 不是 m 质量下限高，得不到低质量端的特征离子； 质量上限低， 不能检测分

19、子量高于质量上限的分子离子。 不同类型质量分析器的质量范围,43,；.,2) 质量准确度 质量准确度是指离子质量测定的准确性。 M = M 计算- M 测量 准确度=100% 离子质量： 组成该离子所有元素的单同位素质量之和，而不是 周期表中的原子质量。 35Cl=34.9689 35.453 37Cl=36.9659 12+21.0087+2 34.9689=83.9534 12+21.0079+2 35.453=84.9328,M,M 测量, C ,不同类型质量分析器质量准确度的典型值,45,；.,3) 质量轴的稳定性 质量轴指质谱测定离子质量的坐标，即质量标尺。 在一定条件下、一定时间内

20、质量标尺发生漂移的幅度， 多以8h和12h 内某一质量测定值的变化来表示。如： 0.1u/12h。,4）分辨率 质谱分辨相临两个离子质量的能力。 M1和M2能被分辨，则分辨率可用公式R=M/M 计算 实际中，两种计算方法： （1） 双峰法,（2） 单峰法,低分辨质谱：应用广泛，有庞大的谱库可检索，可对未知物快速鉴定。 高分辨质谱：可获得元素组成进行未知化合物的结构鉴定；可消除复 杂基质重叠峰干扰，用于定量分析能获得更高的信噪比。 准确度和分辨率：分辨率高可测定化合物的准确质量,但并不意味着质 量测定的准确性就很高；分辨率低虽然只能测定化合 物的整数质量，但并不意味质量测定的准确性就低。,GC/

21、MS 联用仪的分辨率,49,；.,质量数为28的三种分子组成的精确质量,若仪器分辨力很低，如RP=200，则对以上三个分子不能分开，混为一峰。 若要分开以下混合物，则必需有如下分辨力 CO-C2H4: (RP)2 = 27.994914/(28.031299-27.994914) = 770 N2-C2H4 : (RP)3 = 28.006158/(28.031299-28.006158) = 1100 CO-N2 : (RP)1 = 27.994914/(28.006158-27.994914) = 2490 当仪器分辨力达到770时， 只能够只分开 CO-C2H4 。 当仪器分辨力达到11

22、00时，能够分开CO-C2H4 和N2-C2H4 当仪器分辨力超过2500时，三者全部分开。 一般低分辨仪器在2000左右。10000以上时称高分辨。 FT-ICR-MS分辨力可达2百万。,第二部分 质谱仪器与工作原理,5）灵敏度 信噪比(S/N)：采用一定浓度的标样，在一定操作条件下采集质 谱图，选择某一质量离子信号峰值和某一段基线的噪音峰值，计算它们的比值(S/N),噪音： 电噪音： 化学噪音：载气纯度、色谱柱流失、扩散泵油蒸气、衬管污染、进样垫 流失等。 影响灵敏度的因素： （1）标样的选择：硬脂酸甲酯、六氯苯、八氟萘、二苯酮等。 （2）测试条件： 进样方式、进样量、色谱柱的规格、温度条

23、件、质谱的离子化方式、仪器调谐、扫描速度、扫描质量范围、真空度指标等。,丰度 质荷比(m/z) 基峰 分子离子峰 同位素离子峰 碎片离子峰 重排离子峰 亚稳态离子峰,丰度： 质谱离子的多少，即具有某质荷比离子的数量。由于某个具体离子的“数量”无法测定，故一般用相对丰度表示其强度。 质荷比： 指带电粒子的质量与所带电荷之比值。以m/e表示。是质谱分析中的一个重要参数，不同m/e值的粒子在一定的加速电压V和一定磁场强度E下，所形成的一个弧形轨迹的半径r与m/e成正比。 90年代时IUPAC规定用以表示质荷比的m/e改为m/z。 基峰： 质谱图中离子丰度最强的峰，其他离子的丰度用相对于基峰的百分数表

24、示。,以质荷比m/z为横坐标，以对基峰(最强离子峰，规定相对强度为100%)相对强度为纵坐标所构成的谱图，称之为质谱图。,丙酮,质谱提供的信息包括： 分子量 元素组成 由裂解碎片检测官能团、辨认化合物的类型、推导碳骨架。分子结构,1）质谱图,55,；.,在LC/MS和GC/MS中，常用各分析物质的色谱保留时间和由质谱得到其离子的相对强度组成色谱总离子流图。,2）总离子流色谱图,3）离子峰的主要类型,a）分子离子峰 样品分子失去一个电子而形成的离子称为分子离子。所产生的峰称为分子离子峰或称母峰，一般用符号M+表示。其中“+”代表正离子，“ ”代表不成对电子。 M + e- M+ + 2e- 分子

25、离子峰的m/z就是该分子的分子量。,57,；.,分子离子峰的特点,一般出现在质荷比最高的位置，但有例外。分子离子峰的稳定性取决于分子结构。分子离子峰的强度与结构的关系： a 碳链越长，分子离子峰越弱； b 存在支链有利于分子离子裂解，故分子离子峰很弱； c 饱和醇类及胺类化合物的分子离子弱； d 有共振系统的分子离子稳定，分子离子峰强； e 环状分子一般有较强的分子离子峰 分子离子峰的相对强度取决于M+相对于裂解产物的稳定性：芳香环共轭烯烯环状化合物羰基化合物醚酯胺酸醇高度分支的烃类 如分子离子峰为基峰,该化合物一般是芳烃、杂环或共轭多烯； 如分子离子峰很弱或根本就不出现，该化合物一般是醇类或

26、支链烷烃。,58,；.,分子离子峰的识别,（1）氮规则： 由C，H，O 组成的有机化合物，M 一定是偶数。 由C，H，O，N 组成的有机化合物，N 奇数，M 奇数。 由C，H，O，N 组成的有机化合物，N 偶数，M 偶数。 （2）分子离子峰与相邻峰的质量差是否合理： 通常在分子离子峰的左侧314个质量单位处，不应有其他碎片离子峰出现。如有其它峰（出现），则该峰不是分子离子峰。因为不可能从分子离子上失去相当于314个质量单位的结构碎片。 合理的中性碎片损失：M-1， M-15， M-18， M-28 不合理的中性碎片损失： M-3 M-14， M-21 M-24,59,；.,特殊情况： 1、部分

27、化合物(酮、醛、胺、醚、酯等）,在EI源内压力较高时,可能出现（M+1)+，多数情况下同时出现M+。 2、某些化合物容易形成（M-1)+, 如芳香醛(水杨醛)。 3、直的长链醇类化合物容易形成较强的（M-H2O）+, 而M+峰很弱甚至检测不到。 4、内酯类化合物容易形成(M-CH3) +或(M-H) +峰。 当分子离子峰不出现时: 1、降低电子轰击的能量 2、更换其它离子源 3、化学衍生,分子离子峰的识别,准分子离子峰,指与分子存在简单关系的离子，通过它可以确定分子量。 液质中最常见的准分子离子峰是M+H+ 或M-H- 。 在ESI中, 往往生成质量大于分子量的离子如：M+1,M+23,M+3

28、9,M+18.称准分子离子， 表示为：M+H+，M+Na+等。,b）同位素离子峰,除P、F、I外，组成有机化合物的十几种元素都有同位素。因而在质谱中会出现由不同质量的同位素形成的峰（M+1、M+2等），称为同位素离子峰。,62,；.,对于含S的化合物：I(M+2)+/IM+ n4.40 （n是分子含S个数） 如在CH3Cl、C2H5Cl等分子中ClM+2/ClM=32.5%，而在含有一个溴原子的化合物中(M+2)+峰的相对强度几乎与M+ 峰的相等。利用同位素离子峰可用来确定分子离子峰。,b）同位素离子峰,63,；.,(M+2) +/ M+ 使用： 3% 不含上述四种元素; 3.4% 可能含有S

29、i 4.4% 可能含S 33% 肯定含Cl 98% 肯定含Br 注：当化合物中C数量较多时，应考虑C贡献，如： 26， M+2)+/ M+ 3.9%,b）同位素离子峰,c)碎片离子峰,一般有机化合物的电离能为713电子伏特，质谱中常用的电离电压为70电子伏特，电离后有过剩内能的分子离子能以多种方式裂解成碎片离子，碎片例子还可能进一步裂解成更小的碎片离子，在裂解的同时也可能发生重排。,65,；.,c)碎片离子峰,c)碎片离子峰,d)亚稳离子峰,质量为m1的离子在离开离子源到质量分析器之前的飞行过程中，发生分解而形成低质量（质量为m2）的离子所产生的峰。 m1+ m2+ 中性碎片 由于该离子具有的

30、m2质量和m1的速度，所以不出现在m/z= m2处，而是出现在m/z= m*处： m* = m22 / m1 亚稳离子的识别：a、一般的碎片离子峰都很尖锐，但亚稳离子峰钝而小；b、亚稳离子峰一般要跨25个质量单位； c 、亚稳离子的质荷比一般都不是整数。,68,；.,e）重排离子峰,分子离子裂解为碎片离子时，有些碎片离子不仅仅通过简单的键的断裂，还可能通过分子内原子或基团的重排或转移而形成离子，称为重排离子。,69,；.,离子的断裂类型,设有机化合物由A，B，C和D组成，当蒸汽分子进入离子源，受到电子轰击可能发生下列过程而形成各种类型的离子：,70,；.,含杂原子化合物易发生断裂 碳碳不饱和键

31、相邻的CC键易断裂 芳环相邻的CC键易断裂（芳杂环的情况也类似） 碳链分支处易发生断裂 饱和环易在环与侧链连接处断开 当分支处由几种断裂可能时，大基团断裂优先 产生电中性小分子的开裂优先,3.6.3 有机化合物的一般裂解规律,有机化合物的一般裂解规律,简单裂解,（1） 断裂：自由基引发的裂解反应 烷烃：烷烃化合物断裂多在C-C之间发生，且易发生在支链上：,72,；.,（2） 断裂：游离基引发的裂解反应,含C=O键化合物的开裂多在与其相邻的键上（开裂）： 在醛中，醛基的氢不易失去，常产生m/z=29（H-CO+）的强峰，高碳直链醛会产生(M-29)+峰， 酮类易失去R、R中较大者； 羧酸与伯酰胺

32、中，主要是1开裂，生成m/z=45（HO-CO+）和m/z=44（H2N-CO+）的离子。 在酯和仲、叔酰胺中，主要是2开裂。,简单裂解,73,；.,（3）断裂（ CC）,烯烃、炔烃、芳烃、醇和胺多在双键或官能团旁的第二个键（CC)上开裂：,烯烃：,简单裂解,74,；.,芳烃：,醇：,胺：,简单裂解,（3）断裂（ CC）,重排裂解,重排开裂在共价键断裂的同时，发生氢原子的转移。一般有两个键发生断裂，少数情况下发生碳骨架重排。一般重排开裂前后离子电子奇偶性不发生变化 麦氏重排：,最小重排离子质荷比： 烯烃 42 烷基苯 92 醛 44 酮 58 羧酸 60 酰胺 59,76,；.,饱和分子的氢重

33、排（消除反应）,X为卤素原子时，消去HX X为OH时，消去H2O X为SH，H2S等。,重排裂解,77,；.,多中心裂解,反应涉及一个以上键的断裂 如：逆狄尔斯阿尔德反应（也可看作是重排的一种方式）,78,；.,随机裂解,有机化合物在离子源中受到电子流的轰击，会按照一定规律将有机化合物进行裂解，类似的化合物会有类似的裂解碎片，然而在电子流轰击中也会发生随机性的裂解。对质谱中的每一个峰都未必能解释清楚。,79,；.,1）饱和脂肪烃 A、直链烃 直链烃显示弱的分子离子峰 有m/z ：M-29，29，43，57，71， CnH2n+1 系列峰(断裂) 伴有m/z ：27，41，55，69， CnH2

34、n-1 系列较弱峰 B、支链烃 支链处优先断裂，优先失去大基团，正电荷带在多支链的碳上，支链处峰强度增大。 分子离子峰丰度降低。 含有侧链甲基，出现M-15峰。,80,；.,C、环烷烃 分子离子峰强度增加，会出现m/z=41，55，56，69等系列碎片离子峰。烷基取代的环烷烃易丢失烷基，优先失去最大基团，正电荷保留在环上。,81,；.,2）烯烃 容易发生烯丙基断裂， 产生一系列 27，41，55，69， CnH2n-1峰，41常是基峰,82,；.,烷烃CnH2n+1峰强度较大 烯烃CnH2n+1峰强度较大 m/z=41常常是基峰,环状不饱和脂肪烃：符合条件发生RDA（环烯断裂反应），支链碎裂反

35、应类似链烃。,84,；.,3）芳烃,分子离子峰强，易发生C-C键的裂解，生成的苄基m/z91往往是基峰。随正构烷基取代链越长，m/z 91丰度越大。 若基峰比91大14n，表明苯环碳上另有烷基取代。 会出现39，51，65，77，91，105，119，等一系列峰。 侧链含-H的会产生重排离子峰，m/z=92,85,；.,86,；.,4）醇和酚,醇的分子离子峰往往观察不到，M-H有时可以观察到 饱和醇羟基的CC键易发生断裂，产生（31+14n）特征系列离子峰，伯醇的m/z31较强。 开链伯醇还可能发生麦氏重排，同时脱水和脱烯（M-18-28）。 酚的分子离子峰较强，出现(M-28)（-CO），(

36、M-29)（-CHO）峰,M-1,M-18,M-46,5）醛、酮,直链醛、酮显示有CnH2n1CO为通式的特征离子系列峰，如m/z 29、43、57 等 具有H的醛、酮可发生麦氏重排反应,6）羧酸,脂肪羧酸的分子离子峰很弱，m/z 60是丁酸以上碳原子上没有支链的脂肪羧酸最特征的离子峰，由麦氏重排裂解产生 ： 低级脂肪酸还常有M17（失去OH）、M18（失去H2O）、M-45(失去CO2H)的离子峰。,芳香羧酸的 峰相当强，显著特征是有M17、M45离子峰。邻位取代的芳香羧酸产生占优势的M18失水离子峰。,羧酸酯进行裂解所产生（M-R）或（M-OR）的离子常成为质谱图中的强峰（有时为基峰）。,

37、7）酯类,酯也可以进行以下H转移、断裂的麦氏重排,A、酰胺 含4个C以上的伯酰胺主要发生麦氏重排反应 ： 酰胺的重要碎片离子峰主要是羰基碳裂解产物：,m/z 44,8）胺类,B、脂肪胺,链状脂肪胺发生CC键断裂形成胺鎓离子，并以失去较大烷基为主要反应，直链脂肪族伯胺断裂生成m/z 30离子 支链脂肪伯胺类进行CC键裂解产生的m/z 44、58等离子，符合通式CnH2n+2N+ ，并优先失去较大基团,质谱定性分析： 质谱可以进行纯物质的相对分子质量测定、化学式确定及结构鉴定等。 质谱的定量分析： 质谱检出的离子强度与离子数目成正比，通过离子强度可进行定量分析。,1.3 方法原理,1）相对分子质量

38、的测定,根据分子离子峰质荷比可确定分子量，通常分子离子峰位于质谱图最右边，但由于分子离子的稳定性及重排等，质谱图上质荷比最大的峰并不一定是分子离子峰。 所以，关键是辩认分子离子峰。,MS定性,（i）注意m/z值的氮规律 只有C. H. O组成的有机化合物，其分子离子峰的m/z一定是偶数。在含氮的有机化合物（N的化合价为奇数）中，N原子个数为奇数时，其分子离子峰m/z一定是奇数；N原子个数为偶数时，则分子离子峰m/z一定是偶数。,MS定性,99,；.,（ii）注意该峰与其它碎片离子峰之间的质量差是否有意义 通常在分子离子峰的左侧314个质量单位处，不应有其他碎片离子峰出现。如有其它峰（出现），则

39、该峰不是分子离子峰。因为不可能从分子离子上失去相当于314个质量单位的结构碎片。 （iii）同位素峰对确定分子离子峰的贡献 利用某些元素的同位素峰的特点（在自然界中的含量），来确定含有这些原子的分子离子峰。,MS定性,100,；.,高分辨质谱： 可分辨质荷比相差很小的分子离子或碎片离子。如CO和N2分子离子的m/z均为28，但其准确质荷比分别为28.0040和27.9949，高分辨质谱可以识别它们。 低分辨质谱： 不能分辨m/z相差很小的碎片离子，如CO和N2。通常通过同位素相对丰度法来确定分子的化学式。,2）化学式的确定,MS定性,（1）用高分辨质谱确定分子式 高分辨质谱仪可精确测定分子离子

40、或碎片离子的质核比（误差小于10-5），因此可以利用元素的精确质量及丰度比求其元素组成。,MS定性,102,；.,几种常见元素同位素的确切质量及天然丰度,MS定性,103,；.,如高分辨质谱测定某未知物的相对分子质量为126.032 800 0 电子计算机给出其可能的分子式为： （A）C9H4ON 126.032 801 6 （B）C2H2ON6 126.032 796 2 （C）C4H4O2N3 126.032 797 6 （D）C6H6O3 126.032 798 9 其中（A）（C）不符合氮数规律，（B）很难写出一个合理的结构式，该化合物最合理的分子式应该是C6H6O3。,MS定性,10

41、4,；.,（2）由同位素离子峰确定分子式 各元素具有一定的同位素天然丰度，因此不同的分子式，其(M+1)/M 和 (M+2)/M 的百分比都将不同。如果以质谱法测定分子离子峰及分子离子峰的同位素峰 (M+1，M+2)的相对强度，就能根据(M+1)/M 和 (M+2)/M 的百分比来确定分子式。 Beynon表：Beynon等人计算了相对分子量在500以下的只含有C、H、O、N的化合物的 (M+1) 和 (M+2) 同位素峰与分子离子峰的相对强度，并编制为表格。,MS定性,105,；.,只要质谱图中的分子离子峰够强，能准确测定分子离子峰和(M+1) 、 (M+2)同位素峰，计算出 (M+1)/M

42、 和 (M+2)/M 的百分比，就能根据Beynon表确定可能的经验分子式。,表 Beynon表中M102的部分数据,MS定性,106,；.,例1：某化合物，根据质谱图确定其分子量为126，测得M+1，M+2的相对丰度比如下，试确定该化合物的分子式。,表 Beynon表中M126的部分数据,MS定性,107,；.,例1：某化合物，根据质谱图确定其分子量为104，测得M+1，M+2的相对丰度比如下，试确定该化合物的分子式。,对于含有Cl、Br、S等元素的化合物，其质谱图的(M+2)/M的值明显较大。可以先推断出所含的元素及数量。 由于在Beynon表中只有考虑C、H、O、N四种元素的值，所以在含

43、有Cl、Br、S等元素时，要先扣除这些元素的贡献。,M=72,108,；.,3）结构鉴定,A、根据质谱图，找出分子离子峰、碎片离子峰、亚稳离子峰、m/z、相对峰高等质谱信息，根据各类化合物的裂解规律，重组整个分子结构。 由质谱数据推导有机物分子结构的过程，形象地说，如同用弹弓击碎一个瓷花瓶，再由一堆碎片来拼凑复原花瓶的过程。 B、采用与标准谱库对照的方法。,MS定性,第一步 对分子离子区进行解析（推断分子式） （1）确认分子离子峰，并注意分子离子峰对基峰的相对强度比，这对判断分子离子的稳定性以及确定结构是有一定帮助的。 （2）注意是偶数还是奇数，如果为奇数，而元素分析又证明含有氮时，则分子中一

44、定含有奇数个氮原子。 （3）注意同位素峰中(M+1)/M及(M+2)/M数值的大小，据此可以判断分子中是否含有S、Cl、Br，并可初步推断分子式。 （4）根据高分辨质谱测得的分子离子的m/z值，推定分子式。 （5）根据化合物的分子式计算不饱和度。,MS定性,第二步 对碎片离子区的解析 （推断碎片结构） 1）找出主要碎片离子峰。并根据碎片离子的质荷比，确定碎片离子的组成。,常见的离子碎片与化合物类型,MS定性,111,；.,2）注意分子离子有何重要碎片脱去3）找出亚稳离子峰，利用m* = m22 / m1，确定m1与m2的关系，确定开裂类型。,容易失去的碎片与化合物类型,MS定性,112,；.,

45、第三步 提出结构式 根据以上分析，列出可能存在的结构单元及剩余碎片，根据可能的方式进行连接，组成可能的结构式 。 再利用质谱数据和其他光谱数据，排除不合理的结构。,MS定性,例：根据下列甲基异丁基甲酮的质谱图，对各峰进行归属，提出可能的离子形成过程。,MS定性,114,；.,MS定性,重排后裂解 m/z 58,MS定性,116,；.,GC-MS定量分析,GC/MS 定量的优势： 1、可在色谱峰不完全分离的情况下，用质量色谱法或选择性离子检测，对其中的每个化合物分别定量。 2、可通过多种方法检测色谱峰纯度，因而定量结果更加准确可信，当前 GC/MS（或GC/MS/MS）常被作为定量检测的最终确定

46、方法。 GC/MS 定量应注意的问题： 1、仪器校准不可少 2、定性要准确 3、峰面积要准确积分 4、标准曲线的线性范围,MS定量,全扫描（Scan) : 50550, 20650，检测指定范围的所有离子。 总离子流色谱图（TIC） 分析未知样品，或含未知成分的样品； 谱图需检索以确定未知成分。 选择离子检测（SIM）：只跳跃性检测选择的一个或几个离子，其它 离子都不检测。 多反应监测（MRM）：串联质谱时使用。用于检测已知或目标化合物， 既有高灵敏度又有高选择性。,选择离子流色谱图（SIM）,用途：用于目标化合物检测和复杂混合物中杂质的定量分析。 参数的设置： 1、化合物特征离子（ 分子离子

47、、特征碎片离子或重排 离子）、定量离子、辅助定量离子； 2 、离子扫描停留时间； 3、 质量窗口 0.1 特点：比全扫描模式有更高的灵敏度，因排除了干扰，峰形较好，提 高了信噪比，适于定量分析。不用于未知物鉴定。,选择离子检测,SIM 数据采集,Dwell,time,SIM,mass 1,SIM,mass 2,SIM 循环时间,四极杆,电压,(amu),TIME,SIM,mass 3,空中时间,全扫描数据采集,扫描时间,扫描循环时间,空中时间,四极杆,电压,(amu),TIME,SIM 与SCAN比较,用这种方式时，分析物质及它生成的子离子的性质均需知道。MS1设在只让分析物的母离子通过，并让

48、它在碰撞室中断裂；MS2设在只让一个由该母离子生成的特定子离子通过。 MRM可以看作两个SIM，而且MRM在许多方面提供的特殊性比SIM还要好。因为很少有保留时间完全相同、质量完全相同，以及生成的子离子也完全相同的化合物。 MRM与SIM相似，得不到普通的质谱图，若要观看谱图，只能见到一种质量的峰。 与SIM一样，可以用保留窗口监测不同时间下的不同变化，选用MRM代替SIM可以分析那些本底复杂的样品，还可排除可能会产生干扰的化合物。有时在SIM分析中碰到的干扰用MRM则可以过滤掉。,多反应监测(MRM）,多反应检测（MRM）,NIST检索系统的基本功能： （1）质谱数据查询： 化合物识别码（I

49、D）、化学文摘登记号（CAS）、化合物名称、分子式、分子量、特征离子等信息，查阅或打印所需要的质谱图。 （2）质谱图比较： 将未知化合物质谱图和谱库中标准谱图逐一进行比较，然后按相似系数由高到低顺序排列（概率匹配，PBM， probability-based matching)。任意指定两张谱图进行比较，找出它们差别。,（3）谱图分析： 计算分子量、分析碎片离子、研究断裂方式等。 （4）色谱峰纯度判别： 自动判别色谱峰纯度，解叠共流出组分（Automated mass spectrometry deconvolution and identification system, AMDIS),（1

50、）相似系数的使用：90% 比较可靠 60% 可靠性较差 注：并非匹配率较高的化合物就一定是未知物，异构体、同系物和结构比较相似的化合物谱图也比较相似，所以匹配率相近。 （2）影响谱图库检索的因素： A、仪器调谐方式不对，导致离子相对强度不对； B、采集数据或处理谱图时，设定的检测质量范围不合适； C、色谱分离不好，得到的不是单一组分的质谱图，而是共流出的混合物谱图； D、谱图处理或选择不当（平均谱、峰顶谱、峰起点谱等）。,谱图检索应注意的问题：,方法原理及仪器概述,操作技术及日常维护,在环境监测中的应用概述,挥发性有机物的应用实例,半挥发性有机物的应用实例,主要内容,二、操作技术及 日常维护,

51、开机前的准备: MSD连接到接地的电源上（稳压电源） MSD的接口伸入柱温箱 老化好的毛细柱接好两端 99.999%的高纯氦载气接到GC上（净化器）,打开计算机 打开气相色谱及质谱电源。待气相色谱完成自检， 质谱真空泵自动开启 进入化学工作站 进入真空控制界面，点击抽真空，进入质谱抽真空程序 升高离子源接口温度和气相色谱、质谱各部分温度 质谱抽真空程序完成后（2小时以上），观察质谱真空状态 如果有必要，进行系统检漏，检漏通过，开机完成,开机,进入真空控制界面，点击卸真空 降低离子源接口温度及气相色谱温度 质谱卸真空程序完成后（半小时以上），关闭质谱电源 关闭气相色谱和计算机电源 关载气，关机完

52、成,关机,调谐做什么?,设定离子源部件的电压,以得到良好的灵敏度 设定 amu gain 和 offset 以得到正确峰宽 设定 mass gain 和mass offset以保证正确的质量分配 设EM电压,调谐包括调节许多质谱参数。有一些参数只是单纯的电子参数，仅影响电路信号的处理。另外的一些参数影响 MSD 离子源、质量过滤器和检测器的电压或电流设置。,稳定 可挥发 碎片涵盖质量范围宽 仅有C-13 和 N-15同位素 无质量缺陷,全氟三丁胺(PFTBA),调谐标样,通过自动调谐报告诊断,故障诊断,从 spectrum scan, 检查: 水和空气 本底 正确的质量分配 适当的丰度比 适当

53、的同位素比,污染来源,柱流失,0,5,10,15,20,25,16,18,20,22,24,26,检测器响应,低流失毛细管柱,选择GG/MS 专用柱，尽量避免使用大孔径、厚液膜柱。 要求： 柱效高、惰性好、热稳定性好。,GC-MS色谱柱的选择,常见的污染物,0.0 315.2 uA 10.0 241.5 eV,常见故障 高质量的离子丰度低 (219, 502): n 离子源污染清洗: n 离子源上的电压不对检查电路板 灯丝没电流： n 灯丝断裂更换灯丝 调谐没有峰： 先查看28和32是否有峰。如果有，检查PFTBA标样。 电路故障（某线路未插牢） 灯丝短路重新安装灯丝,1、离子源,如何判断是离

54、子源污染了？,重现性变差 无法通过标准调谐 调谐结果不好： 502丰度低 同位素丰度比不正常 (M + 1s) 本底噪音高 EM 电压过高 距离上一次清洗离子源有多长时间了？运行了多少样品？,离子源分解图和部件,毛细管柱插口,离子源壳体,离子源加热组件,推斥极,推斥极绝缘环,推斥极绝缘环,灯丝,离子聚焦,拉出极柱体,拉出极平板,透镜绝缘体,入口透镜,源垫圈,固定螺丝,垫圈,推斥极螺母 （不要过紧）,清洗离子源程序,所有真空室内的操作须戴不掉毛的手套 从工作站中tune and vacuum/vacuum/power-on temps将离子源和四极杆温度设为0 ,vent，按工作站提示关闭电源。

55、拆卸离子源。 用三氧化二铝粉（用无水乙醇混成糊状）打磨透镜和离子源壳体表面，特别注意离子轨道内各部分。 用水仔细冲洗。 分析纯无水乙醇清洗。 将除灯丝外所有离子源部件（包括未打磨的部件。前两次最好与打磨过的部件隔离）放入洁净烧杯，分析纯无水乙醇超声波清洗4次，每次10分钟。（最后一次要用重蒸后的或色谱纯的溶剂）。注意：如果使用强溶解性溶剂如丙酮等，不要清洗透镜绝缘体和加热块导线。 放于洁净烧杯，置于GC柱温箱内，将炉温设为20C（使风扇不停转动）约120分钟。 组装，确认无短路，放回。插好各部件电线。 抽真空（确认泵工作正常，此时离子源与四极杆不加热）。1小时后将温度升至正常状态。 至少2小时

56、后调谐。,2、质量分析器四极杆,常见故障 调谐结果不好 调谐不稳定 RF Fault: Difficulty with Mass Filter Electronics“ 可能的原因 真空问题 四极杆接触不好，四极杆有破损 电路板故障,从调谐结果判断四极杆的好坏 峰形好，不分叉 同位素丰度比正常，分辨率好 Peak Width = 0.6 amu Mass Assignment = m/z +/- 0.05 amu,3、检测器,常见故障 EMV电压升高(2700V) 502丰度低EMV 可能的原因 真空问题 离子源污染 EM老化 HED故障,MSD系统推荐的维护时间表,载气系统,载气的使用 高纯

57、氦纯度必须达到5个9，即99.999%； 专用钢瓶； 余气小于2 MPa时应更换。 载气净化 使用载气净化装置，该装置能除去氧气，烃类及水等杂质； 一般来说，每用完三瓶气，该净化装置需要更换，但实际使用中可根据具体情况做微调。,质谱真空泄漏的确认及检漏,确认泄漏 是否泄漏可从压力和空气/水的背景图谱进行判断：当载气流速为1 mL/min时，前极压力应小于60 mTorr，离子规压力小于710-2 mTorr，如果此值过大，可能泄漏。 刚开机时，打开灯丝观察m/z 18, 28, 32, 44这几个空气/水特征峰，不泄漏，水峰是基峰；如果28的峰远高于18的峰，且与32峰的比例符合空气中氮氧比例

58、，则为小漏；如果28，32的峰异常高，TIC超过108，则漏气严重，请立即关闭灯丝。,检漏 钢瓶及气体管线检漏 将钢瓶打开，调整至一定压力，关闭气相色谱进样口压力，关闭气瓶总阀，开启分压阀，若有漏气，一段时间后分压表压力会有明显的下降。 GC部分检查 该部分的空气泄漏通常会发生在内部的载气管接头、进样口隔垫、柱螺母等位置。可用适量的丙酮依次涂抹上述位置，同时打开灯丝观察，或m/z 58和43处出现一个陡峭的、显著的攀升，说明该位置漏气。,质谱真空泄漏的确认及检漏,MS部分检查 在MS部分中查找空气泄漏的方法与GC部分类似，在可能发生泄漏的位置涂抹丙酮，每次一个位置，总是从最近被打开过的密封装置

59、开始，这是最有可能发生空气泄漏的地方。涂抹完一个位置后，观察背景图谱中的峰图变化加以判断。 MS部分空气泄漏比较容易出现在传输线末端的色谱柱螺帽处，此处由于柱箱温度反复变化，有可能造成松动；另一方面，在装毛细管柱时，螺帽不可以拧得太紧否则容易把石墨圈压碎造成漏气。,质谱真空泄漏的确认及检漏,进样口的定期清洗 进样达到100次左右更换进样垫； 尽可能使用较低温度，以保证隔垫稳定； 使用隔垫吹扫气带走隔垫上的降解产生及 残留物； 经常清洗衬管更换玻璃毛； 使用清洁的进样针。 进样隔垫 使用高品质低流失及耐高温进样垫； 进样口隔垫螺帽不宜拧得过紧； 衬管及石英棉 及时对衬管进行清洗； 及时更换玻璃毛

60、。,进样系统,色谱柱的选择与老化 色谱柱的选择一般从固定液的类型、长度、口径及膜厚4个方面考虑； 新柱使用前需要不接质谱放空老化。 色谱柱的使用与保存和保养 色谱柱的使用温度不得高于柱子最高使用温度； 柱子拆下后通常将柱子的两端插在不用的隔垫上，暂时不用可放在干燥器中； 使用高纯载气，气体管路使用专用铜管或不锈钢管。,色谱柱,色谱柱的安装 色谱柱切割时应用专门的陶瓷切片，切割面要平整； 不同规格的毛细管柱选用不同大小的石墨垫圈； 毛细管柱伸入两个接口端的长度都要用专门的测量工具进行测量； 柱接头螺帽不要上得太紧，一般手紧后再用扳手紧四分之一圈即可。,色谱柱,开机和关机 开机时先开GC，后开MS