质谱--2013625

1、质谱分析法质谱分析法（Mass Spectrometry, MS）汇报汇报人：祁倩倩人：祁倩倩导师导师：陈陈平平2质谱：就是将样品转化为运动的气态离子碎片，并在磁场中按质荷比质谱：就是将样品转化为运动的气态离子碎片，并在磁场中按质荷比( (m/zm/z) )大小进行大小进行分离记录的分析方法。分离记录的分析方法。质谱与其它分析方法相比，有以下特点：质谱与其它分析方法相比，有以下特点：(1)(1)质谱法几乎是唯一能够确定有机化合物分子式的方法。低分辨率的质谱仪可以测质谱法几乎是唯一能够确定有机化合物分子式的方法。低分辨率的质谱仪可以测定分子量，高分辨率的质谱仪不仅可以得准确的分子量定分子量，高分

2、辨率的质谱仪不仅可以得准确的分子量( (准确到小数点后准确到小数点后3-43-4位位) )，而，而且还可以确定分子式。且还可以确定分子式。(2)(2)质谱分析法灵敏度高，试样通常只需微克级，就可得到一张很好的谱图，检出限质谱分析法灵敏度高，试样通常只需微克级，就可得到一张很好的谱图，检出限量可达量可达1010-14 -14 g g 。(3)(3)此外，质谱法还能根据各类化合物分子离子断裂成碎片的规律，提供丰富的分子此外，质谱法还能根据各类化合物分子离子断裂成碎片的规律，提供丰富的分子碎片信息，用于结构分析。碎片信息，用于结构分析。尤其是近年来，计算机在质谱上的应用，质谱与其它分析方法的联用，如

3、气相色谱尤其是近年来，计算机在质谱上的应用，质谱与其它分析方法的联用，如气相色谱质谱联用、液相色谱质谱联用、等技术的发展，使得质谱的应用更为广泛，作用更质谱联用、液相色谱质谱联用、等技术的发展，使得质谱的应用更为广泛，作用更为重要。使它在生命科学、环境科学、药物检测等领域中已成为必不可少的手段。为重要。使它在生命科学、环境科学、药物检测等领域中已成为必不可少的手段。1.1.质谱的基本原理质谱的基本原理3整个系统是高真空的，气体样品从进样口整个系统是高真空的，气体样品从进样口a a进入离解室，样品分子被一束高能进入离解室，样品分子被一束高能量的电子撞击，结果使样品分子发生各种反应。首先是样品分子

4、中的一个电量的电子撞击，结果使样品分子发生各种反应。首先是样品分子中的一个电子被击出，形成带正电荷的自由基分子离子。以甲烷为例：子被击出，形成带正电荷的自由基分子离子。以甲烷为例：该分子离子可继续反应形成碎片离子，碎片离子可进一步分裂成新的碎片离该分子离子可继续反应形成碎片离子，碎片离子可进一步分裂成新的碎片离子。这样，一个化合物在离子室中可以产生若干个质荷比不同的离子，如甲子。这样，一个化合物在离子室中可以产生若干个质荷比不同的离子，如甲烷：烷：这些离子进入一个具有几千伏电压的加速区这些离子进入一个具有几千伏电压的加速区c c，加速后通过狭缝，加速后通过狭缝d d进入磁场进入磁场f f。质量

5、为质量为m m的离子经电场加速后获得的动能来源于加速电场的势能，即：的离子经电场加速后获得的动能来源于加速电场的势能，即：zVzV = m = m 2/22/2而在磁场中，离子运动方向发生而在磁场中，离子运动方向发生改变，进行圆周运动。这时，改变，进行圆周运动。这时，只有磁场施加给离子的向心只有磁场施加给离子的向心力力(Hz(Hz ) )与离子的离心与离子的离心力力(m(m 2/r2/r) )相等，才能达到相等，才能达到分析器的出口，被检测到。分析器的出口，被检测到。CH4 + eCH4+ 2eCH4 + eCH4CH3CH2CHC+样品真空泵abcdfqi图12-26 单聚焦质谱仪示意图m

6、2/rHz =4合并上述两式，消去速度合并上述两式，消去速度 ，可得到公式：，可得到公式：这是质谱的基本方程。这是质谱的基本方程。m/zm/z称为质荷比，由公式可知，当仪器的加速电称为质荷比，由公式可知，当仪器的加速电压压(V)(V)和磁场强度和磁场强度(H)(H)一定时，只有运动半径为一定时，只有运动半径为r r的离子才能达到分析器的离子才能达到分析器的出口，被检测器检测出来。的出口，被检测器检测出来。反过来，如果固定加速电压反过来，如果固定加速电压V V和离子运动半径和离子运动半径r r，对磁场进行扫描，由，对磁场进行扫描，由于于m/zm/z与与H2H2成正比，当成正比，当H H由小到大改

7、变时，不同质荷比的离子就会由小由小到大改变时，不同质荷比的离子就会由小到大，依次穿过狭缝到大，依次穿过狭缝q q，被检测器，被检测器i i依次接收，从而得到所有依次接收，从而得到所有m/zm/z离子的离子的质谱图。质谱图。二、质谱图二、质谱图一般的质谱图用棒状图表示，其横坐标为不同离子的一般的质谱图用棒状图表示，其横坐标为不同离子的m/zm/z ，纵坐标为，纵坐标为各峰的相对强度。右图为甲烷各峰的相对强度。右图为甲烷的质谱图，在不同的的质谱图，在不同的m/zm/z处，有强度处，有强度不同的峰，最高的峰称为基峰，把不同的峰，最高的峰称为基峰，把它的强度定为它的强度定为100100，其它峰高相对于

8、，其它峰高相对于它的百分数为各峰的相对强度。峰的它的百分数为各峰的相对强度。峰的相对强度表示不同质荷比离子的相对含量。相对强度表示不同质荷比离子的相对含量。mzH2r22 V=161514131220406080100相对强度m / zM甲烷质谱图M+15p在上图中，在上图中，m/zm/z1616的基峰为甲烷打掉一个电子生成的分子离子峰，常的基峰为甲烷打掉一个电子生成的分子离子峰，常用用M+M+表示。甲烷的分子离子较稳定，所以它的强度最大，可作为基峰。表示。甲烷的分子离子较稳定，所以它的强度最大，可作为基峰。但是，在很多有机化合物的质谱中，分子离子峰并不一定是最强峰但是，在很多有机化合物的质谱

9、中，分子离子峰并不一定是最强峰( (基基峰峰)。161514131220406080100相对强度m / zM甲烷质谱图M+16 相对分子质量和分子式的确定相对分子质量和分子式的确定一、分子离子和相对分子质量一、分子离子和相对分子质量分子失去一个电子生成的自由基分子正离子叫做分子离子。因它只带一分子失去一个电子生成的自由基分子正离子叫做分子离子。因它只带一个正电荷，质荷比个正电荷，质荷比( (m/zm/z) )在数值上与分子的质量相同，因此，在质谱中，在数值上与分子的质量相同，因此，在质谱中，找到分子离子峰就可确定相对分子质量。这是质谱的重要应用之一。找到分子离子峰就可确定相对分子质量。这是质

10、谱的重要应用之一。它比用其它方法，如冰点降低、沸点升高法测定相对分子质量简单得它比用其它方法，如冰点降低、沸点升高法测定相对分子质量简单得多。多。分子离子峰一般是质谱图中质荷比最大的峰。但多数情况下其右侧还伴分子离子峰一般是质谱图中质荷比最大的峰。但多数情况下其右侧还伴随有弱的同位素峰和反应离子峰。有些化合物的分子离子比较稳定，随有弱的同位素峰和反应离子峰。有些化合物的分子离子比较稳定，峰的强度较大，在质谱图谱上容易找到；但有些化合物的分子离子不峰的强度较大，在质谱图谱上容易找到；但有些化合物的分子离子不够稳定，容易生成碎片，此时，这些分子离子峰很弱或几乎找不到够稳定，容易生成碎片，此时，这些

11、分子离子峰很弱或几乎找不到( (如如带支链的烷烃、醇类等带支链的烷烃、醇类等) )。这时，可采用降低质谱仪撞击电子流的能量。这时，可采用降低质谱仪撞击电子流的能量的方法，或以其它经验方法来确定分子离子峰。的方法，或以其它经验方法来确定分子离子峰。7分子式的确定分子式的确定确定了相对分子量，并不能写出分子式，因为多种分子可能具有相同的分子量。那确定了相对分子量，并不能写出分子式，因为多种分子可能具有相同的分子量。那么，如何确定分子式呢？常用的有两种方法。么，如何确定分子式呢？常用的有两种方法。1.1.高分辨率质谱法测定分子式高分辨率质谱法测定分子式利用高分辨率质谱仪测定分子式的依据是，当规定利用

12、高分辨率质谱仪测定分子式的依据是，当规定12C12C的原子质量为的原子质量为12.000 00012.000 000时，时，其它各元素的原子质量严格地讲都不是整数。如：其它各元素的原子质量严格地讲都不是整数。如：1H1H：1.007 8251.007 825，16O16O：45.994 45.994 914914，14N14N：14.003 05014.003 050。因此，即便是有的化合物分子在整数部分是相同的，但。因此，即便是有的化合物分子在整数部分是相同的，但其在小数部分绝对不会相同。其在小数部分绝对不会相同。因此，只要能足够精确地测出分子量，就能推断出分子式。现代高分辨率质谱已能因此，

13、只要能足够精确地测出分子量，就能推断出分子式。现代高分辨率质谱已能精确到万分之一，误差仅为精确到万分之一，误差仅为0.0060.006。能够符合这一精度的，可能的分子式数目已。能够符合这一精度的，可能的分子式数目已经很少了。若再配合其它信息，就可从这少数的几个分子式中推断出合理的分子经很少了。若再配合其它信息，就可从这少数的几个分子式中推断出合理的分子式。式。例如：用高分辨率质谱仪测得试样例如：用高分辨率质谱仪测得试样M.+M.+为为150.1045150.1045，该化合物在，该化合物在IRIR光谱中有明显的羰光谱中有明显的羰基吸收峰，求其分子式。基吸收峰，求其分子式。解：若质谱仪的误差是解

14、：若质谱仪的误差是0.0060.006，那么分子量小数部分的范围是：，那么分子量小数部分的范围是：0.09850.09850.11050.1105，查贝农表，质量整数为查贝农表，质量整数为150150，小数部分在这一范围的可能分子式有，小数部分在这一范围的可能分子式有4 4个。个。8 (1) C3H12N5O2, 150.099093 (2) C5H14N2O3, 150.100435(1) C3H12N5O2, 150.099093 (2) C5H14N2O3, 150.100435 (3) C8H12N3, 150.103117 (4) C10H14O, 150.104459(3) C8H

15、12N3, 150.103117 (4) C10H14O, 150.104459 首先，根据首先，根据N N规律，排除规律，排除(1)(1)和和(3)(3)。 所谓所谓N N规律是指：当有机分子的分子量为偶数时，该分子中不含规律是指：当有机分子的分子量为偶数时，该分子中不含N N或含偶数个或含偶数个N N；当分子量为奇数时，分子中必含有奇数个；当分子量为奇数时，分子中必含有奇数个N N原子。原子。 再计算再计算(2)(2)和和(4)(4)的不饱和度。的不饱和度。=C+1=C+1(H(HN)/2 N)/2 UN(2)UN(2)5 51 10.50.5(14-2)(14-2)0 0 UN(4)UN

16、(4)10101 10.50.5(14)(14)4 4 由题义可知，分子中有一个羰基，说明至少有一个不饱和度。而由题义可知，分子中有一个羰基，说明至少有一个不饱和度。而(2)(2)的不饱和度为的不饱和度为0 0，也不合理。因此，只有，也不合理。因此，只有(4)(4)才是可能的分子才是可能的分子式。式。 2.2.同位素丰度法推断分子式同位素丰度法推断分子式 在自然界中，组成有机化合物的各种元素按其同位素特征可分为在自然界中，组成有机化合物的各种元素按其同位素特征可分为三类：三类： A A类元素：不含同位素的元素，如类元素：不含同位素的元素，如I I、F F、P P等，氢的同位素等，氢的同位素D

17、D含量含量很少很少(0.016%)(0.016%)，常可以忽略不计，也归为，常可以忽略不计，也归为A A类元素。类元素。 A A1 1类元素：类元素：C C、N N的同位素比普通的多一个中子，质量数多的同位素比普通的多一个中子，质量数多1 1，称为称为A A1 1类元素。类元素。 A A2 2类元素：类元素：O O、S S、SiSi、BrBr除了含质量数多除了含质量数多2 2的同位素外，的同位素外，9O O、S S、SiSi还含有质量数多还含有质量数多1 1的同位素。这些同位素在自然界中的相对丰度的同位素。这些同位素在自然界中的相对丰度都是是已知的。都是是已知的。因此，我们可以根据同位素的丰度

18、和质谱图中同位素峰的相对强度来推因此，我们可以根据同位素的丰度和质谱图中同位素峰的相对强度来推断分子式。断分子式。在质谱图中，同位素离子峰的强度取决于三个因素：在质谱图中，同位素离子峰的强度取决于三个因素：(1)(1)分子式，即分子由什么元素组成。分子式，即分子由什么元素组成。(2)(2)分子中具有同位素的原子的个数。分子中具有同位素的原子的个数。(3)(3)同位素的天然丰度。同位素的天然丰度。例如：例如：13C13C的天然丰度为的天然丰度为1.1%1.1%，那么，那么CH4CH4的的M M1(17)1(17)峰的相对强度是峰的相对强度是M.+(16)M.+(16)峰的峰的1.1%1.1%。而

19、乙烷的。而乙烷的M M1(31)1(31)峰的强度是峰的强度是M.+M.+（3030）峰的）峰的2.2%2.2%。由此可见，知道了化合物的分子式，就可计算出由此可见，知道了化合物的分子式，就可计算出M.+M.+，M M1 1，M M2 2峰的相峰的相对强度。对强度。反过来，如果在质谱图中测得了这些峰的相对强度，就可计算或推断出反过来，如果在质谱图中测得了这些峰的相对强度，就可计算或推断出分子式。分子式。10科学家贝农已根据公式计算出结果，并编制成表，称为贝农质谱数据表。科学家贝农已根据公式计算出结果，并编制成表，称为贝农质谱数据表。根据贝农数据表，再在质谱图中测得分子离子的质量和同位素峰的相对

20、根据贝农数据表，再在质谱图中测得分子离子的质量和同位素峰的相对强度，就可推测出分子式。强度，就可推测出分子式。如：有一化合物在质谱图上最大的质量区有三个峰，分别是：如：有一化合物在质谱图上最大的质量区有三个峰，分别是：132(M.+)100132(M.+)100，133(M+1)7.85133(M+1)7.85，134(M+2)0.26134(M+2)0.26，试推测其分子式。，试推测其分子式。解：查贝农表，质量数为解：查贝农表，质量数为132132，相对强度，相对强度M+1M+1峰在峰在7.857.85附近，附近，M+2M+2峰在峰在0.260.26附近的分子式有附近的分子式有4 4个：个：

21、则则N N规律，分子量为规律，分子量为132132时，前两个不合理，时，前两个不合理，在后两个中，在后两个中，C7H16C7H16的的M+1M+1和和M+2M+2峰的峰的相对强度与测定值接近，因此，该化合物相对强度与测定值接近，因此，该化合物的分子式为：的分子式为：C7H16C7H16。C6H14NC7H2NC7H16C8H4M+1M+27.090.227.890.287.820.268.710.3311质谱仪的组成质谱仪的组成进样系统进样系统离子源离子源质量分析器质量分析器检测器检测器1.气体扩散气体扩散2.直接进样直接进样3.色谱进样色谱进样1.电子轰击电子轰击2.化学电离化学电离3.场致

22、电离场致电离4.场解析场解析5.快原子轰击快原子轰击1.单聚焦单聚焦 2.双聚焦双聚焦 3.四级杆四级杆4.离子肼离子肼5.飞行时间飞行时间 1.电子倍增器电子倍增器 2.闪烁检测器闪烁检测器 3.法拉第杯法拉第杯4.照相检测照相检测p质谱仪质谱仪一般由进样进样系统统、离子源、质质量分析器、检测检测器和记录记录系统统等组组成，还还包括真真空系统统和自动动控制数数据处处理等辅辅助设备设备。12质量分析器质量分析器作用：将不同碎片按质荷比作用：将不同碎片按质荷比m/z分开。分开。质量分析器类型：磁分析器（单聚焦、双聚焦）、飞行时间、质量分析器类型：磁分析器（单聚焦、双聚焦）、飞行时间、四极滤质器（

23、四极杆）、离子阱、离子回旋共振等。四极滤质器（四极杆）、离子阱、离子回旋共振等。131. 单聚焦质量分析器单聚焦质量分析器依据离子在磁场的运动行为，将不同质量的离子分开依据离子在磁场的运动行为，将不同质量的离子分开进入分析器前，加速离子的动能为：进入分析器前，加速离子的动能为：zVmv 221HzvRmv2VrHzm222进入分析器后，在磁场进入分析器后，在磁场H作用下，改作圆周运动，只有离心力与作用下，改作圆周运动，只有离心力与向心力相等时，离子才能飞出弯曲区，即按曲线轨迹飞行。向心力相等时，离子才能飞出弯曲区，即按曲线轨迹飞行。f离离f向向 质谱方程式：质谱方程式：14方向聚焦：相同质方向

24、聚焦：相同质荷比，入射方向不荷比，入射方向不同的离子会聚；同的离子会聚；分辨率不高，适合分辨率不高，适合于能量分散较小的于能量分散较小的离子源。离子源。15单聚焦分析器：假定离子的初始能量为零。实际初始能量不单聚焦分析器：假定离子的初始能量为零。实际初始能量不为零且各不相同。具有相同质荷比的离子，其初始能量不同为零且各不相同。具有相同质荷比的离子，其初始能量不同通过质量分析器后也不能完全聚焦在一起。通过质量分析器后也不能完全聚焦在一起。离子能量分散对分辨率的影响离子能量分散对分辨率的影响 162. 双聚焦质量分析器双聚焦质量分析器为了消除离子能量分散对分辨率的影响，通常在扇型磁场前为了消除离子能量分散对分辨率的影响，通常在扇型磁场前附加一个扇型电场（静电分析器），进入电场的离子受到一附加一个扇型电场（静电分析器），进入电场的离子受到一个静电力的作用，改做圆周运动：个静电力的作用，改做圆周运动：e2RmEz EzmRe217双聚焦质量分析器双聚焦质量分析器将电场和磁场配合使用，当静电将电场和磁场配合使用，当静电分析器产生的能量色散和磁分析分析器产生的能量色散和磁分析器产生的能量色散，在数值上相器产生的能量色散，在数值上相等，方向上相反时，离子经过这等，方向上相反时，离子经过这两个分析器后，可以实现能量聚两个分析器后，可以实现