仪器分析第9章质谱分析法

1、第 9 章质谱分析法（MS）1 概述质谱法是通过将样品转化为运动的气态离子并按 质荷比 （M/Z） 大小进行分离并记录其信息的分析方法。分析对象：样品离子质谱不是光谱，而是带电离子的质量谱。根据质谱图提供的信息可以进行多种有机物及无机物的定性和定量分析、复杂化合物的结构分析、样品中各种同位素比的测定及固体表面的结构和组成分析等1.1 分类1 有机质谱仪：1）气相色谱-质谱联用仪2）液相色谱-质谱联用仪3）其他质谱仪:傅立叶变换质谱仪、基质辅助激光解吸-飞行时间变质谱仪2 无机质谱仪：ICP-MS3 同位素质谱仪：轻元素同位素，重元素同位素4 气体分析质谱仪1.2 质谱分析基本术语1.2.1 质

2、量数和质量范围在质谱分析中，被测定的分子和原子都是以离子形式记录的，如果离子只带一个电荷，则离子的质荷比在数值上就等于它的质量数质谱仪的质量范围是指仪器所能测量的离子质荷比范围气体分析用质谱仪的质量范围一般从2 100，而有机质谱仪的质量范围一般从几十到几千，如果离子带的电荷增多，则，质量范围也增大。1.2.2 分辨率：表示仪器分开两个相邻质量数离子的能力对两个相等强度的相邻峰，当两峰间的峰谷不大于其峰高的10 时，可认为此两峰已经分开（图 9-6 ） ， 这时， 仪器的分辨率R 用下式计算1.2.3 灵敏度：灵敏度对于不同用途的质谱仪有不同的表示方法有机质谱常用绝对灵敏度，无机质谱常用相对灵

3、敏度，而同位素分析质谱常用丰度灵敏度。绝对灵敏度是指仪器能检测的最小样品量目前，有机质谱仪灵敏度可优于 10 -10g相对灵敏度：仪器可以同时检测的大组分与小组分含量之比分析灵敏度：输入仪器的样品量和输出仪器的信号之比1.3 质谱基本原理：加速电场中所获得的势能转化为动能：Vz=v2在磁场中运动，向心力等于离心力：Hzv=联立上述两式，可得：质核比：，运动半径R： R2=加速电压V，磁场强度H，离子电荷z，离子速度v，离子质量m， R 离子运动半径（ 1 ） 固定 H 、 V，改变R： 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（ 2 ）固定R ，连续改变H 、 V。 在一定

4、磁感应强度B 下，改变加速电压V 可以使不同离子先后通过检测器，实现质量扫描，得到质谱。2 质谱仪器质谱仪质谱分析的一般过程：通过合适的进样装置将样品引入并进行气化，气化后的样品进入离子源进行电离，电离后的离子经过适当加速后进入质量分析器，按不同质核比进行分离，然后到达检测系统，将生成的离子流变成放大的电信号，并按照对应的质核比记录下来。2.1 进样系统进样系统一般由管道、阀门、压力表、样品贮存器和漏口组成它适用于室温下气体或易挥发液体样品的分析有机质谱仪常与色谱仪联用色谱仪是质谱仪的进样系统， 由色谱柱流出的样品经喷射式分子分离装置将载气分离后进入质谱仪用于无机物分析的质谱仪，没有专门的进样

5、系统，一般是把要分析的样品制成电极，置于离子源中，靠高频高压使它电离2.2 离子源：用于产生离子的装置（把样品分子或原子电离成离子）主要有电子电离源、化学电离源、火花电离源和高频火花源等2.2.1 电子电离源EI样品收到电子的轰击，成为正离子，后收到加速电场的加速作用，射向质量分析器。电子的能量可以调节分子离子以及碎片离子的形成电子电离源的特点： 电离电压：70eV 加一小磁场增加电离几率。 EI 源碎片离子多，结构信息丰富，有标准化合物质谱库（20 多万个谱图） 样品在气态下电离，不能汽化的样品不能分析，主要用于气-质联用仪。 有些样品得不到分子离子。 适用于分子量低于1000 的样品。2.

6、2.2 化学电离源CI通过分子-离子的反应使得样品电离，需要反应气，常用的反应气有甲烷、氢、氦、CO 、 NO 等。步骤： 反应气电离生成一级离子，一级离子与反应气作用生成二级离子， 以上的橙色框中的两个活性离子与反应气反应，生成准分子离子。准分子离子指的是获得或者失去一个H 的分子离子。反应气和样品共同决定产物的形式2.3.1 单聚焦分析器(single focusing mass analyzer)适用： 高相对分子质量、不稳定化合物 特点： 谱图简单、高灵敏度、碎片少、可提供的信息少。2.2.3 电喷雾电离源ESI结构：喷嘴(金属毛细管)，雾化气，干燥气(curtaingas)原理：喷雾

7、蒸发电压离子在电压差和压力差的驱使下向下游移动电喷雾源(ESI) 的特点： 电喷雾源属软电离技术，只产生分子离子，不产生碎片离子。 产生的离子常常带有多电荷，尤其是生物大分子。 适用于强极性，大分子量的样品分析。如肽，蛋白质，糖等。 主要用于液相色谱-质谱联用仪。2.2.4 基质辅助激光解吸电离MALDI ：组成：脉冲激光器，样品靶过程：被分析的样品置于涂有基质的样品靶上，激光照射到样品靶上，基质分子吸收并传递激光能量，与样品分子一起蒸发到气相，并使样品分子电离。适用范围：MALDI 适合生物大分子，如肽、蛋白质、核酸等。得到的质谱主要是分子离子。常用的基质：2， 5 二羟基苯甲酸，芥子酸，烟

8、酸，肉桂酸等。2.3 质量分析器：离子按质核比大小分开。不同质量的离子可通过改变磁场强度或A,B 间的加速电压使之依次通过出口狭缝。 结构： 扇形磁场可以是180 /90 /60 等只有 E 动 =e的离子才能出来，实现了能量聚焦 原理见 1.3 ： 质核比：，运动半径R ： R2= 特点： 结构简单，操作方便，分辨率低磁场对能量质量相同而进入磁场时方向不同的离子还起着方向聚焦的 作用 局限： 对于有着不同初速度的离子，可能存在质核比不同，而偏离半径一致2.3.2 双聚焦分析器(double focusing mass analyzer) ：同时实现方向聚焦和能量(速度)聚焦克服单聚焦分析器中

9、，即使是m/e 相同的离子，因初始能量不同而不能全部聚焦在一起的缺点，从而使仪器的分辨率显著提高结构：加入一个静电场。磁场、电场任意顺序组合2mv1 2eE = eV = mvRe ,22V mv2Re =e E Ee特点：分辨率高(>150,000)2.3.3 四极杆分析器(quadrupole analyzer)结构 :四根棒状电极，相对的两个电极相连，形成四极场1， 3 棒：+(Vdc+Vrf)； 2， 4棒：-(Vdc+Vrf)x/y 方向上存在交变电场，离子进行震荡运动特点： 扫描速度快，灵敏度高。适用于GC-MS原理： 在一定的VdcVrf下 ， 只有一定质量的离子可通过四极

10、场，到达检测器，其他质量的离子碰到四极杆被吸收， (只有振幅小于一定值才能通过) 在另外的VdcVrf下可接收到另外质量的离子。在一定的 ( Vdc/Vrf)下，连续改变Vrf或Vdc可实现质量扫描2.3.4 飞行时间分析器(time-of-flightanalyzer)正离子在电场作用下被加速，所有离子同时飞越长度为L 的无场空间，先后到达检测器，离子在无场的空间漂移的时候，不同质量的离子运LV,L 不变时，t 由 m/e 决定一般，1-30 s，质量大t 大动的速度不同，经过同一距离之后到达收集器的时间不同。2.4.1 电子倍增器2.4.2 光子倍增器2.4.3 法拉第杯2.4.4 阵列检

11、测器3 质谱解析3.1 质谱中的离子3.1.1 分子离子分子离子：一个分子失去外层价电子而形成的带正电荷的离子称为分子离子或者母离子。表示方法：角标或者【】表示结构复杂，或者正电荷的位置未知双键或环状结构、有机酸、醇等的分子离子峰强度大分子离子峰的判断 一般在质谱的最右端 有合理的质量丢失，与其他峰之间的质量差是不是合理（ 丢失的质量数不应为4-14;20-25 ； 37； 38； 5053 ； 65； 66） 分子量符合氮规则：N 的个数为奇数，分子量为奇数；N 的个数为0,2,4 等偶数，分子量为偶数 分子离子峰的强弱甚至消失，决定于分子离子的稳定性芳香族共轭烯烃酯环化合物烯烃直链烷烃硫醇

12、酮 胺 酯 醚 酸 支链烷烃腈 伯醇叔醇缩醛 醇的质谱经常看到相差三的峰： M-CH 3;M-H 2 03.1.2 碎片离子 EIa） 自由基引发的断裂b)c)d)烯烃和芳烃的键断裂正电荷 引发的 i 断裂i 与比较：醚分支处易断裂、易丢失最大烷基e) 环烯的断裂 Retro-Diels-Alder 反应3.1.3 同位素离子：质量数大于分子离子同位素峰的强度取决于同位素的种类和丰度；根据同位素峰强度比可以估计该元素的个数。(a+ b)n规则， a 轻同位素丰度，b 重同位素丰度，同位素元素的个12C 和 13C： 100:1.1一个峰：(100+1.1) 1；强度比：( M+1 ) /M=1

13、.1/100两个峰：(100+1.1) 2=1002+2× 100× 1.1+1.12M*M (M+1)*M(M+1)*(M+1)M 峰 M+1 峰 M+2 峰35Cl 和 37Cl： 100:32.5 3:1两个峰： ( 3+1 ) 2=3*3+1*3+3*1+1*1M 峰 9 : M+2 峰 6: M+4 峰 13.1.4 重排离子麦氏重排 （Mclafferty）具有氢原子的醛、酮、羧酸、酯、烯烃、侧链芳烃等化合物，经过六元环的空间排列的过渡态， 氢原子重排转移到带正电荷的杂原子上接着发生烯丙型开裂 ，并脱去一个中性分子。通常形成的为C2H2n（ 14n）条件：（ 1

14、 ）含有C=X,X=O,N,S,C（ 2 ）含有H 原子举例：正丁醛：OCHCH 2CH2CH2 HHOHCH 2HC CH2CH2OCH22CCH2HCH 2m/z= 443.2 常见有机化合物的质谱3.2.1 烃类A、直 链烷烃M 强度随着分子质量的增加而减弱，到C40 时已接近零。M-15 峰极弱或观察不到（不易失去甲基）m/z =43,57 呈现 CnH2n+1 系列碎片离子峰，同位素峰 主要峰都间隔14 质量单位。C3， C4 的碎片出现几率大；B、支 链烷烃 支链烷烃的M 更弱 支链处容易断裂，产生的仲或叔碳正离子，碎片离子强度大，可以用来推测烷烃中支链所在的位置。C、环烷烃易发生

15、断裂，得到环的碎片CnH2n-1开环时候常常失去乙烯，形成28， 29， M-28,M-29 峰D 、烯烃 双键能失去一个电子稳定正电荷，分子离子峰较为明显 易发生键断裂 （C -C键断裂），出现 CnH2n-1（ 41+14n ）烯烃特征峰 可发生麦氏重排产生离子峰CnH2n（ 42+14n ）E、 芳 烃 易发生键断裂 （C -C键断裂），生成m/Z=91 的C7H7+， C5H5+（ m/Z=65 ） ， C3H3+（ m/Z=38 ） CnHm:38,39,50-22,63-65,75-78 发生麦氏重排生成m/Z=92 的 C7H8+3.2.2 醇和酚A. 醇M-18 继续失去C2H4, 从而形成M-46 峰B. 酚最重要的开裂过程，丢失CO 和 CHO, 形成 M-28,M-29 峰苯酚本省M-1 峰不强烈，但是甲酚、苯甲醇的M-1 峰强烈。3.2.3 醛和酮脂肪醛和芳香醛均有分子离子峰，芳香醛的比较强烈，脂肪醛的在C4 之后下降开裂，强的M-1 峰， M-29 峰。相对分子质量增加，M-29 占优势 长链脂肪醛麦氏重排，44， 58， 72， 86 等系列峰 酮类先丢失较大的烷基，43 ， 57， 71 ， 853.2.4 酯和酸分子离子峰弱最重要的开裂是麦