有机质谱分析法

1、中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division Analytical Research Division 有机质谱分析法 张颖2009-08-07 燕山中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 目 录v概述v质谱仪结构v质谱联用技术v质谱仪性能指标v谱图解析v有机质谱在石化领域的应用v北化院分析室简介中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院

2、 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 概述中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 质 谱 质谱是应用最为广泛的分析方法之一，它可以为我们提供以下信息：a)a)样品元素组成；b)b)无机、有机及生物分子的结构-结构不 同，分子或原子碎片不同( (质荷比不同) )；c)c)复杂混合物的定性定量分析-与色谱方法 联用；d)d)固体表面结构和组成分析-激光刻蚀电感耦合等离子体质谱联用；中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司

3、北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 质谱发展历史v4040年代初年代初：开始将质谱用于石油工业中烃的分析，并大大缩短了分析时间。v5050年代初年代初：质谱仪器开始商品化，并广泛用于各类有机物的结构分析。同时质谱方法与NMRNMR、IRIR等方法结合成为分子结构分析的最有效的手段。v8080年代：非挥发性或热不稳定分子的分析进一步促进了MSMS的发展。v9090年代：由于生物分析的需要，一些新的离子化方法得到快速发展。v目前一些仪器联用技术如GC-MSGC-MS，HPLC-MSHPLC-MS，GC-GC-MS-MSMS-MS，ICP-M

4、SICP-MS等得到广泛应用中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 质谱分析原理v质谱分析法是通过将样品转化为运动的离子并按质荷比（m/z）大小进行分离记录的分析方法v被分析的样品首先要离子化，然后经加速进入电磁场中，其动能与加速电压U及电荷Z有关，即：ZeU=1/2mv2 m为离子的质量，v 为离子被加速后的运动速度。具有速度v的带电粒子进入质谱分析器的电磁场中，根据所选择的分离方式，最终实现各种离子按m/z进行分离。中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公

5、司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 质谱仪分类 v有机质谱仪v无机质谱仪l感应耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）l二次离子质谱仪（SIMS）v同位素质谱仪中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 有机质谱仪分类v气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）:由于质谱仪工作原理不同，又有气相色谱-四极质谱仪，气相色谱-飞行时间质谱仪，气相色谱-离子阱质谱仪等。v液相色谱-质谱联用仪（LC-MS）：有液相色谱-四极杆质谱仪，液相色谱-离

6、子阱质谱仪，液相色谱-飞行时间质谱仪。v其他有机质谱仪，主要有：各种串联质谱仪，基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪（MALDI-TOFMS） ,富立叶变换质谱仪（FT-MS）中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 质谱图v横坐标为离子的质荷比，纵坐标为离子相对强度或相对丰度。谱图的概貌和低质量峰能给出化合物类型的一般特征，而在形成高质量峰时丢失的中性碎片，能提供特定结构特征的信息。中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Ana

7、lytical Research Division 质谱术语基峰:谱中最高的峰 RI 100质荷比: m / z , z = 1, z = 2;M 的计算：组成离子的各元素同位素的质子和中子之和精密质量: 精密质量的计算基于天然丰度最大的 同位素的精确原子量 如：1H 1.007825 、 12C 12.000000 14N 14.003074 、 16O 15.994915 精确度与质谱计的分辨率有关 中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 质谱仪结构中国石油化工股份有限公司北

8、京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 质谱仪构成真空系统进样系统进样系统检测器检测器数据系统数据系统质量分质量分析器析器离子源离子源大气大气中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 离子源离子源质量分析器质量分析器数据系统数据系统离子检测器离子检测器真空系统真空系统进样系统进样系统电子电离电子电离 EI化学电离化学电离 CI场解吸场解吸 FD(FI)快原子轰击快原子轰击 FAB(LSIMS)

9、热喷雾热喷雾 TS粒子束粒子束 BP电喷雾电喷雾 ESI大气压化学电离大气压化学电离 APCI基质辅助激光解吸电离基质辅助激光解吸电离 MALDI倍增器倍增器 SEM微通道板微通道板 MCP GCLC直接进样杆直接进样杆四极四极杆杆 Q Quadrupole四极离子阱四极离子阱 IT 扇形场扇形场 Sector飞行时间飞行时间管管 TOF-MS离子回旋共振离子回旋共振池池 ICR-MS机械泵、分子涡轮泵机械泵、分子涡轮泵 10-3-10-7mPa中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Divisi

10、on 离子源（Ion source） v离子源的作用是将欲分析样品电离，得到带有样品信息的离子。 v主要的离子源包括： 电子电离源(Electron Ionization， EI) 化学电离源(Chemical Ionization，CI ) 快原子轰击源（Fast Atom Bombardment， FAB） 电喷雾源(Electrospray Ionization，ESI) 大气压化学电离源(Atmospheric Pressure Chemical Ionization ，APCI)中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Anal

11、ytical Research Division 电子电离源（EI）工作原理v由GC或直接进样杆进入的样品，经加热汽化以气体形式进入离子源，由灯丝发出的电子与样品分子发生碰撞使样品分子电离 。v在50-70ev电子碰撞作用下,有机物分子可能被打掉一个电子形成分子离子，也可能会发生化学键的断裂形成碎片离子。+: R1: R2: R3: R4: e+中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division EI源质谱图v由分子离子可以确定化合物分子量,由碎片离子可以得到化合物结构的信息 甲苯二异氰酸酯

12、质谱图中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 四种形成离子的不同途径v样品分子被打掉一个电子形成分子离子v分子离子进一步发生化学键断裂形成碎片离子v分子离子发生结构重排形成重排离子。v通过分子离子反应生成加合离子。v此外，还有同位素离子。这样，一个样品分子可以产生很多带有结构信息的离子，对这些离子进行质量分析和检测，可以得到具有样品信息的质谱图。 中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Researc

13、h Division 电子电离源特点 v发展最成熟、应用最为广泛的离子源， 主要用于挥发性样品的电离。 v优点:工作稳定可靠，结构信息丰富， 灵敏度高，能检测纳克(ng)级样品，有约30万张标准质谱图可以检索。v缺点:只适用于易汽化的有机物样品分析，有些化合物的分子离子不出现或很弱 。 中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 化学电离源（CI）工作原理vCI源结构同EI，一般仪器EI和CI可以互相切换v工作过程中要引进一种反应气体。反应气体可以是甲烷、异丁烷、氨等。反应气的量比样

14、品气要大得多。v灯丝发出的电子首先将反应气电离，然后反应气离子与样品分子进行离子-分子反应，并使样品气电离。 中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 化学电离源特点v一种软电离方式，有些用EI方式得不到分子离子的样品，改用CI后可以得到准分子离子，因而可以求得分子量。vCI源一般都有正CI和负CI，可以根据样品情况进行选择。对于含有很强的吸电子基团的化合物，检测负离子的灵敏度远高于正离子的灵敏度，因此，有机酸、醇或含卤素化合物用负离子 CI 有利；含氨基化合物用正离子 CI 有利

15、。v没有谱库可检索中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 邻苯二甲酸二辛酯的EI和CI质谱图中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 合成产物负CI质谱图中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 快原子轰击源（FAB）工作原理v氩气在电离室依靠放电产生氩离

16、子，高能氩离子经电荷交换得到高能氩原子流，氩原子打在样品上产生样品离子。v样品置于涂有底物（如甘油）的靶上。靶材为铜，原子氩打在样品上使其电离后进入真空，并在电场作用下进入分析器。中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division FAB源特点v适合分析大分子量、难气化、热稳定性差的样品。例如肽类、低聚糖、天然抗生素、有机金属络合物等。vFAB源得到的质谱不仅有较强的准分子离子峰，而且有较丰富的结构信息。但是，它与EI源得到的质谱图很不相同。其一是它的分子量信息不是分子离子峰M，而往往是（M

17、+H）+或（M+Na）+等准分子离子峰；其二是碎片峰比EI谱要少。中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 电喷雾源（ESI）结构：喷嘴（金属毛细管），雾化气，干燥气原理：喷雾 蒸发 电压中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division v主要部件是一个多层套管组成的电喷雾喷咀。最内层是液相色谱流出物，外层是喷射气，喷射气常采用大流量的氮气，其作用是使喷出的液体容易分散成微滴。

18、另外，在喷嘴的斜前方还有一个补助气喷咀，补助气的作用是使微滴的溶剂快速蒸发。在微滴蒸发过程中表面电荷密度逐渐增大，当增大到某个临界值时，离子就可以从表面蒸发出来。离子产生后，借助于喷咀与锥孔之间的电压，穿过取样孔进入分析器 。电喷雾源工作原理中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 电喷雾源特点v一种软电离方式，一般只产生分子离子，不产生碎片离子。v与液相色谱联用或蠕动泵直接进样v可以分析不挥发和热不稳定化合物v应用范围非常广泛，即可分析分子量范围从300-1000的小分子化合物，

19、也可分析生物大分子v电喷雾电离源的最大特点是容易形成多电荷离子，而且所带的电荷数目随分子量的增加而增加。这样，一个分子量为10000Da的分子若带有10个电荷，则其质荷比只有1000Da，进入了一般质谱仪可以分析的范围之内。根据这一特点，目前采用电喷雾电离，可以测量分子量在300000Da以上的蛋白质。中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 溶剂的选择v常用溶剂有:水、甲醇、乙腈、各种比例混合液v其它适用溶剂还有:乙醇、异丙醇、丁醇、二氯甲烷、 二氯甲烷/甲醇混合液、四氢呋喃、丙

20、酮、DMSO*、DMF* (* 沸点较高)等v不适合溶剂有: 烃类、芳香族化合物以及其他非极性溶剂v水的纯度：电导率 18 M/cm3(多肽、蛋白质等分析，不希望有钠、钾加合离子)中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 如何选择正离子方式或负离子方式?v碱性化合物(-NH2) (M+H)+ 碱性化合物适宜选择正离子方式进行分析 用有机酸调整pH值，如：甲酸或乙酸v酸性化合物(-CO2H, -OH) (M-H)- 酸性化合物适宜选择负离子方式进行分析 用碱调整pH值，如：氢氧化铵/

21、氨水中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division ESI-MS观察到的各种离子v单电荷离子形成质子加和物M+H+，阳离子加和物M+Na+， M+K+或M+NH4+化合物失去一个质子可形成带负电的M-H-样品浓度高时会产生二聚离子，如2M+H+， 2M+Na+中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division ESI-MS观察到的各种离子v多电荷离子vESI质谱极具魅力的特点之一就是能

22、够形成多电荷离子,如M+nHn+、 M+nNan+、 M-nHn-，并且所带的电荷数目随着分子量的增加而增加。v多电荷离子降低了 m/z ,用四极杆，离子阱质谱仪可测定大分子v多电荷离子的分布状况和溶液的条件、ESI离子源参数有关。v需要通过解联立方程才能由低分辨质谱图解得分子量和电荷数中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 小分子 ESI-MS 单电荷离子羟基亚乙基二膦酸（HEDP）相对分子质量 206 M-H+ 2M-H + 3M-H + 中国石油化工股份有限公司北京化工研究

23、院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 大分子 ESI-MS 还原谱还原谱ESI ESI 多电荷谱多电荷谱M+nn= 1186.9M+n 1n 1= 1285.7M 为分子量为分子量15416.3 (M)蛋白质蛋白质中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 大气压化学电离源（APCI) v主要用来分析中等极性的化合物v有些分析物由于结构和极性方面的原因，用ESI不能产生足够强的离子，可以采用APCI方式

24、增加离子产率，可以认为APCI是ESI的补充。vAPCI主要产生的是单电荷离子，所以分析的化合物分子量一般小于1000Da。用这种电离源得到的质谱很少有碎片离子，主要是准分子离子。 中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division ElectrosprayAPCINon-PolarPolar100,000Molecular Weight1000EI/CI选择哪种离子源?中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical R

25、esearch Division 不同电离方式产生碎片的数量APCI/ESICIEISoftIonisationHardNo FragmentsFragments中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 质量分析器(Mass analyzer) v质量分析器的作用是将离子源产生的离子按m/z顺序分开并排列成谱v有机质谱仪的质量分析器主要有:v磁式双聚焦分析器v四极杆分析器v离子阱分析器v飞行时间分析器v回旋共振分析器 中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北

26、京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 磁式双聚焦分析器double focusing analyzer通过电场和磁场的变化收集离子。由电场和磁场共同实现质量分离的分析器，同时具有方向聚焦和能量聚焦作用，叫双聚焦质量分析器 特点：分辨率高，缺点是扫描速度慢，操作、调整比较困难,而且仪器造价也比较昂贵。 能量色散 质量相同而能量不同的离子束 聚焦离子束中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 四极杆分析器Quadrupole ana

27、lyzerv由四根棒状电极组成, 通过改变穿过四极杆的DC/RF电压进行离子扫描+中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 四极杆分析器特点v分辨率比磁分析器低(max.2000); m/z范围与磁分析器相当；传输效率较高；扫描速度快，可用于GC-MS 联用仪。v当样品量很少，而且样品中特征离子已知时，可以采用选择离子监测（select ion monitoring SIM）。这种扫描方式灵敏度高，而且，通过选择适当的离子使干扰组份不被采集，可以消除组分间的干扰。SIM适合于定量分

28、析。中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 离子阱质量分析器 Ion Trapv上下端罩与左右环电极构成可变电场带电离子在一定轨道上旋转改变电压可使相同m/z离子依次离开并进入电子倍增器而分离。v特点：结构简单、易于操作、灵敏度高，而且还有多级质谱功能。可用于GC-MS，LC-MS分析 中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 飞行时间质量分析器Time of fli

29、ght analyzerv飞行时间质量分析器的主要部分是一个离子漂移管。离子在漂移管中飞行的时间与离子质量的平方根成正比。对于能量相同的离子，离子的质量越大，达到接收器所用的时间越长，质量越小，所用时间越短，根据这一原理，可以把不同质量的离子分开。适当增加漂移管的长度可以增加分辨率。 +中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 飞行时间质量分析器特点v质量范围宽，扫描速度快，既不需电场也不需磁场v体积小，操作容易；可用于研究快速反应或与GC联用 v分辨率可达20000以上，最高可检

30、质量超过300000Da，并且具有很高的灵敏度。v目前，这种分析器已广泛应用于气相色谱-质谱联用仪，液相色谱-质谱联用仪和基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪中。 中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 傅立叶变换离子回旋共振分析器Fourier transform ion cyclotron resonance analyzer, FTICR v分辨率极高，商品仪器的分辨可超过1106，而且在高分辨率下不影响灵敏度。同时，FT-MS的测量精度非常好，能达到百万分之几，这对于得到离子的

31、元素组成是非常重要的。v分析灵敏度高v具有多级质谱功能v可以和任何离子源相联，扩宽了仪器功能。 v扫描速度快，性能稳定可靠，质量范围宽vFT-MS由于需要很高的超导磁场，因而需要液氦，仪器售价和运行费用都比较贵。 中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 检测器v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。v由四极杆出来的离子打到高能打拿极产生电子，电子经电子倍增器产生电信号，记录不同离子的信号即得质谱。信号增益与倍增器电压有关，提高倍增器电压可以提高灵敏度，但同时会降低

32、倍增器的寿命。由倍增器出来的电信号被送入计算机储存，这些信号经计算机处理后可以得到色谱图，质谱图及其它各种信息。 中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 真空系统(Vacuum system) v为保证离子在离子源和分析器正常运行，消减不必要的离子碰撞，散射效应，复合反应和离子-分子反应，减小本底与记忆效应，质谱仪的离子源和分析器都必须处在优于10-5 mbar的真空中才能工作。v真空系统由机械真空泵和扩散泵或涡轮分子泵组成。中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份

33、有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 进样系统v直接进样系统:分析高沸点的纯样品 v色谱进样系统包括：vGC-MS：分析低沸点的混合化合物vLC-MS：分析极性、难挥发的混合化合物vPyGC-MS：分析高分子化合物中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 小 结v一个有机化合物样品，根据其基本性质和分析要求不同，可以选择不同的进样方式进样，选用不同的电离方式使其离子化,再由质量分析器按离子的m/z将离子分开并按一定顺序

34、排列成谱,经检测器检测即得到样品的质谱。v质谱图的横坐标是质荷比m/z ，纵坐标是各离子的相对强度。通常把最强的离子的强度定为100，称为基峰。其他离子的强度以基峰为标准来决定。对于一定的化合物，各离子间的相对强度是一定的，因此，质谱具有化合物的结构特征。 中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 质谱联用技术质谱联用技术中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 简 述

35、v质谱仪是一种很好的定性鉴定用仪器，对混合物的分析无能为力。v色谱仪是一种很好的分离用仪器，但定性能力很差。保留值，选择性检测器v二者结合起来，则能发挥各自专长，使分离和鉴定同时进行。GC+MS分离技术定性技术结合中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division v早在20世纪60年代就出现了早期的气相色谱-质谱联用仪，在70年代末，这种联用仪器已经达到很高的水平。在80年代后期，大气压电离技术的出现，使液相色谱-质谱联用仪水平提高到一个新的阶段。v为了增加未知物分析的结构信息，为了增加分

36、析的选择性，采用串联质谱法（质谱-质谱联用），也是目前质谱仪发展的一个方向。中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 气相色谱-质谱联用仪(Gas chromatography-Mass spectrometer, GC-MS) vGC-MS主要由三部分组成：气相色谱部分、质谱部分和数据处理系统。v色谱部分包括有柱箱、汽化室和载气系统，也带有分流/不分流进样系统，程序升温系统、压力、流量自动控制系统等，一般不再有色谱检测器，而是利用质谱仪作为色谱的检测器。在色谱部分，混合样品在合适

37、的色谱条件下被分离成单个组分，然后进入质谱仪进行鉴定。 中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division GC-MS GC-MS 仪器构成仪器构成vGC-MS的质谱仪部分可以是磁式质谱仪、四极质谱仪，也可以是飞行时间质谱仪和离子阱。目前使用最多的是四极质谱仪。离子源主要是EI源和CI源。vGC-MS的另外一个组成部分是计算机系统。GC-MS的主要操作都由计算机控制进行，这些操作包括利用标准样品校准质谱仪，设置色谱和质谱的工作条件，数据的收集和处理以及库检索等。vGC-MS的数据系统可以有几

38、套数据库，主要有NIST库，农药库，毒品库 。目前色质联用仪的数据库中，一般贮存有近30万个化合物的标准质谱图。中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 样品的GC-MS分析过程v一个混合物样品进入色谱仪后，在合适的色谱条件下，被分离成单一组成并逐一进入质谱仪，经离子源电离得到具有样品信息的离子，再经分析器、检测器即得每个化合物的质谱。这些信息都由计算机储存，根据需要，可以得到混合物的色谱图、单一组分的质谱图和质谱的检索结果等。根据色谱图还可以进行定量分析。 中国石油化工股份有限公

39、司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 总离子流图（TIC）v计算机系统将每次扫描所得质谱峰的离子流全部加和，以总离子流输出，称为总离子流色谱图或质量色谱图。横坐标为保留时间，纵坐标为相对强度通过峰面积归一，可计算各组分相对百分含量石脑油中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 定性分析v每个峰表示样品的一个组份,由每个峰可以得到相应化合物的质谱图；vGC-MS最主要的定性方式是库检索，特

40、殊的需要谱图解析。v检索结果，可以给出几种最可能的化合物。包括化合物名称、分子式、分子量及可靠程度等。样品质谱图标准质谱图中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 定量分析u由GC-MS得到的总离子色谱图与一般色谱仪得到的色谱图基本上是一样的。只要所用色谱柱相同,样品出峰顺序就相同。峰面积和该组份含量成正比。其差别在于，总离子色谱图所用的检测器是质谱仪,而一般色谱图所用的检测器是氢焰、热导等，两种色谱图中各成分的校正因子不同。 u若对某一组份进行定量测定，可以采用色谱分析法中的归一

41、化法、外标法、内标法等不同方法进行。中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 选择离子监测（select ion monitoring ，SIM）v选择离子监测是对选定的离子进行跳跃式扫描。采用这种扫描方式可以提高检测灵敏度,因此适用于量少且不易得到的样品分析。v选择离子方式不仅灵敏度高，而且选择性好，在很多干扰离子存在时，利用正常扫描方式得到的信号可能很小，噪音可能很大，但用选择离子扫描方式，只选择特征离子，噪音会变得很小，信噪比大大提高。在对复杂体系中某一微量成分进行定量分析时

42、，常常采用选择离子扫描方式。由于选择离子扫描不能得到样品的全谱。因此,这种谱图不能进行库检索。中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division LC-MS联用仪主要由高效液相色谱，接口装置（同时也是电离源），质谱仪，数据系统组成。液相色谱-质谱联用仪(Liquid chromatography Mass spectrometer，LC-MS)中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Divisi

43、on 液相色谱-质谱联用仪v接口装置的主要作用是去除溶剂并使样品离子化。v作为LC-MS联用仪的质量分析器种类很多，最常用的是四极杆分析器，其次是离子阱分析器和飞行时间分析器。v因为LC-MS主要提供分子量信息，为了增加结构信息，LC-MS大多采用具有串联质谱功能的质量分析器。中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 串联质谱法(Tandem Mass spectrometry) v20世纪80年代以后出现了很多软电离技术，如ESI、APCI、FAB、MALDI等，基本上都只有准分

44、子离子，没有结构信息，因此需要串联质谱法得到结构信息。v串联质谱必须有碰撞活化室，从第一级MS分离出来的特定离子，经过碰撞活化后，再经过第二级MS进行质量分析，以便取得更多的信息。 中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 三级四极质谱仪 v有三组四极杆，第一组四级杆用于质量分离(MS1)，第二组四极杆用于碰撞活化(CAD),第三组四极杆用于质量分离(MS2)MS1MS2碰撞活化室中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室An

45、alytical Research Division 三级四极质谱仪四种MS-MS工作方式v子离子扫描方式:由MSI选定一个母离子，CAD碎裂之后，由MS2扫描得子离子谱。v母离子扫描方式:由MS2选定一个子离子，MS1扫描，检测器得到的是能产生选定子离子的那些离子，即母离子谱。v中性丢失谱扫描方式:MS1和MS2同时扫描。只是二者始终保持一定固定的质量差(即中性丢失质量)，只有满足相差-固定质量的离子才得到检测。v多离子反应监测方式多离子反应监测方式:由MS1选择一个或几个特定离子，经碰撞碎裂之后,由其子离子中选出一特定离子，只有同时满足MS1和MS2选定的一对离子时,才有信号产生。用这种扫

46、描方式的好处是增加了选择性，即便是两个质量相同的离子同时通过了MS1，但仍可以依靠其子离子的不同将其分开。这种方式非常适合于从很多复杂的体系中选择某特定质量,经常用于痕量分析。 中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 四极杆（Q）-飞行时间（TOF）串联质谱四极杆四极杆碰撞室碰撞室飞行时间飞行时间中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 不同碰撞电压下得到的质谱图ES

47、I-MSESI-MS-MSClClH2NCHOHCH2NHC(Me)3中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 热裂解气相色谱热裂解气相色谱- -质谱联用技术质谱联用技术（Py-GC/MS）v裂解色谱-质谱是研究分析高聚物的重要手段，它能将不挥发的分子加热分解成易挥发的较小分子,通过气相色谱系统得到有效分离,采用质谱鉴定具有特征性的裂解碎片。这一特点对研究不溶不熔的高分子化合物极为有利，通过不同条件下高分子化合物的热分解产物来推断高分子各链段和交联键的结构，研究其结构性能的关系，成

48、为高分子热裂解研究的重要方面。v这种技术可以应用在许多不同的领域，例如：涂料，橡胶，高聚物的热特征和纤维的交织状况。中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 裂解器裂解器v样品直接进到加热炉中迅速裂解v一般裂解器可升温到800-900v裂解器分类-管式炉裂解器-居里点裂解器-激光裂解器中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 质谱仪性能指标质谱仪性能指标中国石油化工股份

49、有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 质量范围v质量范围是质谱仪所能测定的离子质荷比的范围。对于多数离子源，电离得到的离子为单电荷离子。这样，质量范围实际上就是可以测定的分子量范围；对于电喷雾源，由于形成的离子带有多电荷，尽管质量范围只有几千，但可以测定的分子量可达10万以上。v质量范围的大小取决于质量分析器。四极杆分析器的质量范围上限一般在1000左右，也有的可达3000，而飞行时间质量分析器可达几十万。由于质量分离的原理不同，不同的分析器有不同的质量范围。彼此间比较没任何意义。同类型分析器

50、则在一定程度上反映质谱仪的性能。 中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 分辨率v质谱仪分开相邻两离子质量的能力 中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 什么是高分辨率？ *低分辨 *高分辨 中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 质量精度v质量测定的

51、精确程度v质量精度是高分辨质谱仪的一项重要指标 True mass = 400.0000 Measured mass = 400.0020 Difference= 0.0020 0.002ppm error = - = 5 x 10-6 = 5 ppm 400中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 灵敏度v 在质谱分析中，灵敏度用信噪比来表示,即信号强度与噪声强度的比值。v 例如:GC-MS灵敏度测定,通过GC进标准测试样品八氟萘 1pg，用八氟萘的分子离子 m/z272做质量色

52、谱图并测定信噪比，如果信噪比为20，则该仪器的灵敏度可表示为1pg八氟萘（信噪比20:1）。 LC-MS的灵敏度测定常采用利血平作为测试样品 ，配置一定浓度的利血平（如10pg/l），通过LC进一定量样品，全扫描，做利血平质子化分子离子峰m/z 609的质量色谱图。用进样量和信噪比规定灵敏度指标。 中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 谱 图 解 析中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Resea

53、rch Division v分子在离子源中可以产生各种电离，即同一种分子可以产生多种离子峰，主要有：v分子离子v碎片离子v重排离子v加合离子v同位素离子EI质谱中的各种离子 硫代二丙酸二月桂酯 中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 分子离子峰v样品分子在高能电子撞击下失去一个电子所形成的正离子叫分子离子，即： M + e M+ + 2e （M+ 为分子离子）v“ + ”表示有机物分子 M 失去一个电子而电离v“ ”表示失去一个电子后剩下未配对的电子。具有未配对电子的离子，称为奇

54、电子离子。这样的离子同时又是自由基，具有较高的反应活性。中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 分子离子峰v分子离子峰的强度和化合物的结构有关。环状化合物比较稳定，不易碎裂，因而分子离子较强。支链较易碎裂，分子离子峰就弱，有些稳定性差的化合物经常看不到分子离子峰。v分子离子峰强弱的大致顺序是：芳环共轭烯烯酮不分支烃醚酯胺酸醇高分支烃。中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Divis

55、ion 分子离子峰v分子离子是化合物分子失去一个电子形成的，因此，分子离子的质量就是化合物的分子量，所以分子离子在化合物质谱的解释中具有特殊重要的意义。v如果用高分辨质谱测量出分子离子的精确质量，就可以得知该物质的元素组成即分子式。中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 苯 M:78己烷 M:86中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 怎样判断分子离子 一个纯化合物

56、质谱中，作为分子离子必要的但非充分的条件是：1、若不考虑同位素的影响，它应该是谱图中最高质量的离子。2、它必须是奇电子离子,分子量符合氮规则3、它必须能够通过丢失合理的中性碎片，产生谱图中高质量区的重要离子。 中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 氮规则v有机化合物分子中含有奇数个氮时，其分子量应为奇数。v含有偶数个（包括0个）氮时，其分子量应为偶数。v偶数质量的元素具有偶数化合价，奇数质量的元素具有奇数化合价，如12C、16O、32S、的化合价是偶数，1H、35Cl、31P

57、的化合价为奇数，只有氮同位素14N 的质量数为偶数，其化合价却为奇数。v例如：氨基吡啶 C5H6N2，m/z94 喹啉 C9H7N， m/z129中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 碎片离子峰v分子离子产生后可能具有较高的能量，将会通过进一步碎裂或重排而释放能量，碎裂后产生的离子形成的峰称为碎片离子峰。v断裂方式可分为均裂、异裂和半异裂均裂：成键的两个电子分别属于生成的两个碎片。CH3CH3+ CH3+ CH3+异裂：成键的两个电子同时属于某一个碎片。CH3CH2 Br+ C

58、H3CH2 + + Br 中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 离子碎裂是一个多途径、多级的反应中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 离子所带的自由基和正电荷引发离子的碎裂vA、自由基引发（断裂）B、电荷引发（诱导效应，i 断裂）中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Researc

59、h Division v一般情况下，电负性强的元素诱导力也强。在有些情况下，诱导断裂和断裂同时存在，由于i断裂需要电荷转移，因此，i断裂不如断裂容易进行。表现在质谱中，相应断裂的离子峰强，i断裂产生的离子峰较弱。 中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division 2v每个化合物都具有特征的碎片离子峰及其相对强度，通过谱图解析或与标准谱图对照，可以进行定性分析。因为断裂比较容易发生，因此，在乙醇质谱中， m/zm/z 31 31 的峰比较强中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股

60、份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division + 烷烃化合物断裂多在C-CC-C之间发生，且易发生在支链上。并且，失去最大烷基的断裂最容易进行。 中国石油化工股份有限公司北京化工研究院中国石油化工股份有限公司北京化工研究院 分析研究室分析研究室Analytical Research Division v从分子离子失去的碎片，可以确定化合物中含有哪些取代基。常见的离子失去碎片的情况有：M-15(CH3) M-17(OH，NH3) M-19(F) M-27(HCN，C2H3）M-29(CHO，C2H5) M-31(CH2OH，OCH3) M