第十一章质谱分析学习教案

1、会计学1第十一章质谱分析第十一章质谱分析(fnx)第一页，共48页。质谱法是通过将样品转化为运动的气态离子并按质谱法是通过将样品转化为运动的气态离子并按 质质荷比（荷比（m/z）大小）大小(dxio) 进行分离记录的分析方法。所获得进行分离记录的分析方法。所获得结果即为质谱图（亦称质谱）。结果即为质谱图（亦称质谱）。 质谱法的主要作用是：（1）准确测定物质的分子量（2）根据碎片特征进行化合物的结构分析分析时，首先将分子离子化，然后利用离子在电场或磁场中运动的性质(xngzh)，把离子按质核比大小排列成谱，此即为质谱。第1页/共48页第二页，共48页。质谱可以提供以下信息：质谱可以提供以下信息：

2、a) 样品元素组成；样品元素组成；b) 无机、有机及生物分析无机、有机及生物分析(fnx)的结构的结构-结构不同结构不同，分子或原子碎片不同，分子或原子碎片不同(质荷比不同质荷比不同)c) 复杂混合物的定性定量分析复杂混合物的定性定量分析(fnx)-与色谱方与色谱方法联用法联用d) 固体表面结构和组成分析固体表面结构和组成分析(fnx)-激光激光烧蚀等离子体烧蚀等离子体-质谱联用；质谱联用； 样品中原子的同位素比。样品中原子的同位素比。 第2页/共48页第三页，共48页。质谱法分类质谱法分类(fn li)：按用途分有机质谱无机质谱同位素质谱按原理分单聚焦质谱双聚焦质谱四极质谱飞行时间质谱回旋共

3、振质谱按联用方式分气质联用液质联用质质联用第3页/共48页第四页，共48页。11.2 基本原理基本原理11.2.111.2.1、基本原理概述、基本原理概述 质谱分析是将样品转化为运动的带电气态离子，于磁场中按质质谱分析是将样品转化为运动的带电气态离子，于磁场中按质荷比荷比(m/z)(m/z)大小分离并记录的分析方法。大小分离并记录的分析方法。其过程为可简单描述为：其过程为可简单描述为：其中，其中，z z为电荷数，为电荷数，e e为电子电荷，为电子电荷，U U为加速电压，为加速电压，m m为碎片质量，为碎片质量，V V为电为电子运动速度。子运动速度。离子源离子源轰击样品轰击样品带电荷的带电荷的碎

4、片离子碎片离子电场加速电场加速(zeU)(zeU) 获得动能获得动能(1/2mV(1/2mV2 2) )磁场分离磁场分离(m/z)(m/z)检测器记录检测器记录第4页/共48页第五页，共48页。第5页/共48页第六页，共48页。1、进样、进样化合物通过化合物通过(tnggu)汽化引入离子化室；汽化引入离子化室；2、离子化、离子化在离子化室，组分分子被一束加速电子在离子化室，组分分子被一束加速电子碰撞（能量碰撞（能量(nngling)约约70eV），撞击），撞击使分子电离形成正离子；使分子电离形成正离子；M M+ + e或与电子结合，形成负离子或与电子结合，形成负离子M + e M第6页/共48

5、页第七页，共48页。3、离子也可因撞击强烈而形成碎片离子、离子也可因撞击强烈而形成碎片离子：4、荷电离子被加速电压加速，产生一定、荷电离子被加速电压加速，产生一定的速度的速度v，与质量、电荷及加速电压有关，与质量、电荷及加速电压有关：)1(212mvzH 第7页/共48页第八页，共48页。5、加速离子进入一个强度为、加速离子进入一个强度为H的磁场，发的磁场，发生偏转，半径为：生偏转，半径为：)2(zHmvr 将（将（1）（）（2）合并：）合并：) 3(222VrHZm当当 r 为仪器设置不变时，改变加速电压或为仪器设置不变时，改变加速电压或磁场强度，则不同磁场强度，则不同m/z的离子依次通过狭

6、缝的离子依次通过狭缝到达检测器，形成质量谱，简称质谱。到达检测器，形成质量谱，简称质谱。第8页/共48页第九页，共48页。 按质量分析器(或者磁场种类)可分为静态仪器和动态仪器，即稳定磁场（单聚焦及双聚焦质谱仪）和变化磁场（飞行时间和四极杆质谱仪）。 MS仪器一般由进样系统(xtng)、电离源、质量分析器、真空系统(xtng)和检测系统(xtng)构成。11.3质谱仪质谱仪第9页/共48页第十页，共48页。第10页/共48页第十一页，共48页。真空系统真空系统 质谱仪中所有部分质谱仪中所有部分(b fen)均要处高度真空的条件均要处高度真空的条件下下(10-4-10-6Torr或或mmHg),

7、 其作用是减少离子碰撞损失其作用是减少离子碰撞损失。离子源的真空度应达到离子源的真空度应达到10-3-10-5 Pa，质量分析器的真空度应达到质量分析器的真空度应达到10-6 Pa。真空装置：真空装置：机械真空泵机械真空泵 扩散泵扩散泵 分子涡轮泵分子涡轮泵第11页/共48页第十二页，共48页。a）大量氧会烧坏离子源灯丝；）大量氧会烧坏离子源灯丝；b）引起其它分子离子反应，使质谱图复杂化）引起其它分子离子反应，使质谱图复杂化c）干扰）干扰(gnro)离子源正常调节；离子源正常调节；d）用作加速离子的几千伏高压会引起放电。）用作加速离子的几千伏高压会引起放电。真空度过低，将会引起(ynq)：第1

8、2页/共48页第十三页，共48页。进样系统进样系统(xtng)进样系统进样系统(xtng)的要求：重复性、不引起真空的要求：重复性、不引起真空度降低度降低气体气体直接导入或用气相色谱进样直接导入或用气相色谱进样液体液体加热汽化或雾化进样加热汽化或雾化进样固体固体用直接进样探头用直接进样探头 对于蒸汽压低的样品进行衍生化后进样对于蒸汽压低的样品进行衍生化后进样第13页/共48页第十四页，共48页。电离源电离源(室室) 将引入的样品转化将引入的样品转化(zhunhu)成为碎片离子的成为碎片离子的装置。装置。电子电离(dinl)源(electron ionization EI)化学电离(dinl)源

9、(chemical ionization CI)快原子轰击(fast atom bombardment FAB)电喷雾源(electronspray ionization ESI)大气压化学电离(dinl)（atmospheric pressure chemical ionization APCI)基质辅助激光解吸电离(dinl)（matrix assisted laser Desorption ionization MALDI)第14页/共48页第十五页，共48页。（1） 电子电离源电子电离源(electron ionization EI) 由阴极发射电子由阴极发射电子束，通过离子化室到束，

10、通过离子化室到达阳极达阳极(yngj)，电子，电子能量能量70eV，有机化合，有机化合物的电离电位物的电离电位8-15eV。 可在平行电子束可在平行电子束的方向附加一弱磁场的方向附加一弱磁场，使电子沿螺旋轨道，使电子沿螺旋轨道前进，增加碰撞机会前进，增加碰撞机会，提高灵敏度。，提高灵敏度。第15页/共48页第十六页，共48页。特点：特点： 碎片离子多，结构信息丰富，有标准化合碎片离子多，结构信息丰富，有标准化合物质谱库；物质谱库； 不能汽化的样品不能汽化的样品(yngpn)不能分析；不能分析； 有些样品有些样品(yngpn)得不到分子离子；得不到分子离子；第16页/共48页第十七页，共48页。

11、（2）化学）化学(huxu)电离源电离源(chemical ionization CI) 结构与结构与EI同，但是在离子化室充同，但是在离子化室充CH4，电，电子首先子首先(shuxin)将将CH4离解，其电离过程离解，其电离过程如下：如下：生成的气体离子再与样品分子生成的气体离子再与样品分子M反应：反应： CH5 + + M CH4 + MH+CH4 + e CH4 + + 2eCH4+ + CH4 CH5 + + CH3 第17页/共48页第十八页，共48页。特点：得到一系列准分子离子（M+1）+， （M-1）+， （M+2）+等等；CI源的的碎片离子峰少，图谱简单，易于解释；不适于难挥发

12、成分(chng fn)的分析。第18页/共48页第十九页，共48页。质量分析器质量分析器 作用是将不同碎片作用是将不同碎片(su pin)按质荷比按质荷比m/z分分开。开。质量分析器类型：磁分析器、飞行时间、四极质量分析器类型：磁分析器、飞行时间、四极杆、离子捕获、离子回旋等。杆、离子捕获、离子回旋等。第19页/共48页第二十页，共48页。质量分析器质量分析器(mass analyzer)1 单聚焦单聚焦(jjio)分析器（分析器（single focusing mass analyzer）2 双聚焦双聚焦(jjio)分析器（分析器（double focusing mass analyzer）

13、3 四极杆分析器四极杆分析器 (quadrupole analyzer)4 离子阱分析器离子阱分析器 (Ion trap)5 飞行时间分析器飞行时间分析器(time of flight）6 富立叶变换离子回旋共振富立叶变换离子回旋共振 （Fourier tranform ion cyclotron resonance）第20页/共48页第二十一页，共48页。（1）单聚焦）单聚焦(jjio)分析器（分析器（single focusing mass analyzer）1）结构：）结构：扇形扇形(shn xn)磁场磁场（可以是（可以是1800 900600等）等）第21页/共48页第二十二页，共48

14、页。原理：由（3）式可知：) 3(222VrHZm离子的离子的m/Z大，偏转半径也大，通过磁场可大，偏转半径也大，通过磁场可以把不同以把不同(b tn)离子分开；离子分开；当当 r 为仪器设置不变时，改变加速电压或磁为仪器设置不变时，改变加速电压或磁场强度，则不同场强度，则不同(b tn)m/z的离子依次通过狭缝到达的离子依次通过狭缝到达检测器，形成质谱。检测器，形成质谱。第22页/共48页第二十三页，共48页。（2）双聚焦）双聚焦(jjio)分析器分析器（Double focusing mass analyzer）第23页/共48页第二十四页，共48页。为什么要双聚焦(jjio)：进入离子源

15、的离子初始能量不为零，且能量各不相同，加速后的离子能量也不相同，运动半径差异，难以完全聚集。解决办法： 加一静电场Ee，实现能量分散：eMeeRERmvE22eMeEER2对于动能不同的离子，通过调节电场能，达到聚焦的目的。双聚焦分析器的特点：分辨率高第24页/共48页第二十五页，共48页。第25页/共48页第二十六页，共48页。 电子倍增器的工作原理：一定能量的离子轰击阴极导致电子电子倍增器的工作原理：一定能量的离子轰击阴极导致电子发射，电子在电场的作用下，依次轰击下一级电极而被放大，电发射，电子在电场的作用下，依次轰击下一级电极而被放大，电子倍增器的放大倍数一般在子倍增器的放大倍数一般在1

16、05108。电子倍增器中电子通过的。电子倍增器中电子通过的时间时间(shjin)很短，利用电子倍增器可以实现高灵敏、快速测定很短，利用电子倍增器可以实现高灵敏、快速测定。但电子倍增器存在质量歧视效应，且随使用时间。但电子倍增器存在质量歧视效应，且随使用时间(shjin)增加增加，增益会逐步减小。，增益会逐步减小。第26页/共48页第二十七页，共48页。6、检测器的性能指标（1）质量范围(fnwi)指所能检测的M/Z范围(fnwi)四极质谱 M/Z小于或等于1000磁式质谱 M/Z可达到几千飞行时间质谱 M/Z可达到几十万（2）扫描(somio)速度指扫描(somio)一定质量范围所需时间例如G

17、C-MS：M/Z 1-1000所需时间1s第27页/共48页第二十八页，共48页。（3）分辨率R质谱对相邻两质量组分分开的能力MMR例如：CO+27.9949N2+28.006125009949.270061.289949.27MMR四极质谱恰好能将此分开.第28页/共48页第二十九页，共48页。但是:ArCl+74.9312As+74.921678009216.749312.749216.74MMR需要用高分辨质谱.(4) 灵敏度指信噪比大于10时的样品(yngpn)量。第29页/共48页第三十页，共48页。11.4质谱图质谱图、质谱图、质谱图 以质荷比以质荷比m/z为横座标，以对基峰为横座

18、标，以对基峰(最强离子峰最强离子峰，规定相对强度，规定相对强度(qingd)为为100%)相对强度相对强度(qingd)为纵座标所构成的谱图，称之为质谱图为纵座标所构成的谱图，称之为质谱图。第30页/共48页第三十一页，共48页。第31页/共48页第三十二页，共48页。第32页/共48页第三十三页，共48页。第33页/共48页第三十四页，共48页。、质谱定性分析、质谱定性分析(dngxngfnx)内容内容(nirng)有：有：1 分子量分子量测定；测定； 2 化学式鉴定化学式鉴定 3 结构式鉴定结构式鉴定第34页/共48页第三十五页，共48页。1、分子量确定、分子量确定 根据分子离子峰质荷比可

19、确定分子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量，通常分子离子峰位于(wiy)质谱图最质谱图最右边，右边，第35页/共48页第三十六页，共48页。2、化学式的确定、化学式的确定 高分辨质谱：可分辨质荷比相差高分辨质谱：可分辨质荷比相差(xin ch)很小的分子离子或碎片离子。很小的分子离子或碎片离子。 低分辨质谱：通常通过同位素相对丰度低分辨质谱：通常通过同位素相对丰度法来确定分子的化学式。法来确定分子的化学式。 第36页/共48页第三十七页，共48页。第37页/共48页第三十八页，共48页。第38页/共48页第三十九页，共48页。第39页/共48页第四十页，共48页。第40页/

20、共48页第四十一页，共48页。第41页/共48页第四十二页，共48页。 可以发生这类重排的化合物有可以发生这类重排的化合物有:酮、醛、酸、醋和其它含羰基酮、醛、酸、醋和其它含羰基(tn j)的化合物，含的化合物，含P = O，S = O的化合物以及烯烃类和苯类化的化合物以及烯烃类和苯类化合物等。发生这类重排所需的结构特征是分子中有一个双键以及在合物等。发生这类重排所需的结构特征是分子中有一个双键以及在位置上有氢原子。位置上有氢原子。第42页/共48页第四十三页，共48页。3、结构、结构(jigu)签定：签定：a) 根据质谱图，找出分子离子峰、碎片离子峰、根据质谱图，找出分子离子峰、碎片离子峰、亚稳离子峰、亚稳离子峰、m/z、相对峰高等质谱信息，根据各、相对峰高等质谱信息，根据各