有机质谱法 讲稿

有机质谱法讲稿第1页/共74页

质谱的开发历史要追溯19世纪末J.J.Thomson对阴极射线的研究。Thomson利用磁场与阴极射线的相互作用力（洛仑兹力），测量了电子的荷质比e/m(当然，此公的测量精度差点)，并创制了抛物线质谱装置。

1919年Aston制成了第一台速度聚焦型质谱仪，成为了质谱发展史上的里程碑。历史第2页/共74页质谱仪（Massspectrometer）从应用的角度可以分为有机质谱仪、无机质谱仪、同位素质谱仪和气体分析质谱仪。其体积（不包括计算机和控制部分）大到相当半张乒乓球案，小到与1/3圆珠笔相当。质谱仪的生产涉及到精密机械加工、高真空技术、电子技术和计算机等技术有机质谱仪在整个质谱仪中，种类最多、应用最广其仪器数量也最多。有机质谱仪主要用于对有机化合物进行进行结构分析。今天，有机质谱仪广泛应用于石油和有机化工、生物、食品、制药、环保、质检、商检和科研等领域。第3页/共74页发展在20世纪60年代最具有革命性的突破是气相色谱与质谱仪（GC/MS）的联用技术的实现。我们可以将它们的联合表示为：1+1〉〉〉2。没有这个联用技术的实现，就没有有机质谱仪今天的辉煌。近二十多年来，出现了诸如快原子轰击、基质辅助激光解吸电离、电喷雾电离及大气压化学电离等新的电离技术，这些新技术主要解决不易挥发、不稳定、强极性样品的电离问题，使得有机质谱仪在生命科学领域发挥了巨大的作用，同时也解决了液相色谱与质谱仪（LC/MS）的联用问题。第4页/共74页随着电子技术和计算机技术的发展，特别是微型计算机性能的提高和价格的下降，使GC/MS更自动化和小型化，灵敏度和稳定性更好，价格也更便宜，使得GC/MS更加普及，在各应用领域发挥着越来越大的作用。第5页/共74页一、质谱图的产生和意义谱图的产生

ABCD+eABCD+.（分子离子）

ABCD+.

AB+（裂片离子）

+CD

或ABCD+.

AB

+CD+

或A+BCD+

等等产生哪种裂片离子、产生多少取决于分子的结构第6页/共74页

通过质谱仪的质量分析器将这些离子进行分离，并依次记录下它们的强度，以最强的离子的强度为100%（称该离子为基峰）重新归一化，得到离子之间的相对强度，以离子的质量数和该相对强度做图，即通常所称的质谱图。第7页/共74页谱图的意义理论和经验告诉我们：这些断裂的发生是和分子的结构密切相关的，具体地说就是一个特定的离子裂片的出现，意味着分子中存在着一个相应的子结构单元;

而该离子裂片在所有离子裂片中的相对丰度,

则反映了这个结构单元在分子中的结构环境。

第8页/共74页谱图实例

第9页/共74页质谱图提供了丰富的结构信息.理论上我们可以从些结构信息中推出具体的分子结构来,但实践起来却很困难.

现在有机质谱仪的数据系统都包括一个成熟的谱图检索系统,通常该系统含有十几万个化合物的标准谱图.通过这样一个谱图的检索,可以完成大部分的常规分析工作.对于复杂的结构分析,除了要进一步采用一些必要的质谱技术外,还要结合其它的分析手段,如红外、核磁等.第10页/共74页二、质谱仪的组成主要部分：进样系统离子源质量分析器检测器辅助系统：供电系统、真空系统、计算机数据系统第11页/共74页

工作原理：质谱仪具有三个基本功能：①将分子转化为分子离子和裂片离子，并将这些离子加速。②通过磁场或电场将这些离子按质荷比进行分离。③将分离出的离子检测并记录，给出一质谱图。第12页/共74页（1）离子源离子源的作用是将样品以适当的方式进行电离，给出适量的分子及裂片离子。常用的离子源有电子轰击源（EI）和化学电离源（CI）。以不同的电离方式所到的质谱图是不同的。质谱图数据库中的标准谱图是由EI

方式产生的。第13页/共74页第14页/共74页热电子束由热灯丝发射，热电子的能量由灯丝与电离盒之间的电压决定，改变此电压值即可改变轰击电子的能量。分子离子及裂片离子形成的正离子流的总量及其质谱图与轰击电子的能量有关。实验表明电子的能量在70eV附近，可以得到一稳定的离子流。现有标准谱图是用70ev的电子取得的。由于源中的压力很低（10-6乇），一般不考虑离子的二次碰撞。第15页/共74页为增加电子的利用效率，在电子的飞行方向上加以磁场，利用电子在横向上得分速度，使其作螺旋勋运动，增加电子与分子的碰撞几率。为提供较稳定的轰击电子束，在电离盒内电子束的阳极设有一收集极。通过收集极到达电离盒的电流—收集电流—可控制灯丝的发射电流。当收集电流（Trapcurrent）小于设定值时，控制系统会自动加大灯丝的发射电流，发射更多的轰击电子。通过加速极上的加速电压把源中产生的分子及裂片离子从电离盒拉出，并通过推斥极和聚焦狭逢等的调节，使这些离子形成均一离子束进入分析器区。

第16页/共74页电离方式与谱图特征对一些不稳定的化合物，在70eV的电子轰击下很难得到分子离子峰。降低电子轰击能量可提高分子离子峰的相对强度，但绝对强度大大下降。同时简化的谱图也失去了结构方面的特征。这种情况下，一般采用较“软”的电离方式，如CI等。

第17页/共74页质量分析器的作用就是将离子按质荷比的大小进行分离和聚焦。质量分析器的最重要参数是质量分辨本领。对大多数有机化学应用，分辨本领定义为R=M/ΔMM是双峰中的第一个峰的质量，ΔM是两峰的质量差。（2）质量分析器

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按照质量分析器的工作原理，质谱仪可分为三类（主要的）：双聚焦高分辨质谱仪（磁式）四极杆质谱仪飞行时间质谱仪高分辨质谱仪可精确测定离子的质量，给出离子的元素组成。第19页/共74页磁式单聚焦分析器是一扇形磁铁

第20页/共74页离子在磁场中的运动方程为：

m/z=H2r2/2Vr为扇形磁铁的半径，m离子的质量，V加速电压，H磁场强度，z离子的电荷。通常

z=1.由方程可看出，只要改变磁场强度

H或加速电压V就可以对离子进行分离（r为常数），即以此方式实现质谱扫描。但是，当改变加速电压作质量扫描时，低质量离子的传输率远大于高质量离子，对高质量离子产生严重的质量歧视。一般不使用电压扫描。第21页/共74页

扇形磁场质谱仪的分辨本领主要决定于曲率半径及源狭缝S1和接收器狭缝S2的宽度。半径决定两个质量峰被分开的距离。源狭缝限制了离子束的宽度，而接收器狭缝则决定聚焦像或峰在扫描过程中必跨越的距离。故分辨本领也可定义为R=Kr/(S1+S2).K为常数。•

在对离子进行分离的同时，磁场对离子束还有方向聚焦的作用。这就是“单聚焦”

第22页/共74页由方程还可看出

(v2/r)m=Hvzmv=Hzr

磁场并不产生真正的质量分离，而是产生动量（mv）分离.尽管离子被加速到几千电子伏特（6000eV）,但由于电离盒中各离子是在不同位置上产生的，以及其固有热能的差异，因而全部离子并不具有完全相同的能量，而是有零点几个电子伏特的能量分散，从而导致速度分散。由方程可看出，速度的分散将使离子束的聚焦变坏，限制了可能达到的分辨本领。为抵消速度分散的作用，在扇形磁铁前加一离子透镜—径向电场。第23页/共74页磁式质谱仪设计参数的考虑为什么要较大的曲率半径

mv=Hzrmv=Hzm/m=r/r为什么要较大的加速电压

m/z=H2r2/2Vmz=-(H2r2/2V2)Vm/m=V/V第24页/共74页为什么需要高分辨

m1=200.11m2=200.12

所需分辨率R=m1/m=200.11/0.01R20000

若加速电压V=6000.00伏离子的能量E=6000.00eV

离子的热能为0.6eV

则最高分辨为R=10000第25页/共74页离子透镜—径向电场Ez=mv2/r显然，径向电场是一能量分析器。它将能量相同的离子聚在一起。通过对速度分散和方向分散同时进行聚焦，可获得较高的分辨本领。

第26页/共74页Nier-Johnson结构的原理图

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离子源S产生的离子束进入电场E,受到电场力的作用。给定能量的离子在B1达到方向焦；能量较小的离子聚焦于B2。此焦点上的狭缝称为β缝，可以调节离子束中能量分散的宽窄。此束接着进入磁场，在这里离子按其动量分离。全部离子在曲线d达到方向聚焦，在曲线v达到速度聚焦。这两条线的交点是双聚点，此点决定接收器狭缝的位置。双聚焦质谱仪的优点是分辨率高，但作高分辨对仪器的状态要求很高，调整比较困难，同时仪器比较昂贵。由于磁场条件的约束，其多离子检测功能不如其它类型的质谱仪。第28页/共74页第29页/共74页第30页/共74页第31页/共74页（3）检测器

第32页/共74页第33页/共74页质谱仪的检测器主要使用电子倍增器和光电倍增器。它们的优点是高增益、噪声和暗电流很小及可以忽略的时间常数。但应注意到它的信号增益与倍增器电压有关，提高倍增器电压可提高仪器灵敏度，但会降低其寿命。电子倍增器有10至20级，放大倍数为

105至108。质谱仪最小电流一般为10-15至10-18

安。若增益为106，从10-18

安的原电流可得10-12

安的输出。经一静电放大器可得10-3

伏的输出电压。第34页/共74页

三、高真空系统

质谱仪要在良好的真空下才能有效地工作，一般要求压强在10E-6乇以下。质谱仪要求高真空主要基于以下理由：

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①保护离子源的灯丝；②减小本底和记忆效应的干扰；③避免离子源中的离子发生二次碰撞反应；④离子源内的高气压干扰电子束的正常调节；⑤离子源内的高气压可引起高压放电反应；⑥离子的平均自由程必须大于由离子源到检测器的飞行路程；第36页/共74页高真空的获得前级泵–

机械泵应能可靠地、长期地工作。极限真空可达到10-3乇。重要的参数是其抽速。高真空泵多数质谱仪的高真空系统使用油扩散泵。极限真空可达到10-9乇。其抽速取决于其尺寸的大小。第37页/共74页扩散泵要求机械泵做其前级泵。扩散泵要求有冷却系统。第38页/共74页高真空的测量在P=10-3--10-9乇的高真空的测量中，一般采用两种真空规—热电离真空规和冷阴极真空规。热电离真空规因气体分子电离而产生正离子电流，该正离子被阴极收集并测其电流。该电流正比于压强。第39页/共74页冷阴极真空规第40页/共74页差动抽气与真空保护离子源和分析器区采用两个独立的扩散泵构成差动抽气，故在离子源区工作于较高压强如GC/MS或CI时）的同时，分析器区仍可保持较低的压强（使飞行的离子有足够的平均自由程）。离子源和分析器区的真空度相差约两个数量级。一般真空系统包括机械真空泵和扩散真空泵。质谱仪主机系统和真空系统是联锁保护的，当系统的真空度低于要求时，主机系统会自动关闭。第41页/共74页第42页/共74页四、谱图的采集（1）扫描速度在做GC/MS分析时，所得到的质谱图的品质与所选定的质谱仪扫描速度密切相关。扫描速度较低可能造成色谱峰的丢失（极端情况）或质谱图的畸形（受GC流出样品浓度变化的影响），影响对色谱峰的定性分析。快速的质谱扫描可避免以上情况的出现。扫描速度的设定取决于所分析的样品、分辨本领和灵敏度及质谱仪本身。第43页/共74页

现代质谱仪均可提供较快的扫描速度（如0.1s/十倍程）。但随着扫描速度的提高，仪器的分辨本领和灵敏度也快速下降。同样仪器的分辨本领设置的越高其灵敏度的损失就越大。因此，绝不应该使用超过需要的更快的扫描或更高的分辨本领。

第44页/共74页②扫描函数扫描函数m=f(t)

不同类型的质谱仪基于不同的物理原理，所以质量于时间的关系—扫描函数—对每种仪器是不同的。一般选择“自然”扫描函数─它对全部质量给出相同的时间宽度。

第45页/共74页扇形磁场：指数函数从高到低质量数m=m0e-kt

从低到高质量数m=m0ekt③重复扫描对于磁式质谱仪一般采用重复扫描方式—仪器自动地连续扫描，这样能改善与稳定磁场性能，并给出更为重复的质量对时间的扫描函数。这对用计算机处理数据是必须的条件。对于飞行时间和四极杆质谱仪，电子扫描系统的稳定性及快速回扫不受扫描方式的影响。第46页/共74页低分辨质谱图的采集将模拟信号转化为一对数据（质量数，强度）需要确定：峰的位置---质量数峰的面积---强度第47页/共74页质谱仪检测器将检测到的离子信号转换为电压信号输出到数据采集系统。在扫描过程中，每当一个离子扫过检测器时，检测器就输出一个连续的电压信号。在理想情况下，该信号峰形是一高斯峰。该峰的面积正比与离子的绝对强度，而离子的质量数与峰的位置相对应。此位置的单位可以是时间也可用磁场强度。峰的位置可以用峰顶的位置或峰重心的位置第48页/共74页做低分辨质谱分析时，一般取峰顶的位置。显然，峰形的好坏对离子的质量数的测量的准确性影响很大。实际上，对质谱仪的调节就是对仪器（在设定的分辨本领下）灵敏度和离子峰形的调节。仪器的分辨本领调置的越高，对峰性的要求就越高。第49页/共74页峰位置到质量数的转换离子的峰位置到质量数的转换是通过事先建立的校正曲线（图2-5）来完成。每次做实验都要建立新的校正曲线。对于磁式质谱仪，一般选用全氟煤油（PFK）为标准化合物建立该曲线。显然，要在长时间的采集过程中使用同一校正曲线（这对GC/MS是必须的），质谱仪要有较好的稳定性，磁场扫描要有好的重复性。因此，做低分辨扫描时磁式质谱仪应采用重复扫描。第50页/共74页第51页/共74页当离子峰的峰形被严重扭曲时，校正曲线也很难建立。造成这一结果的主要原因就是离子源或分析器被严重污染，特别是各种狭缝被严重污染。因此，除了保持一良好的真空系统外，应尽量减少样品的进样量。此外，应做好样品的前处理，尽量减少不必要的组分进入系统。同时，应按需要设置扫描速度和分辨本领，以避免灵敏度的不必要的损失。第52页/共74页五、计算机数据系统

计算机数据系统主要完成仪器的控制、数据的采集及处理、谱图解释等功能。很多扫描技术也有赖于它来完成。现代质谱技术的发展有很大部分归功计算机技术的发展。现代有机质谱仪对计算机数据系统的要求较高。操作系统多采用多用户的实时操作系以满足对质谱图数据的实时处理的要求。第53页/共74页模数转换第54页/共74页在确定峰的位置和面积之前，要完成以下几个判别：

1、峰的开始和结束

2、多峰的判别只有完成以上判别才能进行峰位置和面积的计算第55页/共74页计算机数据系统框图第56页/共74页采集接口框图第57页/共74页六、谱图检索质谱图数据库检索系统是计算机数据系统不可缺少的部分，常规的定性分析基本上由它完成。它通过未知谱图与库存标准谱图的比较来完成对未知谱图的分析。若数据库中存有未知化合物的标准谱图，一般它可给出正确结果。否则它给出相似的标准谱图供参考。避免本底或重叠峰的干扰，检索系统采用一种称为逆检索的技术。第58页/共74页在进行谱图检索之前，首先要进行谱图的本底扣除，或消除重叠峰的干扰。本底扣除—所有谱图都减去一空白谱图消除重叠峰—本次谱图减去前次扫描的谱图第59