《质谱分析简》PPT课件.ppt

第五章 质谱分析(Mass Spectrometry,MS),5.1 概述5.2 质谱分离原理5.3 质谱仪的基本结构5.4 无机物的质谱分析5.5 质谱仪的主要性能指标5.6 色谱-质谱联用5.7 光谱-质谱联用,5.1概述,一、质谱仪的发展简史 1912年：世界第一台质谱装置 1940年代：质谱仪用于同位素测定 1950年代：分析石油 1960年代：研究GC-MS联用技术 1970年代：商品GC-MS出现，计算机引入，GC-MS技术基本成熟 1980年代：大气压电离的LC-MS；ICP-MS 1990年代：基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪出现 质谱技术用于生物医药领域生物质谱,一.定义,质谱法是通过将样品转化为运动的气态离子并按质荷比(质量m和电荷z的比值 m/z)大小进行分离、记录和分析的方法。这种方法所得的结果为质谱图(条图、棒图）。根据质谱图提供的信息，可以进行物质的鉴定(确定样品相对分子质量及分子结构)。,二、质谱分析法的特点,1、应用范围广，可用于：无机物、有机物的定性、定量分析；同位素分析；复杂化合物的结构分析；固体表面的结构和组成分析等。生产过程监测、环境监测、热力学与反应动力学、空间探测等。被分析的样品可以是气体和液体，也可以是固体。,特点：,在有机化合物结构分析的四大工具中，与核磁共振波谱、红外光谱和紫外光谱比较，质谱法是唯一可以确定分子式的方法；2、灵敏度高。通常只需要ug级甚至更少的样品便可得到质谱图。目前有机质谱仪的绝对灵敏度可达50pg，无机质谱仪绝对灵敏度可达1014 g。,特点,3、分析速度快，并可实现多组分同时测定。4、与其它仪器相比，仪器结构复杂，价格昂贵，使用及维修比较困难。对样品有破坏性。根据各类有机化合物分子的断裂规律，质谱中的分子碎片离子峰可提供有关有机化合物结构的丰富的信息。,目前,质谱技术已发展成为三个分支，即：同位素质谱无机质谱有机质谱。本章主要介绍无机质谱。,5.2 质谱分析的基本原理,一、原理：质谱仪是利用电磁学原理，使气体分子产生带正电荷的离子，离子经加速进入磁场中，其动能与加速电压U及电荷Z有关Z-离子所带的电荷数；e原电荷=1.6010-19CU-加速电压，V；m-离子的质量，kg；-加速后离子的运动速度，m/s,当带电离子,垂直进入磁分析器（为一扇形匀强磁场）后，由于磁场的作用，使离子作圆周运动，粒子做匀速圆周运动所需的向心力F=m2/r是离子所受的洛伦兹力(磁场作用力)提供的，所以 m2/r=BZe（r-离子运动的轨道半径，单位：m；B，磁场强度，T）,相关公式及粒子做匀速圆周运动示意图,即,公式为把=BZer/m代入上式所得；图为粒子在匀强磁场作圆周运动的示意图。可见:质荷比 m/Z=B2er2/2U,在实际应用时，代入相关数据,r的单位取cm，m(质量)换成M原（分、离）子量，则为：M=m(kg)1.660610-27(kg),可见,质荷比与磁场强度、加速电场的电势差和质量分析器半径有关。,二、静态与动态质谱仪,1、静态质谱仪：采用稳定的电、磁场（U、B为固定值），则按空间位置将m/Z不同的离子分开（m/Z r2），其工作原理见下图。,静态质谱仪（计）主要有：,单聚焦（方向）和双聚焦（速度和方向）质谱仪，主要用于无机物和同位素的测定。,单聚焦（方向）质谱计,结构：扇形磁场可以是1800900,600等,双聚焦（速度和方向）质谱仪,图5-1 静态（双聚焦）质谱仪原理示意图,2、动态质谱仪,采用固定r当U固定时，则m/Z B2；当B固定时，m/Z 1/U；可见：质谱仪变化电场或磁场，可按时间不同来区分m/Z不同的离子,动态质谱仪,图5-2 动态质谱仪原理示意图,例：,一台质谱仪的质量分析器半径为12.7cm，磁场强度为240mT，如果进行质荷比从20-200之间的扫描，问加速电压的范围应为多少？解：由分别代入M/Z=20和M/Z=200时，可得加速电压的范围为224V2239V,动态质谱仪(计)主要有：,飞行时间和四极杆质谱，还有离子阱质谱计等，如江西省分析测试中心的ICP-MS仪(ELAN250型，由加拿大SCIEX公司生产)，采用的是四极滤质器，可同时测定78种元素，包括稀土、痕量元素、同位素、价态、形态分析。主要构件原理图如下：,ICP-MS联用仪,图5-3 ICP-MS联用仪主件示意图,ICP源（电感耦合高频等离子焰炬光源）,所谓等离子体，实际上是一束气体离子流，是发射光谱比较理想的新型光源，于20世纪60年代开始研制并应用，70年代迅速发展，其温度可达10000K，可以观测到很多一般火焰中无法观测的光谱，谱线强度也很高，它需要分辨率高于0.02nm的单色仪。它用于质谱仪是为了更好地使样品完全离子化。故ICP-MS是目前测定无机物的理想仪器，在AES已作详细介绍。,5.3 质谱仪的基本结构,图5-4 质谱仪结构示意图,进样系统1Pa,离子源10-410-5Pa,质量分析器10-510-6Pa,检测器10-510-6 Pa,记录显示,真 空 系 统,一、真空系统,由低真空的机械泵加高效率的扩散泵组成。作用：避免空气，尤其是氧气的破坏和影响。大量的空(氧)气存在会：1.烧坏离子源的灯丝（金属氧化）。2.干扰离子源中电子束的调节。,3.干扰质谱图:,a.“散射”效应离子由于碰撞（气体分子）而偏离了它们的轨道，引起质谱峰变宽；b.电荷转移多电荷离子在分析通道内与气体的原子或分子碰撞引起电荷的转移，引起额外的离子分子反应，改变裂解模型；,还有,c.产生氢、氧、氮、碳的原子离子或分子离子的本底谱。这些都使质谱图复杂化。4.导致电离室中加速极发生火花放电等。,二、进样系统,通过专用装置，共有三种装置1、间歇式进样系统 主要用于气体、低沸点液体和较高蒸汽压的固体样品，样品可通过微量注射器或拆卸式的试样管引入试样贮存器中气化，气化的样品分子通过分子漏隙以分子流的形式扩散进入离子源中。,进样系统 2、试样探针杆进样,用于高沸点液体、固体，长长的探针杆可直接把样品送入离子源中气化和电离,进样系统,3、色谱进样系统 色谱柱可以通过接口作为质谱仪的进样系统，进样系统设计时要求能够高效地将试样引入电离室中并且不能造成电离室真空度降低。,三、离子源,离子源的作用是将由进样系统引入的气态样品分子转化为离子（阳离子）。无机质谱使用的离子源以前为火花离子源，现在可为ICP离子源等。,有机样品常用的离子源有：,电子轰击离子源（EI）；化学电离源（CI）；场致电离源（FI）；场解析电离源（FD）；快原子轰击源（FAB）源等。由于各种离子源能量大小不同，应用的对象也不同。,1、EI,在电离室内，气态的样品分子受到高速电子的轰击后，该分子就失去电子成为正离子（分子离子）：M+e=M+2e特点：EI中e的能量化学键键能，故可造成分子碎裂，难于得出完整的分子结构信息可得到一些重要官能团的信息。适用：气体或蒸汽,EI的构造原理,分子离子,受到电子的轰击，使一些化学键断裂，或引起重排以瞬间速度裂解成多种碎片离子（正离子）。在排斥极上施加正电压，带正电荷的阳离子被排挤出离子化室，形成离子束，离子束经过加速极加速，进入质量分析器。多余的热电子被钨丝对面的电子收集极（电子接收屏）捕集。,2.CI,在离子源中内充反应气体（甲烷、异丁烷、氨气等），消耗高能电子（100ev）的能量，使反应气体电离：CH4eCH4+CH3+CH2+CH+C+H2+H+ne电离后的反应离子再分别与试样分子碰撞发生分子离子反应，形成分子离子M或准分子离子（MQ）+或MH+,准分子离子,甲烷离子与分子进行反应，生成加合离子：CH4+CH4 CH5+CH3 CH3+CH4 C2H5+H2加合离子与样品分子反应：CH5+XHXH2+CH4 C2H5+XHX+C2H6,准分子离子,生成的XH2+和X+比样品分子多一个H或少一个H，可表示为(M1)+，称为准分子离子。事实上，以甲烷作为反应气，除(M1)+之外，还可能出现(M17)+，(M29)+等离子，同时还出现大量的碎片离子。,CI,化学电离源是一种软电离方式，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，因而可以推断相对分子质量。但是由于CI得到的质谱不是标准质谱，所以不能进行库检索。,在CI谱图中,最强峰是准分子离子峰，碎片较EI少，谱图较简单。可利用它们推断相对分子质量。CI源需要将试样气化，适合易于气化的有机样品分析。,3、FI,场致电离源是利用强电场诱发样品分子电离。电场阳极直接把气态分子（原子）中的电子拉出来，形成正离子，进入质量分析器中。故得到的质谱图分子离子峰很清楚，碎片峰很弱，利于测定相对分子量。,4、FD,电离机理与FI同，只是试样不用气化，只需把溶液滴加在发射丝上，发射丝通电后使其解吸并使其电离成分子离子，故温度较低。在FD源中分子中的CC键一般不断裂，因而很少生成碎片离子，可得到很好的分子离子峰，但也缺乏分子结构的信息。适用：热稳定性差的液体或固体试样，或难气化、极性大的试样。,5、FAB,一束高能粒子（惰性气态分子）如 Ar，射向存在于液态基质（如甘油）中的样品分子而得到样品离子，这样可以得到提供相对分子质量信息的准分子离子峰和提供化合物结构信息的碎片峰。,FAB,能推断出相对分子质量，并有较丰富的结构信息。适用：高极性、大分子量、难气化、热稳定性差的试样，正广泛用于肽类、低聚糖、核苷酸、有机金属化合物等的分析，试样用量少并可回收。只能产生单电荷离子，因此不适用于分析相对分子质量超过分析器质量范围的分子。,四、质量分析器,质量分析器是质谱仪的心脏，静态质量分析仪的空间分辨率高，可以用于质量的准确测定；动态质量分析器则时间分辨率强，可用于研究快速反应以及与GC联用。,动态双聚焦分析器（Double focusing mass analyzer）,四极杆分析器(quadrupole analyzer),四极杆质谱分析器原理,结构：四根棒状电极，形成四极场1，3棒：(Vdc+Vrf)2，4棒：(Vdc+Vrf)原理：在一定的Vdc/Vrf下，只有一定质量的离子可以通过四极场，到达检测器，其他质量的离子碰到四极杆被吸收，变换Vdc/Vrf可接收到其他质量的离子。即在一定的Vdc/Vrf下，连续改变Vrf或Vdc可实现质量扫描。特点：扫描速度快，灵敏度高；适用于GC-MS,离子阱分析器(Ion trap),离子阱分析器(Ion trap),离子阱的原理和四极杆质量分析器很相似，采用同样的离子运动方程；在稳定区，离子可以长时间留在阱里；可以通过电极上的负电压，将离子从阱中引出，进行检测；在恒定的U/V下扫描V就可以获取不同质量的谱；特点：结构小巧，质量轻，灵敏度高；可应用于GC-MS,LC-MS,飞行时间分析器(time of flight analyzer）,飞行时间质谱,通过离子在漂移管中的自由漂移，进行质量分析的方法；离子在漂移管中的飞行时间与离子质量的平方根成正比；特点：质量范围宽，扫描速度快，不需要电场和磁场；应用：GC-MS，LC-MS,五、质谱检测系统和记录器,质谱检测系统使用最广泛的是照相法和电测法，有机质谱则常用质谱图记录照相法适合同位素质谱仪、无机质谱仪、离子质谱仪。离子流轰击感光板上的乳剂而成像。照相法潜象形成的机理：Ag+eAg,电测法,利用离子接收器探测、接收经质量分析器分离后的不同质量（质荷比）组分的离子束，并使接受离子发生离子电子或离子光子电子变换效应，用电子倍增器管或光电倍增管,达到放大探测的目的，它可以记录约10-18A的电流。,电子倍增器工作原理,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，电子倍增器的放大倍数一般在105108。电子倍增器中电子通过的时间很短，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，且随使用时间增加，增益会逐步减小。,电子倍增器放大示意图,5.4质谱仪的主要性能指标,一、质量测定范围：表示质谱仪能够进行分析的样品的相对原子质量（或相对分子量）范围。通常采用原子质量单位（atomic mass unit，符号）进行度量，原子量单位由12C来定义的，既一个处于基态的12C中性原子的质量的1/12，即：1=1/12（12C）=1.6605410-24g/12C原子=1.6605410-27Kg/12C原子,质量测定范围,各种质谱仪具有的质量范围各不相同。测定气体使用的质谱仪，一般质量测定范围在2100，而有机质谱仪一般可达几千。自质谱进入大分子研究的分析领域以来，质量范围已成为被关注和感兴趣的焦点。现代质谱仪可以研究相对分子质量可达几十万的生化样品。,目前,质量范围最大的质谱仪是基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱仪，该种仪器测定的分子质量可高达1 000 000u以上。,二、分辨率,指质谱仪分开相邻质量离子的能力，一般定义是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，则认为两峰已经分开，其分辨率 R=m1/（m2-m1）=m1/m，见下图。,刚好分开的两个质谱峰,当两峰质量数较小时,要求仪器分辨率大，如找不到符合要求的两峰，则任选一峰求R，测其峰高5%处的峰宽W0.05 如果该峰是高斯型的，两式计算结果一样。,例：,要鉴别N2+和CO+（M/z分别为28.006，27.995）两个峰，仪器的分辨率至少要多少？在某质谱仪上测得一质谱峰中心位置为245，峰高5%处的峰宽为0.52，可否满足上述要求？解：要分辨N2+和CO+，要求质谱仪分辨率至少为：Rneed=27.995/（）=2545质谱仪的实际分辨率：RSP=245/0.52=471所以，RSP Rneed 故不能满足要求。,分辨本领由下面几个因素决定,（1）离子通道的半径；（2）加速器与收集器狭缝宽 度；（3）离子源的性质,分辨本领决定仪器的价格,R=500 有机分析，四极滤质器，离子阱等，价格较低。R=10000 同位素质量和分子质量的测定，双聚焦磁式质量分析器，价格为前者的四倍以上。,三、灵敏度,质谱仪的灵敏度:绝对：仪器可以检测到的最小样品量。相对：可以同时检测的大组分与小组分含量之比。分析：输入仪器的样品量与仪器输出的信号之比。,一般商品化双聚焦质谱仪的分辨率,可达150000，质量测定准确率可达0.03g/g，即对于相对分子量为600的化合物可测至误差0.0002u。所以，质谱是纯物质鉴定的最有力的工具之一。,5.5 无机离子与同位素的测定,如前所述，混合离子进入磁场后将沿着不同的半径做圆周运动，打到照相底片的地方，形成若干谱线状的细条，叫做质谱线，每一条谱线对应于一定的质量。从谱线的位置可以知道圆周的半径r，B、U也是固定的、已知的，如果再知带电离子的电荷数，就可以算出它的质量。,实际工作中,可曝光后显影，之后在计算机上用微光电仪输入机读谱图，计算出每个峰的质量数，并打出分子式及每个峰的强度）元素图，元素表格。根据峰强度进行定量。若使用二次电子倍增管，逐个地接受放大聚焦的离子，并输入到计算机，也可得到定性和定量结果。,5.6色谱质谱联用技术简介,质谱仪能够对单一组分提供高灵敏度和特征的质谱图，而色谱技术广泛应用于多组分混合物的分离和分析。将色谱和质谱技术进行联用，可对混合物中微量或痕量组分进行定性和定量分析。就色谱仪和质谱仪而言，两者除工作气压以外，其他性能十分匹配。,因此,可以将色谱仪作为质谱仪的前分离装置，质谱仪作为色谱仪的检测器而实现联用。由于色谱仪的出口压力为101.325kPa(1atm)，流出物必须经过色谱质谱连接器进行降压后，才能进入质谱仪的离子化室，以满足离子化室的低压要求。,气相色谱质谱联用(GCMS),GCMS是两种气相分析方法的结合，两者之间有三种连接方式：直接连接分流连接分子分离器连接,(1)直接连接,只能用于毛细管气相色谱仪和化学离子源质谱仪的联用,(2)分流连接器,在色谱柱的出口处装上分流连接器，类似于分流进样装置。对试样气体的利用率低，因此，大多数的联用仪器采用分子分离器。,(3)分子分离器,分子分离器是一种富集装置（分离载气、富集样品气体），通过分离，使进入质谱仪气流中的样品气体的比例增加，同时维持离子源的真空度常用的分子分离器有：扩散分离器（effusion separator)半透膜分离器（membrane separator)喷射分离器（jet separator)等类型。,GCMS的应用十分广泛：,从环境污染分析，食品，香料和中草药的分析鉴定到医疗诊断；体内药物分析以及法医中毒物分析等诸方面。而且GC-MS还是国际奥林匹克委员会进行药检的有力工具之一。,色-质联用仪,2.液相色谱质谱联用(LC-MS),分离热稳定性差及不易蒸发的样品常用LC。由于LC分离要使用大量的流动相，因而如何有效地除去流动相而不损失样品，是LCMS联用技术的难题之一。LC和MS的接口现在广泛使用的是“离子喷雾(ion sprsy)和“电喷雾(electrospray)”技术，该技术有效地实现了LC与MS的联接。,LC-MS,广泛地应用于体内药物分析、毒物分析、临床化学分析以及蛋白质、肽中氨基酸序列分析和鉴定，它已成为蛋白质组织学中不可缺少的技术之一。,LC-MS(离子阱)联用仪,LC-MSD(四极杆)联用仪,3-甲基戊烯-2质谱图与离子峰,5.7 光谱-质谱联用(ICP-MS),ICP-MS所用电离源是电感耦合等离子体（ICP），它与原子发射光谱仪所用的ICP 是一样的。ICP产生的离子通过接口装置进入质谱仪，接口装置的主要参数是采样深度，也即采样锥孔与焰炬的距离，要调整两个锥孔的距离并对中，同时要调整透镜电压，使离子很好地聚焦,因此,ICP-MS是在质谱仪中采用了ICP做离子源，或者说，是在光谱仪中采用MS作检测器。所以，ICP与MS联用，就是最好的配置，它具备了两者的优点，克服原来各自的不足。ICP-MS是目前分析无机物，特别是金属元素的最强有力工具。,ICP-MS联用仪,人尿液的ICP-MS分析结果报告,大气石英膜分析谱图,The END！,Thanks！,