质谱基本原理课件.ppt

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1、第十五章 质谱法(mass spectrometry MS),要求：1 掌握质谱法的基本原理及特点；2 掌握质谱中不同离子的类型及在结构解析中的作用；3 熟悉质谱仪各主要部件的工作原理。,概述generalization,1.质谱分析法(mass spectrometry或mass spectroscopy MS):是利用离子化技术，将物质分子转化为离子，按其质核比(m/z)的差异进行分离测定。,纵坐标：离子的相对强度 横坐标：质荷比 m/z,2.质谱分析的特点：(1).应用范围广：可用于无机成分、有机成分分以及同位素分析；(2).不受试样物态限制：可对气体、液体、固体等进行分析;(3).分析

2、速度快：完成一次扫描仅需1几秒;(4).灵敏度高：检测限可达10-11g；分析速度快，样品用量少。,3.用途：求精确分子量，从而确定分子式 鉴定化合物 推断结构 推算Cl、Br、S等原子数,4.发展史：1911年:世界第一台质谱装置（J.J.Thomson）40年代:用于同位素测定和无机元素分析 50年代：开始有机物分析（分析石油）60年代：研究GC-MS联用技术 70年代：计算机引入 80年代：新的质谱技术出现：快原子轰击电离子源，基质辅助激光解吸电离源，电喷雾电离源，大气压化学电离源；LC-MS联用仪，感应耦合等离子体质谱仪，傅立叶变换质谱仪等 目前质谱分析法已广泛地应用于化学、化工、材料

3、、环境、地质、能源、药物、刑侦、生命科学、运动医学等各个领域。,第一节 基本原理和质谱仪,质谱的形成:气态样品通过导入系统进入离子源，被电离成分子离子和碎片离子，由质量分析器将其分离并按质核比大小依次进入检测器，信号经放大、记录得到质谱图(mass spectrun;MS)。,质谱形成过程示意图,纵坐标：离子的相对强度 横坐标：质荷比 m/z,由上图可见，质谱图的形成与光谱图类似。质谱仪的离子源、质量分析器和检测器分别类似于光谱仪中的光源、单色器和检测器。但两者的原理不同，质谱不属于光谱的范畴。,分光光度计组成示意图,光源,单色器,样品池,检测器,记录装置,一、质谱法的基本原理,选择其中带正电

4、荷的离子使其在电场或磁场的作用下，根据其质荷比(m/z，离子质量与电荷之比)的差异进行分离，按各离子m/z的顺序及相对强度大小记录的图谱即为质谱。,1、基本原理：质谱法是应用多种离子化技术（如高能离子流轰击、化学电离、强电场作用等），使物质分子失去外层价电子形成分子离子（molecular ion;），分子离子中化学键发生某些有规律的断裂而形成不同质量的碎片离子(fragment ion)。,2.质谱图的表示：常见的质谱图是经过计算机处理过的棒图(Bar graphs)。,相对强度(%),相对强度：以质谱中最强峰的高度为100%，并将此峰称为基峰，其余峰按与基峰的比例加以表示，又称相对强度。,

5、注：根据质谱图的峰位可进行定性鉴别，根据相对强度可进行定量测定。,二、质谱仪(Mass Spectrometers),Elan9000电感耦合等离子体质谱仪,双聚焦质谱仪,质谱仪的构成：高真空系统、样品导入系统、离子源、质量分析器、离子检测器及记录装置等。,1.气体扩散2.直接进样3.气相色谱,1.电子轰击2.化学电离3.场致电离4.激光,1.单聚焦 2.双聚焦 3.飞行时间4.四极杆,（一）真高空系统,质谱仪属于高真空装置，因此，高真空系统是使质谱仪正常工作的保障系统。质谱仪的进样系统、离子源、质量分析器、检测器等主要部件均需在高空状态下工作（10-410-6Pa）。,1、高真空的作用：(1

6、)避免离子散射以及离子与残余气体分子碰撞引起能量变化;(2)降低本底和记忆效应。,2、高真空系统的组成：一般由旋转泵和扩散泵串联而成，亦可采用分子泵以获得更高的真空度。,（二）样品导入系统,1.直接进样：适合于单组分、挥发性较低的固体或液体样品。,2.色谱联用导入试样：利用与质谱仪联机的气相色谱仪或高效液相色谱仪将混合物分离后，通过特殊的联机“接口”进入离子源，依次进行各组分的质谱分析。,（三）离子源,1.离子源的作用：将被分析样品离子化，并使其具有一定的能量。,（1）电子轰击源（electron impact source;EI）：常用于有机物电离；,2.离子源的分类及适用条件：,M+e(高

7、速)M.+2e(低速),EI的特点：是最常用的一种离子化方式，能量较高（70eV），所得碎片离子峰比较丰富，常用于标准MS图的制备，便于进行鉴定和结构解析，但所得分子离子峰往往并不很强甚至不能识别，不利于确定分子量。,（2）化学电离源（chemical ionization source，CI）:属于软电离，是极为有用的一种，谱形简单，能提供较强的准分子离子峰和很少的碎片峰。,高能电子流(100240eV)先轰击反应气（如甲烷，气压10100Pa，是样品的103105倍），反应气首先被电离，再与试样分子碰撞，产生准分子离子。,（4）场致电离源（FI）：适用于易变分子的离子化，如碳水化合物、氨基

8、酸、多肽、抗生素和苯丙胺类药物均宜采用；能产生较强的分子离子峰和准分子离子峰。,（3）快原子轰击离子源（FAB)：可直接进行分析，毋需做成衍生物；适用于较大分子的MS分析，而EI、CI、FI、FD等方法只能用于中、小分子有机化合物的测定.,（5）场解吸离子化（FD），负离子化学离子化（NICI），激光解吸（LD）:,（四）质量分析器(mass analyser)：是将离子源中形成的离子按质荷比的差异进行分离的装置。主要有磁分析器和四极杆分析器。,加速后离子的动能:,以磁分析器为例：,电离室原理与结构,质量分析器原理与结构,离子在磁场中的轨道半径R取决于：m/e、H0、V，当加速电压和磁场强度均

9、固定时，不同m/e的离子有不同的运动半径，即磁场可将不同质量的离子按m/e的大小顺序分成不同的离子束，即磁场的质量色散作用。,在磁场存在下，带电离子按曲线轨迹飞行，存在如下关系式：,离子运动半径：,质谱方程式：,当仪器R固定时，若保持磁场强度H0不变，连续改变V(电压扫描)，可使不同质量的离子按m/e的大小顺序通过狭缝到达检测器；若使V保持不变，连续改变H0，也可使不同质量的离子按m/e的大小顺序通过狭缝到达检测器。,质谱方程式：,(1)单聚焦质量分析器(single focusing mass analyser)：,磁场,当H0固定时，不同mv/e的离子具有不同的运动半径，此为磁场的能量色散

10、作用。,能量色散使m/e相同但运动速度稍有差别的离子在通过磁场后发散，导致仪器的分辨率降低。,对离子束仅实现质量色散，方向聚焦，而不能实现能量聚焦。,(2)双聚焦质量分析器(double focusing mass analyser)：,由两部分组成，即静电分析器和磁场分析器。同时实现了能量聚焦和方向聚焦，分辨率比较高，是目前最常用的质量分析器。,缺点：双聚焦质谱仪体积大,双聚焦质谱仪,是由四根平行、对称放置的圆柱形电极组成，对角电极构成两组。两组电极间加一定的直流电压U和高频电压Vcost。利用电压扫描或频率扫描，使不同质荷比的离子依次通过四极杆质量分析器到达收集器。,(3)四极杆质量分析器

11、(quadrupole mass analyzer)：,优点：可在较低的真空度下工作；扫描速度快，有利于色谱仪联用；结构简单，体积小，自动化程度高。缺点：分辨率低于双聚焦质量分析器；质量范围较窄，一般为101000amu（原子质量单位）；不能提供亚稳离子信息。,为了满足色谱-质谱联用仪器的发展及仪器小型化（台式）需要，现在最常用的质量分析器有：,四极杆质量分析器飞行时间质量分析器离子阱质量分析器,串联四极杆飞行时间质谱,气相色谱-质谱仪,液相色谱-质谱仪,Waters Quattro Premier串联四极杆质谱仪,仪器特点：串联四极杆质谱仪可以有多种扫描方式，完成化合物的确证和化合物的结构阐

12、述，以及高灵敏度的定量分析。其扫描方式包括：1全扫描（Full Scan）2选择离子扫描（SIR）3子离子扫描（Product Scan）4中性丢失扫描（Neutral Loss）5母离子扫描（Precursor Scan）6多反应监测（MRM）,色谱质谱联用图,（五）离子检测器,（1）电子倍增管：可测出10-17A微弱电流；（2）微通道板检测器。,（六）质谱仪的主要性能指标,1.分辨率(resolution;R)：是指仪器能分离相邻两质谱峰的能力。,如两种相邻离子正好被分离：RMM,所谓两种离子正好被分离，国际上有两种定义：10%谷和50%谷。即该两峰重叠后形成的谷高为峰高的平均高度的10或

13、50%，则认为该两离子已被分离。目前，磁质谱仪用10谷底的定义，四极质谱仪采用 50%谷高定义。,按分别率高低，可将质谱仪分为低分辨率质谱仪和高分辨率质谱仪：分辨率低于1000的仪器称为低分辨质谱仪，高于10000的称为高分辨质谱仪。,2.灵敏度(sensitivity;S)：是指仪器记录所产生的信号强度与所用样品量之间关系的度量。,3.质量范围(mass range)：是指仪器能够测量的离子质量范围。目前，四极质谱仪的质量范围一般为101000aum，磁质谱仪一般为几十至几千aum。,4.质量准确度(mass accuracy)：又质量精度，即离子质量实测值M与理论值M0的相对误差。,第二节

14、 质谱中主要离子及其裂解类型,在有机质谱中出现的离子有：分子离子、碎片离子、同位素离子、亚稳离子等。不同离子的形成在质谱解析中各有用途。,（一）分子离子（molecular ion）,1、分子电离一个电子形成的离子，称为分子离子，用 表示；2、分子离子的质量与化合物的分子量相等。,特点：,一 质谱中的主要离子：,（二）碎片离子(Fragment Ion),碎片离子是分子离子中某些化学键发生断裂而形成的离子。由于键断裂位置的不同，同一个分子离子能产生不同质量大小的碎片离子，而其相对强度与键断裂的难易有关，即与分子结构有关，因此，碎片离子的峰位及相对强度可提供化合物的结构信息。,正己烷,一般有机化

15、合物的电离能为713eV，质谱中常用的电离电压为70eV，使结构裂解，产生各种“碎片”离子。,（三）同位素离子（isotopic ion）,大多数元素都是由具有一定自然丰度的同位素组成的。在质谱中，会出现含有这些同位素的离子峰。含有同位素的离子称同位素离子（isotopic ion）。组成有机物的常见元素如C、H、O、N、S及卤素等，在自然界多具有天然同位素。它们的同位素丰度比是以丰度最大的轻质同位素为100%计算而得。,例如：CH4 M=1612C+1H4=16 M13C+1H4=17 M+112C+2H+1H3=17 M+113C+2H+1H3=18 M+2,同位素峰,分子离子峰,同位素丰

16、度比：是重质同位素与丰度最大的轻质同位素的峰强度比。即：,应用：由于有机物一般含有C、H、O、N、S、Cl、Br等元素，因此质谱中同位素峰比较常见，由于2H、17O、18O、15N、33S的自然丰度比太小，可忽略不计；34S、37Cl、81Br的丰度比很大，因此，含有S、Cl、Br的分子离子或碎片离子，其M+2峰强度较大。可根据M和M+2两个峰强比推断分子中是否含有S、Cl、Br及其原子数目。,若分子中含有一个Br原子,M:(M+2)=1:1；含两个Br原子，M:(M+2):(M+4)=1:2:1;含三个Br原子，M:(M+2):(M+4):(M+6)=1:3:3:1,有以下几种情况：,1、分

17、子中仅含Cl原子：因为35Cl:37Cl=3:1,若分子中含有一个Cl原子,M:(M+2)=3:1；含两个Cl原子，M:(M+2):(M+4)=9:6:1;含三个Cl原子，M:(M+2):(M+4):(M+6)=27:27:9:1,2、分子中仅含Br原子：因为79Br:81Br=1:1,同位素的峰强比符合二项式(a+b)n，a和b为轻质及重质同位素的丰度比，n为原子数目。例如：分子中有3个氯：n=3、a=3、b=1，代入二项式，即可求出各同位素峰强度比：(a+b)n=a3+3a2b+3ab2+b3=27+27+9+1,3、分子中既有Cl原子又有Br原子：峰强度符合(a+b)m(c+d)n，第一

18、个括号涉及氯同位素(a=3，b=1)，第二个括号涉及溴同位素(c=1，d=1)，m、n是指每种卤元素存在的数目，当m=n=1时，峰强度比为：,(a+b)(c+d)=ac+ad+bc+bd即(3+1)(1+1)=3：3：1：1,所以，M:M+2:M+4=3:4:1,（四）亚稳离子,离子（m1+）脱离离子源后并在磁场分离前，在飞行过程中发生裂解而形成的低质量的离子（m2+），这种离子的能量比在离子源中产生的m2+离子的小，且很不稳定，在质谱中称亚稳离子(metastable ion)，通常用m*表示。,亚稳离子的特点：峰弱，峰强仅为m1+峰的1%3%；峰钝，一般可跨越25个质量单位；质荷比一般不是

19、整数。亚稳离子m*与母离子 m1+及离子m2+的关系如下式所示：,上式可以确定离子间的亲缘关系，有助于了解裂解规律，解析复杂质谱。,例如：对氨基茴香醚在m/z94.8和59.2二个亚稳峰,证明裂解过程为：,即，m/z94.8及59.2亚稳峰的存在，证明m/z80离子是由分子离子经两步裂解产生，而不是一步形成的。,小 结,1、质谱分析法：应用多种离子化技术，使物质分子失去外层价电子形成分子离子，并继续发生某些有规律的裂解而形成不同质量的碎片离子。,这些离子在电场或磁场作用下，根据质荷比的差异进行分离，按各离子m/e的顺序及相对强度大小记录得到质谱。,由于质谱中离子的质量及相对强度代表了物质的性质

20、和结构特点，因此通过质谱解析可进行物质的成分和结构分析。,2、质谱形成过程：,3、离子源：主要作用是将试样离子化，并使其具有一定的能量。,重现性差,4、质量分析器：是将离子源中形成的离子按质荷比的差异进行分离的装置。主要有磁分析器和四极杆分析器。,离子运动半径：,质谱方程式：,5、质谱中主要离子：,分子离子（包括碎片离子）：在最右端，但有时最右端不一定是分子离子峰,同位素离子：根据M、M+2等峰强比推断分子中是否含有Cl、Br及其原子数目。同位素峰强比符合(a+b)n,亚稳离子：脱离离子源后，在飞行过程中发生裂解而形成的低质量离子，峰弱、峰钝、质荷比一般不是正整数，可确定离子间的亲缘关系，有助于了解裂解规律。,作业：1、课本P3351、3题；2、学习指导相应习题。,