现代仪器分析测试方法2

现代仪器分析测试方法唐定国Office:7#215＆219Telephone:[phone]Email:[e-mail]质谱（massspectrometer）m/z15294357859911314271概述质谱仪是分子质量精确测定与化合物结构分析的重要工具。第一台质谱仪：1912年；早期应用：原子质量、同位素相对丰度等；40年代：高分辨率质谱仪出现，有机化合物结构分析；60年代末：色谱-质谱联用仪出现，有机混合物分离分析；促进天然有机化合物结构分析的发展；分类：同位素质谱仪；无机质谱仪；有机质谱仪。进样系统离子源质量分析器检测器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4.四极杆质谱仪需要在高真空下工作：离子源（10-310-5Pa）质量分析器（10-6Pa）(1)大量氧会烧坏离子源的灯丝；(2)用作加速离子的几千伏高压会引起放电；(3)引起额外的离子－分子反应，改变裂解模型，谱图复杂。真空系统质谱仪原理与结构电离室原理与结构仪器原理图离子源1，ElectronIonization(EI)源++++:R1:R2:R3:R4:e+M+(M-R2)+(M-R3)+MassSpectrum(M-R1)+EI源：可变的离子化能量(10~240eV)对于易电离的物质降低电子能量，而对于难电离的物质则加大电子能量（常用70eV）。电子能量电子能量分子离子增加碎片离子增加EI源的特点：1，电离效率高，灵敏度高；2，应用最广，标准质谱图基本都是采用EI源得到的；3，稳定，操作方便，电子流强度可精密控制；4，结构简单，控温方便。离子室内的反应气（甲烷等；10~100Pa，样品的103~105倍），电子（100~240eV）轰击，产生离子，再与试样分离碰撞，产生准分子离子。2，化学电离源（ChemicalIonization，CI）特点：1，最强峰为准分子离子；2，谱图简单；3，不适用难挥发试样；++气体分子试样分子+准分子离子电子(M+1)+;(M+17)+;(M+29)+;3，场致电离源（FI）电压：7-10kV；d1mm；强电场将分子中拉出一个电子；分子离子峰强；碎片离子峰少；不适合化合物结构鉴定；阳极+++++++++++++阴极d1mm质量分析器原理在磁场存在下，带电离子按曲线轨迹飞行；离心力=向心力；m2/R=H0eV曲率半径：R=（m）/eH0质谱方程式：m/e=(H02R2)/2V离子在磁场中的轨道半径R取决于：m/e、H0、V改变加速电压V,可以使不同m/e的离子进入检测器。质谱分辨率=M/M（分辨率与选定分子质量有关）加速后离子的动能:(1/2)m2=eV=[(2V)/(m/e)]1/21，单聚焦磁场分析器收集器离子源BS1S2磁场R方向聚焦；相同质荷比，入射方向不同的离子会聚；分辨率不高2，双聚焦分析器离子源收集器磁场S1S2+-方向聚焦：相同质荷比，入射方向不同的离子会聚；能量聚焦：相同质荷比，速度(能量)不同的离子会聚；质量相同，能量不同的离子通过电场和磁场时，均产生能量色散；两种作用大小相等，方向相反时互补实现双聚焦；3，其他类型质量分析器双聚焦质谱仪体积大；色谱-质谱联用仪器的发展及仪器小型化（台式）需要；体积小的质量分析器：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体积小，操作简单；分辨率中等；飞行时间分析器（TimeofFlight，TOF）这种分析器的离子分离是用非磁方式达到的，因为从离子源飞出的离子动能基本一致，在飞出离子源后进入一长约1m的无场漂移管，在离子加速后的速度为：2)2(mUze此离子达到无场漂移管另一端的时间为：t=L/υ由此可见，Δt取决于m／z的平方根之差。因为连续电离和加速将导致检测器的连续输出而无法获得有用信息，所以TOF是以大约10kHZ的频率进行电子脉冲轰击法产生正离子，随即用一具有相同频率的脉冲加速电场加速，被加速的粒子按不同的√(m/z)的时间经漂移管到达收集极上，并馈入一个水平扫描频率与电场脉冲频率一致的示波器上，从而得到质谱图。用这种仪器，每秒钟可以得到多达1000幅的质谱。故对于具有不同m／z的离子，到达终点的时间差)11(21LtUzmzmLt2)/()/(21四极滤质器(QuadrupoleMassFilter)四极滤质器由四根平行的金属杆组成。理想的四杆为双曲线，但常用的是四支圆柱形金属杆，被加速的离子束穿过对准四根极杆之间空间的准直小孔。通过在四极上加上直流电压U和射频电压Vcosωt，在极间形成一个射频场，正电极电压为U＋Vcosωt，负电极为-(U＋Vcosωt).离子进入此射频场后，会受到电场力作用，只有合适m／z的离子才会通过稳定的振荡进入检测器。只要改变U和V并保持U／V比值恒定时，可以实现不同m／z的检测。四极滤质器分辨率和m／z范围与磁分析器大体相同，其极限分辨率可达2000，典型的约为700。其主要优点是传输效率较高，入射离子的动能或角发散影响不大；其次是可以快速地进行全扫描，而且制作工艺简单，仪器紧凑，常用在需要快速扫描的GC－MS联用及空间卫星上进行分析。离子阱检测器离子阱是一种通过电场或磁场将气相离子控制并贮存一段时间的装置。已有多种形式的离子阱使用，但常见的有两种形式：一种是后面要讲到的离子回旋共振技术，另一种是下述的较简单的离子阱。离子阱的典型构造是由一环形电极再加上下各一的端罩电极构成。以端罩电极接地，在环电极上施以变化的射频电压，此时处于阱中具有合适的m/z加的离子将在环中指定的轨道上稳定旋转，若增加该电压，则较重离子转至指定稳定轨道，而轻些的离子将偏出轨道并与环电极发生碰撞。当一组由电离源（化学电离源或电子轰击源）产生的离子由上端小孔中进入阱中后，射频电压开始扫描，陷入阱中离子的轨道则会依次发生变化而从底端离开环电极腔，从而被检测器检测。这种离子阱结构简单、成本低且易于操作，已用于GC－MS联用装置用于m／Z200－2000的分子分析。离子回旋共振分析器（IicCyclotronResonance，ICR）当一气相离子进入或产生于一个强磁场中时，离子将沿与磁场垂直的环形路径运动，称之为回旋，其频率ωc可用下式表示：mzeBrUc回旋频率只与m／z的倒数有关。增加运动速度时，离子回旋半径亦相应增加。回旋的离子可以从与其匹配的交变电场中吸收能量（发生共振）。当在回族器外加上这种电场，离子吸收能量后速度加快，随之回旋半径逐步增大；停止电场后，离子运动半径又变为常数。当一组m／z相同的离子进入时，合适的频率将使这些离子一起共振而发生能量变化，其他m／z离子则不受影响。由于共振离子的回族可以产生称之为相电流的信号，相电流可以在停止交变电场后观察到。将图中开关置于2位时，离子回旋在两极之间产生电容电流,电流大小与离子数有关，频率由共振离子的m/z决定。在已知磁场B存在时通过不同频率扫描,可以获得不同m／z的信息。感应产生的相电流由于共振离子在回旋时不断碰撞而失去能量并归于热平衡状态而逐步消失，这个过程的周期一般在0.1～0.10s之间,相电流的衰减信号与Fourier变换NMR中的自由感应衰减信号（FIDSignal）类似。检测器1，电子倍增管15～18级；可测出10-17A微弱电流；2，渠道式电子倍增器阵列分子离子峰分子电离一个电子形成的离子所产生的峰。分子离子的质量与化合物的分子量相等。有机化合物分子离子峰的稳定性顺序：芳香化合物＞共轭链烯＞烯烃＞脂环化合物＞直链烷烃＞酮＞胺＞酯＞醚＞酸＞支链烷烃＞醇．离子峰的主要类型1，分子离子峰的特点一般质谱图上质荷比最大的峰为分子离子峰；有例外,由稳定性判断。形成分子离子需要的能量最低，一般约10电子伏特。2，分子离子峰的判断由C，H，O组成的有机化合物，M一定是偶数。由C，H，O，N组成的有机化合物，N奇数，M奇数。由C，H，O，N组成的有机化合物，N偶数，M偶数。分子离子峰与相邻峰的质量差必须合理。(1)Ｎ律(2)质量差是否合理3，分子离子峰的获得(1)制备挥发性衍生物ROHROSi(CH3)3RCOOHRCOOCH3CH2N2(CH3)3SiCl(2)降低电离电压，增加进样量84848598988570ev12evm/zm/z3912792611491132791671491137157EICI（3）降低气化温度m/zm/zM206206T=160CT=250CM=390COOC8H17COOC8H17（4）采用软电离技术4，分子离子峰强度与结构的关系M=130M(RA)M(RA)M=130C3CCC4C7CHOC6COOHC8NH2C8OHNC2COC5C6CONH2C5COOClOC4C4C7Cl10010010090208210.50.560.50.10.10.12例如：CH4M=1612C+1H×4=16M13C+1H×4=17M+112C+2H+1H×3=17M+113C+2H+1H×3=18M+2同位素峰分子离子峰同位素离子峰（M+1峰）由于同位素的存在，可以看到比分子离子峰大一个质量单位的峰；有时还可以观察到M+2，M+3。。。。；1615m/zRA13.1121.0133.9149.2158516100171.1贝农(Beynon)表例如：M=150化合物M+1M+2化合物M+1M+2C6H14NOCl8.150.49C7H11N49.250.38C6H14O46.861.0C8H6O38.360.95C7H2O47.751.06C8H8NO29.230.78C7H4NO38.131.06C8H11N2O9.610.61C7H6N2O28.500.72C8H12N39.980.45C7H8N3O8.880.55C9H10O29.960.84碎片离子峰一般有机化合物的电离能为7－13电子伏特，质谱中常用的电离电压为70电子伏特，使结构裂解，产生各种“碎片”离子。H3CCH2CH2CH2CH2CH315712957434357297115H3CCH2CH2CH2CH2CH3H3CCH2CH2CH2CH2CH3H3CCH2CH2CH2CH2CH3H3CCH2CH2CH2CH2CH3CH3CH2CH2CH2CH2CH31529435771正己烷H3CCCH3CH3H3CCHCH3H3CCH2CH3m/z15294357859911314271正癸烷142140127125105711581567751110108959381792766645149292829C2H5ClC2H5BrBrClC2H52943577186M30405060708090H3CCH2CH2CH2H3CCCH3CH357H3CCH2CH2H3CCHCH343M=86有机化合物断裂方式很多，也比较复杂，但仍有几条经验规律可以应用。有机化合物中，C－C键不如C－H键稳定，因此烷烃的断裂一般发生在C－C键之间，且较易发生在支链上。形成正离子稳定性的顺序是三级＞二级＞一级，如2，2′一二甲基丁烷，可以预期在高能离子源中断裂发生在带支链的碳原子周围。形成较稳定的m／z=71或m／z=57的离子。H2NCH2CCH3CH3CH3H3CCH2CCH3CH3CH3CCH3CH3(m/z=71)(m/z=57)H3C在烃烷质谱中C3H5+、C3H7+、C4H7+、C4H9+（m／z依次为41，43，55和57）占优势，在m／z＞57区出现峰的相对强度随m／z增大而减小，而且会出现一系列m／z相差14的离子峰，这是由于碎裂下来一CH2一的结果。在含有杂原子的饱和脂肪族化合物质谱中，由于杂原子的定位作用，断裂将发生在杂原子周围。对于含有电负性较强的杂原子如Cl、Br等，发生以下反应：R＋X→R+＋X·而可以通过共振形成正电荷稳定化的离子时，可发生以下反应：CH3CNH2CH3+CHH3CNH2+CH3CNH2+CH3烯烃多在双键旁的第二个键上断裂