质谱分析

质谱分析法（MassSpectrometry,MS）2内容第一节、质谱法的基本原理第二节、质谱仪第三节、质谱及主要离子峰的类型第四节、质谱法的应用14:533第一节、质谱法的基本原理一、概述•质谱分析法是在高真空系统中测定样品的分子离子及碎片离子质量，以确定样品相对分子质量及分子结构的方法。•化合物分子受到电子流冲击后，形成的带正电荷分子离子及碎片离子，按照其质量m和电荷z的比值m/z（质荷比）大小依次排列而被记录下来的图谱，称为质谱。m/z1529435785991131427114:534质谱分析特点：•应用范围广；•灵敏度高，样品用量少；•分析速度快，并可实现多组分同时测定；•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，无法回收。14:535质谱分析的发展第一台质谱仪：1912年，J.J.Thomson；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；80年代以来：迅速发展。同位素质谱、有机质谱、无机质谱。14:536二、质谱法的产生机理及基本过程1.产生机理质谱法是将样品置于高真空中（＜10-3Pa），并受到高速电子流或强电场等作用，失去外层电子而生成分子离子，或化学键断裂生成各种碎片离子，然后将分子离子和碎片离子引入到一个强的正电场中，使之加速，加速电位通常用到6~8kV，此时可认为各种带正电荷的离子都有近似相同的动能。22mvzV14:537但是不同质荷比（m/z）的离子具有不同的速度，利用离子不同质荷比及其速度差异，质量分析器可以将其分离，然后由检测器测量其强度，记录后得到一张以质荷比为横坐标，以相对强度为纵坐标的质谱图。m/z1529435785991131427114:538质谱分析的四个过程①通过合适的进样装置将样品引入并进行气化；②气化后的样品引入到离子源进行电离—离子化过程；③电离后的离子经过适当的加速后进入质量分析器，按不同的质荷比（m/z）进行分离；④经检测、记录，获得一张谱图。进样系统离子源质量分析器记录（质谱图）检测器14:539第二节、质谱仪质谱仪按用途分：同位素质谱仪（测定同位素）、无机质谱仪（测定无机化合物）、有机质谱仪（测定有机化合物）等。根据质量分析器的工作原理分：静态仪器：采用稳定磁场，按空间位置区分不同质荷比的离子单聚焦和双聚焦质谱仪动态仪器：采用变化的电磁场，按时空来区分不同质荷比的离子飞行时间和四极滤质器式质谱仪14:5310质谱仪的组成进样系统离子源质量分析器检测器1.间歇式进样2.直接进样3.色谱进样1.电子轰击2.化学电离3.场致电离4.场解析5.激光6.快原子轰击7.电喷雾8.ICP1.单聚焦2.双聚焦3.飞行时间4.四极杆5.离子阱1.电子倍增器2.闪烁检测器3.法拉第杯4.照相检测质谱仪一般由进样系统、离子源、质量分析器、检测器和记录系统等组成，还包括真空系统和自动控制数据处理等辅助设备。14:5311一、真空系统质谱仪的离子产生及经过系统必须处于高真空状态离子源：1.3×10-4~1.3×10-5Pa质量分析器：1.3×10-6Pa如果真空度过低，则：①大量氧会烧坏离子源的灯丝；②会使本底增高，干扰质谱图；③引起额外的离子-分子反应，改变裂解模型，使质谱解析复杂化；④干扰离子源中电子束的正常调节；⑤用作加速离子的几千伏高压会引起放电等。14:5312二、进样系统•对进样系统的要求：重复性、不引起真空度降低。•进样方式：间歇式进样直接探针进样色谱进样14:5313三、离子源离子源的作用是将被分析的样品分子电离成带电的离子，并使这些离子在离子光学系统的作用下，会聚成有一定几何形状和一定能量的离子束，然后进入质量分析器被分离。常用离子源：电子轰击电离源（EI）、化学电离源（CI）、场致电离源（FI）、场解析电离源（FD）、快原子轰击电离源（FAB）、激光解析电离源（LD）、电喷雾电离源（ESI）等。硬源：离子化能量高，伴有化学键的断裂，谱图复杂，可得到分子官能团的信息；软源：离子化能量低，产生的碎片少，谱图简单，可得到分子离子峰，即得到分子量信息。14:53141.电子轰击电离源（EI）采用高速(高能)电子束冲击样品，从而产生电子和分子离子M+：M+e→M++2e高能电子束产生的分子离子M+的能态较高的那些分子，将进一步裂解，释放出部分能量，产生质量较小的碎片离子和中性自由基：M+M1++N1·M2++N2·14:5315水平方向：灯丝与阳极间(70V电压)—高能电子—冲击样品—正离子垂直方向：G3-G4加速电极(低电压)—较小动能—狭缝准直G4-G5加速电极(高电压)—较高动能—狭缝进一步准直—离子进入质量分析器。特点：使用最广泛，谱库最完整；电离效率高；结构简单，操作方便；但分子离子峰强度较弱或不出现(因电离能量最高)。加速加速聚焦14:53162.化学电离源（CI）样品分子在承受电子轰击前，被一种反应气(通常是甲烷)稀释，稀释比例约为104:1，因此样品分子与电子的碰撞几率极小，所生成的样品分子离子主要经过离子-分子反应组成。在电子轰击下，甲烷首先被电离：CH4+→CH4+＋CH3+＋CH2+＋CH+＋C+＋H+甲烷离子与分子进行反应，生成加合离子：CH4+＋CH4→CH5+＋CH3CH3+＋CH4→C2H5+＋H214:5317加合离子与样品分子反应：CH5+＋M→MH+＋CH4C2H5+＋M→MH+＋C2H4CH5+＋M→(M-H)+＋CH4+H2C2H5+＋M→(M-H)+＋C2H6复合反应：CH5+＋M→(M+CH5)+(M+17)+C2H5+＋M→(M+C2H5)+＋C2H4(M+29)+(M+1)+(M-1)+14:5318CI和EI所获得到质谱图比较特点：电离能小，质谱峰数少，图谱简单；准分子离子(M+1)+峰大，可提供分子量这一种要信息；不适用于难挥发，热不稳定或极性较大的有机物分析。14:53193.场致电离源（FI）应用强电场诱导样品电离：(电压：7～10kV，d1mm)过程：样品蒸汽邻近或接触带高的正电位的阳极尖端时,由于高曲率半径的尖端处产生很强的电位梯度,使样品分子电离.14:5320FI与EI所产生的质谱图对比FI特点：电离温和，碎片少，主要产生分子离子M+和(M+1)+峰。14:53214.场解析电离源（FD）过程：样品溶液涂于发射器表面—强电场—分子电离—奔向阴极—引入磁场特点：特别适于非挥发性且分子量高达10,0000的分子。样品只产生分子离子峰和准分子离子峰，谱图最为简单。EIFIFD14:53225.快原子轰击电离源（FAB）过程：稀有气体（如氙或氩电离）通过电场加速获得高动能——快原子——快速运动的原子撞击涂有样品的金属板——金属板上的样品分子电离——二次离子——电场作用下，离子被加速后——通过狭缝进入质量分析器。14:5323特点：•分子离子和准分子离子峰强；•碎片离子峰也很丰富；•适合热不稳定、难挥发样品分析；•样品涂在金属板上的溶剂也被电离，谱图复杂化。14:5324四、质量分析器作用：将不同碎片按质荷比m/z分开。质量分析器类型：磁分析器（单聚焦、双聚焦）、飞行时间、四极滤质器（四极杆）、离子阱、离子回旋共振等。14:53251.单聚焦质量分析器依据离子在磁场的运动行为，将不同质量的离子分开进入分析器前，加速离子的动能为：zVmv221HzvRmv2VrHzm222进入分析器后，在磁场H作用下，改作圆周运动，只有离心力与向心力相等时，离子才能飞出弯曲区，即按曲线轨迹飞行。f离＝f向质谱方程式：14:5326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，适合于能量分散较小的离子源。14:5327单聚焦分析器：假定离子的初始能量为零。实际初始能量不为零且各不相同。具有相同质荷比的离子，其初始能量不同通过质量分析器后也不能完全聚焦在一起。离子能量分散对分辨率的影响14:53282.双聚焦质量分析器为了消除离子能量分散对分辨率的影响，通常在扇型磁场前附加一个扇型电场（静电分析器），进入电场的离子受到一个静电力的作用，改做圆周运动：e2RmυEzEzmυRe214:5329双聚焦质量分析器方向聚焦：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)不同的离子会聚静电分析器将具有相同速度（或能量）的离子分成一类；进入磁分析器后，再将具有相同质荷比而能量不同的离子进行分离。分辨率高，但体积大。14:53303.四极滤质器（四极杆质量分析器）特点：•结构简单、体积小，分析速度快，适合与色谱联用•分辨率较高（比磁分析器略低）•准确度和精密度低于磁偏转分析器，对质量较高的离子有质量歧视反应。14:53314.离子阱质量分析器双曲线表面的中心环形电极和两个端盖电极形成一个势阱——构成可变电场(与四极质量分析仪相似)——带电离子在一定轨道上旋转——改变电压——可使相同m/z离子依次离开进入电子倍增器而分离。横截面14:53325.飞行时间质量分析器利用从离子源飞出的离子其动能基本相等，但在加速电压作用下，不同m/z的离子飞行速率不一样：质荷比小的离子飞行速度快，通过不同m/z的离子到达检测器的时间不同而被检测。特点：结构简单、扫描速率快、灵敏度高、质量范围宽。mzVv2zVmLt214:5333五、检测器电子倍增器闪烁检测器法拉第杯照相检测电子倍增器14:5334第三节、质谱及主要离子峰的类型一、质谱的表示方法•以质荷比m/z为横坐标，以对基峰(最强离子峰，规定相对强度为100%)相对强度为纵坐标所构成的谱图，称之为质谱图。丙酮14:5335二、质谱仪的分辨率分辨率是指仪器对质量非常接近的两种离子的分辨能力。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10%时，则认为两峰已经分开，其分辨率：mmmmmR1121（m1m2）14:5336三、离子峰的主要类型1.分子离子峰样品分子失去一个电子而形成的离子称为分子离子。所产生的峰称为分子离子峰或称母峰，一般用符号M+·表示。其中“+”代表正离子，“·”代表不成对电子。M+e-→M+·+2e-•分子离子峰的m/z就是该分子的分子量。14:5337分子离子峰的特点：一般出现在质荷比最高的位置，但有例外。分子离子峰的稳定性取决于分子结构。分子离子峰的强度与结构的关系：a碳链越长，分子离子峰越弱；b存在支链有利于分子离子裂解，故分子离子峰很弱；c饱和醇类及胺类化合物的分子离子弱；d有共振系统的分子离子稳定，分子离子峰强；e环状分子一般有较强的分子离子峰分子离子峰的相对强度取决于M+·相对于裂解产物的稳定性：芳香环＞共轭烯＞烯＞环状化合物＞羰基化合物＞醚＞酯＞胺＞酸＞醇＞高度分支的烃类14:5338分子离子峰的识别：（1）氮规则：•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。（2）分子离子峰与相邻峰的质量差是否合理：•通常在分子离子峰的左侧3～14个质量单位处，不应有其他碎片离子峰出现。如有其它峰（出现），则该峰不是分子离子峰。因为不可能从分子离子上失去相当于3～14个质量单位的结构碎片。14:53392.同位素离子峰除P、F、I外，组成有机化合物的十几种元素都有同位素。因而在质谱中会出现由不同质量的同位素形成的峰（M+1、M+2等），称为同位素离子峰。14:5340对于含S的化合物：I(M+2)+/IM+≈n×4.40（n是分子含S个数）如在CH3Cl、C2H5Cl等分子中ClM+2/ClM=32.5%，而在含有一个溴原子的化合物中(M+2)+峰的相对强度几乎与M+峰的相等。利用同位素离子峰可用来确定分子离子峰。14:53413.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，电