现代仪器分析——质谱1课件

现代仪器分析实验 HR-LC-MS,张建业、王少敏 2019年6月21日,现代仪器分析方法,分离与纯化 定性分析 定量分析 结构分析 形态分析 热、力、电、磁性能,结构分析（光谱或波谱分析）,获得分子水平的结构信息 结构分析：结构的推导和验证证实鉴定 结构分析特点：快速，用样量少，不破坏样品 提供丰富的结构信息,结构分析,MÖssbauer（穆斯堡尔）谱 X-射线衍射仪 电子能谱 紫外-可见光谱 荧光光谱 红外光谱与拉曼光谱 电子顺磁共振谱 核磁共振谱 质谱,质谱不属于光谱或波谱范畴, 在结构鉴定或结构分析中, 起着其它谱所其不到的作用.,质 谱 (Mass Spectra , MS),有 机 质 谱,Organic Mass Spectra , OMS,质谱不属波谱范围,质谱图与电磁波的波长和分子内某种物理量 的改变无关,质谱是分子离子及碎片离子的质量与其相对 强度的谱, 谱图与分子结构有关,质谱法进样量少, 灵敏度高, 分析速度快,质谱是唯一可以给出分子量, 确定分子式的 方法, 而分子式的确定对化合物的结构鉴定是至关重要的。,特点：,计算机数据 处理系统,真空系统,加速区,进样系统,离子源,质量分析器,检测器,LC-MS仪框图,HPLC 仪,质谱真空系统: 为避免离子与气体分子的碰撞，离子源和质量分 析器的压力在104 - 105 Pa 和 105 - 106 Pa。,压力的匹配,HPLC高压系统: 为达到好的分离效果，HPLC的压力可达到107 Pa ，UPLC更是达到108 - 109 Pa。,进样系统,在不破坏真空度的情况下，使样品进入离子源。,气体可通过储气器进入离子源。,易挥发的液体，在进样系统内汽化后进入离子源。,难挥发的液体或固体样品，通过探针直接插入离子源。,溶液被直接引入大气压离子源。,离子源,离子源与高真空系统连接小分子，中性碎片，自由基被抽出. 在离子源的出口，对离子施加一个加速电压(1000 - 8000eV), 加速后的离子通过狭缝，直线射入质量分析器。离子加速电压值因质量分析器不同而不同。 离子化的方法下面进一步介绍。,离子化的方法,电子轰击电离 Electron Impact Ionization, EI 化学离子化 Chemical Ionization, CI 场电离 Field Ionization, FI 场解吸 Field Desorption, FD 快原子轰击 Fast Atom Bombardment, FAB 基质辅助激光解析电离 Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI 电喷雾电离 Electrospray Ionization, ESI 大气压化学电离 Atmospheric Pressure Chemical Ionization, APCI 大气压光电离 Atmospheric Pressure Photoionization, APPI,电子轰击电离 EI,电子轰击电离又称为电子轰击，或电子电离。是 应用最普遍，发展最成熟的电离方法。 轰击电压 50-70eV, 有机分子的电离电位一般为 7-15eV。可提供丰富的结构信息。 有些化合物的分子离子不出现或很弱。,分子失去电子，生成带正电荷的分子离子 分子离子可进一步裂解，生成质量更小的碎片离子,化学电离 CI,小分子如 CH4 , CH2 (CH3)2等。 以CH4为例,CH4 + e CH4+· + 2e (46%),CH3+ (39%),CH2+·(7%),初级离子: CH4+·, CH3+ , CH2+·,准分子离子QM +,M + CH5+ MH + + CH4,M + C2H5+ MH + + C2H4,M + C2H5+ MH + +C2H6,场电离 FI,当样品蒸汽接近或接触带高正电位的金属针时， 在强电场的作用下发生电离。要求样品分子处于气 态，灵敏度不高，应用逐渐减少。,场解吸 FD,样品不需汽化, 预先附在处理好的场离子发射 体上, 送入离子源, 然后通以微弱电流, 使样品分 子从发射体上解吸下来, 并扩散至高场强的场发射 区, 进行离子化。,适用于难汽化, 热不稳定的样品. 如: 糖类， 肽类，金属有机化合物，聚合物等。,快原子轰击（FAB）,惰性气体Ar或Xe的原子首先被电离并被加速， 使之具有高的动能，在原子枪(atom gun)内进行电荷交换反应：,Ar+(高动能的)+ Ar(热运动的)Ar(高动能的)+ Ar+(热运动的),高动能的Ar或Xe原子束再轰击样品分子使其离子化,FAB是目前广泛使用的软电离技术，适用于难汽化,极性强的大分子。样品用基质调节后黏附在靶物上。 常用的基质有甘油，硫代甘油，3-硝基苄醇，三乙醇胺等。 注意：FAB质谱图中会出现基质分子产生的相应的峰及基质分子与样品分子的结合峰。 例如：3-硝基苄醇作为基质时，会出现m/z 154(MH),136（MHH2O）, 289(MMHH2O) 的峰。,MALDI可使热敏感或不挥发的化合物由固相直接得到 离子。,待测物质的溶液与基质的溶液混合后蒸发，使分析物 与基质成为晶体或半晶体，用一定波长的脉冲式激光进行 照射时，基质分子能有效的吸收激光的能量，使基质分子 和样品分子进入气相并得到电离。,MALDI适用于生物大分子，如肽类，核酸类化合物。可得到分子离子峰，无明显碎片峰。此电离方式特别适合于飞行时间质谱计。,基质辅助激光解析电离 (MALDI),脉冲式激光,电喷雾电离 （ESI） 大气压化学电离 （APCI） 大气压光电离 （APPI）,大气压电离 （Atmospheric Pressure Ionization, API） 应用于HPLC-MS联机时的电离方法，包括：,HPLC,样品溶液,氮气雾化,通过加热 管被汽化,雾化管端 施加高电压,加热管端 尖端放电,溶剂分子电离 样品分子电离,单电荷或多 电荷离子,抽真空,电喷雾电离（ESI）,Z-Spray Interface,质量分析器,质量分析器是质谱计的核心。,不同类型的质量分析器构成不同类型的质谱计。,不同类型的质谱计其功能，应用范围，原理， 实验方法均有所不同。,下面进一步介绍。,磁分析器, 静电分析器 磁分析器- 单聚焦质谱计,只有一扇形磁场的质量分析器又称为磁分析器。,加速后离子具有一定的动能: （ ）， 该动能是由离子在加速电场获得的电势能（zV）转化的。,加速后的离子进入磁场， 其运动方向( I )和磁力线的方向(B)相互垂直。,离子受到一个与其运动方向和磁力线的方向都垂直的力(F)的作用，三者的关系可用左手定则确定。,离子沿着I和B合力的方向运动，即受到磁场的偏转作弧形运动。,当仪器的狭缝固定(R=常数)，B由小到大改变（扫场）， 则离子按m/z由小到大通过狭缝，到达检测器，被收集并记 录下各质荷比的离子的相对强度。,相同m/z的离子，速度相同，色散角不同，经磁场偏转 后，会重新聚在一点上。即静磁场具有方向聚焦，称之单聚焦。,离子作弧形运动的离心力（ ）和受磁场作用的向心力( Bzv ) 大小相等。,静电分析器 + 磁分析器- 双聚焦质谱计,静电分析器由两个同心圆板组成，两圆板之间保持一定的电位差(E)。,静电分析器加在磁分析器之前。加速后的离子在静电分析器中, 受到外斥内吸的电场力(zE)的作用, 迫使离子作弧形运动。,静电分析器只允许具有特定能量的离子通过,达到能量聚焦,提高仪器分辨率。,结合,， 导出,四极质量分析器 四极质谱计 （Quadrupole-Mass Spectrometer, Q-MS）, 由四根带有直流电压（DC）和叠加的射频电压（RF）的准确平行杆构成，相对的一对电极是等电位的，两对电极之间电位相反。当一组质荷比不同的离子进入由DC和RF组成的电场时，只有满足特定条件的离子作稳定振荡通过四极杆，到达监测器而被检测。, 四极质谱结构简单，价廉，体积小，易操作，无磁滞现象，扫描速度快，适合于GC-MS, LC-MS。分辩率不高。,离子漂移管-飞行时间质谱计 （Time of Flight-Mass Spectrometer, TOF-MS）,TOF-MS的核心部分是一个离子漂移管,加速后的离子具有相同的动能, m/z小的离子，漂移运动的速度快，最先通过漂移管，到达检测器。, m/z大的离子，漂移运动的速度慢，最后通过漂移 管，到达检测器。,检测通过漂移管的时间( t )及其相应的信号强度， 可得到质谱图，t为 或s数量级。,适合于生物大分子，灵敏度高，扫描速度快，结 构简单，分辨率随m/z的增大而降低。,傅立叶变换质谱计 （Fourier Transform-Mass Spectrometer, FT-MS ）,傅立叶变换质谱计应该是傅立叶变换离子回旋共振质谱计，是受FT-NMR的启迪。利用不同m/z的离子， 在磁场B的作用下，各自产生不同的回旋频率。若施加一射频场，使其频率等于某一 m/z离子的回旋频率，则离子就会吸收能量而激发。 离子从射频场吸收能量，称之离子的回旋共振。 激发的离子运动速度( v ) 增大，运动轨道半径( r ) 增大，称之离子的回旋运动的激发。, 如果磁场强度（B）一定，改变射频场的频率（） 即可激发不同m/z的离子而得到质谱。 FT-MS的核心为分析室，分析室由三对平行的极 板构成。磁力线沿z轴方向，离子的回旋运动垂直于z轴， 在与x轴方向垂直的两极板上施加激发射频，在与y轴方 向垂直的两极板上检测信号。 FT-MS分辨率极高，目前可得到精确度最高的精确 质量。 FT-MS灵密度高，质量范围宽，速度快，性能可靠。,离子阱质谱计 （ Ion Trap-Mass Spectrometer, IT-MS ）, 由一对环形电极（ring electrod）和两个呈双曲面形的端盖电极（end cap electrode）组成。 在环形电极上加射频电压或再加直流电压，上下两个端盖电极接地。逐渐增大射频电压的最高值，离子进入不稳定区，由端盖极上的小孔排出。因此，当射频电压的最高值逐渐增高时，质荷比从小到大的离子逐次排除并被记录而获得质谱图。离子阱质谱可以很方便地进行多级质谱分析，对于物质结构的鉴定非常有用。,检测记录系统,质量分析器分离并加以聚焦的离子束，按m/z 依次通过狭缝，到达收集器。经接收放大后被记录。 常见检测器： 1.光电倍增器 2.电子倍增器 3.微通道板（Micro Channel Plate, MCP）,质谱计的主要技术指标,质量范围： 指质谱计所检测的单电荷离子的质核比范围.,分辨率（R）：分辨率是质谱计分开相邻两单电荷离子质量 的能力。,分辨率（ R ）是两峰间的峰谷为峰高的10%时的测定值，或两峰各以5%的高度重叠。,质谱术语,基峰: RI 100 , RA 100,质荷比: m / z , z = 1, z = 2，,M 的计算：组成离子的各元素同位素的质子和中子之和,精确质量: 精确质量的计算基于天然丰度最大的同位素 的精确原子量，如： 1H 1.007825 、 12C 12.000000、 14N 14.003074 、 16O 15.994915 ····· 精确度与质谱计的分辨率有关。,CnH2n-6n CnH2n-10S CnH2n-2O CnH2n-22O CnH2n-6 C18H30N C17H24S C20H20 C19H16O C10H32 260.2370 260.1593 260.1560 260