第十一章质谱分析p讲义教材.ppt

第十一章 质谱分析法11.2 基本原理11.3质谱仪11.5 质谱联用技术 11.1 概 述11.4质谱图质谱仪的发展史1912年:世界第一台质谱装置40年代: 质谱仪用于同位素测定50年代： 分析石油60年代： 研究GC-MS联用技术70年代： 计算机引入 11.1 概 述质谱法是通过将样品转化为运动的气态离子并按 质荷比（m/z）大小 进行分离记录的分析方法所获得结果即为质谱图（亦称质谱） 质谱法的主要作用是：（1）准确测定物质的分子量（2）根据碎片特征进行化合物的结构分析分析时，首先将分子离子化，然后利用离子在电场或磁场中运动的性质，把离子按质核比大小排列成谱，此即为质谱质谱法分类：按用途分有机质谱无机质谱同位素质谱按原理分单聚焦质谱双聚焦质谱四极质谱飞行时间质谱回旋共振质谱按联用方式分气质联用液质联用质质联用11.2 基本原理11.2.1、基本原理概述 质谱分析是将样品转化为运动的带电气态离子，于磁场中按质荷比(m/z)大小分离并记录的分析方法其过程为可简单描述为：其中，z为电荷数，e为电子电荷，U为加速电压，m为碎片质量，V为电子运动速度离子源轰击样品带电荷的碎片离子电场加速(zeU) 获得动能(1/2mV2)磁场分离(m/z)检测器记录1、进样化合物通过汽化引入离子化室；2、离子化在离子化室，组分分子被一束加速电子碰撞（能量约70eV），撞击使分子电离形成正离子；M M+ + e或与电子结合，形成负离子M + e M3、离子也可因撞击强烈而形成碎片离子：4、荷电离子被加速电压加速，产生一定的速度v，与质量、电荷及加速电压有关：5、加速离子进入一个强度为H的磁场，发生偏转，半径为：将（1）（2）合并：当 r 为仪器设置不变时，改变加速电压或磁场强度，则不同m/z的离子依次通过狭缝到达检测器，形成质量谱，简称质谱。

按质量分析器(或者磁场种类)可分为静态仪器和动态仪器，即稳定磁场（单聚焦及双聚焦质谱仪）和变化磁场（飞行时间和四极杆质谱仪） MS仪器一般由进样系统、电离源、质量分析器、真空系统和检测系统构成11.3质谱仪11.3.1 真空系统 质谱仪中所有部分均要处高度真空的条件下(10-4-10-6Torr或mmHg), 其作用是减少离子碰撞损失离子源的真空度应达到10-3-10-5 Pa，质量分析器的真空度应达到10-6 Pa真空装置：机械真空泵 扩散泵分子涡轮泵a）大量氧会烧坏离子源灯丝；b）引起其它分子离子反应，使质谱图复杂化c）干扰离子源正常调节；d）用作加速离子的几千伏高压会引起放电真空度过低，将会引起：11.3.2. 进样系统进样系统的要求：重复性、不引起真空度降低气体直接导入或用气相色谱进样液体加热汽化或雾化进样固体用直接进样探头 对于蒸汽压低的样品进行衍生化后进样11.3.3. 电离源(室) 将引入的样品转化成为碎片离子的装置电子电离源(electron ionization EI)化学电离源(chemical ionization CI)快原子轰击(fast atom bombardment FAB)电喷雾源(electronspray ionization ESI)大气压化学电离（atmospheric pressure chemical ionization APCI)基质辅助激光解吸电离（matrix assisted laser Desorption ionization MALDI)（1） 电子电离源(electron ionization EI) 由阴极发射电子束，通过离子化室到达阳极，电子能量70eV，有机化合物的电离电位8-15eV。

可在平行电子束的方向附加一弱磁场，使电子沿螺旋轨道前进，增加碰撞机会，提高灵敏度特点： v 碎片离子多，结构信息丰富，有标准化合物质谱库；v 不能汽化的样品不能分析；v 有些样品得不到分子离子；（2）化学电离源(chemical ionization CI) 结构与EI同，但是在离子化室充CH4，电子首先将CH4离解，其电离过程如下：生成的气体离子再与样品分子M反应： CH5 + + M CH4 + MH+CH4 + e CH4 + + 2eCH4+ + CH4 CH5 + + CH3 特点：v得到一系列准分子离子（M+1）+， （M-1）+， （M+2）+等等；vCI源的的碎片离子峰少，图谱简单，易于解释；v不适于难挥发成分的分析11.3.4. 质量分析器 作用是将不同碎片按质荷比m/z分开质量分析器类型：磁分析器、飞行时间、四极杆、离子捕获、离子回旋等质量分析器(mass analyzer)1 单聚焦分析器（single focusing mass analyzer）2 双聚焦分析器（double focusing mass analyzer）3 四极杆分析器 (quadrupole analyzer)4 离子阱分析器 (Ion trap)5 飞行时间分析器(time of flight）6 富立叶变换离子回旋共振 （Fourier tranform ion cyclotron resonance）（1）单聚焦分析器（single focusing mass analyzer）1）结构：扇形磁场（可以是1800 900600等）原理：由（3）式可知：离子的m/Z大，偏转半径也大，通过磁场可以把不同离子分开；当 r 为仪器设置不变时，改变加速电压或磁场强度，则不同m/z的离子依次通过狭缝到达检测器，形成质谱。

2）双聚焦分析器（Double focusing mass analyzer）为什么要双聚焦：进入离子源的离子初始能量不为零，且能量各不相同，加速后的离子能量也不相同，运动半径差异，难以完全聚集解决办法： 加一静电场Ee，实现能量分散：对于动能不同的离子，通过调节电场能，达到聚焦的目的双聚焦分析器的特点：分辨率高5、 检测器(detector) 电子倍增器电子倍增器 电子倍增器的工作原理：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6、检测器的性能指标（1）质量范围指所能检测的M/Z范围四极质谱 M/Z小于或等于1000磁式质谱 M/Z可达到几千飞行时间质谱 M/Z可达到几十万（2）扫描速度指扫描一定质量范围所需时间例如GC-MS：M/Z 1-1000所需时间1s（3）分辨率R质谱对相邻两质量组分分开的能力例如：CO+27.9949N2+28.0061四极质谱恰好能将此分开.但是:ArCl+ 74.9312As+74.9216需要用高分辨质谱.(4) 灵敏度指信噪比大于10时的样品量。

11.4质谱图11.4.1、质谱图 以质荷比m/z为横座标，以对基峰(最强离子峰，规定相对强度为100%)相对强度为纵座标所构成的谱图，称之为质谱图11.4.2、质谱定性分析内容有：1 分子量测定； 2 化学式鉴定 3 结构式鉴定1、分子量确定 根据分子离子峰质荷比可确定分子量，通常分子离子峰位于质谱图最右边，2、化学式的确定a) 高分辨质谱：可分辨质荷比相差很小的分子离子或碎片离子b) 低分辨质谱：通常通过同位素相对丰度法来确定分子的化学式 分子的质谱全貌，而质谱表则可以准确地给出精确的m/z值及相对强度值，有助于进一步分析 分子在离子源中可以产生各种电离，即同一种分子可以产生多种离子峰，主要的有分子离子峰、碎片离子峰、亚稳离子峰和同位素离子峰等一）分子离子峰 试样分子在高能电子撞击下产生正离子，即； M + eM+2e 式中M为待测分子，M+为分子离子或母体离子 几乎所有的有机分子都可以产生可以辨认的分子离子峰有些分子如芳香环分子可产生较大的分子离子峰，而高分子量的脂肪醇、醚及胺等则产生较小的分子离子峰若不考虑同位素的影响，分子离子应该具有最高质量二）碎片离子峰 分子离子产生后可能具有较高的能量，将会通过进一步碎裂或重排而释放能量，碎裂后产生的离子形成的峰称为碎片离子峰。

有机化合物受高能作用时产生各种形式的分裂，一般强度最大的质谱峰相应于最稳定的碎片离子通过各种碎片离子相对峰高的分析，有可能获得整个分子结构的信息因为M+可能进一步断裂或重排，因此要准确地进行定性分析最好与标准谱图进行比较三）亚稳离子峰 若质量为m1的离子在离开离子源受电场加速后，在进入质量分析器之前，由于碰撞等原因很容易进一步分裂失去中性碎片而形成质量m2的离子，即: m1m2+m由于一部分能量被中性碎片带走，此时的m2离子比在离子源中形成的m2离子能量小故将在磁场中产生更大的偏转，观察到的m/z 较小这种峰称为亚稳离子峰，用m*表示它的表观质量m*与m1、m2的关系是： m* = （ m2 ）2 / m1式中m1为母离子的质量， m2为子离子的质量 亚稳离子峰由于其具有离子峰宽大（约25个质量单位）、相对强度低、m/z不为整数等特点，很容易从质谱图中观察 通过亚稳离子峰可以获得有关裂解信息，通过对m*峰观察和测量，可找到相关母离子的质量与子离子的质量m2从而确定裂解途径四）同位素离子峰 有些元素具有天然存在的稳定同位素，所以在质谱图上出现一些M+1，M+2的峰，由这些同位素形成的离子峰称为同位素离子峰。

在一般有机分子鉴定时，可以通过同位素峰统计分布来确定其元素组成，分子离子的同位素离子峰相对强度之比符合一定的统计规律 例如，在CH4的质谱图中，有其分子离子峰m/z =17、16，而其相对强度之比I17/I16=0.011而在丁烷中,出现一个13C的几率是甲烷的4倍，则分子离子峰m/z = 59、58的强度之比I59/I58 = 40.011 13=0.044；同样，在丁烷中出现一个M+2（m/z）同位素峰的几率为 60.011 0.011 12=0.0007；即 I59/I58=0.0007，非常小，故在丁烷质谱图中一般看不到（M+2）+峰五）重排离子峰 在两个或两个以上键的断裂过程中，某些原子或基团从一个位置转移到另一个位置所生成的离子，称为重排离子质谱图上相应的峰为重排离子峰转移的基团常常是氢原子重排的类型很多，其中最常见的一种是麦氏重排这种重排形式可以归纳如下： 可以发生这类重排的化合物有:酮、醛、酸、醋和其它含羰基的化合物，含P = O，S = O的化合物以及烯烃类和苯类化合物等发生这类重排所需的结构特征是分子中有一个双键以及在位置上有氢原子3、结构签定：a) 根据质谱图，找出分子离子峰、碎片离子峰、亚稳离子峰、m/z、相对峰高等质谱信息，根据各类化合物的裂规律，重组整个分子结构。

b) 采用与标准谱库对照的方法. 利用质谱离子流强度与离子数目成正比进行定量1、同位素测定：元素同位素测定和分子同位素测定2、无机痕量分析：ICP-MS（无机质谱）11.4.3、质谱定量分析 GC 具有分离复杂混合物的能力，定量易定性难；而MS多用于纯物质定性分析二者有机结合，可提供复杂混合物定性定量极为有效的工具 将两种或以上的方法结合起来的技术称之为联用技术如GC-MS，LC-MS，CE-MS，GC-FTIR，MS-MS等 11.5 质谱联用技术(Hyphenated method)由于MS要求高真空，因此与MS联用，必须解决真空连结或接口问题GC-MS联用。