[物理]分子质谱 - 副本.ppt

分子质谱,在高真空条件下，气态分子在高速粒子流的撞击下，电离成离子，同时发生某些化学键有规律的断裂，生成不同质量的正电荷离子，并按照质荷比(m/z)大小顺序收集记录下来，得到质谱图，根据质谱图谱峰的位置进行定性分析，根据峰的强度大小进行定量分析一、质谱分析原理,进样离子化室加速电场质量分析器检测器记录 试样蒸发电离生成正离子离子分离收集检测记录 质谱仪需要在高真空下工作：离子源（10-310-5 Pa ） 质量分析器（10-6 Pa ）,,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真空度过低，将会引起： 1.大量氧会烧坏离子源灯丝； 2.引起其它分子离子反应，使质谱图复杂化； 3.干扰离子源正常调节； 4.用作加速离子的几千伏高压会引起放电质 谱 仪,Agilent7500系列ICP-MS,Thermo Optek---VG PQ ExCell ICP-MS,工作过程以及主要部件,1．进样系统：易挥发气体或者液体，可以通过“分子漏隙”扩散进入离子室，固体以及高沸点液体，可以使用直接探针进样，混合物可以采用色谱或者毛细管电泳进样。

A:间歇式进样：适于气体、沸点低且易挥发的液体、中等蒸汽压固体注入样品(10-100g)---贮样器(0.5L-3L)---抽真空(10-2 Torr)并加热---样品蒸分子(压力陡度)---漏隙---高真空离子源 B:直接探针进样：高沸点液体及固体 探针杆通常是一根规格为25cm6mm i.d.,末端有一装样品的黄金杯(坩埚)，将探针杆通过真空闭锁系统引入样品,,C:色谱进样系统：将在GC-MS联用中介绍,离子源或电离室,2．离子源或电离室 作用：使试样中分子电离成为离子 主要有：电子电离源、化学电离源、场电离源、快原子轰击电离源、电喷雾电离源等，以电子电离源使用最为广泛离子源或电离室,(1)电子电离源(EI:electron impact)： 在外电场作用下，用铼或者钨产生热电子流(8~100eV)轰击样品，产生分子离子以及分子离子碎片 M + e–  M+ + 2e– M+为分子离子，带有奇数电子 优点：使用广泛，电离效率高，操作方便； 缺点：能量通常为70eV，大量分子离子进一步裂分，降低了分子离子峰的强度离子源或电离室,,离子源或电离室,(2)化学电离源(CI:chemical ionization) 使载气预先电离，载气离子再与样品分子发生低能量的分子–离子反应，生成(M+1)+ 以及(M–1)+ 离子。

例如： 优点：图谱简单：由于不使用高能量的电子流，而采用能量低的二次离子，碎片峰大大减少，准分子离子峰(M+1)+ 、(M–1)+等很强，仍能够提供相对分子量的信息离子源或电离室,(3)场电离源(Field ionization, FI) 应用强电场(电压梯度107-108V/cm)诱导样品电离 过 程：强电场(电极间距0.5-2mm)---分子电子的量子隧道效应*---分子热分解或碰撞---带正电荷的碎片离子---阳极排出并加速进入磁场 *量子隧道效应(Quantum mechanical tunneling): 分子电子被微针“萃出”，分子本身很少发生振动或转动，因而分子不过多碎裂 电极要求：电极尖锐，使用微碳针(W丝上的苯基腈裂解生成)构成多尖陈列电极可提高电离效率 特 点：电离温和，碎片少，主要产生分子离子M+和(M+1)+峰离子源或电离室,,(4)场解吸源(Field desorption, FD) 类似于场电离源，它也有一个表面长满“胡须” (0.01mm长) 的阳极发射器(Emitter) 过 程：样品溶液涂于发射器表面---蒸发除溶剂---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100000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,,离子源或电离室,(5) 快原子轰击(Fast atom bombardment, FAB) 过程：高速电子--- 惰性气体电离---电场加速---高速原子束---撞击涂有样品的金属板---能量转移给样品分子---电离---引入磁场分离. 采用高能快速氩原子轰击样品，适应于极性强、热敏、难挥发化合物、生物分子分子离子峰和准分子离子峰强，碎片离子峰也很丰富离子源或电离室,(6) 电喷雾(ESI)入射狭缝出射狭缝磁场 在针尖上加2.5~6KV高压，样品从针尖小孔喷出，雾状溶液形成一带正电液滴，在热N2气流吹动下，表面溶剂挥发，液滴变小、崩解，产生多电荷正离子，可以用于蛋白质分析，不但可以测定分子量大，而且精度好 (7)高频火花源：只适应于无机物质分析质量分析器,作用：将离子室产生离子，按质荷比(m/z)大小不同分开 类型：磁分析器、飞行时间、四极杆、离子捕获、离子回旋等 (1)单聚焦磁偏转型： 在离子源中产生离子，被电场加速，进入磁场，偏转90，聚焦于收集极式中：eV为在电场电压下获能质量分析器,,因此：r决定于B、V 以及m/e通常，B一定，故改变V，则具有不同m/e的离子依次沿半径为r轨道运行，到达检测器。

当具有相同m/e的离子束，进入入射狭缝时，运动轨迹是分散的，但经过磁偏转质量分析器后，发散离子束重新聚焦于出射狭缝，此功能称为方向聚焦质量分析器,(2)双聚焦型,单聚焦型不能使m/e相同，而能量不同的离子完全聚焦，影响分辨率在电场中,–,因此：只有动能与r匹配的离子才能通过静电分析器，实现能量聚焦，分辨率大大提高质量分析器,(3)飞行时间分析器(Time of flight, TOF) 过程：速度为 的离子，通过一长度为 L的无场漂移管，所需时间为 ， 由于不同m/z的离子，其飞出漂移管的时间不同，因而实现了离子的分离因为连续电离和加速使检测器产生连续输出而不能得到有效信息，因此实际工作中常采用相同频率的电子脉冲电离和脉冲电场加速，被加速的粒子经不同的时间到收集极上，并反馈到示波器上记录，从而得到质谱图 特点：扫描速度快(1000幅/s),可用于研究快速反应或与GC联用；可用于高质量离子分析；体积小，操作容易；分辨率比磁分析器稍差质量分析器,四极质量分析器——分析速度快，常常用于色谱联用.,质量分析器,过程：在两个相对的极杆之间加电压(U+Vcost)，在另两个相对的极杆上加-( U+Vcost)。

与前述双聚焦仪的静电分析器类似，离子进入可变电场后，只有具合适的曲率半径的离子可以通过中心小孔而到达检测器 特点：分辨率比磁分析器略低(max.2000); m/z范围与磁分析器相当；传输效率较高；扫描速度快，可用于GC-MS联用仪质量分析器,(5)离子阱(Ion trap analyzer) 特点：结构简单、易于操作、GC-MS联用可用于m/z200-2000的分子分析质量分析器,6) 离子回旋共振分析器(Ion cyclotron resonance, ICR) 特点：可用于分子反应动力学研究、扫描速度快，可与GC联用、分辨率高、分析质量大、但仪器昂贵检测器,包括法拉第 (Faraday)杯、电子倍增器、闪烁计数器、照相低片等 1) Faraday 杯 特点：可检测10-15A的离子流，但不适于高加速电压下的离子检测 2）电子倍增器：类似于光电倍增管，可测10-18A电流但有质量歧视效应质谱仪的性能指标,1．质量测定范围 2．分辨率：R = , 当两峰质量差△m越小，仪器所需要的分辨率越大 分辨率10000，称为高分辨率，可以测量离子精确质量 例如：CO、CH2 = CH2、N2分子量分别为：27.994914 、 28.0313 、 28.006258， 高分辨率仪器很容易区分相对分子量相同而元素组成不同的峰。

质谱图和质谱表,一、质谱表示方法： 条图(棒图)和表格两种形式，在原始质谱图上，最强的离子峰称为基峰，并规定其强度为100%，其它离子峰以其相对值表示质谱峰主要类型,质谱峰主要类型 : 分子在离子源中可产生各种电离，即同一分子可产生多种离子峰：分子离子峰、同位素离子峰、碎片离子峰、重排离子峰、亚稳离子峰等 设有机化合物由A，B，C和D组成，当蒸汽分子进入离子源，受到电子轰击可能发生下列过程而形成各种类型的离子：,,质谱峰主要类型,1）分子离子峰 ABCD+为分子离子峰，m/z即为分子的分子量对于有机物，杂原子S，O，P，N等上的未共用电子对最易失去，其次是电子，再其次是电子 2) 碎片离子峰 因分子发生键的断裂只需要十几电子伏特的能量，而电子轰击的能量为70eV，因而会产生更小的碎片离子峰质谱峰主要类型,1．分子离子峰： (1)分子失去一个电子形成分子离子或者母离子； (2)特点A：一般出现在质荷比最高位置，存在同位素时例外；分子离子峰稳定性(强度)取决于其分子结构，芳烃、共轭烯烃分子离子峰往往较强；B：分子离子峰左侧3~14个原子质量单位范围内一般不可能出峰;C：分子离子峰应符合氮律：即：相对分子质量为偶数的有机化合物一定含有偶数个氮或者不含有氮; 相对分子质量为奇数的有机化合物一定含有奇数个氮。

原因：常见元素：C、O、S等，质量为偶，化合价也为偶；H 、Cl、 Br、 P等，质量数为奇，化合价也为奇数，只有N反常，质量数为偶，而化合价为奇 分子离子峰主要用途为确定化合物相对分子质量质谱峰主要类型,(3)增强分子离子峰的措施： A：降低轰击源电子流的能量； B：更换离子源(CI、 FI、 FD 、FAB ESI– MS等)； C：制备衍生物，例如：醇酯等 2．同位素离子： (1)由于不同元素同位素含量不同，在质谱图中出现强度不等的同位素峰，同位素峰往往存在于分子离子峰的右边1~2个原子质量单位处，出现(M + 1) + 或者(M + 2) + 峰，对于，同位素峰很强 (2)同位素峰的存在，可以帮助分子式的推导：,质谱峰主要类型,(3)常见同位素及其丰度： F、P、I对于M + 1、 M + 2峰无贡献，对于由C、H、O、N组成化合物中， M + 1贡献主要来自于 ，M + 2贡献主要来自于两个 同时出现，以及 的贡献质谱峰主要类型,对于CxHyNzOw分子，有： (4)对于含有Cl Br 相对丰度较大的，可以按照(a+ b)n展开推算，若两者共存，则由(a + b)m(c + d)n展开。

质谱峰主要类型,例如：CH3Cl (a + b)1 = 3 + 1 CH3Cl2 (a + b)2 = (3 + 1)2 = 32 + 2×3×1 + 12 = 9 + 6 + 1 CH3ClBr (a + b)1(c + d)1 = (3 + 1) + (1 + 1) = 3×1 + (3×1 + 1×1) + 1×1 = 3 + 4 + 1 CHCl2Br (a + b)2(c+d)1=(3+1)2(1+1)=(9+6+ 1)(1+1)= 9×1+9×1+6×1+6×1+1×1+1×1= 9+15+7+1 可以用于分子式的确定质谱峰主要类型,3．碎片离子：分子离子进一步分裂，产生质量数较低的碎片离子，理解碎片离子产生的机理，有助于结构式的推断 4．重排离子 典型的有麦式重排(McLafferty)，特点是–氢转移至羰基氧原子上质谱峰主要类型,5．亚稳离子峰(metastable ion) 由于裂解产生离子(m1)内能不同，内能低，离开离子化室即加速，飞向检测器记录为m1；内能高，可以在质量分析器中裂解生成质量为m2正离子以及中性碎片，显然，由于中兴碎片也具有动能，裂解生成的正离子比。