质谱技术与质谱仪-研究生课程.ppt

,气相色谱/质谱联用仪,1、概述 2、质谱仪性能指标 3、质谱仪仪器组成 4、质谱图中离子主要类型 5、高分辨气相色谱/质谱联用仪,概 述,气相色谱法和质谱法具有的共同点： 1、气相色谱分离和质谱分析过程都是在气态下进行的； 2、气相色谱分析的化合物沸点范围适于质谱分析； 3、两种方法灵敏度相当； 4、两种方法对样品预处理要求有相同之处； 5、两种方法都是分析混合物的理想工具。 因此，可以把气相色谱和质谱仪组合起来成为联用系统。 关键点：在于气相色谱和质谱仪之间的接口，使得从色谱柱流出的组分进入到质谱的离子源时，载气和组分产生的压强不破坏质谱正常运行的真空。,概 述,质谱法是利用带电粒子在磁场或电场中的运动规律，然后按照质量或质荷比（m/z）实现分离分析，测定离子质量及其强度分布。,这种按质量或质荷比大小顺序排列而成的图谱就是质谱图。,质谱分析法主要是通过对样品离子质荷比的分析而实现对样品进行定性和定量的一种方法 电离装置把样品电离为离子 质量分析装置把不同质荷比的离子分开 经检测器检测之后可以得到样品的质谱图,质谱仪基本原理,概 述,1.质谱法是唯一可以确定分子质量的方法； 2.灵敏度高； 3.样品用量少，通常只需微克级样品，检出限 可达10-14 g； 4.质谱仪种类很多，应用范围广，可进行同位素分析，也可进行化学分析，可进行无机成分、有机结构分析，生物样品分析； 被分析对象：气体、液体、固体。,概 述,概 述,气相色谱/质谱联用技术的特点 1、气相色谱作为进样系统，将待测样品进行分离后直接导入质谱进行检测，既满足了质谱分析对样品单一性的要求，还省去了样品制备等过程，提高了对混合物的分离、定性和定量分析效率。 2、质谱作为检测器，检测的是离子质量，获得化合物的质谱图，解决了气相色谱定性的局限性。质谱可以有选择地只检测所需要的目标化合物的特征离子，可以排除基质和杂质峰的干扰，提高灵敏度。 3、可以获得更多信息。化合物的质谱特征加上气相色谱保留时间双重定性信息。,质谱仪性能指标,1. 质量测量范围 它是指质谱仪能够进行分析的样品的相对原子质量范围，以原子质量单位来进行计量。 一个原子质量单位（1u）就是处于基态12C中性原子的质量的1/12。 在非精确测量中，常直接以原子或分子量大小来表示。 质量单位：amu或u，Da或D，1D=0.99734u,质谱仪性能指标,不同仪器： 四极杆：4000Da 离子阱质谱：4000Da 磁质谱：10000Da 傅立叶变换离子回旋共振质谱仪（FT-MS） 50000 Da 飞行时间质谱：无上限 不同要求： 气相色谱：800Da 液相质谱：2000Da 生物分子：10000Da或更大,质谱仪性能指标,2. 分辨本领 指质谱仪分辨相邻质量数离子的能力。定义为：两个相等强度的相邻峰(质量分别为m1和m2)，当两峰间的峰谷不大于峰高的10%时，则可认为两已分开，那么分辨率R=m1/(m2-m1)=m1/m R与离子通道半径r、加速器和收集器狭缝宽度、离子源的性质和质量等因素有关。,质量数为28的三种分子组成的精确质量,若仪器分辨力很低，如RP=200，则对以上三个分子不能分开，混为一峰 若要分开以下混合物，则必需有如下分辨力 CO-C2H4: (RP)2 = 27.994914/(28.031299-27.994914) = 770 N2-C2H4 : (RP)3 = 28.006158/(28.031299-28.006158) = 1100 CO-N2 : (RP)1 = 27.994914/(28.006158-27.994914) = 2490 当仪器分辨力达到770时， 只能够只分开 CO-C2H4 。 当仪器分辨力达到1100时，能够分开CO-C2H4 和N2-C2H4 当仪器分辨力超过2500时，三者全部分开。 一般低分辨仪器在2000左右。10000以上时称高分辨。 FT-MS分辨力可达2百万。,质谱仪性能指标,3、扫描时间,质谱仪性能指标,色谱峰的数据点数目和峰宽以及扫描时间有关 较短的扫描时间，可以获得良好的峰型，但是不利于信号采集 较长的扫描时间，有助于信号采集，但是峰型不好 峰型和信号，二者需折衷考虑,高斯分布的色谱峰,理想的高斯峰应有35个数据点,质谱仪性能指标,同一个色谱峰，但数据点减半,高斯分布的色谱峰,质谱仪性能指标,7个数据点,质谱仪性能指标,4 灵敏度 质谱仪的灵敏度有绝对灵敏度、相对灵敏度和分析灵敏度。 绝对灵敏度：仪器可以检测到的最小样品量； 相对灵敏度：仪器可同时检测的大组分与小组分的含 量比值； 分析灵敏度：输入仪器的样品量与仪器输出的信号的 比值。,质谱仪仪器组成,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。,真空系统,样品入口,检测器,数据系统,质量分析器,离子化方法,大气,质谱仪仪器组成,1、进样系统 进样系统的作用是高效重复地将样品引入到离子源中，并且不能造成真空度的降低。 常用的进样装置有： 间歇式进样 直接探针进样 色谱进样系统（GC-MS、HPLC-MS） 高频感藕等离子体进样系统（ICP-MS）,质谱仪仪器组成,质谱仪仪器组成,常见的几种离子化方式如下表,电子轰击源(Electron Impact，EI) 作用过程： 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+继续受到电子轰击而引起化学键的断裂或分子重排，瞬间产生多种离子。 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）。,质谱仪仪器组成,电子轰击源,式中M为待测分子，M+为分子离子或母体离子。,当电子轰击源具有足够高的能量时(一般为7OeV)，大多数化合物（电离能为10eV）分子不仅可能失去一个电子形成分子离子，而且有可能进一步发生键的断裂，形成大量的各种低质量数的碎片正离子和中性自由基，这些碎片离子可用于化合物的结构鉴定。,质谱仪仪器组成,质谱仪仪器组成,3、真空系统 质谱仪中离子的产生及经过系统必须处于高真空状态。其中，离子源中的真空度：1.310-4-1.310-5 Pa， 质量分析器中的真空度：1.310-6 Pa 一般质谱仪都采用机械泵预抽真空后，再用高效率扩散泵连续地运行以保持真空。现代质谱仪采用分子泵可获得更高的真空度。,高真空的作用： a）避免离子源灯丝损坏； b）减少引起其它分子离子反应，避免质谱图的复杂化； c）防止用作加速离子的几千伏高压引起放电。,质谱仪仪器组成,各类真空泵,4、 质量分析器,质谱仪的质量分析器位于离子源和检测器之间，它的功能是利用不同方式将样品离子按质荷比 m/z 大小分开。 质量分析器的主要类型有：磁分析器（单聚焦质量分析器，双聚焦质量分析器）、飞行时间分析器、四极滤质器（即四级杆）等。,（1）单聚焦质量分析器：它由单个扇形（90o或60o）或半圆形（180o）的均匀磁场组成。,单聚焦质量分析器,单聚焦质量分析器只是将m/z 相同而入射方向不同的离子聚焦到一点（或称实现了方向聚焦）。 但对于m/z 相同而动能（或速度）不同的离子不能聚焦，故其分辨率相对较低，一般为5000。,（2）双聚焦质量分析器： 为克服动能或速度“分散”的问题，即实现所谓的“速度(能量)聚焦”，在离子源和磁分析器之间加一静电分析器（ESA），如下图所示，于两个扇形电极板上加一直流电位Ve，离子通过时的曲率半径为re=U/V，即不同动能的离子re不同，换句话说，相同动能的离子的re相同-能量聚焦了！ ：,当离开入射狭缝的离子束在穿过静电分析器的环形通道时，离子所受到的向心力等于离心力时有：,所以，离子运动的轨道半径r可通过外加静电场来加以控制，只有动能相同的离子才能通过中间狭缝，实现能量聚焦。,具有不同的方向，也就是说，发射角度不同,具有不同的动能,具有相同质荷比的离子在进入入射狭缝时,可以采用单聚焦质量分析器聚焦于出射狭缝,采用单聚焦质量分析器不能完全聚焦于出射狭缝要采用双聚焦质量分析器,它是一种无磁动态质量分析器，根据不同质荷比的离子在无场分离区中的速度不同，引起漂移时间的差异来实现分离。,（3）飞行时间质量分析器(TOF),反射型,直线型,飞行时间质量分析器,如下图，由灯丝发射出的电子在电场作用下射向阳极，运动中央的电子在离子化区与气体分子碰撞并使之电离，在电子控制极上施加一个不大的负脉冲电压，引出离子化区中的正离子，在加速区上加直流负电压，使离子得到加速而获得动能，以速度v飞越长约1m的无场漂移区。,直线型飞行时间质量分析器的工作原理,其速度v为：,由此可见，t 取决于 m/z 的平方根之差。也就是说，离子的质量越小，运动速度越快，运行时间也就越短，也就越早到达接收器。,此离子达到无场漂移管另一端的时间为：,故对于具有不同m/z的离子，到达终点的时间差：,（4）四极杆滤质器 它由四根互相平行的金属电极组成，如下图所示。,在两个相对的极杆之间加电压(U+Vcost)，在另两个相对的极杆上加-(U+Vcost)。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到达检测器。 改变U和V并保持U/V比值一定，可实现不同m/z离子的检测。,5、检测与记录 质谱仪中常用的检测器有法拉第杯、电子倍增器及闪烁计数器、照相底片等。现代质谱仪中的检测器常采用电子倍增管。 现代质谱仪的记录一般都采用较高性能的计算机对产生的信号进行快速接收与处理，同时通过计算机可以对仪器条件进行严格的监控，从而提高精密度和灵敏度。,1、分子离子峰 试样分子在高能电子撞击下产生正离子，即；,M+为分子离子或母体离子。分子离子的质量与化合物的分子量相等。,质谱图中离子主要类型,一般有机分子的电离电位在7-15eV，几乎所有的有机分子都有可以辨认的分子离子峰。 芳香环分子可产生较强的分子离子峰； 高分子量的脂肪醇、醚及胺等产生较小的分子离子峰； 若不考虑同位素的影响，分子离子峰一般具有最高质量。,分子离子峰的稳定性越大，那么质谱图上对应的分子离子峰越高。 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,分子离子峰：质谱图上质荷比最大的峰,a) 律 由、X（卤素）组成的有机化合物，一定是偶数。 由、组成的有机化合物，奇数，奇数；偶数，偶数。,b) 与邻近的峰相差是否合理 分子离子不可能裂解出三个以上的氢原子和小于一个甲基的基团，故分子离子峰的左面不可能出现小于314个质量单位的峰。,2、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。碎片离子峰的峰高与化学键断裂及分子结构有关，碎片离子峰越稳定它的峰高也越高。,烯烃多在双键旁的第一个键上开裂：,烷烃化合物断裂多在C-C之间发生，且易发生在支链上：,如：正己烷,3、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的m1+m2+m 这种亚稳离子峰的表观质量用m*表示，它与m1、m2的关系为：m* = （ m2 ）2 / m1 式中m1为母离子的质量， m2为子离子的质量。 亚稳离子峰具有离子峰宽（约2-5个质量单位）、相对强度低、m/z不为整数等特点，因而很容易从质谱图中观察。,例如：CH4 M=16 12C+1H4=16 M 13C+1H4=17 M+1 12C+2H+1H3=17 M+1 13C+2H+1H3=18 M+2,分子离子峰,同位素离子峰,因为，在甲烷中，I17/I16=0.011。所以，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 =0.044；,4、同位素离子峰 有些元素具有天然存在的稳定同位素，会在质谱图上出现一些M+1，M+2，M+3的峰，由这些同位素形成的离子峰称为同位素离子峰。 同位素离子峰相对峰高取决于分子中同位素的种类、数量和丰度。,5、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发生重排，并丢失掉中性分子或碎片后而形成的离子，称为重排离子。质谱图上相应的峰为重排离子峰。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、酯、含P = O，S = O的化合物、烯烃类和苯类化合物等。,邻位效应,邻位效应发生的条件: 苯环上有邻位取代基 D为杂原子 A原子上有H,麦氏重排条件：存在邻位效应,碎片离子,重排裂解,碰撞裂解,设一有机化合物由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如下：,举例：,分子离子,质谱解析,解析未知物的图谱，可按下述程序进行。 第一步 对分子离子区进行解析（推断分子式） （1）确认分子离子峰，并注意分子离子峰对基峰的相对强度比，这对判断分子离子的稳定性以及确定结构是有一定帮助的。 （2）注意是偶数还是奇数，如果为奇数，而元素分析又证明含有氮时，则分子中一定含有奇数个氮原子。 （3）注意同位素峰中M+1/M及M+2/M数值的大小，据此可以判断分子中是否含有S、CI、Br，并可初步推断分子式。 （4）根据高分辨质谱测得的分子离子的m/z值，推定分子式。,质谱解析,第二步 对碎片离子区的解析 （推断碎片结构） （1）找出主要碎片离子峰。并根据碎片离子的质荷比，确定碎片离子的组成。常见碎片离子的组成见下表,离子 失去的碎片 可能存在的结构 M-1 H 醛，某些醚及胺 M-15 CH3 甲基 M-18 H2O 醇类，包括糖类 M-28 C2H4，CO，N2C2H4， 麦氏重排，CO M-29 CHO，C2H5 醛类，乙基 M-34 H2S 硫醇 M-35 CI M-36 HCI 氯化物 M-43 CH3CO，C3H7 甲基酮，丙基 M-45 C00H 羧酸类 M-60 CH3COOH 醋酸酯,（2）注意分子离子有何重要碎片脱去,m/e 离子 可能的结构类型 29 CHO、C2H5 醛类、乙基 30 CH2NH2 伯胺 43 C3H7 丙基 29、43、57、71 等 C2H5、C3H7 直链烷烃 39、50、71 芳香化合物 芳香化合物 52、65、77 60 CH3COOH 羧酸类、醋酸类 91 C6H5CH2 苄基 105 C6H5CO 苯甲酰基,（3）找出亚稳离子峰，利用m* = m22 / m1，确定m1与m2的关系，确定开裂类型。 第三步 提出结构式 根据以上分析，列出可能存在的结构单元及剩余碎片，根据可能的方式进行连接，组成可能的结构式,当前主要的高分辨仪器（HRGC/HRMS）生产商有3家，分别是沃特世（Waters）、赛默飞世尔科技（Thermo Fisher Scientific）、日本电子（JEOL）。,高分辨气相色谱/质谱联用仪,Waters简介,沃特世(Waters)公司是全球最大的液相色谱、质谱及相关产品专业生产厂家之一，拥有实力最雄厚的研究机构和世界最大的色谱柱生产厂之一，是较早同时生产液相色谱仪器、化学品及数据处理系统三大液相色谱要素的厂商； Waters产品广泛应用于制药、生物技术、食品和饮料、聚合物、环境等各个领域，是较早能提供整体解决方案的供应商； Waters公司高分辨仪器型号为Waters Auto premier。,Thermo Fisher简介,赛默飞世尔科技是全球科学服务领域的领导者，在全球范围内服务超过35万家客户。客户包括医药和生物公司，大学、科研院所和政府机构等；旗下有Thermo Scientific和Fisher Scientific 两个品牌； 赛默飞世尔科技进入中国发展已有30余年，在中国的总部设于上海，并在北京、广州、香港、成都、沈阳等地设立了分公司，员工人数超过1400名，服务于第一线的专业人员超过800名 ； Thermo Fisher高分辨仪器型号为MAT95和Thermo fis