《波谱分析质谱》PPT课件.ppt

第五章质谱 质谱分析法是物理分析法 早期主要用于相对原子质量的测定和某些复杂化合物的鉴定和结构分析随着GC和HPLC等仪器和质谱仪联机成功以及计算机的飞速发展 使得质谱法成为分析 鉴定复杂混合物的最有效工具 质谱分析法是将不同质量的离子按质荷比 m e 的大小顺序收集和记录下来 得到质谱图 用质谱图进行定性 定量分析及结构分析的方法 突出特点 与核磁 红外 紫外相比 1 质谱法是唯一可以确定分子质量的方法2 灵敏度高 样品用量少通常只需微克级样品 检出限可达10 14g3 应用范围广质谱仪种类很多 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 有机结构分析被分析对象 气体 液体 固体 5 1质谱分析法原理和仪器 一 质谱分析法基本原理质谱法一般采用高速电子来撞击气态分子 将电离后的正离子加速导入质量分析器 然后按质荷比 m e 的大小顺序进行收集和记录 得到质谱图 根据质谱峰的位置进行定性和结构分析 根据峰的强度进行定量分析 原理与结构 仪器原理图 一 高真空系统 在质谱分析中 为了降低背景以及减少离子间或离子与分子间的碰撞 离子源 质量分析器及检测器必须处于高真空状态离子源 10 4 10 5Pa质量分析器 10 6Pa 真空度过低 将会引起 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 用作加速离子的几千伏高压会引起放电 气化样品分子在低压下引入电离室 受到热钨丝或铼丝发射的电子束的轰击 若轰击电子的能量大于试样分子的电离能 分子将失去一个电子而发生电离 M分子失去一个电子形成分子离子 若再提高电子能量 将引起分子中某些化学键的断裂 生成各种碎片离子和中性自由基 提供丰富的分子结构信息 二 离子化 各种正离子在电压为V加速板上加速 加速后速度为 其动能为而在加速电场中获得的势能为eV 加速后离子的势能转化为动能 离子质量 离子速度 离子所带电荷 加速电压 三 离子分离系统 加速后的离子进入磁场中 由于受到磁场的影响 离子作圆周运动 弧形运动 离子的向心力 磁场力 He 和运动的离心力m 2 R相等 磁场强度 离子运动的轨道半径 由上两式得 离子在磁场中的轨道半径R取决于 m e H V 若H和V固定不变 则离子的m e越大 运动半径越大 m e不同 运动半径不同 各种离子按m e的大小顺序分开 固定R和H 连续改变V 离子的m e与V成反比 电压由小变大时 先收集到的是质量大的粒子 固定R和V 连续改变H 离子的m e与H2成反比 H由小变大时 先收集到的是质量小的粒子 二 质谱仪器 质谱仪按质量分析器的不同 可分为单聚焦质谱仪 双聚焦质谱仪 四极滤质器及飞行时间质谱仪等通常质谱仪由六部分组成 真空系统 进样系统 离子源 质量分析器 离子检测器及计算机自动控制和数据处理系统 1 真空系统 一般质谱仪都采用机械泵预抽空后 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 2 进样系统 进样系统的作用是将待测物质 即试样 送进离子源一般有直接进样 间接进样 色谱进样直接进样 高沸点的试液 固体试样可用探针或直接进样器送入离子源 调节温度使试样气化 探针杆通常是一根规格为25cm 6mm 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 如图所示 优点 引入样品量小 样品蒸汽压可以很低 如图所示 注入样品 10 100 g 贮样器 1L 3L 抽真空并加热 样品蒸汽分子 压力陡度 漏隙 高真空离子源 间接进样 一般气体或易挥发试样 色谱进样早期的GC Ms 填充柱色谱 联用仪器中 经色谱分离的组分通过接口元件直接导入离子源 毛细管色谱柱 流量大为降低 采取将色谱柱直接插入离子源的连接方式 借楼仅为一段传输线 GC Ms CE Ms 3 离子源 离子源的作用使样品离子化 并使离子汇聚成具有一定形状和能量的离子束 它是质谱仪的心脏 离子源的结构和性质对质谱仪的分辨率 灵敏度影响很大使物质电离的方法很多 电子轰击 化学电离 火花电离 ICP离子源等 有机物分析 无机物分析 最常用的是电子轰击离子源 电子轰击源 EI 试样在离子源内被气化 电离 有机物在高速电子流的轰击下常常被击出一个电子 形成带一个正电荷的正离子 称为分子离子 M 分子 分子离子 表示正离子 表示不成对的单电子 化学键可以断裂 形成碎片离子 其进一步断裂 形成各种质荷比不同的离子 EI源的特点 电离效率高 灵敏度高 应用最广 标准质谱图基本都是采用EI源得到的 稳定 操作方便 电子流强度可精密控制 结构简单 控温方便 离子室内的反应气 甲烷等 10 100Pa 样品的103 105倍 电子 100 240eV 轰击 产生离子 再与试样分离碰撞 产生准分子离子 化学电离源 ChemicalIonization CI 最强峰为准分子离子 谱图简单 不适用难挥发试样 化学电离法是通过离子 分子反应来进行 而不是用强电子束进行电离 离子与试样分子按一定方式进行反应 转移一个质子给试样或由试样移去一个电子 试样则变成带 1电荷的离子 化学电离源一般在1 3 102 1 3 103Pa 现已发展为大气压下化学电离技术 压强下工作 其中充满甲烷CH4 CH4 和CH3 很快与大量存在的CH4分子起反应 即 CH4 CH4 CH5 CH3 CH3 CH4 C2H5 H2 首先用高能电子 使CH4电离产生CH5 和C2H5 即 CH4 e CH4 2eCH4 CH3 H CH5 和C2H5 不与中性甲烷进一步反应 一旦小量样品 试样与甲烷之比为1 1000 导入离子源 试样分子 RH 发生下列反应 CH5 RH RH2 CH4C2H5 RH R C2H6RH2 和R 然后可能碎裂 产生质谱 由 M H 或 M H 离子很容易测得其相对分子质量 场致电离源 FI 电压 7 10kV d 1mm 强电场将分子中拉出一个电子 分子离子峰强 碎片离子峰少 不适合化合物结构鉴定 4 质量分析器 质谱仪的主体 质量分析器的作用是将离子源产生的离子按照质荷比m e的大小分离 使符合条件的离子飞过分析器 不符合条件的离子即被过滤掉常见的有单聚焦质量分析器 双聚焦质量分析器和四极滤质器等 1单聚焦分析器 singlefocusingmassanalyzer 1 单聚焦质量分析器 通过磁场来实现将离子按质荷比分离 内部主要为电磁铁从离子源射入的离子束在磁场作用下 由直线运动 改作圆周运动 不同质荷比的离子 运动半径R不同 被质量分析器分开 但在质谱仪中 出射狭缝和离子检测器的位置固定 运动半径是固定的 一般采用连续改变加速电压或磁场的强度 使不同质荷比的离子依次通过出射狭缝到达检测器 若固定加速电压V 连续改变磁场强度H 称为磁场扫描m e H2若固定磁场强度H 连续改变加速电压V 称为电场扫描m e 1 V常用的为磁场扫描 无论什么扫描 m e相同的离子汇聚成离子束 即方向聚焦单聚焦质量分析器结构简单 操作方便 但分辨率低 结论 1离子的m e大 偏转半径也大 通过磁场可以把不同离子分开2在一定加速电压V 改变磁场强度H下 或在一定磁场强度H下 连续改变加速电压V 可以使不同离子先后通过检测器 实现质量扫描 得到质谱 3特点结构简单 操作方便分辨率低 2 双聚焦质量分析器 高分辨率质谱仪一般采用双聚焦质量分析器单聚焦质量分析器中离子源产生的离子在进入加速电场前 其初始能量并不为零 能量各不相同 最后不能全部聚焦在检测器上 使仪器分辨率低 使用双聚焦质量分析器可解决离子能量分散的问题 2 双聚焦分析器 Doubpefocusingmassanalyzer 静电场 磁场 双聚焦质量分析器是指同时实现方向聚焦和能量 速度 聚焦 将一静电场分析器置于离子源和磁场之间 静电分析器是由恒定电场下的一个固定半径的管道构成 加速的离子束进入静电场后 只有动能与其曲率半径相应的离子才能通过狭缝2进入磁场 在进行方向聚焦之前 实现了能量 或速度 上的聚焦 大大提高分辨率 结构 磁场电场原理 能量聚焦方向聚焦磁偏转特点 高分辨率操作复杂 五 离子检测器和记录系统 经质量分析器分离的离子 到达检测器进行接受检测 经放大器放大后 由记录仪记录下来 常用离子检测器 静电式电子倍增器 法拉第筒接受器 照相版和闪烁计数器等 10 3质谱图和主要离子峰 一 质谱的表示方法在质谱分析中 质谱的表示方法有条图和表格形式 图10 1是一张条图 又称质谱图 以质荷比m z为横坐标 离子相对强度为纵坐标 相对强度是把原始质谱图上最强的离子峰定为基峰 规定其相对强度为100 其它离子峰以对基峰的相对百分值表示 由质谱图很直观地观察整个分子的质谱信息 质谱表是用表格形式表示质谱数据 由质谱表可准确地给出m e值及相对强度 正丙烷的质谱 二 质谱中主要离子峰 从质谱图上可看到许多离子峰 这些峰的m e和相对强度取决于分子结构 还与仪器类型 实验条件有关 质谱中出现离子峰 归纳起来有以下几种 分子离子峰 碎片离子峰 同位素离子峰 重排离子峰及亚稳离子峰等 一 分子离子峰 分子受电子束轰击后失去一个电子而形成的离子称分子离子峰分子分子离子由所形成的峰称为分子离子峰 因此 分子离子峰的m e的数值就是该化合物的相对分子质量Mr 是有机化合物的重要质谱数据 分子离子峰若能出现 应位于质谱图的右端 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 其相对强弱随化合物结构而变化 其强弱顺序一般为芳环 共轭多烯 烯 环状化合物 羰基化合物 醚 胺 酯 酸 高度分支的烃类 醇 分子离子峰的强弱也与实验条件有关 质谱图上质荷比最大的峰一定为分子离子峰吗 如何鉴别分子离子峰 2 分子离子的判断 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 分子离子峰与相邻峰的质量差必须合理 1 律 2 质量差是否合理 3 分子离子的获得 1 制备挥发性衍生物 2 降低电离电压 增加进样量 3 降低气化温度 4 采用软电离技术 4 分子离子峰强度与结构的关系 二 碎片离子峰 当轰击电子的能量超过分子离子电离所需的能量时 约为50 70eV 使分子离子的化学键进一步断裂 产生质量数较低的碎片 称为碎片离子 在质谱图上相应的峰 称为碎片离子峰 碎片离子峰在质谱图上位于分子离子峰的左侧 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 使结构裂解 产生各种 碎片 离子 例丙酮 m e 58m e 43m e 15分子离子碎片离子进一步断裂产生新的碎片离子分子的断裂即产生什么样的碎片离子与分子结构有密切的关系 通常根据主要碎片离子峰及相对强度为推测分子结构提供参考信息 碎片离子峰 正癸烷 碎片离子峰 碎片离子峰 三 同位素离子峰 除P F I外 组成有机化合物的常见的十几种元素中C H O N S Cl Br等都有同位素 因而在质谱图中会出现不同质量的同位素形成的峰 称为同位素离子峰 例天然碳中 存在12C和13C两种同位素 如果12C组成的分子质量为M 由13C组成的分子质量为M 1 M 1峰为M峰的同位素峰 三 同位素离子峰 M 1峰 由于同位素的存在 可以看到比分子离子峰大一个质量单位的峰 有时还可以观察到M 2 M 3 P259表10 3列出了有机化合物中常见元素的天然同位素丰度 同位素峰的强度与同位素的丰度是相对应的 一般根据M和M 2两个峰的强度来判断化合物中是否含有这些元素 碎片离子峰 四 重排离子峰 分子离子在裂解成碎片时 某些原子或基团重新排列或转移而形成的离子 称为重排离子 质谱图上相应的峰为重排离子峰 重排的类型很多 其中最重要的是麦氏重排 可发生麦氏重排的化合物有 酮 醛 酸 酯等 麦氏重排条件 含有C O C N C S及C C双键与双键相连的链上有 碳 并在 碳上有H原子 氢 H 转移到杂原子上 同时 键发生断裂 生成一个中性分子和一个自由基阳离子 麦氏重排条件 例 m e 72m e 44 位上转移H到O原子上 键断裂 五 亚稳离子峰 离子在离开离子源到达质量分析器之前这一段无场飞行时发生