现代分析测试技术

质谱法 MS 相对分子质量精确测定与化合物结构分析的重要工具 第一台质谱仪 1912年 早期应用 相对原子质量 同位素等的测量 现代 有机化合物结构鉴定的重要工具 特殊性 联用技术 相对分子质量测定 发展过程 20世纪40年代 高分辨率质谱仪出现 有机化合物结构分析 20世纪60年代末 色谱 质谱联用仪出现 有机混合物分离分析 促进天然有机化合物结构分析的发展 20世纪90年代 基质辅助激光解吸电离源 电喷雾电离源 大气压化学电离源 开创了质谱技术研究生物大分子的新领域 2002年由于 发明了用于生物大分子的电喷雾离子化和基质辅助激光解吸离子化质谱分析法 美国科学家约翰 芬恩与日本科学家田中耕一共享该年度诺贝尔化学奖 第一节质谱仪分析方法原理第二节质谱仪基本结构及主要类型第三节质谱仪重要实验技术 第十章质谱分析技术 MS 一 方法原理 将样品转化为运动的气态离子 通过对离子的质荷比 m z 分析来实现有机物和无机物的定性和定量分析 复杂化合物的结构分析 各种同位素比的测定 通过分子离子 碎片离子 重排离子等信息 进行化合物结构分析及分子量的确定 由分子离子峰可以确定化合物的分子量 由碎片离子峰可以得到化合物的结构 二 定性分析基础 一定样品 在一定电离条件下得到的质谱图是相同的 三 根据质量分析器 可将质谱仪分为 静态仪器 稳定的电磁场 按空间位置将m z不同的离子分开 动态仪器 采用变化的电磁场 按时间不同来区分m z不同的离子 质谱仪分析方法原理 横坐标 质荷比 纵坐标 离子的强度 离子的绝对强度 取决于样品量和仪器的灵敏度 离子的相对强度 和样品的分子结构 化学键有关 1 利用电磁学原理 使带电的样品离子按质荷比进行分离的装置 2 分析样品以直接进样或通过色谱仪进样方式进入质谱仪 样品气化 3 气化后的样品引入离子源进行电离 得到带有样品信息的离子 分子离子和碎片离子等 4 电离后离子经过适当的加速后进入质量分析器 离子按质荷比M Z分离 并排列分开 5 经电子倍增器检测 即可得到化合物的质谱图 质谱仪基本工作原理 质谱仪与质谱分析原理 进样系统 离子源 质量分析器 检测器 1 气体扩散2 直接进样3 气相色谱 1 电子轰击2 化学电离3 场致电离4 激光 1 单聚焦2 双聚焦3 飞行时间4 四极杆 质谱仪需要在高真空下工作 离子源 10 3 10 5Pa 质量分析器 10 6Pa 1 大量氧会烧坏离子源的灯丝 2 用作加速离子的几千伏高压会引起放电 3 引起额外的离子 分子反应 改变裂解模型 谱图复杂化 原理与结构 仪器原理图 质量测定范围 表示质谱仪所能够进行分析的样品的相对原子量 或相对分子质量 范围 气体质谱2 100 有机质谱一般可达几千 生物医学质谱可以研究相对分子质量可达几十万 分辨本领 标志质谱仪分开相邻质量数的能力 任选一单峰 测其峰高5 处的峰宽W0 05作为 m 两峰质量数越大 要求仪器越高 质谱仪的分辨本领决定了仪器的价格 分辨率500左右 一般有机分析要求 四极滤质器 离子阱 分辨率大于10000 进行准确的同位素质量及有机分子质量的准确测定 双聚焦磁式质量分析器 灵敏度 绝对灵敏度 可以检测到的最小样品量 相对灵敏度 可以同时检测的大组分与小组分含量之比 质谱仪主要性能指标 质谱仪的类型 1 无机质谱仪火花源双聚焦质谱仪 SSMS 电感应耦合等离子体质谱仪 ICP MS 和二次离子质谱仪 SIMS 等 2 同位素质谱仪小型低分辨同位素质谱仪 轻元素 H C S等 大型高分辨的同位素质谱仪 重元素 U Pu Pb等 3 有机质谱仪 用途最广的质谱仪4 生物质谱仪电喷雾电离质谱仪 ESI MS 基质辅助激光解吸电离质谱仪 MALDI MS 快原子轰击质谱仪 FAB MS 离子喷雾电离质谱仪 ISI MS 大气压电离质谱仪 API MS 等 有机质谱仪 1 按进样方式分类直接进样质谱 气相色谱 质谱联用仪 GC MS 液相色谱 质谱联用仪 LC MS 2 按离子化方式分类电子轰击质谱 EI MS 化学电离质谱 CI MS 快原子轰击质谱仪 FAB MS 电喷雾电离质谱仪 ESI MS 等 3 按质量分析器分类单聚焦质谱仪 双聚焦质谱仪 四极杆质谱仪 飞行时间质谱仪 离子阱质谱仪 傅里叶变换质谱仪等 一 进样装置 间歇式进样系统 气体 液体 中等蒸气压的固体 直接进样系统 较难气化的固体 热敏性固体及非挥发性液体 通过色谱仪进样 混合组分 二 电离装置 离子化所需要的能量差异 硬电离 软电离 电子电离源EI 化学电离源CI 快原子轰击源FAB 大气电离源 三 质量分析装置 静态分析器 单聚焦 双聚焦分析器 动态分析器 四极杆分析器 飞行时间分析器 四 检测器装置 离子流计数 高离子电流采用法拉第杯 低离子电流采用电子倍增管 隧道电子倍增器 多通道检测 五 真空系统 采用RP DP 分子泵 联用系统 离子源10 4 10 5Pa 质量分析器10 6 质谱仪器结构及关键部件 进样装置 气体扩散 插入式直接进样杆 适用于有一定挥发性的固体或高沸点液体试样 色谱作为进样装置 GCMS QP2010用直接試料導入装置 1 电子轰击电离源 EI 气体和易挥发的固体试样 2 化学电离源 CI 测定化合物的分子量 不利于结构解析 3 激光解吸电离源 属于软电离技术 用于分析生物大分子 如肽 蛋白质 核酸等 4 快原子轰击电离源 FAB 分析热不稳定 难挥发和强极性的化合物5 电喷雾电离源 ESI 软电离 质谱技术 能快速 准确地测定从小分子到生物大分子或不稳定有机分子的分子量 6 大气压化学电离源 APCI 分析中等极性以上的化合物 质谱分析技术基本电离方式 1 分子离子 样品分子被打掉一个电子 形成分子离子 2 碎片离子 分子离子进一步发生化学键断裂 形成碎片离子 3 重排离子 分子离子发生结构重排 形成重排离子 4 加合离子 通过分子离子反应 生成加合离子 5 同位素离子 电子轰击电离源 EI 离子类型 二 化学电离源 ChemicalIonization CI 离子室内的反应气 甲烷等 10 100Pa 试样的103 105倍 电子 100 240eV 轰击 产生离子 再与试样分子碰撞 产生准分子离子 特点 最强峰为准分子离子 谱图简单 不适用难挥发试样 得到的是非标准谱图 快原子电离源 FAB a 氩气 离子 加速 碰撞 电荷和能量转移 高能原子束 b 高能粒子打在置于涂有非挥发性底物靶上的试样分子使其电离 不加热汽化 特别适合于相对分子质量大 难挥发或热稳定性差的试样分析 例如肽类 低聚糖 天然抗生素 有较强的准分子离子峰和较丰富的碎片离子信息 快原子电离源 FAB 质谱图 电喷雾喷嘴 多层套管 LC 外层 喷射气 特点 使喷出的液体分散成微滴 微滴蒸发 产生多电荷离子 准分子离子 很少碎片离子 MS MS联用 适合多肽 蛋白质 氨基酸分子量的测试 大气压电离 电喷雾电离 ESI法 六 激光解吸电离源 LD 得到的主要是分子离子 准分子离子 碎片离子和多电荷离子较少 常用的基质 2 5 二羟基苯甲酸 芥子酸 烟酸 氰基 4 羟基肉桂酸等 分析试样置于涂有基质的试样靶上 基质分子吸收激光能 与试样分子一起蒸发并使试样分子电离 属于软电离技术 用于分析生物大分子 如肽 蛋白质 核酸等 一 单聚焦磁场分析器 方向聚焦 相同质荷比 入射方向不同的离子会聚 分辨率不高缺少能量聚焦 二 双聚焦分析器 方向聚焦 相同质荷比 入射方向不同的离子会聚 能量聚焦 相同质荷比 速度 能量 不同的离子会聚 质量相同 能量不同的离子通过电场和磁场时 均产生能量色散 两种作用大小相等 方向相反时互补实现双聚焦 静电分析器 扇形电场 能量分析器 离子源狭缝 质量相同 能量不同的离子束 磁分析器 扇形磁场 质量分析器 接收器狭缝 聚焦离子束 静电场能量色散作用与磁场能量色散作用大小相等 方向相反 双聚焦质量分析器 单聚焦质量分析器 双聚焦分析器 三 四极杆质量分析器 特点 分辨率较高 分析速度极快 适合联用仪器 缺点 准确度和精密度低于双聚焦型 1 由四根棒状电极组成 镀金陶瓷或钼合金2 相对两根电极加高压 其中Vdc为直流电压 Vrf为射频电压 四极电场 3 离子进入四极场 产生振动 只允许一定M z的离子通过 离子振幅增大碰到四极杆被吸收 4 改变Vrf 使其他M z的离子顺序通过四极场 质量扫描 四极杆质量分析器 五 飞行时间质量分析器 离子以速度v进入自由空间 漂移区 假定离子在漂移区飞行的时间为t 漂移区长度为L 则 特点 质量范围宽 扫描速率快 不需电场和磁场 分辨率低 原因在于离子进入漂移管前的时间分散 空间分散和能量分散 能量相同 质量越大 达到接收器的时间越长 t L m 2zV 1 2 飞行时间质量分析器 离子检测器 电离室 气体 栅极 L 真空环境 电子接收器 离子漂移管 灯丝 1 离子在漂移管中的飞行时间与离子质量的平方根成正比 E相同 M越大 t越长 2 影响分辨率原因 时间分散 空间分散 能量分散 3 改进技术 激光脉冲电离方式 离子延迟引出技术 离子反射技术 一 标准条件获得谱图 通过电子轰击电离方式 获得质谱图 快原子 电喷雾等没有标准谱图 二 可能性分析 通过计算机检索 对未知化合物进行定性 检索结果可以给出几个可能的化合物 并以匹配度大小顺序列出这些化合物的名称 分子式 分子量 结构式 三 化合物的初步认定 匹配度大于900 1000 可以认定 不能选择相对好 几个匹配度都很好 结构接近 必须利用其他辅助鉴定方法 四 最终认定 根据结果找标准样品进行校对 质谱定性分析技术 一 气相色谱 质谱联用 混合物分析 化学 化工 环境 食品 适用于可以汽化的样品 GC 很好的分离装置 但不能对化合物定性 MS 很好的定性分析仪器 但要求纯样品 二 液相色谱 质谱联用 适用于极性强 分子量大的化合物 关键技术 接口 去除溶剂 并使样品电离 每一类接口装置只适用于某一类分析对象 三 质谱 质谱联用 增加碎片离子的产率 MS MS联用四 毛细管电泳 质谱联用 高效液相分离技术与质谱联用 生命物质检测 医用分析领域 质谱联用技术及优势分析 1 毛发中毒品的分析 分段定量确定吸毒史 短期停止吸毒者尿液中检测不出来 2 新型高效安眠 镇静药分析 麻醉抢劫 药效极强 溶点较高 在GC等仪器上响应很低 易漏检 3 爆炸后的残留物分析 微量组分鉴定 分子量和化合物结构 化学电离源和负化学电离 EI只有低质量的碎片峰 热稳定性差 在色谱中加热分解 4 毒