第八章 质谱分析课件

1、第八章质谱分析法Mass Spectrometry，MS主要内容质谱法质谱法的主要作用是：质谱法的主要作用是：（1 1）准确测定物质的分子量）准确测定物质的分子量（2 2）根据碎片特征进行化合物的结构分析）根据碎片特征进行化合物的结构分析8.1 概述M-eM+.A+ + B+.C+ D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 至 今： 广泛应用于各领域应用领域： 原子能工业、石油化工、电子、医药、食品、材料、农业科学、核物理、电子与离子物理、同位素地质学、有机化学、生物化学、地球化学、临床

2、医学、考古、环境监测、空间探索对于高分子材料：无法直接测量，可通过软电离方法测定其主体结构和各种添加剂的化学结构。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热重-质谱联用8.2质谱分析的原理与仪器一、原理1、进样化合物通过气化引入离子化室；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 M-3、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m、电荷及加速电压V有关：

3、21(1)2zVmv5、加速离子进入一个强度为H的磁场，发生偏转，半径 r 为：)2(zHmvr 将（1）（2）合并：) 3(222VrHzm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。1、质量测定范围 质谱仪的质量测定范围表示质谱仪所能够进行分析样品的相对原子质量（或相对分子质量）范围，通常采用原子质量单位（符号u）进行度量。 测定气体用的质谱仪，一般质量测定范围在2100，而有机质谱仪一般可达几千。二、质谱仪的主要性能指标2、分辨本领 定义：对两个相等强度的相邻峰，当两峰间的峰谷不大于其峰高10时，则认为两峰已经分开。2

4、、分辨本领 分辨本领 R ：mmmmmR11213、灵敏度 质谱仪的灵敏度有质谱仪的灵敏度有绝对灵敏度、相对灵敏度和绝对灵敏度、相对灵敏度和分析灵敏度分析灵敏度等几种表示方法。等几种表示方法。 绝对灵敏度绝对灵敏度是指仪器可以检测到的最小样品量；是指仪器可以检测到的最小样品量； 相对灵敏度是相对灵敏度是指仪器可以同时检测的大组分与指仪器可以同时检测的大组分与小组分含量之比；小组分含量之比； 分析灵敏度分析灵敏度则指输入仪器的样品量与仪器输出则指输入仪器的样品量与仪器输出的信号之比。的信号之比。 第八章质谱分析法Mass Spectrometry，MSq进样系统(inlet system) q离

5、子源(ion source)q质量分析器（mass analyzer）q检测器（detecter） q真空系统（Vacuum system）三、质谱仪的组成1、进样系统 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进样一般有两种方法：加热进样法和直接进样法。或者进样一般有两种方法：加热进样法和直接进样法。或者与色谱联用。与色谱联用。加热进样法：将样品在减压下加热，再将得到的样品气加热进样法：将样品在减压下加热，再将得到的样品气体以一定速度送入离子化室。体以一定速度送入离子化室。直接进样法：直接进样法： 直接将样品送入离子源。对于热不稳定直接将样品送入离子源。对于热不稳定

6、样品、或样品极少以及难以气化的样品适合用此法。样品、或样品极少以及难以气化的样品适合用此法。对于蒸汽压低或易分解样品进行衍生化后进样例如：葡萄糖变成三甲基硅醚的衍生物OCH2OHOHOHHOHOOCH2OSiMe3OSiMe3OSiMe3Me3SiOMe3SiOMe3SiCl 2、 离子源(ion source)主要作用是使分析物的分子离子化电子电离源(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

7、学电离（atmospheric pressure chemical ionization APCI)基质辅助激光解吸电离（matrix assisted laserDesorption ionization MALDI)（1） 电子电离源(electron ionization EI)又称电子轰击源，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 碎片多，结构信息丰富， 有标准化合物质谱库；v 不能气化的样品不能分析；v 有些样品得不到分子离子。（2）化学电

8、离源(chemical ionization CI)CH4 + e CH4 + + 2eCH4+ + CH4 CH5 + + CH3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+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。 （3）快原子轰击(fast atom bombardment FAB)高能量的Xe原子轰击涂在靶上的样品，溅射出离子流。适合于高极性、大分子量、低蒸汽压、热稳定性差

9、的样品。FAB一般用作磁式质谱的离子源。（4）电喷雾源 (electronspray ionization ESI)结构：喷嘴，雾化气，干燥气原理：喷雾 蒸发 电压喷雾针带 电 液滴溶 剂 挥发样 品 离子小孔板喷雾针尖电压小孔板电压电场方向图2-1 样品在ESI接口中的离子化过程特点：适用于强极性，大分子量的样品分析 如肽，蛋白质，糖等2 产生的离子带有多电荷3 主要用于液相色谱质谱联用仪3、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

10、）（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）结构：扇形磁场（可以是1800、900 、 600 等）原理：由公式可知：222mH rZV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，

11、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HP6890 GC (Agilent 4 USA)/Micromass Autospec-Ultima NT (Micromass UK)质谱计：双聚焦磁质谱质谱计：双聚焦磁质谱质量范围：质量范围：3000/2000(8kV加速电压加速电压)分辨率：分辨率：800

12、00(10%谷底谷底)灵敏度：电子轰击离子化，灵敏度：电子轰击离子化，分辨率分辨率1000时，时，1g硬硬脂酸甲酯产生脂酸甲酯产生510-7C电量电量离子化方法：离子化方法：EI(电子轰击电子轰击)（3）四极杆分析器 (quadrupole analyzer)直流电压Vdc交流电压Vrf频率为射频区结构： 四根棒状电极，形成四极场 1，3棒： (Vdc +Vrf) 2，4棒：- (Vdc+ Vrf )原理： 在一定的Vdc Vrf 下 ， 只有一定质量的离子可通过四极场，到达检测器。在一定的（Vdc/Vrf)下，改变Vrf 可实现扫描。特点： 扫描速度快，灵敏度高Finnigan Trace

13、2000 GC/MS(Thermo USA)质谱计：四级杆质谱计：四级杆质量范围：质量范围：2-1023u2-1023u分辨率：在分辨率：在1000u1000u可调至可调至2500u2500u灵敏度：电子轰击离子化，无灵敏度：电子轰击离子化，无分流进样分流进样 每秒钟五次全扫描每秒钟五次全扫描(m/z 200-300)1pg(m/z 200-300)1pg八氟萘选八氟萘选择离子检测择离子检测m/z 272m/z 272信噪比信噪比50;20fg50;20fg八氟萘的信噪比八氟萘的信噪比10:110:1。离子化方法：离子化方法：EI(EI(电子轰击电子轰击)（4）离子阱分析器 Ion Trap

14、Analyzer特点：q结构简单q灵敏度高q适于小型联用仪器（GC-MS）（5）飞行时间分析器 （Time of Flight Analyzer） 特点：仪器结构简单,不需要磁场、电场等；扫描速度快，可在10-5 s内观察到整段图谱；无聚焦狭缝，灵敏度很高；可用于大分子的分析（几十万原子量单位），在生命科学中用途很广；GCT(Micromass UK) 质谱计：质谱计：时间飞行质谱时间飞行质谱 质量范围：质量范围：3000/2000(8kV加速电压加速电压) 分辨率：分辨率：5000(FWHM) 灵敏度：电子轰击离子化，灵敏度：电子轰击离子化，进样进样1pg六氯苯，抽提质六氯苯，抽提质量数量数

15、m/z 283.8102，使用，使用20mu的质量窗口，测得的质量窗口，测得信噪比信噪比29:1。4、 离子检测器(detector) 三种检测方法：（1）直接电测法 用金属电极直接接收离子流，时间常数较大，为1s左右，不适于快速分析，测量的线性较好，结构简单；（2）二次效应电测法 使离子引起二次效应，产生二次电子或光子，然后用倍增管或电学方法记录离子流。时间常数远小于1s，适用于快速分析，但需要校正（3）照相记录法 多应用于高频火花源质谱中，检测微量固体组分。5、 真空系统 离子源的真空度应达到 10-3-10-5 Pa， 质量分析器应达到 10-6 Pa。 一般采用机械泵预抽真空，再用扩散

16、泵+分子涡轮泵连续工作。三、质谱图以质荷比m/z为横座标，以对基峰的相对强度为纵座标所构成的谱图，称之为质谱图。所谓基峰，就是指最强离子峰，规定相对强度为100%。 横坐标：质荷比 (m/z) 由于分子或离子碎片大多只带一个正电荷， m/z=质量数，如-CH3离子的质量数(m/z)为15； 纵坐标：离子强度，主要指相对强度 一般规定是最强峰为100，其余各峰均相对于最强峰标识。8.3 离子的类型 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

17、下列过程而形成各种类型的离子：分子离子分子离子碎片离子碎片离子重排裂解碰撞裂解 分子电离一个电子形成的离子所产生的峰（ ABCD+ ）。分子离子的质量与化合物的分子量相等。 对于有机物，杂原子S，O，P，N等上的未共用电子(n电子)对最易失去，其次是电子，再其次是 电子。 分子离子峰若能出现，应位于质谱图的右端，其相对强度取决于裂解产物的稳定性。1、分子离子峰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。1、分子离子峰质谱图上质荷比最大的峰一定为分子离子峰吗？质谱图上质荷比最大的峰一定为分子离子峰吗？如何确定分子离子峰？如何确定分子离子峰？1、

18、分子离子峰(i) CH3I (ii) CH3CN (iii) C2H5NH2 (iv) H2NCH2CH2NH2NH(v)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。碎片离子峰在质谱上位于分子离子峰的左侧。 分子的碎裂过程与其结构有密切的关系。研究最大风度的离子断裂过程，能提供被分析化合物的结构信息。碎片离子峰碎片离子峰m/z15294357859911314271CH3+， C2H5+ ， C3H7+ ， C4H9+ ， C3H7+ ， C10H22+ a 烷烃化合物断裂多在C-C之间发生，且易发生在支链上： b 烯烃多

19、在双键旁的第二个键上开裂： c 苯的最强峰为M+，芳香族化合物将先失去取代基，再形成苯甲离子：d 含C=O键化合物的开裂多在与其相邻的键上：e 对含杂原子的分子，断裂的键位顺序为 位、 位和 位：RX R+X共振稳定化离子共振稳定化离子3、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，称为重重排离子排离子。质谱上相应的峰为重排离子峰，转移的基团常常是氢离子。 重排的类型很多，最常见的是麦式重排：+OHCRCH2CH2CH2HCH2CH2CH2RCO+.4、亚稳离子峰 离子在离开电离室到达收集器之前的飞行过程中，发生分解而形成低质量的离子所产生

20、的峰，称为亚稳离子峰或亚稳峰。 亚稳离子峰是弱而宽的峰，可能跨2-5个质量单位。4、亚稳离子峰 该离子具有质量为m0离子的速度，m1离子的质量，出现在比m1更低的m*处。亚稳离子的表观质量与其真实质量和原离子质量间的关系，可用下列方程式表示： 此公式可用于寻找裂解途径(通过母离子m1与子离子m2的关系) 021*mmm特点：峰弱，峰钝，质荷比一般不是整数。4、亚稳离子峰 由于天然同位素的存在，因此在质谱图上出现M+1，M+2等峰，由这些同位素所形成的峰称之为同位素峰同位素峰。 各元素的最轻同位素的天然丰度最大，一般来说，与物质相对分子质量有关的分子离子峰M，是由最大丰度的同位素所生的。5、同位

21、素峰 分子离子峰：分子离子峰：1616 同位素离子峰：同位素离子峰： ( 13C1H4 )：17 (12C2H1H3 )：175、同位素峰5、同位素峰 在一般有机化合物分子鉴定时，可以通过同位素的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比总是符合统计规律的。5、同位素峰5、同位素峰 同位素峰强比可用二项展开式同位素峰强比可用二项展开式 (a+b)n求出。求出。这里，这里，a是轻质同位素的丰度，是轻质同位素的丰度，b是重质同位素的是重质同位素的丰度，丰度，n是分子中同种卤原子的个数。是分子中同种卤原子的个数。例例1 分子中含两个氯原子分子中含两个氯原子35Cl/37Cl =100

22、/32.5 a : b 3 : 1(a+b)2 = (3 +1)2 = 9+6+1M : （M+2） :（ M+4） = 9：6：1分子中有三个氯原子？分子中有一个氯原子，一个溴原子？ 分子离子峰和碎片离子峰的识别和解析，对有机分子的定性分析十分重要。可以通过选择不同离子源来获得不同的信息。 下图是不同离子源下麻黄碱的质谱图。化学电离与电子轰击源质谱图比较化学电离源化学电离源电子轰击源电子轰击源麻黄碱麻黄碱分子离子峰分子离子峰第八章质谱分析法Mass Spectrometry，MS8.4 质谱定性分析 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，但由于分子

23、离子的稳定性及重排等，质谱图上质荷比最大的峰有时并不一定是分子离子峰。那么，如何辩认分子离子峰呢？解析质谱图的一些规律和经验方法：1）原则上除同位素峰外，分子离子峰是最高质量的峰。但要注意“醚、胺、脂的(M+H)+峰”及“芳醛、醇等的(M-H)+峰”。2）分子离子峰应符合“氮律”。在C、H、O组成的化合物中，分子离子峰的质量数一定是偶数；在含C、H、O、N化合物中，含偶数个N的分子量为偶数，含奇数个N的分子量为奇数。3）分子离子峰与邻近峰的质量差是否合理。有机分子失去碎片大小是有规律的： 如失去H、CH3、H2O、C2H5.，因而质谱图中可看到M-1，M-15，M-18， M-28等峰，而不可

24、能出现M-3，M-14，M-24等峰，如出现这样的峰，则该峰一定不是分子离子峰。4）EI 源中，当电子轰击电压降低，强度不增加的峰不是分子离子峰。分子离子峰的质核比 相对分子质量例：辛酮-4 （C8H16O）质 荷 比 为： 128.1202相对分子质量： 128.2161质荷比：由离子中丰度最大的同位素质量计算得到的。相对分子质量：由分子中各元素同位素质量的加权平均值计算而得。在绝大多数情况下，两者整数部分均相等。?2、化学式的确定（1）高分辨质谱：可分辨质荷比相差很小的分子或碎片离子。 如 CO 和 N2 分子离子的 m/z 均为28，但其准确质荷比分别为28.0040和27.9949，高

25、分辨质谱可以识别它们。（2）低分辨质谱则不能分辨m/z相差很小的碎片离子。如对于CO和N2，通常需通过同位素相对丰度法同位素相对丰度法来确定分子的化学式。 （3）对于化合物CwHxNyOz a/ 由质谱确定其同位素离子峰(M+1) 和(M+2) 与分子离子峰的强度比； b/ 查同位素相对强度表(Beynon表)找到符合条件的可能分子式； c/ 根据前述规则(如氮规则等)进一步筛选； d/ 对比并验证（M+1）和（M+2）的相对强度，确定分子式。 CwHxNyOz分子，其M+1和M+2同位素峰的相对强度，可以按照下面公式进行计算：例：某未知物分子离子峰的m/z为32，M+1峰为0.85。该化合物

26、是CH4O还是N2H4？贝农贝农(Beynon)表表 M=102化合物化合物 M+1 M+2 化合物化合物 M+1 M+2C5H10O2 5.64 0.53 C6H14O 6.75 0.39C5H12NO 6.02 0.35 C7H2O 7.64 0.45C5H14N2 6.39 0.17 C7H4N 8.01 0.28C6H2N2 7.28 0.23 C8H6 8.74 0.34例：若在质量数为102处有分子离子峰，M+1峰和M+2峰相对其强度分别为7.81%和0.35%，根据表中数据，得到该化合物分子式应为？3、结构鉴定根据质谱图，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。采用与标准谱库对照的方法。8.5 质谱定量分析基本要求：组分中至少有一个与其他组分有显著不同的峰；各组分的裂解模型具有重现性；组分的灵敏度具有一定的重现性(1%)；每种组分对峰的贡献具有线性加和性；1.有适当的共校正仪器用的标准物等。 在一定的压强范围内，单纯组份的离子流强度正比于其压强：piImm%100总ppxn 如混合物所产生的质谱中有各单组份的峰，只需测