质谱--近代测试技术

1、第五章第五章 质谱质谱 Mass SpectrometrySpectrometry NOT SpectroscopylSpectroscopy n. 光谱学, 波谱学, 光谱仪lSpectrometry n. 度谱术，质谱计lSpectrometry : SpectrometerlAbbreviated to: Mass spec. or MS质谱不属波谱范围质谱不属波谱范围质谱图与电磁波的波长和分子内某种物理量质谱图与电磁波的波长和分子内某种物理量 的改变无关的改变无关质谱是分子离子及碎片离子的质量与其相对质谱是分子离子及碎片离子的质量与其相对 强度的谱强度的谱, , 谱图与分子结构有关谱图

2、与分子结构有关 质谱法进样量少质谱法进样量少, , 灵敏度高灵敏度高, , 分析速度快分析速度快它是至今唯一可以确定分子质量的方法它是至今唯一可以确定分子质量的方法, ,在高在高分辨率质谱仪中能够准确测定质量分辨率质谱仪中能够准确测定质量, ,而且可以确而且可以确定化合物的化学式和进行结构分析定化合物的化学式和进行结构分析。 1. 特点特点2. 质谱仪的发展简史质谱仪的发展简史 1912年：年： 世界第一台质谱装置世界第一台质谱装置 1940年代年代: 质谱仪用于同位素测定质谱仪用于同位素测定 1950年代：分析石油年代：分析石油 1960年代：研究年代：研究GC-MS联用技术联用技术 197

3、0年代：计算机引入年代：计算机引入3. 质谱仪的分类质谱仪的分类 有机质谱仪：气有机质谱仪：气-质质 液液-质质 富变质谱仪富变质谱仪 激光解吸飞行时间变质谱仪激光解吸飞行时间变质谱仪 无机质谱仪：无机质谱仪：ICP-MS 同位素质谱仪同位素质谱仪一一 质谱分析法原理质谱分析法原理1.质谱图质谱图 质谱分析是用高速电子来撞击气态分子或原子质谱分析是用高速电子来撞击气态分子或原子, ,将电离后的将电离后的正离子加速导入质量分析器正离子加速导入质量分析器, ,然后在磁场中按质荷比然后在磁场中按质荷比(m/z)(m/z)大小进行收大小进行收集和记录集和记录, ,及得到质谱图。根据质谱峰的位置进行物质

4、的定性和结构分及得到质谱图。根据质谱峰的位置进行物质的定性和结构分析析, ,根据峰的强度进行定量分析。根据峰的强度进行定量分析。第一节第一节 质谱分析法原理和仪器质谱分析法原理和仪器m /z1 52 94 35 78 59 91 1 31 4 27 1MS identifies analytes by:pProducing gas phase ionspSeparating these ions according to m/z ratiopDetecting the ionsSensitive: Detect attomole concentrations2.2.原理原理 试样从进样器进入离

5、子源试样从进样器进入离子源, ,在离子源中产生正离子。正离子加速进入质量分析在离子源中产生正离子。正离子加速进入质量分析器器, ,质量分析器将离子按质荷比大小不同进行分离。分离后的离子先后进入检测器，质量分析器将离子按质荷比大小不同进行分离。分离后的离子先后进入检测器，检测器得到离子信号，放大器将信号放大并记录在读出装置上。检测器得到离子信号，放大器将信号放大并记录在读出装置上。 试样在离子源内被气化、电离。用电子轰击法在试样在离子源内被气化、电离。用电子轰击法在10-5Pa10-5Pa高真空下高真空下, ,以以5050 100eV100eV能量的电子流轰击试样能量的电子流轰击试样, ,有机物

6、常常被击出一个电子有机物常常被击出一个电子, ,形成带一个正电荷的正离子，称为分子离子形成带一个正电荷的正离子，称为分子离子( ) M+e- +2e- 在质谱仪中在质谱仪中,各种正离子被电位差为各种正离子被电位差为800 8000V的负高压电场加速的负高压电场加速,加速后的动加速后的动能等于离子的位能能等于离子的位能zU,即即 加速后的离子进入磁场中加速后的离子进入磁场中,由于受到磁场的作用由于受到磁场的作用,使离子作弧形运动使离子作弧形运动,此时离子此时离子所受的向心力所受的向心力Bz 和运动的离心力和运动的离心力m 2/R相等相等,得得 : M+M+zUm221BzRm2离子质荷比与运动轨

7、道曲线半径离子质荷比与运动轨道曲线半径R的关系的关系:或 质谱分析法的基本公式叫质谱方程式。若加速电质谱分析法的基本公式叫质谱方程式。若加速电压压U U和磁场强度和磁场强度B B都一定时，不同都一定时，不同m/zm/z的离子，由于运动的离子，由于运动的曲线半径不同，在质量分析器中彼此分开。的曲线半径不同，在质量分析器中彼此分开。B RU22zm=2BRU2zm=2()1/2真空系统真空系统Vacuum System进样系统进样系统Sample Inlet检测器检测器Detector数据处理系统数据处理系统Data System质量分析器质量分析器Mass Analyser离子源离子源Ioniz

8、ation Source质谱仪的组成质谱仪的组成Components of any Mass Spectrometer1.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 l离子源和质量分析器的压力在 104 105 Pa和105 106 Pa。l大量氧会烧坏离子源的灯丝；l用作加速离子的几千伏高压会引起放电；l引起额外的离子分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。质谱计构造:真空系统l在不破坏真空度的情况下，使样品进入离子源。l气体可通过储气器进入离子源。l易挥发的液体，在进样系统内汽化后进入离子源。l难挥发的液体或固体

9、样品，通过探针直接插入离子源。进样系统进样系统分子失去电子，生成带正电荷的分子离子 分子离子可进一步裂解，生成质量更小的碎片离子 M+ eM+.+2eM-. 小于1%M+.A+. +B+CD+. 中性分子或碎片 R.50-70eV离子源质量分析器是质谱计的核心不同类型的质量分析器构成不同类型的质谱计 不同类型的质谱计其功能，应用范围，原理， 实验方法均有所不同。 质量分析器 检测记录系统检测记录系统 质量分析器分离并加以聚焦的离子束，按m/z的大小依次通过狭缝，到达收集器。经接收放大后被记录。Sample Introduction:Direct Insertion Probe (DIP)Vac

10、uum sealsCeramic tipSamplelDirect insertion probelConceptually very easy, practically very trickySample Introduction:Gas Chromatography-MS (GC-MS)Vacuum pump+ He from GCSampleSampleHeTo MSlGC output to mass spectrometerlSample already in gas phaseSample Introduction:Liquid Chromatography-MS (LC-MS)l

11、Direct infusion of sample in solutionlSyringe pump: slow steady infusionlOutput from HPLClSeparation and identification of componentslVast majority of solution is solventlMust remove solvent to “see” analytelHistorically: extra pumping and heatinglApplicable to electrospray ionisationlESI: see later

12、电子轰击电离 Electron Impact Ionization, EI化学离子化 Chemical Ionization, CI场电离，场解吸 Field Ionization FD, Field Desorption FD快原子轰击 Fast Atom Bombardment, FAB基质辅助激光解析电离 Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI电喷雾电离 Electrospray Ionization, ESI大气压化学电离 Atmospheric Pressure Chemical Ionization, APCI离子化的方

13、法离子化的方法+: R1: R2: R3: R4: e+M+(M-R2)+(M-R3)+Mass Spectrometer(M-R1)+电子轰击电离电子轰击电离 Electron Impact （EI）电子轰击电离又称为电子轰击，或电子电离。是应用最普遍，发展最成熟的电离方法。轰击电压 50-70eV, 有机分子的电离电位一般为7-15eV。可提供丰富的结构信息。有些化合物的分子离子不出现或很弱 电子轰击电离电子轰击电离 EISoft Ionization EventHard Ionization EventNETHard+Soft Events+FragmentsFragmentseeeee

14、eMMM+(Stable)M+*M+优点：优点：1）稳定）稳定, 质谱图再现性好，便于计算机检索及比较；质谱图再现性好，便于计算机检索及比较；2）离子碎片多，可提供较多的分子结构信息。）离子碎片多，可提供较多的分子结构信息。缺点：缺点：1）样品必须易于气化；）样品必须易于气化；2）当样品分子稳定性不高时，分子离子峰的强度低，甚）当样品分子稳定性不高时，分子离子峰的强度低，甚至不存在分子离子峰。至不存在分子离子峰。 CH4 + e CH4+ + 2e CH4+ + CH4 CH5+ + CH3 CH5+ + M CH4 + (M+H)+ CH5+ + M CH4 + (M-H)+ + H2化学电

15、离是通过离子化学电离是通过离子-分子反应来完成的。反应气体一般是甲烷、分子反应来完成的。反应气体一般是甲烷、异丁烷、氨等异丁烷、氨等, 生成生成(M+H), (M-H)+, (M+NH4)+ 的准分子离子的准分子离子。+气体分子气体分子试样分子试样分子+准分子离子准分子离子电子电子(M+1)+;(M+17) +;(M+29) +;化学电离化学电离（Chemical Ionization，CI）优点：优点：准分子离子峰强度高，便于推算分子量；准分子离子峰强度高，便于推算分子量；缺点：缺点：1）只适用于易挥发、受热不分解的样品；）只适用于易挥发、受热不分解的样品；2）碎片离子峰少，强度低。）碎片离

16、子峰少，强度低。化学电离化学电离 CI小分子如 CH4 , (CH3)2CH 等。 以CH4为例CH4 + e CH4+ + 2e (46%) CH3+ (39%) CH2+(7%)初级离子: CH4+, CH3+ , CH2+CH4+ + CH4 CH5+ + CH3 (48%)CH3+ + CH4 C2H5+ + H2 (41%) CH2+ + 2CH4 C3H5+ + 2H2 (6%) CH5+, C2H5+ , C3H5+ 等为稳定的次级离子。准分子离子QM + M + CH + CH5 5+ + MH + + CH+ CH4 4 M + C2H5+ MH + + C2H4 M + C

17、2H5+ M H + + C2H6 Mass detected is M+H+Not a radical cation: c.f. EIEI & CI: applicable to low MW analytesi.e less than approximately 800 DaltonsCO2C8H17CO2C8H17149100 200 300 400100435771113167EIm/z0100113m/z0100 200 300 400149CI(CH4)261279391CI(CHMe3)100m/z0391100 200 300 400相对丰度/(%)相对丰度/(%)相对丰度/(

18、%)(a)(b)(c)(a) EI源源 (b) CI源（甲烷）源（甲烷） (c) CI源（异丁烷）源（异丁烷）图5-4 邻苯二甲酸二辛酯的质谱图场致电离场致电离Field Ionization Field Desorption （FI，FD）电压：电压：7-10 kV；d1 mm；强电场将分子中拉出一个电子；强电场将分子中拉出一个电子；分子离子峰强；分子离子峰强；碎片离子峰少；碎片离子峰少；不适合化合物结构鉴定；不适合化合物结构鉴定；阳极+阴极d100,000): unlimited mass rangelApplicable to all analytesl Not GC-MS as ver

19、y low pressures are neededlIon orbits in a circular magnetic fieldl If mv=zBr: ion is trapped in circular pathlFrequency of this oscillation = w wcl wc = zB/m m/z = B/wcl w wc is a measure of m/zlVery high cost: 1,000,000lVey few in the worldMass Analysers:Ion Trap Mass AnalyserslType of quadrupole

20、mass analyserlSimilar resolution of 2-4,000lIon is trapped in an electromagnetic fieldlIn a stable oscillationlField strength variedlUnstable oscillation: ion ejected and detectedlVary field strength: scan for all m/zlGenerate mass spectrumlMS-MS and MSn possible离子阱质量分析器 特定m/z离子在阱内一定轨道上稳定旋转，改变端电极电压，

21、不同m/z离子飞出阱到达检测器；LC-MS (离子阱)联用仪器结构示意图Ion DetectionlSample introducedlDIP, GC, LClIon is generatedlEI, CI, FAB, ESI, MALDIlIon is separatedlMagnetic sector, TOF, ion trap, quadrupolelIon must now be detectedl2 Types of detector:lElectron multiplier and scintillation counterIon Detection:Electron Multi

22、plierlIon collides with dynode lBeryllium/copperlCauses emission of electronslRepeated 10-20 timeslCurrent gain 106lCurrent is then measuredlSensitive: single ion detectionlLifetime of 1-2 yearsIon Detection:Scintillation CounterlIon strikes dynodelBeryllium/copperlElectrons then hit phosphorus scre

23、enlLight signal amplified by 106lPhotomultiplier tubeslSensitive: single ion detectionlLifetime of approximately 5 years质谱术语 基峰: RI 100 , RA 100 质荷比: m / z , z = 1, z = 2; m的计算：组成离子的各元素同位素的质子和中子之和。 精确质量: 精确质量的计算基于天然丰度最大的同位素 的精确原子量，如： 1H 1.007825 、 12C 12.000000、 14N 14.003074 、 16O 15.994915 精确度与质谱计

24、的分辨率有关。 质谱图质谱图 横坐标为离子的质核比，纵坐标为离子相对横坐标为离子的质核比，纵坐标为离子相对强度或相对丰度。强度或相对丰度。 乙醇的质谱图如下：乙醇的质谱图如下：Mass Analysers:Factors to ConsiderlUpper mass limit:lHighest m/z that can be detectedlMay be offset by multiple chargeslResolution:lDistinct signals for similar m/z ratioslTransmission:lRatio of ions reaching det

25、ector: ions producedlCost1.1.2 质谱仪的主要性能指标质谱仪的主要性能指标1. 质量范围（质量范围（mass range） 质谱仪所能测定的离子质荷比的范围。质谱仪所能测定的离子质荷比的范围。 四极质谱：四极质谱： 1000以内以内 离子阱质谱：离子阱质谱： 6000 飞行时间质谱：飞行时间质谱： 无上限无上限2. 分辨率（分辨率（resolution）分辨率分辨率R是指质荷比相邻的两质谱峰的分辨能力。是指质荷比相邻的两质谱峰的分辨能力。若近似等强度的质量分别为若近似等强度的质量分别为M1及及M2的两个相邻峰的两个相邻峰正好正好分开，则分开，则质谱仪的分辨率定义为：

26、质谱仪的分辨率定义为：R = ; 式中式中 M = ; M = M2 -M1M MM1+M22国际上：国际上：1）R10%：两峰间的峰谷高度为峰高的：两峰间的峰谷高度为峰高的10%时的测定值；时的测定值；2）一般难以找到两个质量峰等高，且重叠的谷高正好等于）一般难以找到两个质量峰等高，且重叠的谷高正好等于峰高的峰高的10%，则定义：，则定义：R = ; 式中式中 a为其中一峰的峰高为其中一峰的峰高5%处的峰宽处的峰宽; b为相邻两峰的中心距离为相邻两峰的中心距离M Mb a低分辨率质谱仪：低分辨率质谱仪： R 50 1）的分子离子峰所需的样品）的分子离子峰所需的样品量。量。1.1.3 质谱图质

27、谱图横坐标：质荷比横坐标：质荷比 (m/z)纵坐标：纵坐标：相对丰度相对丰度(最强峰的强度定为最强峰的强度定为100%)1008060402020CCH3O7710577105 CO120(M+)5143406080100120m/z相对丰度/(%) 苯乙酮的质谱图 苯乙酮的质谱图苯乙酮的质谱图 Mass Analysers:Resolution (Resolving Power)lAbility to resolve two signals of similar m/zlResolved if valley is 10%lHigher resolution: greater accuracy

28、le.g. R=20,000:Separatem/z 100.0000 from m/z 100.0050lAccuracy needed:lHigh Resolution Mass Spectrometry (HRMS)lDetermine elemental composition of an ionlVital to confirm structureMass Analysers:Calculation of Resolution: RResolution =MassMass differenceRelative abundance %50100499502m/zM1500M2501R

29、= M/ MM = M1 M2 (500) M = M2-M1 (1)R = 500/1 = 500Mass Analysers:High Resolution Mass SpectrometrylHRMS or accurate mass determinationlDetermines elemental compositionlConsider two ions:1) C24H19N+: nominal mass: 3212) C21H23NS+: nominal mass: 321lUsing C=12, H=1, N=14 and S=32lCan we differentiate

30、these two ions?lNeed to calculate the monoisotopic accurate massMass Analysers:HRMS: An ExamplelExact mass of most abundant isotope (monoisotpoic)lC=12.0000, H=1.0078, N=14.0031, S=31.97211) C24H19N+: accurate mass: 321.1513= 321/(321.1546-321.1513)= 97,273lMass spectrometer with R100,000 can distin

31、guish between these two ions2)C21H23NS+: accurate mass 321.1546lR = M/M分子离子: M+ , M - e M+ z=1时， 其m/z等于天然丰度最大的同位素的原子量之和。 碎片离子：广义上指除分子离子以外的所有离子。 重排离子：经过重排，断裂一个以上化学键所生成的离子。 母离子与子离子：任何一个离子进一步裂解为质荷比较小 的离子，前者是后者的母离子或前体离 子，后者是前者的子离子。 质谱中的离子 奇电子离子OE+：带单电荷的离子，如 M+, A+, C+ 在质谱解析中，奇电子离子很重要，因质荷比较小的奇电子离子是由质荷比较大

32、的奇电子离子裂解生成的。 偶电子离子EE+： 带双电荷的离子，如 B+, D+ , E+, 多电荷离子： 如 z=2的离子，存在于稳定的结构中。 准分子离子： MH+, M-H+同位素离子： 非单一同位素的元素在电离过程中产生同 位素离子，同位素离子构成同位素峰簇。 亚稳离子 离子在离子源的运动时间106s数量级, 寿命105s，足以到达检测器。 寿命106-105 s的离子，从离子源出口到达检测器之前裂解并被记录的离子称亚稳离子，以m*表示. m*=m22/m1 亚稳离子的峰有不同程度的扩散，达23质量单位，这是因为m1+ 裂解时，部分内能转化为动能。 在质谱解析中，m*可提供前体离子和子离

33、子之间的关系。 分子离子或准分子离子峰 质谱中分子离子峰的识别及分子式的确定是至关重要的.分子离子峰的识别 假定分子离子峰: 高质荷比区,RI 较大的峰(注意：同位素峰) 判断其是否合理: 与相邻碎片离子(m/z较小者)之间关系是否 合理 m1231516171820丢失HH2H2, HCH3OOHH2O NH2 m = 4-14, 21-24, 37-38通常认为是不合理丢失一、分子离子峰一、分子离子峰 分子电离一个电子形成的离子所产生的峰。分子电离一个电子形成的离子所产生的峰。分子离子的质量与化合物的分子量相等。分子离子的质量与化合物的分子量相等。 有机化合物分子离子有机化合物分子离子峰的

34、稳定性顺序：峰的稳定性顺序：芳香化合物共轭链烯芳香化合物共轭链烯烯烃脂环化合物直链烯烃脂环化合物直链烷烃酮胺酯醚烷烃酮胺酯醚酸支链烷烃醇酸支链烷烃醇分子离子峰的特点：分子离子峰的特点： 一般质谱图上一般质谱图上质荷比最大的峰为质荷比最大的峰为分子离子峰；有例分子离子峰；有例外。外。 形成分子离子形成分子离子需要的能量最低，需要的能量最低，一般约电子伏一般约电子伏特。特。质谱图上质荷比最大的峰质谱图上质荷比最大的峰一定一定为分子离子峰吗？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？律律 由，组成的有机化合物，由，组成的有机化合物，一定是偶数。一定是偶数。由，组成的有机化合物，由，组成

35、的有机化合物，奇数，奇数，奇数。奇数。 由，组成的有机化合物，由，组成的有机化合物，偶数，偶数，偶数。偶数。 分子离子峰与相邻峰的质量差必须合理。分子离子峰与相邻峰的质量差必须合理。使用CI电离时，可能出现 M+H, MH, M+C2H5, M+C3H5 使用FAB时，可出现 M+H, MH, M+Na, M+K 较高分子量的化合物，可能同时生成 M+H, M+2H, M+3H等 例如：例如：CH4 M=1612C+1H4=164=16 M13C+1H4=17 M+14=17 M+112C+2H+1H3=17 M+13=17 M+113C+2H+1H3=18 M+23=18 M+2同位素峰同位

36、素峰分子离子峰分子离子峰二、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；有时还可以观察到位的峰；有时还可以观察到M+2，M+3。；。；1615m/z RA13.1121.0133.9149.2158516100171.1m/z三、碎片离子峰 一般有机化合物的电离能为一般有机化合物的电离能为713电子伏特，质谱中常用电子伏特，质谱中常用的电离电压为的电离电压为70电子伏特，使结构裂解，产生各种电子伏特，使结构裂解，产生各种“碎片碎片”离离子。子。H3CCH2CH2CH2CH2CH315712957434357

37、297115H3CCH2CH2CH2CH2CH3H3CCH2CH2CH2CH2CH3H3CCH2CH2CH2CH2CH3H3CCH2CH2CH2CH2CH3CH3CH2CH2CH2CH2CH31529435771正己烷正己烷碎片离子峰H3C C CH3CH3H3C CH CH3H3C CH2CH3 共轭多烯共轭多烯 脂环化合物脂环化合物 低分子链烃低分子链烃, , 某些含硫化合物某些含硫化合物 羰基化合物羰基化合物( (醛醛, , 酮酮, , 酸酸, , 酯酯, , 酰氯酰氯, , 酰胺酰胺) )分子离子峰不出现或弱 脂肪族醇类脂肪族醇类, , 胺类胺类, , 硝基化合物等硝基化合物等 分子离

38、子往往不出现 分子离子峰不出现怎么办分子离子峰不出现怎么办? ? 改用其它离解方式, 如: CI, FAB等 1.4 分子量的确定分子量的确定1.4.1 分子离子峰分子离子峰(M+ )的辨认的辨认 1）最大质量数的峰可能是分子离子峰。）最大质量数的峰可能是分子离子峰。 2）必须是奇电子离子。）必须是奇电子离子。 3）合理的中性碎片（小分子或自由基）的丢失。）合理的中性碎片（小分子或自由基）的丢失。M-3到到M-13、M-20到到M-25之内不可能有峰。之内不可能有峰。 氮规则氮规则 当化合物不含氮或含偶数个氮时，其分子量为偶数；当化合物不含氮或含偶数个氮时，其分子量为偶数； 当化合物含奇数个氮时，其分子量为奇数。当化合物含奇数个氮时，其分子量为奇数。1.4.2 分子离子峰的强度和化合物的结构的关系分子离子峰的强度和化合物的结构的关系1. 各种化合物分子离子峰的相对强度。各种化合物分子离子峰的相对强度。 (1) 芳香化合物芳香化合物 共轭多烯共轭多烯 脂环化合物脂环化合物 低分子量直链烷烃低分子量直链烷烃 某些含硫化合物某些含硫化合物。通常给出较强的分子离子峰。通常给出较强的分子离子峰。 (2) 直链的酮、酯、酸、醛、酰胺、卤化物等通常显示分子离直链的酮、酯、酸、醛、酰胺、卤化物等通常显示分子离子峰