现代检测技术-03质谱综述课件

现代检测技术——环境分析化学的发展与应用0.绪论1.色谱技术的理论与应用2.质谱分析与色-质联用技术3.光谱分析的发展与应用4.水质分析仪器的原理与应用5.环境样品的前处理技术质谱法是通过将样品转化为运动的气态离子并按质荷比（m/z）的大小进行分离记录的分析方法。应用范围广：①同位素分析、②精确测定原子量和分子量、③复杂化合物的结构分析、④有机、无机化合物的定量和定性分析、⑤固体表面及微区分析等。1960年代开始用于有机物结构鉴定，并以联用仪的形式扩展了应用范围。灵敏度高，有机质谱绝对灵敏度可达5010-12

g，无机质谱10-14

g。分析速度快，并可实现多组分同时检测。结构复杂，价格昂贵，使用及维修比较困难。破坏性分析。第3

章质谱分析与色-质联用技术3.1质谱仪工作原理质谱仪的基本结构：真空系统进样系统质量分析器离子源检测器数据处理系统将被分析物质送进离子源将分子、原子电离成为离子离子源的结构与性能对分析效果影响极大。使离子按照质荷比（m/z）的大小分开来。用以测量、记录离子流的强度。2.质谱分析与色-质联用技术2.1质谱仪工作原理2.质谱分析与色-质联用技术质谱仪按应用领域大致可以分为同位素质谱仪、有机质谱仪、无机质谱仪等。同位素质谱仪——主要用来测定同位素丰度。对测量准确度、精密度与丰度灵敏度要求较高，常采用单聚焦式磁分析器，也可以两极串联使用；无机质谱仪——种类繁多，包括气体分析仪（常用四极杆滤质器）、质谱检漏仪、火花源质谱仪（采用双聚焦式磁分析器）、离子探针质谱仪、激光探针质谱仪、电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS，常用四极杆滤质器）等；有机质谱仪——主要用来进行有机物结构分析。因分析对象复杂，导致仪器的结构和应用手段多样化。多数仪器可以与其他有机分析仪器联用。2.1质谱仪工作原理本课内容主要涉及有机质谱2.1.1真空系统质谱仪需要工作在高真空状态下。离子源的真空度要求10-3~10-5

Pa，质量分析器则需要10-6

Pa。通常采用机械泵预抽真空，然后用扩散泵连续运行保持高真空。现代多采用分子涡轮泵，可以获得更高的真空系统。高真空是为防止烧灯丝、高压放电、本底增高、额外的碰撞反应等。2.质谱分析与色-质联用技术2.1质谱仪工作原理2.质谱分析与色-质联用技术2.1.2进样系统质谱仪的进样系统要求在既不破坏离子源的真空状态，也不破坏试样的结构与组成的情况下，将有机物导入离子源。间歇式进样系统也称加热进样系统。可用于气体、液体和中等蒸汽压的固体样品进样；2.1质谱仪工作原理2.质谱分析与色-质联用技术2.1.2进样系统直接探针进样系统用来导入高沸点的液体或固体有机化合物，以及热敏性固体等。2.1质谱仪工作原理石英或铂坩埚可以装入微克级样品，可冷冻至100C或在数秒内加热至300C

。2.质谱分析与色-质联用技术2.1.3电离源将被分析的有机化合物分子电离成离子，会聚成离子束后进入质量分析器。电离源是质谱仪的心脏，可以将离子源看作是比较独特的反应器，样品在其中发生一系列的特征降解反应；离子化所需要的能量随分子的不同差异很大，对不同的分子应采用不同的电离方法，通常有“硬电离”和“软电离”的区分。有机质谱常用的电离源有电子轰击离子源（EI）、化学电离源（CI）和解析化学电离源（DCI）、场致电离源（FI）和场解析电离源（FD）、快中子轰击电离源（FAB）和离子轰击电离源（IB）、激光解析电离源（LD）等。液-质联用仪中的热喷雾接口和电喷雾接口也可单独作为离子源。2.1质谱仪工作原理2.质谱分析与色-质联用技术电子轰击源：通过产生一定能量的电子束（常用70eV）对试样分子进行轰击，分子被撞出一个电子而变成正离子。2.1.3电离源2.质谱分析与色-质联用技术电子轰击源：通过产生一定能量的电子束（常用70eV）对试样分子进行轰击，分子被撞出一个电子而变成正离子。若产生的分子离子仍然带有较大的能量，则可能进一步发生断裂，产生碎片离子；若样品相对分子量较大或稳定性较差时，常得不到分子离子；现有的标准电离谱图绝大部分都是用70eV电子轰击源得到的；EI具有能量稳定、产生的离子特征性强、操作简便等特点，是应用最广泛的离子源。2.1.3电离源化学电离源：利用反应气体的离子和有机化合物的分子发生反应而生成样品离子。是一种比较温和的“软”电离法。化学电离源的结构基本上与电子轰击源相同，只是电离盒要有较好的密封性；2.质谱分析与色-质联用技术2.1.3电离源化学电离源：利用反应气体的离子和有机化合物的分子发生反应而生成样品离子。是一种比较温和的“软”电离法，即使是不稳定化合物，也能得到分子离子峰。化学电离源一般在102~103

Pa压强下工作，其中充满CH4，反应气是样品气的103~105倍。在高能电子束（100eV）的轰击下，产生CH5+和C2H5+离子：CH4+eCH4++2eCH4+CH3+

+HCH4++CH4

CH5++CH3CH3++CH4

C2H5++H2产生的CH5+和C2H5+离子不与中性甲烷分子进一步反应。2.质谱分析与色-质联用技术2.1.3电离源化学电离源当少量试样导入离子源，试样分子发生如下反应：CH5++MHCH4+MH2+

C2H5+

+MH

C2H4+MH2+

CH5++MHM++H2+CH4

C2H5+

+MH

M+

+C2H6也可能发生复合反应：CH5++MHMHCH5+

C2H5+

+MH

MHC2H5+产生的分子离子有部分碎裂，产生其他质谱峰。产生M+1

峰产生M-1

峰产生M+17

峰产生M+29

峰2.质谱分析与色-质联用技术2.1.3电离源激光解析电离源：通过激光束的照射，使涂敷在样品靶上的有机化合物分子解析、电离。是一种结构简单、灵敏度高的电离源。有机化合物通常制成溶液后涂在样品靶上，瞬间加热使有机物分子在热分解前气化、电离；激光解析电离源与飞行时间质谱结合，可以分析蛋白质和多肽等分子，目前分析生物大分子的最有力的工具是基体辅助激光解析质谱（MALD-MS）。2.质谱分析与色-质联用技术2.1.3电离源2.质谱分析与色-质联用技术2.1.4质量分析器将离子源产生的离子按其质量与电荷之比（m/z）的大小在时间先后或空间位置分开，以便进行检测，得到按质荷比排列的质谱图。通常根据质量分析器的名称来定义质谱仪，对于有机质谱仪，常用的质量分析器有以下几种：磁质量分析器——磁质谱仪；四极杆滤质器——四极（杆）质谱仪；飞行时间质量分析器——飞行时间质谱仪；离子阱质量分析器——离子阱质谱仪；离子回旋共振质量分析器——离子回旋共振质谱仪。2.1质谱仪工作原理2.质谱分析与色-质联用技术磁质量分析器：其主要结构是一块扇形电磁铁。进入分析器的离子在与离子运动方向垂直的均匀磁场的作用下，作圆周运动。2.1.4质量分析器在无场空间等速直线运动

。在无场空间等速直线运动

。均匀磁场空间沿圆周轨迹运动

。在加速电场（U=800~8000V）下，离子获得动能

。2.质谱分析与色-质联用技术磁质量分析器：在加速电场（加速电压为U）的作用下，质量为m的离子获得v

速度，其动能为进入磁场后，离子受到的向心力为Bzev，导致其作圆周运动：2.1.4质量分析器磁质量分析器：当固定R，即固定检测器的位置，可以通过电场扫描或磁场扫描使不同m/z的离子顺序到达检测器；固定U、B不变，则不同m/z的离子有不同的R，在底片上产生谱图。2.质谱分析与色-质联用技术2.1.4质量分析器磁质量分析器：磁场对离子只有质量聚焦作用；仅用一个扇形磁场质量分析器的仪器称为单聚焦质谱仪，扇形磁场的开度角有60、90和180等；单聚焦质谱结构简单，体积小，分辨率不是很高，可以达到5000左右。对分辨率要求高时，可以使用双聚焦质量分析器，可以达到150000或更高的分辨率。2.质谱分析与色-质联用技术2.1.4质量分析器磁质量分析器：双聚焦质量分析器通过弯曲的电场将相同动能的离子分成一类，即所谓的能量色散；调解电场能量色散使之与磁场能量色散数值相等，方向相反，实现对质量和能量同时聚焦2.质谱分析与色-质联用技术2.1.4质量分析器飞行时间分析器：经加速电极加速，进入分析器的离子动能基本一致，在飞行长度约1米的空间后，不同m/z

的离子到达检测器的时间不同。2.质谱分析与色-质联用技术2.1.4质量分析器约–270V的引出电压（脉冲电压）。约–2800V的加速电压。约1m的漂移空间。飞行时间分析器当加速电压为U时，质量为m的离子获得v

速度：飞行长度为L

时，所需时间：2.质谱分析与色-质联用技术2.1.4质量分析器飞行时间分析器飞行时间质谱仪需要间歇工作，通常以10kHz的频率脉冲产生正离子和脉冲加速电场加速；飞行时间质谱仪的分辨率、重现性和质量鉴定本领并不占优势，但其灵敏度比较高（没有聚焦狭缝）；飞行时间质谱仪具有快速扫描的能力，每秒钟可以获得高达1000幅的图谱，适合研究快反应以及与GC联用等；飞行时间质谱仪的质量检测范围非常大，可达几十万u以上，在蛋白研究等领域被广泛应用；飞行时间质谱仪结构简单，体积小且易于搬运。2.质谱分析与色-质联用技术2.1.4质量分析器四极滤质器：由四根截面为双曲面或圆形的棒状电极组成，两组电极之间施加一定的直流电压和高频交流电压。施加的电压为(U+Vcost)，其中U/V=0.16784；离子通过圆孔进入高频电场中，在半径为r0的空间内振荡前行。四极质滤质器同样具有快速扫描的能力。其结构小巧、重量轻、灵敏度高，因而被广泛应用在各种联机仪器中。2.质谱分析与色-质联用技术2.1.4质量分析器四极滤质器施加的电压为(U+Vcost)，其中U/V=0.16784；离子通过圆孔进入高频电场中，在半径为r0的空间内振荡前行。只有满足下式的离子才能穿过电极通道到达检测器；+U+Vcos

wt-Vcos

wt-U2.质谱分析与色-质联用技术2.1.4质量分析器三维四极离子阱：由双曲线截面的环形电极和上下两个双曲面型的端盖组成，扫描方式与四极滤质器类似。施加的电压为(U+Vcost)；满足与Z方向稳定条件的离子可以长时间留在阱里；在引出电极上施加负脉冲，可以将离子引出至检测器；可以进行多极质谱鉴定；2.质谱分析与色-质联用技术2.1.4质量分析器质谱仪中离子流的密度小于10-7A/cm，需要高灵敏检测器，有Faraday杯、电子倍增器、闪烁计数器等。Faraday杯：离子经过入口狭缝、杂散离子抑制极、二次电子抑制极后，进入Faraday圆筒中。入口狭缝离子抑制极二次电子抑制极离子接收器放大器离子束2.质谱分析与色-质联用技术2.1.5离子检测器Faraday杯Faraday杯不存在固有噪音，也没有质量歧视，且使用寿命长，但没有放大能力；采用高阻抗放大器，最小可以检测到10-13~10-15

A的电流，时间常数约100~10-2

s。2.质谱分析与色-质联用技术2.1.5离子检测器电子倍增器：离子束撞击阴极表面，产生二次电子，电子被加速并轰击一系列电极，获得倍增信号。检测器增益可达105~108，响应时间约10-8~10-9

s；二次电子的产额与粒子的质量与能量有关，存在质量歧视效应；近代质谱仪也有采用隧道电子倍增器的。2.质谱分析与色-质联用技术2.1.5离子检测器强峰由平板电极检测，弱峰离子进入。偏转电极阴极阳极闪烁检测器：由质量分析器出来的高速电子打击闪烁体使其发光，然后用光电倍增管检测闪烁体发出的光。光电倍增管密封在玻璃管壳中，因而消除了离子污染，对暴露在大气中也不敏感，具有长达10年左右的寿命。2.质谱分析与色-质联用技术2.1.5离子检测器加速电极转换电极闪烁体光电倍增管2.质谱分析与色-质联用技术2.1质谱仪工作原理质谱仪的工作原理可以总结如下：进样系统将被分析物质送进离子源；离子源把样品中的原子、分子电离成为离子；质量分析器使离子按照质荷比的大小分离开来；离子检测器用以测量、记录离子流的强度，从而得到质谱图。2.质谱分析与色-质联用技术在质谱仪的离子源中，试样分子受到电子轰击形成各种类型的离子。2.2离子的类型A-B-C-D+eA-B-C-D++2e产生分子离子B-C-D+A+A-B-C-D+

C-D+A-B+A-B+C-D+C-D+B+A+C-D+A+B+A-B+C+D+A-B+D+C+分裂为碎片离子A-B-C-D+

A-D-B-C+

B-C+A-D+A-D+B-C+重排后分裂A-B-C-D++

A-B-C-D(A-B-C-D)2+

B-C-D+A-B-C-D-A+离子分子反应2.质谱分析与色-质联用技术2.2离子的类型2.2.1分子离子峰A-B-C-D+称为分子离子或母离子。多数分子易于失去一个电子，所以分子离子的质荷比通常就是它的相对分子量；有机化合物最容易失去的电子是n

电子，其次是是

电子，再次是

电子；以甲基异丁基甲酮为例：CH3CH3COCH2CH(CH3)2CH3-C-CH2-CHO+

CH32.质谱分析与色-质联用技术2.2离子的类型2.2.2同位素离子峰多数元素都有同位素，他们具有不同的质量和确定的天然丰度。元素精确质量丰度(%)丰度比(%)12C12.00000098.8931.1113C13.0033551.10714N14.00307499.6340.3715N15.0001090.36635Cl34.96885375.77032.537Cl36.96590324.23079Br78.91833650.53797.981Br80.91629049.463元素精确质量丰度(%)丰度比(%)1H1.00782599.9850.0152H2.0141020.01516O15.99491599.7590.040.2017O16.9991310.03718O17.9991590.20432S31.97207295.020.84.432S32.9714590.7832S33.9678684.222.质谱分析与色-质联用技术2.2离子的类型2.2.2同位素离子峰多数元素都有同位素，他们具有不同的质量和确定的天然丰度。组成有机化合物的元素中P、F、I没有同位素；S、Cl、Br

等的同位素丰度比较高，因此含这些元素的分子离子的M+2峰强度比较大；同位素峰的强度比与同位素丰度比是相当的；2.质谱分析与色-质联用技术2.2离子的类型2.2.3碎片离子峰产生分子离子只需要几十eV

的能量，因此分子离子可能因剩余的能量而致使化学键断裂。碎片的形成和化学键的断裂与分子结构有关；烃类化学键中C-C键不如C-H键稳定，而正离子的稳定性为三>二>一；CH3CH3CH2C(CH3)3CH3-CH2-C+-CH3CH3-C+-CH3CH3m/z=71m/z=572.质谱分析与色-质联用技术2.2.3碎片离子峰碎片离子峰产生分子离子只需要几十eV

的能量，因此分子离子可能因剩余的能量而致使化学键断裂。有杂原子的化合物中，断裂常发生在杂原子周围；R-XR++X含C=O的化合物通常在与之相邻的键上断裂；CH3-C-CH2CH(CH3)2CH3+C-CH2-CH(CH3)2O+

O+

CH2-CH(CH3)2+CH3-CO+2.质谱分析与色-质联用技术2.2离子的类型2.2.4重排离子峰分子离子裂解为碎片离子时，可能会发生重排过程。苯的最强峰是M+峰，取代苯则可以发生重排形成草翁离子；麦氏（McLafferly）重排也是常见的反应——氢向缺电子的原子转移；2.质谱分析与色-质联用技术2.2离子的类型2.2.5亚稳离子峰离子在离开离子源进入质量分析器之前，可能会分裂而失去中性碎片。当m1

m2+m时，观察到的m/z（用表观质量m*表示）较小：亚稳离子峰钝而小，一般要跨2~5个质量单位，其质荷比通常不是整数。2.质谱分析与色-质联用技术2.2离子的类型2.2.6甲基异丁基甲酮的谱图质谱图一般都采用“条图”，横坐标为质荷比，纵坐标表示峰的相对强度，它是以图中最强峰的峰高作为100%，而以对它的百分比来表示其他离子峰的强度。2.质谱分析与色-质联用技术2.2离子的类型2.2.6甲基异丁基甲酮的谱图2.质谱分析与色-质联用技术2.2离子的类型2.2.6甲基异丁基甲酮的谱图2.质谱分析与色-质联用技术2.2离子的类型2.2.6甲基异丁基甲酮的谱图2.质谱分析与色-质联用技术2.2离子的类型2.2.6甲基异丁基甲酮的谱图2.质谱分析与色-质联用技术2.2离子的类型2.2.6甲基异丁基甲酮的谱图2.质谱分析与色-质联用技术2.3质谱的定性分析2.3.1相对分子量的测定准确地判断分子离子峰即可以得到相对分子量。最高质荷比的峰不一定是分子离子峰，要注意同位素峰和M+1、M1峰等；分子离子峰符合“氮律”；碎片峰与分子离子峰质量差应合理；2.质谱分析与色-质联用技术2.3质谱的定性分析2.3.1相对分子量的测定准确地判断分子离子峰即可以得到相对分子量。最高质荷比的峰不一定是分子离子峰，要注意