质量频谱质谱分析法

质量频谱质谱分析法

质谱法是一种按照离子的质核比（m/z）大小对离子进行分离和测定的方法。 质谱法的主要作用是：（1）准确测定物质的分子量（2）根据碎片特征进行化合物的结构分析 分析时，首先将分子离子化，然后利用离子在电场或磁场中运动的性质，把离子按质核比大小排列成谱，此即为质谱。第2页,共65页，2024年2月25日，星期天质谱法分类：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质质联用第3页,共65页，2024年2月25日，星期天第二节 质谱分析的原理与仪器一、质谱分析的过程与原理第4页,共65页，2024年2月25日，星期天1、进样化合物通过汽化引入离子化室；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—第5页,共65页，2024年2月25日，星期天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、电荷及加速电压有关：第6页,共65页，2024年2月25日，星期天5、加速离子进入一个强度为H的磁场，发生偏转，半径为：将（1）（2）合并：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。第7页,共65页，2024年2月25日，星期天

进样系统(inletsystem)

离子源(ionsource)

质量分析器（massanalyzer） 检测器（detecter） 真空系统（Vacuumsystem）二、质谱仪的组成第8页,共65页，2024年2月25日，星期天1、样品引入系统

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——用直接进样探头第9页,共65页，2024年2月25日，星期天进样系统第10页,共65页，2024年2月25日，星期天LaserAblationofPlasticsApplyingDifferentWavelenghts1064nm308nm248nm第11页,共65页，2024年2月25日，星期天对于蒸汽压低的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第12页,共65页，2024年2月25日，星期天

2、离子源(ionsource)主要作用是使分析物的分子离子化电子电离源(electronionizationEI)化学电离源(chemicalionizationCI)快原子轰击(fastatombombardmentFAB)电喷雾源(electronsprayionizationESI)大气压化学电离（atmosphericpressurechemicalionizationAPCI)基质辅助激光解吸电离（matrixassistedlaserDesorptionionizationMALDI)第13页,共65页，2024年2月25日，星期天（1）电子电离源(electronionizationEI)

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。第14页,共65页，2024年2月25日，星期天特点：

碎片离子多，结构信息丰富， 有标准化合物质谱库；不能汽化的样品不能分析；有些样品得不到分子离子；第15页,共65页，2024年2月25日，星期天（2）化学电离源(chemicalionizationCI)CH4+eCH4+

+2eCH4+

+CH4CH5++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++

MCH4+MH+第16页,共65页，2024年2月25日，星期天特点：

得到一系列准分子离子（M+1）+，（M-1）+，（M+2）+等等；CI源的的碎片离子峰少，图谱简单，易于解释；不适于难挥发成分的分析。第17页,共65页，2024年2月25日，星期天

（3）快原子轰击(fastatombombardmentFAB)

高能量的Xe原子轰击涂在靶上的样品，溅射出离子流。 本法适合于高极性、大分子量、低蒸汽压、热稳定性差的样品。

FAB一般用作磁式质谱的离子源。第18页,共65页，2024年2月25日，星期天（4）电喷雾源(electronsprayionizationESI)

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第19页,共65页，2024年2月25日，星期天特点：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第20页,共65页，2024年2月25日，星期天3、质量分析器(massanalyzer)1单聚焦分析器（singlefocusingmassanalyzer）2双聚焦分析器（doublefocusingmassanalyzer）3四极杆分析器(quadrupoleanalyzer)4离子阱分析器(Iontrap)5飞行时间分析器(timeofflight）6富立叶变换离子回旋共振（Fouriertranformioncyclotronresonance）第21页,共65页，2024年2月25日，星期天（1）单聚焦分析器（singlefocusingmassanalyzer）1）结构：扇形磁场（可以是1800900600等）第22页,共65页，2024年2月25日，星期天原理：由（3）式可知：

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，形成质谱。第23页,共65页，2024年2月25日，星期天（2）双聚焦分析器（Doublefocusingmassanalyzer）第24页,共65页，2024年2月25日，星期天为什么要双聚焦： 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：分辨率高第25页,共65页，2024年2月25日，星期天（3）四极杆分析器(quadrupoleanalyzer)第26页,共65页，2024年2月25日，星期天直流电压Vdc交流电压Vrf频率为射频区第27页,共65页，2024年2月25日，星期天结构: 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VdcVrf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 适用于GC-MS第28页,共65页，2024年2月25日，星期天++-第29页,共65页，2024年2月25日，星期天雾化气喷雾针小孔板气帘气聚焦环一级四极杆碰撞四极杆二级四极杆碰撞气小孔电压

聚焦环电压

一级四极杆电压碰撞四极杆电压二级四极杆电压图2-2MS/MS仪器结构图；各项主要电参数及气体参数含义第30页,共65页，2024年2月25日，星期天170937765图2-5m/z=170的分子离子峰的子离子扫描图第31页,共65页，2024年2月25日，星期天[M1+H+]m/z170m/z93m/z77m/z65第32页,共65页，2024年2月25日，星期天（4）离子阱分析器IonTrapAnalyzer特点：

结构简单 灵敏度高 适于小型联用仪器（GC-MS）第33页,共65页，2024年2月25日，星期天（5）飞行时间分析器TimeofFlightAnalyzer

试样入口电子发射栅极1 -270V栅极2–2.8kV接收器抽真空第34页,共65页，2024年2月25日，星期天特点仪器结构简单,不需要磁场、电场等；扫描速度快，可在10-5s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；第35页,共65页，2024年2月25日，星期天4、真空系统离子源的真空度应达到10-3-10-5Pa，质量分析器应达到10-6Pa。真空装置：机械真空泵 扩散泵 分子涡轮泵第36页,共65页，2024年2月25日，星期天5、检测器(detector)

电子倍增器第37页,共65页，2024年2月25日，星期天6、检测器的性能指标（1）质量范围指所能检测的M/Z范围四极质谱 M/Z小于或等于1000磁式质谱 M/Z可达到几千飞行时间质谱 M/Z可达到几十万（2）扫描速度指扫描一定质量范围所需时间

例如GC-MS： M/Z1-1000所需时间<1s第38页,共65页，2024年2月25日，星期天（3）分辨率R质谱对相邻两质量组分分开的能力例如：CO+ 27.9949 N2+ 28.0061四极质谱恰好能将此分开.第39页,共65页，2024年2月25日，星期天但是: ArCl+ 74.9312 As+ 74.9216需要用高分辨质谱.(4)灵敏度 指信噪比大于10时的样品量。第40页,共65页，2024年2月25日，星期天第三节 常见化合物的质谱一、烃类质谱1、烷烃71574329第41页,共65页，2024年2月25日，星期天正构烷烃的裂解规律：（1）质谱特征是具有质量相差14（CH2）单位的CnH2n+1系列；（2）碎片离子C3以上强度递减，因为碎片可继续分裂，但C3可重排为CH3CHCH3而稳定；（3）异构烷烃（支链烷烃）分支处易断裂：+例如5-甲基十五烷 C10H21—CH—C4H9CH316985第42页,共65页，2024年2月25日，星期天2、烯烃（1）具有烷烃的特征（2）易发生烯丙断裂，生成很强的烯丙离子CH2=CH—CH2 M/Z=41CH2=CH—RR—CH2—CH2—CH2—CH=CH2+第43页,共65页，2024年2月25日，星期天3、芳烃易发生苄基断裂，生成苄基离子C2H2-26C2H2 -26M/Z91M/Z91M/Z39M/Z65第44页,共65页，2024年2月25日，星期天39 65 9192M/Z

第45页,共65页，2024年2月25日，星期天二、杂原子的质谱(1)醇和酚醇类 （1） 杂原子存在，形成M/Z31的离子 和M—1的离子； （2） 失水生成M—18离子。CH3—CH2—OH（M/Z46） CH2=OH M/Z31CH3—CH2—OH（M/Z46） CH3—CH=OHM/Z45第46页,共65页，2024年2月25日，星期天C3H7—CH—CH3OHC3H7CHOHCH—CH3OHM/Z=73M/Z=45M/Z=88M-H2OM-CH3M-1M45 707388第47页,共65页，2024年2月25日，星期天酚类：（1）失去C=O M/Z 28（2）失去H2O M/Z 18（3）具有苯的特征第48页,共65页，2024年2月25日，星期天（2）醛、酮、醚

辛酮—4CH3CH2CH3—C—CH2CH2CH2CH3OM/Z 12843715785M/Z 128 85 71 57 43第49页,共65页，2024年2月25日，星期天第50页,共65页，2024年2月25日，星期天再例如 对羟基苯甲醛第51页,共65页，2024年2月25日，星期天醚类 乙基异丁基醚CH3—CH2—CH—O—CH2—CH3CH3—断裂—断裂第52页,共65页，2024年2月25日，星期天（3）卤素化合物R—X+ R++X

R—CH2X+ R

+CH2=X+如果是长链烃类，则可能有下列途径第53页,共65页，2024年2月25日，星期天（4）胺类CH3（CH2）8—CH2—NH2+CH3（CH2）8.CH2=NH2+M/Z=30醇、醚、酮等化合物均无此分裂。第54页,共65页，2024年2月25日，星期天三、分裂和重排（1）麦氏重排（Mclafferty） 在辛酮-4的质谱中，除43、57、71、85和128的质谱峰外，还有一个很高的峰，质量58，以及另两个峰，质量86和100。这是由于发生了重排：第55页,共65页，2024年2月25日，星期天+++M/Z=86M/Z=100第56页,共65页，2024年2月25日，星期天++M/Z=86M/Z=100++M/Z=58M/Z=58第57页,共65页，2024年2月25日，星期天+++麦氏重排的规律（1）双键及r位置上有H原子；（2）双键范围有酮、醛、酸、酯、C=N、以及烯烃、苯环化合物等。第58页,共65页，2024年2月25日，星期天+++麦氏重排的规律（1）双键及r位置上有H原子；（2）双键范围有酮、醛、酸、酯、C=N、以及烯烃、苯环化合物等。第59页,共65页，2024年2月25日，星期天（2）环状分子的分裂例如：环己烯可以生成丁二烯和乙烯第60页,共65页，2024年2月25日，星期天再例如：解释下列化合物的质谱M/Z=108的来源M/Z=108+第61页,共65页，2024年2月25日，星期天第四节 有机化合物的质谱分析一、分子量的确定规律：1、分子离子峰一定是质谱中质量数最大的峰