仪器分析-MS[1].ppt

1、质谱分析法,北京化工大学理学院,主讲教师：杜振霞,内 容,概述 质谱仪：离子源和质量分析器 离子断裂机理 有机化合物的断裂规律 谱图解析,6.1概述 6.1.1 质谱仪的发展简史 1912年： 世界第一台质谱装置 1940年代: 质谱仪用于同位素测定 1950年代：分析石油 1960年代：研究GC-MS联用技术 1970年代：商品GC-MS出现，计算机引入，GC-MS技 术基本成熟。 1980年代：大气压电离的LC-MS出现 1990年代：基质辅助激光解吸飞行时间 质谱仪出现，质谱技术大量用于生物医药领域，出现“生物质谱”概念。,6.1.3质谱仪的分类 1 有机质谱仪： 1）气相色谱-质谱联用

2、仪 2）液相色谱-质谱联用仪 3）其他质谱仪 傅立叶变换质谱仪 基质辅助激光解吸-飞行时间变质谱仪 2 无机质谱仪：ICP-MS 3 同位素质谱仪：轻元素同位素，重元素同位素 4 气体分析质谱仪,6.2 质谱仪器 6.2.1一般有机质谱仪组成及工作原理,质量分析器,检测器,离子源,真空系统,有机质谱仪的构成,EI-2,倍增器 SEM 微通道板 MCP,6.2.1.1进样系统(inlet system) GC LC 直接进样 6.2.1.2 离子源(ion source) 6.2.1.3质量分析器（mass analyzer） 6.2.1.4检测器（detecter） 6.2.1.5真空系统（V

3、acuum system）,6.2.1.2 离子源(ion source) 1 电子电离源(electron ionization EI) 2 化学电离源(chemical ionization CI) 3 快原子轰击(fast atom bombardment FAB) 4 电喷雾源(electronspray ionization ESI) 5 大气压化学电离源（atmospheric pressure chemical ionization APCI) 6 基质辅助激光解吸电离源（matrix assisted laser desorption ionization MALDI),1 电

4、子轰击电离源(electron ionization EI),电子电离源（EI） 结构：电离盒 灯丝 磁铁 原理：电子轰击样品分子，使之电离 特点： 1 电离电压：70eV 2 加一小磁场增加电离几率。 3 样品分子在电子轰击下，可以失去一个 电子形成分子离子，也可能化学键断裂形成碎片离子。EI源碎片离子多，结构信息丰富，有标准化合物质谱库。 4 样品在气态下电离，不能汽化的样品不能分析，主要用于气-质联用仪。 5 有些样品得不到分子离子。,优势： 自 1947 年 Nier A.O. 提出 EI 离子源至今，已发展了半个多世纪， 十分成熟。 已积累了 20 多万个化合物的质谱图。 是快速鉴定

5、化合物的手段。 目前仍然得到广泛的使用。,局限性： 要求样品能气化 (样品蒸气压 10 -2 Pa) 往往无分子峰 (降低电子动能无助于获得分子峰) 负离子 EI 灵敏度极低,EI 离子源,EI-5,2 化学电离源(chemical ionization CI),CH4 + e CH4 + + CH3 + + CH2 + + CH + + C+ CH4+ + CH4 CH5 + + CH3 CH3 + + CH4 C2H5+ + H2 CH5+ + XH XH2 + CH4 C2H5+ + XH X + + C2H6 特点：得准分子离子，得不到标准质谱,结构与EI同 原理： 若以甲烷作为反应气

6、，电离过程如下：,EI and CI Spectra,50,100,150,200,250,300,350,m/z,0,100,%,0,100,%,0,100,%,200,183,201,217,Scan CI+,183,105,184,211,223,Scan CI+,105,77,51,76,78,182,106,181,152,183,Scan EI+,benzophenone, EI,benzophenone,methane CI+,benzophenone,ammonia CI+,Comparison of EI with PCI using methane and ammonia,

7、MW: 165,麻黄碱：EI (上) vs CI(下),EI (上) vs CI(下),Butyl methacrylate (MW:142)： EI vs CI,EI,CI (methane),CI (isobutane ),邻苯二甲酸二辛酯：EI vs CI,3 快原子轰击(fast atom bombardment FAB),FAB结构：见图 原理：快原子(Ar或Xe）轰击样品产生离子 特点： 1 适用于极性强，难汽化，分子量大 的化合物分析 2 得准分子离子，如（M+H)+ （M+Na)+ 碎片离子很少。 3 FAB一般用作磁式质谱的离子源,胆酸（MW：408）：FAB (不同介质的影

8、响),溶于甘油 （MW: 92） 溶于含0.14 mol AgNO3的甘油,大气压电离 (API) 技术,ESI 和APCI 共同点: 使用高电压元件和充气喷雾法产生气相离子 通常产生 (M+H)+ 或 (M-H)- 等准分子离子 产生极少的碎片，但可以控制产生结构碎片 非常灵敏的技术,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,电喷雾离子化分为三个过程: 1形成带电小液滴 2溶剂蒸发和小液滴碎裂 3最终形成气相离子,在ESI高压电极处施以正的高电压, 小液滴从毛细管高速 喷出而带有过量的正电荷. 当在ESI高压电极

9、处施以负的高电压， 小液滴从毛细管高速喷出而带有过量的负电荷,电喷雾源(ESI) 特点： 1 电喷雾源属软电离技术，只产生分子离子， 不产生碎片离子。 2 产生的离子常常带有多电荷，尤其是生物大分子。 3 适用于强极性，大分子量的样品分析 如肽，蛋白质，糖等 3 主要用于液相色谱-质谱联用仪,ESI谱：锥空电压影响,乳糖 (MW:342)：ESI vs EI,(2-氨基丙基)-苯 (MW:135) EI vs ESI,Buspirone：ESI vs EI,(M+H)+,ESI 的 CID 谱,EI 全谱,大气压化学电离（atmospheric pressure chemical ioniza

10、tion APCI),APCI的结构与电喷雾源大致相同，不同之处在于APCI喷嘴的下游放置一个针状放电电极，通过放电电极的高压放电，使空气中某些中性分子电离，产生H3O+ ,N2+, O2+ O+等离子，溶剂分子也会电离，这些离子与分析物分子进行离子-分子反应，使分析物分子离子化，这些反应过程包括由质子转移和电荷交换产生正离子，质子脱离和电子捕获产生负离子等。 大气压化学电离源主要用来分析中等极性的化合物，有些化合物由于结构和极性方面的原因，ESI不能产生足够强的离子，可以采用APCI 方式增加离子产率。APCI 主要产生的是单电荷离子，所分析的化合物分子量一般小于1000Da.,Common

11、 Ionisation Methods,Electron ionisation EI Chemical ionisationCI Positive ion chemical ionisationPCI Negative ion chemical ionisationNCI Atmospheric pressure ionisationAPI Electrospray ionisation ESI Atpmospheric pressure chemical ionisationAPCI,LC/MS,GC/MS,Molecular Weight,Non-Polar,Polar,EI/CI,Ele

12、ctrospray,APCI,100,000,1000,Which Ionisation Mode?,Ionisation vs. Fragmentation,Ionisation,Hard,Soft,No Fragments,Fragments,API,EI,CI,6 基质辅助激光解吸电离（matrix assisted laser Desorption ionization，MALDI) 1）组成 脉冲激光器, 样品靶 基质：2，5二羟基苯甲酸，芥子酸，-氰基-4-羟基肉桂酸 2）用于生物大分子的分析 被分析的样品置于涂有基质的样品靶上，激光照射到样品靶上，基质分子吸收并传递激光能量，与样

13、品分子一起蒸发到气相，并使样品分子电离。MALDI 属于软电离 技术，它比较适合于生物大分子，如肽、蛋白质、核酸等。得到的质谱主要是分子离子，准分子离子。常用的基质有：2，5-二羟基苯甲酸，芥子酸、烟酸、肉桂酸等。,寡聚葡萄糖酸的MALDI-TOF,MALDI-TOF, DHB,M+Na+,6.2.1.3质量分析器(mass aalyzer) 质量分析器的作用是将离子源产生的离子按m/z顺序分开并排列成谱。用于有机质谱仪的质量分析器有磁式双聚焦分析器、四极杆分析器、离子阱分析器、飞行时间分析器、回旋共振分析器等。 1 单聚焦分析器（single focusing mass analyzer）

14、2 双聚焦分析器（double focusing mass analyzer） 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）,1）结构： 扇形磁场 （可以是1800 900 600等）,2）原理：,R,结论： 1 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 2 在一定磁感应强度B下

15、，改变加速电压V 可以使不同离子先后通过检测器， 实现质量扫描，得到质谱。,3 特点 结构简单，操作方便，分辨率低,2 双聚焦分析器（Doubpe focusing mass analyzer）,结构：磁场 电场 原理：单聚焦分析器分辨率低的主要原因在于 它不能进行能量聚焦。 能量聚焦 方向聚焦 特点：分辨率高 操作复杂,3 四极杆分析器 (quadrupole analyzer) 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，其他质量的离子碰到四极杆被吸收，在另外的Vdc Vrf 下可接收到另外质量的离子。在一定的Vdc/Vrf)下，连续改变Vrf或Vdc可实现质量扫描。 特点：扫描速度快，灵敏度高。 适用于GC-MS。,Quadrupole Mass Analyzer,Ions scanned by varying the DC/RF voltages across the quadrupole rods,四极质量分析器及电路连接,QM-1,4 离子阱分析器 (Ion trap),Principle very similar to quadrupole，Ions stored by RF & DC fields Sc