第4章 MS-讲稿(09.3)1.ppt

1、1,第四章 有机质谱Organic Mass Spectrometry,郭绍辉讲稿 2009年3月 化学科学与工程学院,1,2,4.1 引言 Introduction,一. 质谱的定义,4.1 引言,有机分子,电子流（束）,分子离子,电场,碎片离子,按质量的大小排列,图4.1,3,二. 质谱的发展历史,Developping history of Mass Spectrometry,1898 年 W. Wion 开始研究质谱 1913 年 J.J. Thomson 发现氖-22 (22Ne10)同位素 首次将质谱用于同位素研究领域 1935 年 Taylor 开始研究有机质谱 但到 20世纪四

2、十年代，仍限于气体分析及元素中稳定同位素的质量和含量的测定 1951 年 Brown 将 MS 法用于催化裂化汽油的研究 开始了在石油化学中的应用 1960年广泛用于有机化学分析领域, 成为一种重要的有机分析手段 七十年代 质谱可用于研究重质油，高沸点馏分、页岩油和煤焦油,4.1 引言,4,有机质谱已在石油化学、有机合成化学、生物化学、食品化学、医学、毒物学、法医学、药物代谢、天然产物、地球化学以及环境科学、空间技术等许多方面都得到广泛应用。 近年来，有机质谱领域的发展极为迅速。迄今，MS 与 IR、UV、NMR 一起成为有机结构分析的四大工具。其中有机质谱具有特别重要的意义。,4.1 引言,

3、 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的改变无关, 质谱是分子离子及碎片离子的质量与其相 对强度的谱, 谱图与分子结构有关,5,三. 有机质谱的特点,对推测化合物的结构至关重要,4.1 引言,与其它谱学方法相比,1. 应用范围广,气、液、固样品,2. 灵敏度高,g 级,检测极限可达 10-14g,3. 分析速度快,磁分析器 0.5 s,四极杆质谱仪只要几ms,4. 可确定分子式,唯一可确定分子式的分析方法,6,4.2 质谱仪器及原理,4.2 仪器及原理,1,2,3,4,5,6,7,7,电子束,离子加速区,阳极,电离区,8,SSQ710色谱质谱联用仪,质量范围：42000a

4、mu 分辨率：3000,9,Trace DSQ色谱质谱联用仪,质量范围：11050amu 质量稳定性：0.1amu/12hr,10,一. 进样系统 Inlet system,4.2 仪器及原理,可用不同的方式将待分析的气体、液体及固态样品引进离子源中的电离室:,1. 冷进样,常温下为气体或极易挥发的液体,10-210-3 乇,2. 热进样,常温下为液体,进样温度为 300,3. 直接进样,热进样也不能充分挥发的样品,4. GC 进样,混合样品,GC 条件下能挥发的样品,5. LC 进样,混合样品,相对分子质量较大,11,二. 离子源 Ion source, Ionization chamber

5、,样品分子在MS仪器中发生电离(离子形成)的区域，MS发展至今已有多种电离技术，即有多种形式的离子源。,4.2 仪器及原理,最早应用，迄今仍最广泛应用的电离技术是电子轰击电离,12,1. 电子轰击离子源 EI Electron Impect,4.2 仪器及原理,13,电子电离源（EI）,应用最为广泛,挥发性样品的电离,14,大多数有机化合物的电离电位为 813 eV。 通常用 70 eV 得到的谱图作为标准谱图(电离效率稳定在较高的范围内)。,注电子伏特 - 一个电子经过真空中的电位差为1伏特的电场所获得的能量； 1 e V 1.602189210-19 J,15,图4.6,图4.5,16,质

6、谱数据的表示方法, 峰形质谱图-原始质谱图 强度最大的离子峰称为基峰或标准峰,4.2 仪器及原理,图4.7,甲苯峰形质谱图的一部分（五种灵敏度扫描）,17, 标准质谱图,4.2 仪器及原理,基峰,分子离子峰,碎片离子峰,甲苯的质谱图（棒形）,18, 列表法,质谱数据表,4.2 仪器及原理,19,EI 离子源的优点：, EI 容易实现 结构简单、控温方便、操作方便 谱图的再现性好 可以对电子束的能量进行精确的控制，达到较高的电离效率 有较多的碎片离子信息，利于推测分子结构 特征性强 所得的质谱图是特定的，能表征样品的化学结构。 虽然同类化合物给出很类似的谱图，但通常能提供唯一的指纹,4.2 仪器

7、及原理,20,2. 化学离子源 Chemical Ionization, CI,是一种软电离方法，与 EI 方法互补。,强Lewis 酸容易给出质子或接受电子,激发态初级反应气体离子,4.2 仪器及原理,样品分子为质子接受体， RH+ 与Bronsted 酸相似（醇、醛酯）,样品分子为非良好的质子接受体 RH+ 与Bronsted 碱相似(烃类）,准分子离子,常用的反应气体要求 MW 小，不产生污染 通常用 H2 、CH4 、C3 H8 、i-C4 H10 、NH3 、H2 O（气） 反应气 : 样品 1000 : 1, ,稳定的次级反应气体离子,+ M, , 2 , ,+,+,21,MS/C

8、I 的特点, 灵敏度高，与 EI 的灵敏度同一数量级 能够得到很强的准分子离子峰 M1 也能得到碎片离子，但碎片离子很少； 压力（真空度）要求比 EI 低, 使分子离子具有较小的平均自由程，保证能够进行有效碰撞； 谱图在很大程度上与仪器操作温度有关，再现性差，对定量分析不利；对反应气体纯度要求高，否则本底很高。,4.2 仪器及原理,22,图4.9,23,3. 场致离子源 Field Ionization, FI （软电离）,FI 的实现过程：样品放在一个处于高电压电位（10200 eV）极细的钨丝（阳极）附近，钨丝表面电场梯度为 107 108 V/cm 数量级，迫使分子电离。电场能量为 12

9、13 eV，与有机化合物电离能相近。 分子离子 M 进一步裂解的趋势比 EI 大大减小，M峰强度大大增加，往往成为谱图中唯一重要的离子。,4.2 仪器及原理,24,FI 的优点, 谱线受碎片峰，特别是少数杂质峰的干扰小 谱图再现性好，对复杂混合物的定量有利 可以得到不稳定化合物的分子离子峰,FI 的缺点, 灵敏度不高，比 EI 低 10100倍 对场致电离产生的碎片量还不能加以概括,对于烃类分子，离子丰度可高达 99% 以上， 对于醛类，则可低至 1020%,4.2 仪器及原理,25,4. 场解吸离子源 Field Desorption Ionization, FDI,原理与 FI 相同。对固

10、态、难挥发及热稳定性差的样品，不需汽化进样。发射极粘上样品后送入离子源直接加上电压。 优点： 避免热分解，准分子离子峰(M+1)+ 很强，碎片离子比场致离子化 FI 更少； 分析的质量数可达10000 以上。很适用于抗生素、多糖、多肽及石油的重组分分析。 缺点： 灵敏度低 操作比较复杂 FI、FDI 作为 EI 的补充,4.2 仪器及原理,26,D葡萄糖 M180 的 EI、FI 和 FDI 谱图,4.2 仪器及原理,看不到分子离子,碎片离子很少,场致离子源,场解吸离子源,27,5. 电喷雾源 Electrospray Ionization, ESI,28,属于软电离，特别适合于强极性、热稳定

11、性差的有机大分子，如蛋白质、多肽、糖类等。 最大的特点是容易形成多电荷离子，用常规质谱可分析相对分子质量 300000 Da 的蛋白质。,29,三. 质量分析器 Mass Analyzer,将在离子源中产生并加速了的离子，按其质量电荷比不同加以分离聚焦。 根据磁场工作状态可分为静态和动态两大类分析器 静态分析器采用稳定不变的磁场、电场，按各种离子在飞行过程中轨迹的空间位置不同，把不同m/e值的离子分开。 可进一步分为单聚焦和双聚焦磁场分析器。 动态分析器采用变化的电、磁场，按照离子运动的时间或空间来区分质量不同的离子： 如飞行时间质谱，四极杆滤质器等。,4.2 仪器及原理,30,31,1. 单

12、聚焦磁偏转质谱计 Single focus mass spectrometer,4.2 仪器及原理,劳伦斯力,离子出口狭缝,离子接收器,接真空泵,电离室,离子接收器,离子源,进样系统,磁场,32,按动量的大小进行分离,4.2 仪器及原理,劳伦斯力 He = m2 / R 离心力,R = m/ e H,电离室,离子接收器,He,R m,33,正离子在加速室获得的动能 m2/2 应该等于加速电压和离子电荷的乘积：,eV m2 /2,4.2 仪器及原理,R= m/ e H, m / e = R2 H2 / 2V,eV = m(e R H / m)2 / 2,= (e R H )2 / 2m,= e

13、R H / m,代入得：,34, 当磁场 H 及 加速电压 V 一定时， m / e R2 R 决定质量色散，即两个质量峰被分开的距离。因仪器条件限制，一般 R 为定值 当 R 及 V 一定时， m / e H2 通过连续改变磁场达到质量分离（非线性磁场扫描过程） 当 R 及 H 一定时， m / e 1 / V V 增加，分辨率增加，对 m / e 较小的离子具有较高的分辨率，有质量歧视问题 如 V 800 200 100 m / e 100 400 800,4.2 仪器及原理,m / e = R2 H2 / 2V,35,静磁场具有方向聚焦的作用，如同凸镜对光的聚焦作用一样。因此，由扇形磁场

14、构成的质量分析器的质谱仪称为单聚焦质谱仪。单聚焦质谱仪分辨率低，因为相同质量的离子仍有动能差别，不完全均一。,4.2 仪器及原理,磁场对离子束只能实现质量散射和方向聚焦，不能对不同能量的离子起聚焦作用，因而称为单聚焦。只用磁场作质量分析器的质谱分析仪器称为单聚焦仪器。,36,4.2 仪器及原理,由于径向静电场没有质量色散作用，它本身不能作为一台质谱计使用，但可以用来与磁场组合，以获得高分辨能力。,加速器 V,检测器 D,离子源,电场分析器,磁场分析器,E e = m2/R,Ve= m2/2,离子从加速电压获得能量,离子在电场作用下偏转,离子在磁场作用下偏转,He= m2/R,R m,能量聚焦,

15、方向聚焦,m/e 相同而不同的离子不聚焦在一点上，影响分辨率,只有动能与其曲率半径相应的离子才能通过并进入磁分析器,2. 双聚焦磁偏转质谱计 Double focusing mass spectrometer,37,3. 四极杆质谱计(四极滤质器),4.2 仪器及原理,U + V0 COSt =180,U+ + VRF,U- + VRF,38,四极杆质量分析器(Quadrupole),39,当质量为m，电荷为e 的离子从z 方向进入四极电场时，在电场作用下的运动方程为,无阻力，加速度为零,上述运动方程可改写为Mathieu方程形式,T = /2,其中,40,图4.12,4.2 仪器及原理,a

16、/ q = 2U/V,横坐标包括 V/m 值，对应一个V有单一的m/e值，使V/m保持在稳定范围。,电压/质量扫描是线性 m = m0+kV0,不稳定区,稳定区,不稳定区,41,稳定区,42,磁场型分析器与四极滤质器的比较,1) 磁场型分析器 控制电路复杂，扫描速度较慢(0.5s/次) 存在限定离子束的狭缝，离子透射率较低(1%)，灵敏度低 要求系统的真空度高，保证足够的离子自由程，避免二次反应 m/e标度非线性，随m/e值增加按指数规律减小，m/eH2， 在较高m/e处，两个峰底容易重叠 由于是非线性，计算机数据处理量大，速度慢，占用内存多 要几千V的加速电压 有较大的质量分析范围，子离子&

17、母离子质量均可达10000 以上 分辨率高，可达高分辨,4.2 仪器及原理,43,2) 四极滤质器 电路控制简便，扫描速度快，几 ms，无磁滞 灵敏度高，因为无限定例子束的狭缝，离子的透射率高(50%) 分辨率较低，质量范围较小，一般都是低分辨范围。现在虽然已有高分辨(20000)的四极 质谱仪，但要求电极电压高度稳定 能在较高的压力(10-410-5mmHg)下保证输出质量，所以特别适用于GC-MS 和化学离子源 m/e 标度是线性的，质量较准，比较简单，计算机控制和数据采集都更简化 加速电压只有530V，使仪器简单化，可靠性增加，因此在近代得到广泛应用 对高质量数的离子存在质量歧视,4.2

18、 仪器及原理,44,不同质量分析器的质量扫描关系图,质谱图取决于许多因素，只有在制谱条件相同时，比较才有意义。 对磁场型分析器，压力、温度(离子源)都不能太高，要尽可能低，避免二次反应和诱导反应。 实验应该记录内容 压力、温度、EI 电子束能量、总离子流。,4.2 仪器及原理,图4.14,45,利用相同能量的带电离子，由于质量的差异而具有不同速度 v 的原理，实现不同质量 m 的离子以不同时间 t 通过相同的漂移距离 L 到达接受器,4. 飞行时间质量分析器 Time-of-flight, TOF,m/e = 2E t2 / L2,v= L / t 代入得:,m/e =2E / v2,m/e

19、= k t2,46,飞行时间质量分析器,47,飞行时间质量分析器(TOF),飞行时间质谱计的优点： 1、不需磁场，只需直线漂移的空间，仪器结构简单； 2、扫描速度快，10-510-6s，适合于GC-MS； 3、可测定的质量范围取决于飞行时间，因此实际测定离子质荷比没有上限，特别适合生物大分子。,作为一种高分辨质谱被广泛应用 于GC-MS、LC-MS和ICP-MS中,48,4.2 仪器及原理,双聚焦,单聚焦,四极杆,飞行时间,图4.13,49,四. 质谱仪器的主要指标,1 质量范围 m/e (e = 1) 能够测量的最大质量数。 质量范围与加速电压V有关，降低加速电压可扩大质量范围，因为与磁分析器的 m/e1/V 不同，四极杆的a/qV/m。一般四极质谱的质量范围为几百几千，最高可达 1 万多。 2 分辨率R (Resolution)，仪器性能的主要指标之一，是一台质谱仪器区别相邻两个质谱峰的能力。 目前，常用 10% 峰谷定义，规定两个峰的高度相同，峰谷为峰高的10，对两相邻的峰 m, m+m有 R = m / m,4.2 仪器及原理,50