儀器分析第9章質(zhì)譜【PPT】第一頁，共83頁。9.1概述

質(zhì)譜法是通過將樣品轉(zhuǎn)化為運動的氣態(tài)離子并按質(zhì)荷比(M/Z)大小進行分離并記錄其信息的分析方法．所得結(jié)果以圖譜表達，即所謂的質(zhì)譜圖．根據(jù)質(zhì)譜圖提供的信息可以進行多種有機物及無機物的定性和定量分析、復雜化合物的結(jié)構(gòu)分析、樣品中各種同位素比的測定及固體表面的結(jié)構(gòu)和組成分析等．9.1.1質(zhì)譜分析法第二頁，共83頁。

質(zhì)譜分析法是通過測定待測樣品離子的質(zhì)荷比（mass-to-charge-ratio）來進行分析的方法。OverviewofMassSpectrometryMass

SpectrumMassAnalyzerIonizationM+/FragmentationSampleMolecule(M)9.1概述第三頁，共83頁。9.1.2質(zhì)譜儀的發(fā)展簡史

1912年：世界第一臺質(zhì)譜裝置

1940年代:質(zhì)譜儀用于同位素測定

1950年代：分析石油

1960年代：研究GC-MS聯(lián)用技術(shù)

1970年代：商品GC-MS出現(xiàn)，計算機引入，GC-MS技術(shù)基本成熟。

1980年代：大氣壓電離的LC-MS出現(xiàn)

1990年代：基質(zhì)輔助激光解吸飛行時間質(zhì)譜儀出現(xiàn)，質(zhì)譜技術(shù)大量用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域，出現(xiàn)“生物質(zhì)譜”概念。9.1概述第四頁，共83頁。9.1.3質(zhì)譜儀的分類1有機質(zhì)譜儀：

1）氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀

2）液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀

3）其他質(zhì)譜儀:傅立葉變換質(zhì)譜儀基質(zhì)輔助激光解吸-飛行時間變質(zhì)譜儀2無機質(zhì)譜儀：ICP-MS3同位素質(zhì)譜儀：輕元素同位素，重元素同位素4氣體分析質(zhì)譜儀9.1概述第五頁，共83頁。9.1.4質(zhì)譜分析基本術(shù)語1．質(zhì)量數(shù)和質(zhì)量范圍在質(zhì)譜分析中，被測定的分子和原子都是以離子形式記錄的，如果離子只帶一個電荷，則離子的質(zhì)荷比在數(shù)值上就等于它的質(zhì)量數(shù)，質(zhì)譜儀的質(zhì)量范圍是指儀器所能測量的離子質(zhì)荷比范圍．氣體分析用質(zhì)譜儀的質(zhì)量范圍一般從2～100，而有機質(zhì)譜儀的質(zhì)量范圍一般從幾十到幾千．第六頁，共83頁。

2．分辨率分辨率表示儀器分開兩個相鄰質(zhì)量數(shù)離子的能力．它一般定義為：對兩個相等強度的相鄰峰，當兩峰間的峰谷不大于其峰高的10％時，可認為此兩峰已經(jīng)分開（圖9-6），這時，儀器的分辨率R用下式計算：式中，m為質(zhì)量數(shù)，且m1＜m2．第七頁，共83頁。圖9-6分辨率示意圖第八頁，共83頁。3．靈敏度靈敏度對于不同用途的質(zhì)譜儀有不同的表示方法．有機質(zhì)譜常用絕對靈敏度，無機質(zhì)譜常用相對靈敏度，而同位素分析質(zhì)譜常用豐度靈敏度．絕對靈敏度是指儀器能檢測的最小樣品量．目前，有機質(zhì)譜儀靈敏度可優(yōu)于10-10g．第九頁，共83頁。相對靈敏度是指儀器同時可檢測的大組分與小組分的含量之比．即表示儀器可測定的樣品中雜質(zhì)的最低相對含量，例如10-9．豐度靈敏度表示大豐度同位素峰的“拖尾”對相鄰小豐度同位素峰的影響．第十頁，共83頁。若大豐度同位素峰強度為IM，它對相鄰小豐度同位素峰的貢獻為IM+1，則：豐度靈敏度=IM/IM+1

（9-16）豐度靈敏度實際上也是一種相對靈敏度，一般同位素分析用的質(zhì)譜儀，其豐度靈敏度為105～106．還有用分析靈敏度表示的方法，它是指輸入的樣品量與儀器輸出信號之比，即對單位樣品量所能產(chǎn)生的信號的大?。谑豁?，共83頁。9.2質(zhì)譜儀器由進樣系統(tǒng)、離子源、質(zhì)量分析器、離子檢測器和記錄器組成．此外，還包括真空系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等輔助設(shè)備．根據(jù)質(zhì)量分析器的工作原理不同，有單聚焦、雙聚焦、飛行時間和四極濾質(zhì)器質(zhì)譜儀．第十二頁，共83頁。Inletsystem

IonSourceAnalyzerIonDetectorComputerMassSpectrumm/z離子源進樣系統(tǒng)質(zhì)量分析器檢測器真空系統(tǒng)10-2-10-6Pa第十三頁，共83頁。氣體分析用的質(zhì)譜儀進樣系統(tǒng)一般由管道、閥門、壓力表、樣品貯存器和漏口組成．它適用于室溫下氣體或易揮發(fā)液體樣品的分析．有機質(zhì)譜儀常與色譜儀聯(lián)用．色譜儀是質(zhì)譜儀的進樣系統(tǒng)，由色譜柱流出的樣品經(jīng)噴射式分子分離裝置將載氣分離后進入質(zhì)譜儀．用于無機物分析的質(zhì)譜儀，沒有專門的進樣系統(tǒng)，一般是把要分析的樣品制成電極，置于離子源中，靠高頻高壓使它電離．9.2.1進樣系統(tǒng)9.2質(zhì)譜儀器第十四頁，共83頁。9.2.2離子源質(zhì)譜分析的對象是樣品離子，應(yīng)首先把樣品分子或原子電離成離子，用于產(chǎn)生離子的裝置叫離子源，主要有電子電離源、化學電離源、火花電離源和高頻火花源等．9.2質(zhì)譜儀器第十五頁，共83頁。1電子電離源(electronionizationEI)利用高速電子轟擊試樣分子使它電離的離子源稱為電子電離源．它是由電熱陰極發(fā)射的電子，在正電位作用下進入電離室，前進過程中與進入電離室的樣品分子碰撞．若電子的能量大于樣品分子的電離電位，碰撞的結(jié)果將導致樣品分子的電離，所產(chǎn)生的正離子在靜電場的加速下進入分析器．第十六頁，共83頁。1電子電離源(electronionizationEI)第十七頁，共83頁。電子電離源中分子離子及碎片離子的形成形成分子離子裂解成碎片離子裂解重排裂解碰撞1電子電離源(electronionizationEI)第十八頁，共83頁。電子電離源的特點：1電離電壓：70eV2加一小磁場增加電離幾率。3EI源碎片離子多，結(jié)構(gòu)信息豐富，有標準化合物質(zhì)譜庫。4樣品在氣態(tài)下電離，不能汽化的樣品不能分析，主要用于氣-質(zhì)聯(lián)用儀。5有些樣品得不到分子離子。6適用于分子量低于1000的樣品。1電子電離源(electronionizationEI)第十九頁，共83頁。2化學電離源(chemicalionizationCI)利用反應(yīng)氣的離子與試樣分子碰撞使它電離的離子源稱為化學電離源．結(jié)構(gòu)同EI，一般儀器EI和CI可以互相切換。在化學電離源中，試樣的電離是由反應(yīng)氣離子同樣品分子反應(yīng)產(chǎn)生的．現(xiàn)以CH4作為反應(yīng)氣，XH為樣品氣說明化學電離的過程．第二十頁，共83頁。在電離室中，樣品氣含量僅為反應(yīng)氣的千分之一左右，因此，在電子的轟擊下，主要是反應(yīng)氣電離：CH4＋e-→CH4＋＋CH3＋＋CH2＋＋CH＋＋C＋＋H2+＋H+其中，碎片離子主要是CH4＋和CH3＋．2化學電離源(chemicalionizationCI)第二十一頁，共83頁。它們又與反應(yīng)氣作用，生成新的離子：

CH4＋＋CH4→CH5＋＋CH3

CH3＋＋CH4→C2H5＋＋H2樣品分子經(jīng)離子-分子反應(yīng)，總共生成XH2+、X+、A+和B+等正離子．檢測這些離子，就可以獲得有關(guān)樣品的質(zhì)譜．2化學電離源(chemicalionizationCI)第二十二頁，共83頁。2化學電離源(chemicalionizationCI)……反應(yīng)氣的反應(yīng)甲烷為反應(yīng)氣時主要存在形式加氫反應(yīng)，樣品對質(zhì)子親和力強烷烴脫氫反應(yīng)，對質(zhì)子親和力弱電荷交換形成加和離子形成負自由基離子由反應(yīng)氣產(chǎn)生反應(yīng)氣和樣品共同決定產(chǎn)物的形式第二十三頁，共83頁。3電噴霧電離源(electrosprayionizationESI)結(jié)構(gòu)：噴嘴（金屬毛細管），霧化氣，干燥氣(curtaingas)原理：噴霧蒸發(fā)電壓106V/m離子在電壓差和壓力差的驅(qū)使下向下游移動第二十四頁，共83頁。電噴霧源(ESI)的特點：1電噴霧源屬軟電離技術(shù)，只產(chǎn)生分子離子，不產(chǎn)生碎片離子。2產(chǎn)生的離子常常帶有多電荷，尤其是生物大分子。3適用于強極性，大分子量的樣品分析。如肽，蛋白質(zhì)，糖等。4主要用于液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀。3電噴霧電離源(electrosprayionizationESI)第二十五頁，共83頁。4高頻火花源利用高頻火花放電使試樣分子電離的離子源稱為高頻火花源．它適用于分析難以蒸發(fā)的金屬、半導體、絕緣體等固體材料．被分析樣品加工成棒狀電極，或與石墨混和壓制成電極．兩極間施加10～100kV的脈沖高頻電壓，使電極在真空中發(fā)生火花放電，從而使電極上的樣品蒸發(fā)并電離．第二十六頁，共83頁。作用：將離子源產(chǎn)生的離子按質(zhì)荷比m/z的大小分開ionseparation1單聚焦分析器(singlefocusingmassanalyzer)2雙聚焦分析器(doublefocusingmassanalyzer)3四極桿分析器(quadrupoleanalyzer)4離子阱分析器(Iontrapanalyzer)5飛行時間分析器(time-of-flightanalyzer)6富立葉變換離子回旋共振(Fouriertransformioncyclotronresonance)9.2.3質(zhì)量分析器9.2質(zhì)譜儀器第二十七頁，共83頁。1單聚焦分析器(singlefocusingmassanalyzer)9.2.3質(zhì)量分析器不同質(zhì)量的離子可通過改變磁場強度或A,B間的加速電壓使之依次通過出口狹縫1）結(jié)構(gòu)：扇形磁場可以是1809060等第二十八頁，共83頁。2）原理：R第二十九頁，共83頁。結(jié)論：1離子的m/z大，偏轉(zhuǎn)半徑也大，通過磁場可以把不同離子分開2在一定磁感應(yīng)強度B下，改變加速電壓V可以使不同離子先后通過檢測器，實現(xiàn)質(zhì)量掃描，得到質(zhì)譜。3）特點

結(jié)構(gòu)簡單，操作方便分辨率低第三十頁，共83頁。雙聚焦分析器是指同時實現(xiàn)方向聚焦和能量（速度）聚焦．它可克服單聚焦分析器中，即使是m/e相同的離子，因初始能量不同而不能全部聚焦在一起的缺點，從而使儀器的分辨率顯著提高．2雙聚焦分析器(doublefocusingmassanalyzer)第三十一頁，共83頁。結(jié)構(gòu)：磁場、電場任意順序組合原理：單聚焦分析器分辨率低的主要原因在于它不能進行能量聚焦。雙聚焦分析器具有能量聚焦和方向聚焦的特點特點：分辨率高(>150,000)(方向焦面)(能量焦面)動能大，投射到+極動能小，在-極放電一定能量的離子到達出口同能量的離子匯聚第三十二頁，共83頁。雙聚焦質(zhì)量分析器是將一靜電場分析器置于離子源和磁分離器之間．當質(zhì)量為m、電荷為e的離子通過一個與其飛行方向垂直的強度為E的電場時，則要受到一個F＝eE的力，這個恒定的力將使離子偏轉(zhuǎn)進入一個圓弧形軌道，軌道的半徑為re

．能量聚焦第三十三頁，共83頁。根據(jù)所受力的大小與粒子的離心力相等可得

因進入靜電分析器前，該離子在加速電場V中所獲得的動能為eV，即mv2/2=eV，代入式（9-17）中得

(9-17)（9-18）第三十四頁，共83頁。由式（9-18）可知，粒子的質(zhì)量不是一個參變量，因而靜電分析器分析的不是質(zhì)量．它實際上分析的是能量，即能夠選擇具有一定能量的離子使之通過一定直徑的靜電分析器．經(jīng)能量選擇的離子束隨后進入磁分析器，它所受的磁場作用力F＝Hev，離子作圓周運動的向心力與磁場作用力平衡，即方向聚焦第三十五頁，共83頁。代入mv2/2=eV得離子運動的半徑rm取決于磁場強度H、離子的質(zhì)荷比m/e以及加速電壓V．若保持H和V不變，則離子運動的半徑rm僅取決于離子本身的質(zhì)荷比m/e．，m/e不同的離子，由于運動半徑不同，在磁分析器中被分開隨即用照相底片攝取譜圖，即可獲得完整的質(zhì)譜圖．第三十六頁，共83頁。通常在質(zhì)譜儀中，出射狹縫的位置是固定的，故一般采用固定加速電壓V而連續(xù)改變磁場強度H（磁場掃描）的方法；或固定磁場強度H而連續(xù)改變加速電壓V（電場掃描）的方法，使不同質(zhì)荷比的離子依次通過狹縫，到達收集器，從而獲得質(zhì)譜圖．第三十七頁，共83頁。3四極桿分析器(quadrupolemassanalyzer)四極濾質(zhì)器，quadrupolemass

filter結(jié)構(gòu):四根棒狀電極，相對的兩個電極相連，形成四極場1，3棒：+(Vdc+Vrf)2，4棒：-(Vdc+Vrf)特點：掃描速度快，靈敏度高。適用于GC-MS。9.2.3質(zhì)量分析器第三十八頁，共83頁。四根棒狀電極加速電壓5-15V3四極桿分析器第三十九頁，共83頁。原理：在一定的VdcVrf下，只有一定質(zhì)量的離子可通過四極場，到達檢測器，其他質(zhì)量的離子碰到四極桿被吸收，在另外的VdcVrf下可接收到另外質(zhì)量的離子。在一定的（Vdc/Vrf)下，連續(xù)改變Vrf或Vdc可實現(xiàn)質(zhì)量掃描。第四十頁，共83頁。4飛行時間分析器(time-of-flightanalyzer,TOF）正離子在電場作用下被加速所有離子同時飛越長度為L的無場空間，先后到達檢測器V,L不變時，t由m/e決定一般，1-30s第四十一頁，共83頁。4飛行時間分析器第四十二頁，共83頁。特點：簡單、耐用，無質(zhì)量范圍限制。取樣速度快，適用于快速GC/MS；分析適用于脈沖離子化方式（如MALDI）的大分子量的多肽、蛋白質(zhì)。早期分辨率低的問題通過延遲萃取技術(shù)等已經(jīng)得到解決。4飛行時間分析器第四十三頁，共83頁。9.2.4檢測器(detector)1電子倍增器electronphotonmultiplier2光子倍增器photonmultiplier3法拉第杯Faradaycup4陣列檢測器arraydetectors9.2質(zhì)譜儀器第四十四頁，共83頁。電子倍增器第四十五頁，共83頁。9.2.5質(zhì)譜分析法的應(yīng)用1GC-MS聯(lián)用分析AGC-MS定性分析1）分析條件的設(shè)定GC條件：同普通GCMS條件：掃描方式，掃描范圍，掃描速度,燈絲電流，倍增器電壓等2）定性分析數(shù)據(jù)的采集：進樣，電離，質(zhì)譜數(shù)據(jù)的采集

第四十六頁，共83頁。BGC-MS定量分析GC-MS定量分析依據(jù)：含量W=F峰面積A用總離子色譜圖定量用質(zhì)量色譜圖（提取離子色譜圖）定量用選擇離子色譜圖定量GC-MS定量分析方法：外標法內(nèi)標外標法第四十七頁，共83頁。2LC-MS聯(lián)用分析ALCLC-MS聯(lián)用儀(LC-MS)組成：LC：普通LCMS：帶有電噴霧源（ESI）的質(zhì)譜儀，可以是：四極桿（Q）質(zhì)譜儀離子阱（Trap)質(zhì)譜儀飛行時間（TOF）MS-MS：三級四極（Q-Q-Q）質(zhì)譜儀混合（Q-TOF）質(zhì)譜儀多級MS數(shù)據(jù)系統(tǒng)：計算機蛋白質(zhì)庫第四十八頁，共83頁。BLC-MS定性分析1）分析條件的選擇LC條件的選擇電噴霧條件MS條件2）定性分析分子量確定：（M+1）（M-1）多電荷MS-MS聯(lián)用測定子離子譜CLC-MS定量分析質(zhì)量色譜圖

多反應(yīng)監(jiān)測（MRM）第四十九頁，共83頁。9.3質(zhì)譜解析9.3.1質(zhì)譜中的離子1分子離子or雙鍵或環(huán)狀結(jié)構(gòu)、有機酸、醇等的分子離子峰強度大M第五十頁，共83頁。分子離子峰的判斷一般在質(zhì)譜的最右端有合理的質(zhì)量丟失（丟失的質(zhì)量數(shù)不應(yīng)為4-14;20-25；37；38；50~53；65；66）分子量符合氮規(guī)則N的個數(shù)為奇數(shù)，分子量為奇數(shù)N的個數(shù)為0,2,4…等偶數(shù)，分子量為偶數(shù)（N為奇數(shù)價，偶數(shù)分子量）9.3.1質(zhì)譜中的離子第五十一頁，共83頁。2碎片離子——EI(1)自由基引發(fā)的斷裂——斷裂醇的特征離子伯胺第五十二頁，共83頁。雙鍵酮烷基苯第五十三頁，共83頁。(2)正電荷引發(fā)的斷裂雙電子轉(zhuǎn)移斷裂（幾率大）電荷引發(fā)（幾率小）斷裂第五十四頁，共83頁。(3)斷裂無電子和電子的烷烴分枝處易斷裂、易丟失最大烷基第五十五頁，共83頁。(4)環(huán)烯的斷裂——Retro-Diels-Alder反應(yīng)第五十六頁，共83頁。3同位素離子一般質(zhì)量數(shù)大于分子離子同位素峰的強度取決于同位素的種類和豐度根據(jù)同位素峰強度比可以估計該元素的個數(shù)同位素峰強度符合規(guī)則輕同位素豐度重同位素豐度同位素元素的個數(shù)第五十七頁，共83頁。3同位素離子12C和13C100:1.1有1個C時，(100+1.1)1；M+1峰的強度：（M+1）/M=1.1/1002個C時，(100+1.1)2=1002+2×100×1.1+1.12；M+1峰強度：（M+1）/M=2×100×1.1/1002=2.2%M+2峰強度：（M+2）/M=1.12/1002=0.0121%第五十八頁，共83頁。3同位素離子35Cl和37Cl100:32.53:1505231幾率848688961118120122124272791第五十九頁，共83頁。4重排離子——麥氏重排(Mclafferty)含有含有氫原子第六十頁，共83頁。9.3質(zhì)譜解析9.3.2常見有機化合物的質(zhì)譜1烴類強度隨著分子質(zhì)量的增加而減弱；呈現(xiàn)CnH2n+1系列碎片離子峰C3，C4的碎片出現(xiàn)幾率大；M-15峰極弱或觀察不到A、直鏈烷烴第六十一頁，共83頁。支鏈烷烴的更弱支鏈處容易斷裂，產(chǎn)生的仲或叔碳正離子，碎片離子強度大5716985141B、支鏈烷烴1烴類第六十二頁，共83頁。1烴類第六十三頁，共83頁。D烯烴易發(fā)生β鍵斷裂，出現(xiàn)CnH2n-1（41+14n）烯烴特征峰可發(fā)生麥氏重排產(chǎn)生離子峰CnH2n（42+14n）1烴類C環(huán)烷烴易發(fā)生α斷裂，得到環(huán)的碎片CnH2n-1第六十四頁，共83頁。E芳烴芐基容易斷裂生成正離子R+CH2RCH21烴類易發(fā)生β鍵斷裂，生成m/Z=91的C7H7+，C5H5+（m/Z=65），C3H3+（

m/Z=38）

CnHm:38,39,50-22,63-65,75-78發(fā)生麥氏重排生成m/Z=92的C7H8+第六十五頁，共83頁。9.3質(zhì)譜解析9.3.2常見有機化合物的質(zhì)譜2醇和酚醇斷裂脫水CnH2n+1O+第六十六頁，共83頁。9.3質(zhì)譜解析9.3.2常見有機化合物的質(zhì)譜酚較強的分子離子苯的特征異構(gòu)化第六十七頁，共83頁。9.3質(zhì)譜解析9.3.2常見有機化合物的質(zhì)譜麥氏重排3醛和酮斷裂4酯和酸酸CnH2n-1O+CnH2n-1O2+M-1H-CO(m/z=29)R+R+OR+第六十八頁，共83頁。9.3質(zhì)譜解析9.3.2常見有機化合物的質(zhì)譜5胺脂肪胺伯胺仲胺、叔胺斷裂碎片離子進一步重排芳胺與酚類似CnH2n+2N+第六十九頁，共83頁?？偨Y(jié)側(cè)鏈碳原子處最易斷裂，取代基大的優(yōu)先斷裂。飽和環(huán)在側(cè)鏈部位α斷裂。雙鍵，芳環(huán)和雜環(huán)的M+穩(wěn)定，易發(fā)生β斷裂含有雜原子的化合物易產(chǎn)生β斷裂羰基化合物易產(chǎn)生α斷裂第七十頁，共83頁。低質(zhì)量端的常見離子官能團化學式m/e烷基CnH2n+1152943577185烯基、環(huán)烷基CnH2n-1274155698397芳烴CnHm383950-5263-6575-85醚、醇CnH2n+1O+3145597387醛、酮CnH2n-1O+2943577185酸、酯CnH2n-1O2+