1、.,第十五章 質(zhì)譜法(mass spectrometry MS),.,要求： 1 掌握質(zhì)譜法的基本原理及特點； 2 掌握質(zhì)譜中不同離子的類型及在結(jié)構(gòu)解析中的作用； 3 熟悉質(zhì)譜儀各主要部件的工作原理。,.,概述 generalization,1.質(zhì)譜分析法(mass spectrometry或mass spectroscopy MS):是利用離子化技術(shù)，將物質(zhì)分子轉(zhuǎn)化為離子，按其質(zhì)核比(m/z)的差異進(jìn)行分離測定。,縱坐標(biāo)：離子的相對強(qiáng)度 橫坐標(biāo)：質(zhì)荷比 m/z,.,2.質(zhì)譜分析的特點：(1). 應(yīng)用范圍廣：可用于無機(jī)成分、有機(jī)成分分以及同位素分析； (2).不受試樣物態(tài)限制：可對氣體、液體、

2、固體等進(jìn)行分析;(3).分析速度快：完成一次掃描僅需1幾秒;(4).靈敏度高：檢測限可達(dá)10-11g；分析速度快，樣品用量少。,3.用途： 求精確分子量，從而確定分子式 鑒定化合物 推斷結(jié)構(gòu) 推算Cl、Br、S等原子數(shù),.,4.發(fā)展史： 1911年:世界第一臺質(zhì)譜裝置（J.J.Thomson） 40年代:用于同位素測定和無機(jī)元素分析 50年代：開始有機(jī)物分析（分析石油） 60年代：研究GC-MS聯(lián)用技術(shù) 70年代：計算機(jī)引入 80年代：新的質(zhì)譜技術(shù)出現(xiàn)：快原子轟擊電離子源，基質(zhì)輔助激光解吸電離源，電噴霧電離源，大氣壓化學(xué)電離源；LC-MS聯(lián)用儀，感應(yīng)耦合等離子體質(zhì)譜儀，傅立葉變換質(zhì)譜儀等 目前

3、質(zhì)譜分析法已廣泛地應(yīng)用于化學(xué)、化工、材料、環(huán)境、地質(zhì)、能源、藥物、刑偵、生命科學(xué)、運動醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域。,.,第一節(jié) 基本原理和質(zhì)譜儀,質(zhì)譜的形成:氣態(tài)樣品通過導(dǎo)入系統(tǒng)進(jìn)入離子源，被電離成分子離子和碎片離子，由質(zhì)量分析器將其分離并按質(zhì)核比大小依次進(jìn)入檢測器，信號經(jīng)放大、記錄得到質(zhì)譜圖(mass spectrun; MS)。,質(zhì)譜形成過程示意圖,.,縱坐標(biāo)：離子的相對強(qiáng)度 橫坐標(biāo)：質(zhì)荷比 m/z,由上圖可見，質(zhì)譜圖的形成與光譜圖類似。質(zhì)譜儀的離子源、質(zhì)量分析器和檢測器分別類似于光譜儀中的光源、單色器和檢測器。但兩者的原理不同，質(zhì)譜不屬于光譜的范疇。,分光光度計組成示意圖,光源,單色器,樣品池,檢測

4、器,記錄裝置,.,一、質(zhì)譜法的基本原理,選擇其中帶正電荷的離子使其在電場或磁場的作用下，根據(jù)其質(zhì)荷比(m/z，離子質(zhì)量與電荷之比)的差異進(jìn)行分離，按各離子m/z的順序及相對強(qiáng)度大小記錄的圖譜即為質(zhì)譜。,1、基本原理：質(zhì)譜法是應(yīng)用多種離子化技術(shù)（如高能離子流轟擊、化學(xué)電離、強(qiáng)電場作用等），使物質(zhì)分子失去外層價電子形成分子離子（molecular ion; ），分子離子中化學(xué)鍵發(fā)生某些有規(guī)律的斷裂而形成不同質(zhì)量的碎片離子(fragment ion)。,.,2.質(zhì)譜圖的表示：常見的質(zhì)譜圖是經(jīng)過計算機(jī)處理過的棒圖(Bar graphs) 。,相對強(qiáng)度(%),相對強(qiáng)度：以質(zhì)譜中最強(qiáng)峰的高度為100%，并

5、將此峰稱為基峰，其余峰按與基峰的比例加以表示，又稱相對強(qiáng)度。,注：根據(jù)質(zhì)譜圖的峰位可進(jìn)行定性鑒別，根據(jù)相對強(qiáng)度可進(jìn)行定量測定。,.,二、質(zhì)譜儀(Mass Spectrometers),Elan9000電感耦合等離子體質(zhì)譜儀,雙聚焦質(zhì)譜儀,.,質(zhì)譜儀的構(gòu)成：高真空系統(tǒng)、樣品導(dǎo)入系統(tǒng)、離子源、質(zhì)量分析器、離子檢測器及記錄裝置等。,1.氣體擴(kuò)散 2.直接進(jìn)樣 3.氣相色譜,1.電子轟擊 2.化學(xué)電離 3.場致電離 4.激光,1.單聚焦 2.雙聚焦 3.飛行時間 4.四極桿,（一）真高空系統(tǒng),質(zhì)譜儀屬于高真空裝置，因此，高真空系統(tǒng)是使質(zhì)譜儀正常工作的保障系統(tǒng)。質(zhì)譜儀的進(jìn)樣系統(tǒng)、離子源、質(zhì)量分析器、檢測

6、器等主要部件均需在高空狀態(tài)下工作（10-410-6Pa）。,.,1、高真空的作用： (1)避免離子散射以及離子與殘余氣體分子碰撞引起能量變化; (2) 降低本底和記憶效應(yīng)。,2、高真空系統(tǒng)的組成：一般由旋轉(zhuǎn)泵和擴(kuò)散泵串聯(lián)而成，亦可采用分子泵以獲得更高的真空度。,（二）樣品導(dǎo)入系統(tǒng),1.直接進(jìn)樣：適合于單組分、揮發(fā)性較低的固體或液體樣品。,2.色譜聯(lián)用導(dǎo)入試樣：利用與質(zhì)譜儀聯(lián)機(jī)的氣相色譜儀或高效液相色譜儀將混合物分離后，通過特殊的聯(lián)機(jī)“接口”進(jìn)入離子源，依次進(jìn)行各組分的質(zhì)譜分析。,.,（三）離子源,1.離子源的作用：將被分析樣品離子化，并使其具有一定的能量。,（1）電子轟擊源（electron

7、impact source; EI） ：常用于有機(jī)物電離；,2. 離子源的分類及適用條件：,.,M+ e (高速) M.+ + 2e (低速),.,EI的特點 ：是最常用的一種離子化方式，能量較高（70eV），所得碎片離子峰比較豐富，常用于標(biāo)準(zhǔn)MS圖的制備，便于進(jìn)行鑒定和結(jié)構(gòu)解析 ，但所得分子離子峰往往并不很強(qiáng)甚至不能識別 ，不利于確定分子量。,（2）化學(xué)電離源（chemical ionization source，CI）:屬于軟電離，是極為有用的一種，譜形簡單，能提供較強(qiáng)的準(zhǔn)分子離子峰和很少的碎片峰。,高能電子流(100240eV)先轟擊反應(yīng)氣（如甲烷，氣壓10100Pa，是樣品的10310

8、5倍），反應(yīng)氣首先被電離，再與試樣分子碰撞，產(chǎn)生準(zhǔn)分子離子。,.,（4）場致電離源（FI）：適用于易變分子的離子化 ，如碳水化合物、氨基酸、多肽、抗生素和苯丙胺類藥物均宜采用；能產(chǎn)生較強(qiáng)的分子離子峰和準(zhǔn)分子離子峰。,（3）快原子轟擊離子源（FAB)：可直接進(jìn)行分析，毋需做成衍生物；適用于較大分子的MS分析，而EI、CI、FI、FD等方法只能用于中、小分子有機(jī)化合物的測定 .,（5）場解吸離子化 （FD ），負(fù)離子化學(xué)離子化 （NICI ），激光解吸 （LD）:,.,（四）質(zhì)量分析器(mass analyser)：是將離子源中形成的離子按質(zhì)荷比的差異進(jìn)行分離的裝置。主要有磁分析器和四極桿分析器。

9、,加速后離子的動能 :,以磁分析器為例：,電離室原理與結(jié)構(gòu),質(zhì)量分析器原理與結(jié)構(gòu),.,離子在磁場中的軌道半徑R取決于： m/e 、 H0 、 V，當(dāng)加速電壓和磁場強(qiáng)度均固定時，不同m/e的離子有不同的運動半徑，即磁場可將不同質(zhì)量的離子按m/e的大小順序分成不同的離子束，即磁場的質(zhì)量色散作用。,在磁場存在下，帶電離子按曲線軌跡飛行，存在如下關(guān)系式：,離子運動半徑：,質(zhì)譜方程式：,.,當(dāng)儀器R固定時，若保持磁場強(qiáng)度H0不變，連續(xù)改變V(電壓掃描)，可使不同質(zhì)量的離子按m/e的大小順序通過狹縫到達(dá)檢測器；若使V保持不變，連續(xù)改變H0，也可使不同質(zhì)量的離子按m/e的大小順序通過狹縫到達(dá)檢測器。,質(zhì)譜方

10、程式：,.,(1)單聚焦質(zhì)量分析器(single focusing mass analyser)：,磁場,當(dāng)H0固定時，不同mv/e的離子具有不同的運動半徑，此為磁場的能量色散作用。,能量色散使m/e相同但運動速度稍有差別的離子在通過磁場后發(fā)散，導(dǎo)致儀器的分辨率降低。,對離子束僅實現(xiàn)質(zhì)量色散，方向聚焦，而不能實現(xiàn)能量聚焦。,.,(2)雙聚焦質(zhì)量分析器(double focusing mass analyser)：,由兩部分組成，即靜電分析器和磁場分析器。同時實現(xiàn)了能量聚焦和方向聚焦，分辨率比較高，是目前最常用的質(zhì)量分析器。,缺點：雙聚焦質(zhì)譜儀體積大,.,雙聚焦質(zhì)譜儀,.,是由四根平行、對稱放置

11、的圓柱形電極組成，對角電極構(gòu)成兩組。兩組電極間加一定的直流電壓U和高頻電壓Vcost。利用電壓掃描或頻率掃描，使不同質(zhì)荷比的離子依次通過四極桿質(zhì)量分析器到達(dá)收集器。,(3)四極桿質(zhì)量分析器(quadrupole mass analyzer)：,.,優(yōu)點： 可在較低的真空度下工作； 掃描速度快，有利于色譜儀聯(lián)用； 結(jié)構(gòu)簡單，體積小，自動化程度高。 缺點： 分辨率低于雙聚焦質(zhì)量分析器； 質(zhì)量范圍較窄，一般為101000amu（原子質(zhì)量單位）； 不能提供亞穩(wěn)離子信息。,為了滿足色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀器的發(fā)展及儀器小型化（臺式）需要，現(xiàn)在最常用的質(zhì)量分析器有：,四極桿質(zhì)量分析器 飛行時間質(zhì)量分析器 離子阱質(zhì)

12、量分析器,.,.,串聯(lián)四極桿飛行時間質(zhì)譜,.,氣相色譜-質(zhì)譜儀,.,液相色譜-質(zhì)譜儀,.,Waters Quattro Premier串聯(lián)四極桿質(zhì)譜儀,儀器特點：串聯(lián)四極桿質(zhì)譜儀可以有多種掃描方式， 完成化合物的確證和化合物的結(jié)構(gòu)闡述， 以及高靈敏度的定量分析。其掃描方式包括：1全掃描（Full Scan）2選擇離子掃描（SIR）3子離子掃描（Product Scan）4中性丟失掃描（Neutral Loss）5母離子掃描（Precursor Scan）6多反應(yīng)監(jiān)測（MRM）,.,色譜質(zhì)譜聯(lián)用圖,.,（五）離子檢測器,（1）電子倍增管：可測出10-17A微弱電流； （2）微通道板檢測器。,.,

13、（六）質(zhì)譜儀的主要性能指標(biāo),1.分辨率(resolution; R)：是指儀器能分離相鄰兩質(zhì)譜峰的能力。,如兩種相鄰離子正好被分離 ： RMM,所謂兩種離子正好被分離，國際上有兩種定義：10%谷和50%谷。即該兩峰重疊后形成的谷高為峰高的平均高度的10或50%，則認(rèn)為該兩離子已被分離。目前，磁質(zhì)譜儀用10谷底的定義，四極質(zhì)譜儀采用 50%谷高定義。,按分別率高低，可將質(zhì)譜儀分為低分辨率質(zhì)譜儀和高分辨率質(zhì)譜儀：分辨率低于1000的儀器稱為低分辨質(zhì)譜儀，高于10000的稱為高分辨質(zhì)譜儀 。,.,2.靈敏度(sensitivity; S)：是指儀器記錄所產(chǎn)生的信號強(qiáng)度與所用樣品量之間關(guān)系的度量。,3

14、.質(zhì)量范圍(mass range)：是指儀器能夠測量的離子質(zhì)量范圍。 目前，四極質(zhì)譜儀的質(zhì)量范圍一般為101000aum，磁質(zhì)譜儀一般為幾十至幾千aum。,4.質(zhì)量準(zhǔn)確度(mass accuracy)：又質(zhì)量精度，即離子質(zhì)量實測值M與理論值M0的相對誤差。,.,第二節(jié) 質(zhì)譜中主要離子及其裂解類型,在有機(jī)質(zhì)譜中出現(xiàn)的離子有：分子離子、碎片離子、同位素離子、亞穩(wěn)離子等。不同離子的形成在質(zhì)譜解析中各有用途。,（一）分子離子（molecular ion）,1、分子電離一個電子形成的離子，稱為分子離子，用 表示； 2、分子離子的質(zhì)量與化合物的分子量相等。,特點：,一 質(zhì)譜中的主要離子：,.,.,（二）碎

15、片離子(Fragment Ion),碎片離子是分子離子中某些化學(xué)鍵發(fā)生斷裂而形成的離子。由于鍵斷裂位置的不同，同一個分子離子能產(chǎn)生不同質(zhì)量大小的碎片離子，而其相對強(qiáng)度與鍵斷裂的難易有關(guān)，即與分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此，碎片離子的峰位及相對強(qiáng)度可提供化合物的結(jié)構(gòu)信息。,.,正己烷,一般有機(jī)化合物的電離能為713eV，質(zhì)譜中常用的電離電壓為70eV，使結(jié)構(gòu)裂解，產(chǎn)生各種“碎片”離子。,.,（三） 同位素離子（isotopic ion ）,大多數(shù)元素都是由具有一定自然豐度的同位素組成的。在質(zhì)譜中，會出現(xiàn)含有這些同位素的離子峰。含有同位素的離子稱同位素離子（isotopic ion）。 組成有機(jī)物的常見元素如

16、C、H、O、N、S及鹵素等，在自然界多具有天然同位素。 它們的同位素豐度比是以豐度最大的輕質(zhì)同位素為100%計算而得。,.,例如：CH4 M=16 12C+1H4=16 M 13C+1H4=17 M+1 12C+2H+1H3=17 M+1 13C+2H+1H3=18 M+2,同位素峰,分子離子峰,.,同位素豐度比：是重質(zhì)同位素與豐度最大的輕質(zhì)同位素的峰強(qiáng)度比。即：,應(yīng)用：由于有機(jī)物一般含有C、H、O、N、S、Cl、Br等元素，因此質(zhì)譜中同位素峰比較常見，由于2H、17O、18O、15N、33S的自然豐度比太小，可忽略不計；34S、37Cl、81Br的豐度比很大，因此，含有S、Cl、Br的分子離

17、子或碎片離子，其M+2峰強(qiáng)度較大。 可根據(jù)M和M+2兩個峰強(qiáng)比推斷分子中是否含有S、Cl、Br及其原子數(shù)目。,.,若分子中含有一個Br原子, M:(M+2)=1:1；含兩個Br原子， M:(M+2):(M+4)=1:2:1; 含三個Br原子， M:(M+2):(M+4):(M+6)=1:3:3:1,有以下幾種情況：,1、分子中僅含Cl原子：因為35Cl: 37Cl=3:1,若分子中含有一個Cl原子, M:(M+2)=3:1；含兩個Cl原子，M:(M+2):(M+4)=9:6:1; 含三個Cl原子，M:(M+2):(M+4):(M+6)=27:27:9:1,2、分子中僅含Br原子：因為79Br:

18、 81Br =1:1,.,.,同位素的峰強(qiáng)比符合二項式 (a+b)n，a和b為輕質(zhì)及重質(zhì)同位素的豐度比，n為原子數(shù)目。 例如：分子中有3個氯：n=3、a=3、b=1，代入二項式，即可求出各同位素峰強(qiáng)度比： (a+b)n=a3+3a2b+3ab2+b3=27+27+9+1,3、分子中既有Cl原子又有Br原子：峰強(qiáng)度符合(a+b)m(c+d)n，第一個括號涉及氯同位素(a=3，b=1)，第二個括號涉及溴同位素(c=1，d=1)，m、n是指每種鹵元素存在的數(shù)目，當(dāng)m=n=1時，峰強(qiáng)度比為：,(a+b)(c+d)=ac+ad+bc+bd 即(3+1)(1+1)=3：3：1：1,所以，M:M+2:M+4=3:4:1,.,（四）亞穩(wěn)離子,離子（m1+）脫離離子源后并在磁場分離前，在飛行過程中發(fā)生裂解而形成的低質(zhì)量的離子（m2+），這種離子的能量比在離子源中產(chǎn)生的m2+離子的小，且很不穩(wěn)定，在質(zhì)譜中稱亞穩(wěn)離子(metastable ion)，通常用m*表示。,.,亞穩(wěn)離子的特點： 峰弱，峰強(qiáng)僅為m1+峰的1%3%； 峰鈍，一般可跨越25個質(zhì)量單位； 質(zhì)荷比一般不是整數(shù)。亞穩(wěn)離子m*與母離子 m1+及離子m2+的關(guān)系如下式所示：,