10 第十章 质谱法.ppt

第1页：质谱分析法概述

第九章质谱分析法Mass Spectrometry,MS第一节概述分子?

第2页：质谱仪的发展史

质谱仪的发展史1912年:世界第一台质谱装置40年代: 质谱仪用于同位素测定50年代:分析石油60年代:研究GC-MS联用技术70年代:计算机引入

第3页：质谱法的作用与原理

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4页：质谱法分类

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5页：第二节质谱分析的原理与仪器一

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6页：进样与离子化过程

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7页：碎片离子的形成

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8页：将(1)(2)合并:当r 为仪器设置

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9页：质谱仪的组成单元

进样系统(inlet system) θ离子源(ion source)θ质量分析器(mass analyzer)θ检测器(detecter)θ真空系统(Vacuum system)二、质谱仪的组成

第10页：样品引入系统

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11页：进样系统

进样系统

第12页：质谱分析的原理与仪器

Laser Ablation of Plastics Applying Different Wavelenghts1064 nm308 nm248 nm

第13页：难挥发样品的衍生化进样

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14页：离子源的作用

2、离子源(ion source)主要作用是使分析物的分子离子化电子电离源(electron ionization EI)化学电离源(chemical ionization CI)快原子轰击(fast atom bombardment FAB)电喷雾源(electronspray ionization ESI)大气压化学电离(atmospheric pressure chemical ionization APCI)基质辅助激光解吸电离(matrix assisted laserDesorption ionization MALDI)

第15页：电子电离源

(1)电子电离源(electron ionization EI)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16页：电子电离源的特点

特点:ϖ碎片离子多,结构信息丰富,有标准化合物质谱库;ϖ不能汽化的样品不能分析;ϖ有些样品得不到分子离子;

第17页：生成的气体离子再与样品分子M反应:C

(2)化学电离源(chemical ionization CI)CH4 + e CH4 ++ 2eCH4++ CH4 CH5 + + 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 ++M CH4 + MH+

第18页：化学电离源的特点

特点:ϖ得到一系列准分子离子(M+1)+,(M-1)+,(M+2)+等等;ϖCI源的的碎片离子峰少,图谱简单,易于解释;ϖ不适于难挥发成分的分析。

第19页：快原子轰击源

(3)快原子轰击(fast atom bombardment FAB)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20页：电喷雾源的结构与原理

(4)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21页：电喷雾源的适用范围

特点:1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22页：质量分析器的类型

3、质量分析器(mass analyzer)1 单聚焦分析器(single focusing mass analyzer)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)

第23页：单聚焦分析器

(1)单聚焦分析器(single focusing mass analyzer)1)结构:扇形磁场(可以是1800900600等)

第24页：单聚焦分析器的原理

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25页：双聚焦与能量聚焦

(2)双聚焦分析器(Double focusing mass analyzer)

第26页：为什么要双聚焦

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27页：四极杆分析器

(3)四极杆分析器(quadrupole analyzer)

第28页：四极杆的直流与射频电压

直流电压Vdc交流电压Vrf频率为射频区

第29页：四极杆电极的排布

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30页：四极杆分析器的电极排布

++-

第31页：三重四极杆质谱结构

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2-2 MS/MS仪器结构图;各项主要电参数及气体参数含义

第32页：分子离子峰的子离子扫描

170937765图2-5 m/z =170的分子离子峰的子离子扫描图

第33页：子离子扫描的碎片归属

M1+H+]m/z170m/z93m/z77m/z65

第34页：离子阱分析器的特点

(4)离子阱分析器IonTrapAnalyzer特点:θ结构简单θ灵敏度高θ适于小型联用仪器(GC-MS)

第35页：飞行时间分析器

(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36页：飞行时间分析器的优点

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37页：机械真空泵扩散泵分子涡轮泵

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38页：质谱检测器

5、检测器(detector)电子倍增器

第39页：质量范围与扫描速度

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40页：质谱分辨率

(3)分辨率R质谱对相邻两质量组分分开的能力例如:CO+27.9949N2+28.0061四极质谱恰好能将此分开.

第41页：高分辨质谱与灵敏度

但是:ArCl+74.9312As+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42页：第三节常见化合物的质谱一

第三节常见化合物的质谱一、烃类质谱1、烷烃71574329

第43页：正构烷烃的裂解规律

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44页：烯烃的裂解规律

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 —CH2M / Z = 41CH2= CH —RR—CH2 —CH2—CH2—CH = CH2+

第45页：芳烃的苄基断裂

3、芳烃易发生苄基断裂,生成苄基离子C2H2-26C2H2 -26M /Z 91M /Z 91M /Z 39M /Z 65

第46页：常见化合物的质谱

3965 91 92 M / Z

第47页：二、杂原子的质谱(

二、杂原子的质谱(1) 醇和酚醇类(1)杂原子存在,形成M/Z 31的离子和M—1的离子;(2)失水生成M—18离子。CH3—CH2—OH(M /Z 46)CH2= OH M / Z 31CH3—CH2—OH(M /Z 46)CH3—CH = OH M / Z 45

第48页：醇类化合物的质谱

C3H7 —CH —CH3OHC3H7CHOHCH—CH3OHM/Z = 73M/Z = 45M/Z = 88M-H2OM-CH3M-1M4570 73 88

第49页：酚类的裂解特征

酚类:(1)失去C = OM/Z28(2)失去H2OM/Z18(3)具有苯的特征

第50页：醛、酮、醚的质谱

(2)醛、酮、醚辛酮—4CH3CH2CH3—C—CH2CH2CH2CH3OM/Z12843715785M/Z12885715743

第51页：对羟基苯甲醛的质谱

第52页：再例如对羟基苯甲醛

再例如对羟基苯甲醛

第53页：醚类的裂解途径

醚类乙基异丁基醚CH3—CH2—CH—O—CH2—CH3CH3α—断裂β—断裂

第54页：卤素化合物的裂解

(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55页：胺类的裂解特征

(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56页：三、分裂和重排(

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57页：分裂和重排

M/Z = 86M/Z = 100

第58页：麦氏重排的碎片离子

M/Z = 86M/Z = 100++M/Z = 58M/Z = 58

第59页：麦氏重排的规律(

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60页：麦氏重排的适用结构

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61页：环状分子的分裂

(2)环状分子的分裂例如:环己烯可以生成丁二烯和乙烯

第62页：分子离子峰的来源推断

再例如:解释下列化合物的质谱M/Z=108 的来源M/Z=108+

第63页：分子量的确定规律

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;2、分子离子峰应有合理的质量丢失:例如:在比分子离子峰小4-14及20-25质量单位处不应有离子峰出现,因为一个有机化合物不可能失去4-14个氢而不断链,但如果断链,失去最小碎片应为CH3,质量数为15,同理,不可能失去20-25质量单位。3、质量数符合氮规律,即有机化合物含奇数氮原子,分子量为奇数,含偶数氮原子(包括0氮原子),分子量为偶数。

第64页：元素价数与质量数规律

元素价数与质量数规律

例如:元素价数原子量C412偶偶0216偶偶P3-531奇奇N314奇偶4、如果确认无分子离子峰,则应在仪器上想办法。

第65页：分子式的确定

二、分子式的确定可利用Beynon同位素丰度表确定。因为同一元素的不同同位素丰度不同。例如:CO、C2H2、N2的质量数都是28,但同位素丰度不同,因此可加以区分。例如:某化合物分子量为150,M/Z150、151和152的强度比为:M(150)100%M+1(151)9.9%M+2(152)0.9%查表可知为C9H10O2

第66页：分子结构的确定

三、分子结构的确定1、确定化合物的不饱和度2、确定碎片离子例如:已知C8H8O2(136)(1)不饱和度为5,怀疑有苯环;(2)碎片峰77、51,为苯环特征;(3)136-105=31是(—CH2OH,—OCH3)丢失;(4)105-77=28是(CO,C2H4)丢失。因此,结构可能是(见教材473页)。

第67页：有机混合物的联用分析

四、有机混合物分析1、气相色谱-质谱联用(GC-MS )2、液相色谱-质谱联用(LC-MS)3、质谱-质谱联用(MS-MS)操作程序:(1)总离子流图(2)选择性离子扫描(3)质量解析

第68页：有机化合物的质谱分析

GCMS

第69页：正离子碎片扫描图

24113410677图3-3对图3-1b中峰3的正离子碎片扫描图