最新-第14章质谱分析-课件.ppt

1、 M+(M-R2)+(M-R3)+(M-R1)+14.1 14.1 质谱分析概述质谱分析概述 1.气体扩散2.直接进样3.气相色谱1.电子轰击2.化学电离3.场致电离4.激光 1.单聚焦 2.双聚焦 3.飞行时间4.四极杆 14.2 14.2 质谱仪器原理质谱仪器原理图14.3 电子轰击离子源e2MeM+气体分子气体分子试样分子试样分子+准分子离子准分子离子电子电子(M1)+;(M+17)+;(M+29)+;分子离子峰强；分子离子峰强；碎片离子峰少；碎片离子峰少；不适合化合物结构鉴定。不适合化合物结构鉴定。阳极+阴极d1mm 快原子电离源快原子电离源（FAB）质谱图质谱图软电离方式软电离方式，

2、易形成，易形成多电荷离子多电荷离子M+nHn+。特别特别适合于分析极性强、热稳定性差的大分子适合于分析极性强、热稳定性差的大分子，如，如蛋白质、肽、糖等。蛋白质、肽、糖等。电喷雾电离源电喷雾电离源（ESI）：）：LC-MS 结构流程结构流程大分子蛋白质的质谱图大分子蛋白质的质谱图 hen egg lysozyme25-Jan-200010:00:37Platform II,BMB,The University of Leeds10001200140016001800200022002400m/z0100%LYS01A 1(1.392)Sm(SG,2x1.00);Sb(10,10.00)Scan

3、 ES+2.16e6A:14305.670.42A9;1590.6A101431.6A111301.4A121193.1A131101.51310.51441.3A81789.21601.41801.3A72044.62049.7相对分子质量量为10000的分子若带有10个电荷，则其质荷比只有1000，在一般质谱仪可以分析的范围之内。APCI是ESI的补充。APCI主要产生准分子离子（主要为单电荷离子），碎片离子很少。分析的化合物相对分子质量一般小于1000。针电极高压放电，空气中某些中性分子电离，产生H3O+，N2+，O2+和O+等，离子与样品分子发生离子-分子反应，使样品分子离子化。应用于

4、液相色谱-质谱联用。得到的主要是分子离子，准分子离子。碎片离子和多电荷离子较少。常用的基质：2,5二羟基苯甲酸、芥子酸、烟酸、-氰基-4-羟基肉桂酸等。基体辅助激光解吸电离源（MALDI）的原理与此类似。分析样品置于涂有基质的样品靶上；基质分子吸收激光能，与样品分子一起蒸发并使样品分子电离。属于软电离技术，用于分析生物大分子，如肽、蛋白质、核酸等。主要离子源特点对比主要离子源特点对比 14.3 14.3 双聚焦质谱仪双聚焦质谱仪 图14-9 双聚焦质谱原理图 14.4 14.4 四极滤质器、离子肼质谱计及飞行时间质谱计四极滤质器、离子肼质谱计及飞行时间质谱计 离子阱的结构：由一双曲线表面的中心

5、环形电极和上下两端盖电极间形成一个室腔（阱）。直流电压U和高频电压V加在环电极和端盖电极之间。对于一定的阱，在适当的U和V下，一定质荷比的离子，可以处在稳定区。在稳定区内的离子，轨道振幅一定，可以长时间留在阱内。如果在引出电极上加负电压，可以将离子从阱内引出。不稳定态离子振幅很快增长，撞击到电极而消失。特点：特点：结构简单；易于结构简单；易于操作；灵敏度高操作；灵敏度高 ：2)(2LtzUzmiii e2MeM 204050 6070 80 90 1004357m/z1007129120 130110128(M )30858658COCH2H2CCH2CH2CH3H2CH3C57854371

6、麦氏重排麦氏重排COCH2H2CCH2CHH2CH3CCH3HCOHCH2H2CH2CCH2CH2CHCH3HCOHCH3CH2H2CCH2m/z=86m/z=58COCH2CH2CH2CHH2CH2CCH3HCOHCH2H2CCHCH2CH3CHCH2COHCH2H3CH2CCH2m/z=100m/z=58HHCH3CH2COCH2OCH2HH2CH2CHH2CCOCH2O HCH2HH2CCOO HH2CCH2HCH2CH2H3CCOO HH2CCOHO HCH2H2Cm/z=88m/z=88m/z=60 解析：解析：1 100：分子离子峰；：分子离子峰；R-CO-R；285：失去：失去C

7、H3（15）的产物；）的产物；3 43：+O CCH3;R=57；457：85失去失去CO(28)后的产物；后的产物；5.58：重排后：重排后裂解。裂解。从分子离子峰可以准确地测定该物质的相对分子质量，这是质谱分子的独特优点，快速准确，所需试样量少。一般质谱图上质荷比最大的峰为分子离子峰，但有例外，如何判断？判断分子离子峰时应注意以下问题：分子离子的稳定性与分子结构有关。高分辨质谱仪精确测定分子离子或碎片离子的质荷高分辨质谱仪精确测定分子离子或碎片离子的质荷比，故可利用元素的精确质量及丰度比，由计算机计算比，故可利用元素的精确质量及丰度比，由计算机计算出所含不同元素的个数。这是目前最为方便、迅

8、速、准出所含不同元素的个数。这是目前最为方便、迅速、准确的方法，现在的高分辨质谱仪都具有该功能。确的方法，现在的高分辨质谱仪都具有该功能。如如COCO与与N N2 2两者的质量数都是两者的质量数都是2828，但从表，但从表21-321-3可算出可算出其确切质量为其确切质量为27.994927.9949与与28.006128.0061，若质谱仪测得的质荷，若质谱仪测得的质荷比为比为28.004028.0040则可推断其为则可推断其为N N2 2。同样，复杂分子的化学式。同样，复杂分子的化学式也可算出。也可算出。注意同位素峰中注意同位素峰中M+1/M及及M+2/M数值的大小，数值的大小，据此可以判

9、断分子中是否含有据此可以判断分子中是否含有S、CI、Br，并可初步，并可初步推断分子式。推断分子式。如乙基氯（图如乙基氯（图14-1414-14），），64/6664/66及及49/5149/51处各出现处各出现强度比为强度比为3 3：1 1的二联峰，是含的二联峰，是含1 1个氯原子的现象。又个氯原子的现象。又如如CClCCl4 4（图（图14-1514-15），），(a+b)(a+b)n n规则运用。规则运用。贝农（贝农（Beynon）表的运用）表的运用：利用精确测定的利用精确测定的(M+1)/M(M+1)/M、(M+2)/M(M+2)/M强度比值，可从强度比值，可从BeynonBeynon

10、表中查出表中查出最可能的化学式，再进一步确定。最可能的化学式，再进一步确定。图 未知物质谱图 有明显的分子离子峰。有明显的分子离子峰。苯生成苯生成77，51特征峰特征峰；含烷基取代的易发生断裂含烷基取代的易发生断裂,产生产生卓鎓离子基峰卓鎓离子基峰m/z 91。COCOOCH3COOH 例.某化合物C14H10O2，红外光谱数据表明化合物中含有酮基，试确定其结构式。解析：(1)m/z=210，分子离子峰；(2)不饱和度为10；(3)质谱图上出现苯环的系列峰m/z51，77，说明有苯环存在；(4)m/z105 m/z77 的断裂过程；(5)M m/z105正好是分子离子峰质量的一半，故具有对称结

11、构。SampleSample 58901.0 DEG/MINHEWLETTPACKARDHEWLETTPACKARD5972AMass Selective DetectorDCBA ABCDGas Chromatograph(GC)Mass SpectrometerSeparationIdentificationBACDADBCMS关键部件：接口接口，起到传输试样，匹配两者工作气压的作用。填充柱色谱需要分子分离器分离载气,浓缩试样分子。毛细管色谱柱可直接与质谱联结。分子分离器类型：微孔玻璃式、半透膜式和喷射式三种。喷射式分子分离器：由一对同轴收缩型喷嘴构成，喷嘴被封在一真空室中。可做成多级。色

12、谱-四极杆质谱仪结构示意图发展比发展比GC-MS晚，晚，8080年代中期实用化。年代中期实用化。主要问题主要问题：溶剂去除，LC流速：12 mL，真空泵抽气速度100L；热不稳定，挥发度低，而质谱常用离子源要求试样汽化。关键：特殊接口与电离源技术（提出有27种）。实际应用：实际应用：80年代以后出现 大气压离子源（API），其应用，使LC-MS提高了一大步。API包括：大气压化学电离：APCIAPCI。电喷雾电离：ESIESI。此外，又出现了离子束（PB）接口等技术RayleighLimitReached+-+-+-+-Evaporation+Charged Droplets试样离子准分子离子

13、Analyte Ions Solvent Ion ClustersSalts/Ion pairsNeutrals+-其他离子 电喷雾电离电喷雾电离：毛细管加电压3kV，液滴表面电荷密度增加到临界点，静电场的排斥力大于表面张力，液滴越来越小。电喷雾电离电喷雾电离 流出液在高电场下形成带电喷雾，在电场力作用下流出液在高电场下形成带电喷雾，在电场力作用下穿过气帘。穿过气帘。气帘的作用：雾化；蒸发溶剂；阻止中性溶剂分子。气帘的作用：雾化；蒸发溶剂；阻止中性溶剂分子。热喷雾热喷雾(100120 C)+化学电离：化学电离：在喷嘴附近，放置一针状电晕放电电极，通过高压放电，使空气中某些中性分子电离，与分析物

14、分子进行气态离子-分子反应，实现化学电离。适用适用：极性较小、热稳定化合物分析。是ESI的有效补充。构成构成：气溶胶发生器、脱溶剂室及动量分离器。气溶胶发生器、脱溶剂室及动量分离器。通常采用通常采用2 2级或级或3 3级动量分离器，这与级动量分离器，这与GC-MSGC-MS中的喷射中的喷射式分子分离器的原理类似。式分子分离器的原理类似。结构示意图结构示意图见书见书P.423P.423。优点：优点：可得到完好重现的电子轰击质谱图。可得到完好重现的电子轰击质谱图。得到更多的分子离子和碎片离子的结构信息。20世纪80年代：软电离技术（ESI、APCI、FAB、MALDI等），基本上都只有准分子离子，

15、没有结构信息，更需要串联质谱法得到结构信息。碰撞活化室将前级质谱仪选定的离子打碎，由后一级质谱仪分析。扇形磁场(B)电场(E)串联方式：BEB；EBE；BEBE四极杆串联方式：三级 Q-Q-Q混合型串联方式：BE-Q；Q-TOF；EBE-TOF(飞行时间)MS活化MS选择选择分析分析BE型BEB型Q-Q-Q型型三级四极三级四极质谱仪质谱仪BEQQ组合组合QEB组合组合Q1：四级杆用于质量分离Q2：四极杆用于碰撞活化(CID)Q3：四极杆用于质量分离主要工作方式有四种：MS1选定-质量，CID碎裂，MS2扫描得子离子谱。：MS2选定一子离子，MS1扫描，得到的是能产生选定子离子的那些离子，即母离

16、子谱。：MS1和MS2同时扫描。保持固定的质量差，只有满足相差-固定质量的离子才得到检测。：MS1选择一或几个特定离子，碰撞碎裂,由其子离子中选出一特定离子，只有同时满足MS1和MS2选定的一对离子时,才有信号产生。软电离：准分子离子峰，碎片很少，缺结构信息。准分子离子“打碎”碎片离子 质谱分析 串联质谱：碰撞活化、碰撞诱导碰撞活化、碰撞诱导分解(Collision activated dissociation,CAD；Collision Induced dissociation,CID)技术把离子“打碎”。磁式质谱仪：离子加速电压超过1000V，高能CAD方式四极杆，离子阱：不超过100V，

17、低能CID。Ar 碰撞室碰撞室离子离子能量能量EMS1MS2思考题思考题（1 1）真空系统，质谱仪的进样系统、离子源、质量分析器、检测器必）真空系统，质谱仪的进样系统、离子源、质量分析器、检测器必须处于高真空状态。须处于高真空状态。（2 2）进样系统，将）进样系统，将气体样品或气体样品或样品适当加热气化为蒸气样品适当加热气化为蒸气，送入质谱仪送入质谱仪离子源中。离子源中。（3 3）离子源，）离子源，提供能量将试样电离，形成由不同质核比的离子组成的提供能量将试样电离，形成由不同质核比的离子组成的离子束，然后进入质量分析器。离子束，然后进入质量分析器。（4 4）质量分析器，自离子源产生的离子束在加

18、速电极电场作用下被加）质量分析器，自离子源产生的离子束在加速电极电场作用下被加速获得一定的动能，再进入垂直于离子运动方向的均匀磁场中，由于受速获得一定的动能，再进入垂直于离子运动方向的均匀磁场中，由于受到磁场力的作用而改变运动方向作圆周运动，使不同质荷比的离子顺序到磁场力的作用而改变运动方向作圆周运动，使不同质荷比的离子顺序到达检测器产生检测信号而得到质谱图。到达检测器产生检测信号而得到质谱图。（5 5）离子检测器，通常以电子倍增管检测离子流。）离子检测器，通常以电子倍增管检测离子流。以单聚焦质谱仪为例以单聚焦质谱仪为例,说明组成仪器各个主要部分的作用说明组成仪器各个主要部分的作用及原理。及原

19、理。（1）电子轰击源，电子轰击的能量远高于普通化学键的键能，因此过剩的）电子轰击源，电子轰击的能量远高于普通化学键的键能，因此过剩的能量引起分子多个键的断裂，产生许多碎片离子，因而能够提供分子结构能量引起分子多个键的断裂，产生许多碎片离子，因而能够提供分子结构的一些重要的官能团信息，但对于相对分子质量较大、或极性大，难气化，的一些重要的官能团信息，但对于相对分子质量较大、或极性大，难气化，热稳定性差的有机化合物，在加热和电子轰击下，分子易破碎，难以给出热稳定性差的有机化合物，在加热和电子轰击下，分子易破碎，难以给出完整分子离子信息。完整分子离子信息。（2）在场致电离源的质谱图上，分子离子峰很清

20、楚，但碎片峰则较弱，因）在场致电离源的质谱图上，分子离子峰很清楚，但碎片峰则较弱，因而对于相对分子质量的测定有利，但缺乏分子结构信息。而对于相对分子质量的测定有利，但缺乏分子结构信息。（3）场解析电离源，电离原理与场致电离相同，解吸试样分子所需能量远）场解析电离源，电离原理与场致电离相同，解吸试样分子所需能量远低于气化所需能量，因而有机化合物不会发生热分解，即使热稳定性差的低于气化所需能量，因而有机化合物不会发生热分解，即使热稳定性差的试样仍能得到很好的分子离子峰，分子中的试样仍能得到很好的分子离子峰，分子中的C-C 键一般不会断裂，因而很键一般不会断裂，因而很少生成碎片离子。总之，场致电离和

21、场解析电离源都是对电子轰击源的必少生成碎片离子。总之，场致电离和场解析电离源都是对电子轰击源的必要补充，使用复合离子源，则可同时获得完整分子和官能团信息。要补充，使用复合离子源，则可同时获得完整分子和官能团信息。比较电子轰击离子源、场致电离源及场解析电离源的特点。比较电子轰击离子源、场致电离源及场解析电离源的特点。化学电离源内充满一定压强的反应气体，如甲烷、异丁烷、化学电离源内充满一定压强的反应气体，如甲烷、异丁烷、氨气等，用高能量的电子（氨气等，用高能量的电子（100eV）轰击反应气体使之电离，）轰击反应气体使之电离，电离后的反应分子再与试样分子碰撞发生分子离子反应形成准电离后的反应分子再与

22、试样分子碰撞发生分子离子反应形成准分子离子分子离子QM+,和少数碎片离子。在和少数碎片离子。在CI谱图中谱图中,准分子离子峰往准分子离子峰往往是最强峰往是最强峰,便于从便于从QM+推断相对分子质量，碎片峰较少，谱推断相对分子质量，碎片峰较少，谱图简单，易于解释。图简单，易于解释。试述化学电离源的工作原理。试述化学电离源的工作原理。（1）分子离子。从分子离子峰可以确定相对分子质量。）分子离子。从分子离子峰可以确定相对分子质量。（2）同位素离子峰。当有机化合物中含有）同位素离子峰。当有机化合物中含有S,Cl,Br等元素时，等元素时，在质谱图中会出现含有这些同位素的离子峰，同位素峰的强度在质谱图中会

23、出现含有这些同位素的离子峰，同位素峰的强度比与同位素的丰度比相当，因而可以比与同位素的丰度比相当，因而可以用用来判断化合物中是否含来判断化合物中是否含有某些元素（通常采用有某些元素（通常采用M+2/M强度比）。强度比）。（3）碎片离子峰。根据碎片离子峰可以阐明分子的结构。另）碎片离子峰。根据碎片离子峰可以阐明分子的结构。另外尚有重排离子峰、两价离子峰、亚稳离子峰等都可以在确定外尚有重排离子峰、两价离子峰、亚稳离子峰等都可以在确定化合物结构时得到应用。化合物结构时得到应用。有机化合物在电子轰击离子源中有可能产生哪些类型的离有机化合物在电子轰击离子源中有可能产生哪些类型的离子？从这些离子的质谱峰中可以得到一些什么信息？子？从这些离子的质谱峰中可以得到一些什么信息？实现实现GC-MS联用的关键是接口装置，起到传输试样，联用的关键是接口装置，起到传输试样，匹配两者工作气压的作用。匹配两者工作气压的作用。如何实现气相色谱质谱联用？如何实现气相色谱质谱联用？