仪器分析-张新荣-质谱

第九章质谱分析法MassSpectrometry，MS第一节概述分子1、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80年代：研究LC-MS联用技术90年代：研究蛋白质分析技术LC-MS2、质谱的作用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。3、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二节质谱分析的原理与仪器一、质谱分析的过程与原理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—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：)1(212mvzH5、加速离子进入一个强度为H的磁场，发生偏转，半径为：)2(zHmvr将（1）（2）合并：)3(222VrHZm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。进样系统(inletsystem)离子源(ionsource)质量分析器（massanalyzer）检测器（detecter）真空系统（Vacuumsystem）二、质谱仪的组成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HeatedGasHENNebulizerWaterVaporWaterVaporDryAerosolNebulizerGasMakeupGasSweepGasInSweepGasOutSampleFlowInHeater进样系统LaserAblationofPlasticsApplyingDifferentWavelenghts1064nm308nm248nm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OCH2OHOHOHHOHOOCH2OSiMe3OSiMe3OSiMe3Me3SiOMe3SiOMe3SiCl2、离子源(ionsource)主要作用是使分析物的分子离子化电子电离源(electronionizationEI)化学电离源(chemicalionizationCI)快原子轰击(fastatombombardmentFAB)电喷雾源(electronsprayionizationESI)大气压化学电离（atmosphericpressurechemicalionizationAPCI)基质辅助激光解吸电离（matrixassistedlaserDesorptionionizationMALDI)（1）电子电离源(electronionizationEI)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。特点：碎片离子多，结构信息丰富，有标准化合物质谱库；不能汽化的样品不能分析；有些样品得不到分子离子；（2）化学电离源(chemicalionizationCI)CH4+eCH4++2eCH4++CH4CH5++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++MCH4+MH+特点：得到一系列准分子离子（M+1）+，（M-1）+，（M+2）+等等；CI源的的碎片离子峰少，图谱简单，易于解释；不适于难挥发成分的分析。（3）快原子轰击(fastatombombardmentFAB)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。（4）电喷雾源(electronsprayionizationESI)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（5）Matrix-assistedLaserDesorptionIonization-MALDI特点：生物大分子特别是蛋白质分子量的测定3、质量分析器(massanalyzer)1单聚焦分析器（singlefocusingmassanalyzer）2双聚焦分析器（doublefocusingmassanalyzer）3四极杆分析器(quadrupoleanalyzer)4离子阱分析器(Iontrap)5飞行时间分析器(timeofflight）6富立叶变换离子回旋共振（Fouriertranformioncyclotronresonance）（1）单聚焦分析器（singlefocusingmassanalyzer）1）结构：扇形磁场（可以是1800900600等）原理：由（3）式可知：)3(222VrHZm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。（2）双聚焦分析器（Doublefocusingmassanalyzer）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：eMeeRERmvE22eMeEER2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（3）四极杆分析器(quadrupoleanalyzer)直流电压Vdc交流电压Vrf频率为射频区结构: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++-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2-2MS/MS仪器结构图；各项主要电参数及气体参数含义170937765图2-5m/z=170的分子离子峰的子离子扫描图NHNHNH2[M1+H+]m/z170m/z93m/z77m/z65（4）离子阱分析器IonTrapAnalyzer特点：结构简单灵敏度高适于小型联用仪器（GC-MS）（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；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5、检测器(detector)电子倍增器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（3）分辨率R质谱对相邻两质量组分分开的能力MMR例如：CO+27.9949N2+28.006125009949.270061.289949.27MMR四极质谱恰好能将此分开.但是:ArCl+74.9312As+74.921678009216.749312.749216.74MMR需要用高分辨质谱.(4)灵敏度指信噪比大于10时的样品量。第三节常见化合物的质谱一、烃类质谱1、烷烃71574329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—C4H9CH3169852、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+3、芳烃易发生苄基断裂，生成苄基离子CH2+C2H2-26C2H2-26M/Z91M/Z91M/Z39M/Z6539659192M/ZCH3二、杂原子的质谱(1)醇和酚醇类（1）杂原子存在，形成M/Z31的离子和M—1的离子；（2）失水生成M—18离子。CH3—CH2—OH（M/Z46）CH2=OHM/Z31CH3—CH2—OH（M/Z46）CH3—CH=OHM/Z45C3H7—CH—CH3OHC3H7CHOHCH—CH3OHM/Z=73M/Z=45M/Z=88M-H2OM-CH3M-1M45707388酚类：（1）失去C=OM/Z28（2）失去H2OM/Z18（3）具有苯的特征（2）醛、酮、醚辛酮—4CH3CH2CH3—C—CH2CH2CH2CH3OM/Z12843715785M/Z12885715743CHO+OHOHCO+OH++-H-CO-CO-C2H2122121936539+再例如对羟基苯甲醛醚类乙基异丁基醚CH3—CH2—CH—O—CH2—CH3CH3—断裂—断裂（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[R-(CH2)4-X]+R.+[]+X（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。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：C3H7CC4H9OCCH2H2CCH2COHHHHCCH2H2CCH2COHHHCH3HHH2CCH2CCH2COHCH3HHH2CC+++M/Z=86M/Z=100CCH2H2CCH2COHHHHH2CCH2COHCH3HHH2CC++M/Z=86M/Z=100H2CCH3COHHCCH2COH3++M/Z=58M/Z=58YWXCZHWYZCXH+++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。YWXCZHWYZCXH+++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。RHCH2HH+R+（2）环状分子的分裂例如：环己烯可以生成丁二烯和乙烯+++再例如：解释下列化合物的质谱M/Z=108的来源OOM/Z=108+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