新版质谱法培训课件.ppt

第十七章质谱法利用离子化技术，将化合物分子转变成带电荷的离子，按其离子的质荷比（m/z）的大小依次排列而成的谱图称为质谱图，简称质谱（massspectrum;MS）。用质谱来进行成分和结构分析的方法称为质谱法（massspectroscopy）。第一节概述generalization精选1质谱法的特点应用范围广。可用于同位素分析、无机成分分析、有机结构分析。灵敏度高，检测限ng级10-9-10-12。样品用量少。一次分析仅需几微克甚至更少的样品。分析速度快。完成一次全谱扫描，一般仅需1至几秒，最快可达1/1000秒，可实现色谱-质谱的在线联用.准确度高：高分辩率可测至10-6u。（u=质子质量单位1.6605655×10-27kg）精选2有机质谱法的用途主要用于测分子量、分子式、定性鉴别及研究有机分子等。测定分子量：由高分辨率质谱获得分子离子峰的质量数，可测出精确的分子量。鉴定化合物：在相同的条件下测定未知样品并与谱库的谱图比较或与标准样品的谱图比较，可进行定性鉴别。推测结构：从分子离子峰、碎片离子峰等获得的信息推测分子结构。实现色谱-质谱、质谱-质谱联用。精选3第二节质谱法的基本原理和质谱仪在减压条件下，对有机物质进行加热，使它变为气体分子，后在电离室用电子来轰击这些气体分子，使其电离成带电离子，大多数情况下带一正电荷，这些带正电荷的离子被加速电极加速，以一定速度进入质量分析器，在磁场下不同质荷比离子发生偏转，角度不同，低质量的离子比高质量的离子偏转角度大，这样就可按质荷比（m/z）的大小互相分开。依次到达检测器被检测，把这些讯号记录下来就成为质谱图。电离和加速室精选4质谱仪基本构造由五部分组成：高真空系统、样品导入系统、离子源、质量分析器、离子检测器及数据处理系统精选5(一)高真空系统高真空系统是质谱仪正常工作的保障系统，离子的产生、分离及检测均是在高度真空状态下进行的。离子源、电场、和磁场分析器等都必须置高真空。真空度低，有空气、氧气，要影响灯的寿命；空气也会产生信号使本底高，无法测微量物质；真空度低，会产生额外的离子、分子反应，形成新的碎片离子。质谱仪的工作环境要求在10-2-10-5pa精选6（二）样品导入系统进样系统是将样品传输到真空状态的离子源的装置对于气体和挥发性液体，样品可在减压下保持在贮存器中，后经分子漏孔扩散到离子源的电离室或通过针形阀控制流量，直接将气样送入离子源。液体样品可在减压下把液体样品加热气化，把蒸气贮存在一个瓶中，后经分子漏孔送入电离室。样品导入系统分为两类：直接进样和色谱联用导入样品（GC-MS、HPLC-MS等）。精选7(三)离子源离子源也叫离子化室。1.离子源的作用有两个方面：将被分析的样品电离成离子；把正离子引出，加速和聚焦。2.对有机物最常用的电离方法有：电子轰击源（EI）化学电离源（CI）场致电离源（FD）快速原子轰击离子源（FAB）电喷雾离子源（ESI）等电离和加速室精选81.电子轰击离子源（EI）分子通常失去一个电子成为有一个不成对电子的正离子，称为分子离子：M+e（高速）→+2e(低速)M-e→轰击电子使有机化合物失去一个电子所需的能量在10ev左右，当轰击电子具有较高的能量时（一般为70ev）,除使分子电离为分子离子外，还有多余的能量使分子离子发生化学键的断裂，形成各种低质量数的碎片离子和自由基.M表示分子，表示分子离子。精选91.电子轰击离子源（EI）ABCD+e→ABCD+·（分子离子）+2eABCD+·→A++BCD·→AB·+CD+→C·+D+或C++D·→AB++CD·→A·+B+或A++B·→BCD++A·质谱主要是研究带正电荷的离子谱。正离子以高速进入质量分析器，负离子、中性离子被推到低压的真空系统抽出。1.样品分子被打掉一个电子形成分子离子。2.分子离子进一步发生化学键断裂形成碎片离子精选101.电子轰击离子源（EI）EI优点：重现性好，灵敏度高；碎片离子多，能提供丰富的结构信息；稳定，操作方便，方法成熟；应用最广，标准质谱图基本都是采用EI源得到的。EI缺点：对分子量大或稳定性差的样品，常常得不到分子离子峰；不适合于难挥发、热不稳定化合物的分析。精选112.化学电离源（CI）离子室内的反应气（CH4、NH3、N2等;为样品的103~105倍）先电离，形成反应气离子，反应气离子和样品分子碰撞发生离子-分子反应，产生准分子离子。反应气离子的形式：CH4+e→+2e→+反应气离子形成加合离子：+CH4→·CH3+CH5+反应气离子和样品分子M发生离子-分子反应：CH5++M→CH4+MH+C2H5++M→C2H4+MH+（MH+为准分子离子，M+1）生成的正离子还可能再分解。反应气CH4；样品MCH3++CH4→C2H5++H2精选122.化学电离源（CI）优点：属于软电离方式，准分子离子峰强度大，通过准分子离子（M±1）确定分子量易获得有关化合物官能团的信息谱图简单；缺点：重现性较差；样品需要加热气化后进行离子化，故不适合于难挥发、热不稳定化合物的分析。++气体分子试样分子+准分子离子电子(M+1)+;(M+17)+;(M+29)+;精选133.快原子轰击离子源（FAB）由电场使Xe原子电离并加速，产生快速离子，在直接通过Xe气室产生电荷交换得到快速原子：Xe+（快）+Xe（热）→Xe（快）+Xe+（热）高动能的原子对样品进行轰击。优点：样品不需要加热气化，故适用于强极性、高分子量不挥发性或热不稳定的化合物的分析。属于软电离方式，可通过强度较高的准分子离子峰（M+1或M-1）得到样品分子量的信息。缺点：影响离子化效率的因素较多，图谱重现性差。精选14（四）质量分析器（massanalyzer）作用：将离子源中形成的离子按质荷比(m/z)的差异进行分离。常用的质量分析器有磁分析器，四极杆分析器，三维四极离子阱分析器等。磁分析器分为单聚焦和双聚焦质量分析器两种精选151．单聚焦质量分析器（方向聚焦质量分析器）1.概念：对离子束实现质量色散和方向聚焦的磁分析器。2.原理：满足条件：m/z=(H2R2)/2VR=mv/zH加速离子（在离子源中被加速，具有一定能量）狭缝磁场磁场作用作匀速圆周运动m—离子质量；；z—离子的电荷量；m/z—离子质荷比；V—加速电压；H：磁场强度；v—离子的运动速度；R—离子的偏转半径（运动半径）；精选16m/z=(H2R2)/2VR=mv/zH运动半径R由V、H和m/z三者决定的。当V和H均固定时，不同m/z的离子有不同的R，即磁场可将不同m的离子按m/z值的大小分成不同的离子束，即磁场的质量色散作用。磁场对能量及质量相同，但进入磁场时方向不同的离子具有方向聚焦作用。无论其进入磁场时的方向如何，经质量色散后均具有相同的运动半径R，故最终能被集中成一个离子束通过狭缝到达检测器—方向聚焦。当H固定时，不同mv/z的离子具有不同的R，这是磁场的能量色散作用。但如果m/z相同，v稍有差异的离子通过磁场后，由于R不同，则被发散（分散），这样会导致所有m/z相同的离子没有聚到一起，即不能对不同动能的离子实现聚焦，使仪器的分辨率降低，这即单聚焦质量分析器的缺点。精选17单聚焦质量分析器的特点收集器离子源BS1S2磁场R质量色散：方向聚焦：相同质荷比，入射方向不同的离子会聚焦。不能实现能量聚焦，故分辨率不高磁场可将不同质量的离子按m/z的大小顺序分成不同的离子束——质量色散。精选182．双聚焦质量分析器质量色散：方向聚焦：相同质荷比，入射方向不同的离子会聚；能量聚焦：相同质荷比，速度(能量)不同的离子会聚；分辨率高。扫描速度慢,操作困难，造价高。精选193、四极杆质量分析器（四极滤质器）在某一特定的射频电场内，只有一定的m/e离子沿z轴方向作无限的振幅运动，通过四极场要到达接收器，这些离子称为共振离子；而那些质量较低或较高的离子振幅过大，磁到四极杆上，与带电的极棒相碰而失去电荷，因而不能通过滤质器，这些离子称非共振离子，故改变电参数能使滤质器变为一个扫描式质谱仪，能连续传输不同m/z的离子，可记录完整的质谱。精选203、四极杆质量分析器优点：体积小，分辩率高（可达15000），扫描速度快，灵敏度高；离子传输频率高。不足之处：质量数范围不太宽，一般1000amu以内；分辨率低于双聚焦质量分析器；不能提供亚稳离子信息。精选21（五）离子检测器作用是将质量分析器分离后的不同质荷比的离子流的信号进行接收和检测。（1）电子倍增管：（2）微通道板检测器精选22（六）、质谱仪的主要性能指标2.灵敏度：产生具有一定信噪比的分子离子峰所需的样品量3.质量范围：指质谱仪可测定的离子质量范围，单位为amu，四极杆质量分析器为10~1000。4.质量准确度：离子质量实测值M与理论值M0的相对误差。h/10hmm+m分辨率M与M+M谱线相邻两峰峰谷高10%基本分开标志分辨率小于1000的称为低分辨率质谱仪，分辨率大于10000的称为高分辨率质谱仪。1.分辨率：仪器分开相邻两质谱峰的能力R=M/M精选23五、质谱表示方法1.棒形图1005080100120m/z128(M+)2729414355577199113纵坐标：离子的相对强度（相对丰度）;横坐标：质荷比m/z峰强度与分子离子或碎片离子出现的几率有关。峰强度大，表示该离子出现几率大，离子较稳定。质谱图中最强峰称为基峰。定性—棒位；定量—相对丰度精选24五、质谱表示方法2.质谱表：计算机可打印出以离子质荷比为序的质谱表3.峰形图：由质谱仪记录下来的峰形图，原始质谱图，一般用UV记录仪记录。精选25第三节离子的主要类型质谱中出现的主要离子有:分子离子，碎片离子，亚稳离子，同位素离子，多电荷离子及重排离子等。相应产生的峰为:分子离子峰，碎片离子峰，亚稳离子峰，同位素离子峰，多电荷离子峰及重排离子峰等。精选26（一）分子离子（molecularion）表示一对电子失去了一个电子，形成具有奇数个电子的正离子，当正电荷不清时，可用‘┓‘表示。1．分子离子峰定义及表示方法分子通过某种电离方式，失去一个电子形成的离子即为分子离子，所产生的峰称为分子离子峰或母峰，用表示.M+e→+2e精选27（一）分子离子（molecularion）1．分子离子峰定义及表示方法最易失去电子的是杂原子上n电子，依次为π电子和C-C键上的σ电子，最后是C-H键上的σ电子。（易）杂原子＞C=C＞C-C＞C-H（难）如：R-C(=O)-R′失去n电子（9.8ev）；失去π电子（10.6ev）；失去σ电子（11.5ev，指C-Cσ电子）。①奇数个电子②谱图最右端③确定分子量-eM精选282.分子离子峰的特点一般质谱图上质荷比最大的峰为分子离子峰；有例外,由稳定性判断。形成分子离子需要的能量最低，一般约10ev。精选293．分子离子峰的强度芳环及含共轭双键结构的化合物有利于电荷分散，稳定，分子离子峰为强峰，有时为基峰；环状化合物也比较稳定，因为此类化合物至少要断2个键才能形成碎片，峰为中等强度；烷烃中，直链烷烃的最大，并随支链的增加而减弱，常在支链碳上断裂，支链越多的地方越易断裂；峰强度随同系物分子量增大而减小；含-OH，-NH2，-COOH，-SH等的化合物均能生成稳定的碎片离子，故很弱；高分支的烷类化合物和醇类的分子离子峰不易呈现。分子离子峰的稳定性顺序为：芳香族化合物共轭链烯脂环化合物烯烃硫化物＞直链烷烃硫醇酮胺酯醚酸分支烷烃醇。精选30（二）、碎片离子（fragmention）M-e→初级碎片离子次级碎片离子裂解裂解精选31高丰度的碎片离子峰代表着分子中易于裂解的部分。H3CCCH3CH3H3CCHCH3H3CCH2CH3m/z15294357859911314271正癸烷碎片离子峰精选32例如：CH4M=1612C+1H×4=16M13C+1H×4=17M+112C+2H+1