色谱分析技术-0911-4-联用技术

联用技术GC-MSLC-MSMS-MS与ICP-MS联用质谱法(MassSpectrometry,MS)概述定义：基于对样品气态离子的质荷比（m/z）和离子流强度进行成分和结构分析的仪器分析方法。质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷比的测定来进行分析的一种分析方法。被分析的样品首先要离子化，然后利用不同离子在电场或磁场的运动行为的不同，把离子按质荷比（m/z）分开而得到质谱，通过样品的质谱和相关信息，可以得到样品的定性定量结果。1812年：Thomson制成了世界上第一台质谱仪，并用它发现了Ne的两种同位素22Ne和24Ne。早期的工作主要是测定原子量，同时用它发现了许多稳定同位素；20世纪30年代：由于离子光学理论的建立，促进了质谱仪的发展，出现了各种双聚焦质谱仪；20世纪40年代初：开始将MS用于有机物的分析,如石油工业中烃的分析；20世纪50年代初：质谱仪器开始商品化，并广泛用于各类有机物的结构分析。同时质谱方法与NMR(核磁共振)、IR(红外)等方法结合成为分子结构分析的最有效的手段；20世纪80年代：非挥发性或热不稳定分子的分析进一步促进了MS的发展；20世纪90年代：一些新的离子化方法及联用技术如GC-MS，HPLC-MS，MS-MS，ICP-MS等得到快速发展。发展简史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(按质量分析器)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有机质谱仪气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）。在这类仪器中，由于质谱仪工作原理不同，又有气相色谱-四极质谱仪，气相色谱-飞行时间质谱仪，气相色谱-离子阱质谱仪等。液相色谱-质谱联用仪（LC-MS）。同样，有液相色谱-四器极质谱仪，液相色谱-离子阱质谱仪，液相色谱-飞行时间质谱仪，以及各种各样的液相色谱-质谱-质谱联用仪。其他有机质谱仪，主要有：基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪（MALDI-TOFMS）富立叶变换质谱仪（FT-MS）无机质谱仪火花源双聚焦质谱仪。感应耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）。二次离子质谱仪（SIMS）原理及仪器装置一.质谱仪的工作原理质谱仪是利用电磁学原理，使带电的样品离子按质荷比进行分离的装置。离子电离后经加速进入磁场中，其动能与加速电压及电荷z有关，即zV=1/2m2其中z为电荷数，V为加速电压，m为离子的质量，为离子被加速后的运动速度。具有速度的带电粒子进入质谱分析器的电磁场中(H)，发生偏转做圆周运动:r=m/zHm/z=r2H2/2V根据所选择的分离方式，最终实现各种离子按m/z进行分离。质谱仪都必须有电离装置把样品电离为离子，有质量分析装置把不同质荷比的离子分开,经检测器检测之后可以得到样品的质谱图，由于有机样品,无机样品和同位素样品等具有不同形态、性质和不同的分析要求,所以，所用的电离装置、质量分析装置和检测装置有所不同。但是，不管是哪种类型的质谱仪，其基本组成是相同的。都包括离子源、质量分析器、检测器和真空系统。•质谱分析包括以下几个步骤：离子化——将待测物的大部分转化为离子流，一般为单电荷正离子；分离——将离子按质量/电荷比值（即质荷比，m/z)分离；检测——计数各种离子的数目或测定由离子轰击传感器时产生的离子电流。质谱仪有进样系统、电离系统、质量分析器和检测系统。为了获得离子的良好分析，必须避免离子损失，因此凡有样品分子及离子存在和通过的地方，必须处于真空状态。质谱仪的基本结构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(212mvzV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）三、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OCH2OHOHOHHOHOOCH2OSiMe3OSiMe3OSiMe3Me3SiOMe3SiOMe3SiCl(2)离子源或电离室将引入的样品转化成为碎片离子的装置。使试样中是原子、分子电离成离子。根据样品离子化方式和电离源能量高低，通常可将电离源分为：气相源：先蒸发再电离，适于沸点低于500oC、对热稳定的样品。包括电子轰击源、化学电离源、场电离源、火花源；解吸源：固态或液态样品不需要挥发而直接被转化为气相，适用于分子量高达105的非挥发性或热不稳定性样品。包括场解吸源、快原子轰击源、激光解吸源、离子喷雾源和热喷雾离子源等。硬源：离子化能量高，伴有化学键的断裂，谱图复杂，可得到分子官能团的信息；软源：离子化能量低，产生的碎片少，谱图简单，可得到分子量信息。因此，可据分子电离所需能量不同可选择不同电离源。离子源(ionsource)主要的离子源：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）质量分析器(massanalyzer)•转质谱分析法（1）单聚焦分析器（singlefocusingmassanalyzer）1）结构：扇形磁场（可以是1800900600等）（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：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)原子质谱原子质谱(AtomicMassSpectrometry)也称无机质谱,是将单质的离子按质荷比不同而进行的分离检测方法,广泛用于物质中浓度的分析,几乎所有元素都可以用无机质谱进行测定.电感耦合等离子体质谱（ICP-MS），利用高电离特性的ICP为离子源,采用四极杆或磁场作为质量分析器,具有灵敏度高、检出限低、线性范围宽、干扰少等优势，使其在无机痕量分析中得到了广泛的应用，并成为多元素痕量分析的首选技术。分子质谱（MolecularMassSpectrometry)一.质谱图与质谱表质谱法的主要应用是鉴定复杂分子并阐明其结构、确定元素的同位素质量及分布等。一般质谱给出的数据有两种形式：一是棒图（质谱图），另一为表格（质谱表）。质谱图是以质荷比(m/z)为横坐标、相对强度为纵坐标构成，一般将原始质谱图上最强的离子峰定为基峰并定为相对强度1O0％，其他离子峰以对基峰的相对百分值表示。质谱表是用表格形式表示的质谱数据，质谱表中有两项即质荷比及相对强度。从质谱图上可以很直观地观察到整个分子的质谱全貌，而质谱表则可以准确地给出精确的m／z值及相对强度值，有助于进一步分析。丙酸的质谱表丙酸的质谱图质谱中主要离子峰类型与断裂方式质谱信号十分丰富。分子在离子源中可以产生各种电离，即同一种分子可以产生多种离子峰，其中比较主要的有分子离子峰碎片离子峰重排离子峰亚稳离子峰同位素离子峰1）分子离子峰试样分子在高能电子撞击下产生正离子，即M＋e→M+＋2eM+称为分子离子或母离子(parention）。分子离子的质量对应于中性分子的质量。几乎所有的有机分子都可以产生可以辨认的分子离子峰，有些分子如芳香环分子可产生较大的分子离子峰，而高分子量的烃、脂肪醇、醚及胺等则产生较小的分子离子峰。若不考虑同位素的影响，分子离子应该具有最高质量。分子离子稳定性（分子离子峰强度）：芳香环共轭多烯烯环状化合物羰基化合物醚酯胺酸醇高度分支烃类2）碎片离子峰分子离子产生后可能具有较高的能量，将会通过进一步碎裂或重排而释放能量，碎裂后产生的离子形成的峰称为碎片离子峰。有机化合物受高能作用时会产生各种形式的分裂，一般强度最大的质谱峰相应于最稳定的碎片离子，通过各种碎片离子相对峰高的分析，有可能获得整个分子结构的信息。但由此获得的分子拼接结构并不总是合理的，因为碎片离子并不是只由M+一次碎裂产生，而且可能会由进一步断裂或重排产生，因此要准确地进行定性分析最好与标准图谱进行比较。在烃烷质谱中C3H5+、C3H7+、C4H7+、C4H9+（m／z依次为41，43，55和57）占优势，在m／z＞57区出现峰的相对强度随m/z增大而减小，而且会出现一系列m/z相差14的离子峰，这是由于碎裂下来一CH2一的结果。在含有杂原子的饱和脂肪族化合物质谱中，由于杂原子的定位作用，断裂将发生在杂原子周围。对于含有电负性较强的杂原子如Cl、Br等，发生以下反应：R——X→R+＋X·而可以通过共振形成正电荷稳定化的离子时，可发生以下反应：CH3CNH2CH3+CHH3CNH2+CH3CNH2+CH3CROR'CROC+R'O+烯烃多在双键旁的第二个键上断裂，丙烯型共振结构对含有双键的碎片有着明显的稳定作用，但因重排效应，有时很难对长链烯烃进行定性分析。CH3-CH==CH—CH3→CH3—CH==C+H含有C＝0的化合物通常在与其相邻的键上断裂，正电荷保留在含C＝0的碎片上：3）亚稳离子峰若质量为m1的离子在离开离子源受电场加速后，在进入质量分析器之前，由于碰撞等原因很容易进一步分裂失去中性碎片而形成质量为m2的离子，即m1→m2+Δm，由于一部分能量被中性碎片带走，此时的m2离子比在离子源中形成的m2离子能量小，故将在磁场中产生更大偏转，观察到的m／z较小。这种峰称为亚稳离子峰，用m*表示，它的表观质量m*与m1、m2的关系是：m*＝（m2）2/m1式中m1为母离子的质量，m2为子离子的质量。亚稳离子峰由于其具有离子峰宽大（约2～5个质量单位）、相对强度低、m／z不为整数等特点，很容易从质谱图中观察出来。通过亚稳离子峰可以获得有关裂解信息，通过对m*峰观察和测量，可找到相关母离子的质量m1与子离子的质量m2，从而确定裂解途径。如在十六烷质谱中发现有几个亚稳离子峰，其质荷比分别为32.8，29.5，28.8，25.7和21.7，其中29.5≈412／57，则表示存在分裂：C4H9