第十三章质谱和气相色谱-质谱联用_2014

1第十三章质谱分析法Chapter13.massspectrometry，MS13.1质谱仪13.2气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)13.3液相色谱-质谱联用仪(HLPC-MS)13.4电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)2313.1质谱仪13.1massspectrometer413.1.1质谱仪定义与分类13.1.2质谱仪原理13.1.3质谱仪基本组成13.1.4质谱仪性能指标13.1.5质谱联用技术13.1.6质谱术语及主要离子峰类型13.1.7质谱解析质谱图与结构解析513.1.1质谱仪定义质谱仪是按照离子的质荷比(m/z)不同,来分离不同分子量的分子.测定分子量进行成分和结构分析。离子的生成方式有失去或捕获电荷(如:电子发射,质子化或去质子化)分子质量精确测定与化合物结构分析的重要工具。6无机质谱仪同位素机质谱仪有机质谱仪质谱仪火花源双聚焦质谱仪二次离子质谱仪（SIMS）感应耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）气体同位素质谱仪放射性同位素质谱仪液相色谱-质谱联用仪（LC-MS）气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）富立叶变换质谱仪（FT-MS）13.1.2质谱仪基本分类7进样系统离子源质量分析器检测器1.气体扩散2.直接进样3.气相色谱4.液相色谱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4.四极杆质谱仪需要在高真空下工作：离子源（10-310-5Pa）质量分析器（10-6Pa）(1)大量氧会烧坏离子源的灯丝；(2)用作加速离子的几千伏高压会引起放电；(3)引起额外的离子－分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。13.1.2质谱仪基本组成813.1.2进样系统要求：大气压下的样品要进入高真空的质谱仪，而不影响仪器的真空度。方式：进样板进样进样头进样毛细管进样（从气相色谱及液相色谱柱）913.1.2质谱仪基本组成—离子源主要作用是使欲分析的样品实现离子化，尤其是中性物质带上电荷。其原理和结构如下图：1.电子电离源ElectronIonization(EI)源2.化学电离源ChemicalIonization(CI)源101.电子电离源（离子源—EI）++++:R1:R2:R3:R4:e+样品分子电离过程质谱中最常用的离子源，一般为70ev电子束，远大于多数有机化合物的电离电位（7~15ev），会使相当多的分子离子进一步裂解主要用于挥发性样品，样品需经过汽化,进入电离区，在70eV电子撞击下，样品分子可能有四种不同途径形成离子。样品分子直接与电子作用11电子电离源中分子离子及碎片离子的形成ABCDABCD+2e-e-ABAACD+BCD+BCD+BC++D+AB+B+A+A+B++CD+D+C+C+D+ABCDADBC+AD++BC+BCADABCD+ABCD(ABCD)2BCD+ABCDA+形成分子离子裂解成碎片离子裂解重排裂解碰撞12电子电离源的特点：（1）电离电压：70eV（3）EI源碎片离子多，结构信息丰富，有标准化合物质谱库。（4）样品在气态下电离，不能汽化的样品不能分析，主要用于气-质联用仪。（5）有些样品得不到分子离子。（6）适用于分子量低于1000的样品。8.2质谱仪器PAHs测定一般用EI132.化学电离源（CI）:有些化合物稳定性差，为了得到分子量可采用化学电离CI源是通过离子—分子反应而完成的；EI电离是电子直接与样品分子作用；反应气：一般为甲烷、正丁烷或氨气等，生成(M+H)+，(M-H)+，(M+NH4)+。PBDEs和OCPs测定一般用CI1415化学电离源优点：准分子离子强度高，便于推算分子量；缺点：只适用于易挥发，受热不分解的样品碎片离子峰少，强度低16作用：是质谱仪器的核心，将离子按m/z顺序分开而获得质谱。质量分析器是质谱仪的核心部件，因此常以质量分析器的类型来命名一台质谱仪。有机质谱仪种类1.单聚焦质量分析器2.双聚焦质量分析器3.四级杆质量分析器4.离子阱分析器5.回旋共振分析器6.分析时间分析器13.1.2质谱仪基本组成—质量分析器1.质量分析器—单聚焦质量分析器单聚焦质量分析器实际上是处于扇形磁场中的真空扇形容器，因此，也称为磁扇形分析器。常见的单聚焦分析器是采用180°、90°或60°的圆弧形离子束通道。17单聚焦质量分析器原理图18特点：方向聚焦；相同质荷比，以不同方向进入扇形磁分析器的离子有会聚作用，起到了方向聚焦的作用，而且仅有方向聚焦，故称为单聚焦质量分析器能量不聚焦分辨率不高收集器离子源BS1S2磁场R1.单聚焦质量分析器192.质量分析器—双聚焦质量分析器双聚焦质量分析器：由一个静电分析器和一个磁分析器组成，静电分析器允许有某个能量的离子通过，并按不同能量聚焦，先后进入磁分析器，经过两次聚焦，大大提高了分辨率。对于能量相同的离子，通过扇形静电场分析器后又会聚在一起，在分析器的焦面上按能量高低的次序排列起来，实现了能量（或速度）的聚焦。20然后，经过狭缝进入磁分析器，再进行m/z方向聚焦。这种同时实现速度和方向双聚焦的分析器，称为双聚焦分析器。具有双聚焦质量分析器的质谱仪称为双聚焦质谱仪。单聚焦分析器分辨率低的主要原因在于它不能进行能量聚焦。双聚焦分析器具有能量聚焦和方向聚焦的特点212.特点离子源收集器磁场S1S2+-能量聚焦：相同质荷比，速度(能量)不同的离子会聚；方向聚焦：相同质荷比，入射方向不同的离子会聚；双聚焦质量分析器的最大优点是大大提高了仪器的分辨率，可达15万，甚至上百万。223.四极杆分析器(quadrupolemassanalyzer)结构:由四根棒状电极，相对的两个电极相连，形成四极场1，3棒：+(Vdc+Vrf)2，4棒：-(Vdc+Vrf)其中，Vdc为直流电压，Vrf为射频电压材料：由镀金陶瓷或钼合金特点：灵敏度高使用电场而不用磁场,无磁滞现象,扫描速度快适用于GC-MS与HPLC-MS。在四根对立的电极上相对采用对位的交频电压，通过固定频率的交频电压使固定核质比的离子可以通过。233.四极杆质量分析器24在一定Vdc/Vrf作用下，具有一定的m/z的离子能到达收集器，其它离子被滤掉。254.离子阱分析器(Iontrap)离子阱的主体是一个环电极和上下两端盖电极，环电极和上下两端盖电极都是绕Z轴旋转的双曲面，并满足r02=2Z02。264.离子阱分析器(Iontrap)一种通过电场或磁场将气相离子控制并贮存一段时间的装置。原理：类似四级质量分析器。特定m/z离子在阱内一定轨道上稳定旋转，改变端电极电压，不同m/z离子飞出阱到达检测器；即：用高频交流电把离子限制在离子阱里，然后用离子的特征电压分别将其推出离子阱，到检测器检测。27285.飞行时间分析器(time-of-flightanalyzer,TOF）V,L不变时，t由m/e决定一般，1-30s这种分析器不是磁场或电场，而是一根长、直的飞行管。用一个脉冲将离子源产生的离子加速后进入无场漂移管，并以恒定速度飞向离子接收器。离子质量越大，到达接收器所用时间越长，离子质量越小，到达接收器所用时间越短，根据这一原理，可以把不同质量的离子按m/z值大小进行分离。29作为一种高分辨质谱被广泛应用于GC-MS，LC-MS和ICP-MS所以飞行时间质谱仪是采用脉冲式的程序操作，分为几步反复进行：第一步开动电离室的电子枪，大约10-9s时间，样品电离，形成离子束；第二步随后施加加速电压，大约10-4s，离子被加速后进入飞行管；第三步关闭所有电源，大约级，使离子流在飞行管中无阻的“慢性飞行”，飞出管进行检测；完成了一个循环程序后，又一次开动电子枪重新产生离子束……30（三）检测器(detector)1电子倍增器electronphotonmultiplier2光子倍增器photonmultiplier3法拉第杯Faradaycup4阵列检测器arraydetectors质谱仪检测器种类：质谱仪检测器特征：信号增益与检测器电压有关提高检测器电压可以提高灵敏度，但降低检测器寿命31从质量分析器出来的离子轰击阴极导致电子发射，电子在电场的作用下，依次轰击下一级电极而被放大，电子倍增器的放大倍数一般在105～108。电子倍增器中电子通过的时间很短，利用电子倍增器可以实现高灵敏、快速测定。电子倍增器工作原理图1电子倍增器32类似于光电倍增管，。由四级杆出来的离子打到高能级产生电子，电子经倍增器产生电信号，记录不同离子的信号即得质谱。（四）离子流的记录33各种m/e的离子流，经检测器检测变成电信号，放大后由计算机采集和处理后，记录为质谱图或用示波器显示。质谱图是以质荷比（m/e）为横坐标，以各离子m/e的相对强度（也称丰度）为纵坐标构成。一般把原始图上最强的，离子峰定为基峰，并定其为相对强度100%，其他离子峰以对基峰的相对百分值表示。因而，质谱图各离子峰为一些不同高度的直线条，每一条直线代表一个离子m/e的质谱峰。丙酸的质谱标与质谱图34（1）分辨率分辨率是指仪器对质量非常接近的两种离子的分辨能力。一般定义是：对两个相等强度的相邻峰，当两峰间的峰谷不大于其峰高10%时，则认为两峰已经分开，其分辨率：mmmmmR1121其中m1、m2为质量数，且m1＜m2，故在两峰质量数较小时，要求仪器分辨率越大。13.1.3质谱仪主要性能指标[例题]要鉴别N2+(m/z为28.006)和CO+(m/z为27.995)两个峰，仪器的分辨率至少是多少？3536（2）质量范围质量范围是指质谱仪能测量的最大m/z值，它决定仪器所能测量的最大相对分子量。四极质谱M/Z小于或等于1000飞行时间质谱M/Z可达到几十万（3）灵敏度指信噪比大于10时的样品量。13.1.3质谱仪主要性能指标376.真空系统作用：保证离子源灯丝正常工作保证离子在离子源和分析器正常运行消减不必要离子碰撞、衍射效应、复合反应和离子-分子反应减少本底与记忆效应质谱仪必须有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。质谱仪器中凡有样品分子和离子的地方必须抽成真空状态，即质谱仪的离子源、质量分析器及检测系统都必须处于真空状态下工作（一般为1.333×10-4～1.333×10-6Pa）3813.1.4质谱仪分析原理离子源是使试样分子在高真空条件下离子化的装置。电离后的分子因接受了过多的能量会进一步碎裂成较小质量的多种碎片离子和中性粒子。它们在加速电场作用下获取具有相同能量的平均动能而进入质量分析器。质量分析器是将同时进入其中的不同质量的离子，按质荷比m/e大小分离的装置。分离后的离子依次进入离子检测器，采集放大离子信号，经计算机处理，绘制成质谱图。13.1.5质谱联用技术39两种或多种仪器分析方法结合起来的技术称为联用技术，利用联用技术的主要有色谱—质谱联用、毛细管电泳—质谱联用、质谱—质谱联用，其主要问题是如何解决与质谱相连的接口及相关信息的高速获取与贮存等问题。1.色谱—质谱联用色谱—质谱联用技术，必须解决的主要问题有两大方面：①是如何实现接口，降低压力使色谱柱的出口与质谱的进样系统连接，达到两部分速度的匹配；②是必须除去色谱中大量的流动相分子。★气相色谱—质谱联用技术（GC—MS联用）GC是在常压下工作，而MS是在高真空下工作，因此，必须有一个连接装置，将色谱柱流出的载气除去，使压强降低，样品分子进入离子室。这个连接装置叫做分子分离器。40分子分离器★液相色谱—质谱联用（LC—MS联用）41对于热稳定性差、不易汽化的样品，GC—MS联用有一定的困难。因此，近年来又发展了液相色谱—质谱联用技术。LC分离要使用大量的液态流动相，如何有效地除去流动相而不损失样品，是LC—MS联用的难题之一。目前应用较多的有两种接口装置。LC-MS用传送带联接装置42热喷雾接口431、质谱术语基峰：质谱图中离子强度最大的峰，规定其相对强度或相对丰度为100.m/z15294357859911314271质荷比：离子的质量与所