第九章-仪器分析第四版质谱原理与应用

第九章质谱原理有机质谱结构解析有机质谱裂解原理质谱仪器与工作原理质谱分析概述主要内容1.1方法概述质谱分析法就是通过对被测样品离子的质荷比的测定来获得物质分子量的一种分析方法。而把化合物分子用一定方式裂解后生成的各种离子，按其质量大小排列而成的图谱称为质谱。第一部分质谱分析概述质谱就是把化合物分子用一定方式裂解后生成的各种离子，按其质量大小排列而成的图谱。第一部分质谱分析概述1.2发展历史1912年Thomson研制第世界上一台质谱仪1919年Aston精密仪器，测定50多种同位素1940年应用于石油、化工等领域1946年飞行时间质谱(Time-offlightmassanalysis)1953年四极杆分析器(Quadrupoleanalyzers)1956年气相色谱-质谱联用(GC/MS)高分辨质谱仪(High-resolutionMS)第一部分质谱分析概述1966年化学电离(Chemicalionization)1967年串联质谱(Tandemmassspectrometry)1973年液相色谱-质谱联用(LC/MS)，热喷雾方法1974年傅立叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR-MS)1981年快原子轰击电离质谱(FABMS)，1.2发展历史第一部分质谱分析概述质谱：称量离子质量的特殊天平。第二部分质谱仪器与工作原理2.1质谱基本原理质谱分析法就是通过测定被测样品离子的质荷比来获得物质分子量的一种分析方法。第二部分质谱仪器与工作原理质谱分析法主要是通过对样品离子质荷比的分析而实现对样品进行定性和定量的一种方法电离装置把样品电离为离子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第二部分质谱仪器与工作原理质谱同位素质谱生物质谱结构鉴定、定量分析化学、化工环境、地球药学、毒物学、刑侦生命、医学、农业科学有机质谱无机质谱2.2质谱分类第二部分质谱仪器与工作原理2.3质谱仪组成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4.四极杆显示真空系统离子源和质量分析器的压力在10–4~10–6Pa大量氧会烧坏离子源的灯丝；用作加速离子的几千伏高压会引起放电；引起额外的离子－分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。为了获得离子的良好分离和分析效果，避免离子损失，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。2.3.1真空系统第二部分质谱仪器与工作原理2.3.2进样系统（SampleIntroduction）要求：大气压下的样品在不破坏真空度的情况下，使样品进入离子源方式：直接进样色谱进样（气相色谱及液相色谱）第二部分质谱仪器与工作原理2.3.3离子源（IonSource）功能：将进样系统引入的气态样品分子转化成离子；硬电离软电离第二部分质谱仪器与工作原理电子电离ElectronIonization,EI化学离子ChemicalIonization,CI快原子轰击FastAtomBombardment,FAB电喷雾电离ElectrosprayIonization,ESI大气压化学电离AtmosphericPressureChemicalIonization,APCI场电离，场解吸FieldIonizationFD,FieldDesorptionFD基质辅助激光解析电离Matrix-AssistedLaserDesorptionIonization,MALDI2.3.3离子源（IonSource）第二部分质谱仪器与工作原理1电子电离源(ElectronIonizationEI)第二部分质谱仪器与工作原理M+eM++2eMmoleculeeM+emolecularionaradicalcationelectronFragments1电子电离源(ElectronIonizationEI)第二部分质谱仪器与工作原理M+(M-R2)+(M-R3)+MassSpectrometer(M-R1)+1电子电离源(ElectronIonizationEI)第二部分质谱仪器与工作原理1电子电离源(ElectronIonizationEI)电子能量电子能量分子离子增加碎片离子增加对于易电离的物质降低电子能量，而对于难电离的物质则加大电子能量。第二部分质谱仪器与工作原理•是应用最普遍，发展最成熟的电离方法。•标准质谱图基本都是采用EI源得到的。•常用轰击电压50～70eV,有机分子的电离电位一般为7～15eV。•可提供丰富的结构信息。•有些化合物的分子离子不出现或很弱。1电子电离源(ElectronIonizationEI)第二部分质谱仪器与工作原理高能电子束（100~240eV）轰击离子室内的反应气（甲烷等；10~100Pa，样品的103~105倍），产生初级离子，再与试样分子碰撞，产生准分子离子。2化学电离源(ChemicalIonizationCI)CH4+e→CH4+·+2e(46%)CH3+(39%)CH2+·(7%)第二部分质谱仪器与工作原理初级离子:CH4+·,CH3+,CH2+·CH4+·+CH4→CH5++CH3·(48%)CH3++CH4→C2H5++H2(41%)CH2+·+2CH4→C3H5++2H2(6%)······CH5+,C2H5+,C3H5+等为稳定的次级离子。第二部分质谱仪器与工作原理2化学电离源(ChemicalIonizationCI)准分子离子[QM]+M+CH5+→[MH]++CH4M+C2H5+→[MH]++C2H4M+C2H5+→[MH]++C2H6第二部分质谱仪器与工作原理最强峰为准分子离子;谱图简单;不适用难挥发试样++气体分子试样分子+准分子离子电子M+H,MH,M+17,M+292化学电离源(ChemicalIonizationCI)第二部分质谱仪器与工作原理电压：107-108V/cm；强电场将分子中拉出一个电子；分子离子峰强；碎片离子峰少；不适合化合物结构鉴定；阳极+++++++++++++阴极d1mm3场电离(FieldIonization,FI)当样品蒸汽接近或接触带高正电位的金属针时，在强电场的作用下发生电离。要求样品分子处于气态，灵敏度不高，应用逐渐减少。样品不需汽化,预先附在处理好的场离子发射体上,送入离子源,然后通以微弱电流,使样品分子从发射体上解吸下来,并扩散至高场强的场发射区,进行离子化。适用于难汽化,热不稳定的样品.如:糖类，肽类，金属有机化合物，聚合物等。3场解吸（FieldDesorption，FD）惰性气体Ar或Xe的原子首先被电离并被加速，使之具有高的动能，在原子枪(atomgun)内进行电荷交换反应：Ar+（高动能的）+Ar（热运动的）→Ar（高动能的）+Ar+（热运动的）高动能的Ar或Xe原子束再轰击样品分子使其离子化4快原子轰击(FastAtomBombardment,FAB)第二部分质谱仪器与工作原理FAB是目前广泛使用的软电离技术，适用于难汽化,极性强的大分子。样品用基质调节后黏附在靶物上。常用的基质有甘油，硫代甘油，3-硝基苄醇，三乙醇胺等。注意：FAB质谱图中会出现基质分子产生的相应的峰及基质分子与样品分子的结合峰。例如：3-硝基苄醇作为基质时，会出现m/z154(MH),136（MH–H2O）,289(MMH–H2O)的峰。4快原子轰击(FastAtomBombardment,FAB)利用不同离子源获得的质谱图OCH2OHHOHOHHHOHOH4快原子轰击(FastAtomBombardment,FAB)m/z295为(M+Na)+峰，273为(M＋H)+峰，均为准分子离子峰；图中的其它强峰m／e107、136、154、289等来自甘油或间硝基苄醇，可用空白谱消除。4快原子轰击(FastAtomBombardment,FAB)MALDI可使热敏感或不挥发的化合物由固相直接得到离子。待测物质的溶液与基质的溶液混合后蒸发，使分析物与基质成为晶体或半晶体，用一定波长的脉冲式激光进行照射时，基质分子能有效的吸收激光的能量，使基质分子和样品分子进入气相并得到电离。5基质辅助激光解析电离(MALDI)样品置于涂有基质的样品靶上，一定波长的脉冲式激光照射到样品靶上，基质分子吸收激光能量，与样品分子一起蒸发到气相并使样品分子电离。常用的基质有2,5二羟基苯甲酸、芥子酸、烟酸、α-氰基-4-羟基肉桂酸等。特别适合于飞行时间质谱仪(TOF)，组成MALDI-TOF。MALDI属于软电离技术，它比较适合于分析生物大分子，如肽、蛋白质、核酸等。得到的质谱主要是分子离子，准分子离子。碎片离子和多电荷离子较少。5基质辅助激光解析电离(MALDI)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；气帘的作用：雾化；蒸发溶剂；阻止中性溶剂分子6电喷雾电离(ElectronsprayIonization,ESI)6电喷雾电离(ElectronsprayIonization,ESI)++++++++++-----++++++++++-----++++++--++++++--蒸发++带电小液滴试样离子准分子离子++++++++--其他离子通常没有碎片离子峰，只有整体分子的峰小分子得到带单电荷的准分子离子生物大分子得到多种多电荷离子适合于分析极性强的大分子有机化合物可以得到正离子质谱或负离子质谱6电喷雾电离(ElectronsprayIonization,ESI)7大气压化学电离源(AtmosphericpressurechemicalIonization,APCI）在APCI喷咀的下游放置一个针状放电电极，通过放电电极的高压放电，使空气中某些中性分子电离，产生H3O+，N2+，O2+和O+等离子，溶剂分子也会被电离，这些离子与样品分子进行离子-分子反应，使样品分子离子化。适合于分析弱极性的小分子化合物，得到样品分子的准分子离子峰7大气压化学电离源(AtmosphericpressurechemicalIonization,APCI）2.3.4质量分析器（Massanalyzer）①扇形磁场质量分析器；Magnetic-Sector②四极杆质量分析器；Quadrupole③离子阱质量分析器；IT(IonTrap)④飞行时间质量分析器；TOF(TimeOfFlight)⑤傅里叶变换离子回旋共振(FouriertransformIonCyclotronResonancemassspectrometer,FTICR)第二部分质谱仪器与工作原理1.磁分析器质量分析内主要为一电磁铁，自离子源发生的离子束在加速电极电场（800-8000V）的作用下，使质量的正离于获得的速度，以直线方向n运动MS其动能为：（8-1）式中z为离子电荷数，U加速电压。显然，在一定的加速电压下，离子的运动速度与质量m有关。221mvzUMS当具有一定动能的正离子进入垂直于离子速度方向的均匀磁场(质量分析器)时，正离子在磁场力(洛仑兹力)的作用下，将改变运动方向(磁场不能改变离子的运动速度)作圆周运动。MS设离子作圆周运动的轨道半径(近似为磁场曲率半径)为R，则运动离心力必然和磁场力相等，故（8-2）式中H为磁场强度。RmvHzv2UerBzm222MS由此式可见，离子在磁场内运动半径R与m/z、H、U有关。因此只有在U及H一定的条件下，某些具有一定质荷比的正离子才能以运动半径为R的轨道到达检测器。MS若H、R固定，m/z∝1/U，只要连续改变加速电压(电压扫描)；或U、R固定，m/z∝H2，连续改变H(磁场扫描)，就可使具有不同m/z的离子依次到达检测器发生信号而得到质谱图(如图8-1所示)。［例21-2］试计算在曲率半径为10cm的1.2T的磁场中，一个质量数为100的一价正离子所需的加速电压是多少？解:据方程（上式）merBmzerBU222222V2319221002.6/10021060.1)1.0(2.1=6.94×103V收集器