第十章 质谱分析

10.1质谱分析概述10.2质谱仪器10.3质谱图及其应用10.4联用技术10.5环境分析中的实例10.1质谱分析概述世界上第一台质谱仪出现于1912年早期质谱仪器:测定原子质量、同位素的相对丰度、研究电子碰撞过程二次世界大战时期，质谱法在化学分析中受到重视20世纪60年代末，色谱—质谱联用技术出现质谱按照离子的质量对电荷比值(即质荷比)的大小依次排列构成的图谱。质谱法按照离子的质核比（m/z）大小对离子进行分离和测定的方法。主要作用：（1）准确测定物质的分子量（2）据碎片特征进行化合物的结构分析质谱法是唯一可以确定物质分子质量的方法质谱法的分类用途有机质谱无机质谱同位素质谱原理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联用方式气质联用液质联用质质联用质谱法的特点应用范围广。测定样品可以是无机物、有机物；气体、液体、固体。可做化合物的结构分析、测定原子量与相对分子量、同位素分析、热力学与反应动力学、环境监测。灵敏度高，样品用量少。有机质谱仪的绝对灵敏度可达50pg（10−12g），无机质谱仪绝对灵敏度可达10−14g，用微克级样品即可得到满意的分析结果。分析速度快。仪器结构复杂，价格昂贵，对样品有破坏性。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.场解析5.快原子轰击6.高频火花7.激光1.单聚焦2.双聚焦3.四极杆4.飞行时间5.离子阱10.2质谱仪器进样系统离子源质量分析器检测器1真空系统质谱仪的离子源、质量分析器必须处于高真空状态。若真空度低，则：•大量氧会烧坏离子源的灯丝；•使本底增高，干扰质谱图；•引起额外的离子－分子反应，质谱复杂化；•干扰离子源中电子束的正常调节；•用作加速离子的几千伏高压会引起放电。机械泵预抽真空，高效扩散泵连续抽气。2进样系统将试样转化为气态，然后送进电离室。•间歇式•直接探针•色谱—质谱联用中经分子分离器进入3电离室（离子源）使分析物质电离为正离子、负离子或其它碎片等的装置。1）电子轰击离子源(electronimpact;EI)：EI源：可变的离子化能量(10~70eV)电子能量电子能量分子离子增加碎片离子增加标准质谱图基本都是采用EI源(70eV)获得的气化区电子轰击离子加速区到分析器M+e-M•++2e-EI的优点：离子流稳定，碎片离子较丰富，应用广泛。EI的缺点：对于分子量较大或稳定性差的样品，常常得不到分子离子峰，因而也不能测定其分子量。2）化学离子源(chemicalionizationsource;CI)HCCHCHCHCHeCH2344（1）甲烷电离（2）甲烷离子与分子反应生成加合离子3544CHCHCHCH25243HHCCHCH（3）加合离子与样品分子反应准分子离子:(M±1)+524CHRHRHCH(M+1)+2526CHRHRCH(M-1)+}气体分子试样分子准分子离子电子可见，采用CI源,易测得分子量M=390COOC8H17COOC8H173）快速原子轰击离子源(fastatombombard-ment;FAB)由电场使氙（氩）原子电离并加速，产生快速离子，再直接通过氙气室产生电荷交换得到快速原子。Xe+(快)+Xe→Xe(快)+Xe+•适用高极性、大分子量、热稳定差三种离子源测得甲糖宁的质谱图离子源优点缺点EI重现性好对分子量较大或稳定性差的样品，常不能得到分子离子峰灵敏度高，图谱复杂，获得的信息多样品需要加热气化后进行离子化，不适用于难挥发、热稳定性差的化合物（重现性差）有丰富的碎片信息和成熟的离子开环理论CI属于软电离方式，准分子离子峰强度大样品需要加热气化后进行离子化，不适用于难挥发、热稳定性差的化合物易获得化合物官能团的信息FAB离子化过程中样品无需加热气化，适用于强极性、大分子量、非挥发性及热稳定性差的化合物重现性差属于软电离方式，可获得强度较高的准分子离子峰灵敏度低于EI三种离子源的比较4）场致离子源采用强电场把冷阳极附近的样品分子的电子拉出去，形成离子。场电离(fieldionization;FI也称场致电离)：是将气体通过电场电离。场解析(fielddesorption;FD)：是将固体样品涂在发射体表面使之电离，适用于较大分子量和热不稳定化合物电离。5）大气压电离（AtmosphericpressureIonisation,API）(1)电喷雾电离源(ESI)多电荷离子、测定的样品分子量大（2）大气压化学电离（APCI）4质量分析器(Massanalyzer)•单聚焦分析器（singlefocusing）•双聚焦分析器（doublefocusing）•四极杆分析器(quadrupole)•飞行时间分析器(timeofflight）•离子阱分析器(Iontrap)•富立叶变换离子回旋共振（Fouriertranformioncyclotronresonance）（1）单聚焦分析器（singlefocusingmassanalyzer）•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m的正离子获得速度v，以直线方向运动，其动能为：zU＝1/2mv2式中，z为离子电荷数，U为加速电压。•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，将改变运动方向作圆周运动（半径为R），则运动离心力mv2/R必然和磁场力Hzv相等：Hzv＝mv2/R式中H为磁场强度。zU＝1/2mv2Hzv＝mv2/R将两式合并，得质谱方程式：222mHRzU•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（Doublefocusing）采用单聚焦，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。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：分辨率高离子源收集器磁场S1S2+-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。•质量相同，能量不同的离子通过电场和磁场时，均产生能量色散；两种作用大小相等，方向相反时互补实现双聚焦。（3）四级杆分析器四极杆（Quadrupole）：由四根带有直流电压（DC）和叠加的射频电压（RF）的准确平行杆构成，相对的一对电极是等电位的，两对电极之间电位相反。•结构:四根棒状电极，形成四极场•原理：在一定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（4）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接收器抽真空若忽略离子（质量为m）的初始能量，可以认为离子动能为：由此，离子速度：离子飞行长度为L的漂移空间所需时间t=L/v，即：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。5离子检测器质谱仪中最常用的离子检测器是电子倍增器。•一定能量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。•利用电子倍增器可以实现高灵敏、快速测定。质谱仪主要性能指标（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。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。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。（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。测定气体用的质谱仪，一般质量测定范围在2～100，而有机质谱仪一般可达几千。用一定量的某样品在一定条件下，产生该样品分子离子峰的信噪比(S/N)来表示。（3）灵敏度(sensitivity)10.3质谱图及其应用横坐标是质荷比；纵坐标是离子的相对强度（丰度）。图中最高的峰称为基峰，其相对丰度定为100%，其它离子峰的强度按基峰的百分比表示。质谱图根据质谱峰的质荷比测定化合物分子量，推测分子式及结构式根据峰强度进行定量分析质谱表用表格形式表示质谱数据，准确给出m/z值和相对强度。1主要离子峰的类型•当气体或蒸气分子（原子）进入离子源（例如电子轰击离子源）时，受到电子轰击而形成各种类型的离子。•以A，B，C，D四种原子组成的有机化合物分子为例，它在离子源中可能发生下列过程：高真空可忽略①分子离子峰：分子失去电子形成带正电荷的阳离子ABCD+，称为分子离子，质谱图中相应的峰称为分子离子峰或母峰。分子离子峰是除同位素峰之外，质量数最大的质谱峰，可准确测定未知物的相对分子质量。对于有机物，杂原子上未共用电子（n电子）最易失去，其次是π电子，再其次是σ电子。②同位素离子峰：由于同位素的存在，质谱图中就会出现不同质量数的同位素形成的峰，称为同位素离子峰。同位素离子峰的丰度比，与同位素在自然界的丰度比相当。利用同位素离子峰可以判断化合物中是否含有某种元素。通过测定质谱图上同位素离子峰与分子离子峰的丰度比，可以推断化合物的分子式。③碎片离子峰：当轰击电子的能量超过分子电离所需的能量时，原子之间的化学键会断裂，形成碎片，带有正电荷的碎片进入离子检测器，在质谱图上出现许多碎片离子峰。•碎片离子的形成和化学键的断裂与分子结构有关，利用碎片峰可协助阐明分子的结构。④重排离子峰：在分子中有两个或两个以上的键断裂时，某些原子或基团从分子或离子中的一个位置转移到另一个位置所生成的离子，称为重排离子，相应的峰为重排离子峰。重排离子峰的形成和化学键的断裂与分子结构有关，利用碎片峰可协助阐明分子的结构。⑤亚稳离子峰：在电离、裂解、重排过程中的产生的离子，有一部分处于亚稳态，它们有可能进一步发生裂解，部分亚稳态离子进入离子检测器，形成亚稳离子峰。•亚稳离子峰钝，一般要跨2～5个质量单位，其质荷比通常不是整数，易于区别。•亚稳离子峰的形成和化学键的断裂与分子结构有关，利用碎片峰可协助阐明分子的结构。举例分子离子碎片离子重排离子2相对分子质量的测定•轰击电子的能量在76～15eV时，所产生的分子离子峰(母峰)的质荷比数值就是有机化合物的相对分子质量。在判断分子离子峰时应注意：（1）分子离子稳定性的一般规律。（2）分子离子峰质量数的规律（氮律）：a.由C、H、O组成的有机化合物，分子离子峰质量一定是偶数。b.由C、H、O、N组成的化合物：含奇数个N，分子离子峰的质量是奇数；含偶数个N，分子离子峰的质量则是偶数。（3）分子离子峰与邻近峰的质量差是否合理（从分子离子中丢失的游离基和中性碎片）。（4）M+1峰：某些化合物（如醚、酯、胺、酰胺等）形成的分子离子不稳定，分子离子峰很小，甚至不出现，但M+1峰却相当大。这是由于分子离子在离子源中捕获一个H而形成的。（5）降低电子轰击源的电子能量：可采用12eV左右低电子能量，虽然总离子流强度会大为降低，但有可能得到一定强度的分子离子。3分子式的测定各元素具有一定的同位素天然丰度。不同物质的分子，其同位素离子峰与分子离子峰之比(M+1)/M和(M+2)/M都将不同。拜诺表(Bynon)：拜诺等人利用同位素丰度与分子离子峰丰度的比值和化合物分子式之间的关系，计算了相对分子质量在500以下，只含C，H，N，O的各种有机化合物(M+1)和(M+2)峰与分子离子峰的相对丰度，编制为表格。由质谱图确定分子离子峰及其分子离子同位素峰(M+1，M+2)的相对丰度。对照拜诺表，就能根据其相对丰度及比值来确定