《质谱分析法》课件.ppt

（Mass Spectrometry,MS）第第10章章第一节第一节 概述概述第二节第二节 质谱分析法的基本原理质谱分析法的基本原理第三节第三节 质谱仪质谱仪第四节第四节 质谱及其离子峰的类型质谱及其离子峰的类型第五节第五节 质谱法的应用质谱法的应用主要内容主要内容第一节第一节 概述概述质谱质谱利用电磁学原理，将化合物电离成具有利用电磁学原理，将化合物电离成具有不同质量的离子，按照离子的质量对电不同质量的离子，按照离子的质量对电荷比值荷比值(即质荷比即质荷比)的大小依次排列所构的大小依次排列所构成的图谱，称为质谱。质谱不是波谱，成的图谱，称为质谱。质谱不是波谱，而是物质带电粒子的质量谱。而是物质带电粒子的质量谱。质谱分析法质谱分析法利用质谱进行定性、定量分析和结构分析利用质谱进行定性、定量分析和结构分析的方法称为质谱分析法。的方法称为质谱分析法。质谱仪的发展史质谱仪的发展史1912年年:世界第一台质谱装置世界第一台质谱装置40年代年代:质谱仪用于同位素测定质谱仪用于同位素测定50年代：年代：分析石油分析石油60年代：年代：研究研究GC-MS联用技术联用技术70年代：年代：计算机引入计算机引入质谱法分类：质谱法分类：按用途分按用途分有机质谱有机质谱无机质谱无机质谱同位素质谱同位素质谱按原理分按原理分单聚焦质谱单聚焦质谱双聚焦质谱双聚焦质谱四极质谱四极质谱飞行时间质谱飞行时间质谱回旋共振质谱回旋共振质谱按联用按联用方式分方式分气质联用气质联用液质联用液质联用质质联用质质联用1.1.定性分析定性分析质谱法的应用质谱法的应用 2化合物分子式的确定化合物分子式的确定3.分子结构的确定分子结构的确定 3.同位素的研究同位素的研究目前质谱分析法已广泛地应用于化学、化工、目前质谱分析法已广泛地应用于化学、化工、材料、环境、地质、能源、药物、刑侦、生材料、环境、地质、能源、药物、刑侦、生命科学、运动医学等各个领域。命科学、运动医学等各个领域。质谱分析法与其他仪器分析法相比的优点：质谱分析法与其他仪器分析法相比的优点：1、质谱法是唯一可以确定物质分子质量的方法，、质谱法是唯一可以确定物质分子质量的方法，且可以确定化合物的化学式和进行结构分析。且可以确定化合物的化学式和进行结构分析。2、灵敏度极高，鉴定最小量达、灵敏度极高，鉴定最小量达10-10g，检出限，检出限可达可达10-14g。第二节第二节 质谱分析法的基本原理质谱分析法的基本原理样品样品经经导入导入系统进入系统进入离子源离子源，被电离成被电离成离离子和碎片离子子和碎片离子，由由质量分析器分离质量分析器分离并按并按质荷比大小依次抵达检测器质荷比大小依次抵达检测器，信号经过，信号经过放大、记录得到放大、记录得到质谱质谱。试样在电离室内被气化、电离。在试样在电离室内被气化、电离。在10-5Pa高真空高真空下，以下，以50100eV能量的电子流轰击试样，形成带一能量的电子流轰击试样，形成带一个正电荷的正离子，称为分子离子，即个正电荷的正离子，称为分子离子，即 M +e(高速高速)M+2e-(低速低速)M表示分子；表示分子；M+表示分子正离子，表示分子正离子，表示不成对表示不成对的单电子，分子离子的化学键可以断裂，形成碎片离的单电子，分子离子的化学键可以断裂，形成碎片离子，碎片离子可以进一步断裂，形成多种质荷比不同子，碎片离子可以进一步断裂，形成多种质荷比不同的离子，提供试样结构信息。的离子，提供试样结构信息。正离子被电位差为正离子被电位差为8008000V的负高压电场的负高压电场加速，加速后离子的动能加速，加速后离子的动能:m:离子质量离子质量 :离子的速度离子的速度z:离子所带的电荷数离子所带的电荷数U:加速电压加速电压离心力离心力=向心力；向心力；(1)若加速电压若加速电压U和磁场强度和磁场强度B都一定时，不同都一定时，不同m/z 的离的离 子，由于运动的曲率半径不同，在质量分析子，由于运动的曲率半径不同，在质量分析器重彼此被分开，并记录各器重彼此被分开，并记录各m/z离子的相对强度。离子的相对强度。曲率半径：曲率半径：质谱方程式：质谱方程式：离子在磁场中的轨道半径离子在磁场中的轨道半径R取决于取决于:m/z;B;U(2)固定固定R，B，连续改变加速电压，连续改变加速电压U，电场扫描法。电场扫描法。固定固定R，U，连续改变磁场强度，连续改变磁场强度B，磁场扫描法。磁场扫描法。第三节第三节 质谱仪质谱仪质谱分析法主要是通过对样品的质谱分析法主要是通过对样品的离子的质荷离子的质荷比的分析比的分析而实现对样品进行定性和定量的而实现对样品进行定性和定量的一种方法。因此，质谱仪都一种方法。因此，质谱仪都必须有电离装必须有电离装置置把样品电离为离子，把样品电离为离子，有质量分析装置有质量分析装置把把不同质荷比的离子分开，经不同质荷比的离子分开，经检测器检测检测器检测之之后可以得到样品的质谱图。后可以得到样品的质谱图。进样系统进样系统离子源离子源质量分析器质量分析器检测器检测器真空系统真空系统记录系统记录系统1、进样系统、进样系统气体气体直接导入或用气相色谱进样直接导入或用气相色谱进样液体液体加热汽化或雾化进样加热汽化或雾化进样固体固体用直接进样探头用直接进样探头电子电离源电子电离源(EI)化学电离源化学电离源(CI)快原子轰击快原子轰击(FAB)电喷雾源电喷雾源(ESI)大气压化学电离（大气压化学电离（APCI)基质辅助激光解吸电离（基质辅助激光解吸电离（MALDI)使试样分子或原子离子化，同时具有聚焦和准直的使试样分子或原子离子化，同时具有聚焦和准直的作用，使离子汇聚成一定几何形状和能量的离子束。作用，使离子汇聚成一定几何形状和能量的离子束。2、离子源离子源电喷雾电离源是一种软电离方式，即便是分子量电喷雾电离源是一种软电离方式，即便是分子量大，稳定性差的化合物，也不会在电离过程中发大，稳定性差的化合物，也不会在电离过程中发生分解，它适合于分析极性强的大分子有机化合生分解，它适合于分析极性强的大分子有机化合物，如蛋白质、肽、糖等。物，如蛋白质、肽、糖等。激光解吸源是利用一定波长的脉冲式激光激光解吸源是利用一定波长的脉冲式激光照射样品使样品电离的一种电离方式。比照射样品使样品电离的一种电离方式。比较较适合于分析生物大分子，如肽、蛋白质、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，准核酸等。得到的质谱主要是分子离子，准分子离子。分子离子。碎片离子和多电荷离子较少。碎片离子和多电荷离子较少。3、质量分析器、质量分析器将离子源产生的离子按将离子源产生的离子按m/z的大小分离聚焦。的大小分离聚焦。单聚焦分析器单聚焦分析器 双聚焦分析器双聚焦分析器 四极杆分析器四极杆分析器 离子阱分析器离子阱分析器 飞行时间分析器飞行时间分析器 富立叶变换离子回旋共振富立叶变换离子回旋共振单聚焦质量分析器单聚焦质量分析器：是处于扇形磁场中的真空扇形容器，：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、或60的圆弧形离子束通道。下图为的圆弧形离子束通道。下图为180单聚焦单聚焦质量分析器原理示意图。质量分析器原理示意图。质量分析器射出的离子具有一定的能量，轰击电子质量分析器射出的离子具有一定的能量，轰击电子倍增管发射出二次电子，电子在电场的作用下，多倍增管发射出二次电子，电子在电场的作用下，多次撞击倍增极，最后可以检测到次撞击倍增极，最后可以检测到10-17A的微弱电流，的微弱电流，经放大器放大后，用记录仪快速记录到光敏记录纸经放大器放大后，用记录仪快速记录到光敏记录纸上，或用计算机处理结果。上，或用计算机处理结果。检测器的种类：检测器的种类：电子倍增管、法拉第筒、照相板、闪烁计数器等电子倍增管、法拉第筒、照相板、闪烁计数器等4、检测器和记录系统、检测器和记录系统电子倍增器：电子倍增器：一定能量的离子轰击阴极导致电子发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。电子倍增器中电子通过的时间很短，利用被放大。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。电子倍增器可以实现高灵敏、快速测定。质谱仪需要在高真空下工作：质谱仪需要在高真空下工作：离子源（离子源（10-3 10-5 Pa）质量分析器（质量分析器（10-6 Pa）大量氧会烧坏离子源的灯丝；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；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。引起额外的离子分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。一般先用机械泵或分子泵预抽真空，然后用高效扩一般先用机械泵或分子泵预抽真空，然后用高效扩散泵抽至高真空散泵抽至高真空5、高真空系统、高真空系统第四节第四节 质谱及其离子峰的类型质谱及其离子峰的类型一、质谱图与质谱表一、质谱图与质谱表 以质荷比以质荷比m/z为为横坐标，离子强横坐标，离子强度为纵坐标来表度为纵坐标来表示质谱数据。以示质谱数据。以质谱中最强峰的质谱中最强峰的高度为高度为100%。最。最强峰称为基峰。强峰称为基峰。质谱表是用表格形式表示质谱数据，准确给出质谱表是用表格形式表示质谱数据，准确给出m/z值和相对强度。值和相对强度。二、离子峰的主要类型二、离子峰的主要类型分分子子在在离离子子源源中中可可产产生生各各种种电电离离，即即同同一一分分子可产生多种子可产生多种离子峰离子峰：v分子离子峰分子离子峰、v同位素离子峰同位素离子峰、v碎片离子峰碎片离子峰、v重排离子峰重排离子峰、v亚稳离子峰亚稳离子峰等等1.1.分子离子峰：分子离子峰：分子受电子束轰击后失去一个电分子受电子束轰击后失去一个电子形成的分子离子所产生的峰。子形成的分子离子所产生的峰。分子离子的质量与化合物的相对分子量相等分子离子的质量与化合物的相对分子量相等有机化合物分子离子峰的稳定性顺序：有机化合物分子离子峰的稳定性顺序：芳香化合物共轭链烯烯烃脂环化合物直芳香化合物共轭链烯烯烃脂环化合物直链烷烃酮胺酯醚酸支链烷烃醇链烷烃酮胺酯醚酸支链烷烃醇分分子子离离子子含含有有奇奇数数个个电电子子，一一般般出出现现在在质质谱谱的的最最右右侧侧。是确定分子量及分子式的重要依据。是确定分子量及分子式的重要依据。ABCD+为为分子离子峰分子离子峰，m/z即为分子的分子量即为分子的分子量。对于。对于有机物，杂原子有机物，杂原子S，O，P，N等上的未共用电子对等上的未共用电子对最易失去，其次是最易失去，其次是 电子，再其次是电子，再其次是 电子。电子。：含有同位素的离子称为同位素离子。由这些同位素：含有同位素的离子称为同位素离子。由这些同位素所形成的峰称之为所形成的峰称之为同位素峰同位素峰有机化合物一般由有机化合物一般由C、H、O、N、S、Cl及及Br等元等元素组成，表中丰度比是以丰度最大的轻质同位素组成，表中丰度比是以丰度最大的轻质同位素为素为100%计算而得。计算而得。重质同位素峰与丰度最大的轻质同位素的峰强重质同位素峰与丰度最大的轻质同位素的峰强比，用比，用 M+1、M+2、表示，其数值由同位素表示，其数值由同位素丰度比及原子数目决定。丰度比及原子数目决定。同位素同位素13C/12C 2H/1H 17O/16O18O/16O 15N/14N 33S/32S 37Cl/35Cl 81Br/79Br丰度比丰度比 1.12 0.015 0.040 0.20 0.36 0.80 31.98 97.28分子中含一个氯原子分子中含一个氯原子 M：M+2=100：32.03：1分子中含一个溴原子分子中含一个溴原子 M：M+2=100：97.31：1分子中含三个氯分子中含三个氯 M：M+2：M+4：M+627：27：9：1 一般有机化合物的电离能为一般有机化合物的电离能为13电子伏特，质谱中常用电子伏特，质谱中常用的电离电压为的电离电压为70电子伏特，使分子离子的化学键进一步断裂，电子伏特，使分子离子的化学键进一步断裂，产生质量数较低的各种产生质量数较低的各种“碎片碎片”离子，在质谱图上出现相应离子，在质谱图上出现相应的峰，称为碎片离子峰。位于分子离子峰的左侧。的峰，称为碎片离子峰。位于分子离子峰的左侧。-在离子源生成的离子，如果在飞行中发生在离子源生成的离子，如果在飞行中发生裂解，生成子离子和中性碎片，则把这种裂解，生成子离子和中性碎片，则把这种在飞行中发生裂解的母离子称为亚稳离子，在飞行中发生裂解的母离子称为亚稳离子，由它形成的质谱峰为亚稳峰由它形成的质谱峰为亚稳峰。亚稳峰的特点：峰弱，强度仅为亚稳峰的特点：峰弱，强度仅为m1峰的峰的1%3%；峰钝，一般可跨；峰钝，一般可跨25个质量单个质量单位；质荷比一般不是整数，与母离子和子位；质荷比一般不是整数，与母离子和子离子有如下关系：离子有如下关系：v可可将将此此峰峰看看成成m1和和m2的的“混混合合峰峰”，因因此此形形成成“宽峰宽峰”，极易识别。，极易识别。v可用于可用于寻找裂解途径寻找裂解途径v(通过母离子通过母离子m1与子离子与子离子m2的关系的关系)。-原子或基团经重排后再开裂而形成一种特原子或基团经重排后再开裂而形成一种特殊的碎片离子，称殊的碎片离子，称重排离子重排离子。如醇分子离。如醇分子离子经脱水后重排可产生新的重排离子峰。子经脱水后重排可产生新的重排离子峰。三、有机分子裂解类型三、有机分子裂解类型当有机化合物蒸气分子进入离子源受到电子轰击时，按下当有机化合物蒸气分子进入离子源受到电子轰击时，按下列方式形成各种类型离子（分子碎片）：列方式形成各种类型离子（分子碎片）：ABCD +e-ABCD+2e-分子离子 BCD +A+B +A+CD+AB+A +B+ABCD+D +C+AB +CD+C +D+碎片离子v表示裂解过程和结果的符号是：鱼钩表示裂解过程和结果的符号是：鱼钩“”表表示单个电子的转移；箭头示单个电子的转移；箭头“”表示两个电子表示两个电子的转移；含奇数个电子的离子（的转移；含奇数个电子的离子（odd electron；OE）用用“+”表示；含偶数个电子的离表示；含偶数个电子的离子（子（even electron；EE）用用“+”表示；电荷表示；电荷位置不清楚时，用位置不清楚时，用“”及及“”表示。表示。1、单纯裂解、单纯裂解v一个键发生裂解一个键发生裂解叫做单纯裂解。常见的化学键断叫做单纯裂解。常见的化学键断裂方式有：裂方式有：均裂均裂、异裂异裂和和半均裂半均裂三种。三种。v均裂均裂：在键断裂后，两个成键电子分别保留在各在键断裂后，两个成键电子分别保留在各自的碎片上的裂解过程。自的碎片上的裂解过程。异裂异裂：在键断裂后，两个成键电子，全部转移到在键断裂后，两个成键电子，全部转移到一个碎片上的裂解过程。一个碎片上的裂解过程。2、重排、重排-离子是通过断裂两个或两个以上的键，离子是通过断裂两个或两个以上的键，结构重新排列形成的，这种裂解方式称为重排。结构重新排列形成的，这种裂解方式称为重排。1）McLafferty重排：当化合物中重排：当化合物中含有不饱和中心含有不饱和中心C=X（X为为O，N，S，C）基团，而且与该基团相连的键）基团，而且与该基团相连的键上具有上具有氢原子时，此氢原子可以转移到氢原子时，此氢原子可以转移到X原子上，原子上，同时，同时，键键发生断裂，脱掉一个中性分子。发生断裂，脱掉一个中性分子。v烷烃化合物断裂多在烷烃化合物断裂多在C-C之间发生，且易发生在支之间发生，且易发生在支链上：链上：烯烃多在双键旁的第二个键上开裂：烯烃多在双键旁的第二个键上开裂：v含含C=O键化合物的开裂多在与其相邻的键上：键化合物的开裂多在与其相邻的键上：v苯的最强峰为苯的最强峰为M M+，芳香族化合物将先失去取代基，芳香族化合物将先失去取代基，再形成再形成卓鎓离子（苯甲离子）卓鎓离子（苯甲离子）：对含杂原子的分子，断裂的键位顺序为对含杂原子的分子，断裂的键位顺序为 位、位、位和位和 位：位：第五节第五节 质谱法的应用质谱法的应用 通过解析质谱图可以推断化合物的相对分子质量，通过解析质谱图可以推断化合物的相对分子质量，确定化学式和结构式。已知化合物的质谱解析较易，确定化学式和结构式。已知化合物的质谱解析较易，而未知物的的解析比较困难。而未知物的的解析比较困难。根据质谱图上的分子离子峰的根据质谱图上的分子离子峰的m/z可以准确地可以准确地确定该化合物的相对分子质量。除同位素峰外，分确定该化合物的相对分子质量。除同位素峰外，分子离子峰一定是质谱图上质量数最大的峰，位于质子离子峰一定是质谱图上质量数最大的峰，位于质谱图的最右端。但是若分子离子峰稳定性差、很弱谱图的最右端。但是若分子离子峰稳定性差、很弱或不存在，无法识别分子离子峰。或不存在，无法识别分子离子峰。谱图解析过程谱图解析过程v(1)首先确认分子离子峰，确定分子量；首先确认分子离子峰，确定分子量；v(2)用同位素峰强比法或精密质量法确定分子式；用同位素峰强比法或精密质量法确定分子式；v(3)计算不饱和度；计算不饱和度；v(4)解析某些主要质谱峰的归属及峰间关系；解析某些主要质谱峰的归属及峰间关系；v(5)推定结构；推定结构；v(6)验验证证：查查对对标标准准光光谱谱验验证证或或参参考考其其它它光光谱谱及及物物理常数。理常数。在判断分子离子峰时应注意以下问题：在判断分子离子峰时应注意以下问题：1 1、分子离子峰的质量数应该符合氮规律、分子离子峰的质量数应该符合氮规律由，组成的有机化合物，由，组成的有机化合物，一定是偶数。一定是偶数。由，组成的有机化合物，由，组成的有机化合物，奇数，奇数，奇数。奇数。由，组成的有机化合物，由，组成的有机化合物，偶数，偶数，偶数。偶数。凡不符合氮规律的离子峰一定不是分子离子峰。凡不符合氮规律的离子峰一定不是分子离子峰。2 2、利用碎片峰的合理性判断分子离子峰、利用碎片峰的合理性判断分子离子峰在离子源中，化合物分子电离后，分子离子可以裂解在离子源中，化合物分子电离后，分子离子可以裂解出游离基或中性分子等碎片，所以若裂解出出游离基或中性分子等碎片，所以若裂解出H、CH3、H2O、C2H4碎片，对应的碎片峰为碎片，对应的碎片峰为M-1、M-15、M-18、M-28等，这些为合理的碎片峰。等，这些为合理的碎片峰。P272表表4-2从分子离子中裂解出的常见碎片。从分子离子中裂解出的常见碎片。3 3、利用同位素峰识别分子离子峰、利用同位素峰识别分子离子峰有些元素如有些元素如35Cl、79Br、32S的同位素的同位素37Cl、81Br、34S相对丰度较大，其相对丰度较大，其M+2同位素峰十分明显，通过同位素峰十分明显，通过M、M+2等质谱峰来推断分子离子峰。等质谱峰来推断分子离子峰。4 4、分子离子稳定性规律、分子离子稳定性规律 通常碳数较多、碳链较长和有支链的分子，分裂的可通常碳数较多、碳链较长和有支链的分子，分裂的可能性大，其分子离子的稳定性差；而芳香族化合物和能性大，其分子离子的稳定性差；而芳香族化合物和含有共轭链烯的分子离子稳定，分子离子峰大。所以，含有共轭链烯的分子离子稳定，分子离子峰大。所以，当分子离子峰出现为基峰时，该化合物通常为芳环、当分子离子峰出现为基峰时，该化合物通常为芳环、杂环或共轭多烯类化合物；当分子离子峰很弱或不出杂环或共轭多烯类化合物；当分子离子峰很弱或不出现时，该化合物通常为醇类化合物。现时，该化合物通常为醇类化合物。5 5、由分子离子峰强度变化判断分子离子峰、由分子离子峰强度变化判断分子离子峰当电子轰击离子源中，降低电子轰击电压，分子离子当电子轰击离子源中，降低电子轰击电压，分子离子裂解减少，碎片离子减少，则分子离子峰的强度应增裂解减少，碎片离子减少，则分子离子峰的强度应增加；降低电子轰击电压，若加；降低电子轰击电压，若m/z最大峰最后消失即为分最大峰最后消失即为分子离子峰。子离子峰。本章重点本章重点作业：思考题与习题作业：思考题与习题3、6、7、9