第十四章 质谱法精选文档.ppt
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1、第十四章 质谱法本讲稿第一页,共八十六页应用应用:头发中铜、锌、钙、铁、铅等微量元素的分析?头发中铜、锌、钙、铁、铅等微量元素的分析?本讲稿第二页,共八十六页质 谱 法第十四章第十四章 Mass SpectroscopyMS本讲稿第三页,共八十六页主要内容14-1 概述概述14-2 质谱法基本原理质谱法基本原理14-3 质谱仪质谱仪14-4 质谱解析基础知识质谱解析基础知识14-5 有机波谱综合解释有机波谱综合解释本讲稿第四页,共八十六页质谱法:14-1 概概 述述将将样样品品转转化化为为运运动动的的气气态态离离子子并并按按质质荷荷比比(m/z)大大小小不不同同进进行行分分离离记记录录的的分分
2、析方法。析方法。质谱法分类:原子质谱法原子质谱法(无机质谱法无机质谱法)atomic mass spectrometry分子质谱法分子质谱法(有机质谱法有机质谱法)molecular mass spectrometry本讲稿第五页,共八十六页质谱法发展质谱法发展1918年美国年美国A.J.Dempster发明了第一台单聚焦质谱仪;发明了第一台单聚焦质谱仪;1966年年Munson和和Field提出了化学电离(提出了化学电离(CI)技术;)技术;1981年出现了快原子轰击(年出现了快原子轰击(FAB)电离技术;)电离技术;随后出现了各种软电离技术:随后出现了各种软电离技术:如如基质辅助激光解吸电
3、离源(基质辅助激光解吸电离源(MALDI)电喷雾电离源(电喷雾电离源(ESI)大气压化学电离源(大气压化学电离源(APCI)感应耦合等离子体质谱仪(感应耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)富立叶变换质谱仪(富立叶变换质谱仪(FT-ICR MS)本讲稿第六页,共八十六页质谱仪分类质谱仪分类按离子源分类电子轰击电子轰击EI化学电离化学电离CI快原子轰击快原子轰击FAB大气压电离大气压电离ESI、APCI基质辅助激光解吸电离源基质辅助激光解吸电离源MALDI按检测器分类单聚焦质谱单聚焦质谱SFMS双聚焦质谱双聚焦质谱DFMS离子阱质谱离子阱质谱ITMS四级杆质谱四级杆质谱Quadrupole 飞行时间
4、质谱飞行时间质谱TOFMS本讲稿第七页,共八十六页优点:唯一准确唯一准确确定分子量确定分子量的方法,特别是生物大分子分子量的方法,特别是生物大分子分子量(数十万)测定(数十万)测定 极高灵敏度极高灵敏度,检测限达,检测限达10-14g 同位素分析同位素分析 多种形态分析多种形态分析 快速,快速,多组分分析多组分分析 缺点:质谱法特点质谱法特点 仪器昂贵,测试费用高仪器昂贵,测试费用高 破坏样品破坏样品本讲稿第八页,共八十六页质谱表质谱表质谱图质谱图m/z39505163659192相对强度相对强度11.63.85.07.612.3100.0077.8质谱数据表示质谱数据表示本讲稿第九页,共八十
5、六页(A)ESIMS of anisodine (樟柳碱樟柳碱)(B)MS2 of anisodine樟柳碱的樟柳碱的MS和和MS2图谱图谱本讲稿第十页,共八十六页质谱法应用质谱法应用分子量、同位素峰和碎片分子量、同位素峰和碎片m/z峰强度峰强度定量分析,但校正复杂定量分析,但校正复杂主要是主要是GC-MS或或LC-MS定量分析定量分析分子量测定分子量测定结构分析结构分析分子离子峰分子离子峰m/z 化合物分子量化合物分子量定量分析定量分析新应用新应用学科前沿学科前沿质谱成像、蛋白质组学、代谢组学质谱成像、蛋白质组学、代谢组学NMR、IR、UV-VIS分子式分子式结构式结构式从化学角度来看从化学
6、角度来看本讲稿第十一页,共八十六页质谱法应用质谱法应用从对象来看从对象来看生物生物医药医药刑侦刑侦农业农业环境环境食品食品本讲稿第十二页,共八十六页14-2 质谱法基本原理质谱法基本原理质谱法实验流程质谱法实验流程质谱仪器结构框图质谱仪器结构框图本讲稿第十三页,共八十六页电子轰击离子化电子轰击离子化EI:分子离子分子离子,可裂,可裂解为碎片离子解为碎片离子m:离子质量:离子质量v:离子速度:离子速度z:离子电荷:离子电荷U:电场电压:电场电压R:离子运动半径:离子运动半径H:磁场强度:磁场强度质谱方程质谱方程50100 eV离子源中离子源中电场中电场中磁场中磁场中本讲稿第十四页,共八十六页两式
7、两式消去消去v:质谱方程式质谱方程式结语结语:m/zR2,H、U一定时,一定时,m/z,R空间上分离空间上分离 m/zH2,R、U一定时(磁场扫描),一定时(磁场扫描),m/z,H 时间上分离时间上分离 m/z1/U,R、H一定时(电压扫描),一定时(电压扫描),m/z,U 时间上分离时间上分离本讲稿第十五页,共八十六页质谱仪器结构框图质谱仪器结构框图14-3 质谱仪质谱仪美国美国Finnigan ESI MS仪仪本讲稿第十六页,共八十六页一、一、进样系统进样系统作用:作用:在不降低真空度的条件下,将样品分子引在不降低真空度的条件下,将样品分子引 入到离子源中入到离子源中 间歇式进样系统间歇式
8、进样系统气体、挥发性液、固体气体、挥发性液、固体 直接探针进样直接探针进样固体、非挥发、不稳定样品固体、非挥发、不稳定样品 色谱进样系统色谱进样系统 毛细管电泳进样毛细管电泳进样接口接口复杂样品复杂样品本讲稿第十七页,共八十六页二、二、离子源离子源 作用:作用:使气态样品分子电离,转化为带有样品使气态样品分子电离,转化为带有样品 信息的离子信息的离子1.电子轰击源电子轰击源(EI)灯丝灯丝电子束电子束硬电离硬电离电子轰击源电子轰击源EI、化学电离源、化学电离源CI电喷雾离子源电喷雾离子源ESI、快原子轰击、快原子轰击FAB基质辅助激光解吸电离源基质辅助激光解吸电离源MALDI本讲稿第十八页,共
9、八十六页+:R1:R2:R3:R4:e+M+(M-R2)+(M-R3)+Spectrum(M-R1)+丰度丰度m/zEI示意图示意图本讲稿第十九页,共八十六页EI源实验技术源实验技术:1070 eV电子能量电子能量 电子能量电子能量 分子离子增加分子离子增加碎片离子增加碎片离子增加EI标准质谱图:标准质谱图:70eV,用于分子结构分析,用于分子结构分析有机分子电离电位:有机分子电离电位:7-15eV,提供丰富的结构信息。,提供丰富的结构信息。EIMS特点:特点:适用性强,图谱重现性好适用性强,图谱重现性好 但图谱复杂,分子离子峰难寻找但图谱复杂,分子离子峰难寻找本讲稿第二十页,共八十六页2.化
10、学电离源化学电离源(CI)软电离软电离(分子不稳定分子不稳定)反应气体反应气体:甲烷、氨气、异丁烷等:甲烷、氨气、异丁烷等气体分子气体分子试样分子试样分子准分子离子准分子离子电子电子本讲稿第二十一页,共八十六页甲烷甲烷电离:电离:甲烷甲烷离子与分子反应生成离子与分子反应生成加合离子:加合离子:90%CH4+e CH4+CH3+CH2+CH+C+H+本讲稿第二十二页,共八十六页加合离子加合离子与样品分子反应:与样品分子反应:CI源特点:源特点:图谱简单,易测得分子量。图谱简单,易测得分子量。(M+17)+(M+29)+CH5+RH RH2+CH4C2H5+RH R+C2H6(M+1)+(M-1)
11、+准分子离子:准分子离子:(M1)+本讲稿第二十三页,共八十六页COOC8H17COOC8H17EI和和CI质谱图比较质谱图比较M=390EICI本讲稿第二十四页,共八十六页3.电喷雾电离源电喷雾电离源(ESI)Electrospray Ionizaton 多电荷离子多电荷离子 测定的样品分子量大测定的样品分子量大最软电离最软电离高电场高电场本讲稿第二十五页,共八十六页其它离子源:其它离子源:快原子轰击快原子轰击FAB 基质辅助激光解吸基质辅助激光解吸MALDI 场电离场电离FI,场解吸,场解吸FD 大气压化学电离大气压化学电离APCI 本讲稿第二十六页,共八十六页4.基质辅助激光解析质谱基质
12、辅助激光解析质谱(Matrix-assisted Laser Desorption/Ionization,MALDI)用用小小分分子子有有机机物物作作基基质质,将将样样品品溶溶液液和和基基质质混混合合均均匀匀,干干燥燥成成为为晶晶体体或或半半晶晶体体后后送送入入离离子子源源内内。用用一一定定波波长长的的脉脉冲冲式式激激光光照照射射,基基质质分分子子能能有有效效地地吸吸收收激激光光能能量量,瞬瞬间间由由固固态态转转化化为为气气态态,基基质质离离子子与与样样品品相相互互碰碰撞撞使使样样品品离离子子化化,而得以进行质谱分析。而得以进行质谱分析。MALDI示意图示意图本讲稿第二十七页,共八十六页5.快
13、原子轰击快原子轰击(fast atom bombardment,FAB)FAB电离原理:电离原理:样样品品溶溶液液与与甘甘油油、硫硫代代甘甘油油、3-硝硝基基苄苄醇醇等等高高沸沸点点的的溶溶剂剂混混合合滴滴加加于于样样品品靶靶上上。由由铯铯枪枪(或或Ar、Xe)产产生生的的高高能能快快原原子子轰轰击击到到样样品品靶靶上上时时,部部分分能能量量导导致致样样品品气气化化和和电电离离。生生成成的的离离子子束束由由一一加加速速电电压压(数数kV)引引出出,进进入入质量分析器,按不同的质荷比(质量分析器,按不同的质荷比(m/z)被分开,并检测器检出。)被分开,并检测器检出。本讲稿第二十八页,共八十六页(
14、三三)质量分析器质量分析器1.单聚焦分离器单聚焦分离器只有磁场:方只有磁场:方向聚焦向聚焦结构简单结构简单,操作操作方便方便,体积小体积小但分辨率低但分辨率低本讲稿第二十九页,共八十六页2.双聚焦分离器双聚焦分离器离子源离子源收集器收集器磁场磁场电场电场S1S2+-方向聚焦:方向聚焦:相同质荷比相同质荷比,入射,入射方向不同的离子会聚。方向不同的离子会聚。能量聚焦:能量聚焦:相同质荷比相同质荷比,速,速度度(能量能量)不同的离子不同的离子会聚。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,两能量色散大小相等方向相反,使质量相
15、同的离子会聚。色散,两能量色散大小相等方向相反,使质量相同的离子会聚。本讲稿第三十页,共八十六页3.四级杆分析器四级杆分析器双曲面电场(离子振荡运动)双曲面电场(离子振荡运动)改变电参数,使不同改变电参数,使不同m/z离子通过离子通过(大小相等,方向相反)(大小相等,方向相反)飞行时间质量分析器飞行时间质量分析器离子阱质量分析器离子阱质量分析器本讲稿第三十一页,共八十六页(四四)检测器检测器电子倍增器电子倍增器示意图示意图105108法拉第环法拉第环照相感版照相感版本讲稿第三十二页,共八十六页(五五)真空系统真空系统作用:作用:1)避免避免大量氧烧坏离子源的灯丝;大量氧烧坏离子源的灯丝;2)消
16、减离子的不必要碰撞,避免离子损失;消减离子的不必要碰撞,避免离子损失;3)避免避免离子分子反应改变裂解模式,使质谱离子分子反应改变裂解模式,使质谱 复杂化;复杂化;4)减小本底。减小本底。离子源离子源质量分析器质量分析器真空度要求:真空度要求:10-4 Pa机械泵机械泵扩散泵扩散泵真空泵真空泵 本讲稿第三十三页,共八十六页二、质谱仪的主要性能指标二、质谱仪的主要性能指标1.质量范围质量范围质谱仪所能测定的离子质荷比范围质谱仪所能测定的离子质荷比范围 单电荷离子:单电荷离子:质量范围即分子量范围质量范围即分子量范围 多电荷离子:多电荷离子:分子量测定范围比质量范围大。分子量测定范围比质量范围大。
17、本讲稿第三十四页,共八十六页2.分辨率:分辨率:分开相邻质量数离子的能力分开相邻质量数离子的能力定义:定义:R1000低分辨低分辨R1000高分辨高分辨本讲稿第三十五页,共八十六页14-4 质谱解析基础知识质谱解析基础知识1.分子离子分子离子(奇电子离子奇电子离子)分子离子的质量与化合物的分子量相等分子离子的质量与化合物的分子量相等一、质谱中几种主要的离子一、质谱中几种主要的离子(EI源源)分子离子分子离子中性分子中性分子 一般有机物失去电子的程度是一般有机物失去电子的程度是 n电子电子电子电子电子电子确定分子量确定分子量和分子式和分子式(Molecular ion)本讲稿第三十六页,共八十六
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