质谱分析ms资料讲解.ppt
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1、Modern Modern Instrumental AnalysisInstrumental Analysis Tarim University 2011质谱分析MSModern Modern Instrumental AnalysisInstrumental Analysis Tarim University 2011质谱分析法的特点质谱分析法的特点(1)应用范围广。测定样品可以是无机物,也可以是有机物。应用上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、生产过程监测、环境监测、热力学与反应动力学、空间探测等。被分析的样品可以是气体和液体,也可以是固体。(2)灵敏度高,样品用量
2、少。目前有机质谱仪的绝对灵敏度可达50pg(pg为1012g),无机质谱仪绝对灵敏度可达1014。用微克级样品即可得到满意的分析结果。(3)分析速度快,并可实现多组分同时测定。(4)与其它仪器相比,仪器结构复杂,价格昂贵,使用及维修比较困难。对样品有破坏性。Modern Modern Instrumental AnalysisInstrumental Analysis Tarim University 2011发展概况发展概况 从20世纪60年代开始,质谱就广泛应用于有机化合物分子结构的测定。随着科学技术的发展,质谱仪已实现了与不同的分离仪器的联用。例如,气相色谱与质谱联用、液相色谱与质谱联用
3、、质谱和质谱的联用已成为一种用途很广的有机化合物分离、结构测定及定性定量分析的方法。另外,质谱仪和电子计算机的结合使用,不仅简化了质谱仪的操作,又提高了质谱仪的效能。特别是近年来从各种类型有机分子结构的研究中,找出了一些分子结构与质谱的规律,使质谱成为剖析有机物结构的强有力的工具之一。在鉴定有机物的四大重要手段(NMR、MS、IR、UV)中,也是唯一可以确定分子式的方法(测定精度达104)。Modern Modern Instrumental AnalysisInstrumental Analysis Tarim University 2011 目前质谱技术已发展成为三个分支,即同位素质谱、无
4、机质谱和有机质谱。本章主要介绍有机质谱。Modern Modern Instrumental AnalysisInstrumental Analysis Tarim University 201110.2 质谱分析法的基本原理质谱分析法的基本原理质谱仪质谱仪 有机质谱仪包括离子源、质量分析器、检测器和真空系统。现以扇形磁场单聚焦质谱仪为例,将质谱仪器各主要部分的作用原理讨论如下。下图为单聚焦质谱仪的示意图。单聚焦质谱仪Modern Modern Instrumental AnalysisInstrumental Analysis Tarim University 2011(1)真空系统 质谱仪
5、的离子源、质谱分析器及检测器必须处于高真空状态(离子源的真空度应达103105Pa,质量分析器应达106Pa),若真空度低,则:(i)大量氧会烧坏离子源的灯丝;(ii)会使本底增高,干扰质谱图;(iii)引起额外的离子-分子反应,改变裂解模型,使质谱解释复杂化;(iv)干扰离子源中电子束的正常调节;(v)用作加速离子的几千伏高压会引起放电,等等。Modern Modern Instrumental AnalysisInstrumental Analysis Tarim University 2011(2)进样系统Modern Modern Instrumental AnalysisInstru
6、mental Analysis Tarim University 2011直接进样杆进样Modern Modern Instrumental AnalysisInstrumental Analysis Tarim University 2011 对于气体及沸点不高、易于挥发的样品,可以用图中上方的装置。贮样器为玻璃或上釉不锈钢制成,抽低真空(1Pa),并加热至150,试样以微量注射器注入,在贮样器内立即化为蒸汽分子,然后由于压力梯度,通过漏孔以分子流形式渗透入高真空的离子源中。对于高沸点的液体、固体,可以用探针(probe)杆直接进样。调节加热温度,使试样气化为蒸汽。此方法可将微克量级甚至更少
7、试样送入电离室。探针杆中试样的温度可冷却至约100,或在数秒钟内加热到较高温度(如300左右)。Modern Modern Instrumental AnalysisInstrumental Analysis Tarim University 2011(3)离子源(ion source)电子轰击电离源电子轰击电离源(EI源源)被分析的气体或蒸汽首先进入仪器的离子源,转化为离子。使分子电离的手段很多。最常用的离子源是电子轰击(electron impact,EI)离子源,其构造原理如图电子轰击离子源Modern Modern Instrumental AnalysisInstrumental A
8、nalysis Tarim University 2011 在电离室内,气态的样品分子受到高速电子的轰击后,该分子就失去电子成为正离子(分子离子):分子离子继续受到电子的轰击,使一些化学键断裂,或引起重排以瞬间速度裂解成多种碎片离子(正离子)。在排斥极上施加正电压,带正电荷的阳离子被排挤出离子化室,而形成离子束,离子束经过加速极加速,而进入质量分析器。多余热电子被钨丝对面的电子收集极(电子接收屏)捕集。分子离子继续受到电子的轰击,使一些化学键断裂,或引起重排以瞬间速度裂解成多种碎片离子(正离子)。在排斥极上施加正电压,带正电荷的阳离子被排挤出离子化室,而形成离子束,离子束经过加速极加速,而进入
9、质量分析器。多余热电子被钨丝对面的电子收集极(电子接收屏)捕集。Modern Modern Instrumental AnalysisInstrumental Analysis Tarim University 2011化学电离源(化学电离源(CI)有些化合物稳定性差,用EI方式不易得到分子离子,因而也就得不到分子量。为了得到分子量可以采用化学电离源(chemical ionization)。现以甲烷作为反应气为例,说明化学电离的过程。在电子轰击下,甲烷首先被电离:现以甲烷作为反应气为例,说明化学电离的过程。Modern Modern Instrumental AnalysisInstrume
10、ntal Analysis Tarim University 2011在电子轰击下,甲烷首先被电离:CH4+CH4+CH3+CH2+CH+C+H+甲烷离子与分子进行反应,生成加合离子:CH4+CH4 CH5+CH3 CH3+CH4 C2H5+H2加合离子与样品分子反应:CH5+XHXH2+CH4 C2H5+XHX+C2H6 Modern Modern Instrumental AnalysisInstrumental Analysis Tarim University 2011 生成的XH2+和X+比样品分子多一个H或少一个H,可表示为(M1)+,称为准分子离子。事实上,以甲烷作为反应气,除(
11、M1)+之外,还可能出现(M17)+,(M29)+等离子,同时还出现大量的碎片离子。化学电离源是一种软电离方式,有些用EI方式得不到分子离子的样品,改用CI后可以得到准分子离子,因而可以推断相对分子质量。但是由于CI得到的质谱不是标准质谱,所以不能进行库检索。Modern Modern Instrumental AnalysisInstrumental Analysis Tarim University 2011电喷雾电离源(电喷雾电离源(ESI)电喷雾电离源利用位于一根毛细管和质谱仪进口间的电位差来生成离子,在电场作用下产生以喷雾形式存在的带电液滴。当使用干燥加热时,溶剂蒸发,液体体积缩小,
12、最终生成去溶剂化离子。ESI适于精细研究,如药物及蛋白质分析。ESI也是一种软电离方式。Modern Modern Instrumental AnalysisInstrumental Analysis Tarim University 2011Modern Modern Instrumental AnalysisInstrumental Analysis Tarim University 2011Modern Modern Instrumental AnalysisInstrumental Analysis Tarim University 2011基质辅助激光解析离子源(基质辅助激光解析离子
13、源(MALDI)o利用对使用的激光波长范围具有吸收并能提供质子的基质(一般常用小分子液体或结晶化合物),与样品按比例均匀混合,干燥后送入离子室。在真空下受激光照射,基质吸收激光能且并传递给样品,从而使样品解吸和电离。MALDI的特点是:准分子离子峰很强,且碎片离子少。通常用于飞行时间质谱,特别适合测定多肽、蛋白质、DNA片断、多糖等的相对分子质量。Modern Modern Instrumental AnalysisInstrumental Analysis Tarim University 2011三、质量分析器(mass analyzer)单聚焦质量分析器:单聚焦质量分析器:单聚焦质量分析
14、器所使用的磁场是扇性磁场,当被加速的离子流进入质量分析器后,在磁场作用下,各种阳离子被偏转。质量小的偏转大,质量大的偏转小,因此互相分开。当连续改变磁场强度或加速电压,各种阳离子将按m/z大小顺序依次到达离子检测器(收集极),产生的电流经放大,由记录装置记录成质谱图。由于离子初始能量不同,经过磁场后其偏转半径也不同,以能量大小顺序分开,这样就使得相邻两种质量的离子很难分离,从而降低了分辨率。Modern Modern Instrumental AnalysisInstrumental Analysis Tarim University 2011Modern Modern Instrumenta
15、l AnalysisInstrumental Analysis Tarim University 2011双聚焦质量分析器:双聚焦质量分析器:为了消除离子能量分散对分辨率的影响,通常在扇形磁场前加一扇形电场,扇形电场是一个能量分析器,不起质量分离作用。质量相同而能量不同的离子经过静电电场后会彼此分开。即静电场有能量色散作用。如果设法使静电场的能量色散作用和磁场的能量色散作用大小相等方向相反,就可以消除能量分散对分辨率的影响。Modern Modern Instrumental AnalysisInstrumental Analysis Tarim University 2011飞行时间质量分析
16、器飞行时间质量分析器Modern Modern Instrumental AnalysisInstrumental Analysis Tarim University 2011离子阱质量分析器:离子阱质量分析器:离子阱的结构如图所示。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。Modern Modern Instrumental AnalysisInstrumental Analysis Tarim University 2011离子阱质量分析器离子阱质量分析器Modern Modern Instrumental AnalysisInstrument
17、al Analysis Tarim University 2011四极杆分析器四极杆分析器(Quadrupole analyzer)四极杆分析器由四根棒状电极组成。相对两根电极间加有电压(Vdc+Vrf),另外两根电极间加有-(Vdc+Vrf)。其中Vdc为直流电压,Vrf为射频电压。四个棒状电极形成一个四极电场。只有满足一定条件的离子才能到达离子收集器。Modern Modern Instrumental AnalysisInstrumental Analysis Tarim University 2011四级杆质谱原理too smalltoo bigrightModern Modern I
18、nstrumental AnalysisInstrumental Analysis Tarim University 2011(5)离子检测器 常以电子倍增器(electron multiplier)检测离子流。电子倍增器种类很多,其工作原理如下图所示。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,电子倍增器的放大倍数一般在105108。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。但电子倍增器存在质量歧视效应,且随使用时间增加,增益会逐步减小。Modern Modern Instrumental AnalysisInstrume
19、ntal Analysis Tarim University 2011电子倍增器Modern Modern Instrumental AnalysisInstrumental Analysis Tarim University 2011质谱仪工作过程及基本原理质谱仪工作过程及基本原理(1)将样品由贮存器送入电离室。(2)样品被高能量(70100ev)的电子流冲击。通常,首先被打掉一个电子形成分子离子(母离子),若干分子离子在电子流的冲击下,可进一步裂解成较小的子离子及中性碎片,其中正离子被安装在电离室的正电压装置排斥进入加速室。(只要正离子的寿命在105106s)。Modern Modern
20、Instrumental AnalysisInstrumental Analysis Tarim University 2011(3)加速室中有2000V的高压电场,正离子在高压电场的作用下得到加速,然后进入分离管。在加速室里,正离子所获得的动能应该等于加速电压和离子电荷的乘积(即电荷在电场中的位能)。式中z为离子电荷数,U为加速电压。显然,在一定的加速电压下,离子的运动速度与质量m有关。Modern Modern Instrumental AnalysisInstrumental Analysis Tarim University 2011 (4)分离管为一定半径的圆形管道,在分离管的四周存
21、在均匀磁场。再磁场的作用下,离子的运动由直线运动变为匀速圆周运动。此时,圆周上任何一点的向心力和离心力相等。故:m2/R=H z 其中,R为圆周半径,H为磁场强度。Modern Modern Instrumental AnalysisInstrumental Analysis Tarim University 2011合并上述两式消去,可得 m/z=H2R2/2U 称为磁分析器质谱方程,是设计质谱仪的主要依据。式中R为一定值(因仪器条件限制),如再固定加速电压U,则m/z仅与外加磁场强度H有关。实际工作中通过调节磁场强度H,使其由小到大逐渐变化,则m/z不同的正离子也依次由小到大通过分离管进入
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