现代分析测试技术课件.ppt

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1、质谱法质谱法(MS)相对分子质量精确测定与相对分子质量精确测定与化合物结构分析的重要工具；化合物结构分析的重要工具；第一台质谱仪：第一台质谱仪：1912年；年；早期应用：相对原子质量、同早期应用：相对原子质量、同位素等的测量；位素等的测量；现代：有机化合物结构鉴定的现代：有机化合物结构鉴定的重要工具；重要工具；特殊性：联用技术，相对分子特殊性：联用技术，相对分子质量测定。质量测定。M+(MR2)+(MR3)+(MR1)+1发展过程：发展过程：20世纪世纪40年代年代：高分辨率质谱仪出现，有机化合物结构：高分辨率质谱仪出现，有机化合物结构分析；分析；20世纪世纪60年代末年代末：色谱：色谱-质谱

2、联用仪出现，有机混合物质谱联用仪出现，有机混合物分离分析；促进天然有机化合物结构分析的发展；分离分析；促进天然有机化合物结构分析的发展；20世纪世纪90年代年代：基质辅助激光解吸电离源、电喷雾电离：基质辅助激光解吸电离源、电喷雾电离源、大气压化学电离源，开创了质谱技术研究生物大分子源、大气压化学电离源，开创了质谱技术研究生物大分子的新领域。的新领域。2002年年由于由于“发明了用于生物大分子的电喷雾离子化发明了用于生物大分子的电喷雾离子化和基质辅助激光解吸离子化质谱分析法和基质辅助激光解吸离子化质谱分析法”，美国科学家约美国科学家约翰翰芬恩与日本科学家田中耕一共享该年度诺贝尔化学奖。芬恩与日本

3、科学家田中耕一共享该年度诺贝尔化学奖。2第一节第一节 质谱仪质谱仪分析方法原理分析方法原理第二节第二节 质谱仪质谱仪基本结构及主要类型基本结构及主要类型第三节第三节 质谱仪质谱仪重要实验技术重要实验技术第十章第十章 质谱分析技术（质谱分析技术（MSMS）3一、方法原理：将样品一、方法原理：将样品转化为运动的气态离子转化为运动的气态离子，通过对离子，通过对离子的的质荷比（质荷比（m/zm/z）分析分析来实现有机物和无机物的定性和定来实现有机物和无机物的定性和定量分析、复杂化合物的结构分析、各种同位素比的测定量分析、复杂化合物的结构分析、各种同位素比的测定通过通过分子离子分子离子、碎片离子碎片离子

4、、重排离子重排离子等信息，进行等信息，进行化合物化合物结构分析及分子量的确定结构分析及分子量的确定由分子离子峰可以确定化合物由分子离子峰可以确定化合物的分子量；由碎片离子峰可以得到化合物的结构；的分子量；由碎片离子峰可以得到化合物的结构；二、定性分析基础：二、定性分析基础：一定样品，在一定样品，在一定电离条件下一定电离条件下得到的质谱图是相同的；得到的质谱图是相同的；三、根据质量分析器，可将质谱仪分为：三、根据质量分析器，可将质谱仪分为：静态仪器静态仪器稳定的电磁场，按空间位置将稳定的电磁场，按空间位置将m/zm/z不同的离子不同的离子分开；分开；动态仪器动态仪器采用变化的电磁场，按时间不同来

5、区分采用变化的电磁场，按时间不同来区分m/zm/z不不同的离子；同的离子；质谱仪分析方法原理质谱仪分析方法原理4横坐标：横坐标：质荷比质荷比，纵坐标：，纵坐标：离子的强度离子的强度；离子的离子的绝对强度绝对强度：取决于样品量和仪器的灵敏度；：取决于样品量和仪器的灵敏度；离子的离子的相对强度相对强度：和样品的分子结构：和样品的分子结构化学键有关；化学键有关；51 1、利用、利用电磁学原理电磁学原理，使带电的样品离子按质荷比进行分离的装，使带电的样品离子按质荷比进行分离的装置：置：2 2、分析样品以直接进样或通过色谱仪进样方式进入质谱仪、分析样品以直接进样或通过色谱仪进样方式进入质谱仪样样品气化；

6、品气化；3 3、气化后的样品引入离子源进行电离，得到带有样品信息的离、气化后的样品引入离子源进行电离，得到带有样品信息的离子子（分子离子和碎片离子等）；（分子离子和碎片离子等）；4 4、电离后离子经过适当的加速后、电离后离子经过适当的加速后进入质量分析器，离子按质荷进入质量分析器，离子按质荷比比M/ZM/Z分离，并排列分开；分离，并排列分开；5 5、经、经电子倍增器检测电子倍增器检测，即可得到化合物的质谱图；，即可得到化合物的质谱图；质谱仪基本工作原理质谱仪基本工作原理6质谱仪与质谱分析原理质谱仪与质谱分析原理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

7、.单聚焦 2.双聚焦 3.飞行时间4.四极杆 质谱仪需要在高真空下工作：离子源（质谱仪需要在高真空下工作：离子源（10-3 10-5 Pa）质量分析器（质量分析器（10-6 Pa）(1)大量氧会烧坏离子源的灯丝；大量氧会烧坏离子源的灯丝；(2)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；(3)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。7原理与结构原理与结构仪器原理图仪器原理图真空系统真空系统81.1.质量测定范围质量测定范围：表示质谱仪所能够进行分析的样品的：表示质谱仪所能够进行分析的样品的相对相对原子量原子

8、量（或相对分子质量）范围；气体质谱（或相对分子质量）范围；气体质谱2 2100100；有机；有机质谱一般质谱一般可达几千可达几千；生物医学质谱可以研究相对分子质量；生物医学质谱可以研究相对分子质量可达可达几十万几十万；2.2.分辨本领分辨本领：标志质谱仪：标志质谱仪分开相邻质量数的能力分开相邻质量数的能力（任选一单（任选一单峰，测其峰高峰，测其峰高5%5%处的峰宽处的峰宽W W0.05 0.05 作为作为m m）两峰质量数越大，两峰质量数越大，要求仪器越高；质谱仪的要求仪器越高；质谱仪的分辨本领决定了仪器的价格分辨本领决定了仪器的价格：分：分辨率辨率500500左右一般有机分析要求（四极滤质器

9、、离子阱）；左右一般有机分析要求（四极滤质器、离子阱）；分辨率大于分辨率大于10 00010 000进行准确的同位素质量及有机分子质进行准确的同位素质量及有机分子质量的准确测定（双聚焦磁式质量分析器）；量的准确测定（双聚焦磁式质量分析器）；3.3.灵敏度灵敏度：绝对灵敏度：绝对灵敏度可以检测到的最小样品量；相对灵可以检测到的最小样品量；相对灵敏度敏度可以同时检测的大组分与小组分含量之比；可以同时检测的大组分与小组分含量之比；质谱仪主要性能指标质谱仪主要性能指标质谱仪主要性能指标质谱仪主要性能指标9质谱仪的类型质谱仪的类型1.无机质谱仪无机质谱仪 火花源双聚焦质谱仪（火花源双聚焦质谱仪（SSMS

10、），电感应耦合等离子体质），电感应耦合等离子体质谱仪（谱仪（ICP-MS）和二次离子质谱仪（）和二次离子质谱仪（SIMS）等。）等。2.同位素质谱仪同位素质谱仪 小型低分辨同位素质谱仪：轻元素小型低分辨同位素质谱仪：轻元素(H，C，S等等)大型高分辨的同位素质谱仪：重元素大型高分辨的同位素质谱仪：重元素(U，Pu，Pb等等)3.有机质谱仪有机质谱仪 用途最广的质谱仪用途最广的质谱仪 4.生物质谱仪生物质谱仪 电喷雾电离质谱仪（电喷雾电离质谱仪（ESI-MS），基质辅助激光解吸电），基质辅助激光解吸电离质谱仪（离质谱仪（MALDI-MS），快原子轰击质谱仪（），快原子轰击质谱仪（FAB-MS），

11、），离子喷雾电离质谱仪（离子喷雾电离质谱仪（ISI-MS），大气压电离质谱仪），大气压电离质谱仪（API-MS）等。）等。10有机质谱仪有机质谱仪1.按进样方式分类按进样方式分类 直接进样质谱直接进样质谱，气相色谱，气相色谱-质谱联用仪（质谱联用仪（GC-MS），液相色谱，液相色谱-质谱联用仪（质谱联用仪（LC-MS）。）。2.按离子化方式分类按离子化方式分类 电子轰击质谱（电子轰击质谱（EI-MS），化学电离质谱（），化学电离质谱（CI-MS），快原子轰击质谱仪（），快原子轰击质谱仪（FAB-MS），电喷雾电），电喷雾电离质谱仪（离质谱仪（ESI-MS）等。）等。3.按质量分析器分类按质量分

12、析器分类 单聚焦质谱仪，双聚焦质谱仪，四极杆质谱仪，单聚焦质谱仪，双聚焦质谱仪，四极杆质谱仪，飞行时间质谱仪，离子阱质谱仪，傅里叶变换质谱飞行时间质谱仪，离子阱质谱仪，傅里叶变换质谱仪等。仪等。11 一、进样装置：一、进样装置：间歇式进样系统间歇式进样系统-气体、液体、中等蒸气压的固体；气体、液体、中等蒸气压的固体；直接进样直接进样系统系统-较难气化的固体、热敏性固体及非挥发性液较难气化的固体、热敏性固体及非挥发性液 体；通过色谱仪进样体；通过色谱仪进样混合组分；混合组分；二、二、电离装置电离装置：离子化所需要的能量差异：离子化所需要的能量差异硬电离、软电离；硬电离、软电离；电子电离源电子电离

13、源EIEI；化学电离源化学电离源CI CI；快原子轰击源；快原子轰击源FABFAB；大气电大气电离源；离源；三、三、质量分析装置质量分析装置：静态分析器：静态分析器单聚焦单聚焦/双聚焦分析器；双聚焦分析器；动态动态分析器分析器四极杆分析器；飞行时间分析器；四极杆分析器；飞行时间分析器；四、检测器装置：离子流计数四、检测器装置：离子流计数高离子电流采用法拉第杯；低高离子电流采用法拉第杯；低离子电流采用电子倍增管；离子电流采用电子倍增管；隧道电子倍增器隧道电子倍增器-多通道检测多通道检测；五、真空系统：采用五、真空系统：采用RPRPDPDP（分子泵）联用系统（离子源分子泵）联用系统（离子源1010

14、-4 41010-5-5 PaPa；质量分析器质量分析器1010-6-6）；）；质谱仪器结构及关键部件质谱仪器结构及关键部件质谱仪器结构及关键部件质谱仪器结构及关键部件12进样装置进样装置1.气体扩散；2.插入式直接进样杆：适用于有一定挥发性的固体或高沸点液体试样；3.色谱作为进样装置。13GCMS-QP2010GCMS-QP2010用直接試料導入装置用直接試料導入装置141 1、电子轰击电离源（电子轰击电离源（EIEI）：）：气体和易挥发的固体试样；气体和易挥发的固体试样；2 2、化学电离源（化学电离源（CICI）：）：测定化合物的分子量，不利于结构解测定化合物的分子量，不利于结构解析；析；

15、3 3、激光解吸电离源、激光解吸电离源：属于软电离技术，用于分析生物大分子，属于软电离技术，用于分析生物大分子，如肽、蛋白质、核酸等。如肽、蛋白质、核酸等。4 4、快原子轰击电离源（快原子轰击电离源（FABFAB）：）：分析分析热不稳定、难挥发和强热不稳定、难挥发和强极性极性的化合物的化合物5 5、电喷雾电离源（电喷雾电离源（ESIESI）：）：“软电离软电离”质谱技术，能快速、质谱技术，能快速、准确地测定从小分子到生物大分子或不稳定有机分子的分准确地测定从小分子到生物大分子或不稳定有机分子的分子量；子量；6 6、大气压化学电离源（、大气压化学电离源（APCIAPCI）：）：分析中等极性以上的

16、化合物；分析中等极性以上的化合物；质谱分析技术基本电离方式质谱分析技术基本电离方式质谱分析技术基本电离方式质谱分析技术基本电离方式151 1、分子离子、分子离子：样品分子：样品分子被打掉一个电子被打掉一个电子，形成分子离子；，形成分子离子；2 2、碎片离子、碎片离子：分子离子：分子离子进一步发生化学键断裂进一步发生化学键断裂，形成碎片离子；，形成碎片离子；3 3、重排离子、重排离子：分子离子：分子离子发生结构重排发生结构重排，形成重排离子；，形成重排离子；4 4、加合离子：通过分子离子反应，生成加合离子；、加合离子：通过分子离子反应，生成加合离子；5 5、同位素离子、同位素离子电子轰击电离源（

17、电子轰击电离源（电子轰击电离源（电子轰击电离源（EIEIEIEI）-离子类型离子类型离子类型离子类型+:R1:R2:R3:R4:e+M+(MR2)+(MR3)+Mass Spectrum(MR1)+1617二、二、化学电离源化学电离源（ChemicalChemical Ionization Ionization，CICI）离子室内的反应气（甲烷等；离子室内的反应气（甲烷等；10100 Pa，试样的试样的103105倍），电子（倍），电子（100240 eV）轰击，产生离子，）轰击，产生离子，再与试样分再与试样分子子碰撞，产生准分子离子。碰撞，产生准分子离子。特点：特点：最强峰为准分子离子；最强

18、峰为准分子离子；谱图简单；谱图简单；不适用难挥发试样；不适用难挥发试样；得到的是非标准谱图。得到的是非标准谱图。+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(M+1)+;(M+17)+;(M+29)+;18快原子电离源快原子电离源（FABFAB）a.氩气氩气离子，加速、碰离子，加速、碰撞，电荷和能量转移撞，电荷和能量转移高高能原子束。能原子束。b.高能粒子打在置于涂有高能粒子打在置于涂有非挥发性底物靶上的试样非挥发性底物靶上的试样分子使其电离。分子使其电离。不加热汽化，特别适合于相对分子质量大，难挥发或热不加热汽化，特别适合于相对分子质量大，难挥发或热稳定性差的试样分析，例

19、如肽类、低聚糖、天然抗生素稳定性差的试样分析，例如肽类、低聚糖、天然抗生素 。有较强的准分子离子峰和较丰富的碎片离子信息。有较强的准分子离子峰和较丰富的碎片离子信息。19快原子电离源快原子电离源（FAB）质谱图质谱图20电喷雾喷嘴电喷雾喷嘴多层套管多层套管LCLC外层：喷射气外层：喷射气 特点：使喷出的液体分散成特点：使喷出的液体分散成微滴微滴微滴蒸发；产生微滴蒸发；产生多电多电荷离子荷离子准分子离子；准分子离子；很少碎片离子很少碎片离子MS/MSMS/MS联用；联用；适合多肽、蛋白质、氨基酸适合多肽、蛋白质、氨基酸分子量的测试；分子量的测试；大气压电离大气压电离大气压电离大气压电离电喷雾电离

20、电喷雾电离电喷雾电离电喷雾电离ESIESIESIESI法法法法21六、六、六、六、激光解吸电离源激光解吸电离源（LDLD）得到的主要是分子离子，准分子离子。碎片离子和多电得到的主要是分子离子，准分子离子。碎片离子和多电荷离子较少。常用的基质：荷离子较少。常用的基质：2,5二羟基苯甲酸、芥子酸、二羟基苯甲酸、芥子酸、烟酸、烟酸、-氰基氰基-4-羟基肉桂酸等。羟基肉桂酸等。分析试样置于涂有基质的试分析试样置于涂有基质的试样靶上；样靶上；基质分子吸收激光能，与试基质分子吸收激光能，与试样分子一起蒸发并使试样分子样分子一起蒸发并使试样分子电离。电离。属于软电离技术，用于分析属于软电离技术，用于分析生物

21、大分子，如肽、蛋白质、生物大分子，如肽、蛋白质、核酸等。核酸等。22一、一、单聚焦磁场分析器单聚焦磁场分析器方向聚焦方向聚焦：相同质荷比，入射方向不同的离子会聚；分辨率不高分辨率不高缺少能量聚缺少能量聚焦。焦。23二、双聚焦分析器二、双聚焦分析器方向聚焦：方向聚焦：相同质荷比，入射方向不同的离子会聚；能量聚焦：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。双聚焦。24 静电分析器静电分析器静电分析

22、器静电分析器（扇形电场）（扇形电场）（扇形电场）（扇形电场）能量分析器能量分析器能量分析器能量分析器离子源离子源 狭缝狭缝质量相同，能量不同质量相同，能量不同的离子束的离子束磁分析器磁分析器磁分析器磁分析器（扇形磁场）（扇形磁场）（扇形磁场）（扇形磁场）质量分析器质量分析器质量分析器质量分析器接收器接收器狭缝狭缝聚焦离子束聚焦离子束静电场能量色散作用静电场能量色散作用与磁场能量色散作用与磁场能量色散作用大小相等，方向相反大小相等，方向相反双聚焦质量分析器双聚焦质量分析器双聚焦质量分析器双聚焦质量分析器单聚焦质量分析器单聚焦质量分析器单聚焦质量分析器单聚焦质量分析器25双双聚聚焦焦分分析析器器2

23、6三、四极杆质量分析器三、四极杆质量分析器 特点：分辨率较高，分析速度极快（适合联用仪器）；特点：分辨率较高，分析速度极快（适合联用仪器）；缺点：准确度和精密度低于双聚焦型。缺点：准确度和精密度低于双聚焦型。1 1、由、由四根棒状电极组成四根棒状电极组成镀金陶镀金陶瓷或钼合金瓷或钼合金2 2、相对两根电极加高压；其中、相对两根电极加高压；其中Vdc Vdc 为直流电压；为直流电压；VrfVrf为射频电压为射频电压四极电场；四极电场；3 3、离子进入四极场、离子进入四极场产生振动产生振动只允许一定只允许一定M/zM/z的离子通过的离子通过（离子（离子振幅增大碰到四极杆被吸收；振幅增大碰到四极杆被

24、吸收；4 4、改变改变VrfVrf使其他使其他M/zM/z的离子顺的离子顺序通过四极场序通过四极场质量扫描；质量扫描；27四极杆质量分析器四极杆质量分析器28五、飞行时间质量分析器五、飞行时间质量分析器 离子以速度离子以速度v进入自由空间（漂移区），假定离子在进入自由空间（漂移区），假定离子在漂移区飞行的时间为漂移区飞行的时间为t，漂移区长度为漂移区长度为L，则则特点：质量范围宽，扫描速率快，不需电场和磁场。特点：质量范围宽，扫描速率快，不需电场和磁场。分辨率低：原因在于离子进入漂移管前的时间分散、空间分辨率低：原因在于离子进入漂移管前的时间分散、空间分散和能量分散。分散和能量分散。能量相同，

25、质量越大，能量相同，质量越大，达到接收器的时间越长。达到接收器的时间越长。t=L(m/2zV)1/2 29飞行时间质量分析器飞行时间质量分析器飞行时间质量分析器飞行时间质量分析器离子检测器离子检测器电离室气体气体栅极L L真空环境真空环境电子接收器离子漂移管离子漂移管灯丝1 1、离子在漂移管中的、离子在漂移管中的飞行时间与离子质量飞行时间与离子质量的平方根成正比的平方根成正比E E相同，相同，M M越大，越大，t t 越长越长；2 2、影响分辨率原因：、影响分辨率原因：时间时间分散；分散；空间空间分散；分散；能量能量分散；分散；3 3、改进技术：、改进技术：激光脉冲电离方式激光脉冲电离方式离子

26、延迟引出技术离子延迟引出技术离子反射技术；离子反射技术；30一、标准条件获得谱图一、标准条件获得谱图：通过电子轰击电离方式，获得质谱图：通过电子轰击电离方式，获得质谱图（快原子、电喷雾等没有标准谱图）；（快原子、电喷雾等没有标准谱图）；二、可能性分析二、可能性分析：通过计算机检索，对未知化合物进行定性：通过计算机检索，对未知化合物进行定性检检索结果可以给出几个可能的化合物，并以匹配度大小顺序列出索结果可以给出几个可能的化合物，并以匹配度大小顺序列出这些化合物的名称、分子式、分子量、结构式；这些化合物的名称、分子式、分子量、结构式；三、化合物的初步认定三、化合物的初步认定：匹配度大于：匹配度大于

27、900900（10001000），可以认定），可以认定（不能选择相对好）；几个匹配度都很好（不能选择相对好）；几个匹配度都很好结构接近，必须利结构接近，必须利用其他辅助鉴定方法；用其他辅助鉴定方法；四、最终认定四、最终认定：根据结果找标准样品进行校对；：根据结果找标准样品进行校对；质谱定性分析技术质谱定性分析技术质谱定性分析技术质谱定性分析技术31一、气相色谱一、气相色谱质谱联用质谱联用：混合物分析：混合物分析化学、化工、环境、食化学、化工、环境、食品品适用于可以汽化的样品；适用于可以汽化的样品；GCGC很好的分离装置，但不能对很好的分离装置，但不能对化合物定性；化合物定性；MSMS很好的定性

28、分析仪器，但要求纯样品；很好的定性分析仪器，但要求纯样品；二、液相色谱二、液相色谱质谱联用质谱联用：适用于极性强、分子量大的化合物；：适用于极性强、分子量大的化合物；关键技术关键技术接口：去除溶剂，并使样品电离接口：去除溶剂，并使样品电离每一类接口装置每一类接口装置只适用于某一类分析对象；只适用于某一类分析对象；三、质谱三、质谱质谱联用质谱联用：增加碎片离子的产率；：增加碎片离子的产率；MS/MSMS/MS联用联用四、毛细管电泳四、毛细管电泳质谱联用质谱联用：高效液相分离技术与质谱联用；生：高效液相分离技术与质谱联用；生命物质检测；医用分析领域；命物质检测；医用分析领域；质谱联用技术及优势分析

29、质谱联用技术及优势分析质谱联用技术及优势分析质谱联用技术及优势分析321 1、毛发中毒品的分析、毛发中毒品的分析：分段定量确定吸毒史：分段定量确定吸毒史短期停止吸毒者尿短期停止吸毒者尿液中检测不出来；液中检测不出来；2 2、新型高效安眠、镇静药分析、新型高效安眠、镇静药分析：麻醉抢劫：麻醉抢劫药效极强，溶点较高，药效极强，溶点较高，在在GCGC等仪器上响应很低；易漏检；等仪器上响应很低；易漏检；3 3、爆炸后的残留物分析、爆炸后的残留物分析：微量组分鉴定：微量组分鉴定分子量和化合物结构分子量和化合物结构化学电离源和负化学电离化学电离源和负化学电离；EI EI只有低质量的碎片峰；热稳定性只有低质

30、量的碎片峰；热稳定性差差在色谱中加热分解；在色谱中加热分解；4 4、毒品大麻、鸦片、海洛因、可卡因、吗啡的鉴定、毒品大麻、鸦片、海洛因、可卡因、吗啡的鉴定：重要支柱作重要支柱作用用毒品及添加剂的分析毒品及添加剂的分析大贩毒集团独特配方；代谢物研究大贩毒集团独特配方；代谢物研究注射方式摄入及直接服用海洛因，尿中代谢物不同注射方式摄入及直接服用海洛因，尿中代谢物不同服用证据；服用证据；GC-MSGC-MS在毒品在毒品在毒品在毒品/毒物毒物毒物毒物/毒气分析中的应用示例毒气分析中的应用示例毒气分析中的应用示例毒气分析中的应用示例331 1、生化、药物代谢、生化、药物代谢;2 2、临床、毒物学、临床、毒物学;3 3、农药测定、环境保护、农药测定、环境保护;4 4、石油化学、地球化学、石油化学、地球化学;5 5、食品化学、植物化学、食品化学、植物化学;6 6、宇宙化学和国防化学等领域、宇宙化学和国防化学等领域;生物医学质谱联用技术扩展领域生物医学质谱联用技术扩展领域34