質(zhì)量頻譜(質(zhì)譜)分析法

1、 質(zhì)量頻譜分析法質(zhì)量頻譜分析法 Mass SpectrometryMass Spectrometry，MSMS 第一節(jié)第一節(jié)概述概述 分子 質(zhì)譜法是一種按照離子的質(zhì)核比（m/z）大 小對(duì)離子進(jìn)行分離和測(cè)定的方法。 質(zhì)譜法的主要作用是： （1）準(zhǔn)確測(cè)定物質(zhì)的分子量 （2）根據(jù)碎片特征進(jìn)行化合物的結(jié)構(gòu)分析 分析時(shí)，首先將分子離子化，然后利 用離子在電場(chǎng)或磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，把離子 按質(zhì)核比大小排列成譜，此即為質(zhì)譜。 質(zhì)譜法分類：質(zhì)譜法分類： 按用途分 有機(jī)質(zhì)譜 無機(jī)質(zhì)譜 同位素質(zhì)譜 按原理分 單聚焦質(zhì)譜 雙聚焦質(zhì)譜 四極質(zhì)譜 飛行時(shí)間質(zhì)譜 回旋共振質(zhì)譜 按聯(lián)用 方式分 氣質(zhì)聯(lián)用 液質(zhì)聯(lián)用 質(zhì)質(zhì)聯(lián)用

2、第二節(jié)第二節(jié)質(zhì)譜分析的原理與儀器質(zhì)譜分析的原理與儀器 一、質(zhì)譜分析的過程與原理一、質(zhì)譜分析的過程與原理 1、進(jìn)樣 化合物通過汽化引入離子化室； 2、離子化 在離子化室，組分分子被一束加速電子碰 撞（能量約70eV），撞擊使分子電離形 成正離子； M M+ + e 或與電子結(jié)合，形成負(fù)離子 M + e M 3、離子也可因撞擊強(qiáng)烈而形成碎片離子： 4、荷電離子被加速電壓加速，產(chǎn)生一定的 速度v，與質(zhì)量、電荷及加速電壓有關(guān)： ) 1 ( 2 1 2 mvzH 5、加速離子進(jìn)入一個(gè)強(qiáng)度為H的磁場(chǎng)，發(fā) 生偏轉(zhuǎn)，半徑為： )2( zH mv r 將（1）（2）合并： ) 3( 2 22 V rH Z m

3、當(dāng) r 為儀器設(shè)置不變時(shí)，改變加速電壓或磁 場(chǎng)強(qiáng)度，則不同m/z的離子依次通過狹縫到 達(dá)檢測(cè)器，形成質(zhì)量譜，簡(jiǎn)稱質(zhì)譜。 q進(jìn)樣系統(tǒng)進(jìn)樣系統(tǒng)(inlet system) q離子源離子源(ion source) q質(zhì)量分析器（質(zhì)量分析器（mass analyzer） q檢測(cè)器（檢測(cè)器（detecter） q真空系統(tǒng)（真空系統(tǒng)（Vacuum system） 二、質(zhì)譜儀的組成二、質(zhì)譜儀的組成 1、樣品引入系統(tǒng) 氣體直接導(dǎo)入或用氣相色譜進(jìn)樣 液體加熱汽化或霧化進(jìn)樣 固體用直接進(jìn)樣探頭 Heated Gas HEN Nebulizer Water Vapor Water Vapor Dry Aerosol

4、 Nebulizer Gas Makeup Gas Sweep Gas In Sweep Gas Out Sample Flow In Heater 進(jìn)樣系統(tǒng)進(jìn)樣系統(tǒng) Laser Ablation of Plastics Applying Different Wavelenghts 1064 nm 308 nm 248 nm 對(duì)于蒸汽壓低的樣品進(jìn)行衍生化后進(jìn)樣 例如：葡萄糖變成三甲基硅醚的衍生物 O CH2OH OH OH HO HO O CH2OSiMe3 OSiMe3 OSiMe3 Me3SiO Me3SiO Me3SiCl 2、 離子源離子源(ion source) 主要作用是使分析物的

5、分子離子化主要作用是使分析物的分子離子化 電子電離源電子電離源(electron ionization EI) 化學(xué)電離源化學(xué)電離源(chemical ionization CI) 快原子轟擊快原子轟擊(fast atom bombardment FAB) 電噴霧源電噴霧源(electronspray ionization ESI) 大氣壓化學(xué)電離（大氣壓化學(xué)電離（atmospheric pressure chemical ionization APCI) 基質(zhì)輔助激光解吸電離（基質(zhì)輔助激光解吸電離（matrix assisted laser Desorption ionization MAL

6、DI) （1） 電子電離源電子電離源(electron ionization EI) 由陰極發(fā)射電 子束，通過離子化室 到達(dá)陽極，電子能量 70eV，有機(jī)化合物的 電離電位8-15eV。 可在平行電子 束的方向附加一弱磁 場(chǎng)，使電子沿螺旋軌 道前進(jìn)，增加碰撞機(jī) 會(huì)，提高靈敏度。 特點(diǎn)： v 碎片離子多，結(jié)構(gòu)信息豐富， 有標(biāo)準(zhǔn)化合物質(zhì)譜庫； v 不能汽化的樣品不能分析； v 有些樣品得不到分子離子； （2）化學(xué)電離源(chemical ionization CI) CH4 + e CH4 + + 2e CH4+ + CH4 CH5 + + CH3 結(jié)構(gòu)與EI同，但是在離子化室充CH4， 電子首先

7、將CH4離解，其電離過程如下： 生成的氣體離子再與樣品分子M反應(yīng)： CH5 + + M CH4 + MH+ 特點(diǎn)： v得到一系列準(zhǔn)分子離子（M+1）+， （M-1）+， （M+2）+等等； vCI源的的碎片離子峰少，圖譜簡(jiǎn)單，易于解釋； v不適于難揮發(fā)成分的分析。 （3）快原子轟擊）快原子轟擊(fast atom bombardment FAB) 高能量的Xe原 子轟擊涂在靶上的樣 品，濺射出離子流。 本法適合于高 極性、大分子量、低 蒸汽壓、熱穩(wěn)定性差 的樣品。 FAB一般用作 磁式質(zhì)譜的離子源。 （4）電噴霧源）電噴霧源(electronspray ionization ESI) 結(jié)構(gòu)：噴

8、嘴，霧化氣，干燥氣 原理：噴霧 蒸發(fā) 電壓 噴霧針帶電液滴 溶劑揮發(fā)樣品離子小孔板 噴霧針尖電壓小孔板電壓 電場(chǎng)方向 圖2-1 樣品在ESI接口中的離子化過程 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 1 適用于強(qiáng)極性，大分子量的樣品分析適用于強(qiáng)極性，大分子量的樣品分析 如肽，蛋白質(zhì)，糖等如肽，蛋白質(zhì)，糖等 2 產(chǎn)生的離子帶有多電荷產(chǎn)生的離子帶有多電荷 3 主要用于液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀主要用于液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀 3、質(zhì)量分析器、質(zhì)量分析器(mass analyzer) 1 單聚焦分析器（單聚焦分析器（single focusing mass analyzer） 2 雙聚焦分析器（雙聚焦分析器（double focusing

9、 mass analyzer） 3 四極桿分析器四極桿分析器 (quadrupole analyzer) 4 離子阱分析器離子阱分析器 (Ion trap) 5 飛行時(shí)間分析器飛行時(shí)間分析器(time of flight） 6 富立葉變換離子回旋共振富立葉變換離子回旋共振 （Fourier tranform ion cyclotron resonance） （1）單聚焦分析器（single focusing mass analyzer） 1）結(jié)構(gòu)： 扇形磁場(chǎng) （可以是 1800 900 600等） 原理：原理： 由（3）式可知：) 3( 2 22 V rH Z m 離子的m/Z大，偏轉(zhuǎn)半徑也大

10、，通過磁場(chǎng) 可以把不同離子分開； 當(dāng) r 為儀器設(shè)置不變時(shí)，改變加速電壓或 磁場(chǎng)強(qiáng)度，則不同m/z的離子依次通過狹縫到達(dá) 檢測(cè)器，形成質(zhì)譜。 （2）雙聚焦分析器）雙聚焦分析器 （Double focusing mass analyzer） 為什么要雙聚焦： 進(jìn)入離子源的離子初始能量不為零， 且能量各不相同，加速后的離子能量也不相 同，運(yùn)動(dòng)半徑差異，難以完全聚集。 解決辦法： 加一靜電場(chǎng)Ee，實(shí)現(xiàn)能量分散： e M e e R E R mv E 2 2 e M e E E R 2 對(duì)于動(dòng)能不同的離子，通過調(diào)節(jié)電 場(chǎng)能，達(dá)到聚焦的目的。 雙聚焦分析器的特點(diǎn)：分辨率高 （3）四極桿分析器）四極桿分析

11、器 (quadrupole analyzer) 直流電壓直流電壓Vdc 交流電壓交流電壓Vrf 頻率為射頻區(qū) 結(jié)構(gòu):四根棒狀電極，形成四極場(chǎng) 1，3棒： (Vdc +Vrf) 2，4棒：- (Vdc+ Vrf ) 原理：在一定的Vdc Vrf 下 ， 只有一定質(zhì)量 的離子可通過四極場(chǎng)，到達(dá)檢測(cè)器。 在一定的（Vdc/Vrf)下，改變Vrf 可實(shí) 現(xiàn)掃描。 特點(diǎn)：掃描速度快，靈敏度高 適用于GC-MS + + - 霧化氣 噴霧針 小孔板 氣簾氣 聚焦環(huán) 一級(jí)四極桿碰撞四極桿 二級(jí)四極桿 碰撞氣 小孔電壓 聚焦環(huán)電壓 一級(jí)四極桿電壓碰撞四極桿電壓二級(jí)四極桿電壓 圖2-2 MS/MS儀器結(jié)構(gòu)圖；各項(xiàng)

12、主要電參數(shù)及氣體參數(shù)含義 170 93 77 65 圖2-5 m/z =170的分子離子峰的子離子掃描圖 N H N H NH2 M1+H+ m/z 170m/z 93m/z 77m/z 65 （4）離子阱分析器）離子阱分析器 Ion Trap Analyzer 特點(diǎn)： q結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 q靈敏度高 q適于小型聯(lián)用儀器（GC-MS） （5）飛行時(shí)間分析器）飛行時(shí)間分析器 Time of Flight Analyzer 試樣入口 電子發(fā)射 柵極1-270V 柵極2 2.8kV 接 收 器 抽真空 特點(diǎn) 儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,不需要磁場(chǎng)、電場(chǎng)等； 掃描速度快，可在10-5 s內(nèi)觀察到整段圖 譜； 無聚焦狹縫，靈

13、敏度很高； 可用于大分子的分析（幾十萬原子量單 位），在生命科學(xué)中用途很廣； 4、 真空系統(tǒng)真空系統(tǒng) 離子源的真空度應(yīng)達(dá)到離子源的真空度應(yīng)達(dá)到10-3-10-5 Pa， 質(zhì)量分析器應(yīng)達(dá)到質(zhì)量分析器應(yīng)達(dá)到10-6 Pa。 真空裝置：真空裝置： 機(jī)械真空泵機(jī)械真空泵 擴(kuò)散泵擴(kuò)散泵 分子渦輪泵分子渦輪泵 5、 檢測(cè)器檢測(cè)器(detector) 電子倍增器電子倍增器 6、檢測(cè)器的性能指標(biāo) （1）質(zhì)量范圍 指所能檢測(cè)的M/Z范圍 四極質(zhì)譜 M/Z小于或等于1000 磁式質(zhì)譜 M/Z可達(dá)到幾千 飛行時(shí)間質(zhì)譜 M/Z可達(dá)到幾十萬 （2）掃描速度指掃描一定質(zhì)量范圍所需時(shí)間 例如GC-MS：M/Z 1-1000

14、所需時(shí)間1s （3）分辨率R 質(zhì)譜對(duì)相鄰兩質(zhì)量組分分開的能力 M M R 例如：CO+27.9949 N2+28.0061 2500 9949.270061.28 9949.27 M M R 四極質(zhì)譜恰好能將此分開. 但是:ArCl+ 74.9312 As+74.9216 7800 9216.749312.74 9216.74 M M R 需要用高分辨質(zhì)譜. (4) 靈敏度 指信噪比大于10時(shí)的樣品量。 第三節(jié)常見化合物的質(zhì)譜 一、烴類質(zhì)譜 1、烷烴 71 57 43 29 正構(gòu)烷烴的裂解規(guī)律： （1）質(zhì)譜特征是具有質(zhì)量相差14（CH2）單位的 CnH2n+1系列； （2）碎片離子C3以上強(qiáng)度

15、遞減，因?yàn)樗槠衫^續(xù)分 裂，但 C3可重排為CH3CHCH3而穩(wěn)定； （3）異構(gòu)烷烴（支鏈烷烴）分支處易斷裂： + 例如5-甲基十五烷C10H21CHC4H9 CH3 16985 2、烯烴 （1）具有烷烴的特征 （2）易發(fā)生烯丙斷裂，生成很強(qiáng)的烯丙離子 CH2 = CH CH2M / Z = 41 CH2 = CH R R CH2 CH2 CH2 CH = CH2 + 3、芳烴 易發(fā)生芐基斷裂，生成芐基離子 CH2+ C2H2 -26 C2H2 -26 M /Z 91 M /Z 91 M /Z 39 M /Z 65 39 65 91 92 M / Z CH3 二、雜原子的質(zhì)譜 (1) 醇和酚

16、醇類（1） 雜原子存在，形成M/Z 31的離子 和M1的離子； （2） 失水生成M18離子。 CH3CH2OH（M /Z 46） CH2 = OH M / Z 31 CH3CH2OH（M /Z 46） CH3CH = OH M / Z 45 C3H7 CH CH3 OH C3H7CH OH CHCH3 OH M/Z = 73M/Z = 45 M/Z = 88 M-H2O M-CH3 M-1 M 45 70 73 88 酚類： （1）失去 C = OM/Z28 （2）失去 H2OM/Z18 （3）具有苯的特征 （2）醛、酮、醚 辛酮4 CH3CH2CH3CCH2CH2CH2CH3 O M/Z12

17、8 43 71 57 85 M/Z12885715743 CHO+ OHOH C O+ OH + + -H -CO -CO -C2H2 122121 93 65 39 + 再例如對(duì)羥基苯甲醛 醚類乙基異丁基醚 CH3CH2CHOCH2CH3 CH3 斷裂 斷裂 （3） 鹵素化合物 RX + R+ + X RCH2X+R + CH2 = X+ 如果是長(zhǎng)鏈烴類，則可能有下列途徑 R-(CH 2 ) 4 -X + R . + + X （4）胺類 CH3（CH2）8CH2NH2+ CH3（CH2）8.CH2 = NH2+ M / Z = 30 醇、醚、酮等化合物均無此分裂。 三、分裂和重排 （1）麥?zhǔn)?/p>

18、重排（Mclafferty） 在辛酮-4的質(zhì)譜中，除43、57、71、85和128的 質(zhì)譜峰外，還有一個(gè)很高的峰，質(zhì)量58，以及另兩個(gè) 峰，質(zhì)量86和100。這是由于發(fā)生了重排： C3H7CC4H9 O C CH2 H2C C H2C OH H H H C CH2 H2C C H2C O H H H CH3 H H H2C C H2C C H2C OH CH3 H H H2C C + + + M/Z = 86M/Z = 100 C CH2 H2C C H2C OH H H H H2C C H2C OH CH3 H H H2C C + + M/Z = 86M/Z = 100 H2C C H3C

19、OH HC C H2C OH 3 + + M/Z = 58M/Z = 58 Y W X C Z H W Y Z C X H + + + 麥?zhǔn)现嘏诺囊?guī)律 （1） 雙鍵及r位置上有H原子； （2）雙鍵范圍有酮、醛、酸、酯、C=N、以及烯 烴、苯環(huán)化合物等。 Y W X C Z H W Y Z C X H + + + 麥?zhǔn)现嘏诺囊?guī)律 （1） 雙鍵及r位置上有H原子； （2）雙鍵范圍有酮、醛、酸、酯、C=N、以及烯 烴、苯環(huán)化合物等。 RH CH2 H H + R + （2）環(huán)狀分子的分裂 例如：環(huán)己烯可以生成丁二烯和乙烯 + 再例如：解釋下列化合物的質(zhì)譜 M/Z=108 的來源 O O M/Z=108 + 第四節(jié)有機(jī)化合物的質(zhì)譜分析 一、分子量的確定 規(guī)律： 1、分子離子峰一定是質(zhì)譜中質(zhì)量數(shù)最大的峰； 2、分子離子峰應(yīng)有合理的質(zhì)量丟失： 例如：在比分子離子峰小4-14及20-25質(zhì)量單位處不應(yīng)有 離子峰出現(xiàn)，因?yàn)橐粋€(gè)有機(jī)化合物不可能失去4-14個(gè)氫而不斷鏈 ，但如果斷鏈，失去最小碎片應(yīng)為CH3，質(zhì)量數(shù)為15，同理，不 可能失去20-25質(zhì)量單位。 3、質(zhì)量數(shù)符合氮規(guī)律，即有機(jī)化合物含奇數(shù)