儀器分析課件 第七章：MS

第七章質(zhì)譜分析法MassSpectroscopyMS§7-1質(zhì)譜分析概述一質(zhì)譜分析的基本原理：是使所研究的混合物或單體形成離子，然后使形成的離子按質(zhì)量，確切地講按質(zhì)荷比m/z，進行分離。二質(zhì)譜法的應(yīng)用對象：同位素、無機物、有機物、生物大分子及聚合物用途：確定分子量和分子式（最常用）、有機物的結(jié)構(gòu)鑒定分類：質(zhì)譜儀器法按其分析對象可分為：無機質(zhì)譜儀(又稱原子質(zhì)譜)有機質(zhì)譜儀(又稱分子質(zhì)譜)質(zhì)譜儀器按其用途可分為：同位素質(zhì)譜儀(測定同位素豐度)、無機質(zhì)譜儀(測定無機化合物)、有機質(zhì)譜儀(測定有機化合物)等。本章主要討論有機質(zhì)譜儀及其分析方法。1.樣品用量少：10-9~10-14g，靈敏度最高，可達10-15mol.2.分析速度快3.四大譜中唯一可以確定分子量和分子式的方法且精確度可達小數(shù)點后3~6位.4.可提供結(jié)構(gòu)信息5.可定性和定量分析6.便于聯(lián)機使用

如GC-MS,LC-MS,MS-MS,TG-GC-MS等7.可分析固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)樣品

三質(zhì)譜法的特點

撞擊

得到高能粒子束

氣態(tài)分子

陽離子

順序譜圖

質(zhì)量分析器定性結(jié)構(gòu)

定量分析質(zhì)譜過程導(dǎo)入按質(zhì)荷比m/e峰強度

峰位置離子在質(zhì)量分析器中的運動：

離子在磁場中作弧形運動，其半徑為：

三大系統(tǒng)：真空系統(tǒng)、電學(xué)系統(tǒng)、分析系統(tǒng)進樣系統(tǒng)、離子源／電離室、質(zhì)量分離器、離子檢測器和記錄系統(tǒng)。動態(tài)：質(zhì)量分析器采用變化的電磁場，利用空間位置將m/e分開。靜態(tài)：質(zhì)量分析器采用穩(wěn)定的電磁場，按照時間和空間區(qū)分m/e。§7-2質(zhì)譜儀質(zhì)譜儀正常工作的必要條件.

質(zhì)譜儀的離子源、質(zhì)量分析器及檢測器必須處于高真空狀態(tài)(離子源的真空度應(yīng)達10-3～10-5Pa，質(zhì)量分析器應(yīng)達10-6Pa)，若真空度低，則(1)大量氧會燒壞離子源的燈絲；(2)會使背景增高，干擾質(zhì)譜圖；真空系統(tǒng)(3)引起額外的離子-分子反應(yīng)，改變裂解模型，使質(zhì)譜解釋復(fù)雜化；(4)干擾離子源中電子束的正常調(diào)節(jié)；(5)用作加速離子的幾千伏高壓會引起放電，等等。

通常用機械泵預(yù)抽真空，然后用擴散泵高效率并連續(xù)地抽氣。電學(xué)系統(tǒng)精度：1×10-61.質(zhì)量測定范圍：能夠分析樣品的相對原子（分子）質(zhì)量范圍。2.分辨本領(lǐng)（分辨率）：分開相鄰質(zhì)量數(shù)離子的能力兩個相等強度的相鄰峰，峰谷不大于其峰高10%時，兩峰已經(jīng)分開。R=m1/(m2-m1)=m1/⊿m（m1<m2)一、質(zhì)譜儀主要性能指標(biāo)

(1)、離子通道半徑

(2)、加速器和收集器的狹縫寬度

(3)、離子源一般認為：R<104為低分辨率,R>104為高分辨率分析本領(lǐng)由下面這些因素決定3.靈敏度絕對靈敏度：可檢測的最小樣品量相對靈敏度：可同時檢測的大小組分之比分析靈敏度：輸入樣品與儀器輸出信號之比

樣品進入電離室后，被熱燈絲產(chǎn)生的電子流轟擊，氣態(tài)樣品中的原子或離子被電離成正、負離子。離子被狹縫A、B加速進入磁場，而根據(jù)離子質(zhì)荷比的差異，產(chǎn)生不同的偏轉(zhuǎn)角，從而達到分離。改變A、B電壓和外磁場，獲得MS譜圖。二、工作進程1.進樣系統(tǒng)，作用：將試樣引入離子源，進樣方式主要有以下幾種：

（1）間歇式進樣：

適用于氣體或揮發(fā)性液體（2）直接插入探針法適用于低揮發(fā)度樣品，對易分解樣品，通常使用衍生法轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定化合物后分析。（3）色譜進樣和毛細管電泳進樣三、部件離子源的作用是將試樣分子或原子轉(zhuǎn)化為正離子，并使正離子加速、聚焦為離子束，此離子束通過狹縫而進入質(zhì)量分析器,其性能影響質(zhì)譜儀的靈敏度和分辨率。（1）電子轟擊源（ElectronIonization,EI）：電加熱La或W，2000℃其能量為10-70ev。高速電子與分子發(fā)生碰撞，若電子能量大于試樣品分子的電離電位，將引致：M+e-(高速)→M＋.

+2e（低速）能量>70ev時，還發(fā)生進一步鍵的斷裂，形成各種低質(zhì)量碎片的正離子與中性自由基。用以有機化合物的結(jié)構(gòu)鑒定。

2.離子源或電離室硬電離源：常得到不易辨認的分子離子峰,質(zhì)譜中最常用的電離源

圖7-1.電子轟擊源示意圖電子由直熱式陰極(多用La絲制成)發(fā)射，在電離室a(正極)和陰極(負極)之間施加直流電壓(70V)，使電子得到加速而進入電離室中。當(dāng)這些電子轟擊電離室中的氣體(或蒸氣)中的原子或分子時，該原子或分子就失去電子成為正離子(分子離子)：分子離子繼續(xù)受到電子的轟擊，使一些化學(xué)鍵斷裂，或引起重排以瞬間速度裂解成多種碎片離了(正離子)。在電離室(正極)和加速電極(負極)之間施加一個加速電壓(800～8000V)，使電離室中的正離子得到加速而進入質(zhì)量分析器。

分子中各種化學(xué)鍵的鍵能最大為幾十eV，電子轟擊的能量遠遠超過普通化學(xué)鍵的鍵能，過剩的能量將引起分子多個鍵的斷裂，生成許多碎片離子，由此提供分子結(jié)構(gòu)的一些重要的官能團信息。但對有機物中相對分子質(zhì)量較大、或極性大，難氣化，熱穩(wěn)定性差的化合物。在加熱和電子轟擊下，分子易破碎，難于給出完整的分子離子信息，這是EI源的局限性。在離子源內(nèi)充滿一定壓強的反應(yīng)氣體，如甲烷、異丁烷、氨氣等等，用高能量的電子(100eV)轟擊反應(yīng)氣體使之電離、電離后的反應(yīng)分子再與試樣分子碰撞發(fā)生分子離子反應(yīng)形成準分子離子QM＋和少數(shù)碎片離子。以CH4作反應(yīng)氣體為例，以高能量電子轟擊時，反應(yīng)氣體發(fā)生下述反應(yīng)：

(2)化學(xué)電離源（ChemicalIonization,CI）

試樣電離是由離子—分子反應(yīng)產(chǎn)生的:以CH4為反應(yīng)氣，XH為試樣5—500eV能量CH4+e-→CH4++CH3++CH2++C++H2++H+

CH4++CH3+90%CH4++CH4→CH5++·CH3CH3++CH4→C2H5++H2C2H5++XH→XH2++CH4C2H5++XH→XH2++C2H4C2H5++XH→X++C2H6生成的正離子再分解XH2+→X++H2XH2+→A++CX+→B++D樣品可以是有機物、無機物，反應(yīng)氣除CH4外，可用H2、NH3、C3H8。即使是不穩(wěn)定的有機化合物，也可以得到很強的分子離子峰，譜圖簡化，屬于軟電離源。在CI譜圖中準分子離子往往是最強峰，便于從QM＋推斷相對分子質(zhì)量、碎片峰較少，譜圖較簡單，易于解釋。使用CI源時需將試樣氣化后進入離子源，因此不適用于難揮發(fā)、熱不穩(wěn)定或極性較大的有機物分析。

無揮發(fā)性的無機樣品如金屬、半導(dǎo)體、礦物的離子化，利用30KV脈沖高頻電壓，進行火花放電。特點：電離效率高。能量分散大（使用雙聚焦分析器）。不必進行定量校正，進行定性和半定量分析。（3）高頻火花電離源

圖7-場致電離源示意圖(4)場致電離源(FI)圖7-2場致電離源示意圖場致離子化是利用強電場誘發(fā)樣品分子電離。在相距很近的陽極和陰極之間，施加7000～10000V的穩(wěn)定直流電壓，在陽極的尖端附近產(chǎn)生107～108V·cm-1的強電場，依靠這個電場把尖端附近納米處的分子中的電子拉出來，使之形成正離子，然后通過一系列靜電透鏡聚集成束，并加速到質(zhì)量分析器中去。在場致電離的質(zhì)譜圖上，分子離子峰很清楚，碎片峰則較弱，這對相對分子質(zhì)量測定是很有利的，但缺乏分子結(jié)構(gòu)信息。為了彌補這個缺點，可以使用復(fù)合離子源，例如電子轟擊-場致電離復(fù)合源，電子轟擊-化學(xué)電離復(fù)合源等。圖7-3.3，3-二甲基戊烷的質(zhì)譜圖。將液體或固體試樣溶解在適當(dāng)?shù)娜軇┲?，并滴加在特制的FD發(fā)射絲上，發(fā)射絲由直徑約10μm的鎢絲及在絲上用真空活化的方法制成的微針形碳刷組成。發(fā)射絲通電加熱使其上的試樣分子解吸下來并在發(fā)射絲附近的高壓靜電場(電場梯度為107～108V·cm-1)的作用下被電離形成分子離子，其電離原理與場致電離相同。(5)場解析電離源(FD)解吸所需能量遠低于氣化所需能量，故有機化合物不會發(fā)生熱分解，因為試樣不需氣化而可直接得到分子離子。因此即使是熱穩(wěn)定性差的試樣仍可得到很好的分子離子峰，在FD源中分子中的C-C鍵一般不斷裂，因而很少生成碎片離子。

它是利用一束中性原子轟擊試樣導(dǎo)致有機物分子電離而獲得質(zhì)譜的一種軟電離技術(shù)。這種電離方法使用的“快原子”，通常是將惰性氣體元素氬先電離成Ar＋離子，再經(jīng)電場加速，使之具有很高的動能。然后通過一電荷交換室使氬的高能離子被中和成高能的中性原子流。中性原子流在離子源內(nèi)轟擊試樣分子，此時與試樣分子發(fā)生能量交換并使試樣分子電離和濺射出來生成離子流。(6)快原子轟擊離子源(FAB)（1）硬電離源和軟電離源（電離程度）（2）氣相離子源和解吸離子源氣相離子源：先將樣品氣化再離子化，一般用于bp<500度，M<103,且對熱穩(wěn)定的化合物。如EI、CI、FI等。解吸離子源：將液體或固體試樣直接變成氣態(tài)離子，一般用于測定非揮發(fā)、熱不穩(wěn)定、相對分子質(zhì)量大（105）的化合物。如FD、FAB、MALDI、SIMS等。電離源的分類

當(dāng)此具有一定動能的正離子進入垂直于離子速度方向的均勻磁場(質(zhì)量分析器)時，正離子在磁場力(洛侖茲力)的作用下，將改變運動方向(磁場不能改變離子的運動速度)作圓周運動。上式稱為磁分析器質(zhì)譜方程式，是設(shè)計質(zhì)譜儀器的主要依據(jù)。因此只有在一定的U及H的條件下，某些具有一定質(zhì)荷比m／z的正離子才能以運動半徑為R的軌道到達檢測器。3.質(zhì)量分離器兩種方式掃描：①固定加速電壓，改變磁場強度H。磁掃②固定磁場強度，改變加速電壓V，電掃。電掃描分辨率低，只適用于離子能量分散較小的離子源，電子轟擊，化學(xué)電離。連續(xù)改變H(磁場掃描)，就可使具有不同m／z的離子順序到達檢測器發(fā)生信號而得到質(zhì)譜圖。圖7-4單聚焦質(zhì)譜儀示意圖

方向(角度）聚焦和能量（速度）聚焦，可以與高頻火花源這種能量分散大的離子源結(jié)合使用，進行固體微量分析，廣泛應(yīng)用于有機質(zhì)譜中。分辨率高，可達幾千至百萬，價格昂貴，維護困難。（2）

雙聚焦分離器圖7-雙聚焦分離器示意圖圖7-雙聚焦分離器示意圖圖7-5雙聚焦分離器示意圖（1）法拉第筒改變?nèi)肟讵M縫的寬度，可以改變儀器的分辨本領(lǐng)。適用于低加速電壓，加速電壓>1KV時，將產(chǎn)生二次電子甚至二次離子，使峰形畸變。雙接收器，可以檢測M1、M2兩束離子流，可以同時檢測兩種成分，以減少系統(tǒng)不穩(wěn)造成的誤差。4.離子檢測器曝光量則由時間或電量控制。利用譜線的位置與黑度，對元素進行定性和定量分析。主要用于火花源雙聚焦質(zhì)譜儀中，不需要記錄離子流強度和電子設(shè)備，靈敏度高，但精度低，要先抽真空。（2）照相板工作原理與光電倍增管相似。多用于氣相與有機質(zhì)譜中。

優(yōu)點：靈敏度高，測定速度快但：增益會逐漸下降。（3）電子倍增器一、表示：質(zhì)譜圖和質(zhì)譜表兩種方法質(zhì)樸圖：橫坐標(biāo)是m/e，縱坐標(biāo)是相對豐度相對豐度：原始質(zhì)譜圖上最強的離子峰為基峰，100%。其之離子峰以此基峰的相對百分值表示。質(zhì)譜表：以表格的形式給出各峰的m/e和相對豐度。§7-3質(zhì)譜圖與質(zhì)譜表質(zhì)譜圖分子離子峰、同位素、碎片、重排、亞穩(wěn)和多電子離子峰等。1.分子離子峰：分子受電子撞擊后，失去一個電子而生成帶正電荷的離子分子離子或母離子M+e-→M＋+2e故：分子離子峰m/e數(shù)值，相當(dāng)于該化合物的相對分子質(zhì)量。①

位于質(zhì)譜圖的右端，因為m/e一般最大。②

相對強度取決于分子離子相對于裂解產(chǎn)物的穩(wěn)定性。芳香環(huán)>共軛多烯>烯>環(huán)狀化合物>羰基化合物>醚>酯>胺>酸>醇>高度分支的烴類二離子峰表示

圖7-6谷氨酸的質(zhì)譜圖（a）電子轟擊源,(b)場致電離源，(c)場解吸源在高能量電子源轟擊情況下，分子離子處于激發(fā)狀態(tài)，原子間的一些鍵進一步斷裂，產(chǎn)生質(zhì)量數(shù)較低的碎片，獲取分子結(jié)構(gòu)的相關(guān)信息。

3.碎片離子峰4.亞穩(wěn)離子峰離子離開電離室到達收集器之前的過程中，發(fā)生分解而形成低質(zhì)量的離子所產(chǎn)生的峰。（母離子與子離子）亞穩(wěn)離子峰鈍而小，一般要跨2～5個質(zhì)量單位，其質(zhì)荷比通常不是整數(shù)，故可利用這些特征加以區(qū)別。兩個或兩個以上鍵的斷裂中，某些原子或基團從一個位置轉(zhuǎn)移到另一個位置生成的離子。轉(zhuǎn)移基團多為氫原子。①

分子中有一個雙鍵②

在γ碳位置上有H原子③

酮，醛，酸，酯羰基化合物，烯烴類和含苯環(huán)等化合物。5.重排離子峰原子或原子團重排產(chǎn)生碎片離子峰的過程：γ—H通過六元環(huán)轉(zhuǎn)移到電離的雙鍵或雜原子上，同時發(fā)生鍵的斷裂，失去1個中性分子和產(chǎn)生重排離子：非常穩(wěn)定的分子，可能失去兩個或兩個以上的電子，出現(xiàn)多電荷峰，M/z可能是整數(shù)，也可能量分數(shù)說明化合物十分穩(wěn)定如芳香類化合物6.多電荷離子峰以甲基異丁基甲酮為例說明形成上述各種離子的過程，甲基異丁基甲酮的質(zhì)譜圖如下。

圖7-7.甲基異丁基甲酮的質(zhì)譜圖（1）分子離子(2)碎片離子(3)麥氏重排一、斷裂方式：均裂：一個鍵兩電子裂開，各碎片異裂：鍵兩電子都歸屬于其中某一個碎片半異裂：離子化鍵開裂§7-4斷裂方式及有機化合物的斷裂圖象（一）脂肪類化合物1．飽和烴類：對直鏈烷烴分子離子，先通過半異裂失去一個烷基游離基，形成正離子，后連續(xù)失去28個質(zhì)量單位。（CH2=CH2）二、重要有機化合物的斷裂規(guī)律和斷裂圖象在質(zhì)譜圖上①獲得CnH2n+1(m/e,29,43,57…)②比碎片離子峰低兩個質(zhì)量單位處出現(xiàn)一些鏈烯小峰，得CnH2n-1(失去一分子H2，m/e，27，41，55…)③分子離子峰的強度隨分子量增加而減小。④支鏈的斷裂，易出現(xiàn)在被取代的碳原子上，穩(wěn)定性為：丟失烴基最大原則。2.羧酸、酯、酰胺：容易發(fā)生α開裂，產(chǎn)生酰基陽離子或另一種離子。對酯和仲、叔酰胺，主要是α2斷裂。有γ—H存在，發(fā)生麥氏重排，失去一個碎片，產(chǎn)生一個奇電子的正離子：對酸與酯，得到奇電子離子的m/e，符合60+14n，而酰胺符合59+14n，n:C數(shù)。

m/z=60m/z=59醛、酮2.芳香族化合物也可發(fā)生

斷裂，生成M/Z=77的苯基陽離子3.苯環(huán)的碎片離子會依次失去乙炔分子4.帶側(cè)鏈的芳香族化合物存在

-H時會發(fā)生麥氏重排生成重排離子一、相對分子質(zhì)量測定

1.分子離子峰的質(zhì)荷比必須符合氮律。

2.若出現(xiàn)，應(yīng)該位于圖的右端,不一定是質(zhì)荷比最高的峰。

3.當(dāng)分子中含Cl、Br、S時，可根據(jù)的比列來確認分子離子峰4.對于非揮發(fā)或者熱不穩(wěn)定的化合物，采用軟電離源可提高分子離子峰的強度?！?-5質(zhì)譜法的應(yīng)用1個Br:1個S:1個Cl:

圖7-8乙基氯的質(zhì)譜圖

對于多個Cl、Br原子的化合物，有非常強的M+2，M+4，M+6同位素離子峰，使用（a+b）n.a:輕質(zhì)同位素豐度，b：重質(zhì)同位素豐度，n:同種鹵原子的個數(shù)。

若含3個Cl則n=3,（a+b）3=a3+3a2b+3ab2+b3

a=3,b=1=33+3×32×1

+3×3

×12+1=27+27+9+1

M:M+2:M+4:M+6,27:27:9:1二、分子式的測定

（一）用高分辨質(zhì)譜儀確定分子式

高分辨質(zhì)譜儀可精確地測定分子離子或碎片離子的質(zhì)荷比(誤差可小于l0-5)，故可利用元素的精確質(zhì)量及豐度比求算其元素組成。例如CO，C2H4，N