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质谱分析法 (Mass Spectrometry, MS)

分子. ?. 质谱分析法 (Mass Spectrometry, MS). 质谱仪的发展史 1912 年 : 世界第一台质谱装置 40 年代 : 质谱仪用于同位素测定 50 年代: 分析石油组分 60 年代: 研究 GC-MS 联用技术 70 年代: 计算机引入 HPLC-MS , ICP (电感耦合等离子光谱) -MS HPLC-ICP-MS PY-GC-MS CE (毛细管电泳) -MS. 与 NMR 、 IR 、 UV-vis 相比, MS 的特点:. 质谱法是唯一可以确定分子式的方法 灵敏度高,检出量最低可达 10 -14 g

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质谱分析法 (Mass Spectrometry, MS)

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  1. 分子 ? 质谱分析法 (Mass Spectrometry, MS)

  2. 质谱仪的发展史 1912年: 世界第一台质谱装置 40年代: 质谱仪用于同位素测定 50年代: 分析石油组分 60年代: 研究GC-MS联用技术 70年代: 计算机引入 HPLC-MS, ICP(电感耦合等离子光谱)-MS HPLC-ICP-MS PY-GC-MS CE(毛细管电泳)-MS

  3. 与NMR、IR、UV-vis相比,MS的特点: • 质谱法是唯一可以确定分子式的方法 • 灵敏度高,检出量最低可达10-14g • 提供有机化合物结构的丰富信息

  4. 目录 质谱的基本知识 质谱仪器 质谱解析基础知识

  5. §1 质谱基本知识 正离子 样品 导入 按质荷比m/e 顺序谱图 质量分析器 峰强度  峰位置 定性结构 定量分析

  6. 质谱法是一种按照离子的质核比(m/z)大小对离子进行分离和测定的方法。 质谱法是一种按照离子的质核比(m/z)大小对离子进行分离和测定的方法。 质谱法的主要作用是: (1)准确测定物质的分子量 (2)根据碎片特征进行化合物的结构分析 分析时,首先将分子离子化,然后利用离子在电场或磁场中运动的性质,把离子按质核比大小排列成谱,此即为质谱。

  7. 单聚焦质谱 双聚焦质谱 四极质谱 飞行时间质谱 回旋共振质谱 有机质谱 无机质谱 同位素质谱 按用途分 按原理分 气质联用 液质联用 质质联用 按联用 方式分 质谱法分类:

  8. 优点: 灵敏度非常高,样品用量不断降低 质谱是唯一可以确定分子式的分析方法,大多可测出其分子量

  9. 质谱图 不同质荷比的离子经质量分析器分开,而后被检测,记录下的谱图为质谱图,简称质谱。 横坐标——质荷比 纵坐标——离子流的强度 相对丰度:把最强的定为100%,其它峰的强度以其百分数表示

  10. 有机质谱中的各种离子 分子离子,molecular ion 准分子离子,quasi-molecular ion 碎片离子,fragment ion 重排离子,rearrangement ion 母离子,parent ion与子离子daughter ion 亚稳离子,metastable ion 奇电子离子odd-electron ion与偶电子离子even-electron ion 多电荷离子Multiply-charged ion 同位素离子Isotopic ion

  11. 质谱分析的过程与原理

  12. 1、进样 化合物通过汽化引入离子化室; 2、离子化 在离子化室,组分分子被一束加速电子碰撞(能量约70eV),撞击使分子电离形成正离子; M —— M+ + e 或与电子结合,形成负离子 M + e —— M—

  13. 3、离子也可因撞击强烈而形成碎片离子: 4、荷电离子被加速电压加速,产生一定的速度v,与质量、电荷及加速电压有关:

  14. 5、加速离子进入一个强度为H的磁场,发生偏转,半径为:5、加速离子进入一个强度为H的磁场,发生偏转,半径为: 将(1)(2)合并: 当 r 为仪器设置不变时,改变加速电压或磁场强度,则不同m/z的离子依次通过狭缝到达检测器,形成质量谱,简称质谱。

  15. §2 质谱仪器 一、质谱仪的结构及工作原理

  16. (一)进样系统 作用:在不降低真空度的条件下,将样品分子引入到离子源中  间歇式进样系统  直接探针进样  色谱进样系统 间歇式进样系统

  17. 1、样品引入系统 气体——直接导入或用气相色谱进样 液体——加热汽化或雾化进样 固体——用直接进样探头

  18. CH2OH Me3SiCl CH2OSiMe3 O O OH OSiMe3 HO Me3SiO HO OH Me3SiO OSiMe3 • 对于蒸汽压低的样品进行衍生化后进样 例如:葡萄糖变成三甲基硅醚的衍生物

  19. (二)离子源(ion source) 主要作用是使分析物的分子离子化,使气态样品分子电离,转化为带有样品信息的离子。 电子电离源(electron ionization EI) 化学电离源(chemical ionization CI) 快原子轰击(fast atom bombardment FAB) 电喷雾源(electronspray ionization ESI) 大气压化学电离(atmospheric pressure chemical ionization APCI) 基质辅助激光解吸电离(matrix assisted laser Desorption ionization MALDI)

  20. 1 电子轰击源(Electron IonizationEI) 灯丝 电子束

  21. EI源:可变的离子化能量(10~70 eV) 电子能量 电子能量 碎片离子增加 分子离子增加 标准质谱图基本都是采用EI源(70eV)获得的 优点:工作稳定可靠,结构信息丰富,有标准质谱图可以检索。 缺点:只适用于易汽化的有机物样品分析,并且,对有些不稳定化合物得不到分子离子。

  22. 气体分子 试样分子 准分子离子 电子 2 化学电离源(Chemical IonizationCI) 样品分子的电离是经过离子和分子反应来完成的。 引进一种反应气体,可以是甲烷、异丁烷、氨等。反应气的量比样品气要大得多。 甲烷电离 甲烷离子与分子反应生成加合离子

  23. (M - 1)+ (M + 1)+ } 准分子离子:(M ±1)+ 加合离子与样品分子反应 (M + 17)+, (M + 29)+ 优点 :采用CI源, 易测得分子量 缺点: 由于CI得到的质谱不是标准质谱,所以不能进行检索。 适用范围 : 同EI源一样只适用于易汽化的有机物样品分析,主要 用于气-质联用质谱仪。

  24. COOC8H17 M=390 COOC8H17 准分子离子峰

  25. 3 快原子轰击源(Fast Atomic bombardment, FAB) 原理: • 惰性气体电离 Ar+ • 电荷交换生产高动能原子Ar0 • Ar+ (高动能)+Ar+(热运动)----- Ar0(高动能)+Ar+(热运动) • 高动能原子对样品轰击导致样品蒸发和离解 特点: • 电离过程不必加热气化,适合于分析大分子量、难气化、热稳定性差的样品。例如肽类、低聚糖、天然抗生素、有机金属络合物等。 • 得到比较强的(M+H)+或(M+Na)+等准分子离子峰; • 碎片峰比EI谱要少。

  26. 4 电喷雾电离源(Electron spray IonizationESI) 适合于分析极性强的大分子有机化合物,如蛋白质、肽、糖等 ,主要应用于液相色谱-质谱联用仪 。 多电荷离子 测定的样品分子量大,可测量分子量在30万以上的蛋白质。

  27. 5 大气压化学电离源(Atmospheric pressure chemical Ionization, APCI) 主要用来分析中等极性的化合物。有些分析物由于结构和极性方面的原因,用ESI不能产生足够强的离子,可以采用APCI方式增加离子产率,可以认为APCI是ESI的补充。APCI主要产生的是单电荷离子,所以分析的化合物分子量一般小于1000Da。用这种电离源得到的质谱很少有碎片离子,主要是准分子离子。

  28. 6、基质辅助激光解吸离子源(MALDI) • 基质:对激光具有吸收能力并能提供质子的物质 • 基质+样品——送入离子室——激光照射——基质吸收激光能量——传递给样品——样品解吸和电离 • 特点:准分子离子峰很强,碎片少 • 适合测定:多肽、蛋白质、DNA片段

  29. 磁场 电场 + - S1 S2 收集器 离子源 (三)质量分析器:将离子室产生的离子按质荷比的大小分开 1 磁质量分析器,Magnetic analyser,MA 优点:分辨率高 缺点:体积庞大,结构复杂,价格贵,使用维护较困难。 单聚焦,Single-focusing 双聚焦, double focusing

  30. MA的工作原理 在离子源中形成的离子被加速电压加速,获得动能 加速后的离子进入磁场,离子受磁场作用做圆周运动 rm为常数,固定V,扫描B,即可把不同m/z的离子分开

  31. 对于动能不同的离子,通过调节电场能,达到聚焦的目的。 对于动能不同的离子,通过调节电场能,达到聚焦的目的。 双聚焦分析器的特点:分辨率高 为什么要双聚焦: 进入离子源的离子初始能量不为零,且能量各不相同,加速后的离子能量也不相同,运动半径差异,难以完全聚集。 解决办法: 加一静电场Ee,实现能量聚焦:

  32. 2四级杆分析器,quadrupole mass analyzer

  33. 结构: 四根棒状电极,形成四极场 1,3棒: (Vdc +Vrf) 2,4棒:- (Vdc+ Vrf ) 原理: 在一定的Vdc Vrf 下 , 只有一定质量 的离子可通过四极场,到达检测器。 在一定的(Vdc/Vrf)下,改变Vrf 可实 现扫描。 特点: 扫描速度快,灵敏度高 结构简单,体积小,价格便宜,使用维护 容易,扫描速度快,适合GC-MS联用。 缺点:分辨率较低,检测的分子量范围在1000以内

  34. 3 飞行时间质量分析器 特点: 质量范围宽,扫描速度快,既不需电场也不需磁场

  35. (四)检测器 当离子撞击到检测器时引起倍增器电极表面喷射出一些电子,被喷射出的电子由于电位差被加速射向第二个倍增器电极,喷射出更多的电子,由此连续作用,每个电子碰撞下一个电极时能喷射出2-3个电子,通常电子倍增器有14级倍增器电极,可大大提高检测灵敏度。 电子倍增器示意图

  36. (五)真空系统 作用:1)避免大量氧烧坏离子源的灯丝;2) 消减离子的不必要碰撞,避免离子损失;3) 避免离子-分子反应改变裂解模式,使质谱复杂化;4) 减小本底。 } 离子源 质量分析器 真空度要求: <10-4 Pa { 机械泵 扩散泵 真空泵 涡轮分子泵

  37. 二 质谱仪的主要性能指标 1 质量范围 质谱仪所能测定的离子质荷比范围 四极杆分析器的质量范围上限一般在1000左右 飞行时间质量分析器可达几十万  单电荷离子:质量(m/z)范围即分子量范围  多电荷离子:分子量测定范围比质量(m/z)范围大

  38. 例如:CO+ 27.9949 N2+ 28.0061 四极质谱恰好能将此分开. 2 分辨率 仪器对相邻两质谱峰的区分能力 分离质量数 愈大的离子所需的分辨率愈高。

  39. 但是: ArCl+ 74.9312 As+ 74.9216 需要用高分辨质谱. 低分辨质谱给出的m/z一般为整数,而高分辨质谱可精确至小数点后四位,可以用来确定分子式 (4) 灵敏度 指信噪比大于10时的样品量。

  40. 3 质量稳定性

  41. 三 质谱图的表示方法 横坐标是m/z,纵坐标是相对丰度 相对丰度:原始质谱图上最强的离子峰为基峰,100%。其之离子峰以此基峰的相对百分值表示。

  42. §3 质谱解析基础知识 一 几种主要的离子( EI源 ) 1 分子离子 分子离子  分子离子的质量与化合物的分子量相等 分子离子峰强弱的大致顺序是:芳环>共轭烯>烯>酮>不分支烃>醚>酯>胺>酸>醇>高分支烃。

  43. 2 同位素离子 由重同位素组成的分子形成的离子 分子离子会有不同丰度的同位素原子,所形成一个峰簇,同位素离子峰和分子离子峰的强度比是推导分子式的重要方法之一 12C+1H×4=16 M 例如:CH4 13C+1H×4=17 M+1 12C+2H+1H×3=17 M+1 13C+2H+1H×3=18 M+2 同位素离子:

  44. 常见的稳定同位素相对丰度

  45. 化合物分子式:CwHxNyOz 同位素离子峰与分子离子峰相对强度 的计算公式: 贝农(Beynon)表:按同位素离子峰强度比排例的贝农表,供推例分子式时采用

  46. CH4:  根据质谱图上同位素离子峰与分子离子峰的相对强度,可以推测化合物的分子式[贝农(Beynon)表]。

  47. 对于含氯和溴的因素有机化合物,采用二次展开式(a+b)n的系数可以计算分子离子峰和同位素离子峰的强度比,这里a是轻度同位素的丰度,b是重度同位素的丰度,n是分子中同种因原子的个数。对于含氯和溴的因素有机化合物,采用二次展开式(a+b)n的系数可以计算分子离子峰和同位素离子峰的强度比,这里a是轻度同位素的丰度,b是重度同位素的丰度,n是分子中同种因原子的个数。 例如:计算CH2Cl2 [M]:[M+2]:[M+4]峰的比例。 因为35Cl:37Cl=75.53%:24.47%≈3:1 ∴a=3 b=1 n=2 (a+b)2=a2+2ab+b2 =32+2×3×1+12 =9+6+1 ∴[M]:[M+2]:[M+4]=9:6:1

  48. 3 碎片离子 1)α断裂 正电荷的基团与相连的α碳原子之间的共价键断裂  含不饱和杂原子 奇电子离子 偶电子离子 m/z=29

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