清華儀器分析-質譜

1、第九章質譜分析法Mass Spectrometry，MS第一節(jié)概述,1、質譜儀的發(fā)展史1912年:世界第一臺質譜裝置40年代: 質譜儀用于同位素測定50年代：分析石油60年代：研究GC-MS聯(lián)用技術70年代：計算機引入80年代：研究LC-MS聯(lián)用技術90年代：研究蛋白質分析技術,LC-MS,2、質譜的作用質譜法是一種按照離子的質核比（m/z）大小對離子進行分離和測定的方法。,質

2、譜法的主要作用是：（1）準確測定物質的分子量（2）根據碎片特征進行化合物的結構分析分析時，首先將分子離子化，然后利用離子在電場或磁場中運動的性質，把離子按質核比大小排列成譜，此即為質譜。,3、質譜法分類：,第二節(jié)質譜分析的原理與儀器一、質譜分析的過程與原理,1、進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

3、結合，形成負離子M + e —— M—,,5、加速離子進入一個強度為H的磁場，發(fā)生偏轉，半徑為：,進樣系統(tǒng)(inlet system) 離子源(ion source)質量分析器（mass analyzer）檢測器（detecter） 真空系統(tǒng)（Vacuum system）,二、質譜儀的組成,1、樣品引入系統(tǒng)氣體——直接導入或用氣相色譜進樣液體——加熱汽化或霧化進樣固體——用直接進樣探頭,進樣系統(tǒng),

4、Laser Ablation of Plastics Applying Different Wavelenghts,1064 nm,308 nm,248 nm,對于蒸汽壓低的樣品進行衍生化后進樣例如：葡萄糖變成三甲基硅醚的衍生物,2、 離子源(ion source)主要作用是使分析物的分子離子化,電子電離源(electron ionization EI)化學電離源(chemical ionization CI)快

5、原子轟擊(fast atom bombardment FAB)電噴霧源(electronspray ionization ESI)大氣壓化學電離（atmospheric pressure chemical ionization APCI)基質輔助激光解吸電離（matrix assisted laserDesorption ionization MALDI),,（1） 電子電離源(elec

6、tron ionization EI),由陰極發(fā)射電子束，通過離子化室到達陽極，電子能量70eV，有機化合物的電離電位8-15eV?？稍谄叫须娮邮姆较蚋郊右蝗醮艌觯闺娮友芈菪壍狼斑M，增加碰撞機會，提高靈敏度。,特點： 碎片離子多，結構信息豐富， 有標準化合物質譜庫； 不能汽化的樣品不能分析； 有些樣品得不到分子離子；,（2）化學電離源(chemical ioni

7、zation CI),結構與EI同，但是在離子化室充CH4，電子首先將CH4離解，其電離過程如下：,特點： 得到一系列準分子離子（M+1）+， （M-1）+， （M+2）+等等；CI源的的碎片離子峰少，圖譜簡單，易于解釋；不適于難揮發(fā)成分的分析。,（3）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

8、性差的樣品。FAB一般用作磁式質譜的離子源。,（4）電噴霧源(electronspray ionization ESI)結構：噴嘴，霧化氣，干燥氣原理：噴霧 蒸發(fā) 電壓,,特點：適用于強極性，大分子量的樣品分析 如肽，蛋白質，糖等2 產生的離子帶有多電荷3 主要用于液相色譜質譜聯(lián)用儀,（5）Matrix-assisted Laser Desorption Ionization - MALDI,特點

9、：生物大分子特別是蛋白質分子量的測定,3、質量分析器(mass analyzer)1 單聚焦分析器（single focusing mass analyzer）2 雙聚焦分析器（double focusing mass analyzer）3 四極桿分析器 (quadrupole analyzer)4 離子阱分析器 (Ion trap)5 飛行時間分析器(time of flight）6 富立葉變換離子回旋共振 （Fo

10、urier tranform ion cyclotron resonance）,（1）單聚焦分析器（single focusing mass analyzer）,1）結構：扇形磁場（可以是1800 900600等）,原理：由（3）式可知：,離子的m/Z大，偏轉半徑也大，通過磁場可以把不同離子分開；當 r 為儀器設置不變時，改變加速電壓或磁場強度，則不同m/z的離子依次通過狹縫到達檢測器，形成質譜。,（2）雙聚焦分析器

11、（Double focusing mass analyzer）,為什么要雙聚焦：進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，運動半徑差異，難以完全聚集。解決辦法： 加一靜電場Ee，實現能量分散：,（3）四極桿分析器 (quadrupole analyzer),直流電壓Vdc交流電壓Vrf頻率為射頻區(qū),結構:四根棒狀電極，形成四極場 1，3棒： (Vdc +Vrf)

12、 2，4棒：- (Vdc+ Vrf )原理：在一定的Vdc Vrf 下 ， 只有一定質量的離子可通過四極場，到達檢測器。在一定的（Vdc/Vrf)下，改變Vrf 可實現掃描。特點：掃描速度快，靈敏度高 適用于GC-MS,,,,,,,,,,,,,,,,,,+,,-,,,,,（4）離子阱分析器Ion Trap Analyzer特點：結構簡單靈敏度

13、高適于小型聯(lián)用儀器（GC-MS）,（5）飛行時間分析器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,儀器結構簡單,不需要磁場、電場等；掃描速度快，可在10-5 s內觀察到整段圖譜；無聚焦狹縫，靈敏度很高；可用于大分子的分析（幾十萬原子量單位），在生命科學中用途很廣；,4

14、、 真空系統(tǒng) 離子源的真空度應達到10-3-10-5 Pa，質量分析器應達到10-6 Pa。真空裝置：機械真空泵 擴散泵 分子渦輪泵,5、 檢測器(detector) 電子倍增器,6、檢測器的性能指標（1）質量范圍指所能檢測的M/Z范圍四極質譜 M/Z小于或等于1000磁式質譜 M/Z可達到幾千飛行時間質譜 M/Z可達到幾十萬,（2）掃描速度指掃描一定質量范圍所需時間例如GC-MS

15、：M/Z 1-1000所需時間<1s,（3）分辨率R質譜對相鄰兩質量組分分開的能力,(4) 靈敏度指信噪比大于10時的樣品量。,第三節(jié)常見化合物的質譜,一、烴類質譜1、烷烴,71,57,43,29,例如5-甲基十五烷C10H21—CH—C4H9,CH3,,169,85,,,2、烯烴（1）具有烷烴的特征（2）易發(fā)生烯丙斷裂，生成很強的烯丙離子,CH2 = CH — CH2M / Z = 41CH2 = CH

16、 — RR— CH2 — CH2 — CH2 — CH = CH2,,+,,3、芳烴易發(fā)生芐基斷裂，生成芐基離子,,,,C2H2-26,,C2H2 -26,M /Z 91,M /Z 91,M /Z 39,M /Z 65,,,,,,,,,,39 65 91 92 M / Z,二、雜原子的質譜(1) 醇和酚醇類（1）雜原子存在，形成M/

17、Z 31的離子和M—1的離子；（2）失水生成M—18離子。,CH3—CH2—OH（M /Z 46） CH2 = OH M / Z 31,,,,,,,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,CH3CH2CH

18、3—C—CH2CH2CH2CH3,,,O,M/Z128,,,43,,71,,57,85,M/Z12885715743,再例如對羥基苯甲醛,醚類乙基異丁基醚,CH3—CH2—CH—O—CH2—CH3,CH3,,,?—斷裂,,?—斷裂,（3） 鹵素化合物,R—X + R+ + X ?R—CH2X+R ? + CH2 = X+,,,如果是長鏈烴類，則可能有下列途徑,（4）胺類,CH3（CH2）8—CH2—N

19、H2+,,,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）麥氏重排（Mclafferty）在辛酮-4的質譜中，除43、57、71、85和128的質譜峰外，還有一個很高的峰，質量58，以及另兩個峰，質量86和100。這是由于發(fā)生了重排：,,,,,,,,,+,+,+,M/Z = 86,M/Z = 100,,,+,+,M/Z = 86,M/Z = 100,,,+,

20、+,,,,,M/Z = 58,M/Z = 58,,,,,+,,,,,+,+,麥氏重排的規(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。,,,,,+,,,,,+,+,麥氏重排的規(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。,,,（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譜 M/Z=10

21、8 的來源,,,,M/Z=108,+,第四節(jié)有機化合物的質譜分析一、分子量的確定規(guī)律：,1、分子離子峰一定是質譜中質量數最大的峰；2、分子離子峰應有合理的質量丟失：例如：在比分子離子峰小4-14及20-25質量單位處不應有離子峰出現，因為一個有機化合物不可能失去4-14個氫而不斷鏈，但如果斷鏈，失去最小碎片應為CH3，質量數為15，同理，不可能失去20-25質量單位。3、質量數符合氮規(guī)律，即有機化合物含奇數氮原子，分子量為

22、奇數，含偶數氮原子（包括0氮原子），分子量為偶數。,例如：元素價數原子量C412偶偶0216偶偶P3-531奇奇N314奇偶4、如果確認無分子離子峰，則應在儀器上想辦法。,二、分子式的確定可利用Beynon同位素豐度表確定。因為同一元素的不同同位素豐度不同。例如：CO、C2H2、N2的質量數都是28， 但同位素豐度不同，因此可加以區(qū)分。例如：某化合物分子量

23、為150，M/Z150、151和152的強度比為：M（150）100%M+1（151）9.9%M+2(152)0.9%查表可知為C9H10O2,三、分子結構的確定1、確定化合物的不飽和度2、確定碎片離子例如：已知C8H8O2（136）（1）不飽和度為5，懷疑有苯環(huán)；（2）碎片峰77、51，為苯環(huán)特征；（3）136-105=31是（—CH2OH，—OCH3）丟失；（4）105-77=28是（CO