第2章质谱法剖析

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1、第2章 气相色谱-质谱联用法 GC-MS(Mass Spectroscopy),先进的分析仪器不断涌现，每一类分析仪器在一定范围内起独特作用,并且要求在一定的条件下使用。 如色谱作为一种分析方法,其最大特点在于能将一个复杂的混合物分离为各自单一组分,但它的定性、确定结构的能力较差。 而质谱(MS)、红外光谱(IR)、紫外光谱(UV)、等离子体发射光谱(ICPAES)和核磁共振波谱(NMR)等技术对一个纯组分的结构确定变得较容易。,1 联用技术的发展,为了增强仪器的分析检测能力，提高检测的准确性，常将两种分析技术联合起来应用。 食品分析中常用的联用技术： GC-MS(气相-质谱联用） LC-MS

2、(液相-质谱联用） LC-MS-MS ICP-AES(电感耦合等离子体-原子发射光谱仪） ICP-MS (电感耦合等离子体-质谱联用） 具有资质的检测机构，拥有大量这类昂贵的联用仪器。,成立于1951年，是我国政府最早设立的第三方综合性产品质量监督检测机构。目前，涉及标准近5,200个，具备超过5,000多种产品的检验能力，并拥有包括加工食品、化妆品、包装、皮革制品、高分子工程材料及制品在内的5个国家质检中心。广州市质检院另有2个国家级生产许可审查机构和7个全国标准化技术委员会/分会/工作组。,GC-MS联用技术的应用,丙酮的质谱图,CH3+,MS,GC-MS,LC-MS,1.质谱分析依据:运

3、动的带电离子在磁场中 发生偏转,偏转半径与离子质量有关., 2.1 质谱仪基本原理,2.质谱分析方法:是将样品转化为运动的带电 气态离子，于磁场中按质荷比(m/z) 大小分离并记录的分析方法。,3. 质谱分析过程,离子源 轰击,过程,高速电子 样品 气态分子 阳离子 顺序谱图 质量分析器 定性分析 定量分析,导入,按质荷比m/e,4.带电离子的形成,图1 乙酸丁酯质谱图,m 116,(1) 正离子在电场中受到电场力作用而加速()，其位能 为 ，加速后的动能为 ： (2) 正离子进入磁场，运动方向与磁场垂直，离子受到洛 仑兹力 f 作用：,5.带电离子的运动理论：,m为碎片质量， 为碎片速度,

4、e为离子电荷， V为电压, H为磁场强度 。,当H、R、V三个参数中任两个保持不变而改变其中一个参数时，可得质谱图。现代质谱仪通常是保持V、R不变，通过扫描磁场来得到质谱图。,(3) 洛仑兹力与离子偏转的向心力相等,6.工作进程,样品进入电离室后，被热灯丝产生的电子流轰击，气态样品中的原子或离子被电离成正、负离子。离子被狭缝A、B加速进入磁场，而根据离子质荷比的差异，产生不同的偏转角，从而达到分离。改变A、B电压和外磁场，获得MS谱图。, 2.2 质谱仪结构,一.仪器组成: 真空系统 进样系统 离子源电离室 质量分离器 离子检测器 记录仪,质谱仪中所有部分均要处高度真空的条件下(10-4-10

5、-6Torr或mmHg), 其作用是减少离子碰撞损失。 真空度过低，将会引起： 大量氧会烧坏离子源灯丝； 引起其它分子离子反应，使质谱图复杂化； 干扰离子源正常调节； 用作加速离子的几千伏高压会引起放电。,1.真空系统,2. 进样系统 液体入口: 适用于低挥发度样品，对易分解样品，通常使用 衍生法转化为稳定化合物后分析. 气体入口: 气态样品 色谱可作为一种进样方式。,将引入的样品转化成为碎片离子的装置。根据样品离子化方式和电离源能量高低，通常可将电离源分为： 气相源：先蒸发再激发，适于沸点低于500oC、对热稳 定的样品的离子化.包括电子轰击源、化学电 离源、场致电离源、火花源等. 解吸源：

6、固态或液态样品不需要挥发而直接被转化为气 相，适用于分子量高达105的非挥发性或热不 稳定性样品的离子化。包括场解析源、快原子 轰击源等.,3.电离源(室)：,作用过程： 采用高速(高能)电子束冲击 样品，从而产生电子和分子离子M +， M+继续受到电子轰击而引起化学键的 断裂或分子重排,瞬间产生多种离子.,a)、 电子轰击源(Electron Bomb Ionization，EI),图9 电子轰击源工作示意图,垂直方向：G3-G4加速电极(低电压)-较小动能-狭缝准直 G4-G5加速电极(高电压)-较高动能-狭缝进一 步准直-离子进入质量分析器。,水平方向：灯丝与阳极间(70V电压)高 能电

7、子 冲击样品正离子,优 点： 使用最广泛，谱库最完整；电离效率高；结构简 单，操作方便； 缺 点: 因电离能量最高, 出现大量碎片峰,且很难得到分子 离子峰. 不适合不稳定物质的检测.,电子轰击源,作用过程： 样品分子在承受电子轰击前，被一种反应气(通常是甲烷)稀释，稀释比例约为103:1，因此样品分子与电子的碰撞几率极小，所生成的样品分子离子主要由反应气分子组成。 进入电离源的样品分子大部分与CH5+碰撞产生(M+1)+离子；小部分与C2H5+反应，生成(M-1)+离子：,b) 、化学电离源(Chemical Ionization, CI),特点：电离能小，质谱峰数少，图谱简单；准分 子离子

8、峰(M+1)+大,可提供分子量这一重要 信息。 常用于有机和生物样品的分析.,图10 化学电离与电子轰击源质谱图比较,分子离子峰,作用: 将不同碎片按质荷比m/z分开。 质量分析器类型：磁分析器、飞行时间、四极杆、离子阱、离子回旋共振等。,4.质量分析器, 用一个扇形磁场进行质量分析的质谱仪。,（a）磁分析器：,图14 单聚焦质量分析器原理图,质量分析器是将m/z 相同的离子聚焦到一点。,图15 单聚焦质量分析器工作过程图,(b）四极滤质器(Quadrupole mass filter),过程：在两个相对应的极杆之间加上电压(V+Ucost)，在另两个相对应的极杆上加相等负电压-(V+Ucos

9、t)。其中V 和U分别为直流电压、交流电压，与前述双聚焦仪的静电分析器类似，离子进入可变电场后，只有具合适的曲率半径的离子可以通过中心小孔到达检测器。 改变V和 U 并保持V/ U 比值一定，可实现不同m/e离子的检测。 特点：分辨率比磁分析器略低(max.2000); m/e范围与磁分析器相当；传输效率比较高；扫描速度快，可用于GC-MS 联用仪。,图18 四极滤质器示意图,5电子倍增器,工作原理与光电倍增管相似。 多用于气相与有机质谱中。优点：灵敏度高，测定速度快. 但：增益会逐渐下降。,2.3 质谱图,一. 质谱图表示： 横坐标是m/e，纵坐标是相对丰度 相对丰度：原始质谱图上最强的离子

10、峰为基峰， 定为100%。其它离子峰以此基峰的相对百分 值表示。,丙酮的质谱图,CH3+,+,二、离子峰表示,离子峰包括: 分子离子峰、碎片离子峰、同位素离子峰、重排离子峰、亚稳离子峰和多电子离子峰等。,（一）分子离子峰,分子受电子撞击后，失去一个电子而生成带正电荷的离子分子离子或母离子 M+e- M +2e 特点: (1) 分子离子峰m/e数值, 相当于该化合物的相对分子质量. (2) 位于质谱图的右端，因为m/e最大。 (3) 相对强度取决于分子离子的稳定性。 物质分析稳定性: 芳香环共轭多烯烯环状化合物羰基化合物醚酯胺酸醇高度分支的烃类,(二)碎片离子峰,在高能量电子源轰击情况下，分子离

11、子处于激发 状态，原子间的一些键进一步断裂，产生质量数 较低的碎片，是获取分子结构相关信息的重要依据。,正己烷的质谱分析中，常用的电离电压为70电子伏特，使结构裂解，产生各种“碎片”离子。,正己烷,（三）同位素离子峰,卤素在自然界中同位素比例是固定的： 35Cl, 37Cl 3:1; 79Br, 81Br 1:1; 对于单个Cl、Br化合物，M和M+2峰的丰度比与同位素比相等； 对于多个Cl、Br化合物，有较强的M+2，M+4，M+6等同位素离子峰.,CH3Cl, CH2Cl2; CH3Br, CH2Br2 它们的分子量分别是多少？分子离子峰质荷比为多少？,含Cl和Br原子 含1个Cl M:M

12、+2 3:1,含1个Br M:M+2 1:1,含2个Cl 如CHCl2会出现： M、M+2、M+4峰,（四）亚稳离子峰,离子离开电离室到达收集器之前的过程中，发生分解而形成低质量的离子所产生的峰。（子离子与中性碎片）,（五）重排离子峰,两个或两个以上键的断裂中，某些原子或基团从一个位置转移到另一个位置生成的离子。转移基团多为氢原子。 分子中有一个双键 在碳位置上有H原子 酮，醛，酸，酯羰基化合物，烯烃类和含苯环等化 合物。,重排离子峰产生过程,2 -戊酮,（六）多电荷离子峰,非常稳定的分子，可能失去两个或两个以上的电子，在的位置上出现多电荷峰. 如芳香类化合物,解析未知物的图谱，可按下述程序进

13、行。 第一步 对分子离子区进行解析（推断分子式） （1）确认分子离子峰，并注意分子离子峰对基峰的相对强度比，这对判断分子离子的稳定性以及确定结构是有一定帮助的。 （2）注意是偶数还是奇数，如果为奇数，而元素分析又证明含有氮时，则分子中一定含有奇数个氮原子。 （3）注意同位素峰中M+1/M及M+2/M数值的大小，据此可以判断分子中是否含有S、Cl、Br，并可初步推断分子式。 （4）根据高分辨质谱测得的分子离子的m/z值，推定分子式。,2.4 质谱解析,离子 失去的碎片 可能存在的结构 M-1 H 醛，某些醚及胺 M-15 CH3 甲基 M-18 H2O 醇类，包括糖类 M-28 C2H4，CO，

14、N2, 麦氏重排，CO M-29 CHO，C2H5 醛类，乙基 M-34 H2S 硫醇 M-35 Cl M-36 HCl 氯化物 M-43 CH3CO，C3H7 甲基酮，丙基 M-45 C00H 羧酸类 M-60 CH3COOH 醋酸酯,第二步 对碎片离子区的解析 （推断碎片结构） （1）找出主要碎片离子峰。并根据碎片离子的质荷比，确定碎片离子的组成。常见碎片离子的组成见表。,（2）注意分子离子有何重要碎片脱去,m/e 离子 可能的结构类型 29 CHO、C2H5 醛类、乙基 30 CH2NH2 伯胺 43 CH3CO CH3CO C3H7 丙基 29、43、57、71 等 C2H5、C3H7 直链烷烃 39、50、71 芳香化合物 芳香化合物 52、65、77 60 CH3COOH 羧酸类、醋酸类 91 C6H5CH2 苄基 105 C6H5CO 苯甲酰基,第三步 提出结构式 根据以上分析，列出