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1、质谱（MS）,学习内容,概述 质谱法的基本原理 质谱仪的主要性能指标 质谱的表示法 质谱中的离子类型 离子的断裂机理 常见有机化合物的质谱 质谱的应用 质谱解析,学习要求,学习要求,1、掌握质谱法的基本原理。 2、了解质谱中离子类型，能正确识别分子离子并根据同位素峰确定分子式。 3、初步了解离子的断裂机理和影响离子断裂的因素，掌握阳离子的开裂类型、并能应用上述开裂规律初步解析一些主要类型化合物的质谱。 4、了解各类常见有机化合物的质谱特征。 5、了解质谱解析的一般程序，并能根据质谱数据推断简单化合物的结构。,以某种方式使有机化合物的分子电离、碎裂，然后按照离子的质荷比（m/z）大小把生成的各种
2、离子分离，检测它们的强度，并将其排列成谱，这种研究物质的方法称作质谱法。,一、概述,质谱图提供的信息 1、样品元素组成； 2、 物质的相对分子质量； 3、 物质的结构信息-结构不同，分子的碎片不同(质荷比不同)； 4、复杂混合物的定性定量分析-与色谱方法联用(GC-MS)； 5、 样品中原子的同位素比。,优点： 1. 分析范围广（气体、液体、固体） 2. 测定分子量，确定分子式 3. 分析速度快，灵敏度高 4. 各种联用技术 5. 新的电离、检测技术,1、1913年：Thomson使用MS发现了Ne是由22Ne和24Ne两种同位素组成，随后，同位素分析开始发展。 2、20世纪30年代末至40年
3、代：由于石油工业的发展，需要测定油的成份。通常用蒸馏的方法先分离这些烃类混合物，然后再利用分别测定其折光率的方法来分析它们。这通常要花数天时间。将MS用于石油工业中烃的分析，可以大大缩短分析时间。 3、50年代初：高分辨率质谱仪出现，广泛用于各类有机物的结构分析；质谱仪器开始商品化，同时质谱方法与NMR、IR等方法结合成为分子结构分析的最有效的手段。,发展历史,第一台质谱仪：1912年；,4、60年代：出现了气相色谱-质谱联用仪，使质谱仪的应用领域大大扩展，开始成为有机物分析的重要仪器；计算机的应用又使质谱分析法发生了飞跃变化,5、90年代：由于生物分析的需要，一些新的离子化方法得到快速发展，
4、如快原子轰击离子源，基质辅助激光解吸电离源，电喷雾电离源，大气压化学电离源等。,6、目前：出现了比较成熟的液相色谱-质谱联用仪，感应耦合等离子体质谱仪，富立叶变换质谱仪等。质谱分析法已广泛地应用于化学、化工、材料、环境、地质、能源、药物、刑侦、生命科学、运动医学等各个领域。,二、质谱法的基本原理,质谱仪是利用电磁学原理，使带电的样品离子按质荷比进行分离的装置。离子电离后经加速进入磁场中，其动能与加速电压及电荷 z 有关，即 z e U = 1/2 m 2 其中z为电荷数，e为元电荷（e=1.6010-19C），U为加速电压，m为离子的质量， 为离子被加速后的运动速度。 具有速度 的带电粒子进入
5、质谱分析器的电磁场中，根据所选择的分离方式，最终实现各种离子按m/z进行分离。,离子束经加速后飞入磁极间的弯曲区，由于磁场作用，飞行轨道发生弯曲（如右图所示），此时离子受到磁场施加的向心力Bze作用，并且离子的离心力m2/r也同时存在，当两力平衡时，离子才能飞出弯曲区，即：,最常用的分析器类型之一就是扇形磁分析器。,其中B为磁感应强度，ze为电荷，为运动速度，m为质量，r为曲率半径。,又因：,调整后可得：,通过改变B、r、U这三个参数中的任一个并保持其余两个不变即可将不同质荷比的离子分开。,如保持B、U 不变，离子的质荷比与其运动半径的平方成正比；,现代质谱仪一般是保持U、r不变，通过电磁铁扫
6、描磁场而获得质谱图。当磁场强度由低到高进行扫描时，最先到达检测器的是质荷比最小的离子。,质谱仪的基本结构,进样系统,离子源,质量分析器,检测器,1.气体扩散 2.直接进样 3.气相色谱,1.电子轰击 2.化学电离 3.场致电离 4.激光,1.单聚焦 2.双聚焦 3.飞行时间 4.四极杆,仪器原理图,质谱仪的离子产生及经过系统必须处于高真空状态,1.真空系统,质谱仪需要在高真空下工作：离子源（10-3 10 -5 Pa ） 质量分析器（10 -6 Pa ） (1)大量氧会烧坏离子源的灯丝； (2)用作加速离子的几千伏高压会引起放电； (3)引起额外的离子分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。,一般
7、质谱仪都采用机械泵预抽空后，再用高效率扩散泵连续地运行以保持真空。现代质谱仪采用分子泵可获得更高的真空度。,进样系统目的是高效重复地将样品引入到离子源中并且不能造成真空度的降低。 常用的进样装置有三种类型：间歇式进样系统、直接探针进样、色谱进样系统（GC-MS、HPLC-MS）和高频感藕等离子体进样系统（ICP-MS）等。,2.进样系统,如图所示。注入样品(10-100g)贮样器(1L-3L)抽真空并加热样品蒸汽分子(压力陡度)漏隙高真空离子源。,1） 间歇式进样：适于气体、沸点低且易挥发的液体、中等蒸汽压固体。,2）直接探针进样：高沸点液体及固体 探针杆通常是一根规格为25cm6mm，末端有
8、一装样品的黄金杯(坩埚)，将探针杆通过真空闭锁系统引入样品，如图所示。,优点： 引入样品量小，样品蒸汽压可以很低；,电离室原理与结构,3.离子源,离子源的种类,电子流轰击,电子轰击源 Electron Ionization (EI),EI 源的特点：,电离效率高,灵敏度高； 应用最广，标准质谱图基本都是采用EI源得到的； 稳定，操作方便，电子流强度可精密控制； 结构简单，控温方便；,EI源：可变的离子化能量 (10240eV),对于易电离的物质降低电子能量，而对于难电离的物质则加大电子能量（ 常用70eV ）。,电子能量,电子能量,分子离子增加,碎片离子增加,不适合难挥发和热不稳定的样品,离子
9、室内的反应气（甲烷等；10100Pa，样品的103105倍），电子（100240eV）轰击，产生离子，再与试样分离碰撞，产生准分子离子。, 化学电离源（Chemical Ionization，CI）:,最强峰为准分子离子； 谱图简单； 不适用难挥发试样；,场致电离源（FI）,电压：7-10 kV；d 1 mm； 强电场将分子中拉出一个电子； 分子离子峰强； 碎片离子峰少； 不适合化合物结构鉴定；,大气压电离技术（API） a. 电喷雾电离（ API Electrospray）,流出液在高电场下形成带电喷雾，在电场力作用下穿过气帘；气帘的作用：雾化；蒸发溶剂；阻止中性溶剂分子,Electrosp
10、ray， API,电喷雾电离,Electrospray， API,电喷雾电离,电喷雾产生多电荷离子， 相对分子质量Mr计算： 选相邻峰，电荷n， n +1 m1=(Mr + n)/2 m2=(Mr + n+1)/ (n+1),计算结果如表。 不适用于非极性化合物,b.大气压化学电离（ APCI ）,热喷雾(100-120C)， 化学电离; 适用于热稳定化合物分析,大气压化学电离（ APCI ）,在磁场存在下，带电离子按曲线轨迹飞行； 离心力 =向心力； m 2 / r = B e U 曲率半径： r = （m ）/ e B 质谱方程式：m/e = (H02 r2) / 2U 离子在磁场中的轨道
11、半径 r 取决于： m/e 、 B、 U,加速后离子的动能 : (1/2)m 2= e U = (2U)/(m/e)1/2,4. 质量分离器,根据质量分离器的工作原理，可以将质谱仪分为动态仪器和静态仪器两大类。 在静态仪器中用稳定的电磁场，按空间位置将m/z不同的离子分开，如单聚焦和双聚焦质谱仪。 在动态仪器中采用变化的电磁场，按时间不同来区分m/z不同的离子，如飞行时间和四极滤质器式的质谱仪。采用这种原理设计的仪器常称为质谱计。,单聚焦磁场分析器,方向聚焦； 相同质荷比，入射方向不同的离子会聚； 分辨率不高,双聚焦分析器,方向聚焦： 相同质荷比，入射方向不同的离子会聚； 能量聚焦： 相同质荷
12、比，速度(能量)不同的离子会聚；,质量相同，能量不同的离子通过电场和磁场时，均产生能量色散；两种作用大小相等，方向相反时互补实现双聚焦；, 其他类型质量分析器,双聚焦质谱仪体积大； 色谱-质谱联用仪器的发展及仪器小型化（台式）需要； 体积小的质量分析器：,四极杆质量分析器 飞行时间质量分析器 离子阱质量分析器,体积小，操作简单； 分辨率中等；,四极杆质量分析器（Quadrupole Mass Filter）,四极杆质量分离器,飞行时间质量分析器,离子阱质量分析器,特定m/z离子在阱内一定轨道上稳定旋转，改变端电极电压，不同m/z离子飞出阱到达检测器；,5. 检测器,（1）电子倍增管 1518级
13、；可测出10-17A微弱电流； （2）渠道式电子倍增器阵列,质谱仪的质量测定范围表示质谱仪所能进行分析的样品的相对原子质量（或相对分子质量）范围，通常采用原子质量单位（u）进行度量。,三、质谱仪的主要性能指标,测定气体用的质谱仪，一般质量测定范围在2100，而有机质谱仪一般可达几千，现代质谱仪甚至可以研究相对分子量达几十万的生化样品。,1、质量测定范围,所谓分辨本领，是指质谱仪分开相邻质量数离子的能力。 对两个相等强度的相邻峰，当两峰间的峰谷不大于其峰高10%时，认为两峰已经分开，其分辨率为： R = m1 /（m2-m1）= m1/m 其中m1、m2为质量数，且m1m2，故在两峰质量数较小时
14、，要求仪器分辨率越大。,2.分辨本领,在实际工作中，有时很难找到相邻的且峰高相等的两个峰，同时峰谷又为峰高的10%。在这种情况下，可任选一单峰，测其峰高5%处的峰宽W0.05，即可当作上式中的m，此时的分辨率定义为 R = m/ W0.05 如果该峰是高斯型的，上述两式计算结果是一样的。 质谱仪的分辨本领由几个因素决定： （1）离子通道的半径； （2）加速器与收集器狭缝宽度； （3）离子源的性质。,质谱仪的灵敏度有绝对灵敏度、相对灵敏度和分析灵敏度等几种表示方法。 绝对灵敏度是指仪器可以检测到的最小样品量； 相对灵敏度是指仪器可以同时检测的大组分与小组分含量之比； 分析灵敏度则是指输入仪器的样
15、品量与仪器输出的信号之比。,3.灵敏度,四、质谱的表示法,以质荷比（m/z）为横坐标，相对强度为纵坐标。 质谱图上最强的离子峰为基峰并定相对强度为100%，其它离子峰以对基峰的相对百分值表示丰度。,1.质谱图,峰的强度与该离子出现的几率有关。丰度最高的阳离子是最稳定的阳离子。大多数阳离子带电荷+1，故其峰的m/e值为阳离子的质量; m/e值最大的是母体分子的分子量. (除非母体离子发生裂解等)。,质谱表是用表格形式表示的质谱数据。质谱表中有两项即质荷比和相对强度。,从质谱图上可以直观地观察整个分子的质谱全貌，而质谱表则可以准确地给出精确的m/z值及相对强度值，有助于进一步分析。,质谱表,五、质
16、谱中的离子类型,分子在离子源中可以产生各种电离，即同一种分子可以产生多种离子峰，主要的有分子离子峰、碎片离子峰、亚稳离子峰和同位素离子峰等。,（一）、分子离子峰,分子电离一个电子形成的离子所产生的峰。 分子离子的质量与化合物的分子量相等。,试样分子在高能电子撞击下产生正离子，即； M + eM+2e 式中M为待测分子，M+为分子离子或母体离子。,对于一般有机物电子失去的程度： n ,失去一个电子形成的分子离子：,当正电荷位置不确定时用 表示。,失去一个n电子形成的分子离子：,分子离子峰主要用于分子量的测定。,失去一个电子形成的分子离子：,绝大部分的有机分子都可以产生可辨认的分子离子峰。有些分子如芳香环分子可产生较大的分子离子峰，而高分子量的脂肪醇、醚及胺等则产生较小的分子离子峰。若不考虑同位素的影响，分子离子应该具有最高质量。,1. 分子离子峰的特点,一般质谱图上质荷比最大的峰为分子离子峰；有例外,由稳定性判断。 形成分子离子需要的能量最低，一般约10
