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1、（Mass Spectrometry , MS）第第10章章第一节第一节 概述概述第二节第二节 质谱分析法的基本原理质谱分析法的基本原理第三节第三节 质谱仪质谱仪第四节第四节 质谱及其离子峰的类型质谱及其离子峰的类型第五节第五节 质谱法的应用质谱法的应用主要内容主要内容第一节第一节 概述概述质谱质谱利用电磁学原理，将化合物电离成具有利用电磁学原理，将化合物电离成具有不同质量的离子，按照离子的质量对电不同质量的离子，按照离子的质量对电荷比值荷比值(即质荷比即质荷比)的大小依次排列所构的大小依次排列所构成的图谱，称为质谱。质谱不是波谱，成的图谱，称为质谱。质谱不是波谱，而是物质带电粒子的质量谱。而
2、是物质带电粒子的质量谱。质谱分析法质谱分析法利用质谱进行定性、定量分析和结构分析利用质谱进行定性、定量分析和结构分析的方法称为质谱分析法。的方法称为质谱分析法。质谱仪的发展史质谱仪的发展史1912年年:世界第一台质谱装置世界第一台质谱装置40年代年代: 质谱仪用于同位素测定质谱仪用于同位素测定50年代：年代： 分析石油分析石油60年代：年代： 研究研究GC-MS联用技术联用技术70年代：年代： 计算机引入计算机引入质谱法分类：质谱法分类：按用途分按用途分有机质谱有机质谱无机质谱无机质谱同位素质谱同位素质谱按原理分按原理分单聚焦质谱单聚焦质谱双聚焦质谱双聚焦质谱四极质谱四极质谱飞行时间质谱飞行时
3、间质谱回旋共振质谱回旋共振质谱按联用按联用方式分方式分气质联用气质联用液质联用液质联用质质联用质质联用1.1.定性分析定性分析质谱法的应用质谱法的应用1.1.化合物相对分子量的测定化合物相对分子量的测定 2化合物分子式的确定化合物分子式的确定3. 分子结构的确定分子结构的确定2.2.定量分析定量分析 3.同位素的研究同位素的研究4.4.热力学方面的研究热力学方面的研究目前质谱分析法已广泛地应用于化学、化工、目前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。命科学、运动医学等各个领域。质谱分析法与其他仪
4、器分析法相比的优点：质谱分析法与其他仪器分析法相比的优点：1、质谱法是唯一可以确定物质分子质量的方法，、质谱法是唯一可以确定物质分子质量的方法，且可以确定化合物的化学式和进行结构分析。且可以确定化合物的化学式和进行结构分析。2、灵敏度极高，鉴定最小量达、灵敏度极高，鉴定最小量达10-10g，检出限检出限可达可达10-14g。第二节第二节 质谱分析法的基本原理质谱分析法的基本原理样品样品经经导入导入系统进入系统进入离子源离子源， 被电离成被电离成离离子和碎片离子子和碎片离子， 由由质量分析器分离质量分析器分离并按并按质荷比大小依次抵达检测器质荷比大小依次抵达检测器，信号经过，信号经过放大、记录得
5、到放大、记录得到质谱质谱。 试样在电离室内被气化、电离。在试样在电离室内被气化、电离。在10-5Pa高真空高真空下，以下，以50100eV能量的电子流轰击试样，形成带一能量的电子流轰击试样，形成带一个正电荷的正离子，称为分子离子，即个正电荷的正离子，称为分子离子，即 M + e ( (高速高速) ) M+ + 2e- -( (低速低速) ) M表示分子；表示分子；M+表示分子正离子，表示分子正离子， 表示不成对表示不成对的单电子，分子离子的化学键可以断裂，形成碎片离的单电子，分子离子的化学键可以断裂，形成碎片离子，碎片离子可以进一步断裂，形成多种质荷比不同子，碎片离子可以进一步断裂，形成多种质
6、荷比不同的离子，提供试样结构信息。的离子，提供试样结构信息。 正离子被电位差为正离子被电位差为8008000V的负高压电场的负高压电场加速，加速后离子的动能加速，加速后离子的动能 :m:离子质量离子质量 :离子的速度离子的速度z:离子所带的电荷数离子所带的电荷数U:加速电压加速电压离心力离心力 =向心力；向心力；(1)若加速电压若加速电压U和磁场强度和磁场强度B都一定时，不同都一定时，不同m/z 的离的离 子，由于运动的曲率半径不同，在质量分析子，由于运动的曲率半径不同，在质量分析器重彼此被分开，并记录各器重彼此被分开，并记录各m/z离子的相对强度。离子的相对强度。曲率半径：曲率半径：质谱方程
7、式：质谱方程式：离子在磁场中的轨道半径离子在磁场中的轨道半径R取决于取决于: m/z ; B; U(2)固定固定R，B，连续改变加速电压连续改变加速电压U，电场扫描法。电场扫描法。 固定固定R，U，连续改变磁场强度连续改变磁场强度B，磁场扫描法。磁场扫描法。 第三节第三节 质谱仪质谱仪质谱分析法主要是通过对样品的质谱分析法主要是通过对样品的离子的质荷离子的质荷比的分析比的分析而实现对样品进行定性和定量的而实现对样品进行定性和定量的一种方法。因此，质谱仪都一种方法。因此，质谱仪都必须有电离装必须有电离装置置把样品电离为离子，把样品电离为离子，有质量分析装置有质量分析装置把把不同质荷比的离子分开，
8、经不同质荷比的离子分开，经检测器检测检测器检测之之后可以得到样品的质谱图。后可以得到样品的质谱图。进样系统进样系统离子源离子源质量分析器质量分析器检测器检测器真空系统真空系统记录系统记录系统1、进样系统、进样系统气体气体直接导入或用气相色谱进样直接导入或用气相色谱进样液体液体加热汽化或雾化进样加热汽化或雾化进样固体固体用直接进样探头用直接进样探头电子电离源电子电离源(EI)化学电离源化学电离源(CI)快原子轰击快原子轰击(FAB)电喷雾源电喷雾源(ESI)大气压化学电离（大气压化学电离（APCI)基质辅助激光解吸电离（基质辅助激光解吸电离（MALDI)使试样分子或原子离子化，同时具有聚焦和准直
9、的使试样分子或原子离子化，同时具有聚焦和准直的作用，使离子汇聚成一定几何形状和能量的离子束。作用，使离子汇聚成一定几何形状和能量的离子束。2、 离子源离子源电喷雾电离源是一种软电离方式，即便是分子量电喷雾电离源是一种软电离方式，即便是分子量大，稳定性差的化合物，也不会在电离过程中发大，稳定性差的化合物，也不会在电离过程中发生分解，它适合于分析极性强的大分子有机化合生分解，它适合于分析极性强的大分子有机化合物，如蛋白质、肽、糖等。物，如蛋白质、肽、糖等。激光解吸源是利用一定波长的脉冲式激光激光解吸源是利用一定波长的脉冲式激光照射样品使样品电离的一种电离方式。比照射样品使样品电离的一种电离方式。比
10、较较适合于分析生物大分子，如肽、蛋白质、适合于分析生物大分子，如肽、蛋白质、核酸等。得到的质谱主要是分子离子，准核酸等。得到的质谱主要是分子离子，准分子离子。分子离子。碎片离子和多电荷离子较少。碎片离子和多电荷离子较少。3、质量分析器、质量分析器将离子源产生的离子按将离子源产生的离子按m/z的大小分离聚焦。的大小分离聚焦。 单聚焦分析器单聚焦分析器 双聚焦分析器双聚焦分析器 四四极杆极杆分析器分析器 离子阱分析器离子阱分析器 飞行时间分析器飞行时间分析器 富富立叶立叶变换离子回旋共振变换离子回旋共振单聚焦质量分析器单聚焦质量分析器：是处于扇形磁场中的真空扇形容器，：是处于扇形磁场中的真空扇形容
11、器，因此，也称为磁扇形分析器。常见的单聚焦分析器是采用因此，也称为磁扇形分析器。常见的单聚焦分析器是采用180、90、或、或60的圆弧形离子束通道。下图为的圆弧形离子束通道。下图为180单聚焦单聚焦质量分析器原理示意图。质量分析器原理示意图。 质量分析器射出的离子具有一定的能量，轰击电子质量分析器射出的离子具有一定的能量，轰击电子倍增管发射出二次电子，电子在电场的作用下，多倍增管发射出二次电子，电子在电场的作用下，多次撞击倍增极，最后可以检测到次撞击倍增极，最后可以检测到10-17A的微弱电流，的微弱电流，经放大器放大后，用记录仪快速记录到光敏记录纸经放大器放大后，用记录仪快速记录到光敏记录纸
12、上，或用计算机处理结果。上，或用计算机处理结果。检测器的种类：检测器的种类：电子倍增管、法拉第筒、照相板、闪烁计数器等电子倍增管、法拉第筒、照相板、闪烁计数器等4、检测器和记录系统、检测器和记录系统电子倍增器：电子倍增器：一定能量的离子轰击阴极导致电子发一定能量的离子轰击阴极导致电子发射，电子在电场的作用下，依次轰击下一级电极而射，电子在电场的作用下，依次轰击下一级电极而被放大。电子倍增器中电子通过的时间很短，利用被放大。电子倍增器中电子通过的时间很短，利用电子倍增器可以实现高灵敏、快速测定。电子倍增器可以实现高灵敏、快速测定。质谱仪需要在高真空下工作：质谱仪需要在高真空下工作：离子源（离子源
13、（10-3 10 -5 Pa ） 质量分析器（质量分析器（10 -6 Pa ）大量氧会烧坏离子源的灯丝；大量氧会烧坏离子源的灯丝；用作加速离子的几千伏高压会引起放电；用作加速离子的几千伏高压会引起放电；引起额外的离子分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。引起额外的离子分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。一般先用机械泵或分子泵预抽真空，然后用高效扩一般先用机械泵或分子泵预抽真空，然后用高效扩散泵抽至高真空散泵抽至高真空5、高真空系统、高真空系统第四节第四节 质谱及其离子峰的类型质谱及其离子峰的类型一、质谱图与质谱表一、质谱图与质谱表 以质荷比以质荷比m/z为为横坐标，离子强横坐标，离子强度为纵坐标
14、来表度为纵坐标来表示质谱数据。以示质谱数据。以质谱中最强峰的质谱中最强峰的高度为高度为100%。最。最强峰称为基峰。强峰称为基峰。质谱表是用表格形式表示质谱数据，准确给出质谱表是用表格形式表示质谱数据，准确给出m/z值和相对强度。值和相对强度。二、离子峰的主要类型二、离子峰的主要类型分分子子在在离离子子源源中中可可产产生生各各种种电电离离，即即同同一一分分子可产生多种子可产生多种离子峰离子峰：v分子离子峰分子离子峰、v同位素离子峰同位素离子峰、v碎片离子峰碎片离子峰、v重排离子峰重排离子峰、v亚稳离子峰亚稳离子峰等等1.1.分子离子峰：分子离子峰：分子受电子束轰击后失去一个电分子受电子束轰击后
15、失去一个电子形成的分子离子所产生的峰。子形成的分子离子所产生的峰。分子离子的质量与化合物的相对分子量相等分子离子的质量与化合物的相对分子量相等有机化合物分子离子峰的稳定性顺序：有机化合物分子离子峰的稳定性顺序：芳香化合物共轭链烯烯烃脂环化合物直芳香化合物共轭链烯烯烃脂环化合物直链烷烃酮胺酯醚酸支链烷烃醇链烷烃酮胺酯醚酸支链烷烃醇分分子子离离子子含含有有奇奇数数个个电电子子，一一般般出出现现在在质质谱谱的的最最右右侧侧。是确定分子量及分子式的重要依据。是确定分子量及分子式的重要依据。ABCD+为为分子离子峰分子离子峰，m/z即为分子的分子量即为分子的分子量。对于。对于有机物，杂原子有机物，杂原子
16、S，O，P，N等上的未共用电子对等上的未共用电子对最易失去，其次是最易失去，其次是 电子，再其次是电子，再其次是 电子。电子。2.2.同位素离子峰同位素离子峰：含有同位素的离子称为同位素离子。：含有同位素的离子称为同位素离子。由这些同位素所形成的峰称之为由这些同位素所形成的峰称之为同位素峰同位素峰有机化合物一般由有机化合物一般由C、H、O、N、S、Cl及及Br等元等元素组成，表中丰度比是以丰度最大的轻质同位素组成，表中丰度比是以丰度最大的轻质同位素为素为100%计算而得。计算而得。重质同位素峰与丰度最大的轻质同位素的峰强重质同位素峰与丰度最大的轻质同位素的峰强比，用比，用 M+1、M+2 、表示，其数值由同位素表示，其数值由同位素丰度比及原子数目决定。丰度比及原子数目决定。同位素同位素13C/12C 2H/1H 17O/16O18O/16O 15N/14N 33S/32S 37Cl/35Cl 81Br/79Br丰度比丰度比 1.12 0.015 0.040 0.20 0.36 0.80 31.98 97.28分子中含一个氯原子分子中含一个氯原子 M：M+2=100：32.03：1分子中
