《仪器分析质谱法课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《仪器分析质谱法课件（87页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第十九章第十九章 质谱法质谱法Mass Spectrometry, MS仪器分析教研室仪器分析教研室 高毅华高毅华 22896376有机四大谱有机四大谱紫外可见吸收光谱：分子的共轭体系紫外可见吸收光谱：分子的共轭体系红外光谱：判断特征官能团红外光谱：判断特征官能团核磁共振波谱：氢、碳等原子核的化学环境核磁共振波谱：氢、碳等原子核的化学环境质谱质谱：精确分子量精确分子量和和碎片离子信息碎片离子信息推测有机物的推测有机物的分子结构分子结构。三聚氰胺二甲基亚硝胺氟乙酸甲酯离子离子质荷比质荷比( (m/z)质谱法质谱法本章内容本章内容19.1 质谱仪质谱仪19.2 质谱图及有关概念质谱图及有关概念19
2、.3 质谱法的应用质谱法的应用19.4 质谱联用技术质谱联用技术19.1 质谱仪质谱仪一、概述一、概述质谱法质谱法（MS） 利用离子化技术，将物质分子转化为离子，按其质荷比（m/z）的差异分离测定，从而进行物质成分和结构分析的方法。u唯一可以唯一可以确定分子量确定分子量的方法，特别适用于生物大的方法，特别适用于生物大分子分子量（数十万）测定。分子分子量（数十万）测定。CH3-CH2-CH32+CH3-CH2-CH3+质荷比的计算质荷比的计算质荷比质荷比 = =质量质量电荷数电荷数样品分子样品分子质谱分析过程质谱分析过程气态离子气态离子按按m/z分离分离质谱图质谱图 首先将分子离子化，然后在电场
3、或磁场作用下，利用离子质荷比的差异进行分离和检测，按质荷比大小把离子排列成谱，得到质谱图。质谱分析过程质谱分析过程相对强度相对强度质谱图质谱图基峰基峰质荷比质荷比1)1)根据质谱峰的质荷比测定化合物的根据质谱峰的质荷比测定化合物的分子量分子量，推测，推测分子式及结构式分子式及结构式2)2)根据峰强度进行根据峰强度进行定量分析定量分析 1911年: 世界第一台质谱装置（J.J. Thomson） 40年代: 同位素和无机元素分析 50、60年代：有机物分析，GC-MS联用技术 80年代：新的质谱技术出现，基质辅助激光解吸 电离源，电喷雾电离源，LC-MS联用仪等. 1922年和2002年 Nob
4、el price质谱发展史质谱发展史质谱仪的分类质谱仪的分类有机质谱仪有机质谱仪无机质谱仪无机质谱仪同位素质谱仪同位素质谱仪气体分析质谱仪气体分析质谱仪有机质谱的策略有机质谱的策略( (一一) ) 质谱仪的性能指标质谱仪的性能指标1. 分辨率分辨率：分开相邻质量数离子的能力（R）。二、质谱仪二、质谱仪(Mass Spectrometer) A: 未分开未分开 B:部分分开部分分开 C:全分开全分开 分辨差分辨差 分辨较差分辨较差 分辨达到要求分辨达到要求m2m1何为分开？何为分开？ 相等强度的相邻峰，两峰间的峰谷不大于峰高10%时，可认为两峰已分开。分辨率计算例题：hR10000, 高分辨质谱
5、仪实际工作测量：2. 质量测定范围质量测定范围：离子质荷比范围无机质谱仪：2 250有机质谱仪：10 数千3. 灵敏度灵敏度：仪器可以检测到的最小样品量（二）质谱仪的结构（二）质谱仪的结构真空系统12345123451. 进样系统进样系统 在不降低真空度的条件下，将样品引入到离子源中。 间歇式进样； 直接探针进样； 色谱进样。（1）间歇式进样系统：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u对于蒸汽压低的样品进行衍生化后进样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（3）色谱进样：色谱-质谱联用仪器，经色谱分离后的流分，通过接口直
6、接导入离子源。2. 离子源离子源 把样品分子电离成离子，并使其具有一定能量。电离化学电离：在水溶液或熔融状态下产 生自由移动离子的过程。物理电离：在外部能量作用下，分子、 原子形成离子的过程。硬离子源：离子化能量高 软离子源：离子化能量低根据离子源所提供的能量大小分类：不同分子，所需电离能不同，选择不同的离子源；不同分子，所需电离能不同，选择不同的离子源；不同的离子化方法，产生的质谱图不同，根据需要不同的离子化方法，产生的质谱图不同，根据需要选择合适的离子源。选择合适的离子源。 离子源的结构与性能对分析效果的影响极大，离子源的结构与性能对分析效果的影响极大，被称为被称为“质谱仪的心脏质谱仪的心
7、脏”电子轰击电离源（EI）化学电离源（CI）场致电离源（FI）电喷雾电离源（ESI）大气压化学电离源(APCI)基质辅助激光解吸电离 (MALDI)（1）电子轰击源）电子轰击源 (Electron Ionization, EI)高能电子束（70 eV）与样品分子发生碰撞，样品分子电离，产生正离子。分子离子离子源 flash轰击能量：轰击能量：70 eV有机化合物电离能：有机化合物电离能：715 eVM1+, M2+, M3+断裂、重排、加合反应断裂、重排、加合反应 BCD + A + B + A + CD + AB + A + B + ABCD+ D + C + AB + CD + C + D
8、 +碎片离子EI 源质谱图EI 源的特点：源的特点：电离效率高,灵敏度高；常没分子离子峰常没分子离子峰；离子碎片多,有丰富的结构信息；有标准质谱图库（有标准质谱图库（EI源独有；源独有；70 eV）；只适用于易气化、热稳定的化合物。 离子室内的反应气（甲烷等；样品浓度的1000倍以上），首先受电子轰击，产生离子。反应气离子再与试样分子发生分子-离子反应，使样品电离。（2）化学离子化源）化学离子化源 (Chemical Ionization, CI)离子源 flash甲烷电离甲烷离子与分子反应生成加合离子90%分子分子- -离子反应过程：离子反应过程：加合离子与样品分子反应准分子离子准分子离子:
9、 (M 1)+(M + 1)+(M - 1)+ 采用采用CI源源, , 图谱简单，易测得分子量图谱简单，易测得分子量CI 源质谱图EI谱与谱与CI谱的比较谱的比较EI谱CI谱准分子离子峰强, 可获得分子量信息;谱图简单;只适用于易气化、热稳定的化合物。CI 源的特点：源的特点：（3）场离子化源）场离子化源 (Field Ionization, FI)阳极+阴极d1mm电压：7-10 kV；d1 mm强电场诱发样品离子化电场能量12-13 eV分子离子峰强；碎片离子峰少。只适用于易气化、热稳定的化合物。离子源 flash（4 4）电喷雾电离源电喷雾电离源( (Electrospray Ioniz
10、ation, ESI) ) 电喷雾电离源电喷雾电离源+-+-+-+-Evaporation+Charged Droplets试样离子试样离子准分子离子准分子离子Analyte Ions Solvent Ion ClustersSalts/Ion pairsNeutrals+-其他离子其他离子电喷雾源属软电离技术，产生准分子离子；电喷雾源属软电离技术，产生准分子离子；适用于适用于强极性强极性，大分子量的样品分析；如肽，蛋白，大分子量的样品分析；如肽，蛋白质，糖等；质，糖等；电喷雾电离源的最大特点是容易形成电喷雾电离源的最大特点是容易形成多电荷离子多电荷离子；主要用于主要用于液相色谱液相色谱- -
11、质谱联用仪质谱联用仪。ESI 源的特点：源的特点：肌红蛋白电喷雾质谱图（5 5）大气压化学电离源大气压化学电离源 (Atmospheric Pressure Chemical Ionization, APCI)准分子离子峰；液相色谱准分子离子峰；液相色谱- -质谱联用仪；中等极性物质质谱联用仪；中等极性物质一种软电离新型有机质谱；一种软电离新型有机质谱；通过引入基质分子，使待测分子不产生碎片，解决通过引入基质分子，使待测分子不产生碎片，解决了非挥发性和热不稳定性生物大分子解吸离子化的了非挥发性和热不稳定性生物大分子解吸离子化的问题，是分析难挥发的有机物质的重要手段之一；问题，是分析难挥发的有机
12、物质的重要手段之一；广泛应用于生物技术和制药企业的药物开发、科研广泛应用于生物技术和制药企业的药物开发、科研领域的生物分析和化学检测以及安全部门的核辐射、领域的生物分析和化学检测以及安全部门的核辐射、化学物质和生物病原体的监测等。化学物质和生物病原体的监测等。 简介：基质辅助激光解吸电离简介：基质辅助激光解吸电离(MALDI)(MALDI)质谱离子源应用范围质谱离子源应用范围M.W极性极性EI /CI (GC)FIAPCI (HPLC)ESI (HPLC)MALDI3. 质量分析器质量分析器 将在离子源中产生并加速了的离子，按其质荷比不同加以分离。磁分析器（单聚焦、双聚焦）飞行时间分析器四极滤
13、质器离子阱检测器离子回旋共振分析器（1）磁分析器）磁分析器 离子被加速后进入磁场，受磁场作用而作匀速圆周运动。一定 B, U 下，m/z 不同，r 不同（质量色散）通常保持 U, r 不变，扫描 B 获得质谱图单聚焦质谱仪单聚焦质谱仪收集器离子源BS1S2磁场R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（ 共轭链烯共轭链烯 脂环化合物脂环化合物 烯烃烯烃 直链直链烷烃烷烃 硫醇硫醇 酮酮 胺胺 酯酯 醚醚 酸酸 支链烷烃支链烷烃 醇醇分子离子越稳定，则峰越强分子离子越稳定，则峰越强分子离子峰的判断分子离子峰的判断 原则上，除同位素峰外，分子离子峰质荷比最大。分子离子峰应符合分子离子
14、峰应符合“氮律氮律”由由C, H, O, N组成的有机化合物，组成的有机化合物，N奇数，奇数，M奇数。奇数。由由C, H, O, N组成的有机化合物，组成的有机化合物，N偶数，偶数，M偶数。偶数。例：某不含氮的化合物得到的质谱图数据如下，例：某不含氮的化合物得到的质谱图数据如下，试判断试判断 m/z 最大的是否是分子离子峰？最大的是否是分子离子峰？ m/z 29, 31, 39, 40, 41, 42, 43, 45, 55, 56, 57分子离子峰与邻近峰的质量差必须合理分子离子峰与邻近峰的质量差必须合理 在比分子离子峰小在比分子离子峰小3-14、21-24个质量单位处，个质量单位处，不应该
15、有离子峰出现。不应该有离子峰出现。例：某不含氮的化合物得到的质谱图数据如下，例：某不含氮的化合物得到的质谱图数据如下，试判断试判断 m/z m/z 最大的是否是分子离子峰？最大的是否是分子离子峰？ m/z 29, 31, 39, 40, 41, 42, 43, 45, 55, 56EI 源中，当电子轰击电压降低，强度不增加的源中，当电子轰击电压降低，强度不增加的峰不是分子离子峰。峰不是分子离子峰。84848598988570ev12ev2. 碎片离子峰碎片离子峰 具有较高能量的分子离子峰，将会通过进一步碎裂而释放能量，碎裂后产生的离子形成的峰即为碎片离子峰。(m/z = 105)(m/z =
16、77)M = 122常见的碎片离子峰与基团常见的碎片离子峰与基团 碎片离子峰(m/z)对应的离子15CH3+17OH+26CN+28CH2=CH2+29CH2CH3+, CHO+31CH3O+45CH2CH3O+77C6H5+91C6H5CH2+3. 同位素离子峰同位素离子峰 由于由于同位素同位素的存在，在质谱图上出现一些的存在，在质谱图上出现一些M+1, M+2 的的峰，由这些同位素形成的离子峰称峰，由这些同位素形成的离子峰称为同位素离子峰。为同位素离子峰。CH4 M = 16 C: 12C, 13C H: 1H, 2H, 3H13CH4, CH32HM+1 同位素峰的强度由同位素丰度比及原
17、子数目决定含卤素化合物，分子离子峰与同位素离子峰强度比可用(a + b)n计算35Cl : 37Cl 3 : 1, 79Br : 81Br 1 : 1M : (M+2) 3 : 1M : (M+2) 1 : 14. 重排离子峰重排离子峰 有些离子不是由简单断裂产生的，而是发生了原子或基团的重排，这样产生的离子称为重排离子 ，质谱图上相应的峰称为重排离子峰。麦氏重排条件：双键；碳上有 H 原子例：下面的化合物能否发生麦氏重排？19.3 质谱法的应用质谱法的应用一、定性分析一、定性分析 依据分子离子峰，因为分子离子峰的 m/z 等于化合物的相对分子质量。1. 1. 相对分子质量的测定相对分子质量的
18、测定2. 2. 分子式的确定分子式的确定利用分子离子峰的同位素峰确定分子式的组成 由 M+1/M, M+2/M 的百分比，查拜诺(Beynon)表，找出最可能的分子式利用高分辨率质谱仪精确确定分子离子、碎片离子的质荷比，进而利用元素的精确质量，求出其元素组成。元素精确原子量元素精确原子量C12.000000O15.994915H1.007825N14.003074如：高分辨质谱测定某未知物的相对分子质量为126.0328000CwHxOyNz: wC + xH + yO + zN = 126.0328000计算机给出其可能的分子式为： (A) C9H4ON 126.0328016 (B) C2
19、H2ON6 126.0327962 (C) C4H4O2N3 126.0327976 (D) C6H6O3 126.0327989()()()()()()( () )3. 3. 结构鉴定结构鉴定n4: 四价原子数；n3: 三价原子数；n1: 一价原子数利用标准谱库计算分子的不饱和度分子离子峰的相对强度碎片离子峰提供的信息紫外、红外、核磁波谱结合例：某化合物的分子式为C8H8O2，质谱如图所示。试推断该化合物的结构。解：不饱和度 = 5，分子量 M = 136m/z 77, 51, 39: 苯环m/z 105: 分子离子失去质量为31的碎片（CH2OH或OCH3）m/z 77: (C6H5+)
20、m/z 105 失去质量为28的碎片（CO或C2H4），图中没有烷基苯m/z 91的峰，所以是失去CO结构式：ArCOCH2OH 或ArCOOCH3二、定量分析二、定量分析u 主要与色谱仪联用主要与色谱仪联用19.4 色谱色谱-质谱联用技术质谱联用技术一、概述一、概述质谱：定性分析色谱：化合物分离，定量分析色谱-质谱联用：共同优点 GC-MS; LC-MS关键技术：关键技术：色谱-质谱连接技术及信号的高速获取与存储GC-MS联用仪联用仪质谱仪质谱仪气相色谱仪气相色谱仪气质接口气质接口离子源离子源二、二、色谱质谱仪基本结构色谱质谱仪基本结构100%50%混合混合组分组分GC色谱仪色谱仪 纯组分纯
21、组分 质谱仪质谱仪 质谱图质谱图 100 200 M/ZGC-MS基本原理基本原理全扫描全扫描(SCAN)和选择离子和选择离子(select ion monitor, SIM)SIMSCAN三、三、色谱质谱仪常用技术色谱质谱仪常用技术总离子色谱图和质量色谱图总离子色谱图和质量色谱图酱油中偶氮染料的分析苏丹橙 G苏丹红 IV苏丹红 III苏丹红 II苏丹红 I甲基黄四、色谱四、色谱- -质谱联用质谱联用应用举例应用举例本章小结本章小结1.1.基本概念：质谱分析法、质谱分辨率基本概念：质谱分析法、质谱分辨率2.2.离子源、质量分析器和真空系统离子源、质量分析器和真空系统3.3.常见的离子类型常见的离子类型4.4.色谱质谱的应用色谱质谱的应用思考题思考题1.1.质谱分析法质谱分析法2.2.质谱仪由哪几部分组成？各部分的作用是什质谱仪由哪几部分组成？各部分的作用是什么？（划出质谱仪的方框示意图）么？（划出质谱仪的方框示意图）3.3.离子源的作用是什么？试述离子源的作用是什么？试述 EI 和和 CI 离子源离子源的原理及特点的原理及特点 4.4.为何质谱仪需要高真空为何质谱仪需要高真空? ?5.5.教材习题：教材习题：19.319.3
