質(zhì)譜分析法massspectrometry

1、第十四章 質(zhì)譜分析法 Mass spectrometry,質(zhì)譜分析法原理和儀器,質(zhì)譜峰和主要離子峰,質(zhì) 譜 分 析 法 應 用,1.質(zhì)譜分析法的優(yōu)點:(1)它是至今唯一可以確定分子質(zhì)量的方法,在高分辨率質(zhì)譜儀中能夠準確測定質(zhì)量,而且可以確定化合物的化學式和進行結(jié)構(gòu)分析。(2)質(zhì)譜法的靈敏度極高,鑒定的最小量可達10-10g,檢出限可達10-14g。,2. 質(zhì)譜儀的發(fā)展簡史

2、 1912年： 世界第一臺質(zhì)譜裝置 1940年代: 質(zhì)譜儀用于同位素測定 1950年代：分析石油 1960年代：研究GC-MS聯(lián)用技術(shù) 1970年代：計算機引入3. 質(zhì)譜儀的分類 有機質(zhì)譜儀：氣-質(zhì) 液-質(zhì) 富變質(zhì)譜儀 激光解吸飛行時間變質(zhì)譜儀 無機質(zhì)譜儀：ICP-MS 同位素質(zhì)譜儀,一

3、 質(zhì)譜分析法原理,1.質(zhì)譜圖 質(zhì)譜分析是用高速電子來撞擊氣態(tài)分子或原子,將電離后的正離子加速導入質(zhì)量分析器,然后在磁場中按質(zhì)荷比(m/z)大小進行收集和記錄,及得到質(zhì)譜圖。根據(jù)質(zhì)譜峰的位置進行物質(zhì)的定性和結(jié)構(gòu)分析,根據(jù)峰的強度進行定量分析。,第一節(jié) 質(zhì)譜分析法原理和儀器,2.原理 試樣從進樣器進入離子源,在離子源中產(chǎn)生正離子。正離子加速進入質(zhì)量分析器,質(zhì)量分析器將離子按質(zhì)荷比大小不同進行分離。分離后的離子先后進入檢測器，檢

4、測器得到離子信號，放大器將信號放大并記錄在讀出裝置上。 試樣在離子源內(nèi)被氣化、電離。用電子轟擊法在10-5Pa高真空下,以50?100eV能量的電子流轟擊試樣,有機物常常被擊出一個電子,,形成帶一個正電荷的正離子，稱為分子離子( ) M+e-? +2e- 在質(zhì)譜儀中,各種正離子被電位差為800?8000V的負高壓電場加速,加速后的動能等于離子的位能zU,即

5、 加速后的離子進入磁場中,由于受到磁場的作用,使離子作弧形運動,此時離子所受的向心力Bz?和運動的離心力m?2/R相等,得 :,離子質(zhì)荷比與運動軌道曲線半徑R的關(guān)系:,或,質(zhì)譜分析法的基本公式叫質(zhì)譜方程式。若加速電壓U和磁場強度B都一定時，不同m/z的離子，由于運動的曲線半徑不同，在質(zhì)量分析器中彼此分開。,質(zhì)譜儀器 通常有六部分組成：真空系統(tǒng)，進樣系統(tǒng)，離子源，質(zhì)量分析器，離子檢測器，記

6、錄顯示系統(tǒng)。（一）高真空系統(tǒng) 質(zhì)譜儀中所有部分均要處高度真空的條件下(10-4-10-6Pa), 其作用是減少離子碰撞損失。真空度過低，將會引起：1)大量氧會燒壞離子源燈絲2)引起其它分子離子反應，使質(zhì)譜圖復雜化3)干擾離子源正常調(diào)節(jié)4)用作加速離子的幾千伏高壓會引起放電,一般質(zhì)譜儀都采用機械泵預抽空后，再用高效率擴散泵連續(xù)地運行以保持真空?，F(xiàn)代質(zhì)譜儀采用分子泵可獲得更高的真空度。（二） 進樣系統(tǒng) 對進

7、樣系統(tǒng)的要求：重復性、不引起真空度降低。 1 間接進樣 適于氣體、沸點低且易揮發(fā)的液體、中等蒸汽壓固體。如圖14.1所示。注入樣品(10-100g)—貯樣器(0.5L-3L)—抽真空(10-2 Pa)并加熱—樣品蒸汽分子(壓力陡度)—漏隙—高真空離子源。,圖14.1進樣系統(tǒng),2 直接探針進樣：高沸點液體及固體 探針桿通常是一根規(guī)格為25cm?6mm i.d.,末端有一裝樣品的黃金杯(坩堝)，將探針桿通過真空閉鎖系統(tǒng)引入

8、樣品，如圖所示。優(yōu)點：1)引入樣品量小，樣品蒸汽壓可以很低；2)可以分析復雜有機物；3)應用更廣泛。3 色譜進樣：利用氣相和液相色譜的分離能力，進行多組份復雜混合物分析。,圖14.2直接探針進樣系統(tǒng),(三) 電離源(室) 將引入的樣品轉(zhuǎn)化成為碎片離子的裝置。根據(jù)樣品離子化方式和電離源能量高低，通常可將電離源分為：氣相源：先蒸發(fā)再激發(fā)，適于沸點低于500oC、對熱穩(wěn)定的樣品的離子化，包括電子轟擊源、化學電離源、場電離源

9、、火花源。解吸源：固態(tài)或液態(tài)樣品不需要揮發(fā)而直接被轉(zhuǎn)化為氣相，適用于分子量高達105的非揮發(fā)性或熱不穩(wěn)定性樣品的離子化。包括場解吸源、快原子轟擊源、激光解吸源、離子噴霧源和熱噴霧離子源等。,硬源：離子化能量高，伴有化學鍵的斷裂，譜圖復雜，可得到分子官能團的信息。軟源：離子化能量低，產(chǎn)生的碎片少，譜圖簡單，可得到分子量信息。因此，可據(jù)分子電離所需能量不同可選擇不同電離源。1. 電子轟擊源(Electron Bomb Ion

10、ization，EI)作用過程： 采用高速(高能)電子束沖擊樣品，從而產(chǎn)生電子和分子離子，繼續(xù)受到電子轟擊而引起化學鍵的斷裂或分子重排，瞬間產(chǎn)生多種離子。,水平方向：燈絲與陽極間(70V電壓)—高能電子—沖擊樣品—正離子。垂直方向：G3-G4加速電極(低電壓)---較小動能---狹縫準直G4-G5加速電極(高電壓)---較高動能---狹縫進一步準直--離子進入質(zhì)量分析器。特 點： 使用最廣泛，譜庫最完

11、整；電離效率高；結(jié)構(gòu)簡單，操作方便；但分子離子峰強度較弱或不出現(xiàn)(因電離能量最高)。,2. 化學電離源(Chemical Ionization, CI) 作用過程：樣品分子在承受電子轟擊前，被一種反應氣(通常是甲烷)稀釋，稀釋比例約為103:1，因此樣品分子與電子的碰撞幾率極小，所生成的樣品分子離子主要由反應氣分子組成。進入電離源的分子R-CH3大部分與C2H5+碰撞產(chǎn)生(M+1)+離子；小部分與C2H5+反應，生成

12、(M-1)+離子：,特點：電離能小，質(zhì)譜峰數(shù)少，圖譜簡單；準分子離子(M+1)+峰大,可提供分子量這一種要信息。(四)質(zhì)量分析器 作用：將不同碎片按荷質(zhì)比m/z分開。質(zhì)量分析器類型：磁分析器、飛行時間、四極桿、離子捕獲、離子回旋等。磁分析器： 單聚焦型(Magnetic sector spectrometer)：僅用一個扇形磁場進行質(zhì)量分析的質(zhì)譜儀。,1 單聚焦分析器（single focusing mass

13、analyzer),1)結(jié)構(gòu)：扇形磁場（可以是1800 、 900、600等),圖14.3單聚焦分析器,Bzev= mv2/r,2.雙聚焦質(zhì)量分析器 帶電離子質(zhì)量分析器，在磁場作用下，飛行軌道彎曲。當向心力Bzev與離心力mv2/r相等時，離子才能飛出磁場區(qū)，即，,當B、r、U三個參數(shù)中任兩個保持不變而改變其中一個參數(shù)時，可得質(zhì)譜圖?，F(xiàn)代質(zhì)譜儀通常是保持U、r不變，通過掃描磁場來得到質(zhì)譜圖的。下圖可更直觀地看到單

14、聚焦質(zhì)量分析器的工作過程。,圖14.4單聚焦質(zhì)量分析器,單聚焦質(zhì)量分析器只是將m/z相同而入射方向不同的離子聚焦到一點，而對于m/z相同而動能（或速度)不同的離子不能聚焦，故其分辨率較低，一般為5000。2. 雙聚焦型(Double focusing spectrometer) 為克服動能或速度“分散”的問題，即實現(xiàn)所謂的“速度聚焦”，在離子源和磁分析器之間加一靜電分析器（ESA)，如下圖所示，于兩個扇形電極板上加一直流電位V

15、e，離子通過時的曲率半徑為re=U/V，即不同動能的離子re不同，換句話說，相同動能的離子的re相同----能量聚焦了。,雙聚焦分析器（Doubpe focusing mass analyzer),圖14.5 雙聚焦分析器,思考：為什么雙聚焦儀比單聚焦儀有更高的分辨率？3. 四極濾質(zhì)器(Quadrupole mass filter)組成如：,圖14.6 四極濾質(zhì)器,在兩個相對的極桿之間加電壓(U+Vcos?t)，在另兩個相對的極桿上加

16、-( U+Vcos?t)。與前述雙聚焦儀的靜電分析器類似，離子進入可變電場后，只有具合適的曲率半徑的離子可以通過中心小孔而到達檢測器。特點：分辨率比磁分析器略低(max.2000); m/z范圍與磁分析器相當；傳輸效率較高；掃描速度快，可用于GC-MS聯(lián)用儀。,(五)檢測器 包括Faraday杯、電子倍增器、閃爍計數(shù)器、照相低片等。1) Faraday 杯：可檢測10-15A的離子流，但不適于高加速電壓下的離子檢測。2)電

17、子倍增器：類似于光電倍增管，可測10-18A電流。但有質(zhì)量歧視效應。3)閃爍計數(shù)器：記錄離子的數(shù)目。,一、質(zhì)譜圖 以荷質(zhì)比m/z為橫座標，以對基峰(最強離子峰，規(guī)定相對強度為100%)相對強度為縱座標所構(gòu)成的譜圖，稱之為質(zhì)譜圖。,圖14.7 質(zhì)譜圖,第二節(jié) 質(zhì)譜峰和主要離子峰,二、質(zhì)譜峰主要離子峰 分子在離子源中可產(chǎn)生各種電離，即同一分子可產(chǎn)生多種離子峰：分子離子峰、同位素離子峰、碎片離子峰、重排離子峰、亞穩(wěn)離子峰

18、等。 設有機化合物由A，B，C和D組成，當蒸汽分子進入離子源，受到電子轟擊可能發(fā)生下列過程而形成各種類型的離子：A,B,C,D+為分子離子峰，m/z即為分子的分子量。對于有機物，雜原子S，O，P，N等上的未共用電子對最易失去，其次是?電子，再其次是?電子。,(一)分子離子峰 分子受電子束轟擊后失去一個電子而生成的離子 稱為分子離子,在質(zhì)譜圖上由M所形成的峰稱為分子離子峰。 M + e- →

19、 +2e 分子離子峰的強弱順序為：芳環(huán)?共軛烯?烯?酮?直鏈烷烴?醚?酯?胺?酸?醇?高分子烴。,(二) 碎片離子峰 因分子發(fā)生鍵的斷裂只需要十幾電子伏特的能量，而電子轟擊的能量為70eV，因而會產(chǎn)生質(zhì)量數(shù)更小的碎片,稱為碎片離子峰。 m/z 58 m/z43 m/z15 斷裂方式可分為均

20、裂、異裂和半異裂：烷烴化合物斷裂多在C-C之間發(fā)生，且易發(fā)生在支鏈上，烯烴多在雙鍵旁的第二個鍵上開裂。,(三) 同位素峰 由于天然同位素的存在，因此在質(zhì)譜圖上出現(xiàn) , ， 等,其同位素峰叫做同位素離子峰.對應的m/z為M+1，M+2,M+3.其同位素類型用M,M+1,M+2表示.人們通常把某元素的同位素占該元素的原子質(zhì)量分數(shù)稱為同位素豐度。,(四)重排離子峰 原子或基團經(jīng)重排后再開裂而

21、形成一種特殊的碎片離子，稱重排離子。如醇分子離子經(jīng)脫水后重排可產(chǎn)生新的重排離子峰。重排離子形成的機理：,(五) 亞穩(wěn)離子峰過程：質(zhì)量數(shù)為m1的多個帶電離子，其中部分失去中性碎片?m而變成m2而形成亞穩(wěn)離子峰m*，此時可將此峰看成m1和m2的“混合峰”，因此形成“寬峰”，極易識別。且有下式：此式可用于尋找裂解途徑(通過母離子m1與子離子m2的關(guān)系)。,內(nèi)容有：分子量測定、化學式及結(jié)構(gòu)式簽定一 相對分子質(zhì)量的測定

22、 根據(jù)分子離子峰質(zhì)荷比可確定分子量，通常分子離子峰位于質(zhì)譜圖最右邊，但由于分子離子的穩(wěn)定性及重排等，質(zhì)譜圖上質(zhì)荷比最大的峰并不一定是分子離子峰。那么，如何辯認分子離子峰呢？,第三節(jié) 質(zhì)譜分析法應用,(一) 原則上除同位素峰外，分子離子峰是最高質(zhì)量的峰。但要注意“醚、胺、脂的(M+H)+峰”及“芳醛、醇等的(M-H)+峰”。     (二)分子離子峰應符合“氮律”。在C、H、O

23、組成的化合物中，分子離子峰的質(zhì)量數(shù)一定是偶數(shù)；在含C、H、O、N化合物中，含0個或偶數(shù)個N的分子量為偶數(shù)，含奇數(shù)個N的分子量為奇數(shù)。     (三)分子離子峰與鄰近峰的質(zhì)量差是否合理。有機分子失去碎片大小是有規(guī)律的：如失去H、CH3、H2O、C2H5…….,因而質(zhì)譜圖中可看到M-1，M-15，M-18，M-28等峰，而不可能出現(xiàn)M-3，M-14，M-24等峰，如出現(xiàn)這樣的峰，則該峰一定不是分子離

24、子峰。,(四)    EI源中，當電子轟擊電壓降低，強度不增加的峰不是分子離子峰。,二、化學式的確定 a) 高分辨質(zhì)譜：可分辨質(zhì)荷比相差很小的分子離子或碎片離子。如CO和N2分子離子的m/z均為28，但其準確質(zhì)荷比分別為28.0040和27.9949，高分辨質(zhì)譜可以識別它們。 b) 低分辨質(zhì)譜則不能分辨m/z相差很小的碎片離子，如CO和N2。通常通過同位素相對豐度法來確定分子的化

25、學式。,對于含有Cl, Br, S 等同位素天然豐度較高的化合物，其同位素離子峰相對強度可由（a+b)n展開式計算，其中a、b分別為該元素輕重同位素的相對豐度，n 為分子中該元素的原子個數(shù)。CH3Cl：因為，a=3, b=1, n=1, 因此(3+1)1=3+1， 即m/z50(M):m/z52(M+2)=3:1CH2Cl2：因為，a=3, b=1, n=2, 因此(3+1)2=9+6+1, 即m/

26、z84(M):m/z86(M+2):m/z88(M+4)=9:6:1CHCl3：因為a=3, b=1, n=3, 因此，(3+1)3=27+27+9+1 即m/z118(M):m/z120(M+2):m/z122(M+4):m/z124(M+6)=27:27:9:1,對于含有兩種或以上的雜原子，則以（a1+b1)n1?(a2+b2)n2 ?……表示。ClCH2Br: (3+1)1(1+1)1=3+4+1

27、 即：m/z128(M):m/z130(M+2):m/z132(M+4)=3:4:1,三、結(jié)構(gòu)簽定：多采用與標準譜庫對照的方法a) 根據(jù)質(zhì)譜圖，找出分子離子峰、碎片離子峰、亞穩(wěn)離子峰、m/z、相對峰高等質(zhì)譜信息，根據(jù)各類化合物的裂規(guī)律，重組整個分子結(jié)構(gòu)。b) 采用與標準譜庫對照的方法.由質(zhì)譜數(shù)據(jù)推導有機物分子結(jié)構(gòu)的過程，形象地說，如同用彈弓擊碎一個瓷花瓶，再由一堆碎片來拼湊復原花瓶的過程。,質(zhì)譜定量分析(一)無機痕量

28、分析(二)同位素的測定(三)混合物的定量分析,a)C6D6純度測定：看C6D6+，C6D5H+，C6D4H2+，C6D3H3+等的相對強度確定。b)同位素標記：用穩(wěn)定同位素來標記化合物，用它作示蹤來測定在化學反應或生物反應中該化合物的最終去向，研究反應機理。如酯的水解機理就是用將酯基用18O來標記，然后只要示蹤18O是在水解生成的烷醇中，還是在酸中。若在烷醇中則是酰氧斷裂；反之則是烷氧斷裂。c)同位素年代測定：通過36Ar與40

29、Ar的強度比求出40Ar(由40K經(jīng)1.3?109a衰變而來)含量，再據(jù)半衰期求出其年代。,GC則具有分離復雜混合物的能力，定量易定性難；而MS多用于純物質(zhì)定性分析。二者有機結(jié)合，可提復雜混合物定性定量極為有效的工具。以上將兩種或以上的方法結(jié)合起來的技術(shù)稱之為聯(lián)用技術(shù)。如GC-MS，LC-MS，CE-MS，GC-FTIR，MS-MS等。 由于MS要求高真空，因此與MS聯(lián)用，必須解決真空連結(jié)或＂接口＂問題。,第四節(jié) &#

30、160;       色譜/質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù) (Hyphenated method),圖14.8GC-MS,填充柱：載氣+樣品------分子分離器(He被抽走，樣品借慣性前進；真空度大大下降)-----MS離子室毛細管柱：載氣+樣品----進入電離室檢測記錄過程：經(jīng)分離的各分子依次進入電離室---經(jīng)總離子流檢測器記錄色譜圖----總離子流圖(Tot

31、al ion chromatogram, TIC)----- 某一組份離子流(離子流峰)一旦出現(xiàn)，立即觸發(fā)MS開始掃描其質(zhì)譜圖。,二、LC-MS LC對分離熱不穩(wěn)定物質(zhì)較GC好，LC-MS聯(lián)用最主要的是要解決：如何有效除去大量流動相液體。早期使用“傳動帶技術(shù)”，現(xiàn)多采用“離子噴霧”或“電噴霧”技術(shù)。,習題1.等摩爾的CH4和CD4的混合物與CH2D2有相同數(shù)目的D原子，但是CH4和CD4混合物的質(zhì)譜明顯的不同于CH2

32、D2是說明它們的質(zhì)譜圖?！?解：CH4和CD4的混合物的質(zhì)譜圖如下：在m/z16和m/z20分別是CH4和CD4的分子離子峰；在m/z17和22相應出現(xiàn)它們的同位素離子峰[M+1]和[M+2];CH4因失去１～３個Ｈ相應在m/z15,14和13出現(xiàn)低強度的碎片離子峰；CH 4因失去1～3個D相應的低強度離子峰分別為18、16和14。而CH2D2的分子離子峰m/z18,因失去H或Ｄ產(chǎn)生低強度的m/z17,16,15,13碎片離子峰。,

33、2.化合物A和B分子離子峰為m/z58。在NaOD中以D2O處理后，化合物Ａ在處出現(xiàn)一離子峰，而化合物B在處出現(xiàn)一離子峰。試問何種類型的化合物在以 處理后，會產(chǎn)生此現(xiàn)象？A 和B各為什么化合物？解: 在堿性介質(zhì)中經(jīng)D2O處理后，A的相對分子量增加6，B增加2，表示化合物 A和B均有酸性氫在堿性中易離解，而被氘代，故相對分子量增加，可知A和B 均為帶α-羰基氫的化合物。

34、 查Beynon表，相對分子量為58，而又帶有氧原子的化合物有下列幾種：CNO2，CH2N2O，C2H2O2，C2H4NO，C3H6O，其中具有羰基氫的只有丙酮和丙醛：丙酮分子中有6個羰基氫，可以被D取代，反應機理如下：故化合物A為丙酮。丙醛分子中有2個羰基氫可被氘取代，其反應機理類似于丙酮：故化合物B為丙醛。,3.某化合物的質(zhì)譜圖如圖所示，試推斷其結(jié)構(gòu)。

35、 m/z解 從質(zhì)譜圖可以看出，出現(xiàn)的離子峰m/z符合CnH2n+1;并且相鄰兩峰的差為14，即相差即相差一個-CH2；最強離子峰m/z為43，這是飽和直鏈烷烴的典型特征。故改化合物為n-癸烷。,,,,,,,,,,,,,,,,,,20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160,29,,,,5

36、7,85,142,相對豐度%,,,,,,,,,,,,113,99,71,43,4.某未知化合物的質(zhì)譜圖如圖所示。試推斷其結(jié)構(gòu)。,m/z,解 從該化合物的質(zhì)譜圖上可以看出，分子離子峰146，并出現(xiàn)了質(zhì)量數(shù)相差2的幾對離子峰：m/z 35?37、67?69、79?81、111?113 、127?129、和146? 148。由m/z69=148? 79，是失去一個溴原子產(chǎn)生的離子峰，以及m/z 79? 81的等強度兩對峰等，可以說明該化合物

37、含有一個溴原子。由m/z113=148? 35，是失去一個氯原子產(chǎn)生的離子峰，以及m/z 35?37這對離子峰，可知該化合物含有一個氯原子。由m/z 129=148 ? 19，是失去一個氟原子產(chǎn)生的離子峰，以及m/z 31為C—F­­­+，可知該化合物含有一個氟原子。,故該化合物為：,1，除同位素離子峰外，分子離子峰位于質(zhì)譜圖的 區(qū)，它是分子失去 生成的，故

38、其質(zhì)荷比是該化合物的 。2，在化合物CH3Br的質(zhì)譜圖中，M和M+2峰的相對強度比為 。（南開大學2001年）3.化合物Br2HaC—CH2Br中Ha質(zhì)子裂分為 個峰，其峰強度的比值為 。（南開大學2002年）4.質(zhì)譜方程式是____，在固定磁場及外加電壓的儀器中，隨磁場曲率半徑逐漸增大，質(zhì)核比依次_____排列。（南開大學2003年

39、）,5.某實驗室有原子吸收分光廣度計，極譜儀、紫外分光光度計、氣相色譜儀、核磁共振儀和離子活度計，現(xiàn)有以下分析測試任務，請選用最適宜的分析儀器： A.檢測污泥中含有那些金屬元素（ ）B.測定工業(yè)原料丁醇中正丁醇的百分含量（ ）C.普查兒童頭發(fā)中鋅的含量（ ）D.檢測污水中氟的含量（ ）E.檢測有機化合物中無S=O基團（ ）F.推斷某有機化合物的結(jié)構(gòu)（ ）（首都師范大學1999年）,1.

40、某化合物用一個具有固定狹縫和恒定加速電壓的質(zhì)譜儀進行分析，當磁場強度慢慢的增加時，則首先通過狹縫的是（ ） A質(zhì)荷比最高的正離子 B質(zhì)荷比最低的正離子 C 質(zhì)量最大的正離子 D質(zhì)量最小的正離子2.某試樣質(zhì)譜圖的M和M+2峰強度的比值為3:1,則分子中一定含有( ) A 一個溴原子 B 一個氯原子 C 兩個溴原子 D 兩個氯原子（南開大學2001年）,3.下列化合物含C、H、O、N和S，試指出那一種

41、化合物的分子離子峰為奇數(shù)（ ）A.C6H6 B.C8H2NO2 C.C4H2N6O D.C6H10O2S4.某試樣質(zhì)譜圖的M和M+2峰對比值為1:1，則分子中一定含有（ ）A.一個溴原子 B.一個氧原子 C.兩個氯原子 D.兩個溴原子（南開大學2003年）5.在下列混合物中，質(zhì)子化學位移（δ）最小者是（ ）A、CH3Br B、CH4 C、CH3I D、CH3