質(zhì)譜原理與方法課件

一、質(zhì)譜發(fā)展史1910年，英國(guó)劍橋大學(xué)J.J.Thomson首先發(fā)現(xiàn)了氖的同位素（20Ne22Ne)，1934年，雙聚焦質(zhì)譜儀，大大提高了分辨率。二戰(zhàn)期間，用于美國(guó)原子彈制造計(jì)劃（研究235U）。1942年，世界上第一臺(tái)商品化質(zhì)譜儀問(wèn)世，并用于石油分析。1953年，出現(xiàn)新型質(zhì)量分析器－四極濾質(zhì)器。1955年，脈沖飛行時(shí)間分析器問(wèn)世并出現(xiàn)新的離子化手段，火花離子源、二次離子源等。一、質(zhì)譜發(fā)展史1910年，英國(guó)劍橋大學(xué)J.J.Thomson160年代以后，更多的新的離子化方法：EI，F(xiàn)D，CI，激光離子化，ICP，F(xiàn)AB，ESI，復(fù)雜的質(zhì)譜儀推出，離子探針，三級(jí)四極桿，四極桿飛行時(shí)間，磁場(chǎng)四極，磁場(chǎng)飛行時(shí)間，離子回旋共振等，氣質(zhì)聯(lián)用(GC-MS)。1974年等離子體質(zhì)譜。1981年快原子轟擊質(zhì)譜(FAB)。1988年，多級(jí)電噴霧電離質(zhì)譜(ESI-MS)，液質(zhì)聯(lián)用（LC-MS）。90年代以后，EPI-MS，ESI-MSMALDI-MS用于生物間非共價(jià)鍵作用研究，聯(lián)用技術(shù)發(fā)展迅速,核磁共振質(zhì)譜連用(NMR-MS)。60年代以后，更多的新的離子化方法：EI，F(xiàn)D，CI，2二、質(zhì)譜分析原理

1、質(zhì)譜儀組成：進(jìn)樣系統(tǒng)離子源質(zhì)量分析器檢測(cè)器1.氣體擴(kuò)散2.直接進(jìn)樣3.氣相色譜1.電子轟擊2.化學(xué)電離3.場(chǎng)致電離4.激光

1.單聚焦2.雙聚焦3.飛行時(shí)間4.四極桿

1.電子倍增管2、光電倍增管

二、質(zhì)譜分析原理

1、質(zhì)譜儀組成：進(jìn)樣系統(tǒng)離子源32、質(zhì)譜儀的特點(diǎn)質(zhì)譜儀需要在高真空下工作：離子源（10-3

10-5Pa

）質(zhì)量分析器（10-6Pa

）(1)大量氧會(huì)燒壞離子源的燈絲；(2)用作加速離子的幾千伏高壓會(huì)引起電；(3)引起額外的離子－分子反應(yīng)，改變裂解模型，譜圖復(fù)雜化。2、質(zhì)譜儀的特點(diǎn)質(zhì)譜儀需要在高真空下工作：43、質(zhì)譜定義與特點(diǎn)定義：質(zhì)譜是在高真空系統(tǒng)中測(cè)定樣品的分子離子及碎片的質(zhì)量，以確定樣品相對(duì)分子質(zhì)量及分子結(jié)構(gòu)的方法研究對(duì)象：同位素、無(wú)機(jī)物、有機(jī)物、生物大分子、聚合物等質(zhì)譜用途：1、測(cè)分子量

2、測(cè)分子式

3、測(cè)分子結(jié)構(gòu)質(zhì)譜優(yōu)點(diǎn)：1、應(yīng)用范圍廣泛

2、靈敏度高10-15mol(UV

10-6IR10-8NMR10-5)

3、信息多質(zhì)譜缺點(diǎn)：1、高真空操作

2、需要精致的電壓、電流、磁場(chǎng)3、質(zhì)譜定義與特點(diǎn)定義：質(zhì)譜是在高真空系統(tǒng)中測(cè)定樣品的分子離5三、質(zhì)譜儀原理

與結(jié)構(gòu)圖電離室原理與結(jié)構(gòu)三、質(zhì)譜儀原理

與結(jié)構(gòu)圖電離室原理與結(jié)構(gòu)61、離子源：

（1）電子轟擊源(EI)優(yōu)點(diǎn):碎片豐富,通過(guò)給出離子的碎裂方式可以幫助鑒定化合物缺點(diǎn):缺少分子離子峰加速電子金屬熱絲（錸，氧化釷）陽(yáng)極反射極板1、離子源：

（1）電子轟擊源(EI)優(yōu)點(diǎn):碎片7（2）化學(xué)電離源（CI）優(yōu)點(diǎn):可以產(chǎn)生很強(qiáng)的分子離子峰,又稱(chēng)軟電離源（2）化學(xué)電離源（CI）優(yōu)點(diǎn):可以產(chǎn)生很強(qiáng)的分子離子峰,8甲烷為反應(yīng)氣的化學(xué)電離源甲烷為反應(yīng)氣的化學(xué)電離源9（3）場(chǎng)解吸電離源(FD軟電離源)（3）場(chǎng)解吸電離源(FD軟電離源)10（4）電噴霧電離源(ESI軟電離源)

（4）電噴霧電離源(ESI軟電離源)

11電噴霧電離源原理電噴霧電離源原理122、質(zhì)量分析器分類(lèi)扇形磁偏轉(zhuǎn)分析器四極桿質(zhì)量分析器離子阱（四極離子阱）分析器飛行時(shí)間質(zhì)譜分析器離子回旋共振質(zhì)譜分析器2、質(zhì)量分析器分類(lèi)扇形磁偏轉(zhuǎn)分析器13（1）磁偏轉(zhuǎn)分析器在磁場(chǎng)存在下，帶電離子直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)改為曲線(xiàn)軌跡飛行；

離心力=向心力；m

2/R=H0eV曲率半徑：R=(m

)/zH0

質(zhì)譜方程式：m/z=(H02R2)/2V離子在磁場(chǎng)中的軌道半徑R取決于：m/z、H0、V改變加速電壓V,可以使不同m/z的離子進(jìn)入檢測(cè)器。質(zhì)譜分辨率=M/M=M/M2-M1

（指儀器對(duì)質(zhì)量非常接近的兩種離子的分離能力）加速后離子的動(dòng)能(直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)）:(1/2)m

2=eV

=[(2V)/(m/z)]1/2（1）磁偏轉(zhuǎn)分析器在磁場(chǎng)存在下，帶電離子直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)改為曲線(xiàn)軌跡14扇形磁偏轉(zhuǎn)分析器示意圖扇形磁偏轉(zhuǎn)分析器示意圖15（2）四極桿質(zhì)量分離器（2）四極桿質(zhì)量分離器16儀器與結(jié)構(gòu)儀器與結(jié)構(gòu)17與質(zhì)譜聯(lián)用儀器儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)與質(zhì)譜聯(lián)用儀器儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)18聯(lián)用儀器（GC/MS）SampleSample

58901.0DEG/MINHEWLETTPACKARDHEWLETTPACKARD5972AMassSelectiveDetectorDCBA

ABCDGasChromatograph(GC)MassSpectrometer(MS)SeparationIdentificationBACD聯(lián)用儀器（GC/MS）SampleSample19聯(lián)用儀器（LC/MS）聯(lián)用儀器（LC/MS）20四、質(zhì)譜中的各種離子1、分子離子：由失去分子中最低電離能的電子形成，用于測(cè)定分子量（單電荷分子離子m/z等于分子量）2、碎片離子：由分子離子進(jìn)一步開(kāi)裂形成，

用于測(cè)定分子結(jié)構(gòu)

3、同位素離子：由同位素形成，用于測(cè)定分子式4、準(zhǔn)分子離子：比分子多或少一個(gè)（H、Na或K）的離子，用于測(cè)定分子量5、雙電荷離子和多電荷離子：由于不同的電離原理形成，用于測(cè)定大分子的分子量

四、質(zhì)譜中的各種離子1、分子離子：由失去分子中最低電離能216、亞穩(wěn)離子：穩(wěn)定離子M1壽命>10-5秒，由M1開(kāi)裂生成不穩(wěn)定離子M2

不穩(wěn)定離子M2

壽命<10-6秒，亞穩(wěn)離子壽命10-6~10-5秒，檢測(cè)器記錄的M*

叫亞穩(wěn)離子，表觀(guān)質(zhì)量數(shù)M*M*=M22/M1M*是一個(gè)小數(shù)，用于判斷M2是否由M1裂解而來(lái)7、絡(luò)合離子m/z可以大于分子離子的m/z6、亞穩(wěn)離子：22五、質(zhì)譜離子形成與表示法1、電子轉(zhuǎn)移的表示：魚(yú)鉤代表單個(gè)電子的轉(zhuǎn)移，箭頭代表一對(duì)電子的轉(zhuǎn)移。五、質(zhì)譜離子形成與表示法1、電子轉(zhuǎn)移的表示：232、質(zhì)譜離子的電荷表示方法2、質(zhì)譜離子的電荷表示方法243、分子離子峰1）、分子離子的穩(wěn)定性分子電離一個(gè)電子形成的離子所產(chǎn)生的峰。單電荷分子離子的質(zhì)量與化合物的相對(duì)摩爾質(zhì)量相等。

有機(jī)化合物分子離子峰的穩(wěn)定性順序：芳香化合物＞共軛鏈烯＞烯烴＞脂環(huán)化合物＞直鏈烷烴＞酮＞胺＞酯＞醚＞酸＞支鏈烷烴＞醇。3、分子離子峰1）、分子離子的穩(wěn)定性有機(jī)化合物分子離子峰252）、分子離子峰的特點(diǎn)：

一般質(zhì)譜圖上質(zhì)荷比最大的峰為分子離子峰；有例外。形成分子離子需要的能量最低，一般約１０電子伏特。

質(zhì)譜圖上質(zhì)荷比最大的峰一定為分子離子峰嗎？如何確定分子離子峰？2）、分子離子峰的特點(diǎn)：一般質(zhì)譜圖上質(zhì)荷比最263）、確定分子離子峰的Ｎ規(guī)律

由Ｃ、Ｈ、Ｏ組成的有機(jī)化合物，Ｍ一定是偶數(shù)。由Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎ組成的有機(jī)化合物，Ｎ奇數(shù)，Ｍ奇數(shù)。由Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎ組成的有機(jī)化合物，Ｎ偶數(shù)，Ｍ偶數(shù)。分子離子峰與相鄰峰的質(zhì)量差必須合理。3）、確定分子離子峰的Ｎ規(guī)律由Ｃ、Ｈ、Ｏ組成27例如：CH4

M=1612C+1H×4=16

M13C+1H×4=17M+112C+2H+1H×3=17M+113C+2H+1H×3=18M+2同位素峰分子離子峰2、同位素離子峰（M+1峰）

由于同位素的存在，可以看到比分子離子峰大一個(gè)質(zhì)量單位的峰；有時(shí)還可以觀(guān)察到M+2，M+3……..；例如：CH4M=16同位素峰分子離子峰2、同28同位素離子峰的用途－質(zhì)譜法求分子式

同位素峰相對(duì)強(qiáng)度法求分子式1）、各種同位素在自然界的天然豐度是定值參看199頁(yè)、表5-22）、每一種化合物的同位素強(qiáng)度比是定值可以從理論上計(jì)算出的M+1/M值3）、從質(zhì)譜圖上可以讀取M+1與M峰的強(qiáng)度,

從實(shí)測(cè)值進(jìn)一步算出M+1/M值4）、所以利用同位素強(qiáng)度比可以測(cè)定分子式同位素離子峰的用途－質(zhì)譜法求分子式

同位素峰29例1：CH3CH2OH的分子式：C2H6O

如果把M峰的豐度作為100則:(M+1)%=(1.108×2＋0.015×6+0.04×1）＝2.346％那么：在質(zhì)譜圖上M+1強(qiáng)度/M強(qiáng)度＝2.346％即：M+1/M=2.346%對(duì)應(yīng)的分子式是C2H6O

求分子式的過(guò)程與方法略質(zhì)譜原理與方法課件302、高分辨質(zhì)譜法求分子式1、每一種元素都有精確原子量例如：1H=1.007832H=2.014112C=12.0000

13C=13.0033514N=14.0030715N=15.00011

16O=15.9949117O=16.99991418O=17.99916

19F=18.998434S=33.9678636S=35.96709所以每一個(gè)分子式有精確的分子量例如：CO=12.0000+15.99491=27.99491N2=14.00307×2＝28.00614C2H4=12.0000×2＋1.00783×4＝28.03132CH2N=12.0000+1.00783×2＋14.00307＝28.01873

如果在質(zhì)譜圖上給出28.0177應(yīng)是CH2N具體計(jì)算方法（略）2、高分辨質(zhì)譜法求分子式1、每一種元素都有精確原子量31六、質(zhì)譜裂解類(lèi)型（1）、

σ―裂解（2）、α-裂解，β-裂解，

-裂解（4）、重排裂解（5）、1烯丙基裂解（6）、芐基裂解六、質(zhì)譜裂解類(lèi)型（1）、σ―裂解32

當(dāng)有機(jī)化合物蒸氣分子進(jìn)入離子源受到電子轟擊時(shí)，按下列方式形成各種類(lèi)型離子（分子碎片）：ABCD+e-

ABCD+

+2e-分子離子

BCD?

+A+

B?

+A+

CD?

+AB+

A

?

+B+

ABCD+

D?

+C+

AB?

+

CD+

C?

+D+碎片離子當(dāng)有機(jī)化合物蒸氣分子進(jìn)入離子源受到電子轟擊時(shí)，按下列方式33（1）、σ―裂解

一般有機(jī)化合物的電離能為7－13電子伏特，質(zhì)譜中常用的電離電壓為70電子伏特，使結(jié)構(gòu)裂解，產(chǎn)生各種“碎片”離子。正己烷（1）、σ―裂解

一般有機(jī)化合物的電離能為