仪器分析--质谱法

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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。
+ +
电子
试样分子
反应气分子 + 准分子离子
分子-离子反应过程:
➢甲烷电离
CH 4
e
CH
4
CH
3
CH
2
CH
C
H
90%
➢甲烷离子与分子反应生成加合离子
CH4 CH4 CH5 CH3 CH3 CH4 C2H5 H2
周运动。
zeU =
1 2
mv2
Bzev
=
mv2 r
m z
=
B2r2e 2U
➢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
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 (<5000)
S1 离子源 B
磁场
R
S2
收集器
离子源的结构与性能对分析效果的影响极大, 被称为“质谱仪的心脏”
➢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 (Electron Ionization, EI) 离子源 flash
Pressure (Pa) 1.01 × 106 1.33 × 102 1.33 × 10-1 1.33 × 10-3 1.33 × 10-5 1.33 × 10-7
Mean Free Path (meters) 6.0 × 10-8 4.5 × 10-5 4.5 × 10-2 4.5 4.5 × 102 4.5 × 104
离子源 flash
电压:7-10 kV;d<1 mm 强电场诱发样品离子化 电场能量12-13 eV
阳极
➢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。
+ +
++
+ +
++ +
++ + +
d<1mm 阴极
(4)电喷雾电离源(Electrospray Ionization, ESI)
(2)直接探针进样:高沸点液体及固体
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
HO CH2OH O OH
HO OH
Me3SiCl
Me3SiO
CH2OSiMe3 O OSiMe3
Me3SiO OSiMe3
(3)色谱进样:色谱-质谱联用仪器,经色谱分离后 的流分,通过接口直接导入离子源。
M=220
500e3
0e3 73 87 100 117 127 143 157 172 189 215 232 259 277
100
150
200
250
CI 源的特点: ➢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。
(3)场离子化源 (Field Ionization, FI)
质谱离子源应用范围
MALDI
ESI (HPLC)
M. W EI /CI (GC)
FI
APCI (HPLC) 极性
3. 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 ➢四极滤质器 ➢离子阱检测器 ➢离子回旋共振分析器
(1)磁分析器 离子被加速后进入磁场,受磁场作用而作匀速圆
NH2 NN H2N N NH2
N NO
解决“是什 么”的问题
O F
O
三聚氰胺
二甲基亚硝胺
氟乙酸甲酯
质荷比 (m/z)
质谱法
离子
本章内容
19.1 质谱仪 19.2 质谱图及有关概念 19.3 质谱法的应用 19.4 质谱联用技术
19.1 质谱仪
一、概述
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。
电喷雾电离源
Charged Droplets
+ +
Leabharlann Baidu
+ -
+ - -++
--
+ +
+ +
Evaporation
++ ++
+-+--+-- +++
Analyte Ions
Solvent Ion Clusters Salts/Ion pairs Neutrals
+
+
+
++--++ ++-- ++
+
+++ 准分子离子
215 232
259 277
100
150
200
250
EI谱与CI谱的比较
127
7500e3 EI谱
99
5000e3
2500e3
31 43 55 71 83
143 115
189
O
144 173
203 221234
OH
C O CH2 CH3
50
100
150
200
OH
C O CH2 CH3
221
O
CI谱 1000e3
双聚焦质谱仪
➢静电分析器(ESA) ➢相同质荷比,速度 (能量)不同的离子会 聚 ➢分辨率高,价格昂贵
+ -
S1 离子源
磁场
S2 收集器
(2)飞行时间分析器
zeU =
1 2
mv2
1/2
v=
2Uze m
TOF flash
L t= v = L
m z
1/2
1 2Ue
结构简单 扫描速率快 灵敏度高
不同质荷比,不同到达时间,从而实现分离
➢加合离子与样品分子反应
C H5
RH
RH
2
CH4
} (M + 1)+ 准分子离子: (M ± 1)+
(M - 1)+
C2
H
5
RH
R
C2H6
采用CI源, 图谱简单,易测得分子量
CI 源质谱图
1000e3
O
221
OH
C O CH2CH3
500e3
OH
C O CH2CH3
O
M=220
0e3 73 87 100 117 127 143 157 172 189
第十九章 质谱法
Mass Spectrometry, MS
仪器分析教研室 高毅华 gaoyihua022@gmail.com 22896376
有机四大谱
➢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 ➢核磁共振波谱:氢、碳等原子核的化学环境 ➢质谱:精确分子量和碎片离子信息推测有机物的 分子结构。
样品分子 气态离子 按m/z分离 质谱图
质谱分析过程
相对强度
质谱图
基峰
CH3CH2COOH
质荷比
1)根据质谱峰的质荷比测定化合物的分子量,推测 分子式及结构式
2)根据峰强度进行定量分析
质谱发展史
➢ 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
50
100
150
200
EI 源的特点: ➢电离效率高,灵敏度高; ➢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(EI源独有;70 eV); ➢只适用于易气化、热稳定的化合物。
(2)化学离子化源 (Chemical Ionization, CI) 离子源 flash 离子室内的反应气(甲烷等;样品浓度的1000倍
2. 离子源
把样品分子电离成离子,并使其具有一定能量。
化学电离:在水溶液或熔融状态下产
电离
生自由移动离子的过程。
物理电离:原在子外形部成能离量子作的用过下程,。分子、√
根据离子源所提供的能量大小分类: 硬离子源:离子化能量高
软离子源:离子化能量低
➢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 选择合适的离子源。
电离源,电喷雾电离源,LC-MS联用仪等. ➢ 1922年和2002年 Nobel price
质谱仪的分类
➢有机质谱仪 ➢无机质谱仪 ➢同位素质谱仪 ➢气体分析质谱仪
有机质谱的策略
二、质谱仪(Mass Spectrometer)
(一) 质谱仪的性能指标
1. 分辨率:分开相邻质量数离子的能力(R)。 何为分开?
➢稳定性:芳香族环>共轭链烯>脂环化合物>烯烃>直
链烷烃>硫醇>酮>胺>酯>醚>酸>支链烷烃>醇
分子离子越稳定,则峰越强
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“氮律”
由C, H, O, N组成的有机化合物,N奇数,M奇数。 由C, H, O, N组成的有机化合物,N偶数,M偶数。
+
++-- ++
+
+ 其他离子 试样离子
ESI 源的特点: ➢电喷雾源属软电离技术,产生准分子离子; ➢适用于强极性,大分子量的样品分析;如肽,蛋白 质,糖等; ➢电喷雾电离源的最大特点是容易形成多电荷离子; ➢主要用于液相色谱-质谱联用仪。
肌红蛋白电喷雾质谱图
(5)大气压化学电离源 (Atmospheric Pressure Chemical Ionization, APCI)
唯一可以确定分子量的方法,特别适用于生物大 分子分子量(数十万)测定。
质荷比的计算
质量 质荷比 =
电荷数
CH3-CH2-CH3+ CH3-CH2-CH32+
m 44 amu 44 z 1 m 44 amu 22 z 2
质谱分析过程
首先将分子离子化,然后在电场或磁场作用下, 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。
5. 真空系统
质谱仪需要在高真空下工作: 离子源(10-410-5 Pa) 质量分析器(10-6 Pa )
➢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; ➢引起额外的离子-分子反应,改变裂解模型, 谱图复杂化; ➢影响灵敏度。
平均自由程:每两次连 续碰撞之间,一个粒子 自由运动的平均路程。
例:某不含氮的化合物得到的质谱图数据如下, 试判断 m/z 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 在比分子离子峰小3-14、21-24个质量单位处,
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, 试判断 m/z 最大的是否是分子离子峰?
真空度越高,带电粒子平均自由程越大,碰撞越难发生。
19.2 质谱图及有关概念
一、质谱图与质谱表
二、离子峰的主要类型
重排 离子峰
分子 离子峰
离子峰 类型
碎片 离子峰
同位素 离子峰
1. 分子离子峰
➢分子受高能电子撞击后,失去一个电子生成的正离子
M+e
M+ + 2e
➢分子离子峰数值等于相对分子质量
准分子离子峰;液相色谱-质谱联用仪;中等极性物质
简介:基质辅助激光解吸电离(MALDI)
➢ 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
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; ➢ 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 、化学物质和生物病原体的监测等。
m1 m2
A: 未分开 分辨差
B:部分分开 分辨较差
C:全分开 分辨达到要求
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:
实际工作测量:
h
R<10000, 低分辨质谱仪 R>10000, 高分辨质谱仪
2. 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
ABCD+
CD• + AB +
A•+ B+


D• + C + 离
AB • + CD +

C•+ D+
EI 源质谱图
7500e3 5000e3 2500e3
127
99
31 43 55 71 83
143 115
O
OH
C O CH2 CH3
OH
C O CH2 CH3
O
M=220
189
144 173 203 221234
3. 灵敏度:仪器可以检测到的最小样品量
(二)质谱仪的结构
1 进样系统
2 离子源
3 质量分析器
真空系统
1 2 5
3 4
4 检测器
5 显示记录
1. 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
(3)四极滤质器
四极滤质器flash 1
U + V cosωt
➢传输效率高 ➢扫描速度快 ➢分辨率较低
➢离子进入可变电场后,具合适曲率半径的离子可以通过 中心小孔到达检测器。 ➢改变 U 和 V 并保持 U/V 比值一定,可实现不同 m/e 离 子的检测。
4. 检测系统
将微弱的离子流信号接收并放大 电子倍增器
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。
M + e (高速)
M+ + 2e
分子离子
轰击能量:70 eV
∨∨
有机化合物电离能:7~15 eV
M + e (高速)
M+ + 2e
断裂、重排、加合反应
M1+, M2+, M3+……
BCD• + A +
B• + A +
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