第五章-质谱法.ppt

*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第五章 质谱分析法,Mass Spectroscopy,（,MS,）,MS,GC-MS,LC-MS,1.,质谱分析原理,:,运动的带电离子在磁场中 发生偏转,偏转半径与离子质量有关,.,5.1,质谱仪基本原理,2.,质谱分析方法,:,是将样品转化为运动的带电,气态离子碎片，于磁场中按质荷比,(,m/z,),大小分离并记录的分析方法。,3.,质谱分析过程,离子源,轰击,样品,带电荷的,碎片离子,电场加速,获得动能,E=1/2mV2,磁场分离,(,m/z,),检测器记录,过程,撞击样品,获得,高速电子,气态分子,阳离子,顺序谱图,质量分析器,定性分析,定量分析,导入,按质荷比m/e,4.,带电离子的形成,图,1,乙酸丁酯质谱图,m 116,(1),正离子在电场中受到电场力作用而加速,(,),，其位能,为 ，加速后的动能为：,(2),正离子进入磁场，运动方向与磁场垂直，离子受到洛,仑兹力,f,作用：,5.,带电离子的运动理论：,m,为碎片质量，,为碎片速度,e,为离子电荷，,V,为电压,H,为磁场强度。,当,H,、,R,、,V,三个参数中任两个保持不变而改变其中一个参数时，可得质谱图。现代质谱仪通常是保持,V,、,R,不变，通过扫描磁场来得到质谱图的。,(3),洛仑兹力与离子偏转的向心力相等,6.,工作进程,样品进入电离室后，被热灯丝产生的电子流轰击，气态样品中的原子或离子被电离成正、负离子。离子被狭缝,A,、,B,加速进入磁场，而根据离子质荷比的差异，产生不同的偏转角，从而达到分离。改变,A,、,B,电压和外磁场，获得,MS,谱图。,进样系统,离子源,质量分析器,检测器,1.,气体扩散,2.,直接进样,3.,气相色谱,4.,液相色谱,1.,电子轰击,2.,化学电离,3.,场致电离,4.,激光,1.,单聚焦,2.,双聚焦,3.,飞行时间,4.,四极杆,5.2,质谱仪结构,一,.,仪器组成,:,真空系统,进样系统,离子源电离室,质量分离器,离子检测器,记录仪,质谱仪中所有部分均要处高度真空的条件下,(10,-4,-10,-6,Torr,或,mmHg),其作用是减少离子碰撞损失。,真空度过低，将会引起：,大量氧会烧坏离子源灯丝；,引起其它分子离子反应，使质谱图复杂化；,干扰离子源正常调节；,用作加速离子的几千伏高压会引起放电。,1.,真空系统,2.,进样系统,液体入口,:,适用于低挥发度样品，对易分解样品，通常使用 衍生法转化为稳定化合物后分析,.,气体入口,:,气态样品,将引入的样品转化成为碎片离子的装置,。根据样品离子化方式和电离源能量高低，通常可将电离源分为：,气相源,：先蒸发再激发，适于沸点低于,500,o,C,、,对热稳,定的样品的离子化,.,包括,电子轰击源,、,化学电,离源,、,场致电离源,、,火花源,等,.,解吸源,：固态或液态样品不需要挥发而直接被转化为气,相，适用于分子量高达,10,5,的非挥发性或热不,稳定性样品的离子化。包括,场解析源,、,快原子,轰击源,等,.,3.,电离源,(,室,),：,作用过程：,采用高速,(,高能,),电子束冲击 样品，从而产生电子和分子离子,M,+,，,M,+,继续受到电子轰击而引起化学键的断裂或分子重排,瞬间产生多种离子,.,a),、,电子轰击源,(Electron Bomb Ionization,，,EI),图,9,电子轰击源工作示意图,垂直方向：,G3-G4,加速电极,(,低电压,)-,较小动能,-,狭缝准直,G4-G5,加速电极,(,高电压,)-,较高动能,-,狭缝进一 步准直,-,离子进入质量分析器。,水平方向：,灯丝与阳极间,(70V,电压,),高 能电子,冲击样品,正离子,优 点：,使用最广泛，谱库最完整；电离效率高；结构简 单，操作方便；,缺 点,:,因电离能量最高,出现大量碎片峰,且很难得到分子 离子峰,.,不适合不稳定物质的检测,.,电子轰击源,作用过程：,样品分子在承受电子轰击前，被一种,反应气,(,通常是,甲烷,),稀释，稀释比例约为,10,3,:1,，因此样品分子与电子的碰撞几率极小，所生成的样品分子离子主要由反应气分子组成。,进入电离源的样品分子大部分与,CH,5,+,碰撞产生,(M+1),+,离子；小部分与,C,2,H,5,+,反应，生成,(M-1),+,离子：,b),、,化学电离源,(Chemical Ionization,CI),特点：,电离能小，质谱峰数少，图谱简单；准分 子离子,(M+1)+,峰大,可提供分子量这一重要 信息。,常用于有机和生物样品的分析,.,化学电离源,电子轰击源,麻黄碱,图,10,化学电离与电子轰击源质谱图比较,分子离子峰,作用,:,将不同碎片按质荷比,m/z,分开。,质量分析器类型：,磁分析器,、,飞行时间,、,四极杆,、,离子阱,、,离子回旋共振,等。,4.,质量分析器,单聚焦型,(Magnetic sector spectrometer),：,用一个扇形磁场进行质量分析的质谱仪。,（,a,）磁分析器：,图,14,单聚焦质量分析器原理图,单聚焦质量分析器只是将,m/z,相同而入射方向不同的离子聚焦到一点,实现,方向聚焦,。,图,15,单聚焦质量分析器工作过程图,为克服动能或速度,“,分散,”,的问题，即实现所谓的,“,速度,(,能量,),聚焦,”,，在离子源和磁分析器之间加一静电分析器（,ESA,），,如下图所示，于两个扇形电极板上加一直流电位,V,e,，,离子通过时的曲率半径为,r,e,=U/V,，,即不同动能的离子,r,e,不同，换句话说，相同动能的离子的,r,e,相同,-,能量聚焦,！,然后，改变,V,值可使不同能量的离子从其,“,出射狭缝,”,引出，并进入磁分析器再实现方向聚焦。双聚焦质量分析器,R,可高达,150,000!,双聚焦型,(Double focusing spectrometer),图,16,双聚焦质量分析器原理图,(b,）,四极滤质器,(,Quadrupole,mass filter),过程,：在两个相对应的极杆之间加上电压,(,V+Ucos,t,),，,在另两个相对应的极杆上加相等负电压,-(,V+Ucos,t,),。,其中,V,和,U,分别为直流电压、交流电压，与前述双聚焦仪的静电分析器类似，离子进入可变电场后，只有具合适的曲率半径的离子可以通过中心小孔到达检测器。改变,V,和,U,并保持,V/,U,比值一定，可实现不同,m/e,离子的检测。,特点,：分辨率比磁分析器略低,(max.2000),;,m/e,范围与磁分析器相当；传输效率比较高；扫描速度快，可用于,GC-MS,联用仪。,图,18,四极滤质器,示意图,过程,：上下端罩,(End cap),与左右环电极,(Ring electrode),构成可变电场,(,前者接地，后者施以射频电压,),带电离子在一定轨道上旋转,改变电压,可使相同,m/e,离子依次离开进入电子倍增器而分离。,特点,：结构简单、易于操作、,GC-MS,联用,可用于,m/e200-2000,的分子分析。,图,19,离子阱的横截面图,(c,）离子阱,(Ion trap analyzer),5,电子倍增器,工作原理与光电倍增管相似。,多用于气相与有机质谱中。优点：灵敏度高，测定速度快,.,但：增益会逐渐下降,。,二,.,质谱仪主要性能指标,（,一）质量测定范围：,能够分析样品的相对原子（分子）质量,范围，气体分子质量范围,2-100,，有机质谱,几十到几千。,（二）分辨本领：,指质谱仪分辨相邻质量数离子的能力,以,R,表示,。,定义为：两个相等强度的相邻峰,(,质量分别为,m1,和,m2,),，,当两峰间的峰谷不大于峰高的,10%,时，则可认为两已分开，其分辨率,R,为：,分析本领由下面这些因素决定,.,离子通道半径,.,加速器和收集器的狭缝宽度,.,离子源,(,三,),灵敏度,绝对灵敏度：可检测的最小样品量,相对灵敏度：可同时检测的大小组分之比,分析灵敏度：输入样品与仪器输出信号之比,5.3,质谱图,一,.,质谱图,表示：,横坐标是,m/e,，,纵坐标是相对丰度,相对丰度,：原始质谱图上最强的离子峰为基峰，,定为,100%,。其它离子峰以此基峰的相对百分,值表示。,丙酮的质谱图,CH,3,CCH,3,|,O,CH,3,C,|,O,+,CH,3,+,+,二、离子峰表示,离子峰包括,:,分子离子峰、同位素,离子峰,、碎片,离子峰,、重排,离子峰,、亚稳,离子峰,和多电子离子峰等。,（一）分子离子峰,分子受电子撞击后，失去一个电子而生成带正电荷的离子,分子离子或母离子,M+e,-,M,+2e,特点,:,(1),分子离子峰,m/e,数值,相当于该化合物的相对分子质量,.,(2),位于质谱图的右端，因为,m/e,最大。,(3),相对强度取决于分子离子相对于裂解产物的稳定性。,物质分析稳定性,:,芳香环,共轭多烯,烯,环状化合物,羰基化合物,醚,酯,胺,酸,醇,高度分支的烃类,（二）同位素离子峰,对卤素有机物，,F,、,I,为单一元素,;,35,Cl,37,Cl 3:1;,79,Br,81,Br 1:1;,对于多个,Cl,、,Br,化合物，有非常强的,M+2,，,M+4,，,M+6,同位素离子峰,.,(,三,),碎片离子峰,在高能量电子源轰击情况下，分子离子处于激发,状态，原子间的一些键进一步断裂，产生质量数,较低的碎片，是获取分子结构相关信息的重要依据。,（四）亚稳离子峰,离子离开电离室到达收集器之前的过程中，发生分解而形成低质量的离子所产生的峰。（子离子与中性碎片）,（五）重排离子峰,两个或两个以上键的断裂中，某些原子或基团从一个位置转移到另一个位置生成的离子。转移基团多为,氢原子,。,分子中有一个双键,在,碳位置上有,H,原子,酮，醛，酸，酯羰基化合物，烯烃类和含苯环等化 合物。,重排离子峰产生过程,（六）多电荷离子峰,非常稳定的分子，可能失去两个或两个以上的电子，在的位置上出现多电荷峰,.,如芳香类化合物,5.4,色谱,-,质谱联用,(,P,373-381),一,.,气相色谱,-,质谱联用,二,.,液相色谱,-,质谱联用,