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1质谱分析法Mass Spectroscopy 北京大学化学学院北京大学化学学院，2000-2002作业 本章所有各题Mass Spectrometry-The Basics-Part 1Everything you always wanted to know about mass spectrometry but were afraid to ask.概述一一.概述概述二二.质谱仪质谱仪三三.质谱应用简介质谱应用简介四四.质谱的分析应用质谱的分析应用五五.联用技术联用技术发展概述1.1.18 8 6 年G o l d s t e i n 发明阳极射线管可作为离子源；18 8 6 年G o l d s t e i n 发明阳极射线管可作为离子源；2.2.18 8 8 年 We i n 用抛物线质谱仪对阳极射线进行了研究；18 8 8 年 We i n 用抛物线质谱仪对阳极射线进行了研究；3.3.19 0 5年 J.J.T h o ms o n 发现2 0Ne 与2 2Ne 分离现象,A s t o n 重新解释 19 13 年发表；19 0 5年 J.J.T h o ms o n 发现2 0Ne 与2 2Ne 分离现象,A s t o n 重新解释 19 13 年发表；4.4.19 18 年 A.J.D e ms t e r 方向聚焦M S,测同位素丰度，第一台质谱仪；19 18 年 A.J.D e ms t e r 方向聚焦M S,测同位素丰度，第一台质谱仪；5.5.19 19 年 F.W.A s t o n 速度聚焦M S，测同位素丰度，原子量；19 19 年 F.W.A s t o n 速度聚焦M S，测同位素丰度，原子量；6.6.19 2 2 年 No b e l Pr i z e2 0 0 2 年大分子质谱离子化19 2 2 年 No b e l Pr i z e2 0 0 2 年大分子质谱离子化仪器发展1.1934-1936年 双聚焦年 双聚焦MS，期间各种形式仪器不断研制，期间各种形式仪器不断研制，2.1942年 美国年 美国CEC公司 第一台商品仪器 单聚焦公司 第一台商品仪器 单聚焦MS；（中国1950s科学院高校）；（中国1950s科学院高校）3.1955年 飞行时间年 飞行时间MS仪；仪；4.1958年 火花源双聚焦年 火花源双聚焦MS 英国 联合电子工业（英国 联合电子工业（AEI）；（1958年科仪厂北分）；（1958年科仪厂北分）5.1961年 德国年 德国 AltalMat 商品四级滤质器；商品四级滤质器；6.1965年年 LKB（瑞典）（瑞典）GC-MS；7.1970年年 FT-ICR MSnetc2所谓质谱 质谱字面上是按照分质谱字面上是按照分(原原)子质量进行排列的图谱，利用光谱法、核感应或微波吸收都可以进行研究。但历史上人们把基于电磁学原理设计成的仪器称为质谱仪子质量进行排列的图谱，利用光谱法、核感应或微波吸收都可以进行研究。但历史上，人们把基于电磁学原理设计成的仪器称为质谱仪Mass Spectrometer(Spectrograph)，由于此种仪器采用的质量分析器只能是对带电粒子起作用，因此要求被研究的分子或原子变成离子，获取的信息是质量，由于此种仪器采用的质量分析器只能是对带电粒子起作用，因此要求被研究的分子或原子变成离子，获取的信息是质量m与电荷与电荷Z之比，称为荷质比之比，称为荷质比m/Z。基本特点 同位素分析同位素分析 精确测定原子量或分子量精确测定原子量或分子量 多种形态分析多种形态分析 多组分分析多组分分析 但仪器结构复杂，造价高但仪器结构复杂，造价高 破坏样品破坏样品主要应用 结构分析对分子空间构型等须与结构分析对分子空间构型等须与IR、UV-Vis、NMR等联用；等联用；定量分析校正方式复杂（所以要与定量分析校正方式复杂（所以要与GC、LC联用）联用）质谱中单位Dalton 以以1212C质量的1/12 作为标准值，从而得出其它各元素的质量值C质量的1/12 作为标准值，从而得出其它各元素的质量值1H=1.0078 2D=2.0141 平均1.008MS中关心的主要是有一些有较强M+1:13C 1.11%,33S 1.78%M+2:37Cl 32.5%,81Br 98%,34S 4.4%质谱仪基本描述质谱仪基本描述 1.质谱仪的基本构成1.质谱仪的基本构成 2.质谱仪分类2.质谱仪分类 3.MS的性能指标3.MS的性能指标（1）质量测定范围（1）质量测定范围（2）分辨本领（2）分辨本领（3）灵敏度（3）灵敏度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4.四极杆质谱仪的基本构成3质谱仪的基本构成质谱仪核心部件质谱仪核心部件 真空系统 10真空系统 10-4-41010-6-6PaPa 2进样系统2进样系统 3电离源3电离源 4质量分析器4质量分析器 1)电磁式1)电磁式 2)飞行时间2)飞行时间 3)四极杆3)四极杆 4)离子回旋共振（ICR）4)离子回旋共振（ICR）进样系统 间歇进样器 直接进样杆 色谱进样电离源 电子轰击源 化学电离源 场电离源 火花源（原子发射光谱源）基体辅助激光光解析（matrix-assisted laser desorption ionization,MALDI)其他电离方式（后讲）电子轰击与化学电离源电子轰击与化学电离源50100150200250300350m/z0100%0100%0100%200183201217Scan CI+183105184211223Scan CI+10577517678182106181152183Scan EI+benzophenone,EIbenzophenonemethane CI+benzophenoneammonia CI+Comparison of EI with PCI using methane and ammonia电子轰击源 高能电子轰击样品发生下述反应：高能电子轰击样品发生下述反应：M为待测分子，为待测分子，M+为待测离子为待测离子 工作过程：真空中加热钨丝或钽丝，发射出电子，经加速电压作用后加速，能量工作过程：真空中加热钨丝或钽丝，发射出电子，经加速电压作用后加速，能量0100eV，经准直聚焦后与样品分子碰撞生成，经准直聚焦后与样品分子碰撞生成M+等，而样品分子（有机分子）在样品中共价电位强度约为等，而样品分子（有机分子）在样品中共价电位强度约为10eV，获能后会继续分裂：，获能后会继续分裂：特点：能量高，碎片多，分子离子峰较小特点：能量高，碎片多，分子离子峰较小4化学电离源 经过化合物碰撞过程，样品获能有限，更易生成分子离子峰经过化合物碰撞过程，样品获能有限，更易生成分子离子峰 对研究结构十分有用对研究结构十分有用*没有碎片信息没有碎片信息质量分析器 电磁式电磁式 飞行时间飞行时间 四极杆四极杆 离子阱离子阱 离子回旋共振（ICR）离子回旋共振（ICR）电磁式 经典 电场磁场双聚焦高分辨2UerB=m/Z.BZervrmvBZevrmv:BZevF:21:2222B2代入初始能量中，变换即：二者相等则可以飞出：圆周运动向心力磁场作用力电场加速后mFmvZUC=双聚焦分析器（双聚焦分析器（Double focusing mass analyzer）为什么要双聚焦：进入离子源的离子初始能量不为零，且能量各不相同，加速后的离子能量也不相同，运动半径差异，难以完全聚集。解决办法：加一静电场Ee，实现能量分散：eMeeRERmvE22=eMeEER2=对于动能不同的离子，通过调节电场能，达到聚焦的目的。对于动能不同的离子，通过调节电场能，达到聚焦的目的。双聚焦分析器的特点：分辨率高双聚焦分析器的特点：分辨率高5飞行时间分析器飞行时间分析器Time of Flight Analyzer TOF试样入口电子发射栅极1-270V栅极2 2.8kV接收器抽真空飞行时间分析器（TOF)222/2ZU/mv21:vUzmmvZU=电场加速后+（3）四极杆分析器）四极杆分析器(quadrupole analyzer)四极滤质器（quadrupole filter)四极杆基本原理 正交流电压振荡 直流电变化过滤6离子阱（iontrap）分离 多级质谱质谱仪核心部件质谱仪核心部件2 5检测与记录5检测与记录 1)Faraday杯1)Faraday杯 2)电子倍增器2)电子倍增器 3)照相底板3)照相底板 6质谱仪的基本参数6质谱仪的基本参数 分辨率分辨率 灵敏度灵敏度 质量范围质量范围检测系统质谱应用简介质谱应用简介（一）质谱图与质谱表（一）质谱图与质谱表（二）分子离子（二）分子离子（三）碎片离子（三）碎片离子质谱图7质谱图质谱图质谱表 按质荷比相对强度列表（RIm/z)精细、准确各种离子峰各种离子峰 分子离子 碎片离子 亚稳离子 多电荷离子 同位素离子峰有机分子裂解类型有机分子裂解类型当有机化合物蒸气分子进入离子源受到电子轰击时，按下列方式形成各种类型离子（分子碎片）：ABCD +e-ABCD+2e-分子离子 BCD+A+B+A+CD+AB+A +B+ABCD+D+C+AB +CD+C +D+碎片离子分子离子峰 来源 判断 应用8分子离子峰来源 分子 脱去一个电子 分子离子对应于中性分子的分子量，即：分子离子对应于中性分子的分子量，即：M+，通常记为，通常记为M+eMeM.*+分子离子峰判断 忽略同位素的贡献，忽略同位素的贡献，M+应为最高；应为最高；其次是其次是“氮律氮律”，分子若含有偶数（，分子若含有偶数（0，2，4.）个氮原子，则分子量为偶数，反之为奇数；）个氮原子，则分子量为偶数，反之为奇数；最后，确定是不是出现不合理的失去值。最后，确定是不是出现不合理的失去值。如有机分子失去如有机分子失去4个个H是很难的，即不出现是很难的，即不出现“M44”是正常的。有机分子碎裂的合理方式有依次失去是正常的。有机分子碎裂的合理方式有依次失去CH3（M15），），NH2或或O（M16），），OH或或NH3（M17），），H2O（M18），），F（M19），），HF（M20），及），及C2H2（M26），若某），若某M+失去失去4 14或或2125个质量单位，则M个质量单位，则M+要麽不对，要麽样品为混合物。要麽不对，要麽样品为混合物。分子离子峰应用 元素组成的确定 测量精确质量，用Lederberg表进行计算。测量精确质量，用Lederberg表进行计算。M/R 余数111查精确质量，确定C,H,O,N数目碎片离子峰 来源：获能分子化学键断裂 判断 应用：结构解析碎裂机理碎片离子峰脂肪烃 直链中直链中 C3H5+（41C3H9+（43），），C4H7+（55），），C4H9+（57）烷基链分支点的优先分裂引起直链烷基链分支点的优先分裂引起直链MS的轻微变动，由此可以观测烷基链的分支结构。的轻微变动，由此可以观测烷基链的分支结构。碎片离子峰含有杂原子的饱和脂肪族化合物含有杂原子的饱和脂肪族化合物 杂原子（O，S，N，X）存在而触发的定向的简单分裂反应可能有两种类型杂原子（O，S，N，X）存在而触发的定向的简单分裂反应可能有两种类型 能通过共振正电荷稳定化的杂原子倾向于上一反应（能通过共振正电荷稳定化的杂原子倾向于上一反应（RNH2），电负性较强的其他杂原子倾向于下一反应-OH，ROR），电负性较强的其他杂原子倾向于下一反应-OH，ROR，-SH，（-X），-SH，（-X）还要注意的是，对可以失去的各种自由基（还要注意的是，对可以失去的各种自由基（H，CH3,C2H5等）而言，基团愈大，失去的几率愈大。等）而言，基团愈大，失去的几率愈大。9碎片离子峰链烯及双键杂原子链烯及双键杂原子1.1.长的链烃如脂肪酸易断裂形成烯丙基离子长的链烃如脂肪酸易断裂形成烯丙基离子2.2.可能重排或移位，链烯烃同分异构体往往MS相同可能重排或移位，链烯烃同分异构体往往MS相同3.有羰基存在时发生另外的断裂碎片离子峰芳香化合物C5H9+m/Z=77碎片离子峰重排效应McLafferty重排重排亚稳离子峰 来源：飞行过程中断裂 判断：m/Z不是整数 应用10同位素离子峰 由不同同位素存在而产生 如CH4有一个如CH4有一个M=17的峰和M+=16的峰，其峰值比为1：0.011，这是由于碳有12C和13C两种同位素，可以产生的的峰和M+=16的峰，其峰值比为1：0.011，这是由于碳有12C和13C两种同位素，可以产生的m/Z=17。指定12C的强度值为100%（理论上不对，实际中可用），则13C为1.1%，故有（。指定12C的强度值为100%（理论上不对，实际中可用），则13C为1.1%，故有（M+1）+/M+=0.011。同位素离子峰 大多数元素都有其独特的同位素组成，通过查阅Baynon表可得之，这些图谱有助于确证元素大多数元素都有其独特的同位素组成，通过查阅Baynon表可得之，这些图谱有助于确证元素M+的存在。的存在。上述方法亦可用于计算碎片离子的组成。上述方法亦可用于计算碎片离子的组成。组成组成m/Z丰度（计算值）丰度（计算值）M+C5H4N35Cl113100%(M+1)+C5H415N35Cl13CC4H4N35Cl11450.011+10.0045.9%(M+2)+C5H4N37Cl13C2C3H4N35Cl115132.5%+5!/(3!2!)1.1%(忽略忽略)32.5%(M+3)+13CC4H4N37ClC5H415N37Cl1160.325(51.1%+0.4%)=1.9%m*=M22/M1四.质谱的分析应用定性分析相对分子量测定：利用相对分子量测定：利用M+化学式确定(1)利用精确分子量(2)利用同位素离子峰的丰度化学式确定(1)利用精确分子量(2)利用同位素离子峰的丰度结构鉴定：碎片离子峰等结构鉴定：碎片离子峰等定量分析定量分析应用a.同位素分析从a.同位素分析从Thomson开始，开始，MS式测定各种同位素的重要工具，正是这些需要促进了式测定各种同位素的重要工具，正是这些需要促进了MS分辨率及灵敏度不断提高。现在，发现同位素不再是MS的主要任务，但MS用于测定同位素化合物纯度、同位素探针、同位素定代等工作。b.无机痕量分析c.有机物混合物的定量分析分辨率及灵敏度不断提高。现在，发现同位素不再是MS的主要任务，但MS用于测定同位素化合物纯度、同位素探针、同位素定代等工作。b.无机痕量分析c.有机物混合物的定量分析11五 联用技术五 联用技术 1.色谱-质谱1.色谱-质谱 2.二次离子质谱(SIMS)2.二次离子质谱(SIMS)用于表面分析用于表面分析 3.MS-MS色谱质谱联用 历史：历史：1950s后期后期 GC-MS 1960s 商品化商品化 色谱法是有机物的有效分离和分析方法，是用于有机物定量分析，但定性比较困难；色谱法是有机物的有效分离和分析方法，是用于有机物定量分析，但定性比较困难；质谱法定性擅长，但对复杂化合物分离无能为力。质谱法定性擅长，但对复杂化合物分离无能为力。主要障碍主要障碍 色谱 常压操作色谱 常压操作 质谱 真空质谱 真空GC-MS interface 喷射式分子分离器+样品溶液雾化大气压分离器真空离子蒸发离子蒸发+蒸发雾化真空提取离子状态样品溶液试剂气体等离子体电晕放电针ESIAPcI两种两种两种两种APIAPI接口技术的比较接口技术的比较接口技术的比较接口技术的比较 API包括APcI及ESI两种接口相同点 使用热喷雾雾化产生小液滴 产生（M+H）+，准分子离子峰用于分子量确认 使用碰撞诱导解离（CID），产生碎片APcI和ESI不同之处 离子产生的方式 APcI利用电晕放电离子化 ESI利用离子蒸发 能被分析的化合物类型不同 灵敏度不同（取决于化合物的差异）APcI的特点 优点 软的离子化技术，得到M+1+及M-1-进行分子量确认 源参数调整简单，容易使用 耐受性好，喷雾器及针的位置不关键 LC流速可达2.0ml/min 好的灵敏度 缺点 有限的结构信息 易发生热裂解 低质量时化学噪声大 不适合做分子量大于 1000的化合物 大多数的接口需要挥发性缓冲液12质谱质谱分析 母离子进一步裂解分析 子离子监测母离子来源分析离子阱可达MSn N=11质谱表面分析 利用离子束轰击指定位置 收集溅射离子 质谱分析