清華儀器分析-質(zhì)譜

1、第九章質(zhì)譜分析法Mass Spectrometry，MS第一節(jié)概述,1、質(zhì)譜儀的發(fā)展史1912年:世界第一臺(tái)質(zhì)譜裝置40年代: 質(zhì)譜儀用于同位素測(cè)定50年代：分析石油60年代：研究GC-MS聯(lián)用技術(shù)70年代：計(jì)算機(jī)引入80年代：研究LC-MS聯(lián)用技術(shù)90年代：研究蛋白質(zhì)分析技術(shù),LC-MS,2、質(zhì)譜的作用質(zhì)譜法是一種按照離子的質(zhì)核比（m/z）大小對(duì)離子進(jìn)行分離和測(cè)定的方法。,質(zhì)

2、譜法的主要作用是：（1）準(zhǔn)確測(cè)定物質(zhì)的分子量（2）根據(jù)碎片特征進(jìn)行化合物的結(jié)構(gòu)分析分析時(shí)，首先將分子離子化，然后利用離子在電場或磁場中運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，把離子按質(zhì)核比大小排列成譜，此即為質(zhì)譜。,3、質(zhì)譜法分類：,第二節(jié)質(zhì)譜分析的原理與儀器一、質(zhì)譜分析的過程與原理,1、進(jìn)樣化合物通過汽化引入離子化室；,2、離子化在離子化室，組分分子被一束加速電子碰撞（能量約70eV），撞擊使分子電離形成正離子；M —— M+ + e或與電子

3、結(jié)合，形成負(fù)離子M + e —— M—,,5、加速離子進(jìn)入一個(gè)強(qiáng)度為H的磁場，發(fā)生偏轉(zhuǎn)，半徑為：,進(jìn)樣系統(tǒng)(inlet system) 離子源(ion source)質(zhì)量分析器（mass analyzer）檢測(cè)器（detecter） 真空系統(tǒng)（Vacuum system）,二、質(zhì)譜儀的組成,1、樣品引入系統(tǒng)氣體——直接導(dǎo)入或用氣相色譜進(jìn)樣液體——加熱汽化或霧化進(jìn)樣固體——用直接進(jìn)樣探頭,進(jìn)樣系統(tǒng),

4、Laser Ablation of Plastics Applying Different Wavelenghts,1064 nm,308 nm,248 nm,對(duì)于蒸汽壓低的樣品進(jìn)行衍生化后進(jìn)樣例如：葡萄糖變成三甲基硅醚的衍生物,2、 離子源(ion source)主要作用是使分析物的分子離子化,電子電離源(electron ionization EI)化學(xué)電離源(chemical ionization CI)快

5、原子轟擊(fast atom bombardment FAB)電噴霧源(electronspray ionization ESI)大氣壓化學(xué)電離（atmospheric pressure chemical ionization APCI)基質(zhì)輔助激光解吸電離（matrix assisted laserDesorption ionization MALDI),,（1） 電子電離源(elec

6、tron ionization EI),由陰極發(fā)射電子束，通過離子化室到達(dá)陽極，電子能量70eV，有機(jī)化合物的電離電位8-15eV?？稍谄叫须娮邮姆较蚋郊右蝗醮艌觯闺娮友芈菪壍狼斑M(jìn)，增加碰撞機(jī)會(huì)，提高靈敏度。,特點(diǎn)： 碎片離子多，結(jié)構(gòu)信息豐富， 有標(biāo)準(zhǔn)化合物質(zhì)譜庫； 不能汽化的樣品不能分析； 有些樣品得不到分子離子；,（2）化學(xué)電離源(chemical ioni

7、zation CI),結(jié)構(gòu)與EI同，但是在離子化室充CH4，電子首先將CH4離解，其電離過程如下：,特點(diǎn)： 得到一系列準(zhǔn)分子離子（M+1）+， （M-1）+， （M+2）+等等；CI源的的碎片離子峰少，圖譜簡單，易于解釋；不適于難揮發(fā)成分的分析。,（3）快原子轟擊(fast atom bombardment FAB),高能量的Xe原子轟擊涂在靶上的樣品，濺射出離子流。本法適合于高極性、大分子量、低蒸汽壓、熱穩(wěn)定

8、性差的樣品。FAB一般用作磁式質(zhì)譜的離子源。,（4）電噴霧源(electronspray ionization ESI)結(jié)構(gòu)：噴嘴，霧化氣，干燥氣原理：噴霧 蒸發(fā) 電壓,,特點(diǎn)：適用于強(qiáng)極性，大分子量的樣品分析 如肽，蛋白質(zhì)，糖等2 產(chǎn)生的離子帶有多電荷3 主要用于液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀,（5）Matrix-assisted Laser Desorption Ionization - MALDI,特點(diǎn)

9、：生物大分子特別是蛋白質(zhì)分子量的測(cè)定,3、質(zhì)量分析器(mass analyzer)1 單聚焦分析器（single focusing mass analyzer）2 雙聚焦分析器（double focusing mass analyzer）3 四極桿分析器 (quadrupole analyzer)4 離子阱分析器 (Ion trap)5 飛行時(shí)間分析器(time of flight）6 富立葉變換離子回旋共振 （Fo

10、urier tranform ion cyclotron resonance）,（1）單聚焦分析器（single focusing mass analyzer）,1）結(jié)構(gòu)：扇形磁場（可以是1800 900600等）,原理：由（3）式可知：,離子的m/Z大，偏轉(zhuǎn)半徑也大，通過磁場可以把不同離子分開；當(dāng) r 為儀器設(shè)置不變時(shí)，改變加速電壓或磁場強(qiáng)度，則不同m/z的離子依次通過狹縫到達(dá)檢測(cè)器，形成質(zhì)譜。,（2）雙聚焦分析器

11、（Double focusing mass analyzer）,為什么要雙聚焦：進(jìn)入離子源的離子初始能量不為零，且能量各不相同，加速后的離子能量也不相同，運(yùn)動(dòng)半徑差異，難以完全聚集。解決辦法： 加一靜電場Ee，實(shí)現(xiàn)能量分散：,（3）四極桿分析器 (quadrupole analyzer),直流電壓Vdc交流電壓Vrf頻率為射頻區(qū),結(jié)構(gòu):四根棒狀電極，形成四極場 1，3棒： (Vdc +Vrf)

12、 2，4棒：- (Vdc+ Vrf )原理：在一定的Vdc Vrf 下 ， 只有一定質(zhì)量的離子可通過四極場，到達(dá)檢測(cè)器。在一定的（Vdc/Vrf)下，改變Vrf 可實(shí)現(xiàn)掃描。特點(diǎn)：掃描速度快，靈敏度高 適用于GC-MS,,,,,,,,,,,,,,,,,,+,,-,,,,,（4）離子阱分析器Ion Trap Analyzer特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單靈敏度

13、高適于小型聯(lián)用儀器（GC-MS）,（5）飛行時(shí)間分析器Time of Flight Analyzer,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,試樣入口,電子發(fā)射,柵極1-270V,柵極2 –2.8kV,,接收器,,抽真空,特點(diǎn),儀器結(jié)構(gòu)簡單,不需要磁場、電場等；掃描速度快，可在10-5 s內(nèi)觀察到整段圖譜；無聚焦狹縫，靈敏度很高；可用于大分子的分析（幾十萬原子量單位），在生命科學(xué)中用途很廣；,4

14、、 真空系統(tǒng) 離子源的真空度應(yīng)達(dá)到10-3-10-5 Pa，質(zhì)量分析器應(yīng)達(dá)到10-6 Pa。真空裝置：機(jī)械真空泵 擴(kuò)散泵 分子渦輪泵,5、 檢測(cè)器(detector) 電子倍增器,6、檢測(cè)器的性能指標(biāo)（1）質(zhì)量范圍指所能檢測(cè)的M/Z范圍四極質(zhì)譜 M/Z小于或等于1000磁式質(zhì)譜 M/Z可達(dá)到幾千飛行時(shí)間質(zhì)譜 M/Z可達(dá)到幾十萬,（2）掃描速度指掃描一定質(zhì)量范圍所需時(shí)間例如GC-MS

15、：M/Z 1-1000所需時(shí)間<1s,（3）分辨率R質(zhì)譜對(duì)相鄰兩質(zhì)量組分分開的能力,(4) 靈敏度指信噪比大于10時(shí)的樣品量。,第三節(jié)常見化合物的質(zhì)譜,一、烴類質(zhì)譜1、烷烴,71,57,43,29,例如5-甲基十五烷C10H21—CH—C4H9,CH3,,169,85,,,2、烯烴（1）具有烷烴的特征（2）易發(fā)生烯丙斷裂，生成很強(qiáng)的烯丙離子,CH2 = CH — CH2M / Z = 41CH2 = CH

16、 — RR— CH2 — CH2 — CH2 — CH = CH2,,+,,3、芳烴易發(fā)生芐基斷裂，生成芐基離子,,,,C2H2-26,,C2H2 -26,M /Z 91,M /Z 91,M /Z 39,M /Z 65,,,,,,,,,,39 65 91 92 M / Z,二、雜原子的質(zhì)譜(1) 醇和酚醇類（1）雜原子存在，形成M/

17、Z 31的離子和M—1的離子；（2）失水生成M—18離子。,CH3—CH2—OH（M /Z 46） CH2 = OH M / Z 31,,,,,,,M/Z = 88,,,M-H2O,M-CH3,M-1,M,45 70 73 88,酚類：（1）失去 C = OM/Z28（2）失去 H2OM/Z18（3）具有苯的特征,（2）醛、酮、醚辛酮—4,CH3CH2CH

18、3—C—CH2CH2CH2CH3,,,O,M/Z128,,,43,,71,,57,85,M/Z12885715743,再例如對(duì)羥基苯甲醛,醚類乙基異丁基醚,CH3—CH2—CH—O—CH2—CH3,CH3,,,?—斷裂,,?—斷裂,（3） 鹵素化合物,R—X + R+ + X ?R—CH2X+R ? + CH2 = X+,,,如果是長鏈烴類，則可能有下列途徑,（4）胺類,CH3（CH2）8—CH2—N

19、H2+,,,CH3（CH2）8.,,CH2 = NH2+,M / Z = 30,醇、醚、酮等化合物均無此分裂。,三、分裂和重排（1）麥?zhǔn)现嘏牛∕clafferty）在辛酮-4的質(zhì)譜中，除43、57、71、85和128的質(zhì)譜峰外，還有一個(gè)很高的峰，質(zhì)量58，以及另兩個(gè)峰，質(zhì)量86和100。這是由于發(fā)生了重排：,,,,,,,,,+,+,+,M/Z = 86,M/Z = 100,,,+,+,M/Z = 86,M/Z = 100,,,+,

20、+,,,,,M/Z = 58,M/Z = 58,,,,,+,,,,,+,+,麥?zhǔn)现嘏诺囊?guī)律,（1） 雙鍵及r位置上有H原子；（2）雙鍵范圍有酮、醛、酸、酯、C=N、以及烯烴、苯環(huán)化合物等。,,,,,+,,,,,+,+,麥?zhǔn)现嘏诺囊?guī)律,（1） 雙鍵及r位置上有H原子；（2）雙鍵范圍有酮、醛、酸、酯、C=N、以及烯烴、苯環(huán)化合物等。,,,（2）環(huán)狀分子的分裂例如：環(huán)己烯可以生成丁二烯和乙烯,,再例如：解釋下列化合物的質(zhì)譜 M/Z=10

21、8 的來源,,,,M/Z=108,+,第四節(jié)有機(jī)化合物的質(zhì)譜分析一、分子量的確定規(guī)律：,1、分子離子峰一定是質(zhì)譜中質(zhì)量數(shù)最大的峰；2、分子離子峰應(yīng)有合理的質(zhì)量丟失：例如：在比分子離子峰小4-14及20-25質(zhì)量單位處不應(yīng)有離子峰出現(xiàn)，因?yàn)橐粋€(gè)有機(jī)化合物不可能失去4-14個(gè)氫而不斷鏈，但如果斷鏈，失去最小碎片應(yīng)為CH3，質(zhì)量數(shù)為15，同理，不可能失去20-25質(zhì)量單位。3、質(zhì)量數(shù)符合氮規(guī)律，即有機(jī)化合物含奇數(shù)氮原子，分子量為

22、奇數(shù)，含偶數(shù)氮原子（包括0氮原子），分子量為偶數(shù)。,例如：元素價(jià)數(shù)原子量C412偶偶0216偶偶P3-531奇奇N314奇偶4、如果確認(rèn)無分子離子峰，則應(yīng)在儀器上想辦法。,二、分子式的確定可利用Beynon同位素豐度表確定。因?yàn)橥辉氐牟煌凰刎S度不同。例如：CO、C2H2、N2的質(zhì)量數(shù)都是28， 但同位素豐度不同，因此可加以區(qū)分。例如：某化合物分子量

23、為150，M/Z150、151和152的強(qiáng)度比為：M（150）100%M+1（151）9.9%M+2(152)0.9%查表可知為C9H10O2,三、分子結(jié)構(gòu)的確定1、確定化合物的不飽和度2、確定碎片離子例如：已知C8H8O2（136）（1）不飽和度為5，懷疑有苯環(huán)；（2）碎片峰77、51，為苯環(huán)特征；（3）136-105=31是（—CH2OH，—OCH3）丟失；（4）105-77=28是（CO