質(zhì)譜原理與方法課件

1、一、質(zhì)譜發(fā)展史一、質(zhì)譜發(fā)展史 1910年，英國(guó)劍橋大學(xué)年，英國(guó)劍橋大學(xué)J.J.Thomson首先發(fā)現(xiàn)了氖的同首先發(fā)現(xiàn)了氖的同 位素（位素（20Ne 22Ne)， 1934年，雙聚焦質(zhì)譜儀，大大提高了分辨率。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。析。 1953年，出現(xiàn)新型質(zhì)量分析器四極濾質(zhì)器。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，年，脈沖飛行時(shí)間分

2、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?；鸹x子源、二次離子源等。 60年代以后，更多的新的離子化方法：年代以后，更多的新的離子化方法：EI，F(xiàn)D，CI， 激光離子化，激光離子化，ICP， FAB，ESI，復(fù)雜的質(zhì)譜儀推出，復(fù)雜的質(zhì)譜儀推出， 離子探針，三級(jí)離子探針，三級(jí) 四極四極 桿，四極桿飛行時(shí)間，磁場(chǎng)桿，四極桿飛行時(shí)間，磁場(chǎng) 四四 極，磁場(chǎng)飛行時(shí)間，離子極，磁場(chǎng)飛行時(shí)間，離子 回旋共振等，氣質(zhì)聯(lián)回旋共振等，氣質(zhì)聯(lián) 用用(GC-MS)。 1974年等離子體質(zhì)譜。年等離子體質(zhì)譜。1981年快原子轟擊質(zhì)譜年快原子轟擊質(zhì)譜(FAB)。1988年，多級(jí)電噴霧電離質(zhì)譜年，多級(jí)電噴霧電

3、離質(zhì)譜(ESI-MS)，液質(zhì)聯(lián)用（，液質(zhì)聯(lián)用（LC-MS）。）。 90年代以后，年代以后，EPI-MS， ESI-MS MALDI-MS用于生物間用于生物間非共價(jià)鍵作用非共價(jià)鍵作用 研究，聯(lián)用技術(shù)發(fā)展迅速研究，聯(lián)用技術(shù)發(fā)展迅速, 核磁共振質(zhì)譜連核磁共振質(zhì)譜連用用(NMR-MS)。二、二、 質(zhì)譜分析原理質(zhì)譜分析原理 1、質(zhì)譜儀組成：、質(zhì)譜儀組成：進(jìn)樣系統(tǒng)進(jìn)樣系統(tǒng)離子源離子源質(zhì)量分析器質(zhì)量分析器檢測(cè)器檢測(cè)器1.氣體擴(kuò)散氣體擴(kuò)散2.直接進(jìn)樣直接進(jìn)樣3.氣相色譜氣相色譜1.電子轟擊電子轟擊2.化學(xué)電離化學(xué)電離3.場(chǎng)致電離場(chǎng)致電離4.激光激光 1.單聚焦單聚焦 2.雙聚焦雙聚焦 3.飛行時(shí)間飛行時(shí)間4.

4、四極桿四極桿 1.電子倍增管電子倍增管 2、光電倍增管、光電倍增管 2、質(zhì)譜儀的特點(diǎn) 質(zhì)譜儀需要在高真空下工作：質(zhì)譜儀需要在高真空下工作： 離子源（離子源（10-3 10 -5 Pa ） 質(zhì)量分析器（質(zhì)量分析器（10 -6 Pa ） (1) 大量氧會(huì)燒壞離子源的燈絲；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；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)，改變裂引起額外的離子分子反應(yīng)，改變裂 解模型，譜圖復(fù)雜化。解模型，譜圖復(fù)雜化。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)定樣品的分子離子及碎片定義：質(zhì)譜是在高真空系統(tǒng)中測(cè)定樣品的分子離子及

5、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)的方法法 研究對(duì)象：同位素、無(wú)機(jī)物、有機(jī)物、生物大分子、研究對(duì)象：同位素、無(wú)機(jī)物、有機(jī)物、生物大分子、 聚合物等聚合物等 質(zhì)譜用途：質(zhì)譜用途： 1、測(cè)分子量、測(cè)分子量 2、測(cè)分子式、測(cè)分子式 3、測(cè)分子結(jié)構(gòu)、測(cè)分子結(jié)構(gòu) 質(zhì)譜優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)譜優(yōu)點(diǎn)：1、應(yīng)用范圍廣泛、應(yīng)用范圍廣泛 2、靈敏度高、靈敏度高10-15mol (UV 10-6 IR 10-8 NMR 10-5) 3、信息多、信息多質(zhì)譜缺點(diǎn)：質(zhì)譜缺點(diǎn)：1、高真空操作、高真空操作 2、需要精致的電壓、電流、磁場(chǎng)、需要精致的電壓、電流、磁場(chǎng)三、質(zhì)譜儀原理三、質(zhì)

6、譜儀原理 與結(jié)構(gòu)圖與結(jié)構(gòu)圖電離室原理電離室原理與結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)1、離子源： （1）電子轟擊源 (EI)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 碎片豐富碎片豐富,通過(guò)給出離子的碎裂方式可以幫助鑒定通過(guò)給出離子的碎裂方式可以幫助鑒定 化化 合物合物缺點(diǎn)缺點(diǎn): 缺少分子離子峰缺少分子離子峰加速電子加速電子 金屬熱絲（錸，氧化釷）金屬熱絲（錸，氧化釷）陽(yáng)極反射極板反射極板（2）化學(xué)電離源（CI）優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 可以產(chǎn)生很強(qiáng)的分子離子峰可以產(chǎn)生很強(qiáng)的分子離子峰,又稱軟電離源又稱軟電離源甲烷為反應(yīng)氣的化學(xué)電離源（3）場(chǎng)解吸電離源(FD 軟電離源)（4）電噴霧電離源(ESI 軟電離源)電噴霧電離源原理2、質(zhì)量分析器分類 扇形磁偏轉(zhuǎn)分析器扇形磁

7、偏轉(zhuǎn)分析器 四極桿質(zhì)量分析器四極桿質(zhì)量分析器 離子阱（四極離子阱）分析器離子阱（四極離子阱）分析器 飛行時(shí)間質(zhì)譜分析器飛行時(shí)間質(zhì)譜分析器 離子回旋共振質(zhì)譜分析器離子回旋共振質(zhì)譜分析器（1）磁偏轉(zhuǎn)分析器）磁偏轉(zhuǎn)分析器在磁場(chǎng)存在下，帶電離子直線運(yùn)動(dòng)改為曲線軌跡飛行；在磁場(chǎng)存在下，帶電離子直線運(yùn)動(dòng)改為曲線軌跡飛行； 離心力離心力 =向心力；向心力；m 2 / R= H0 e V曲率半徑：曲率半徑： R= (m ) / z H0 質(zhì)譜方程式：質(zhì)譜方程式：m/z = (H02 R2) / 2V離子在磁場(chǎng)中的軌道半徑離子在磁場(chǎng)中的軌道半徑R取決于：取決于： m/z 、 H0 、 V改變加速電壓改變加速電壓

8、V, 可以使不同可以使不同m/z 的離子進(jìn)入檢測(cè)器。的離子進(jìn)入檢測(cè)器。質(zhì)譜分辨率質(zhì)譜分辨率 = M / M =M/M2-M1 （指儀器對(duì)質(zhì)量非常接近（指儀器對(duì)質(zhì)量非常接近的兩種離子的分離能力）的兩種離子的分離能力）加速后離子的動(dòng)能加速后離子的動(dòng)能(直線直線運(yùn)動(dòng)）運(yùn)動(dòng)） :(1/2)m 2= e V = (2V)/(m/z)1/2扇形磁偏轉(zhuǎn)分析器示意圖（2）四極桿質(zhì)量分離器儀器與結(jié)構(gòu)儀器與結(jié)構(gòu)與質(zhì)譜聯(lián)用儀器與質(zhì)譜聯(lián)用儀器儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)聯(lián)用儀器（聯(lián)用儀器（ GC/MS ）SampleSample 58901.0 DEG/MINHEWLETTPACKARDHEWLETT PACKARD5972AMas

9、s Selective DetectorDCBA ABCDGas Chromatograph (GC)Mass Spectrometer (MS)SeparationIdentificationBACD聯(lián)用儀器（聯(lián)用儀器（ LC/MS ）四、質(zhì)譜中的各種離子四、質(zhì)譜中的各種離子1、分子離子、分子離子 ： 由失去分子中最低電離能的電子形成由失去分子中最低電離能的電子形成 ， 用于測(cè)定分子量（單電荷分子離子用于測(cè)定分子量（單電荷分子離子m/z 等于分子量）等于分子量）2、碎片離子：、碎片離子： 由分子離子進(jìn)一步開(kāi)裂形成，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)用于測(cè)定分子結(jié)構(gòu) 3、同位素離子：

10、由同位素形成，、同位素離子：由同位素形成，用于測(cè)定分子式用于測(cè)定分子式4、準(zhǔn)分子離子：比分子多或少一個(gè)（、準(zhǔn)分子離子：比分子多或少一個(gè)（H、Na 或或 K）的離）的離 子，子，用于測(cè)定分子量用于測(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，、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)定大分子的分子量用于測(cè)定大分子的分子量 6、亞穩(wěn)離子：、亞穩(wěn)離子： 穩(wěn)定離子穩(wěn)定離子 M1 壽命壽命10-5秒，由秒，由M1開(kāi)裂生成開(kāi)裂生成 不穩(wěn)定離子不穩(wěn)定離子M2 不穩(wěn)定離子不穩(wěn)定離子 M2 壽命壽命10-6秒，秒， 亞穩(wěn)離子亞穩(wěn)離子 壽命壽命10-610-5秒，檢測(cè)器記錄的秒，檢

11、測(cè)器記錄的M* 叫叫 亞穩(wěn)離子亞穩(wěn)離子 ， 表觀質(zhì)量數(shù)表觀質(zhì)量數(shù)M* M*=M22/M1 M*是一個(gè)小數(shù)，是一個(gè)小數(shù)， 用于判斷用于判斷M2是否由是否由M1裂解而來(lái)裂解而來(lái)7、絡(luò)合離子、絡(luò)合離子 m/z 可以大于分子離子的可以大于分子離子的m/z五、質(zhì)譜離子形成與表示法1、電子轉(zhuǎn)移的表示：、電子轉(zhuǎn)移的表示：魚(yú)鉤代表魚(yú)鉤代表單個(gè)電子單個(gè)電子的轉(zhuǎn)移，箭頭代表的轉(zhuǎn)移，箭頭代表一對(duì)電子一對(duì)電子的轉(zhuǎn)移。的轉(zhuǎn)移。2、質(zhì)譜離子的電荷表示方法3、分子離子峰、分子離子峰1）、分子離子的穩(wěn)定性）、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。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

12、合物的相對(duì)摩爾質(zhì)量相等。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：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。烷烴酮胺酯醚酸支鏈烷烴醇。2）、分子離子峰的特點(diǎn)：）、分子離子峰的特點(diǎn)： 一般質(zhì)譜圖上一般質(zhì)譜圖上質(zhì)荷比最大的峰為質(zhì)荷比最大的峰為分子離子峰；有例分子離子峰；有例外。外。 形成分子離子形成分子離子需要的能量最低，需要的能量最低，一般約電子伏一般約電子伏特。特。 質(zhì)譜圖上質(zhì)荷比最大的峰一定為分子離子峰嗎？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

13、子峰？如何確定分子離子峰？3）、確定分子離子峰的規(guī)律）、確定分子離子峰的規(guī)律 由、組成的有機(jī)化合物，由、組成的有機(jī)化合物，一定是偶數(shù)。一定是偶數(shù)。由、組成的有機(jī)化合物，奇數(shù)，由、組成的有機(jī)化合物，奇數(shù)，奇數(shù)。奇數(shù)。 由、組成的有機(jī)化合物，偶數(shù)，由、組成的有機(jī)化合物，偶數(shù)，偶數(shù)。偶數(shù)。 分子離子峰與相鄰峰的質(zhì)量差必須合理。分子離子峰與相鄰峰的質(zhì)量差必須合理。 例如：例如：CH4 M=1612C+1H4=164=16 M13C+1H4=17 4=17 M+112C+2H+1H3=17 M+113C+2H+1H3=18 M+2同位素峰同位素峰分子離子峰分子離子峰2、同位素離子峰（、同位素離子峰（M

14、+1峰）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)還可以觀察到位的峰；有時(shí)還可以觀察到M+2，M+3.；1615m/z RA13.1121.0133.9149.2158516100171.1m/z同位素離子峰的用途質(zhì)譜法求分子式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）、各種同位素在自然界的天然豐度是定值 參看參看199頁(yè)、表頁(yè)、表5-22）、每一種化合物的同位素強(qiáng)度比是定值）、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)算出的可以

15、從理論上計(jì)算出的M+1 / M值值3）、從質(zhì)譜圖上可以讀?。?、從質(zhì)譜圖上可以讀取M+1與與M峰的強(qiáng)度峰的強(qiáng)度, 從實(shí)測(cè)值進(jìn)一步算出從實(shí)測(cè)值進(jìn)一步算出M+1 / M值值4）、所以利用同位素強(qiáng)度比可以測(cè)定分子式）、所以利用同位素強(qiáng)度比可以測(cè)定分子式例例1：CH3CH2OH 的分子式：的分子式：C2H6O 如果把如果把M峰的豐度作為峰的豐度作為100則則: (M+1)%=(1.1082 0.0156+0.041） 2.346那么：在質(zhì)譜圖上那么：在質(zhì)譜圖上M+1強(qiáng)度強(qiáng)度/M強(qiáng)度強(qiáng)度2.346即：即：M+1/M=2.346% 對(duì)應(yīng)的分子式是對(duì)應(yīng)的分子式是C2H6O 求分子式的過(guò)程與方法求分子式的過(guò)程與

16、方法 略略2、高分辨質(zhì)譜法求分子式、高分辨質(zhì)譜法求分子式 1、每一種元素都有精確原子量、每一種元素都有精確原子量 例如：例如：1H = 1.00783 2H=2.0141 12C=12.0000 13C=13.00335 14N=14.00307 15N=15.00011 16O=15.99491 17O=16.999914 18O=17.99916 19F=18.9984 34S=33.96786 36S=35.96709所以每一個(gè)分子式有精確的分子量所以每一個(gè)分子式有精確的分子量例如：例如：CO=12.0000+15.99491=27.99491 N2=14.00307228.00614

17、C2H4=12.000021.00783428.03132 CH2N=12.0000+1.00783214.0030728.01873 如果在質(zhì)譜圖上給出如果在質(zhì)譜圖上給出28.0177 應(yīng)是應(yīng)是CH2N具體計(jì)算方法具體計(jì)算方法 （略）（略）六、質(zhì)譜裂解類型（1 1）、）、 裂解裂解（2 2）、）、-裂解，裂解，-裂解，裂解， - -裂解裂解（4 4）、重排裂解）、重排裂解（5）、）、1烯丙基裂解烯丙基裂解（6）、芐基裂解）、芐基裂解當(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型離子（分子碎片）：下列方式形成各種類型離子（分

18、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 +碎碎片片離離子子（1 1）、）、 裂解裂解 一般有機(jī)化合物的電離能為一般有機(jī)化合物的電離能為713電子伏特，質(zhì)譜中常用電子伏特，質(zhì)譜中常用的電離電壓為的電離電壓為70電子伏特，使結(jié)構(gòu)裂解，產(chǎn)生各種電子伏特，使結(jié)構(gòu)裂解，產(chǎn)生各種“碎片碎片”離離子。子。H3CCH2CH2CH2CH2CH315712957434357297115H3CCH2CH2CH2CH2CH3H3CCH2CH2CH2CH2CH3

19、H3CCH2CH2CH2CH2CH3H3CCH2CH2CH2CH2CH3CH3CH2CH2CH2CH2CH31529435771正己烷正己烷碎片離子峰實(shí)例碎片離子峰實(shí)例H3C C CH3CH3H3C CH CH3H3C CH2CH3m/z15294357859911314271正癸烷正癸烷斷裂斷裂（官能團(tuán)（官能團(tuán)與與碳鍵的開(kāi)裂）碳鍵的開(kāi)裂）BAZAZ+BRCROCRO+RCH3(CH2)9CH2NH2M=15720 30 40 50 60 70 80 90 1003044m/z2 2、 斷裂（官能團(tuán)的斷裂（官能團(tuán)的與與 碳鍵的開(kāi)裂）碳鍵的開(kāi)裂） CH3CH2CH=CHCH2CH2CH2CH3

20、烯烴易發(fā)生斷裂 斷裂（官能團(tuán)的碳斷裂（官能團(tuán)的碳與與 碳之間斷裂）碳之間斷裂）BAZAZ+BRCH2OHRCH2OH +RCH2ORRCH2OR+RCH2NR2RCH2NR2+RCH2SRRCH2SR+H3CCH2CH2CHCH3OHCHCH3OHH3C CH2CH2m /z=45(M -43)H3C CH2CH2CCH3OHHm/z=87(M-1)H3C CH2CH2CHOHCH3m/z=73(M-15)m /z203040506080907045(M -43)55M -(H2O +C H3)73(M -C H3)88(M )M -170(M -H2O ) 斷裂斷裂丟丟失最大烴基的可失最大烴基的可