質(zhì)譜分析原理及質(zhì)譜儀一

第16章質(zhì)譜法(MassSpectrometry,MS)16.1質(zhì)譜分析原理及質(zhì)譜儀一、基本原理概述二、質(zhì)譜儀性能指標(biāo)三、儀器組成16.2質(zhì)譜圖及其應(yīng)用一、質(zhì)譜圖二、質(zhì)譜峰類型三、質(zhì)譜定性分析四、質(zhì)譜定量分析發(fā)展歷史：1813年：Thomson運(yùn)用MS報(bào)道了Ne是由22Ne和24Ne兩種同位素組成；隨后，同位素分析起先發(fā)展20世紀(jì)40年頭初：起先將MS用于石油工業(yè)中烴的分析，并大大縮短了分析時(shí)間20世紀(jì)50年頭初：質(zhì)譜儀器起先商品化，廣泛用于各類有機(jī)物的結(jié)構(gòu)分析。同時(shí)質(zhì)譜方法與NMR、IR等方法結(jié)合成為分子結(jié)構(gòu)分析最有效的手段20世紀(jì)80年頭：非揮發(fā)性或熱不穩(wěn)定分子的分析進(jìn)一步促進(jìn)了MS的發(fā)展；20世紀(jì)90年頭：由于生物分析的須要，一些新的離子化方法得到快速發(fā)展；目前一些儀器聯(lián)用技術(shù)如GC-MS，HPLC-MS，GC-MS-MS，ICP-MS等正發(fā)揮重要作用。應(yīng)用

質(zhì)譜是應(yīng)用最為廣泛的化合物結(jié)構(gòu)分析方法之一，它可以為我們供應(yīng)以下信息：a)

樣品元素組成；b)

無機(jī)、有機(jī)及生物分子的結(jié)構(gòu)---結(jié)構(gòu)不同，分子或原子碎片不同(質(zhì)荷比不同)c)

困難混合物的定性定量分析---與色譜方法聯(lián)用(GC-MS，LC-MS)；d)固體表面結(jié)構(gòu)和組成分析---激光燒蝕等離子體---質(zhì)譜聯(lián)用；樣品中原子的同位素比。16.1質(zhì)譜分析原理及質(zhì)譜儀一、基本原理概述離子源轟擊樣品帶電荷的碎片離子電場加速(zeU)獲得動(dòng)能(1/2mV2)磁場分離(m/z)檢測器記錄質(zhì)譜分析是將樣品轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)的帶電氣態(tài)離子，于磁場中按質(zhì)荷比(m/z)大小分別并記錄的分析方法。

其過程為可簡潔描述為：其中，z為電荷數(shù)，e為電子電荷，U為加速電壓，m為碎片質(zhì)量，V為電子運(yùn)動(dòng)速度。指質(zhì)譜儀辨別相鄰質(zhì)量數(shù)離子的實(shí)力。定義為：兩個(gè)相等強(qiáng)度的相鄰峰(質(zhì)量分別為m1和m2)，當(dāng)兩峰間的峰谷不大于峰高的10%時(shí)，則可認(rèn)為兩峰已分開，其辨別率R為：可見在質(zhì)量數(shù)小時(shí)，辨別率亦較小。

二、質(zhì)譜儀的辨別率實(shí)際工作中很難找到上述兩相等的峰，常以下式表示：其中W0.05表示峰高5%處的峰寬。

R與離子通道半徑r、加速器和收集器狹縫寬度、離子源的性質(zhì)和質(zhì)量等因素有關(guān)。三、儀器組成按質(zhì)量分析器(或者磁場種類)可分為靜態(tài)儀器和動(dòng)態(tài)儀器，即穩(wěn)定磁場（單聚焦及雙聚焦質(zhì)譜儀）和變更磁場（飛行時(shí)間和四極桿質(zhì)譜儀）。MS儀器：進(jìn)樣系統(tǒng)電離源質(zhì)量分析器真空系統(tǒng)檢測系統(tǒng)1.真空系統(tǒng)如圖所示，質(zhì)譜儀中全部部分均要處高度真空的條件下(10-4-10-6Torr),其作用是削減離子碰撞損失。真空度過低，將會(huì)引起：a）大量氧會(huì)燒壞離子源燈絲；b）引起其它分子離子反應(yīng)，使質(zhì)譜圖困難化；c）用作加速離子的幾千伏高壓會(huì)引起放電；d）干擾離子源正常調(diào)整。2.進(jìn)樣系統(tǒng)1.3-0.13Pa對進(jìn)樣系統(tǒng)的要求：重復(fù)性、不引起真空度降低。進(jìn)樣方式：a)間歇式進(jìn)樣：適于氣體、沸點(diǎn)低易揮發(fā)的液體、中等蒸汽壓固體。注入樣品(10-100g)—貯樣器(0.5L-3L)—抽真空(10-2Torr)并加熱—樣品蒸汽(壓力梯度)—漏隙—高真空離子源b)

干脆探針進(jìn)樣：高沸點(diǎn)液體及固體優(yōu)點(diǎn)：1)引入樣品量小，樣品蒸汽壓可以很低；2)可以分析困難有機(jī)物；3)應(yīng)用更廣泛。c)色譜進(jìn)樣：利用氣相和液相色譜的分別實(shí)力，進(jìn)行多組份困難混合物分析。探針桿通常是一根規(guī)格為25cm6mmi.d.，末端有一裝樣品的黃金杯(坩堝)，將探針桿通過真空閉鎖系統(tǒng)引入樣品，如圖所示。根據(jù)樣品離子化方式通?？蓪㈦婋x源分為：氣相源：先蒸發(fā)再激發(fā)，適于沸點(diǎn)低于500oC、對熱穩(wěn)定的樣品的離子化，包括電子轟擊源、化學(xué)電離源、場電離源、火花源；解吸源：固態(tài)或液態(tài)樣品不需要揮發(fā)而直接被轉(zhuǎn)化為氣相，適用于分子量高達(dá)105的非揮發(fā)性或熱不穩(wěn)定性樣品的離子化。包括場解吸源、快原子轟擊源、激光解吸源、離子噴霧源和熱噴霧離子源等。根據(jù)電離源能量高低，通常可將電離源分為硬源：離子化能量高，伴有化學(xué)鍵的斷裂，譜圖復(fù)雜，可得到分子官能團(tuán)的信息；軟源：離子化能量低，產(chǎn)生的碎片少，譜圖簡單，可得到分子量信息。因此，可據(jù)分子電離所需能量不同可選擇不同電離源。3.電離源(室)將引入的樣品轉(zhuǎn)化成為碎片離子的裝置。a)

電子轟擊源(ElectronBombIonization，EI)作用過程：接受高速(高能)電子束沖擊樣品，從而產(chǎn)生電子和分子離子M+，M+接著受到電子轟擊而引起化學(xué)鍵的斷裂或分子重排，瞬間產(chǎn)生多種離子。水平方向：燈絲與陽極間(70V電壓)—高能電子—沖擊樣品—正離子垂直方向：G3-G4加速電極(低電壓)---較小動(dòng)能---狹縫準(zhǔn)直G4-G5加速電極(高電壓)---較高動(dòng)能---狹縫進(jìn)一步準(zhǔn)直--離子進(jìn)入質(zhì)量分析器。特點(diǎn)：運(yùn)用最廣泛，譜庫最完整；電離效率高；結(jié)構(gòu)簡潔，操作便利；但分子離子峰強(qiáng)度較弱或不出現(xiàn)(因電離能量最高)。EIb)

化學(xué)電離源(ChemicalIonization,CI)作用過程：樣品分子在承受電子轟擊前，被一種反應(yīng)氣(通常是甲烷)稀釋，稀釋比例約為103:1，因此樣品分子與電子的碰撞幾率微小，所生成的樣品分子離子主要由反應(yīng)氣分子組成。進(jìn)入電離源的分子R-CH3大部分與CH5+碰撞產(chǎn)生(M+1)+離子；小部分與C2H5+反應(yīng)，生成(M-1)+離子：特點(diǎn)：電離能小，質(zhì)譜峰數(shù)少，圖譜簡潔；準(zhǔn)分子離子(M+1)+峰大,可供應(yīng)分子量這一種要信息c)

場電離源(Fieldionization,FI)應(yīng)用強(qiáng)電場(電壓梯度107-108V/cm)誘導(dǎo)樣品電離。過程：強(qiáng)電場(電極間距約10-4cm)—較大偶極矩和高極化率分子與陽極碰撞—帶正電荷的碎片離子—進(jìn)入聚焦單元。陽極要求：電極尖銳，其上長滿微針(W絲上的苯基腈裂解生成)構(gòu)成多尖陳設(shè)電極，既所謂“金屬胡須”放射器，可提高電離效率。樣品↓特點(diǎn)：電離溫順，碎片少，主要產(chǎn)生分子離子M+和(M+1)+峰。類似于場電離源，它也有一個(gè)表面長滿“胡須”(長0.01mm)的陽極發(fā)射器(Emitter)。過程：樣品溶液涂于發(fā)射器表面---蒸發(fā)除溶劑——強(qiáng)電場——分子電離——奔向陰極——引入磁場EIFIFDd)

場解吸源(Fielddesorption,FD)特點(diǎn)：特殊適于非揮發(fā)性且分子量高達(dá)100000的分子。樣品只產(chǎn)生分子離子峰和準(zhǔn)分子離子峰，譜圖最為簡潔。過程：30kV脈沖電壓---火花---樣品局部高熱---元素蒸發(fā)---原子或離子---經(jīng)加速進(jìn)入磁場進(jìn)行分別e)

火花源(Spark)：針對金屬合金或離子殘?jiān)鼧悠返确菗]發(fā)性無機(jī)物的分析，類似于AES中的激發(fā)光源。特點(diǎn)：元素分析靈敏度高，可分析困難樣品(60種元素)，譜圖簡潔，線性范圍寬。過程：高速電子——惰性氣體電離——電場加速——高速原子離子束——撞擊涂有樣品的金屬板——能量轉(zhuǎn)移給樣品分子——電離——引入磁場分別。質(zhì)量分析器銅針探頭探針二次離子狹縫原子束樣品層FAB：特點(diǎn)：1）分子離子和準(zhǔn)分子離子峰強(qiáng)；2）碎片離子峰也很豐富；3）適合于熱不穩(wěn)定、難揮發(fā)的樣品。f)

快原子轟擊(Fastatombombardment,FAB)1）磁分析器單聚焦型：用一個(gè)扇形磁場進(jìn)行質(zhì)量分析的質(zhì)譜儀4.質(zhì)量分析器作用是將不同碎片按質(zhì)荷比m/z分開。質(zhì)量分析器類型：磁分析器、飛行時(shí)間、四極桿、離子捕獲、離子回旋等。帶電離子進(jìn)入質(zhì)量分析器，在磁場(場強(qiáng)為B)作用下，飛行軌道彎曲(曲率半徑為Rm)。當(dāng)向心力Bzev與離心力mv2/Rm

相等時(shí)，離子才能飛出磁場區(qū)電場加速，U為加速電壓因此亦可得到當(dāng)B、Rm、U三個(gè)參數(shù)中任兩個(gè)保持不變而變更其中一個(gè)參數(shù)時(shí)，可得質(zhì)譜圖?，F(xiàn)代質(zhì)譜儀通常是保持U、Rm不變，通過掃描磁場來得到質(zhì)譜圖的。單聚焦質(zhì)量分析器只是將m/z相同而入射方向不同的離子聚焦到一點(diǎn)（或稱實(shí)現(xiàn)了方向聚焦）。但對于m/z相同而動(dòng)能（或速度）不同的離子不能聚焦，故其辨別率較低，一般為5000。下圖是單聚焦型質(zhì)量分析器更直觀地的工作過程。雙聚焦型(Doublefocusingspectrometer)

為克服動(dòng)能或速度“分散”的問題，即實(shí)現(xiàn)所謂的“速度(能量)聚焦”，在離子源和磁分析器之間加一靜電分析器（ESA），如下圖所示，于兩個(gè)半徑固定的扇形電極板上加始終流電壓V，只有動(dòng)能與其曲率半徑相應(yīng)的離子才能通過狹縫B----實(shí)現(xiàn)能量聚焦了！

然后，變更V值可使不同能量的離子從其“出射狹縫”引出，并進(jìn)入磁分析器再實(shí)現(xiàn)方向聚焦。思索：為什么雙聚焦儀比單聚焦儀有更高的辨別率？雙聚焦質(zhì)量分析器辨別率可高達(dá)150,000!不同離子通過同一長度為L的無場漂移管所需時(shí)間相差：2）飛行時(shí)間分析器(Timeofflight,TOF)過程：不同荷電碎片在飛出離子源的速度（動(dòng)能）基本一樣。某離子在到達(dá)無場漂移管前端時(shí)，其速度大小為：到達(dá)無場漂移管末端的時(shí)間為：由于不同m/z的離子，其飛出漂移管的時(shí)間不同，因而實(shí)現(xiàn)了離子的分別。因?yàn)檫B續(xù)電離和加速使檢測器產(chǎn)生連續(xù)輸出而不能得到有效信息，因此實(shí)際工作中常接受相同頻率的電子脈沖電離和脈沖電場加速，被加速的粒子經(jīng)不同的時(shí)間到收集極上，并反饋到示波器上記錄，從而得到質(zhì)譜圖。特點(diǎn)：掃描速度快(1000幅/s)，可用于探討快速反應(yīng)或與GC聯(lián)用；可用于高質(zhì)量離子分析；體積小，操作簡潔；辨別率比磁分析器稍差。過程：在兩個(gè)相對的極桿之間加電壓(U+Vcost)，在另兩個(gè)相對的極桿上加-(U+Vcost)。與前述雙聚焦儀的靜電分析器類似，離子進(jìn)入可變電場后，只有具合適的曲率半徑的離子可以通過中心小孔到達(dá)檢測器。3）四極濾質(zhì)器(Quadrupolemassfilter)特點(diǎn)：辨別率比磁分析器略低(max.2000);m/z范圍與磁分析器相當(dāng)；傳輸效率較高；掃描速度快，可用于GC-MS聯(lián)用儀。4）離子阱(Iontrapanalyzer)離子阱的橫截面圖過程：上下端罩(Endcap)與左右環(huán)電極(Ringelectrode)構(gòu)成可變電場(前者接地，后者施以射頻電壓)——帶電離子在確定軌道上旋轉(zhuǎn)——變更電壓——可使相同m/z離子依次離開進(jìn)入電子倍增器而分別。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡潔、易于操作、GC-MS聯(lián)用可用于m/z200-2000的分子分析。4、檢測器2）電子倍增器：類似于光電倍增管，可測10-18A電流。但有質(zhì)量卑視效應(yīng)。3）閃爍計(jì)數(shù)器：記錄離子的數(shù)目。包括Faraday杯、電子倍增器、閃爍計(jì)數(shù)器、照相底片等1)Faraday杯：下圖是Faraday杯結(jié)構(gòu)原理圖特點(diǎn)：可檢測10-15A的離子流，但不適于高加速電壓下的離子檢測。16.2質(zhì)譜圖及其應(yīng)用一、質(zhì)譜圖以質(zhì)荷比m/z為橫座標(biāo)，以對基峰(最強(qiáng)離子峰，規(guī)定相對強(qiáng)度為100%)相對強(qiáng)度為縱座標(biāo)所構(gòu)成的譜圖，稱之為質(zhì)譜圖。二、質(zhì)譜峰類型分子在離子源中可產(chǎn)生各種電離，即同一分子可產(chǎn)生多種離子峰：分子離子峰、同位素離子峰、碎片離子峰、重排離子峰、亞穩(wěn)離子峰等。分子離子碎片離子重排裂解碰撞裂解設(shè)有機(jī)化合物由A，B，C和D組成，當(dāng)蒸汽分子進(jìn)入離子源，受到電子轟擊可能發(fā)生下列過程而形成各種類型的離子：1）分子離子峰ABCD+為分子離子峰，m/z即為分子的分子量。對于有機(jī)物，雜原子S，O，P，N等上的未共用電子對最易失去，其次是電子，再其次是電子。2）碎片離子峰因分子發(fā)生鍵的斷裂只須要十幾電子伏特的能量，而電子轟擊的能量為70eV，因而會(huì)產(chǎn)生更小的碎片離子峰。烷烴化合物斷裂多在C-C之間發(fā)生，且易發(fā)生在支鏈上：~~烯烴多在雙鍵旁的第二個(gè)鍵上開裂：~~苯的最強(qiáng)峰為M+，芳香族化合物將先失去取代基，再形成苯甲離子含C=O鍵化合物的開裂多在與其相鄰的鍵上：~~對含雜原子的分子，斷裂的鍵位順序?yàn)槲弧⑽缓臀唬篟—XR++X?~共振穩(wěn)定化離子~分子離子峰和碎片離子峰的識(shí)別和解析，對有機(jī)分子的定性分析特別重要?？梢酝ㄟ^選擇不同離子源來獲得不同的信息。下圖是不同離子源下麻黃堿的質(zhì)譜圖?；瘜W(xué)電離源電子轟擊源麻黃堿化學(xué)電離與電子轟擊源質(zhì)譜圖比較分子離子峰3)同位素峰由于自然同位素的存在，因此在質(zhì)譜圖上出現(xiàn)M+1，M+2等峰，由這些同位素所形成的峰稱之為同位素峰。4）重排離子峰原子或基團(tuán)經(jīng)重排后再開裂而形成一種特殊的碎片離子，稱重排離子。如醇分子離子經(jīng)脫水后重排可產(chǎn)生新的重排離子峰。

1.麥?zhǔn)现嘏?/p>

m/e=58,是具有γ-H甲基酮的特征峰。

γ位上有氫原子的烷基取代芳烴：2.逆狄爾斯—阿爾德反應(yīng)（環(huán)烯斷裂反應(yīng))

3.飽和分子的氫重排（消退反應(yīng)）X為鹵素原子時(shí)，消去HX

X為—OH時(shí)，消去H2O

X為—SH…，…H2S等。

過程：質(zhì)量數(shù)為m1的帶電離子，由于碰撞等緣由，在進(jìn)入質(zhì)量分析器之前，失去中性碎片m而變成m2的離子(此時(shí)m1能量變小，在磁場中有更大的偏轉(zhuǎn))從而形成亞穩(wěn)離子峰m*，此時(shí)可將此峰看成m1和m2的“混合峰”，即形成“寬峰”，極易識(shí)別。且滿足下式：

此式可用于找尋裂解途徑(通過母離子m1與子離子m2的關(guān)系)。4）亞穩(wěn)離子峰三、質(zhì)譜定性分析分子量測定、化學(xué)式及結(jié)構(gòu)式鑒定1、分子量確定依據(jù)分子離子峰質(zhì)荷比可確定分子量，通常分子離子峰位于質(zhì)譜圖最右邊，但由于分子離子的穩(wěn)定性及重排等，質(zhì)譜圖上質(zhì)荷比最大的峰并不確定是分子離子峰。那么，如何辯認(rèn)分子離子峰呢？1）原則上除同位素峰外，分子離子峰是最高質(zhì)量的峰。但要留意“醚、胺、脂的(M+H)+峰”及“芳醛、醇等的(M-H)+峰”。2）分子離子峰應(yīng)符合“氮律”。在C、H、O組成的化合物中，分子離子峰的質(zhì)量數(shù)確定是偶數(shù)；在含C、H、O、N化合物中，含偶數(shù)個(gè)N的分子量為偶數(shù)，含奇數(shù)個(gè)N的分子量為奇數(shù)。3）分子離子峰與鄰近峰的質(zhì)量差是否合理。有機(jī)分子失去碎片大小是有規(guī)律的：如失去H、CH3、H2O、C2H5…….，因而質(zhì)譜圖中可看到M-1，M-15，M-18，M-28等峰，不行能出現(xiàn)M-3，M-14，M-24等峰，如出現(xiàn)這樣的峰，則該峰一定不是分子離子峰。4）利用同位素幫助識(shí)別分子離子峰。如含有Cl和Br時(shí)，由于其含有豐度較高的重同位素，Cl中含35Cl為75.77%,37Cl為24.23%，Br中79Br為50.54％，81Br為49.46％。因此，若分子中含有一個(gè)氯原子，則M和M＋2峰強(qiáng)度比為3：1；若分子中含有一個(gè)溴原子，則M與M＋2之比為1：1。5）EI源中，當(dāng)電子轟擊電壓降低，強(qiáng)度不增加的峰不是分子離子峰。2、化學(xué)式的確定

高辨別質(zhì)譜：可辨別質(zhì)荷比相差很小的分子離子或碎片離子。如CO和N2分子離子的m/z均為28，但其精確質(zhì)荷比分別為28.0040和27.9949，高辨別質(zhì)譜可以識(shí)別它們。b)低辨別質(zhì)譜：不能辨別m/z相差很小的碎片離子，如CO和N2。通常通過同位素相對豐度法來確定分子的化學(xué)式。對于化合物CwHxNyOz，其同位素離子峰(M+1)+和(M+2)+與分子離子峰的強(qiáng)度比分別為：忽略2H和17O的影響，上二式簡化為對于含有Cl,Br,S等同位素自然豐度較高的化合物其同位素離子峰相對強(qiáng)度可由（a+b)n綻開式計(jì)算，其中a、b分別為該元素輕重同位素的相對豐度，n為分子中該元素的原子個(gè)數(shù)。CH3Cl；因?yàn)?，a=3,b=1,n=1,因此(3+1)1=3+1，