18.质谱分析解析

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,*,第十八章 质谱法,(Mass Spectrometry,MS),第一节 质谱分析原理及质谱仪Mass Spectrograph,一、根本原理概述,二、质谱仪性能指标,三、仪器组成,其次节 质谱图及其应用,一、质谱图 Mass Spectrum,二、质谱峰类型,三、质谱定性分析,四、质谱定量分析,第三节质谱联用技术(Hyphenated method),应用,质谱是应用最为广泛的方法之一，它可以为我们供给以下信息：,a)样品元素组成；,b)无机、有机及生物分析的构造-构造不同，分子或原子碎片不同(质荷,比不同),c)简洁混合物的定性定量分析-与色谱方法联用(GC-MS)；,d)固体外表构造和组成分析-激光烧蚀等离子体-质谱联用；,样品中原子的同位素比。,历史：,1813年：Thomson使用MS报道了Ne是由22Ne和24N两种同位素组成；随,后，同位素分析开头进展。,在30年月末：由于石油工业的进展，需要测定油的成份。通常用蒸馏的,方法先分别这些烃类混合物，然后再分别测定其折光率的方法来分,析它们。这通常要花数天时间。,40年月初：开头将MS用于石油工业中烃的分析，并大大缩短了分析时,间。,50年月初：质谱仪器开头商品化，并广泛用于各类有机物的构造分析。,同时质谱方法与NMR、IR等方法结合成为分子构造分析的最有效的,手段。,80年月：非挥发性或热不稳定分子的分析进一步促进了MS的进展；,90年月：由于生物分析的需要，一些新的离子化方法得到快速进展；目,前一些仪器联用技术如GC-MS，HPLC-MS，GC-MS-MS，ICP-MS,等正大行其道。,第一节 质谱分析原理及质谱仪,一、基本原理概述,质谱分析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。,其过程为可简单描述为：,其中，z为电荷数，e为电子电荷，U为加速电压，m为碎片质量，V为电子运动速度。,离子源,轰击样品,带电荷的,碎片离子,电场加速,(zeU),获得动能,(1/2mV,2,),磁场分离,(m/z),检测器记录,二、质谱仪性能指标,1.质量测量范围,质量测定范围以原子质量单位量度，,1,个原子质量单位：,1u=1.66054,10,-27,kg/,12,C,原子,如,12,C=12u,CH,4,=16.xxxx u,在非精确测量中，常直接以原子或分子量大小来表示。,2.分辨本领,指质谱仪分辨相邻质量数离子的能力。定义为：两个相等强度的相邻峰(质量分别为,m,1,和,m,2,)，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：,可见在质量数小时，分辨率亦较小。,实际工作中很难找到上述两相等的峰，常以 表示，其中,W,0.05,表示峰高,5%,处的峰宽。,R,与离子通道半径,r,、加速器和收集器狭缝宽度、离子源的性质和质量等因素有关。,三、仪器组成,按质量分析器(或者磁场种类)可分为,静态仪器,和,动态仪器,，即稳定磁场（单聚焦及双聚焦质谱仪）和变化磁场（飞行时间和四极杆质谱仪）。,MS,仪器一般由进样系统、电离源、质量分析器、真空系统和检测系统构成。,1.真空系统,如以以下图，质谱仪中全部局部均要处于高度真空的条件下(10-4-10-6托或mmHg柱),其作用是削减离子碰撞损失。真空度过低，将会引起：,a大量氧会烧坏离子源灯丝；,b引起其它分子离子反响，使质谱图简洁化；,c干扰离子源正常调整；,d用作加速离子的几千伏高压会引起放电。,2.进样系统,对进样系统的要求：重复性好、不引起真空度降低。,进样方式：,a)间歇式进样：适于气体、沸点低且易挥发的液体、中等蒸汽压固体。如图所示。注入样品,(10-100,g),贮样器,(0.5L-3L),抽真空,(10,-2,Torr),并加热样品蒸汽分子(压力陡度)漏隙高真空离子源。,1.3-0.13Pa,（加热）,b)直接探针进样：高沸点液体及固体,探针杆通常是一根规格为25cm6mm i.d.，末端有一装样品的黄金杯(坩埚)，将探针杆通过真空闭锁系统引入样品，如以以下图。,优点：,1引入样品量小，样品蒸汽压,可以很低；,2可以分析简洁有机物；,3应用更广泛。,c)色谱进样：利用气相和液相色谱的分别力气，与质谱仪联用，进展多组份简洁混合物分析。,3.电离源（室,Ionization Chamber,）,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、场电离源、火花源；,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。包括场解吸源、快原子轰,击源、激光解吸源、离子喷雾源和热喷雾离子源等。,硬源：,离子化能量高，如EI。伴有化学键的断裂，谱图复杂，可得到分子官能,团的信息；,软源：,离子化能量低，如场解吸源。产生的碎片少，谱图简单，可得到分子量,信息。,因此，应根据分子电离所需能量的不同来选择不同电离源。,a)电子轰击源,(Electron Impact，EI),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。,水平方向：灯丝与阳极间(,70V,电压)高能电子 冲击样品正离子,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。,特 点：,使用最广泛，谱库最完整；电离效率高；结构简单，操作方便；但分子离子峰强度较弱或不出现（因电离能量最高）。,EI,b)化学电离源,(Chemical Ionization,CI),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。,进入电离源的分子,R-CH,3,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：,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,提供分子量这一种要信息。,c)场电离源,(Field ionization,FI),应用强电场(电压梯度,10,7,-10,8,V/cm,)诱导样品电离。如下图。,过 程：,强电场(电极间距,0.5-2mm,)分子电子的量子隧道效应*分子热分解或碰撞带正电荷的碎片离子阳极排出并加速进入磁场,*量子隧道效应(Quantum mechanical tunneling),:分子电子被微针“萃出”，分子本身很少发生振动或转动，因而分子不过多碎裂。,电极要求：电极尖锐，使用微碳针(,W,丝上的苯基腈裂解生成)构成多尖陈列电,极可提高电离效率。,特 点：,电离温和，碎片少，主要产生分子离子M,+,和(M+1),+,峰。,d)场解吸源,(Field desorption,FD),类似于场电离源，它也有一个表面长满“胡须”(长,0.01mm,)的阳极发射器,(Emitter),。,过 程：,样品溶液涂于发射器表面-蒸发,除溶剂强电场分子电,离奔向阴极引入磁场,特 点：,特别适于非挥发性且分子量高达,离子峰和准分子离子峰，谱图最,为简单。,EI,FI,FD,e)火花源(Spark)：,针对金属合金属或离子残渣样品等非挥发性无机物的分析，类似于AES中的激发光源。,过 程：30kV 脉冲电压-火花-样品局部高热-元素蒸发-原子或离子-经加速进入磁场进展分别,特 点：元素分析灵敏度高，可分析简洁样品(60种元素)、谱图简洁、线性范围宽。,f)快原子轰击(Fast atom bombardment,FAB),过 程：高速电子惰性气体电离电场加速高速原子离子束撞击涂有样品的金属板能量转移给样品分子电离引入磁场分别。,质量分析器,铜针探头,探针,二次离子,狭缝,原子束,样品层,FAB：,4.质量分析器,作用是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、离子捕获、离子回旋等。,1）磁分析器,单聚焦型,(Magnetic sector spectrometer),：,用一个扇形磁场进行质量分析的质谱仪。,带电离子质量分析器，在磁场(场强为B)作用下，飞行轨道弯曲(曲率半径为r)。当向心力 Bev 与离心力 mv2/r 相等时，离子才能飞出磁场区，即，,e为电子电荷；U为加速电压。,由于 电场加速,将上式带入得，,当B、r、U三个参数中任两个保持不变而转变其中一个参数时，可得质谱图。,固定B和U，转变r，即通过移动检测器狭缝位置来收集不同r处的离子或以感光板照相技术记录的不同m/z的离子质谱仪mass spectrograph；,现代质谱仪通常是保持r不变，通过扫描电场U或磁场B，使不同m/z离子依次通过固定狭缝来获得质谱图质谱计Mass Spectrometer)。,单聚焦质量分析器只是将m/z 一样而入射方向不同的离子聚焦到一点或称实现了方向聚焦。,但对于m/z 一样而动能或速度不同的离子不能聚焦，故其区分率较低，一般为5000。,以以以下图是单聚焦型质量分析器更直观地的工作过程。,双聚焦型,(Double focusing mass spectrometer),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-能量聚焦了！,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。双聚焦质量分析器可高达150,000!,思考：为什么双聚焦仪比单聚焦仪有更高的分辨率？,2）飞行时间分析器,(Time of flight,TOF),过 程：不同荷电碎片在飞出离子源的速度（动能）基本一致。某离子在到达无场漂移,管前端时，其速度大小为：,到达无场漂移管末端的时间为：,不同离子通过同一长度为,L,的无场漂移管，所需时间相差：,由于不同,m/z,的离子，其飞出漂移管的时间不同，因而实现了离子的分离。因为连续电离和加速使检测器产生连续输出而不能得到有效信息，因此实际工作中常采用相同频率的电子脉冲电离和脉冲电场加速，被加速的粒子经不同的时间到达收集极上，并反馈到示波器上记录，从而得到质谱图。,特 点：扫描速度快(,1000,幅,/s,)，可用于研究快速反应或与,GC,联用；可用于高质量离子分,析；体积小，操作容易；分辨率比磁分析器稍差。,过程：在两个相对的极杆之间加电压,(U+Vcos,t),，在另两个相对的极杆上加,-(U+Vcos,t),。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,U,和,V,并保持,U/V,比值一定，可实现不同,m/z,离子的检测。,特点：分辨率比磁分析器略低,(max.2000),;,m/z,范围与磁分析器相当；传输效率较高；扫描速度快，可用于,GC-MS,联用仪。,3）四极滤质器,(Quadrupole mass filter),4）离子阱,(Ion trap analyzer),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/z,离子依次离开并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/z200-2000,的分子分析