质谱原理及使用

null第七章 质 谱 法 （Mass Spectrometry MS）第七章 质 谱 法 （Mass Spectrometry MS） 质谱法是通过将样品转化为运动的 气态离子并按质荷比(M／Z)大小进行 分离并 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 其信息的分析方法。所得结 果以图谱表达，即所谓的质谱图（亦称 质谱，Mass Spectrum）。null 根据质谱图提供的信息可 以进行多种有机物及无机物的 定性和定量分析、复杂化合物 的结构分析、样品中各种同位 素比的测定及固体表面的结构 和组成分析等。 null 从二十世纪六十年代开始，质谱 法更加普遍地应用到有机化学和生物 化学领域。化学家们认识到由于质谱 法独特的电离过程及分离方式，从中 获得的信息是具有化学本性，直接与 其结构相关的，可以用它来阐明各种 物质的分子结构。正是由于这些因素 ，质谱仪成为多数研究室及分析实验 室的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 仪器之一。 7-l 质谱仪 7-l 质谱仪 (一) 质谱仪的工作原理 质谱仪是利用电磁学原理，使带电 的样品离子按质荷比进行分离的装置。 离子电离后经加速进入磁场中，其动能 与加速电压及电荷Z有关，即 。 null 其中z为电荷数，e为元电荷（e=1.60×10-19C），U为加速电压，m为离子的质量，υ为离子被加速后的运动速度。具有速度υ的带电粒子进入质谱分析器的电磁场中，根据所选择的分离方式，最终实现各种离子按m／z进行分离。（二）质谱仪的主要性能指标 （二）质谱仪的主要性能指标 1．质量测定范围 质谱仪的质量测定范围表示质谱仪 所能够进行分析样品的相对原子质量（ 或相对分子质量）范围，通常采用原子 质量单位（unified atomic mass unit， 符号u）进行度量。原子质量单位是由 12C来定义的，即一个处于基态的12C中 性原子的质量的1/12，即null=1.66054×10-24g/12C原子 =1.66054×10-27kg/12C原子null 而在非精确测量物质的场合，常 采用原子核中所含质子和中子的总数 即质量数来表示质量的大小，其数值 等于其相对质量数的整数。 测定气体用的质谱仪，一般质量 测定范围在2～100，而有机质谱仪一 般可达几千。现代质谱仪甚至可以研 究相对分子质量达几十万的生化样品 。 2．分辨本领 2．分辨本领 所谓分辨本领，是指质谱仪分开相 邻质量数离子的能力，一般定义是：对 两个相等强度的相邻峰，当两峰间的峰 谷不大于其峰高10％时，则认为两峰已 经分开，其分辨率 null 其中m1、m2为质量数，而且规定 m1＜m2，故在两峰质量数较小时，要求 仪器分辨率越大。 nullnull 而在实际工作中，有时很难找到相 邻的且峰高相等的两个峰，同时峰谷又 为峰高的10％。在这种情况下，可任选 一单峰，测其峰高5％处的峰宽W0.05即 可当作上式中的Δm，此时分辨率定义 为: R = m/W0.05 如果该峰是高斯型的，上述两式计 算结果是一样的。 【例21．1】要鉴别N+2（m/z为28．006）和CO+（m/z为27．995）两个峰，仪器的分辨率至少是多少? 在某质谱仪上测得一质谱峰中心位置为245u，峰高5％处的峰宽为0.52u，可否满足上述要求？ 【例21．1】要鉴别N+2（m/z为28．006）和CO+（m/z为27．995）两个峰，仪器的分辨率至少是多少? 在某质谱仪上测得一质谱峰中心位置为245u，峰高5％处的峰宽为0.52u，可否满足上述要求？ 解: 要分辨N+2和CO+，要求质谱仪 分辨率至少为： null质谱仪的分辨率： Rsp=245/0.52=471 Rsp＜Rneed， 故不能满足要求。 null质谱仪的分辨本领由几个因素决定： 1）、离子通道的半径； 2）、加速器与收集器狭缝宽度； 3）、离子源的性质。 null 质谱仪的分辨本领几乎决定了仪 器的价格。分辨率在500左右的质谱 仪可以满足一般有机分析的要求，此 类仪器的质量分析器一般是四极滤质 器、离子阱等，仪器价格相对较低。 null 若要进行准确的同位素质量及有 机分子质量的准确测定，则需要使用 分辨率大于10000的高分辨率质谱仪， 这类质谱仪一般采用双聚焦磁式质量 分析器。目前这种仪器分辨率可达 100000，当然其价格也将会是低分辨 率仪器的4倍以上。 3．灵敏度 3．灵敏度 质谱仪的灵敏度有绝对灵敏度、相 对灵敏度和分析灵敏度等几种表示方法。 绝对灵敏度是指仪器可以检测到 的最小样品量；相对灵敏度是指仪器 可以同时检测的大组分与小组分含量 之比；分析灵敏度则指输入仪器的样 品量与仪器输出的信号之比。 （三）质谱仪的基本结构（三）质谱仪的基本结构 质谱仪是通过对样品电离后产生的 具有不同m／z的离子来进行分离分析的 。质谱仪须有进样系统、电离系统、质 量分析器和检测系统。为了获得离子的 良好分析，必须避免离子损失，因此凡 有样品分子及离子存在和通过的地方， 必须处于真空状态。 null1．真空系统 1．真空系统 质谱仪的离子产生及经过系统必须处于高真空状态（离子源真空度应达l．3×10-4～l．3×10-5Pa，质量分析器中应达l．3×10-6Pa）。若真空度过低，则会造成离子源灯丝损坏、本底增高、到反应过多，从而使图谱复杂化、干扰离子源的调节、加速极放电等问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。一般质谱仪都采用机械泵预抽真空后，再用高效率扩散泵连续地运行以保持真空。现代质谱仪采用分子泵可获得更高的真空度。 2．进样系统 2．进样系统 进样系统的目的是高效重复地将样品 引入到离子源中并且不能造成真空度的降 低。目前常用的进样装置有三种类型：间 歇式进样系统、直接探针进样及色谱进样 系统。一般质谱仪都配有前两种进样系统 以适应不同的样品需要，有关色谱进样系 统将在专门章节介绍。 null（l）间歇式进样系统 该系统可用于气体、液体和中等蒸气 压的固体样品进样，典型的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 如下图所 示。 通过可拆卸式的试样管将少量（10 ～ 100μg）固体和液体试样引入试样贮存器 中，由于进样系统的低压强及贮存器的加 热装置，使试样保持气态。实际上试样最 好在操作温度下具有1.3～0.13Pa的蒸气压 。null 由于进样系统的压强比离子源的 压强要大，样品离子可以通过分子漏 隙（通常是带有一个小针孔的玻璃或 金属膜）以分子流的形式渗透过高真 空的离子源中。 nullnull （2）直接探针进样对那些在 间歇式进样系统的条件下无法变 成气体的固体、热敏性固体及非 挥发性液体试样，可直接引入到 离子源中，下图所示为一直接引 入系统。nullnull 3．电离源 电离源的功能是将进样系统引入的气 态样品分子转化成离子。由于离子化所需 要的能量随分子不同差异很大，因此，对 于不同的分子应选择不同的离解方法。 通常称能给样品较大能量的电离方法 叫硬电离方法，而给样品较小能量的电离 方法叫软电离方法，后一种方法适用于易 破裂或易电离的样品。 null 离子源是质谱仪的心脏，可以将离 子源看作是比较高级的反应器，其中样 品发生一系列的特征降解反应，分解作 用在很短时间（～1μs）内发生，所以 可以快速获得质谱。 许多方法可以将气态分子变成离子 ，它们已被应用到质谱法研究中，下表 列出了各种离子源的基本特征。 nullnull（l）电子轰击源 电子轰击法是通用的电离法，是使 用高能电子束从试样分子中撞出一个电 子而产生正离子，即 M＋e → M+＋2e 式中M为待测分子，M+为分子离子或 母体离子。null 电子束产生各种能态的M+，若产生的分子离子带有较大的内能（转动能、振动能和电子跃迁能），可以通过碎裂反应而消去，如 M+1 → M+3 M+ …… M+2 → M+4 式中M+1，M+2…为较低质量的离子 nullnullnull 而有些分子离子由于形成时 获能不足，难以发生碎裂作用， 而可能以分子离子被检测到。下 图所示为一电子轰击源的示意图 。 null 在灯丝和阳极之间加入约70V 电压，获得轰击能量为70eV的电 子束（一般分子中共价键电离电位 约10eV），它与进样系统引入气 体束发生碰撞而产生正离子。 null 正离子在第一加速电极和反射极间 的微小电位差作用下通过第一加速电极 狭缝，至质量分析器电极狭缝，而第一 加速极与第二加速极之间的高电位使正 离子获得其最后速度，经过狭缝进一步 准直后进入质量分析器。 （2）化学电离源 （2）化学电离源 在质谱中可以获得样品的重要 电子轰击产生的M+峰，往往不存在 或其强度很低。必须采用比较温和 的电离方法，其中之一就是化学电 离法。 null 化学电离法是通过离子——分子反应来进行，而不是用强电子束进行电离。离子（为区别于其它离子，称为试剂离子）与试样分子按下列方式进行反应，转移一个质子给试样或由试样移去一个H+或电子，试样则变成带+l电荷的离子。 null 化学电离源一般在 1.3×102～ 1.3×103Pa压强下工作（现已发展 出大气压下化学电离技术），其中 充满 CH4，首先用高能电子进行电 离产生CH5+和C2H5+，即 CH4 ＋ e→ CH4+·＋2e CH4+·→ CH3+ + H· CH4+和CH3+很快与大量存在的CH4分子起反应，即 CH4+·＋ CH4 → CH5+ ＋ CH3· CH3+＋ CH4→ C2H5+＋ H2 CH5+和C2H5+不与中性甲烷进一步反应 一旦小量样品（试样与甲烷之比为1:1000） 导入离子源，试样分子（SH）发生下列反 应： null CH5+＋ SH → SH2+＋ CH4 C2H5+＋ SH → S+ ＋ C2H6 SH2+和S+然后可能碎裂，产生质谱。 由( 表格 关于规范使用各类表格的通知入职表格免费下载关于主播时间做一个表格详细英语字母大小写表格下载简历表格模板下载 即质谱表。 null 质谱图是以质荷比(m/z)为横坐 标、相对强度为纵坐标构成，一般 将原始质谱图上最强的离子峰定为 基峰并定为相对强度1O0％，其它离 子峰以对基峰的相对百分值表示。 null 质谱表是用表格形式表示的质 谱数据，质谱表中有两项即质荷比 及相对强度。从质谱图上可以很直 观地观察到整个分子的质谱全貌， 而质谱表则可以准确地给出精确的 m／z值及相对强度值，有助于进一 步分析。 nullnull丙 酸 的 质 谱 表。 （二）分子离子峰、碎片离子峰、亚稳离子峰及其应用（二）分子离子峰、碎片离子峰、亚稳离子峰及其应用 质谱信号十分丰富。分子在离子 源中可以产生各种电离，即同一种分 子可以产生多种离子峰，其中比较主 要的有分子离子峰、同位素离子峰、 碎片离子峰、重排离子峰、亚稳离子 峰等。 null M ＋e→ M+＋2e M+称为分子离子或母离子(parrent ion）。 1．分子离子峰 试样分子在高能电子撞击下产生正离子，即null 分子离子的质量对应于中性分 子的质量，这对解释未知质谱十分重 要。几乎所有的有机分子都可以产生 可以辨认的分子离子峰，有些分子如 芳香环分子可产生较大的分子离子峰 ，而高分子量的烃、脂肪醇、醚及胺 等则产生较小的分子离子峰。null 若不考虑同位素的影响，分子 离子应该具有最高质量。分子中若 含有偶数个氮原子，则相对分子质 量将是偶数；反之，将是奇数。这 就是所谓的“氮律”。正确地解释分 子离子峰十分重要，在有机化学及 波谱分析课程中将有较详细的介绍 。 2．碎片离子峰 2．碎片离子峰 分子离子产生后可能具有较高 的能量，将会通过进一步碎裂或重 排而释放能量，碎裂后产生的离子 形成的峰称为碎片离子峰。 null 有机化合物受高能作用时会产生各 种形式的分裂，一般强度最大的质谱峰 相应于最稳定的碎片离子，通过各种碎 片离子相对峰高的分析，有可能获得整 个分子结构的信息。但由此获得的分子 拼接结构并不总是合理的，因为碎片离 子并不是只由M+一次碎裂产生，而且可 能会由进一步断裂或重排产生，因此要 准确地进行定性分析最好与标准图谱进 行比较。 null 有机化合物断裂方式很多，也比较 复杂，但仍有几条经验规律可以应用。 有机化合物中，C－C键不如C－ H 键稳定，因此烷烃的断裂一般发生在 C－C键之间，且较易发生在支链上。 形成正离子稳定性的顺序是三级＞二级 ＞一级，如2，2′一二甲基丁烷，可以 预期在高能离子源中断裂发生在带支链 的碳原子周围。形成较稳定的m／z=71 或m／z=57的离子 。null null 在烃烷质谱中 C3H5+、 C3H7+、 C4H7+、C4H9+（m／z依次为41，43， 55和57）占优势，在m／z＞57区出现 峰的相对强度随m／z增大而减小，而 且会出现一系列m／z相差14的离子峰 ，这是由于碎裂下来—CH2—的结果。null 在含有杂原子的饱和脂肪族化合 物质谱中，由于杂原子的定位作用，断 裂将发生在杂原子周围。对于含有电负 性较强的杂原子如Cl、Br等，发生以下 反应： R＋X →R+＋X· 而可以通过共振形成正电荷稳定化的离子时，可发生以下反应:null 烯烃多在双键旁的第二个键上断裂，丙 烯型共振结构对含有双键的碎片有着明显的 稳定作用，但因重排效应，有时很难对长链 烯烃进行定性分析。 CH3-CH==CH — CH3 → CH—CH==C+H null 含有 C＝0的化合物通常在与其相 邻的键上断裂，正电荷保留在含 C＝0 的碎片上： null 苯是芳香化合物中最简单的化合物，其 图谱中M+通常是最强峰。在取代的芳香化合 物中将优先失去取代基形成苯甲离子，而后 进一步形成草嗡离子： 因此在苯环上的邻、间、对位取代很难 通过质谱法来进行鉴定。 3．亚稳离子峰 3．亚稳离子峰 若质量为m1的离子在离开离子源受电场加速后，在进入质量分析器之前，由于碰撞等原因很容易进一步分裂失去中性碎片而形成质量为m2的离子， 即m1→m2+Δm，由于一部分能量被中性碎片带走，此时的m2离子比在离子源中形成的m2离子能量小，故将在磁场中产生更大偏转，观察到的m／z较小。null 这种峰称为亚稳离子峰，用m*表 示，它的表观质量m*与m1、m2的关系 是： m*＝（m2）2/m1 式中m1为母离子的质量，m2为子 离子的质量。null 亚稳离子峰由于其具有离子峰 宽大（约2～5个质量单位）、相对 强度低、m／z不为整数等特点，很 容易从质谱图中观察出来。null 通过亚稳离子峰可以获得有关 裂解信息，通过对m*峰观察和测 量，可找到相关母离子的质量m1与 子离子的质量m2，从而确定裂解途 径。如在十六烷质谱中发现有几个 亚稳离子峰，其质荷比分别为32.8 ，29.5，28.8，25.7和21.7，其中 29.5≈412／57，则表示存在分裂： null C4H9+ →C3H5+＋CH4 （m／z=57）（m／z=41） 但并不是所有的分裂过程都会 产生m*,因此没有m* 峰并不意味着没 有某一分裂过程。 4. 重排离子峰 4. 重排离子峰 在两个或两个以上键的断裂过程中， 某些原子或基团从一个位置转移到另一 个位置所生成的离子，称为重排离子。 质谱图上相应的峰为重排离子峰．转移 的基团常常是氢原子。 这种重排的类型很多．其中最见 的一种是麦氏重排（Mclafferty rearrangement）形式可以归纳如下： null null 可以发生这类重排的化合物有：酮、醛、酸、酯和其它含羰基的化合物，含P==O，S==0的化合物以及烯烃类和苯环化合物等。不难看出，发生这类重排所需的结构特征是，分子中有一个双键以及在γ位置上有氢原子。 5 多电荷离子峰 5 多电荷离子峰 一个分子失去一个电子后，成为高激 发态的分子离子，为单电荷离子．有时， 某些非常稳定的分子，能失去两个或两个 以上的电子，这时在质量数为m/ze （z为失去的电子数）的位置上，出现多 电荷离子峰。应该指出，多电荷离子峰的 质荷比，可能是整数，也可能不是整数， 如是后者在质谱图上容易发现。 null 多电荷离子峰的出现。表明被分 析的样品异常的稳定，例如，芳香 族化合物和含有共轭体系的分子， 容易出现双电荷离子峰．（三）同位素离子峰及应用（三）同位素离子峰及应用 有些元素具有天然存在的稳定同位 素，所以在质谱图上出现一些 M＋l、 M＋2的峰，由这些同位素形成的离子峰 称为同位素离子峰。 一些常见的同位素相对丰度如表 21-2所示，其确切质量（以C为 12.000000为标准）及天然丰度列于表 21.3。 nullnullnull 在一般有机分子鉴定时，可 以通过同位素峰的统计分布来确 定其元素组成，分子离子的同位 素离子峰相对强度之比总是符合 统计规律的。null 如在CH4质谱中，有其分子离子峰 m／z=17、16， 而其相对强度之比 I17／I16=0.011, 而在丁烷中，出现一个13C的几率是 甲烷的4倍，则分子离子峰 m／z=59、58 的强度之比 I59／I58 =0.044null 同样，在丁烷中出现M+2(m/z=60) 同位素峰的几率为0.00024，即I60/I58 ＝0．00O24，非常小，故在丁烷质谱中 一般看不到(M＋2)+峰。 null 在其他元素存在时也有同样的规 律性，如在CH3Cl、C2H5Cl等分子中IM ＋2／IM =32.5%,而在含有一个溴原子 的化合物中(M+2)+峰的相对强度几乎 与M+峰的相等。