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第 16 章 质谱法 (Mass Spectrometry, MS). 16.1 质谱分析原理及质谱仪 一、基本原理概述 二、质谱仪性能指标 三、仪器组成 16.2 质谱图及其应用 一、质谱图 二、质谱峰类型 三、质谱定性分析 四、质谱定量分析. 发展历史: 1813 年: Thomson 使用 MS 报道了 Ne 是由 22 Ne 和 24 N e 两种 同位素组成;随后,同位素分析开始发展 - PowerPoint PPT Presentation
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第 16 章 质谱法
(Mass Spectrometry, MS)
16.1 质谱分析原理及质谱仪
一、基本原理概述
二、质谱仪性能指标
三、仪器组成
16.2 质谱图及其应用
一、质谱图 二、质谱峰类型 三、质谱定性分析 四、质谱定量分析
发展历史:
1813 年: Thomson 使用 MS 报道了 Ne 是由 22Ne 和 24Ne
两种 同位素组成;随后,同位素分析开始发展
20 世纪 40 年代初:开始将 MS 用于石油工业中烃的分析, 并大大缩短了分析时间
20 世纪 50 年代初:质谱仪器开始商品化,广泛用于各 类有机物的结构分析。同时质谱方法与 NMR 、 IR 等方法结合成为分子结构分析最有效的手段
20 世纪 80 年代:非挥发性或热不稳定分子的分析进 一步促进了 MS 的发展;
20 世纪 90 年代:由于生物分析的需要,一些新的离 子化方法得到快速发展;
目前一些仪器联用技术如 GC-MS , HPLC-MS ,GC-MS-MS , ICP-MS 等正发挥重要作用。
应用 质谱是应用最为广泛的化合物结构分析方法之一,它可以为我们提供以下信息:a) 样品元素组成;b) 无机、有机及生物分子的结构 --- 结构不同,分子或原 子碎片不同 ( 质荷比不同 )
c) 复杂混合物的定性定量分析 --- 与色谱方法联用 (GC-
MS , LC-MS) ;d) 固体表面结构和组成分析 --- 激光烧蚀等离子体 --- 质谱 联用;样品中原子的同位素比。
16.1 质谱分析原理及质谱仪一、基本原理概述
离子源轰击样品
带电荷的碎片离子
电场加速 (zeU) 获得动能 (1/2m
V2)
磁场分离(m/z) 检测器记录
质谱分析是将样品转化为运动的带电气态离子,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。
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 m1 和 m2) ,当两峰间
的峰谷不大于峰高的 10% 时,则可认为两峰已分开,其
分辨率 R 为:
可见在质量数小时,分辨率亦较小。
二、质谱仪的分辨率
m
m
mm
mR
1
12
1
实际工作中很难找到上述两相等的峰,常以 下式表示:
其中 W0.05 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。
05.0W
mR
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:
进样系统
电离源
质量分析器
真空系统
检测系统
1. 真空系统 如图所示,质谱仪中所有部分均要处高度真空的条件下 (
10-4-10-6Torr), 其作用是减少离子碰撞损失。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应,使质谱图复杂化;c )用作加速离子的几千伏高压会引起放电;d )干扰离子源正常调节。
2. 进样系统
1.3-0.13Pa
对进样系统的要求:重复性、不引起真空度降低。进样方式:a) 间歇式进样:适于气体、沸点低易挥发的液体、中等蒸汽压固体。注入样品 (10-100g)—贮样器 (0.5L-3L
)—抽真空 (10-2 Torr) 并加热—样品蒸汽 ( 压力梯度 )—
漏隙—高真空离子源
b) 直接探针进样:高沸点液体及固体
优点:1)引入样品量小,样品蒸 汽压可以很低;2) 可以分析复杂有机物;3) 应用更广泛。
c) 色谱进样:利用气相和液相色谱的分离能力,进行多组份复杂混合物分析。
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,如图所示。
根据样品离子化方式通常可将电离源分为:
气相源:先蒸发再激发,适于沸点低于 500oC 、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 105 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。根据电离源能量高低,通常可将电离源分为硬源:离子化能量高,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,产生的碎片少,谱图简单,可得到分子量信息。 因此,可据分子电离所需能量不同可选择不同电离源。
3. 电离源 (室 )
将引入的样品转化成为碎片离子的装置。
a) 电子轰击源 (Electron Bomb Ionization , 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)
252CH
34
35CH
44
HHCHCHCH
CHCH2eCHeCH4
4
1离离子(MMHCMHHC
1离离子(MMHCHMHCH
6252
245
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 103:1 ,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-CH3 大部分与 CH5+ 碰撞产生 (M+1)+ 离子;小部分与 C2
H5+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 107-108V/cm)诱导样品电离。
过 程:强电场 ( 电极间距约 10-4cm)— 较大偶极矩和高极化率分子与阳极碰撞—带正电荷的碎片离子—进入聚焦单元。阳极要求:电极尖锐,其上长满微针 (W丝上的苯基腈裂解生成 ) 构成多尖陈列电 极,既所谓“金属胡须”发射器,可提高电离效率。
样品
↓
特点:电离温和,碎片少,主要产生分子离子 M+ 和 (M+1)+ 峰。
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
EI
FI
FD
d) 场解吸源 (Field desorption, FD)
特 点:特别适于非挥发性且分子量高达 100000 的分子。样品只产生分子离子峰和准分子离子峰,谱图最为简单。
过程: 30kV 脉冲电压 ---火花 --- 样品局部高热 --- 元素蒸发 --- 原子或离子 ---
经加速进入磁场进行分离
e) 火花源 (Spark) :
针对金属合金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。
特点:元素分析灵敏度高, 可分析复杂样品 (60 种元素 ) , 谱图简单, 线性范围宽。
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——引入磁场分离。
质量分析器
铜针探头
探针 二次离子
狭缝原子束样品层
FAB :
特点: 1 )分子离子和准分子离子峰强;
2 )碎片离子峰也很丰富;
3 )适合于热不稳定、难挥发的样品。
f) 快原子轰击 (Fast atom bombardment, FAB)
1 )磁分析器单聚焦型:用一个扇形磁场进行质量分析的质谱仪
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。
带电离子进入质量分析器,在磁场 ( 场强为 B) 作用下,飞行轨道弯曲 (曲率半径为 Rm) 。当向心力 Bzev 与离心力 mv2/Rm 相等时,离子才能飞出磁场区
BzevR
mv
m
2
zeUmv2
1 2 电场加速, U为加速电压
z
mU
BR
U
BR
z
mm
m 21
2
22
或因此亦可得到
当 B、 Rm 、 U三个参数中任两个保持不变而改变其中一个参数时,可得质谱图。现代质谱仪通常是保持 U、 Rm 不变,通过扫描磁场来得到质谱图的。
单聚焦质量分析器只是将 m/z 相同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 相同而动能(或速度)不同的离子不能聚焦,故其分辨率较低,一般为 5000 。
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 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,于两个半径固定的扇形电极板上加一直流电压 V ,只有动能与其曲率半径相应的离子才能通过狭缝 B---- 实现能量聚焦了! 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。
思考:为什么双聚焦仪比单聚焦仪有更高的分辨率?
双聚焦质量分析器分辨率可高达 150,000!
2)m
Uze2(v
不同离子通过同一长度为 L 的无场漂移管所需时间相差:
U2
)z/m()z/m(Lt
)v
1
v
1(Lt
21
21
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:
v
Lt
到达无场漂移管末端的时间为:
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+Vcost) ,在另两个相对的极杆上加 -(U+Vcost) 。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。
3 )四极滤质器 (Quadrupole mass filter)
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。
4 )离子阱 (Ion trap analyzer)
离子阱的横截面图
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/z 200-2000 的分子分析。
4 、检测器
2 )电子倍增器:类似于光电倍增管,可测 10-18A 电流。但有质量歧视效应。3 )闪烁计数器:记录离子的数目。
包括 Faraday杯、电子倍增器、闪烁计数器、照相底片等
1) Faraday 杯:下图是 Faraday杯结构原理图特点:可检测 10-15A 的离子流,但不适于高加速电压下的离子检测。
16.2 质谱图及其应用一、质谱图 以质荷比 m/z 为横座标,以对基峰 ( 最强离子峰,规定相对强度为 100%) 相对强度为纵座标所构成的谱图,称之为质谱图。
二、质谱峰类型
分子在离子源中可产生各种电离,
即同一分子可产生多种离子峰: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。
分子离子
碎片离子
重排裂解
碰撞裂解
设有机化合物由 A , B , C 和 D 组成,当蒸汽分子进入离子源,受到电子轰击可能发生下列过程而形成各种类型的离子:
1 )分子离子峰
ABCD+ 为分子离子峰, m/z 即为分子的分子量。对于有机物,杂原子 S , O , P , N 等上的未共用电子对最易失去,其次是电子,再其次是 电子。
2 )碎片离子峰
因分子发生键的断裂只需要十几电子伏特的能量,而电子轰击的能量为 70eV ,因而会产生更小的碎片离子峰。
烷烃化合物断裂多在 C-C 之间发生,且易发生在支链上:
~ ~
烯烃多在双键旁的第二个键上开裂:
~~
苯的最强峰为 M+ ,芳香族化合物将先失去取代基,再形成苯甲离子
含 C=O键化合物的开裂多在与其相邻的键上:
~ ~对含杂原子的分子,断裂的键位顺序为 位、 位和 位:
R—X R++X•~
共振稳定化离子
~
分子离子峰和碎片离子峰的识别和解析,对有机分子的定性分析十分重要。可以通过选择不同离子源来获得不同的信息。 下图是不同离子源下麻黄碱的质谱图。
化学电离源
电子轰击源
麻黄碱
化学电离与电子轰击源质谱图比较
分子离子峰
3) 同位素峰 由于天然同位素的存在,因此在质谱图上出现 M+1 , M+2 等峰,由这些同位素所形成的峰称之为同位素峰。
4 )重排离子峰 原子或基团经重排后再开裂而形成一种特殊的碎片离子,称重排离子。如醇分子离子经脱水后重排可产生新的重排离子峰。
1. 麦氏重排
m/e=58, 是具有 γ-H甲基酮的特征峰。
γ位上有氢原子的烷基取代芳烃:
CH2CH2CH2R CH3+ CH2 CH R
m/z=92
2. 逆狄尔斯—阿尔德反应(环烯断裂反应 )
3. 饱和分子的氢重排(消除反应)
X 为卤素原子时,消去 HX X 为— OH 时,消去 H2O
X 为— SH… ,… H2S 等。
过程:质量数为 m1 的带电离子,由于碰撞等原因,在进入质量分析器之前,失去中性碎片 m而变成 m2 的离子 (此时 m1 能量变小,在磁场中有更大的偏转 )从而形成亚稳离子峰 m* ,此时可将此峰看成 m1 和 m2 的“混合峰”,即形成“宽峰”,极易识别。且满足下式:
此式可用于寻找裂解途径 ( 通过母离子 m1 与子离子 m2
的关系 ) 。
1
22 )(
*m
mm
4)亚稳离子峰
三、质谱定性分析 分子量测定、化学式及结构式鉴定
1 、分子量确定
根据分子离子峰质荷比可确定分子量,通常分子离子峰位于质谱图最右边,但由于分子离子的稳定性及重排等,质谱图上质荷比最大的峰并不一定是分子 离子峰。那么,如何辩认分子离子峰呢?
1 )原则上除同位素峰外,分子离子峰是最高质量的峰。 但要注意“醚、胺、脂的 (M+H)+ 峰”及“芳醛、醇等的 (M-H)+ 峰”。
2 )分子离子峰应符合“氮律”。
在 C 、 H 、 O 组成的化合物中,分子离子峰的质
量数
一定是偶数;
在含 C 、 H 、 O 、 N 化合物中,含偶数个 N 的分
子量
为偶数,含奇数个 N 的分子量为奇数。
离子中 N 原子数、质量数及电子数的关系
离子组成 离子的质量数 电子数 例子
C.H.(O)或偶数 N 奇数 偶数 m/e41 电子数为偶数
偶数 奇数 m/e58 电子数为奇数
C.H.(O)和奇数 N 奇数 奇数 m/e73 奇数电子
偶数 偶数 m/e70 偶数电子
3 )分子离子峰与邻近峰的质量差是否合理。
有机分子失去碎片大小是有规律的:
如失去 H 、 CH3 、 H2O 、 C2H5……. ,因而质谱
图中可看到 M-1 , M-15 , M-18 , M-28 等峰,
不可能出现M-3 , M-14 , M-24 等峰,如出现这
样的峰,则该峰一 定不是分子离子峰。
4 )利用同位素帮助识别分子离子峰。如含有 Cl 和 B
r 时,由于其含有丰度较高的重同位素, Cl 中含 35Cl
为 75.77%, 37Cl 为 24.23% , Br 中 79Br 为 50.54%, 81Br 为 49.46%。因此,若分子中含有一个氯原子,则 M 和 M+ 2 峰强度比为 3 : 1 ;若分子中含有一个溴原子,则 M 与 M+ 2 之比为 1 : 1 。
5 ) EI 源中,当电子轰击电压降低,强度不增加的峰不是分子离子峰。
2 、化学式的确定
a) 高分辨质谱:可分辨质荷比相差很小的分子离子
或碎片离子。如 CO 和 N2 分子离子
的
m/z 均为 28 ,但其准确质荷比分别
为
28.0040 和 27.9949 ,高分辨质谱可
以
识别它们。
b) 低分辨质谱:
不能分辨 m/z 相差很小的碎片离子,如 CO 和 N2 。通常通过同位素相对丰度法来确定分子的化学式。
对于化合物 CwHxNyOz ,其同位素离子峰 (M+
1)+ 和 (M+2)+ 与分子离子峰的强度比分别为:
%100)}76.99
2.0()]1()
76.99
04.0(
)1()63.99
37.0()1()
98.99
015.0()1()
9.98
1.1[(
2
1{%
%100)]76.99
04.0()
63.99
37.0()
98.99
015.0()
9.98
1.1([%
2
2222
1
zzzz
yyxxwwI
I
zyxwI
I
M
M
M
M
忽略 2H 和 17O 的影响,上二式简化为
]%2.0200
)1.1([)%/(
0.37y)%(1.1w)%/(2
2
1
zw
II
II
MM
MM
对于含有 Cl, Br, S 等同位素天然丰度较高的化合物 其同位素离子峰相对强度可由( a+b)n 展开式计算,其中 a 、 b 分别为该元素轻重同位素的相对丰度, n
为分子中该元素的原子个数。CH3Cl ;因为, a=3, b=1, n=1, 因此 (3+1)1=3+1 , 即 m/z50(M):m/z52(M+2)=3:1
CH2Cl2 因为, a=3, b=1, n=2, 因此 (3+1)2=9+6+1,
即 m/z84(M):m/z86(M+2):m/z88(M+4)=9:6:1
CHCl3 :因为 a=3, b=1, n=3, 因此, (3+1)3=27+27+9+1
即 m/z118(M):m/z120(M+2):m/z122(M+4):m/z124(M+6)
=27:27:9:1
对于含有两种或以上的杂原子
则以( a1+b1)n1•(a2+b2)n2 •…… 表示。
ClCH2Br: (3+1)1(1+1)1=3+4+1
即: m/z128(M):m/z130(M+2):m/z132(M+4)=3:4:1
3 、结构鉴定:
a) 根据质谱图,找出分子离子峰、碎片离子峰、亚稳
离子峰、 m/z 、相对峰高等质谱信息,根据各类化合
物的裂规律,重组整个分子结构。
b) 采用与标准谱库对照的方法 .
四、质谱定量分析
利用质谱离子流强度与离子数目成正比进行定量。1 、同位素测定:元素同位素测定和分子同位素测定。a ) C6D6纯度测定:由 C6D6
+ , C6D5H+ , C6D4H2
+ , C6D3H3+ 等的相对强
度确定。b )同位素标记:用稳定同位素来标记化合物,用它作示踪来测定在 化学反应或生物反应中该化合物的最终去向,研究反应机理。如 酯的水解机理就是用将酯基用 18O来标记,然后只要示踪 18O 是在水 解生成的烷醇中,还是在酸中。若在烷醇中则是酰氧断裂;反之 则是烷氧断裂。c )同位素年代测定:通过 36Ar 与 40Ar 的强度比求出 40Ar( 由 40K经 1.3 109 a
衰变而来 )含量,再据半衰期求出其年代。
2 、无机痕量分析: ICP-MS (无机质谱)