质谱原理与方法.docx

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质谱原理与方法

•、质谱发展史

・1910年，英国剑桥大学JJ.Thomson首先发现了氛的同

位素（20Ne22Ne）,

・1934年，双聚焦质谱仪，大大提高了分辨率。

・二战期间，用于美国原子弹制造计划（研究235U）。

・1942年，世界上第一台商品化质谱仪问世，并用于石油分析。

火花离子源、二次离子源等。

・60年代以后，更多的新的离子化方法：

El,FD,CI,

离子探针，三级四极杆，四极杆飞行时间，磁场

四极，磁场飞行时间，离子回旋共振等，气质联

用（GC-MS）o

・1974年等离子体质谱。

1981年快原子轰击质谱（FAB）。

1988年，多级电喷雾电离质谱（ESI-MS）,液质联用（LC-

MS）。

•90年代以后，EPI-MS,ESI-MSMALDHVIS用于生物间

非共价键作用研究，联用技术发展迅速，核磁共振质谱连

用（NMR-MS）o

二、质谱分析原理

1＞质谱仪组成:

1•气体扩散

2•直接进样

3•气相色谱

1•电子轰击2•化学电离3•场致电离

4•激光

A检测器

1•单聚焦

2•双聚焦

3•飞行时间

4•四极杆

1=

1•电子倍增管

2、光电倍增管

2、质谱仪的特点

・质谱仪需要在高真空下工作:

离子源

）

质量分析器

・

（1）大量氧会烧坏离子源的灯丝；

・

（2）用作加速离子的几千伏高压会引起电;

・（3）引起额外的离子一分子反应，改变裂

解模型，谱图复杂化。

3、质谱定义与特点

•定义：

质谱是在高真空系统中测定样品的分子离子及碎片的质量，以确定样品相对分子质量及分子结构的方

法

•研究对象:

•质谱用途:

同位素、无机物、有机物、生物大分子、聚合物等

1、测分子量

2、测分子式

3、测分子结构

•质谱优点:

105）

1、应用范围广泛

2、灵敏度高1015mol（UV10-6IR10*8NMR

质谱缺点：

1、高真空操作

2、需要精致的电压、电流、磁场

三、质谱仪原理与结构图

1

电热丝电于慷

金属分

较轻离〒

iLtotr

/出口

關子收

rats一猿墟A匚一狭绩B

输出亘荻大赛和记录仪

质谱仪的结构图

电离室原理

与结构

1、离子源：

⑴电子轰击源（EI）加速电子

金属热丝（铢，氧化牡）

Beared（ilamenf

Samplemolecules

Repellerplate\

反射极板

♦Toionanalvser

zA

Sliisvstem

Anode

阳极

优点：

碎片丰富，通过给出离子的碎裂方式可以帮助鉴定

缺点：

缺戏分子离子峰

（2）化学电离源（Cl）

Reagent

优点：

可以产生很强的分子离子峰，又称软电离源

CH4—CH4十

cil4tACH/+H*

CH4t+CH4

aCH5++CH3-

CHj+CH4

aC2H^+十H2

CH5+亠M

C2HF+M

A（M+H/十C1I4

4/+I

►（M+H）+十C2H4

M十I

A（M-H）++CH4+H2

M-1

►（M-H）++C2H6

M—1

►（M4-CH5）^

A；+17

A（M+C2H5r

29

（3）场解吸电离源（FD软电离源）

（4）电喷雾电离源（ESI软电离源）

电喷雾电离源原理

（•）

（b）

2、质量分析器分类

•扇形磁偏转分析器•四极杆质量分析器•离子阱（四极离子阱）分析器•飞行时间质谱分析器•离子回旋共振质谱分析器

（1）磁偏转分析器也密后离子的动能（直线坯动）：

2=eV

u=[（2V）/（m/z）]1/2

在磁场存在下，带电离子直线运动改为曲线轨迹飞行；离心力=向心力;mu2/R=HoeV

曲率半径：

R=（mv）IzH0

质谱方程式：

m/z=（H^R2）/2V

离子在磁场中的轨道半径R取决于：

加/z、H。

、V改变加速电压V,可以使不同加/z的离子进入检测器。

质谱分辨率=M/AM=M/M2-Mj（指仪器对质量非常接近的两种离子的分离能力）

扇形磁偏转分析器示意图

来自离子室

（2）四极杆质量分离器

仪器与结构

与质谱联用仪器

仪器内部结构

!

i

J轴真空•

口

电压扌口频希華口

口

ffi

联用仪器（GC/MS）

A1■_L

Sample

©CA

Sample

GasChromatograph（GC）MassSpectrometer（MS）

Separation

Identification

联用仪器（LC/MS）

HP1100SeriesLC/MSD:

APCIInterface

四、质谱中的各种离子

2、

1、分子离子：

由失去分子中最低电离能的电子形成，用于测定分子量（单电荷分子离子m/z等于分子量）

碎片离子：

由分子离子进一步开裂形成,用于测定分子结构

4、

准分子离子：

比分子多或少一个（H、Na或K）的离子，用于测定分子量

用于测定大分子的分子量

6、亚稳离子：

稳定离子寿命＞25秒，由叫开裂生成

不稳定离子皿2

不稳定离子皿2寿命日0-6秒，

亚稳离子寿命10-6〜10-5秒，检测器记录的WT叫亚稳离子，

=J

表观质量数wrm*=m22/m1wr是一个小数，

用于判断皿2是否由裂解而来

7、络合离子m/z可以大于分子离子的m/z

五、质谱离子形成与表示法

1、电子转移的表示：

鱼钩代表单个电子的转移，箭头代表一对电二的转移。

均裂*

异裂X

半异裂2

2、质谱离子的电荷表示方法

177.1=

191?

206

133.9

-H20^

133炉揺

Ot

3、分子离子峰

1）、分子离子的稳定性

分子电离一个电子形成的离子所产生的峰。

单电荷分子离子的质量与化合物的相对摩尔质量相等。

有机化合物分子离子峰的稳定性顺序：

芳香化合物〉共轨链烯〉烯桂〉脂环化合物＞直链

烷炷〉酮〉胺＞酯＞醵＞酸＞支链烷桂〉醇。

2）、分子离子峰的特点:

一般质谱图上质荷比最大的峰为分子离子峰；有例外。

质谱图上质荷比最大的峰一定为分子离子峰吗?

如何确定分子离子峰？

3）、确定分子离子峰的N规律

由C、H、0组成的有机化合物，M—定是偶数。

由C、H、0、N组成的有机化合物，N奇数，临数。

由C、H、0、N组成的有机化合物，N偶数，禺数。

分子离子峰与相邻峰的质量差必须合理。

2、同位素离子峰（M+1峰）

由于同位素的存在，可以看到比分子离子峰大一个质量单

位的峰；有时还可以观察到M+2,M+3

例如：

CH4M=16

12C+XHX4二16M分子离子峰

13C+1HX4二17M+l

12C+2H+1HX3=17M+1

13C+2H+1HX3=18M+2

同位素峰

AJ.0.9.25

R31398

/w1234h7milllnl

同位素离子峰的用途一质谱法求分子式

同位素峰相对强度法求分子式

参看199页.表5・2

2）、每一种化合物的同位素强度比是定值

可以从理论上计算出的M+1/M值

从实测值进一步算出M+1/M值

4）、所以利用同位素强度比可以测定分子式

例CH3CH2OH的分子式：

C2H6O

如果把M峰的丰度作为100

则：

（M+1）%=CM08X2+0.015X6+0.04X1）=2.346%

那么：

在质谱图上强度/M强度=2.346%即：

M+1/M=2・346%对应的分子式是C2H6O求分子式的过程与方法略

2、高分辨质谱法求分子式

•1、每一种元素都有精确原子量

例如:

1H=1.00783

2H=2.0141

13C=13.00335

14N=14.00307

12C=12.0000

15N=15.00011

16O=15.99491

17O=16.999914

18O=17.99916

19F=18.9984

34S=33.96786

36S=35.96709

所以每一个分子式有精确的分子量例如:

CO=12.0000+15.99491=27.99491

N2=14.00307X2=28.00614

C2H4=12.0000X2+1.00783X4=28.03132

CH2N=12.0000+1.00783X2+14.00307=28.01873

具体计算方法（略）

⑴、

（2）、

（4）、

六、质谱裂解类型

”一裂解a-裂解，P-重排裂解

裂解，y-裂解

当有机化合物蒸气分子进入离子源受到电子轰击时，按下列方式形成各种类型离子（分子碎片）：

ABCD+e-tABCD++2e-分子离子

—c+d+

⑴、裂解

一般有机化合物的电离能为7—13电子伏特，质谱中常用的电离电压为70电子伏特，使结构裂解，产生各种“碎片”离

子。

（

h3c-^ch2^ch2^ch2^-CH2-tch3

H3c—CH2-CH2-CH2-CHg

H3c—CH2-CH2-CH2

H3c—CH2-CH2

H3C-CH2・CH2—CH2—CH2—CH3

CH；

•ch3

•CH2-CH3

•ch2-ch2-ch3

•CH2一CH2一CH2一CH2一CH3

碎片离子峰实例

ill_iL

H3C-CH-CH3H3C-C-CH3

ch3

正癸烷

J11Jll

m/z

与a碳键的开裂）

]

B-A=ZA=Z+.B

■■

CH3（CH2）9CH2NH2

M=157

IIill

1

44

1Illi

1n

Il11ll1ll1

111111

a与0碳键的开裂）

•0aapy5

•CH3CH2CH=CHCH2CH2CH2CH3•烯姪易发生0—断裂

B-A—

■■

r-ch2oh——•

R—CH2OR——-

R—CH2NR2——

R—CHs-SR*——

]+

fA=Z+

■■

-CH2=OH+

-CH2=OR+

ACH2=NR才

ACH2=SR+

h3c-ch2-ch2-c

ch3

h3cch2-ch2*

6=OH

6h3

m/z=45（M-43）

m/z=73（M-15）

ch3

m/z=87（M-l）

4

5（M-43）

ill1iiL

55[M-（H2O+CH3）]

70（M-H2O）73（M-CH3）*188（M）

.1M-!

||

2030405060708090

P~断裂——丢失最大桂基的可能性最大

丢失最大桂基原

h3c-h2c-c—

72

2030405060708090100

h3c-h2c—c—

-\-[H3CH2C]

m/z