分析化学第九章质谱法讲稿.ppt
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1、分析化学第九章质谱法第一页,讲稿共四十六页哦9.1 9.1 质谱分析的基本原理质谱分析的基本原理9.1.1 9.1.1 质谱分析的基本原理质谱分析的基本原理1.质谱分析的一般过程质谱分析的一般过程 将样品导入将样品导入离子源离子源,在离子源内试样分子电离成带正荷的离子在离子源内试样分子电离成带正荷的离子正离子进入加速盘及狭缝区加速、准直正离子进入加速盘及狭缝区加速、准直高高速速的的正正离离子子束束射射入入质质量量分分析析器器的的磁磁场场,不不同同质质荷荷比比(质质量量电电荷荷比比,m/z)的离子在磁场中发生偏转,按不同的方向运动而得以分离的离子在磁场中发生偏转,按不同的方向运动而得以分离分离后
2、的不同离子被分离后的不同离子被离子检测器离子检测器所检测和记录。所检测和记录。第二页,讲稿共四十六页哦2.质谱分析的基本原理质谱分析的基本原理 离子的动能离子的动能 由离子源产生的离子,在离子加速区被加速后所获得的动能为:由离子源产生的离子,在离子加速区被加速后所获得的动能为:式中式中:V:加速后离子运动速度加速后离子运动速度U:加速电压(加速电压(1-8 KV)z:离子电荷数离子电荷数m:离子质量离子质量(1)第三页,讲稿共四十六页哦 运动离子与磁场的相互作用运动离子与磁场的相互作用离子以速度离子以速度 v 进入质量分析器后,受磁场力的作用,在与磁场进入质量分析器后,受磁场力的作用,在与磁场
3、垂直的平面内,作匀速圆周运动。离子做圆周运动所需的向心力垂直的平面内,作匀速圆周运动。离子做圆周运动所需的向心力等于其在磁场中所受到的洛伦兹力,即:等于其在磁场中所受到的洛伦兹力,即:上两式中,上两式中,H 为磁场强度,为磁场强度,R 离子偏转半径。离子偏转半径。将前面将前面(1)式代入式代入(2)和和(2),可得到,可得到(2)或或(2)(3)(3)磁场中离子运动半径磁场中离子运动半径 R 由离子质荷比由离子质荷比 m/z、离子室加速电压、离子室加速电压 U、质量分析器磁场强度、质量分析器磁场强度 H 三者决定。三者决定。第四页,讲稿共四十六页哦 质谱信号的产生质谱信号的产生 当检测器位置固
4、定(偏转半径当检测器位置固定(偏转半径 R 为确定值),且加速电压为确定值),且加速电压 U 和和磁场强度磁场强度 H 为一固定值时,只有质荷比为一固定值时,只有质荷比 m/z 满足公式满足公式(3)的离子可以通过质量分析器的狭缝到达检测器的离子可以通过质量分析器的狭缝到达检测器,产生与该离子质荷产生与该离子质荷比对应的信号。比对应的信号。改变离子源的加速电压改变离子源的加速电压 U(电扫描)或质量分析器的磁场强度(电扫描)或质量分析器的磁场强度H(磁扫描),离子运动的轨道半径就发生变化,不同质荷比的离子(磁扫描),离子运动的轨道半径就发生变化,不同质荷比的离子就可以在不同的磁场强度下先后通过
5、质量分析器的狭缝,被检测器所就可以在不同的磁场强度下先后通过质量分析器的狭缝,被检测器所检测,得到按质荷比检测,得到按质荷比 m/z 从小到大排列的质谱,这就是质谱分从小到大排列的质谱,这就是质谱分析的原理。析的原理。第五页,讲稿共四十六页哦9.1.2 9.1.2 质谱图质谱图 质谱最常用表示方法是棒状图,即质谱最常用表示方法是棒状图,即质谱图质谱图(mass spectrum,MS)多巴胺的质谱图多巴胺的质谱图横坐标为质荷比横坐标为质荷比 m/z纵坐标表示纵坐标表示离子丰度离子丰度 常用相对强度常用相对强度(相对丰度相对丰度)表示表示 选出最强峰作称为选出最强峰作称为基峰基峰(base pe
6、ak,图中图中m/z=124的峰)的峰)将基峰的高度定为将基峰的高度定为100%其他峰的高度相对于基峰的高度其他峰的高度相对于基峰的高度为其他离子的相对强度。为其他离子的相对强度。右侧常用右侧常用 M 指代指代分子离子峰分子离子峰M+见左图中的见左图中的M(153)m/z 为为30、36、51、77、123、124等许多丰度不等的离子峰是多巴胺等许多丰度不等的离子峰是多巴胺 的碎片离子峰。的碎片离子峰。第六页,讲稿共四十六页哦9.2 9.2 质谱仪质谱仪9.2.1 9.2.1 质谱仪的构成质谱仪的构成由进样系统、离子源、质量分析器、收集检测器、真空系由进样系统、离子源、质量分析器、收集检测器、
7、真空系统统 5 个部分组成。个部分组成。第七页,讲稿共四十六页哦1进样系统进样系统 引入试样的方法可分为直接进样和色谱联用系统进样。引入试样的方法可分为直接进样和色谱联用系统进样。直接进样系统直接进样系统 将气体、液体、固体试样,通过一定装置直接引入离子源的方法。又分为:将气体、液体、固体试样,通过一定装置直接引入离子源的方法。又分为:l探针杆直接进样探针杆直接进样:用于沸点较高的液体和固体样品。探用于沸点较高的液体和固体样品。探针杆长约针杆长约25 cm,杆尖带有一试样杯(试,杆尖带有一试样杯(试样探针),样探针),将探针杆的尖端插入质谱仪接将探针杆的尖端插入质谱仪接近离子源后,加热升温,使
8、样品气化为蒸近离子源后,加热升温,使样品气化为蒸气后被引入离子源。气后被引入离子源。第八页,讲稿共四十六页哦l 间隙式进样间隙式进样 适用于气体或挥发性液体、固体试样。通过加热使试样管内的试样挥发至适用于气体或挥发性液体、固体试样。通过加热使试样管内的试样挥发至贮样器(真空度贮样器(真空度10-3 Pa),用阀切换将贮样器内的气态试样,通过小孔以分子流形式漏),用阀切换将贮样器内的气态试样,通过小孔以分子流形式漏入真空度更高(入真空度更高(10-5 Pa)的离子源。)的离子源。第九页,讲稿共四十六页哦色谱联用进样系统色谱联用进样系统将气相、液相色谱的柱后流出物导入质谱的离子化器,经将气相、液相
9、色谱的柱后流出物导入质谱的离子化器,经离子化后供质谱分析。其特点是可用于分析复杂试样的各种组分。离子化后供质谱分析。其特点是可用于分析复杂试样的各种组分。毛细管气相色谱与毛细管气相色谱与质谱联用示意图质谱联用示意图气相色谱气相色谱-质谱联用仪质谱联用仪液相色谱液相色谱-质谱联用系统质谱联用系统第十页,讲稿共四十六页哦离子源的功能离子源的功能将样品的中性分子电离成离子的装置。离子源性能决定了离子化效率,影响质谱仪将样品的中性分子电离成离子的装置。离子源性能决定了离子化效率,影响质谱仪灵敏度,而且决定分子裂解的方式和程度,也决定化合物质谱图的面貌。灵敏度,而且决定分子裂解的方式和程度,也决定化合物
10、质谱图的面貌。离子源的分类离子源的分类l 按离子化时试样的状态分按离子化时试样的状态分气相离子源:样品以气体的形式离子化。气相离子源适合用于沸点低于气相离子源:样品以气体的形式离子化。气相离子源适合用于沸点低于500 C的热稳定性的热稳定性化合物(分子量小于化合物(分子量小于103)。)。解吸离子源:液态或固态试样不经挥发过程而直接离子化。适用于分子量较高、解吸离子源:液态或固态试样不经挥发过程而直接离子化。适用于分子量较高、非挥发性或热稳定性差的试样。非挥发性或热稳定性差的试样。l 按离子源能量强弱分按离子源能量强弱分硬离子源:离子化能量高,多产生质荷比小于分子离子的碎片离子,可得到分子官硬
11、离子源:离子化能量高,多产生质荷比小于分子离子的碎片离子,可得到分子官能团的信息;能团的信息;软离子源:离子化能量低,样品分子被电离后主要以分子离子形式存在,其质谱图相对软离子源:离子化能量低,样品分子被电离后主要以分子离子形式存在,其质谱图相对简单。简单。2离子源离子源第十一页,讲稿共四十六页哦中英文名称及中英文名称及缩缩写写类类型型离子化离子化试剂试剂工作状工作状态态主要特点主要特点电电子子轰击电轰击电离(离(Electron Impact Iniozation,EI)气相气相高能高能电电子子真空真空硬离子源硬离子源化学化学电电离(离(Chemical Ionization,CI)气相气相
12、试剂试剂离子离子真空真空软软离子源离子源场电场电离离(Field Ionization,FI)气相气相高高电场电场软软离子源,易得到分子离离子源,易得到分子离子峰子峰场场解吸(解吸(Field Deporption,FD)解吸解吸高高电场电场真空真空软软离子源,易得到分子离离子源,易得到分子离子峰子峰快速原子快速原子轰击轰击(Fast Atom Bombardment,FAB)解吸解吸高能原子束高能原子束真空真空软软离子源,可同离子源,可同时时生成正生成正负负离子,两种离子都可以离子,两种离子都可以用用质谱进质谱进行分析行分析二次离子二次离子质谱质谱(Secondary Ion MS,SIMS
13、)解吸解吸高能离子束高能离子束真空真空软软离子源,采用液体基离子源,采用液体基质质负载样负载样品品质质子化形成子化形成MH+离子离子基基质辅质辅助激光解吸助激光解吸电电离(离(Atmospheric Pressure Matrix Assisted Laser Desorption Ionization,MALDI)解吸解吸激光束激光束大气大气压压软软离子源,适于离子源,适于结结构复构复杂杂、不易气化的生物大分子不易气化的生物大分子电喷雾电电喷雾电离(离(Electrospray Ionization,ESI)-荷荷电电微粒能量微粒能量大气大气压压软软离子源,离子源,电电离离过过程中程中产产生
14、多重生多重质质子化离子子化离子 质谱仪质谱仪常用的几种离子源常用的几种离子源第十二页,讲稿共四十六页哦(1)电子轰击源)电子轰击源(electron impact ionization,EI)通过电子束与气态的试样分子直接作用而导致分子电离甚至通过电子束与气态的试样分子直接作用而导致分子电离甚至裂解。裂解。结构示意结构示意 第十三页,讲稿共四十六页哦 工作原理工作原理l 在离子化室内,电加热灯丝产生电子,在灯丝(阴极)和阳极间加数十在离子化室内,电加热灯丝产生电子,在灯丝(阴极)和阳极间加数十伏直流电压,电子加速形成高速电子束(能量为伏直流电压,电子加速形成高速电子束(能量为1070 eV),
15、进入离子化),进入离子化区。区。l样品以气态分子形式进入离子源,与高能电子在离子源中心碰撞,使分子样品以气态分子形式进入离子源,与高能电子在离子源中心碰撞,使分子离解形成正离子。离解形成正离子。l 推斥极和加速极之间的电场引导正离子穿过狭缝,进入离子加速区。在加速推斥极和加速极之间的电场引导正离子穿过狭缝,进入离子加速区。在加速极高电压(数千伏)作用下,正离子获得一定速度,从狭缝射入质量分析器。极高电压(数千伏)作用下,正离子获得一定速度,从狭缝射入质量分析器。特点特点l 分子离子的丰度低。电子轰击电离源的能量高,化合物分子被打掉一个分子离子的丰度低。电子轰击电离源的能量高,化合物分子被打掉一
16、个电子形成分子离子后,会进一步发生化学键断裂和重排形成多种质荷比的电子形成分子离子后,会进一步发生化学键断裂和重排形成多种质荷比的碎片离子。碎片离子。l 典型的硬离子源,能提供有机化合物最丰富的结构信息典型的硬离子源,能提供有机化合物最丰富的结构信息l 有较好的重现性。有较好的重现性。第十四页,讲稿共四十六页哦(2)化学电离源)化学电离源(chemical ionization,CI)装置和工作原理装置和工作原理 化学电离源的装置与电子轰击源相似,但工作时需要向离子室引入一定压力(约化学电离源的装置与电子轰击源相似,但工作时需要向离子室引入一定压力(约102 Pa)的甲烷、丙烷等反应气。反应气
17、受电子流轰击电离:的甲烷、丙烷等反应气。反应气受电子流轰击电离:生成的生成的CH4+和和CH3+很快与大量存在的很快与大量存在的CH4分子起反应:分子起反应:生成的加合离子生成的加合离子CH5+和和C2H5+与试样分子(与试样分子(SH)发生反应:)发生反应:所生成的所生成的SH+和和S+离子可进一步碎裂,形成质谱。离子可进一步碎裂,形成质谱。特点特点 通常得到准分子离子。若样品分子的质子亲和势大于反应气的质子通常得到准分子离子。若样品分子的质子亲和势大于反应气的质子亲和势,则生成亲和势,则生成M+H+,反之则生成,反之则生成M-H+。第十五页,讲稿共四十六页哦3质量分析器质量分析器(mass
18、 analyzer)是质谱仪中分离不同质荷比离子的部件。根据工作原理的不同,主是质谱仪中分离不同质荷比离子的部件。根据工作原理的不同,主要有磁质量分析器,飞行时间质量分析器,四极杆质量分析器,离子阱要有磁质量分析器,飞行时间质量分析器,四极杆质量分析器,离子阱质量分析器和傅里叶转换质量分析器等。质量分析器和傅里叶转换质量分析器等。(1)磁偏转式分析器)磁偏转式分析器(magnetic-sector analyzer)利用外加磁场使得不同质荷比的离子在飞行过程中发生不同的角利用外加磁场使得不同质荷比的离子在飞行过程中发生不同的角度偏转,使不同的离子得以分离。度偏转,使不同的离子得以分离。第十六页
19、,讲稿共四十六页哦双聚焦分析器双聚焦分析器是在离子源和磁场之间增加一个静电分析器,是在离子源和磁场之间增加一个静电分析器,通过串联电场及磁场共同作用,在实现不同质荷比离子的按不同通过串联电场及磁场共同作用,在实现不同质荷比离子的按不同方向聚焦的同时,还能实现质荷比相同但速度不同的离子聚焦方向聚焦的同时,还能实现质荷比相同但速度不同的离子聚焦,因此双聚焦分析器的分辨可以高达因此双聚焦分析器的分辨可以高达100,000。双聚焦高分辨质谱仪双聚焦高分辨质谱仪 第十七页,讲稿共四十六页哦(2)飞行时间质量分析器)飞行时间质量分析器(time of flight mass analyzer,TOF)射入
20、分析器后,进入一长约射入分析器后,进入一长约 1m 的无电场与磁场的漂移管,具有的无电场与磁场的漂移管,具有 初速度为初速度为v 的离子经过长度为的离子经过长度为L 的漂移管所需的时间的漂移管所需的时间 t=L/v 将离子的速度式代入将离子的速度式代入,得到得到即:不同离子的飞行时间即:不同离子的飞行时间t 由其质荷比由其质荷比的平方根所决定。的平方根所决定。原理原理 不同质量的离子从离子源飞出时的动能基本一致,但因不同质量的离子从离子源飞出时的动能基本一致,但因 质量不同而有不同的速度质量不同而有不同的速度v:第十八页,讲稿共四十六页哦 特点特点l分析器设备简单(不需要磁场和电场)分析器设备
21、简单(不需要磁场和电场)l扫描速度快(扫描速度快(10-5-10-6 s可记录整段质谱),可记录整段质谱),l灵敏度高灵敏度高l质量范围宽(可达质量范围宽(可达160000甚至更高),甚至更高),适合与研究快速反应以及与色谱适合与研究快速反应以及与色谱的联用。的联用。飞行时间分析器与新型软离子源飞行时间分析器与新型软离子源基质辅助激光解吸离子化源基质辅助激光解吸离子化源(MALDI)结合的质谱分析系)结合的质谱分析系统已成为生物大分子分析的强统已成为生物大分子分析的强有力工具。有力工具。气相色谱飞行时间质谱仪气相色谱飞行时间质谱仪第十九页,讲稿共四十六页哦四根截面呈双曲面或圆形的棒状电极四根截
22、面呈双曲面或圆形的棒状电极,相对的两根为一组,两组电极相对的两根为一组,两组电极上加直流电压和射频交流电压。上加直流电压和射频交流电压。在一定的直流电压、交流电压和交流频率下,只有符合一定质荷比在一定的直流电压、交流电压和交流频率下,只有符合一定质荷比m/z 的离子能的离子能通过四极杆而达到检测器,而其他离子在运动过程中碰撞圆筒形电极而被通过四极杆而达到检测器,而其他离子在运动过程中碰撞圆筒形电极而被“过滤过滤”掉。掉。当连续改变直流电压和交流电压大小或保持电压不变连续改变交流电的频率,当连续改变直流电压和交流电压大小或保持电压不变连续改变交流电的频率,就可以使不同质荷比就可以使不同质荷比m/
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