第六章质谱法优秀PPT.ppt
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1、第六章质谱法第一页,本课件共有101页质谱分析过程质谱分析过程撞击撞击 得到得到高速电子流高速电子流 气态分子气态分子 阳离子阳离子 顺序谱图顺序谱图 质量分析器质量分析器定性结构定性结构 定量分析定量分析导导入入按质荷比按质荷比m/e峰强度峰强度峰位置峰位置第二页,本课件共有101页第一节第一节 质谱法概述质谱法概述1.1.质谱仪的发展简史质谱仪的发展简史 19121912年:年:世界第一台质谱装置。世界第一台质谱装置。19401940年代年代:质谱仪用于质谱仪用于同位素同位素测定。测定。19501950年代:年代:MSMS商品化,广泛用于商品化,广泛用于有机物结构分析。有机物结构分析。19
2、601960年代:研究年代:研究GC-MSGC-MS联用技术。联用技术。19801980年代:研究年代:研究LC-MSLC-MS联用技术。联用技术。19901990年代:年代:生物分析生物分析的需要,新的离子化方法。的需要,新的离子化方法。第三页,本课件共有101页2.2.质谱仪的分类质谱仪的分类o按按用途用途分:有机质谱;无机质谱;同位素质谱。分:有机质谱;无机质谱;同位素质谱。o按按原理原理分:单聚焦质谱;双聚焦质谱;四极质谱;分:单聚焦质谱;双聚焦质谱;四极质谱;飞行时间质谱;回旋共振质谱。飞行时间质谱;回旋共振质谱。o按按联用联用方式分:气质联用;液质联用;串联质谱方式分:气质联用;液
3、质联用;串联质谱技术。技术。第四页,本课件共有101页1)1)它是至今唯一可以它是至今唯一可以确定分子质量确定分子质量的方法的方法,在高分辨率质谱仪中在高分辨率质谱仪中能够准确测定摩尔质量。能够准确测定摩尔质量。2)2)质谱法的质谱法的灵敏度极高灵敏度极高,鉴定的最小量可达鉴定的最小量可达1010-10-10g,g,检出限可达检出限可达1010-14-14g g。3)3)确定样品元素组成。确定样品元素组成。4)4)无机、有机及生物分析的无机、有机及生物分析的结构结构 -结构不同,分子或原子碎片结构不同,分子或原子碎片不同不同(质荷比质荷比不同不同)。5)5)复杂混合物的复杂混合物的定性定量分析
4、定性定量分析 -与色谱方法联用与色谱方法联用(GC-(GC-MSMS)。6)6)样品中原子的样品中原子的同位素比。同位素比。3.3.特点及应用特点及应用第五页,本课件共有101页第二节第二节 质谱法原理及仪器质谱法原理及仪器一一 质谱分析法原理质谱分析法原理 将样品转化为运动的将样品转化为运动的带电气态离子碎片带电气态离子碎片,于磁场中按,于磁场中按质荷比质荷比(m/z)(m/z)大小大小分离并记录的分析方法。分离并记录的分析方法。1.1.气体扩散气体扩散2.2.直接进样直接进样3.3.气相色谱气相色谱1.1.电子轰击电子轰击2.2.化学电离化学电离3.3.场致电离场致电离4.4.激光激光 1
5、.1.单聚焦单聚焦 2.2.双聚焦双聚焦 3.3.飞行时间飞行时间 4.4.四极杆四极杆 第六页,本课件共有101页p 试样在离子源内被试样在离子源内被气化气化,电离电离。用电子轰击法在。用电子轰击法在1010-5-5PaPa高真高真空下空下,以以5050 100eV100eV能量的电子流轰击试样能量的电子流轰击试样,样品分子常常被击出样品分子常常被击出一个电子一个电子,形成带一个形成带一个正电荷的正离子。正电荷的正离子。M+eM+e-M M+2e+2e-p在质谱仪中在质谱仪中,各种正离子被电位差为各种正离子被电位差为800800 8000V8000V的的负高压电负高压电场场加速加速,加速后的
6、加速后的动能动能等于离子的等于离子的位能位能zU,zU,即即 1/2m 1/2m 2 2=zU=zUp加速后的离子进入加速后的离子进入磁场磁场中中,受到磁场的作用受到磁场的作用,使离子作弧形运使离子作弧形运动动,此时离子所受的此时离子所受的向心力向心力BzBz 和运动的和运动的离心力离心力m m 2 2/R/R相等相等,得得:m m 2 2/R=Bz/R=Bz 第七页,本课件共有101页离子离子质荷比质荷比与运动轨道曲线与运动轨道曲线半径半径R R的关系的关系:式中:式中:B磁场强度;磁场强度;U电场强度;电场强度;Z离子电荷数离子电荷数 质谱分析法的基本公式叫质谱分析法的基本公式叫质谱方程式
7、质谱方程式第八页,本课件共有101页二、质谱仪的主要性能指标二、质谱仪的主要性能指标1 1 质量测定范围质量测定范围 1 1)质谱仪的)质谱仪的质量测定范围质量测定范围表示质谱仪所能进行分表示质谱仪所能进行分析的析的样品的样品的相对原子质量相对原子质量(或(或相对分子质量相对分子质量)范)范围围,通常采用原子质量单位(,通常采用原子质量单位(u u)进行度量。)进行度量。2 2)测定)测定气体气体用的质谱仪,一般质量测定范围在用的质谱仪,一般质量测定范围在2 2100100,而,而有机有机质谱仪一般可达质谱仪一般可达几千几千,现代质谱仪,现代质谱仪甚至可以研究相对分子量达甚至可以研究相对分子量
8、达几十万几十万的的生化样品。生化样品。第九页,本课件共有101页 3 3)使用)使用电喷雾离子源电喷雾离子源,由于形成,由于形成多电荷离子多电荷离子,可,可以测定的分子量能够达到以测定的分子量能够达到100000100000。4 4)四极杆分析器四极杆分析器质量范围质量范围不大于不大于30003000;而;而飞行时飞行时间分析器间分析器可以达到可以达到几十万几十万。对于。对于GC-MSGC-MS,分子量,分子量一般一般不超过不超过500500,而,而LC-MSLC-MS由于分析对象常常是由于分析对象常常是生生物大分子,质量范围宽好。物大分子,质量范围宽好。5 5)质量范围质量范围与与离子源离子
9、源,分析器种类分析器种类以及以及分析对分析对象象有关。有关。第十页,本课件共有101页 所谓所谓分辨本领分辨本领,是指质谱仪分开,是指质谱仪分开相邻相邻质量数离子质量数离子的能力。即:的能力。即:对两个相等强度的相邻峰,当两峰间对两个相等强度的相邻峰,当两峰间的的峰谷峰谷不大于其不大于其峰高峰高10%10%时,认为两峰时,认为两峰已经分开,其分辨率为:已经分开,其分辨率为:其中其中m m1 1、m m2 2为质量数,且为质量数,且m m1 1mm2 2,故在,故在两峰两峰质量数相差较小质量数相差较小时,要求仪器时,要求仪器分分辨率越大。辨率越大。2.2.分辨本领分辨本领第十一页,本课件共有10
10、1页 在实际工作中,有时很难找到相邻的且峰高相等的两个在实际工作中,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峰,同时峰谷又为峰高的10%10%。在这种情况下,可。在这种情况下,可任选一单任选一单峰峰,测其峰高,测其峰高5%5%处的峰宽处的峰宽W W0.050.05,即可当作上式中的,即可当作上式中的mm,此时的分辨率定义为:此时的分辨率定义为:R=m/WR=m/W0.050.05 如果该峰是高斯型的,上述两式计算结果是一样如果该峰是高斯型的,上述两式计算结果是一样的。质谱仪的的。质谱仪的分辨本领分辨本领由几个因素决定:由几个因素决定:(1 1)离子通道的)离子通道的半径。半径。
11、(2 2)加速器与收集器)加速器与收集器狭缝宽度。狭缝宽度。(3 3)离子源的性质。离子源的性质。第十二页,本课件共有101页3.3.灵敏度灵敏度 质谱仪的灵敏度有质谱仪的灵敏度有绝对灵敏度绝对灵敏度、相对灵敏度相对灵敏度和和分析灵分析灵敏度敏度等几种表示方法。等几种表示方法。绝对灵敏度绝对灵敏度是指仪器是指仪器可以检测到的最小样品量可以检测到的最小样品量,有机,有机质谱仪的灵敏度可以大于质谱仪的灵敏度可以大于1010-10-10g g。相对灵敏度相对灵敏度是指仪器可以是指仪器可以同时检测的大组分与小组分同时检测的大组分与小组分含量之比含量之比,例如,例如相对灵敏度为相对灵敏度为1010-9-
12、9 ,表示仪器可以测定样,表示仪器可以测定样品中杂质量是样品量的品中杂质量是样品量的10109 9分之一分之一。分析灵敏度分析灵敏度则是指则是指输入仪器的样品量与仪器输出的信号输入仪器的样品量与仪器输出的信号之比。之比。第十三页,本课件共有101页4.4.准确度和精密度准确度和精密度 质谱仪的质谱仪的准确度高,例如某分子离子峰精确质准确度高,例如某分子离子峰精确质量是量是250.1056,250.1056,其真实值为其真实值为250.1069250.1069 精密度指各测量值的偏差精密度指各测量值的偏差第十四页,本课件共有101页三、仪器组成三、仪器组成 按质量分析器按质量分析器 (或者磁场种
13、类或者磁场种类 )可分为可分为静静态仪器和动态仪器态仪器和动态仪器,即,即稳定磁场稳定磁场(单聚焦及双聚焦单聚焦及双聚焦质谱仪质谱仪)和和变化磁场变化磁场(飞行时间和四极杆质谱仪飞行时间和四极杆质谱仪)。MSMS仪器一般由仪器一般由进样系统进样系统、电离源电离源、质量分析器质量分析器、真空系统真空系统和和检测系统检测系统构成。构成。第十五页,本课件共有101页1.1.真空系统真空系统 质谱仪中质谱仪中所有部分所有部分均要处高度真空的条件下均要处高度真空的条件下(1010-4-4-10-10-6 6PaPa),),其作用是其作用是减少离子碰撞损失减少离子碰撞损失。真空度过低,将会引起:。真空度过
14、低,将会引起:a)a)大量氧会大量氧会烧坏离子源灯丝。烧坏离子源灯丝。b)b)引起引起其它分子离子反应其它分子离子反应,使质谱图复杂化。,使质谱图复杂化。c)c)干扰干扰离子源正常调节。离子源正常调节。d)d)用作加速离子的几千伏高压会引起用作加速离子的几千伏高压会引起放电。放电。一般质谱仪都采用一般质谱仪都采用机械泵机械泵预抽空后,再用高效率预抽空后,再用高效率扩散泵扩散泵连续地运行以保持真空。现代质谱仪采用连续地运行以保持真空。现代质谱仪采用分子泵分子泵可获得更可获得更高的真空度。高的真空度。第十六页,本课件共有101页2.2.进样系统进样系统 对进样系统的要求:对进样系统的要求:重复性、
15、不引起真空度降低。重复性、不引起真空度降低。(1 1)间接进样)间接进样 适于适于气体、沸点低且易挥发的液体、中等蒸汽压固体气体、沸点低且易挥发的液体、中等蒸汽压固体。如图。如图所示。注入样品所示。注入样品(10-100g)(10-100g)贮样器贮样器(0.5L-3L)(0.5L-3L)抽真空抽真空(1Pa)(1Pa)并加并加热热样品蒸汽分子样品蒸汽分子(压力陡度压力陡度)漏隙漏隙高真空离子源。高真空离子源。第十七页,本课件共有101页(2 2)直接探针进样直接探针进样 适于适于高沸点液体及固体高沸点液体及固体样品样品 探针杆通常是一根规格为探针杆通常是一根规格为25cm25cm6mmi.d
16、.,6mmi.d.,末端末端有一装样品的有一装样品的黄金杯黄金杯(坩埚坩埚),将探针杆通过真空闭,将探针杆通过真空闭锁系统引入样品,锁系统引入样品,优点:优点:1)1)引入引入样品量小样品量小,样品样品蒸汽压可以很低蒸汽压可以很低2)2)可以分析可以分析复杂有机物复杂有机物3)3)应用更广泛应用更广泛第十八页,本课件共有101页(3 3)色谱进样:色谱进样:利用气相和液相色谱的分离能力,进行多组份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。复杂混合物分析。第十九页,本课件共有101页3 3 电离源电离源(室室)将引入的样品转化成为将引入的样品转化成为碎片离子碎片离子的装置的装置。根
17、据样品离子。根据样品离子化化方式方式和电离源和电离源能量高低能量高低,通常可将电离源分为:,通常可将电离源分为:气相源:气相源:先蒸发再激发先蒸发再激发,适于,适于沸点低于沸点低于500500o oC C、对热稳、对热稳定的样品定的样品的离子化,包括电子轰击源、化学电离源、场电离源、的离子化,包括电子轰击源、化学电离源、场电离源、火花源。火花源。解吸源:解吸源:固态或液态样品固态或液态样品不需要挥发而直接被转化为不需要挥发而直接被转化为气相气相,适用于,适用于分子量高达分子量高达10105 5的非挥发性或热不稳定性样品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、
18、离的离子化。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。子喷雾源和热喷雾离子源等。第二十页,本课件共有101页硬源:硬源:离子化能量高离子化能量高,伴有化学键的断裂,谱图复杂,可,伴有化学键的断裂,谱图复杂,可 得到得到分子官能团分子官能团的信息。的信息。软源:软源:离子化能量低离子化能量低,产生的碎片少,谱图简单,可得到,产生的碎片少,谱图简单,可得到 分子量分子量信息。信息。(1 1)电子轰击源电子轰击源 (EIEI)电子轰击法是通用的电子轰击法是通用的电离法电离法,是使用,是使用高能电子束高能电子束从试样分子从试样分子中撞出一个电子而产生正离子,即中撞出一个电子而
19、产生正离子,即 M+e M+e M M+2e +2e 式中式中M M为待测分子,为待测分子,M M+为分子离子或母体离子为分子离子或母体离子第二十一页,本课件共有101页灯丝与阳极间灯丝与阳极间(加直流电压加直流电压70V)70V)高高能电子束能电子束冲击样品冲击样品正离子正离子垂直方向垂直方向:G3-G4G3-G4加速电极加速电极(低电压低电压)-)-较小动能较小动能-狭缝准直狭缝准直G4-G5G4-G5加速电极加速电极(高电压高电压)-)-较高动能较高动能-狭缝进一步准直狭缝进一步准直-离子进入质量分离子进入质量分析器。析器。EIEI特点特点:使用最广泛,谱库最:使用最广泛,谱库最完整;完
20、整;电离效率高电离效率高;操作方便;操作方便;结构信息丰富,有标准化合物结构信息丰富,有标准化合物质谱库;不能汽化的样品不能质谱库;不能汽化的样品不能分析;分析;分子离子峰强度较弱或分子离子峰强度较弱或不出现。不出现。第二十二页,本课件共有101页第二十三页,本课件共有101页(2 2)化学电离源)化学电离源 (Chemical Ionization,CI)(Chemical Ionization,CI)作用过程:作用过程:样品分子样品分子在承受电子轰击前,被在承受电子轰击前,被一种反应气一种反应气(通常是通常是甲烷甲烷)稀释,稀释比例约为稀释,稀释比例约为10103 3:1:1,因此样品分子
21、与电子的碰撞几率极小,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。所生成的样品分子离子主要由反应气分子组成。第二十四页,本课件共有101页 进入电离源的分子进入电离源的分子 R-CHR-CH3 3 大部分与大部分与 CHCH5 5+碰撞产生碰撞产生 (M+1)(M+1)+离子;离子;小部分与小部分与C C2 2H H5 5+反应,生成反应,生成(M-1)(M-1)+离子:离子:CICI特点:从准分子离子特点:从准分子离子可以推断出相对分子质量可以推断出相对分子质量,碎片峰较少,谱图简单;使用碎片峰较少,谱图简单;使用CICI时需要将试样时需要将试样气化气化后进后
22、进入离子源,因此入离子源,因此不适用于难挥发,热不稳定或极性较不适用于难挥发,热不稳定或极性较大的有机物分析。大的有机物分析。第二十五页,本课件共有101页(3 3)场电离源场电离源 (Field ionization,FI)(Field ionization,FI)应用应用强电场强电场(电压梯度电压梯度10107 7-10-108 8V/cmV/cm)诱导样品电离诱导样品电离过程:强电场过程:强电场分子电子的分子电子的量子隧道效应量子隧道效应*分子分子热热分解或碰撞分解或碰撞带正电荷的碎片离子带正电荷的碎片离子阳极排斥出并阳极排斥出并加速进入磁场。加速进入磁场。r1m1mm第二十六页,本课件
23、共有101页 量子隧道效应量子隧道效应(Quantum mechanical tunneling):(Quantum mechanical tunneling):分子分子中的中的电子电子被被微针微针“萃出萃出”,分子本身很少发生振动或转动,分子本身很少发生振动或转动,因而分子不过多碎裂。因而分子不过多碎裂。电极要求电极要求:电极尖锐,使用微碳针:电极尖锐,使用微碳针(1m,W W丝上的苯基丝上的苯基腈裂解生成腈裂解生成)构成多尖陈列电极可提高电离效率。构成多尖陈列电极可提高电离效率。FIFI特点特点:分子离子峰很清楚,碎片峰较弱,:分子离子峰很清楚,碎片峰较弱,利于相对分子利于相对分子质量质量
24、的测定,的测定,缺乏分子结构缺乏分子结构信息。信息。第二十七页,本课件共有101页(4 4)场解吸源)场解吸源 (Field desorption,FD)(Field desorption,FD)类似于场电离源,它也有一个表面长满类似于场电离源,它也有一个表面长满“胡须胡须”(长长0.01mm)0.01mm)的阳极发射器的阳极发射器(Emitter)(Emitter)。过程过程:样品溶液涂于发射器表面:样品溶液涂于发射器表面 -蒸发除溶剂蒸发除溶剂解解吸样品分子吸样品分子强电场强电场分子电离分子电离奔向阴极奔向阴极引入磁场。引入磁场。特点特点:特别适于:特别适于非挥发性且分子量高的离子峰非挥发
25、性且分子量高的离子峰和准分子离子峰和准分子离子峰,谱图最为简单(,谱图最为简单(解吸解吸所需的能量所需的能量远低于远低于气化气化所需的能量,所以有机化合物所需的能量,所以有机化合物不会发生不会发生热分解热分解;很多键不用断裂仍可以得到分离离子峰)。;很多键不用断裂仍可以得到分离离子峰)。第二十八页,本课件共有101页(5 5)火花源火花源 (Spark)(Spark)针对针对金属合金属金属合金属或或离子残渣样品离子残渣样品等等非挥发性无机物非挥发性无机物的分析,类似于的分析,类似于AESAES中的激发光源。中的激发光源。过程过程:30kV 30kV 脉冲电压脉冲电压 -火花火花 -样品局部高热
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