培训班质谱.ppt
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1、ll质谱法是将样品离子化,变为气态离子混合物,并按质荷比(m/z)分离的分析技术;l质谱仪是实现上述分离分析技术,从而测定物质的质量与含量及其结构的仪器。l在有机混合物的分析研究中证明了质谱分析法比化学分析法和光学分析法具有更加卓越的优越性,当代研究有机化合物已经离不开质谱仪。一一.仪器概述仪器概述l1.基本结构基本结构l质谱仪由以下几部分组成ll数据及供电系统ll进样系统离子源质量分析器检测接收器ll真空系统(1)进样系统进样系统:l把分析样品导入离子源的装置,包括:直接进样,GC,LC及接口,加热进样,参考物进样等。(2)离子源离子源:l使被分析样品的原子或分子离化为带电粒子(离子)的装置
2、,并对离子进行加速使其进入分析器,根据离子化方式的不同,有机常用的有如下几种,其中EI,ESI最常用。lEI(ElectronImpactIonization):电子轰击电离硬电离。lCI(ChemicalIonization):化学电离核心是质子转移。lFD(FieldDesorption):场解吸目前基本被FAB取代。lFAB(FastAtomBombardment):快原子轰击或者铯离子(LSIMS,液体二次离子质谱)。lESI(ElectrosprayIonization):电喷雾电离属最软的电离方式。lAPCI(AtmosphericPressureChemicalIonizatio
3、n):大气压l化学电离同上,更适宜做小分子。lAPPI(AtmosphericPressurePhotoSprayIonization):大气压l光喷雾电离同上,更适宜做非极性分子。lMALDI(MatrixAssistedLaserDesorption):基质辅助激光解吸电离。EI(Electron Impact Ionization):电子轰击电离电子轰击电离最经典常规的方式,其他均属软电离。EI使用面广,峰重现性好,碎片离子多。缺点:不适合极性大、热不稳定性化合物,且可测定分子量有限,一般1,000。MALDI(Matrix Assisted Laser Desorption):基质辅助
4、激光解吸离子化基质辅助激光解吸离子化是一种用于大分子离子化方法,利用对使用的激光波长范围具有吸收并能提供质子的基质(一般常用小分子液体或结晶化合物),将样品与其混合溶解并形成混合体,在真空下用激光照射该混合体,基体吸收激光能量,并传递给样品,从而使样品解吸离子化。MALDI的特点是准分子离子峰很强。通常将MALDI用于飞行时间质谱和FT-MS,特别适合分析蛋白质,多肽等大分子。hn n激光激光MH+/-20 kVGrid(0 V)样品板(3)质量分析器质量分析器:l是质谱仪中将离子按质荷比分开的部分,离子通过分析器后,按不同质荷比(M/Z)分开,将相同的M/Z离子聚焦在一起,组成质谱。(4)检
5、测接收器检测接收器:l接收离子束流的装置,l有:二次电子倍增器l光电倍增管l微通道板(5)数据及供电系统数据及供电系统:l将接收来的电信号放大、处理并给出分析结果及控制质谱仪各部分工作。l从几伏低压到几千伏高压。(6)真空系统真空系统:l由机械真空泵(前极低真空泵),扩散泵或分子泵(高真空泵)组成真空机组,抽取离子源和分析器部分的真空。l只有在足够高的真空下,离子才能从离子源到达接收器,真空度不够则灵敏度低。2.分类分类:l按质量分析器按质量分析器,常见下列几种:l双聚焦扇形磁场-电场串联仪器(sector).l四极质谱仪(Q).l离子阱质谱仪(TRAP).l飞行时间质谱仪(TOF).l付利叶
6、变换-离子回旋共振质谱仪(FT-ICRMS).l混合型如四极+TOF,QTRAP等l串列式多级质谱仪三重四极l(MS/MS)TOF+TOF3.分析原理分析原理:l四极分析器四极分析器quadrupolel由两组对称的电极组成。电极上加有直流电压和射频电压((U+Vcost))。相对的两个电极电压相同,相邻的两个电极上电压大小相等,极性相反。带电粒子射入高频电场中,在场半径限定的空间内振荡。在一定的电压和频率下,只有一种质荷比的离子可以通过四极杆达到检测器,其余离子则因振幅不断增大,撞在电极上而被“过滤”掉。利用电压或频率扫描,可以检测不同质荷比的离子。优点是扫描速度快,比磁式质谱价格便宜,体积
7、小,常作为台式进入常规实验室,缺点是质量范围及分辨率有限。飞行时间质谱仪(飞行时间质谱仪(TOF):利用相同能量的带电粒子,由于质量的差异而具有不同速度的原理,不同质量的离子以不同时间通过相同的漂移距离到达接收器。公式M/Z=2E/v2v=d/t代入M/Z=Kt2E:离子动能v:离子速度d:飞行距离t:飞行时间K:常数=2E/d2优点:扫描速度快,灵敏度高,不受质量范围限制以及结构简单,造价低廉等.缺点:定量较差。以前分辨率较低,最近新仪器分辨率大幅提高如MALDI-TOF,GC-T,LC-T可得高分辨结果。串联质谱仪(MS/MS或Tandem):l离子源第一分析器碰撞室第二分析器接收器lMS
8、1MS2串列式混合型Q+TOF,Q+TRAP等多级质谱仪三重四极(QQQ)(MS/MS)TOF+TOFl进行MS/MS的仪器从原理上可分为两类。l第一类仪器利用质谱在空间中的顺序,是由两台质谱仪串联组装而成。即前面列出的串列式多级质谱仪。l第二类利用了一个质谱仪时间顺序上的离子储存能力,由具有存储离子的分析器组成,如离子回旋共振仪(ICR)和离子阱质谱仪。但不能进行母离子扫描或中性丢失。l选择一定质量的离子作为母体离子,进入碰撞室,室内充有靶子反应气体(碰撞气体:N2、He、Ar、Xe、CH4等),发生离子分子碰撞反应,从而产生子离子,再经MS2的分析器及接受器得到子离子质谱(producti
9、onspectrun)。一般称做CID(collision-induceddissociation)谱,或者称为MS/MS谱。l最常用的就是三级四极型MS/MS.另外,也有子找母离子的MS/MS谱,(MS/MSprecursorionspectrum)研究MS/MS谱(一般指子离子质谱,与在源内裂解产生的正常碎片质谱类似,但有区别,现不能检索),可以了解到被分析样品的混合物性质和成分,对一些混合物不必进行色谱分离可直接分析,与色谱法相比,有很快的响应速度,省时省样品省费用,具有高灵敏度和高效率的优点。另外一个特点是通过子母及母子MS/MS谱可以掌握一定的结构信息,做为目前有力的结构解析手段。4
10、.仪器性能指标仪器性能指标l(1)质量范围质量范围:l例如2-3000Dal(2)分辨率分辨率(R):lR=M/MlM为相邻两峰之一的质量数.M为差.例如:500与501两个峰刚好分开.则R=500/1=500.若R=50000则可区别开500与500.01。l对于四极杆仪器,通常做到单位分辨,高低质量区R数值不同.l(3)灵敏度灵敏度:l有多种定义方法,粗略地说是表示所能检查出的最小量,一般可达到10-9-10-15克甚至更低,实际还应看信噪比。二二.质谱的表示法及解析质谱的表示法及解析l谱图法:l列表法:质量数,相对丰度.l高分辨表示法:列表元素组成.1.几个术语几个术语:l质荷比质荷比M
11、/Z:l在质谱中不能用平均分子量计算离子的化学组成,例如:不能用氯的平均分子量35.5,而用35和37。同理,溴也是如此,79和81,无80。l相对丰度相对丰度l基峰基峰l总离子流总离子流(TIC):l动态范围动态范围:l本底本底(BG):l质量色谱图质量色谱图/Mass chromatogram(MC)l又叫提取离子色谱图又叫提取离子色谱图/extract ion chromatography(XIC)l是质谱法处理数据的一种方式是质谱法处理数据的一种方式 l以指定离子的强度为纵坐标,以时间作为横坐标,表示质量与时间的关系。2.离子的种类离子的种类l(1)分子离子分子离子M+l在ESI中,往
12、往生成质量大于分子量的离子如M+1,M+23,M+39,M+18.称准分子离子,表示为:lM+H+,M+Na+等l(2)碎片离子碎片离子:l碎片峰的数目及其丰度则与分子结构有关,l数目多表示该分子较容易断裂,l丰度高的碎片峰表示该离子较稳定,也表示分子比较容易断裂生成该离子。(3)多电荷离子多电荷离子指带有2个或更多电荷的离子,有机质谱中,单电荷离子是绝大多数,只有那些不容易碎裂的基团或分子结构-如共轭体系结构-才会形成多电荷离子.它的存在说明样品是较稳定的.采用电喷雾的离子化技术,可产生带很多电荷的离子,最后经计算机自动换算成单质/荷比离子。l(4)同位素离子同位素离子l各种元素的同位素,基
13、本上按照其在自然界的丰度比出现在质谱中,这对于利用质谱确定化合物及碎片的元素组成有很大方便,在前面M/Z提到过,如氯35和37,还可利用稳定同位素合成标记化合物,如:氘等标记化合物,再用质谱法检出这些化合物,在质谱图外貌上无变化,只是质量数的位移,从而说明化合物结构,反应历程等。同位素峰C13同位素峰C13(5)负离子负离子通常碱性化合物适合正离子,酸性化合物适合负离子,某些化合物负离子谱灵敏度很高,可提供很有用的信息。3.由质谱推断化合物结构由质谱推断化合物结构l质谱是一种语言,但需要翻译.l与其他类型谱图比较,学习如何由质谱图识别一个简单分子要容易得多。l质谱图直接给出分子及其碎片的质量,
14、因此化学家不需要学习任何新的知识如何看质谱图(1)确定分子离子,即确定分子量l氮规则:l含偶数个氮原子的分子,其质量数是偶数,含奇数个氮原子的分子,其质量数是奇数。l与高质量碎片离子有合理的质量差,凡质量差在38和10-14,21,25之间均不可能,则说明是碎片或杂质(2)确定元素组成,即确定分子式或碎片化学式l低分辨,利用元素的同位素丰度,例:(3)峰强度与结构的关系l丰度大反映离子结构稳定,l在元素周期表中自上而下,自右至左,杂原子外层未成键电子越易被电离,容纳正电荷能力越强,SNO,n,含支链的地方易断,l这同有机化学基本一致,总是在分子最薄弱的地方断裂。l不同类型有机物有不同的裂解方式
15、,l相同类型有机物有相同的裂解方式,只是质量数的差异,l需要经验记忆,很有用。4.质谱解析的一般步骤l(适于低分辨小分子谱图,若已经高分辨得到元素组成更好)l(1)核对获得的谱图,扣除本底等因素引起的失真,考虑操作条件是否适当,l(2)综合样品其他知识:例如熔点,沸点,溶解性等理化性质,样品来源,光谱,波谱数据等.l(3)尽可能判断出分子离子.l(4)假设和排列可能的结构归属:l高质量离子所显示的,在裂解中失去的中性碎片,如M-1,M-15,M-18,M-20,M-31.,意味着失H,CH3,H2O,HF,OCH3.l(5)假设一个分子结构,与已知参考谱图对照,或取类似的化合物,并作出它的质谱
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