教学课件:第十五章质谱法剖析.ppt
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1、仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法 质谱法质谱法(Mass Spectrometry,MS)仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法 质谱法质谱法(MS):应用多种离子化技术,将:应用多种离子化技术,将物质分子转化为气态离子并按质荷比物质分子转化为气态离子并按质荷比(m/z)大小进行分离并记录其信息,从而大小进行分离并记录其信息,从而进行物质和结构分析的方法。进行物质和结构分析的方法。仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法 从从20世纪世纪60年代开始,质谱法
2、普遍应年代开始,质谱法普遍应用到有机化学和生物化学领域,化学用到有机化学和生物化学领域,化学家应用质谱图信息阐明各种物质的分家应用质谱图信息阐明各种物质的分子结构。子结构。质谱仪成为多数研究室及分析实验室质谱仪成为多数研究室及分析实验室的标准仪器之一。的标准仪器之一。仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法灵敏度高灵敏度高响应时间短,分析速度快响应时间短,分析速度快信息量大信息量大质谱法特点质谱法特点 仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法第一节第一节 质谱法的基本原理和质谱仪质谱法的基本原理和质谱仪仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章
3、 质谱法质谱法一、质谱法的基本原理一、质谱法的基本原理质谱仪是利用电磁学原理,使带电的样品质谱仪是利用电磁学原理,使带电的样品离子按质荷比进行分离的装置。离子按质荷比进行分离的装置。仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法 离子电离后经加速进入磁场中,其动能离子电离后经加速进入磁场中,其动能与加速电压及电荷与加速电压及电荷Z有关,即有关,即 z为电荷数,为电荷数,e为元电荷,为元电荷,U为加速电压,为加速电压,m为离子的质量,为离子的质量,为离子被加速后的运为离子被加速后的运动速度。动速度。仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法(一一)质谱图质谱图
4、 以质荷比(以质荷比(m/z)为横坐标,以相对强)为横坐标,以相对强度为纵坐标,并将最强的离子峰定为基峰,度为纵坐标,并将最强的离子峰定为基峰,强度定为强度定为100%,其他离子峰以其对基峰,其他离子峰以其对基峰的相对强度百分值表示。的相对强度百分值表示。二、质谱的表示方法二、质谱的表示方法仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法15-1 甲苯的质谱图甲苯的质谱图仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法(二二)质谱表质谱表 甲苯的质谱表甲苯的质谱表m/z值值3839455062636591929394相对强相对强 度度4.4163.96.39.18.
5、6111100(基峰)基峰)68(M)+5.3(M+1)+0.21(M+2)+以表格形式罗列质数据,称为质谱表。以表格形式罗列质数据,称为质谱表。仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法三、质谱仪三、质谱仪 质谱仪的基本组成:真空系统、样品导质谱仪的基本组成:真空系统、样品导入系统、离子源、质量分析器、离子检入系统、离子源、质量分析器、离子检测器,其中离子源和质量分析器是质谱测器,其中离子源和质量分析器是质谱仪的两个核心部件。仪的两个核心部件。仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法15-2 质谱仪的组成质谱仪的组成仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第
6、十五章第十五章 质谱法质谱法(一)真空系统(一)真空系统 提供质谱仪的进样系统、离子源、质量提供质谱仪的进样系统、离子源、质量分析器和检测器正常工作所需的真空状态。分析器和检测器正常工作所需的真空状态。离子源真空度:离子源真空度:1.310-4l.310-5Pa质量分析器和检测器真空度:质量分析器和检测器真空度:l.310-6Pa 仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法(二)样品导入系统(二)样品导入系统 亦称进样系统,可高效重复地将样品引入亦称进样系统,可高效重复地将样品引入离子源且不造成真空度的降低。离子源且不造成真空度的降低。常用的进样系统:间接式进样系统常用的进
7、样系统:间接式进样系统 直接探针进样系统直接探针进样系统 色谱联用进样系统色谱联用进样系统仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法1.1.间接式进样系统间接式进样系统仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法 通过试样管将少量通过试样管将少量(10100g)样品引入试样品引入试样储存器中,由于进样系统低压强及储存器样储存器中,由于进样系统低压强及储存器的加热装置,使试样保持气态。由于进样系的加热装置,使试样保持气态。由于进样系统的压强比离子源的压强大,样品离子可以统的压强比离子源的压强大,样品离子可以通过分子漏隙以分子流的形式渗透过高真空通过分子漏隙以
8、分子流的形式渗透过高真空的离子源中。的离子源中。此种进样方式一般要求试样最好在操作温此种进样方式一般要求试样最好在操作温度下具有度下具有1.30.13Pa的蒸气压。的蒸气压。主要用于气体和易挥发试样主要用于气体和易挥发试样仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法2.直接探针进样系统直接探针进样系统主要用于热敏性固体、难挥发性固体和液体试样主要用于热敏性固体、难挥发性固体和液体试样仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法 在直接进样杆尖端装上少许样品在直接进样杆尖端装上少许样品(110ng),经减压后送入离子源,快速加热使之气化,经减压后送入离子源,快
9、速加热使之气化并被离子源离子化。并被离子源离子化。通常将试样放入小杯中,通过真空闭锁装通常将试样放入小杯中,通过真空闭锁装置将其引入离子源,对样品杯进行冷却或加置将其引入离子源,对样品杯进行冷却或加热处理。热处理。仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法3.色谱联用导入系统色谱联用导入系统 利用与质谱仪联机的气相色谱仪或高利用与质谱仪联机的气相色谱仪或高效液相色谱仪将混合物分离后,通过特效液相色谱仪将混合物分离后,通过特殊系统的联机殊系统的联机“接口接口”进入离子源,依进入离子源,依次进行各组分的质谱分析次进行各组分的质谱分析 仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十
10、五章 质谱法质谱法(三)离子源(三)离子源 其功能是将样品导入系统引入的气态其功能是将样品导入系统引入的气态样品分子转化成离子,同时发挥准直和样品分子转化成离子,同时发挥准直和聚集作用,使离子会聚成具有一定几何聚集作用,使离子会聚成具有一定几何形状和能量的离子束进入质量分析器。形状和能量的离子束进入质量分析器。仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法电离模式电离模式硬电离离方法:能给样品较大能量的电离方硬电离离方法:能给样品较大能量的电离方法法软电离方法:给样品较小能量的电离方法,软电离方法:给样品较小能量的电离方法,适用于易破裂适用于易破裂 或易电离的样品或易电离的样品
11、仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法1.电子轰击源(电子轰击源(EI)组成:是一种硬电离方法。主要由电离组成:是一种硬电离方法。主要由电离室(离子盒)、灯丝(锑或钨灯丝室(离子盒)、灯丝(锑或钨灯丝)、离子聚焦透镜和一对磁极组成,只能用离子聚焦透镜和一对磁极组成,只能用于小分子(于小分子(400Da以下以下)的检测。的检测。仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法在离子源内,用电加热锑或钨丝到在离子源内,用电加热锑或钨丝到2000oC,产生高速的电子束产生高速的电子束仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法 电子轰击法是通用
12、的电离法,是使用电子轰击法是通用的电离法,是使用高能电子束从试样分子中撞出一个电子而高能电子束从试样分子中撞出一个电子而产生正离子,即产生正离子,即 Me M+2e仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法u在灯丝和阳极之间加入在灯丝和阳极之间加入70V电压,获得轰击电压,获得轰击能量为能量为70eV的电子束,它与进样系统引入气的电子束,它与进样系统引入气体束发生碰撞而产生正离子。正离子在第一体束发生碰撞而产生正离子。正离子在第一加速电极和反射极间的微小电位差作用下通加速电极和反射极间的微小电位差作用下通过第一加速电极狭缝,至质量分析器电极狭过第一加速电极狭缝,至质量分析器
13、电极狭缝,而第一加速极与第二加速极之间的高电缝,而第一加速极与第二加速极之间的高电位使正离子获得其最后速度,经过狭缝进一位使正离子获得其最后速度,经过狭缝进一步准直后进入质量分析器。步准直后进入质量分析器。仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法EI源的优缺点:源的优缺点:优点优点:(1)非选择性电离,只要样品能气化,电离效率高;非选择性电离,只要样品能气化,电离效率高;(2)应用最广应用最广;(3)稳定,操作简便。稳定,操作简便。缺点缺点:(1)样品必须能气化,不适宜难挥发、热敏性的物质样品必须能气化,不适宜难挥发、热敏性的物质;(2)有的化合物在有的化合物在EI方式下
14、分子离子不稳定,易碎裂,方式下分子离子不稳定,易碎裂,得不到分子量信息。得不到分子量信息。仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法2.化学电离源(化学电离源(CI)化学电离法是待测物通过气相分子一离子反应来化学电离法是待测物通过气相分子一离子反应来进行的。核心是质子的转移。进行的。核心是质子的转移。CI源结构源结构(与与EI源相似源相似):电离室(离子盒)、灯电离室(离子盒)、灯丝(锑或钨灯丝丝(锑或钨灯丝)、离子聚焦透镜和一对磁极组成。、离子聚焦透镜和一对磁极组成。仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法 化学电离源常用的反应气是化学电离源常用的反
15、应气是CH4、异丁烷、异丁烷、NH3、H2O、H2或或He等。在高等。在高能电子流的轰击下,反应物能电子流的轰击下,反应物(如如CH4)首先首先被电离,生成一次离子被电离,生成一次离子CH3+和和CH4+,即,即CH4+eCH4+2eCH4+CH3+H仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法u一次离子一次离子CH3+和和CH4+快速与大量存在快速与大量存在的的CH4分子发生离子分子发生离子-分子反应,生成分子反应,生成二次离子二次离子CH5+和和C2H5+,即,即u CH4+CH4CH5+CH3uCH3+CH4 C2H5+H2仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五
16、章 质谱法质谱法 样品样品(试样与甲烷之比为试样与甲烷之比为1:1000)导入离子源,导入离子源,试样分子试样分子(M)与试剂离子以下列方式进行反应,与试剂离子以下列方式进行反应,转移一个质子给试样或由试样移去一个转移一个质子给试样或由试样移去一个H+或电或电子,试样则变成带子,试样则变成带M+的离子。的离子。CH5+(C2H5+)+M(M+H)+CH4(C2H4)CH5+(C2H5+)+M(M-H)+CH4(C2H6)仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法 (M+H)+或或(M-H)+可能碎裂,产生碎可能碎裂,产生碎片离子。片离子。(M+H)+或或(M-H)+称为准分
17、子称为准分子离子,由离子,由(M+H)+或或(M-H)+离子测得其离子测得其相对分子质量。相对分子质量。仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法CI源的优缺点:源的优缺点:优点:优点:(1)属于软电离方式,准分子离子峰强度大,便属于软电离方式,准分子离子峰强度大,便于利用于利用(M+H)+或或(M-H)+峰准确推断分子量峰准确推断分子量(2)易获得有关化合物基团的信息易获得有关化合物基团的信息(3)适宜做多离子检测适宜做多离子检测 仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法u缺点:缺点:u(1)CI图谱与实验条件有关,不同仪器图谱与实验条件有关,不同仪
18、器获得的获得的CI图不能比较或检索,因此一般图不能比较或检索,因此一般不能制作标准图谱不能制作标准图谱 u(2)碎片离子少,缺少样品的结构信息碎片离子少,缺少样品的结构信息 u(3)样品需加热气化后进行离子化,故不样品需加热气化后进行离子化,故不适合于热不稳定、难挥发物质的分析适合于热不稳定、难挥发物质的分析 仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法3.快原子轰击源快原子轰击源(FAB)仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法FAB源的优缺点:源的优缺点:优点:优点:(1)广泛应用的软电离技术,易得到较强的分广泛应用的软电离技术,易得到较强的分子离子
19、或准分子离子,由此获得化合物分子量子离子或准分子离子,由此获得化合物分子量的信息的信息;(2)在离子化过程中样品无需加热气化,离子在离子化过程中样品无需加热气化,离子化能力强,对强极性、化能力强,对强极性、难气化化合物也能电离,难气化化合物也能电离,故适合于热不稳定、强极性分子、生物分子及故适合于热不稳定、强极性分子、生物分子及配合物的分析。配合物的分析。仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法u缺点:缺点:u 重现性差,对于非极性化合物灵敏度重现性差,对于非极性化合物灵敏度低,且基质在低质量数区低,且基质在低质量数区(400Da)以下以下产生较多干扰峰产生较多干扰峰 仪
20、器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法4.大气压电离源大气压电离源(API)是在大气压下的质谱离子化技术的总称,包是在大气压下的质谱离子化技术的总称,包括电喷雾离子化(括电喷雾离子化(ESI)、大气压化学离子化)、大气压化学离子化(APCI)和大气压光喷雾离子化和大气压光喷雾离子化(APPI)等技术等技术,ESI和和APCI是液相色谱是液相色谱-质谱联用的接口。质谱联用的接口。仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法电喷雾离子化电喷雾离子化(ESI)仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法5.基质辅助激光解吸电离源基质辅助激光解
21、吸电离源(MALDI)MALDI广泛应用于多肽、蛋白质、低聚核苷广泛应用于多肽、蛋白质、低聚核苷酸和低聚糖酸和低聚糖,可测分子量达可测分子量达40万万Da以上。以上。MALDI与飞行时间与飞行时间(TOF)联用已经成为生命科联用已经成为生命科学研究中非常重要的工具。学研究中非常重要的工具。仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法(四)质量分析器(四)质量分析器 依据不同方式将样品离子按质荷比依据不同方式将样品离子按质荷比m/z分开,得到按质荷比大小顺序排列的质分开,得到按质荷比大小顺序排列的质谱图谱图 质量分析器的主要类型有:磁质量分析质量分析器的主要类型有:磁质量分析器
22、、四极滤质器、飞行时间分析器、离子器、四极滤质器、飞行时间分析器、离子阱质量分析器和离子回旋共振分析器等阱质量分析器和离子回旋共振分析器等 仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法1.1.磁质量分析器磁质量分析器 最常用的分析器类型之一就是扇形最常用的分析器类型之一就是扇形磁分析器。离子束经加速后飞入磁极间磁分析器。离子束经加速后飞入磁极间的弯曲区,由于磁场作用,飞行轨道发的弯曲区,由于磁场作用,飞行轨道发生弯曲。生弯曲。仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法单聚焦质量分析器单聚焦质量分析器仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质
23、谱法单聚焦质量分析器工作原理单聚焦质量分析器工作原理:离子在离子源中被加速后,飞入磁极的弯曲区,受磁离子在离子源中被加速后,飞入磁极的弯曲区,受磁场作用而作匀速圆周运动,由于磁场作用使飞行轨道发场作用而作匀速圆周运动,由于磁场作用使飞行轨道发生弯曲,此时离子受到磁场施加的向心力作用,且离子生弯曲,此时离子受到磁场施加的向心力作用,且离子的离心力也同时存在,只有在上述两力平衡时,离子才的离心力也同时存在,只有在上述两力平衡时,离子才能飞出弯曲区。能飞出弯曲区。分辨率可达分辨率可达5000。该仪器不能对不同动能。该仪器不能对不同动能(能量能量)的离的离子实现聚焦。若要求分辨率大于子实现聚焦。若要求
24、分辨率大于5000,则需要双聚焦质,则需要双聚焦质量分析器。量分析器。仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法双聚焦质量分析器双聚焦质量分析器仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法2.四级质量分析器四级质量分析器 由四根平行的金属杆组成,理想的四杆为双由四根平行的金属杆组成,理想的四杆为双曲线,但常用的是四支圆柱形金属杆,被加速曲线,但常用的是四支圆柱形金属杆,被加速的离子束穿过对准四根极杆之间空间的准直小的离子束穿过对准四根极杆之间空间的准直小孔。孔。仪器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法四级杆质量分析器四级杆质量分析器仪
25、器分析仪器分析仪器分析仪器分析第十五章第十五章 质谱法质谱法四级质量分析器工作原理四级质量分析器工作原理:被加速的离子束穿过对准四根极杆之间空被加速的离子束穿过对准四根极杆之间空间的准直小孔,通过在四极上加上直流电压间的准直小孔,通过在四极上加上直流电压U和和射频电压射频电压Vcost,在极间形成一个射频场,正电,在极间形成一个射频场,正电极电压为极电压为UVcost,负电极为,负电极为-(UVcost)。离子进入此射频场后,会受到电场力作用,只有离子进入此射频场后,会受到电场力作用,只有合适合适m/z的离子才会通过稳定的振荡进入检测器。的离子才会通过稳定的振荡进入检测器。只要改变只要改变U和
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- 教学 课件 第十五 章质谱法 剖析
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