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1、质谱原理与方法第1页，共44页，编辑于2022年，星期二一、质谱发展史一、质谱发展史1910年，英国剑桥大学年，英国剑桥大学J.J.Thomson首先发现了氖的同首先发现了氖的同 位素（位素（20Ne 22Ne)，1934年，双聚焦质谱仪，大大提高了分辨率。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。年，世界上第一台商品化质谱仪问世，并用于石油分析。1953年，出现新型质量分析器四极滤质器。年，出现新型质量分析器四极滤质器。1955年年，脉脉冲冲飞飞行行
2、时时间间分分析析器器问问世世并并出出现现新新的的离离子子化化手手段段，火火花花离离子子源、二次离子源等。源、二次离子源等。第2页，共44页，编辑于2022年，星期二60年代以后，更多的新的离子化方法：年代以后，更多的新的离子化方法：EI，FD，CI，激光离子化，激光离子化，ICP，FAB，ESI，复杂的质谱仪推出，复杂的质谱仪推出，离子探针，三级离子探针，三级 四极四极 杆，四极杆飞行时间，磁场杆，四极杆飞行时间，磁场 四四 极，磁场飞行时间，离子极，磁场飞行时间，离子 回旋共振等，气质联回旋共振等，气质联 用用(GC-MS)。1974年年等等离离子子体体质质谱谱。1981年年快快原原子子轰轰
3、击击质质谱谱(FAB)。1988年年，多级电喷雾电离质谱多级电喷雾电离质谱(ESI-MS)，液质联用（，液质联用（LC-MS）。）。90年年代代以以后后，EPI-MS，ESI-MS MALDI-MS用用于于生生物物间间非非共共价价键作用键作用 研究，联用技术发展迅速研究，联用技术发展迅速,核磁共振质谱连用核磁共振质谱连用(NMR-MS)。第3页，共44页，编辑于2022年，星期二二、二、质谱分析原理质谱分析原理 1、质谱仪组成：、质谱仪组成：1.气体扩散气体扩散2.直接进样直接进样3.气相色谱气相色谱1.电子轰击电子轰击2.化学电离化学电离3.场致电离场致电离4.激光激光 1.单聚焦单聚焦 2
4、.双聚焦双聚焦 3.飞行时间飞行时间4.四极杆四极杆 1.电子倍增管电子倍增管 2、光电倍增管、光电倍增管 第4页，共44页，编辑于2022年，星期二2、质谱仪的特点质谱仪需要在高真空下工作：质谱仪需要在高真空下工作：离子源（离子源（10-3 10-5 Pa）质量分析器（质量分析器（10-6 Pa）(1)大量氧会烧坏离子源的灯丝；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；用作加速离子的几千伏高压会引起电；(3)引起额外的离子分子反应，改变裂引起额外的离子分子反应，改变裂 解模型，谱图复杂化。解模型，谱图复杂化。第5页，共44页，编辑于2022年，星期二3、质谱定义与特点
5、定义：质谱是在高真空系统中测定样品的分子离子及碎片定义：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：同位素、无机物、有机物、生物大分子、研究对象：同位素、无机物、有机物、生物大分子、聚合物等聚合物等质谱用途：质谱用途：1、测分子量、测分子量 2、测分子式、测分子式 3、测分子结构、测分子结构质谱优点：质谱优点：1、应用范围广泛、应用范围广泛 2、灵敏度高、灵敏度高10-15mol (UV 10-6 IR 10-8 NMR 10-5)3、信息多、信息多质谱缺点：质谱缺点：1、高真空操作、高真空
6、操作 2、需要精致的电压、电流、磁场、需要精致的电压、电流、磁场第6页，共44页，编辑于2022年，星期二三、质谱仪原理三、质谱仪原理 与结构图与结构图电离室原理与电离室原理与结构结构第7页，共44页，编辑于2022年，星期二1、离子源：（1）电子轰击源(EI)优点优点:碎片丰富碎片丰富,通过给出离子的碎裂方式可以帮助鉴定通过给出离子的碎裂方式可以帮助鉴定 化化 合物合物缺点缺点:缺少分子离子峰缺少分子离子峰加速电子加速电子 金属热丝（铼，氧化钍）金属热丝（铼，氧化钍）阳极反射极板反射极板第8页，共44页，编辑于2022年，星期二（2）化学电离源（CI）优点优点:可以产生很强的分子离子峰可以产
7、生很强的分子离子峰,又称软电离源又称软电离源第9页，共44页，编辑于2022年，星期二甲烷为反应气的化学电离源第10页，共44页，编辑于2022年，星期二（3）场解吸电离源(FD 软电离源)第11页，共44页，编辑于2022年，星期二（4）电喷雾电离源(ESI 软电离源)第12页，共44页，编辑于2022年，星期二电喷雾电离源原理第13页，共44页，编辑于2022年，星期二2、质量分析器分类扇形磁偏转分析器扇形磁偏转分析器四极杆质量分析器四极杆质量分析器离子阱（四极离子阱）分析器离子阱（四极离子阱）分析器飞行时间质谱分析器飞行时间质谱分析器离子回旋共振质谱分析器离子回旋共振质谱分析器第14页，
8、共44页，编辑于2022年，星期二（1）磁偏转分析器）磁偏转分析器在磁场存在下，带电离子直线运动改为曲线轨迹飞行；在磁场存在下，带电离子直线运动改为曲线轨迹飞行；离心力离心力=向心力；向心力；m 2/R=H0 e V曲率半径：曲率半径：R=(m )/z H0 质谱方程式：质谱方程式：m/z=(H02 R2)/2V离子在磁场中的轨道半径离子在磁场中的轨道半径R取决于：取决于：m/z、H0、V改变加速电压改变加速电压V,可以使不同可以使不同m/z 的离子进入检测器。的离子进入检测器。质谱分辨率质谱分辨率=M/M=M/M2-M1 （指仪器对质量非常接近的两（指仪器对质量非常接近的两种离子的分离能力）
9、种离子的分离能力）加速后离子的动能加速后离子的动能(直线直线运动）运动）:(1/2)m 2=e V =(2V)/(m/z)1/2第15页，共44页，编辑于2022年，星期二扇形磁偏转分析器示意图第16页，共44页，编辑于2022年，星期二（2）四极杆质量分离器第17页，共44页，编辑于2022年，星期二仪器与结构仪器与结构第18页，共44页，编辑于2022年，星期二与质谱联用仪器与质谱联用仪器仪器内部结构第19页，共44页，编辑于2022年，星期二联用仪器（联用仪器（GC/MSGC/MS）SampleSample 58901.0 DEG/MINHEWLETTPACKARDHEWLETT PAC
10、KARD5972AMass Selective DetectorDCBA A AB BC CD DGasChromatograph(GC)MassSpectrometer(MS)SeparationIdentificationB BA AC CD D第20页，共44页，编辑于2022年，星期二联用仪器（联用仪器（LC/MSLC/MS）第21页，共44页，编辑于2022年，星期二四、质谱中的各种离子四、质谱中的各种离子1、分子离子、分子离子：由失去分子中最低电离能的电子形成由失去分子中最低电离能的电子形成，用于测定分子量（单电荷分子离子用于测定分子量（单电荷分子离子m/z 等于分子量）等于分子量
11、）2、碎片离子：、碎片离子：由分子离子进一步开裂形成，由分子离子进一步开裂形成，用于测定分子结构用于测定分子结构 3、同位素离子：由同位素形成，、同位素离子：由同位素形成，用于测定分子式用于测定分子式4、准分子离子：比分子多或少一个（、准分子离子：比分子多或少一个（H、Na 或或 K）的离）的离 子，子，用于测定分子量用于测定分子量5、双电荷离子和多电荷离子：由于不同的电离原理形成，、双电荷离子和多电荷离子：由于不同的电离原理形成，用于测定大分子的分子量用于测定大分子的分子量 第22页，共44页，编辑于2022年，星期二6、亚稳离子：、亚稳离子：稳定离子稳定离子 M1 寿命寿命10-5秒，由秒
12、，由M1开裂生成开裂生成 不稳定离子不稳定离子M2 不稳定离子不稳定离子 M2 寿命寿命10-6秒，秒，亚稳离子亚稳离子 寿命寿命10-610-5秒，检测器记录的秒，检测器记录的M*叫叫 亚稳离子亚稳离子，表观质量数表观质量数M*M*=M22/M1 M*是一个小数，是一个小数，用于判断用于判断M2是否由是否由M1裂解而来裂解而来7、络合离子、络合离子 m/z 可以大于分子离子的可以大于分子离子的m/z第23页，共44页，编辑于2022年，星期二五、质谱离子形成与表示法1、电子转移的表示：、电子转移的表示：鱼钩代表鱼钩代表单个电子单个电子的转移，箭头代表的转移，箭头代表一对电子一对电子的转移。的
13、转移。第24页，共44页，编辑于2022年，星期二2、质谱离子的电荷表示方法第25页，共44页，编辑于2022年，星期二3、分子离子峰、分子离子峰1）、分子离子的稳定性）、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。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。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：有机化合物分子离子峰的稳定性顺序：芳香化合物共轭链烯烯烃脂环化合物直链芳香化合物共轭链烯烯烃脂环化合物直链烷烃酮胺酯醚酸支链烷烃醇。烷烃酮胺酯醚酸支链烷烃醇。第26页，共44页，编辑于2022年，星期二2
14、）、分子离子峰的特点：）、分子离子峰的特点：一般质谱图上质一般质谱图上质荷比最大的峰为分子荷比最大的峰为分子离子峰；有例外。离子峰；有例外。形成分子离子需要形成分子离子需要的能量最低，一般约的能量最低，一般约电子伏特。电子伏特。质谱图上质荷比最大的峰一定为分子离子峰吗？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？如何确定分子离子峰？第27页，共44页，编辑于2022年，星期二3）、确定分子离子峰的规律）、确定分子离子峰的规律 由、组成的有机化合物，由、组成的有机化合物，一定是偶数。一定是偶数。由、组成的有机化合物，奇数，由、组成的有机化合物，奇数，奇数。奇数。由、组成的有机化
15、合物，偶数，由、组成的有机化合物，偶数，偶数。偶数。分子离子峰与相邻峰的质量差必须合理。分子离子峰与相邻峰的质量差必须合理。第28页，共44页，编辑于2022年，星期二 例如：例如：CH4 M=1612C+1H4=164=16 M13C+1H4=17 4=17 M+112C+2H+1H3=17 M+113C+2H+1H3=18 M+2同同位位素素峰峰分子离子峰分子离子峰2、同位素离子峰（、同位素离子峰（M+1峰）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；有时还可以观察到时还可以观察到M+2，M+3.；第29页，共4
16、4页，编辑于2022年，星期二同位素离子峰的用途质谱法求分子式同位素离子峰的用途质谱法求分子式 同位素峰相对强度法求分子式同位素峰相对强度法求分子式1）、各种同位素在自然界的天然丰度是定值）、各种同位素在自然界的天然丰度是定值 参看参看199页、表页、表5-22）、每一种化合物的同位素强度比是定值）、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可以从理论上计算出的M+1/M值值3）、从质谱图上可以读取）、从质谱图上可以读取M+1与与M峰的强度峰的强度,从实测值进一步算出从实测值进一步算出M+1/M值值4）、所以利用同位素强度比可以测定分子式）、所以利用同位素强度比可以测定分子式第30
17、页，共44页，编辑于2022年，星期二例例1：CH3CH2OH 的分子式：的分子式：C2H6O 如果把如果把M峰的丰度作为峰的丰度作为100则则:(M+1)%=(1.1082 0.0156+0.041）2.346那么：在质谱图上那么：在质谱图上M+1强度强度/M强度强度2.346即：即：M+1/M=2.346%对应的分子式是对应的分子式是C2H6O 求分子式的过程与方法求分子式的过程与方法 略略第31页，共44页，编辑于2022年，星期二2、高分辨质谱法求分子式、高分辨质谱法求分子式1、每一种元素都有精确原子量、每一种元素都有精确原子量例如：例如：1H=1.00783 2H=2.0141 12
18、C=12.0000 13C=13.00335 14N=14.00307 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所以每一个分子式有精确的分子量例如：例如：CO=12.0000+15.99491=27.99491 N2=14.00307228.00614 C2H4=12.000021.00783428.03132 CH2N=12.0000+1.00783214.0030728.01873 如果在质谱图上给出如果在质谱图上给出28
19、.0177 应是应是CH2N具体计算方法具体计算方法 （略）（略）第32页，共44页，编辑于2022年，星期二六、质谱裂解类型（1 1）、）、裂解裂解（2 2）、）、-裂解，裂解，-裂解，裂解，-裂解裂解（4 4）、重排裂解）、重排裂解（5）、）、1烯丙基裂解烯丙基裂解（6）、苄基裂解）、苄基裂解第33页，共44页，编辑于2022年，星期二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）：方式形成各种类型离子（分子碎片）：ABCD +e-ABCD+2e-分子离子 BCD +A+B +A+CD+AB+A +B
20、+ABCD+D +C+AB +CD+C +D+碎碎片片离离子子第34页，共44页，编辑于2022年，星期二（1 1）、）、裂解裂解 一般有机化合物的电离能为一般有机化合物的电离能为713电子伏特，质谱中常用的电电子伏特，质谱中常用的电离电压为离电压为70电子伏特，使结构裂解，产生各种电子伏特，使结构裂解，产生各种“碎片碎片”离子。离子。正正己己烷烷第35页，共44页，编辑于2022年，星期二碎片离子峰实例碎片离子峰实例正癸烷正癸烷第36页，共44页，编辑于2022年，星期二断裂断裂（官能团（官能团与与碳键的开裂）碳键的开裂）CH3(CH2)9CH2NH2M=157第37页，共44页，编辑于20
21、22年，星期二2 2、断裂（官能团的断裂（官能团的与与 碳键的开裂）碳键的开裂）CH3CH2CH=CHCH2CH2CH2CH3烯烃易发生断裂第38页，共44页，编辑于2022年，星期二 断裂（官能团的碳断裂（官能团的碳与与 碳之间断裂）碳之间断裂）第39页，共44页，编辑于2022年，星期二 断裂断裂丢失丢失最大烃基的可能最大烃基的可能性最大性最大丢失最大烃基原丢失最大烃基原则则第40页，共44页，编辑于2022年，星期二第41页，共44页，编辑于2022年，星期二麦氏重排（麦氏重排（Mclafferty rearrangement)麦氏重排条件：麦氏重排条件：含有含有C=O，C=N，C=S及
22、碳碳双键及碳碳双键与双键相连的链上有与双键相连的链上有 碳，并在碳，并在 碳有碳有H原子（原子（氢）氢）六圆环过度，六圆环过度，H 转移到杂原子上，同时转移到杂原子上，同时 键发生断裂，生键发生断裂，生成一个中性分子和一个自由基阳离子成一个中性分子和一个自由基阳离子3 3、重排断裂、重排断裂第42页，共44页，编辑于2022年，星期二第43页，共44页，编辑于2022年，星期二 作业：作业：1、写出质谱仪的四大组成部分，指出最主要的部分，举例给出两个以、写出质谱仪的四大组成部分，指出最主要的部分，举例给出两个以上电离源和质量分析器。上电离源和质量分析器。2、质谱能完成的工作任务有哪些？质谱有哪些特点？、质谱能完成的工作任务有哪些？质谱有哪些特点？3、质谱中常见的离子有哪些？、质谱中常见的离子有哪些？第44页，共44页，编辑于2022年，星期二