《PPT 质谱分析.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《PPT 质谱分析.ppt（25页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、质谱分析质谱分析主讲：第一组目录目录1.1.质谱的基本原理质谱的基本原理2.2.质谱法的特点质谱法的特点3.3.仪器的基本结构仪器的基本结构4.4.用途用途质谱推断化学结构质谱推断化学结构5.5.质谱法的应用质谱法的应用1.1.质谱的基本原理质谱的基本原理质质谱谱法法是是将将样样品品离离子子化化，变变为为气气态态离离子子混混合合物物，并并按按质质荷荷比比（m/zm/z）分分离离的的分分析析技技术术;同同时时，质质谱谱仪仪是是实实现现上上述述分分离离分分析析技技术术,从从而测定物质的质量与含量及其结构的仪器。而测定物质的质量与含量及其结构的仪器。质质谱谱分分析析法法是是一一种种快快速速,有有效效
2、的的分分析析方方法法,利利用用质质谱谱仪仪可可进进行行同同位位素素分分析析,化化合合物物分分析析,气气体体成成分分分分析析以以及及金金属属和和非非金金属属固固体体样样品品的的超超纯痕量分析。纯痕量分析。2.2.质谱法的特点质谱法的特点质谱与其它分析方法相比，有以下特点：质谱与其它分析方法相比，有以下特点：(1)(1)质质谱谱法法几几乎乎是是唯唯一一能能够够确确定定有有机机化化合合物物分分子子式式的的方方法法。低低分分辨辨率率的的质质谱谱仪仪可可以以测测定定分分子子量量，高高分分辨辨率率的的质质谱谱仪仪不不仅仅可可以以得得准准确确的的分分子子量量(准准确确到到小小数数点点后后3-43-4位位)，
3、而而且且还还可可以确定分子式。以确定分子式。(2)(2)质质谱谱分分析析法法灵灵敏敏度度高高，试试样样通通常常只只需需微微克克级级，就就可可得得到到一张很好的谱图，检出限量可达一张很好的谱图，检出限量可达1010-14-14 g g 。(3)(3)此此外外，质质谱谱法法还还能能根根据据各各类类化化合合物物分分子子离离子子断断裂裂成成碎碎片片的规律，提供丰富的分子碎片信息，用于结构分析。的规律，提供丰富的分子碎片信息，用于结构分析。近近年年来来，计计算算机机在在质质谱谱上上的的应应用用，质质谱谱与与其其它它分分析析方方法法的的联联用用，如如气气相相色色谱谱质质谱谱联联用用、液液相相色色谱谱质质谱
4、谱联联用用、质质谱谱质质谱谱联联用用等等技技术术的的发发展展，使使得得质质谱谱的的应应用用更更为为广广泛泛，作作用用更更为为重重要要。使使它它在在生生命命科科学学、环环境境科科学学、药药物物检检测测等等领域中已成为必不可少的手段。领域中已成为必不可少的手段。仪器的基本结构仪器的基本结构质谱仪质谱仪化化合合物物的的质质谱谱是是由由质质谱谱仪仪测测得得的的。一一般般质质谱谱仪仪由由以以下下几几个个部分组成：部分组成：进样系统: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:使被分析样品的原子或分子离化为带电粒子(离子)的装置,并对离子进行加速使其
5、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,FAB最常用。EI(Electron Impact Ionization):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。CI(Chemical Ionization):化学电离核心是质子转移，与EI相比，在EI法中不易产生分子离子的化合物，在CI中易形成较高丰度的M+H+或M-H+等准分子离子。得到碎片少，谱图简单，但结构信息少一些。与EI法同样，样品需要汽化，对难挥发性的化合物不太适合。原理 R +e-R+2e-（
6、电子电离）反应气为含H的 R为反应气体分子 R+R RH+(R-H)分子,例如异丁 M为样品分子 RH+M R +(M+H)+(质子转移）烷,甲烷,氨气,R浓度M浓度 R+M R +M+（电 荷 交 换）甲 醇 气 等 R+M (R+M)+（加合离子）FD(Field Desorption):场解吸大部分只有一根峰,适用于难挥发极性化合物，例如糖,应用较困难，目前基本被FAB取代。最简单的质谱仪为单聚焦最简单的质谱仪为单聚焦(磁偏转磁偏转)质谱仪。它质谱仪。它的结构的结构如下如下整整个个系系统统是是高高真真空空的的，气气体体样样品品从从进进样样口口a a进进入入离离解解室室，样样品品分分子子被
7、被一一束束高高能能量量的的电电子子撞撞击击，结结果果使使样样品品分分子子发发生生各各种种反反应应。首首先先是是样样品品分分子子中中的的一一个个电电子子被被击击出出，形形成成带带正正电电荷荷的的自自由由基基分分子子离离子。子。以甲烷为例：以甲烷为例：该该分分子子离离子子可可继继续续反反应应形形成成碎碎片片离离子子，碎碎片片离离子子可可进进一一步步分分裂裂成成新新的的碎碎片片离离子子。这这样样，一一个个化化合合物物在在离离子子室室中中可可以以产产生生若若干干个个质质荷比不同的离子，如甲烷荷比不同的离子，如甲烷这这些些离离子子进进入入一一个个具具有有几几千千伏伏电电压压的的加加速速区区c c，加加速
8、速后后通通过过狭狭缝缝d d进进入入磁磁场场f f。质质量量为为m m的的离离子子经经电电场场加加速速后后获获得得的的动动能能来来源源于于加加速速电场的势能，即：电场的势能，即：zVzV=m m 2 2/2/2而在磁场中，离子运动方向发生而在磁场中，离子运动方向发生改变，进行圆周运动。这时，改变，进行圆周运动。这时，只有磁场施加给离子的向心只有磁场施加给离子的向心力力(Hz(Hz)与离子的离心与离子的离心力力(m(m 2 2/r/r)相等，才能达到相等，才能达到分析器的出口，被检测到分析器的出口，被检测到。合并上述两式，消去速度合并上述两式，消去速度，可得到公式：，可得到公式：M:M:质量质量
9、 Z:Z:电荷电荷 V:V:加速电压加速电压 R:R:磁场半径磁场半径 H:H:磁场强度磁场强度这这是是质质谱谱的的基基本本方方程程。m/zm/z称称为为质质荷荷比比，由由公公式式可可知知，当当仪仪器器的的加加速速电电压压(V)(V)和和磁磁场场强强度度(H)(H)一一定定时时，只只有有半半径径为为r r的的离离子子才才能能达达到到分析器的出口，被检测器检测出来。分析器的出口，被检测器检测出来。反反过过来来，如如果果固固定定加加速速电电压压V V和和离离子子运运动动半半径径r r，对对磁磁场场进进行行扫扫描描，由由于于m/zm/z与与H H2 2成成正正比比，当当H H由由小小到到大大改改变变
10、时时，不不同同质质荷荷比比的的离离子子就就会会由由小小到到大大，依依次次穿穿过过狭狭缝缝q q，被被检检测测器器i i依依次次接接收收，从从而而得得到到所有所有m/zm/z离子的质谱图。离子的质谱图。质谱图质谱图一一般般的的质质谱谱图图用用棒棒状状图图表表示示，其其横横坐坐标标为为不不同同离离子子的的m/zm/z ，纵纵坐坐标标为为各各峰峰的的相相对对强强度度。图图为为甲甲烷烷的的质质谱谱图图在在不不同同的的m/zm/z处处，有有强强度度不不同同的的峰峰，最最高高的的峰峰称称为为基基峰峰，把把它它的的强强度度定定为为100100，其其它它峰峰高高相相对对于于它它的的百百分分数数为为各各峰峰的的
11、相相对对强强度度。峰峰的的相相对对强强度度表表示示不不同同质质荷荷比比离离子子的的相相对含量。对含量。质谱的表示法及解析质谱的表示法及解析 谱图法：横坐标代表质量数,纵坐标代表峰强度,是该质量离子的多寡的表示.常用,直观,但不太细致.还分为连续谱和棒状图两种，一般EI棒图多,ESI连续谱多。质量色谱图/Mass chromatogram和 质量色谱法/Mass chromatography(MC)又叫提取离子色谱图/extract ion chromatography：是质谱法处理数据的一种方式。在GC/MS或LC/MS中，选定一定的质量扫描范围，按一定的时间间隔测定质谱数据并将其保存在计算机
12、中。然后可以用各种办法调出质谱数据。如果要观察特定质量与时间的关系，可以指定这个质量，计算机将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。这种方法叫做质量色谱法。得到的图叫做质量色谱图或提取离子色谱图。相对分子质量和分子式的确定相对分子质量和分子式的确定一、分子离子和相对分子质量一、分子离子和相对分子质量分分子子失失去去一一个个电电子子生生成成的的自自由由基基分分子子正正离离子子叫叫做做分分子子离离子子。因因它它只只带带一一个个正正电电荷荷，质质荷荷比比(m/zm/z)在在数数值值上上与与分分子子的的质质量量相相同同，因因此此，在在质质谱谱中中，找找到到分分子子离离子子峰
13、峰就就可可确确定定相相对对分分子子质质量量。这这是是质质谱谱的的重重要要应应用用之之一一。它它比比用用其其它它方方法法，如如冰冰点点降降低低、沸沸点点升升高高法法测测定定相对分子质量简单得多。相对分子质量简单得多。分分子子离离子子峰峰一一般般是是质质谱谱图图中中质质荷荷比比最最大大的的峰峰。但但多多数数情情况况下下其其右右侧侧还还伴伴随随有有弱弱的的同同位位素素峰峰和和反反应应离离子子峰峰。有有些些化化合合物物的的分分子子离离子子比比较较稳稳定定，峰峰的的强强度度较较大大，在在质质谱谱图图谱谱上上容容易易找找到到；但但有有些些化化合合物物的的分分子子离离子子不不够够稳稳定定，容容易易生生成成碎
14、碎片片，此此时时，这这些些分分子子离离子子峰峰很很弱弱或或几几乎乎找找不不到到(如如带带支支链链的的烷烷烃烃、醇醇类类等等)。这这时时，可可采采用用降降低低质质谱谱仪仪撞撞击击电电子子流流的的能能量量的的方方法法，或或以以其其它它经经验验方方法法来来确确定定分分子离子峰。子离子峰。二、分子式的确定二、分子式的确定确确定定了了相相对对分分子子量量，并并不不能能写写出出分分子子式式，因因为为多多种种分分子子可可能能具具有有相同的分子量。那么，如何确定分子式呢？常用的有两种方法。相同的分子量。那么，如何确定分子式呢？常用的有两种方法。1.1.高分辨率质谱法测定分子式高分辨率质谱法测定分子式利利用用高
15、高分分辨辨率率质质谱谱仪仪测测定定分分子子式式的的依依据据是是，当当规规定定1212C C的的原原子子质质量量为为12.000 12.000 000000时时，其其它它各各元元素素的的原原子子质质量量严严格格地地讲讲都都不不是是整整数数。如如：1 1H H：1.007 1.007 825825，1616O O：45.994 45.994 914914，1414N N：14.003 14.003 050050。因因此此，即即便便是是有有的的化化合合物物分分子子在在整整数数部部分分是是相相同同的的，但但其其在在小小数数部部分分绝绝对对不不会会相同。相同。因因此此，只只要要能能足足够够精精确确地地测
16、测出出分分子子量量，就就能能推推断断出出分分子子式式。现现代代高高分分辨辨率率质质谱谱已已能能精精确确到到万万分分之之一一，误误差差仅仅为为0.0060.006。能能够够符符合合这这一一精精度度的的，可可能能的的分分子子式式数数目目已已经经很很少少了了。若若再再配配合合其其它它信信息息，就可从这少数的几个分子式中推断出合理的分子式。就可从这少数的几个分子式中推断出合理的分子式。2.2.同位素丰度法推断分子式同位素丰度法推断分子式在在自自然然界界中中，组组成成有有机机化化合合物物的的各各种种元元素素按按其其同同位位素素特特征征可可分分为为三类：三类：A A类类元元素素：不不含含同同位位素素的的元
17、元素素，如如I I、F F、P P等等，氢氢的的同同位位素素D D含含量量很少很少(0.016%)(0.016%)，常可以忽略不计，也归为，常可以忽略不计，也归为A A类元素。类元素。A A1 1类类元元素素：C C、N N的的同同位位素素比比普普通通的的多多一一个个中中子子，质质量量数数多多1 1，称为称为A A1 1类元素。类元素。A A2 2类元素：类元素：O O、S S、Si Si、BrBr除了含质量数多除了含质量数多2 2的同位素外，的同位素外，在质谱图中，同位素离子峰的强度取决于三个因素：在质谱图中，同位素离子峰的强度取决于三个因素：(1)(1)分子式，即分子由什么元素组成。分子式
18、，即分子由什么元素组成。(2)(2)分子中具有同位素的原子的个数。分子中具有同位素的原子的个数。(3)(3)同位素的天然丰度。同位素的天然丰度。推断化学物的结构推断化学物的结构了了解解了了化化合合物物分分裂裂规规律律，就就可可根根据据获获得得的的质质谱谱推推断断化化合合物物的结构。的结构。例例如如：有有一一羰羰基基化化合合物物经经验验式式为为C C6 6H H1212O O，质质谱谱如如下下，试试推推断其结构。断其结构。解解：分分子子式式为为C C6 6H H1212O O的的分分子子质质量量正正好好为为100100，说说明明m/z m/z 100100为为分分子子离离子子峰峰，观观察察图图中
19、中有有主主要要峰峰有有m/z m/z 8585、7272、5757、4343等等。通通过过分分析析可可知知，m/z m/z 8585为为M-15M-15的的碎碎片片，它它是是由由分分子子离离子子去去掉掉甲甲基基产产生生的的。m/z m/z 4343为为M-57M-57，它它是是分分子子离离子子去去掉掉C C4 4H H9 9的的碎碎片片。m/z m/z 5757可可能能为为C C4 4H H9 9+的的碎碎片片，它它可可看看做做是是M-15-M-15-2828的碎片，即分子离子先脱去甲基，再脱去的碎片，即分子离子先脱去甲基，再脱去COCO产生的。产生的。(1)确定分子离子,即确定分子量氮规则:
20、含偶数个氮原子的奇电子离子,其质量数是偶数,含奇数个氮原子的奇电子离子,其质量数是奇数。与高质量碎片离子有合理的质量差,凡质量差在314和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低分辨,利用元素的同位素丰度,元素按同位素丰度可分三大类:A;A+1;A+2;A+2元素是容易识别的,参见元素的同位素丰度表。计算时注意:用最高质量数,如果太弱则用强的不受其他峰干扰的碎片峰。元素原子个数多于1的,由同位素丰度计算出各种元素的原子数,若同时含A+1和A+2元素,则A+2元素的A-1峰会对A+1元素峰有贡献,应扣除。一定质量范围内,元素组成是有限的,不是任意
21、组合的。例如CH之比,最高CnH2n+2最低通常1/2n,除甲酸CH2O2草酸C2H2O4极个别小分子,O一般与C数相等,N规则:M若奇数,必含N且含奇数个N,M若偶数,不含N或含偶数个N,18不可能是CH6。(3)峰强度与结构的关系 丰度大反映离子结构稳定,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,这同有机化学基本一致,总是在分子最薄弱的地方断裂。三三.有机质谱的特点与应用有机质谱的特点与应用 1.优点:(1)定分子量准确,其它技术无法比。2)灵敏度高,常规10-710-8g,单离子检测可达10-12g。(3)快速,几
22、分甚至几秒。(4)便于混合物分析,GC/MS,LC/MS,MS/MS对于难分离的混合物特别有效,如药物代谢产物,中草药中微量有效成分的鉴定等,其它技术无法胜任。(5)多功能,广泛适用于各类化合物。X-RAY要求好的结晶,NMR要溶。局限性:(1)异构体,立体化学方面区分能力差。(2)重复性稍差,要严格控制操作条件。所以不能象低场NMR,IR等自己动手,须专人操作(3)有离子源产生的记忆效应,污染等问题。(4)价格昂贵,操作复杂。所以与其他分析方法配合,能发挥更大作用,可以先做一下质谱,提供指导信息,如结构类型,纯度等。3.3.应用应用1)有机化工 a.合成中原料及产品杂质分析LC/MS b.中
23、间步骤监测 c.反应机理的研究(2)石油 (3)环保 样品还需进行前处理，并非全都能直接进入质谱 a.农药残毒检测 b.大气污染 c.水分析 d.特定成分定量测定,单离子和多离子检测,灵敏度可达10-12g,借助于内标或标定曲线,可定量,在痕量分析中非常有用。(4)食品、香料 a.酒：判断真酒假酒,有无害,GC/MS是唯一客观准确的。b.化妆品中除基料外,香料起关键性作用,通过MS,找出天然产物中有效成分后合成。(5)生化、医药 a.蛋白质,多肽研究,前沿生命科学,FAB,ESI等,可测几十万分子量的生物大分子，定氨基酸序列,十几个肽,比氨基酸分析仪快且准。b.天然产物,这也是最重要的内容之一,例如生物合成研究室拿到一个样品,据NMR推出的结构与MS图不符,元素分析也对不上号,从MS上看到有S元素,而元素分析未做S,故不对,NMR因其他干扰,所以H数也不对,碳谱少一个C，后来根据MS，重新换了NMR溶剂，才使C数吻合，用计算机检索标准MS谱库,得到正确的结构式。还有一个例子，植物化学研究室提取出一新化合物，质谱上有很强的72峰，表示含有氮甲基，而从核磁上看不到，只根据NMR定出了错误的结构，后来因为质谱显示出的无法否定的证据，将此化合物重新进行碱化处理，再做NMR，才与质谱吻合，定出了正确的结构。(6)法医、毒化 体液,代谢物等,兴奋剂检测,质谱图是必要的证据之一。