1、第十二章質譜分析法第十二章質譜分析法mass spectrometry，MS教學目標及要求教學目標及要求了解質譜法基本原理；了解質譜法基本原理；了解雙聚焦質譜儀、飛行時間質譜計及四極質譜計的構了解雙聚焦質譜儀、飛行時間質譜計及四極質譜計的構造工作原理；造工作原理；了解質譜定性分析及圖譜解析；了解質譜定性分析及圖譜解析；了解氣一質聯用的原理；了解氣一質聯用的原理；了解質譜分析的應用。了解質譜分析的應用。教學重點、教學難點教學重點、教學難點質譜法原理及質譜儀主要部件功能。質譜法原理及質譜儀主要部件功能。質譜定性分析及圖譜解析、定量分析方法。質譜定性分析及圖譜解析、定量分析方法。v12.1概述概述

2、v 質譜分析法是通過對被測樣品質譜分析法是通過對被測樣品離子的質荷比離子的質荷比的測定來進的測定來進行分析的一種分析方法。被分析的樣品首先要離子化，然后行分析的一種分析方法。被分析的樣品首先要離子化，然后利用不同離子在電場或磁場的運動行為的不同，把離子按質利用不同離子在電場或磁場的運動行為的不同，把離子按質荷比（荷比（m/z）分開而得到質譜，通過樣品的質譜和相關信息，）分開而得到質譜，通過樣品的質譜和相關信息，可以得到樣品的定性定量結果。可以得到樣品的定性定量結果。從從J.J. Thomson制成第一臺質譜儀，到現在已有近制成第一臺質譜儀，到現在已有近90年年了，早期的質譜儀主要是用來進行同位

3、素測定和無機元素分了，早期的質譜儀主要是用來進行同位素測定和無機元素分析，二十世紀四十年代以后開始用于有機物分析，六十年代析，二十世紀四十年代以后開始用于有機物分析，六十年代出現了氣相色譜出現了氣相色譜-質譜聯用儀，使質譜儀的應用領域大大擴質譜聯用儀，使質譜儀的應用領域大大擴展，開始成為有機物分析的重要儀器。計算機的應用又使質展，開始成為有機物分析的重要儀器。計算機的應用又使質譜分析法發生了飛躍變化，使其技術更加成熟，使用更加方譜分析法發生了飛躍變化，使其技術更加成熟，使用更加方便。便。v 八十年代以后又出現了一些新的質譜技術，如八十年代以后又出現了一些新的質譜技術，如快原子轟擊電離子源，基質

4、輔助激光解吸電離源，快原子轟擊電離子源，基質輔助激光解吸電離源，電噴霧電離源，大氣壓化學電離源，以及隨之而來電噴霧電離源，大氣壓化學電離源，以及隨之而來的比較成熟的液相色譜的比較成熟的液相色譜-質譜聯用儀，感應耦合等離質譜聯用儀，感應耦合等離子體質譜儀，富立葉變換質譜儀等。這些新的電離子體質譜儀，富立葉變換質譜儀等。這些新的電離技術和新的質譜儀使質譜分析又取得了長足進展。技術和新的質譜儀使質譜分析又取得了長足進展。目前質譜分析法已廣泛地應用于化學、化工、材料、目前質譜分析法已廣泛地應用于化學、化工、材料、環境、地質、能源、藥物、刑偵、生命科學、運動環境、地質、能源、藥物、刑偵、生命科學、運動醫

5、學等各個領域。醫學等各個領域。質譜儀與質譜分析原理質譜儀與質譜分析原理mass spectrometer and mass spectrometry進樣系統進樣系統離子源離子源質量分析器質量分析器檢測器檢測器1.氣體擴散氣體擴散2.直接進樣直接進樣3.氣相色譜氣相色譜1.電子轟擊電子轟擊2.化學電離化學電離3.場致電離場致電離4.激光激光 1.單聚焦單聚焦 2.雙聚焦雙聚焦 3.飛行時間飛行時間4.四極桿四極桿 質譜儀需要在高真空下工作：質譜儀需要在高真空下工作：離子源（離子源（10-3 10 -5 Pa ） 質量分析器（質量分析器（10 -6 Pa ）(1)大量氧會燒壞離子源的燈絲；大量氧會

6、燒壞離子源的燈絲；(2)用作加速離子的幾千伏高壓會引起放電；用作加速離子的幾千伏高壓會引起放電；(3)引起額外的離子分子反應，改變裂解模型，譜圖復雜化。引起額外的離子分子反應，改變裂解模型，譜圖復雜化。v質譜儀種類非常多，工作原理和應用范圍也有很大的不同。質譜儀種類非常多，工作原理和應用范圍也有很大的不同。從應用角度，質譜儀可以分為下面幾類：從應用角度，質譜儀可以分為下面幾類： v有機質譜儀：有機質譜儀：由于應用特點不同又分為：由于應用特點不同又分為：v 氣相色譜氣相色譜-質譜聯用儀（質譜聯用儀（GC-MS）。）。在這類儀器中，由于在這類儀器中，由于質譜儀工作原理不同，又有氣相色譜質譜儀工作原

7、理不同，又有氣相色譜-四極質譜儀，氣相色四極質譜儀，氣相色譜譜-飛行時間質譜儀，氣相色譜飛行時間質譜儀，氣相色譜-離子阱質譜儀等。離子阱質譜儀等。v 液相色譜液相色譜-質譜聯用儀（質譜聯用儀（LC-MS）。）。同樣，有液相色譜同樣，有液相色譜-四四器極質譜儀，液相色譜器極質譜儀，液相色譜-離子阱質譜儀，液相色譜離子阱質譜儀，液相色譜-飛行時間飛行時間質譜儀，以及各種各樣的液相色譜質譜儀，以及各種各樣的液相色譜-質譜質譜-質譜聯用儀。質譜聯用儀。v 其他有機質譜儀，主要有：其他有機質譜儀，主要有： 基質輔助激光解吸飛行時間基質輔助激光解吸飛行時間質譜儀（質譜儀（MALDI-TOFMS） 傅里葉變

8、換質譜儀（傅里葉變換質譜儀（FT-MS）v無機質譜儀，包括：無機質譜儀，包括：v 火花源雙聚焦質譜儀?；鸹ㄔ措p聚焦質譜儀。 v感應耦合等離子體質譜儀（感應耦合等離子體質譜儀（ICP-MS）。）。 v二次離子質譜儀（二次離子質譜儀（SIMS） 同位素質譜儀。同位素質譜儀。v 氣體分析質譜儀。氣體分析質譜儀。v主要有呼氣質譜儀，氦質譜檢漏儀等。主要有呼氣質譜儀，氦質譜檢漏儀等。v以上的分類并不十分嚴謹。因為有些儀器帶有不同附件，具以上的分類并不十分嚴謹。因為有些儀器帶有不同附件，具有不同功能。例如，一臺氣相色譜有不同功能。例如，一臺氣相色譜-雙聚焦質譜儀，如果改雙聚焦質譜儀，如果改用快原子轟擊電離

9、源，就不再是氣相色譜用快原子轟擊電離源，就不再是氣相色譜-質譜聯用儀，而質譜聯用儀，而稱為快原子轟擊質譜儀（稱為快原子轟擊質譜儀（FAB MS）。）。v另外，有的質譜儀既可以和氣相色譜相連，又可以和液相色另外，有的質譜儀既可以和氣相色譜相連，又可以和液相色譜相連，因此也不好歸于某一類。在以上各類質譜儀中，數譜相連，因此也不好歸于某一類。在以上各類質譜儀中，數量最多，用途最廣的是有機質譜儀。因此，本章主要介紹的量最多，用途最廣的是有機質譜儀。因此，本章主要介紹的是是有機質譜分析方法。有機質譜分析方法。v除上述分類外，還可以從質譜儀所用的質量分析器的不同，除上述分類外，還可以從質譜儀所用的質量分析

10、器的不同，把質譜儀分為把質譜儀分為雙聚焦質譜儀，四極桿質譜儀，飛行時間質譜雙聚焦質譜儀，四極桿質譜儀，飛行時間質譜儀，離子阱質譜儀，傅立葉變換質譜儀等。儀，離子阱質譜儀，傅立葉變換質譜儀等。v12.2.1一般質譜儀結構與工作原理一般質譜儀結構與工作原理v 質譜分析法主要是通過對樣品的質譜分析法主要是通過對樣品的離子的質荷比的分析離子的質荷比的分析而而實現對樣品進行定性和定量的一種方法。因此，質譜儀都實現對樣品進行定性和定量的一種方法。因此，質譜儀都必必須有電離裝置須有電離裝置把樣品電離為離子，把樣品電離為離子，有質量分析裝置有質量分析裝置把不同質把不同質荷比的離子分開荷比的離子分開,經經檢測器

11、檢測檢測器檢測之后可以得到樣品的質譜圖，之后可以得到樣品的質譜圖，由于有機樣品由于有機樣品,無機樣品和同位素樣品等具有不同形態、性質無機樣品和同位素樣品等具有不同形態、性質和不同的分析要求和不同的分析要求,所以，所用的電離裝置、質量分析裝置和所以，所用的電離裝置、質量分析裝置和檢測裝置有所不同。但是，不管是哪種類型的質譜儀，其基檢測裝置有所不同。但是，不管是哪種類型的質譜儀，其基本組成是相同的。本組成是相同的。都包括離子源、質量分析器、檢測器和真都包括離子源、質量分析器、檢測器和真空系統?？障到y。本節主要介紹有機質譜儀的基本結構和工作原理。本節主要介紹有機質譜儀的基本結構和工作原理。12.2.

12、1.1 離子源（離子源（Ion source）離子源的作用離子源的作用是將欲分析樣品電離，得到帶有樣品信息的離子是將欲分析樣品電離，得到帶有樣品信息的離子質譜儀的離子源種類很多，現將主要的離子源介紹如下。質譜儀的離子源種類很多，現將主要的離子源介紹如下。電子電離源電子電離源(Electron Ionization EI) v電子電離源又稱電子電離源又稱EI源，源，是應用最為廣泛的離子源，它主要用是應用最為廣泛的離子源，它主要用于揮發性樣品的電離。圖于揮發性樣品的電離。圖12.1是電子電離源的原理圖，由是電子電離源的原理圖，由GC或直接進樣桿進入的樣品，以氣體形式進入離子源，由或直接進樣桿進入的

13、樣品，以氣體形式進入離子源，由燈絲燈絲F發出的電子與樣品分子發生碰撞使樣品分子電離。一發出的電子與樣品分子發生碰撞使樣品分子電離。一般情況下般情況下,燈絲燈絲F與接收極與接收極T之間的電壓為之間的電壓為70伏伏,所有的標準質所有的標準質譜圖都是在譜圖都是在70ev下做出的。在下做出的。在70ev電子碰撞作用下電子碰撞作用下,有機物分有機物分子可能被打掉一個電子形成子可能被打掉一個電子形成分子離子，分子離子，也可能會發生化學鍵也可能會發生化學鍵的斷裂形成的斷裂形成碎片離子。碎片離子。由由分子離子可以確定化合物分子量分子離子可以確定化合物分子量,由碎片離子可以得到化合物的結構。由碎片離子可以得到化

14、合物的結構。v對于一些不穩定的化合物對于一些不穩定的化合物,在在70ev的電子轟擊下很難得到分子的電子轟擊下很難得到分子離子。為了得到分子量，可以采用離子。為了得到分子量，可以采用10- 20ev的電子能量，不過的電子能量，不過此時儀器靈敏度將大大降低，需要加大樣品的進樣量。而且，此時儀器靈敏度將大大降低，需要加大樣品的進樣量。而且，得到的質譜圖不再是標準質譜圖。得到的質譜圖不再是標準質譜圖。 v離子源中進行的電離過程是很復雜的過程，有專門的理論對這離子源中進行的電離過程是很復雜的過程，有專門的理論對這些過程進行解釋和描述。在電子轟擊下，樣品分子可能有四種些過程進行解釋和描述。在電子轟擊下，樣

15、品分子可能有四種不同途徑形成離子：不同途徑形成離子：1. 樣品分子被打掉一個電子形成分子離子。樣品分子被打掉一個電子形成分子離子。 2. 分子離子進一步發生化學鍵斷裂形成碎片離子。分子離子進一步發生化學鍵斷裂形成碎片離子。3. 分子離子分子離子發生結構重排形成重排離子。發生結構重排形成重排離子。4. 通過分子離子反應生成加合離通過分子離子反應生成加合離子。子。v此外，還有同位素離子。這樣，一個樣品分子可以產生很此外，還有同位素離子。這樣，一個樣品分子可以產生很多帶有結構信息的離子，對這些離子進行質量分析和檢測，多帶有結構信息的離子，對這些離子進行質量分析和檢測，可以得到具有樣品信息的質譜圖。可

16、以得到具有樣品信息的質譜圖。v電子電離源主要電子電離源主要適用于易揮發有機樣品的電離，適用于易揮發有機樣品的電離，GC-MS聯用儀中都有這種離子源。其優點是工作穩定可靠，結構信聯用儀中都有這種離子源。其優點是工作穩定可靠，結構信息豐富，有標準質譜圖可以檢索。缺點是只適用于易汽化的息豐富，有標準質譜圖可以檢索。缺點是只適用于易汽化的有機物樣品分析，并且，對有些化合物得不到分子離子。有機物樣品分析，并且，對有些化合物得不到分子離子。EI 源的特點：源的特點：H電離效率高電離效率高,靈敏度高；靈敏度高；H應用最廣，標準質譜圖基本都是采用應用最廣，標準質譜圖基本都是采用EI源得到的；源得到的；H穩定，

17、操作方便，電子流強度可精密控制；穩定，操作方便，電子流強度可精密控制；H結構簡單，控溫方便結構簡單，控溫方便；EI源：源：可變的離子化能量可變的離子化能量 (10240eV) 對于易電離的物質降低電子能量，而對于難電離的物質對于易電離的物質降低電子能量，而對于難電離的物質則加大電子能量（則加大電子能量（ 常用常用70eV ）。）。電子能量電子能量 電子能量電子能量 分子離子增加分子離子增加碎片離子增加碎片離子增加質譜圖上質荷比最大的峰一定為分子離子峰嗎？質譜圖上質荷比最大的峰一定為分子離子峰嗎？如何確定分子離子峰？如何確定分子離子峰？2. 化學電離源化學電離源(Chemical Ionizat

18、ion , CI ) v 有些化合物穩定性差，用有些化合物穩定性差，用EI方式不易得到分子離子方式不易得到分子離子,因因而也就得不到分子量。為了得到分子量可以采用而也就得不到分子量。為了得到分子量可以采用CI電離方式。電離方式。CI和和EI在結構上沒有多大差別?；蛘哒f主體部件是共用的。在結構上沒有多大差別。或者說主體部件是共用的。其主要差別是其主要差別是CI源工作過程中要引進一種反應氣體。反應氣源工作過程中要引進一種反應氣體。反應氣體可以是甲烷、異丁烷、氨等。反應氣的量比樣品氣要大得體可以是甲烷、異丁烷、氨等。反應氣的量比樣品氣要大得多。燈絲發出的電子首先將反應氣電離，然后反應氣離子與多。燈絲

19、發出的電子首先將反應氣電離，然后反應氣離子與樣品分子進行離子樣品分子進行離子-分子反應，并使樣品氣電離?，F以甲烷分子反應，并使樣品氣電離?，F以甲烷作為反應氣，說明化學電離的過程。作為反應氣，說明化學電離的過程。 v在電子轟擊下，甲烷首先被電離在電子轟擊下，甲烷首先被電離:vCH4+e CH4+ + CH3+ + CH2+ + CH+ C+ + H2+ H+ne-v甲烷離子與分子進行反應，生成加合離子：甲烷離子與分子進行反應，生成加合離子：vCH4+ + CH4 CH5+ + CH3vCH3+ + CH4 C2H5+ + H2v加合離子與樣品分子反應：加合離子與樣品分子反應：vCH5+ + XH

20、 XH2+ + CH4vC2H5+ + XH X+ +C2H6v生成的生成的XH2+ 和和 X+ 比樣品分子比樣品分子XH多一個多一個H或少一個或少一個H，可表示，可表示為為(M 1)，稱為，稱為準分子離子準分子離子。事實上，以甲烷作為反應氣，除。事實上，以甲烷作為反應氣，除(M+1)+之外，還可能出現之外，還可能出現(M+17)+，(M+29)+ 等離子，同時還等離子，同時還出現大量的碎片離子。化學電離源是一種軟電離方式，有些用出現大量的碎片離子。化學電離源是一種軟電離方式，有些用EI方式得不到分子離子的樣品，改用方式得不到分子離子的樣品，改用CI后可以得到準分子離子，后可以得到準分子離子，

21、因而可以求得分子量。對于含有很強的吸電子基團的化合物，因而可以求得分子量。對于含有很強的吸電子基團的化合物，檢測負離子的靈敏度遠高于正離子的靈敏度，因此，檢測負離子的靈敏度遠高于正離子的靈敏度，因此，CI源一般源一般都有正都有正CI和負和負CI，可以根據樣品情況進行選擇。，可以根據樣品情況進行選擇。v由于由于CI得到的質譜不是標準質譜，所以不能進行庫檢索。得到的質譜不是標準質譜，所以不能進行庫檢索。 EI和和CI源主要用于氣相色譜源主要用于氣相色譜-質譜聯用儀，適用于易汽化的有機質譜聯用儀，適用于易汽化的有機物樣品分析。物樣品分析。 3.快原子轟擊源（快原子轟擊源（Fast Atomic bo

22、mbardment, FAB）v是另一種常用的離子源，它主要是另一種常用的離子源，它主要用于極性強、分子量大的樣品用于極性強、分子量大的樣品分析。分析。其工作原理如圖其工作原理如圖12.2所示：所示：v氬氣在電離室依靠放電產生氬離子，高能氬離子經電荷交換氬氣在電離室依靠放電產生氬離子，高能氬離子經電荷交換得到高能氬原子流，氬原子打在樣品上產生樣品離子。樣品得到高能氬原子流，氬原子打在樣品上產生樣品離子。樣品置于涂有底物（如甘油）的靶上。靶材為銅，原子氬打在樣置于涂有底物（如甘油）的靶上。靶材為銅，原子氬打在樣品上使其電離后進入真空，并在電場作用下進入分析器。電品上使其電離后進入真空，并在電場作

23、用下進入分析器。電離過程中不必加熱氣化，因此適合于分析離過程中不必加熱氣化，因此適合于分析大分子量、難氣化、大分子量、難氣化、熱穩定性差的樣品。熱穩定性差的樣品。例如肽類、低聚糖、天然抗生素、有機例如肽類、低聚糖、天然抗生素、有機金屬絡合物等。金屬絡合物等。FAB源得到的質譜不僅有較強的準分子離子源得到的質譜不僅有較強的準分子離子峰，而且有較豐富的結構信息。但是，它與峰，而且有較豐富的結構信息。但是，它與EI源得到的質譜源得到的質譜圖很不相同。其一是它的分子量信息不是分子離子峰圖很不相同。其一是它的分子量信息不是分子離子峰M，而，而往往是（往往是（M+H）+或（或（M+Na）+等準分子離子峰；

24、其二是碎等準分子離子峰；其二是碎片峰比片峰比EI譜要少。譜要少。FAB源主要用于磁式雙聚焦質譜儀。源主要用于磁式雙聚焦質譜儀。v4電噴霧源電噴霧源(Electron spray Ionization，ESI)vESI是近年來出現的一種新的電離方式。它主要是近年來出現的一種新的電離方式。它主要應用于液相應用于液相色譜色譜-質譜聯用儀。質譜聯用儀。它既作為液相色譜和質譜儀之間的接口它既作為液相色譜和質譜儀之間的接口裝置，同時又是電離裝置。它的主要部件是一個多層套管組裝置，同時又是電離裝置。它的主要部件是一個多層套管組成的電噴霧噴咀。最內層是液相色譜流出物，外層是噴射氣，成的電噴霧噴咀。最內層是液相

25、色譜流出物，外層是噴射氣，噴射氣常采用大流量的氮氣，其作用是使噴出的液體容易分噴射氣常采用大流量的氮氣，其作用是使噴出的液體容易分散成微滴。另外，在噴嘴的斜前方還有一個補助氣噴咀，補散成微滴。另外，在噴嘴的斜前方還有一個補助氣噴咀，補助氣的作用是使微滴的溶劑快速蒸發。在微滴蒸發過程中表助氣的作用是使微滴的溶劑快速蒸發。在微滴蒸發過程中表面電荷密度逐漸增大，當增大到某個臨界值時，離子就可以面電荷密度逐漸增大，當增大到某個臨界值時，離子就可以從表面蒸發出來。離子產生后，借助于噴咀與錐孔之間的電從表面蒸發出來。離子產生后，借助于噴咀與錐孔之間的電壓，穿過取樣孔進入分析器（見圖壓，穿過取樣孔進入分析器

26、（見圖12.3）。）。v加到噴嘴上的電壓可以是正，也可以是負。通過調節極性，加到噴嘴上的電壓可以是正，也可以是負。通過調節極性，可以得到正或負離子的質譜。其中值得一提的是電噴霧噴嘴可以得到正或負離子的質譜。其中值得一提的是電噴霧噴嘴的角度，如果噴嘴正對取樣孔，則取樣孔易堵塞。因此，有的角度，如果噴嘴正對取樣孔，則取樣孔易堵塞。因此，有的電噴霧噴嘴設計成噴射方向與取樣孔不在一條線上，而錯的電噴霧噴嘴設計成噴射方向與取樣孔不在一條線上，而錯開一定角度。這樣溶劑霧滴不會直接噴到取樣孔上，使取樣開一定角度。這樣溶劑霧滴不會直接噴到取樣孔上，使取樣孔比較干凈，不易堵塞。產生的離子靠電場的作用引入取樣孔比

27、較干凈，不易堵塞。產生的離子靠電場的作用引入取樣孔，進入分析器?？祝M入分析器。 v電噴霧電離源是一種軟電離方式，即便是分子量大，穩定性電噴霧電離源是一種軟電離方式，即便是分子量大，穩定性差的化合物，也不會在電離過程中發生分解，它適合于分析差的化合物，也不會在電離過程中發生分解，它適合于分析極性強的大分子有機化合物，如蛋白質、肽、糖等。電噴霧極性強的大分子有機化合物，如蛋白質、肽、糖等。電噴霧電離源的最大特點是容易形成多電荷離子。這樣，一個分子電離源的最大特點是容易形成多電荷離子。這樣，一個分子量為量為10000Da的分子若帶有的分子若帶有10個電荷，則其質荷比只有個電荷，則其質荷比只有100

28、0Da，進入了一般質譜儀可以分析的范圍之內。根據這，進入了一般質譜儀可以分析的范圍之內。根據這一特點，目前采用電噴霧電離，可以測量分子量在一特點，目前采用電噴霧電離，可以測量分子量在300000Da以上的蛋白質。圖以上的蛋白質。圖9.4是由電噴霧電離源得到的肌是由電噴霧電離源得到的肌紅蛋白的質譜圖：紅蛋白的質譜圖： v5大氣壓化學電離源大氣壓化學電離源(Atmospheric pressure chemical Ionization, APCI)v它的結構與電噴霧源大致相同，不同之處在于它的結構與電噴霧源大致相同，不同之處在于APCI噴咀噴咀的下游放置一個針狀放電電極，通過放電電極的高壓放電，

29、的下游放置一個針狀放電電極，通過放電電極的高壓放電，使空氣中某些中性分子電離，產生使空氣中某些中性分子電離，產生H3O+，N2+，O2+ 和和O+ 等等離子，溶劑分子也會被電離，這些離子與分析物分子進行離離子，溶劑分子也會被電離，這些離子與分析物分子進行離子子-分子反應，使分析物分子離子化，這些反應過程包括由分子反應，使分析物分子離子化，這些反應過程包括由質子轉移和電荷交換產生正離子，質子脫離和電子捕獲產生質子轉移和電荷交換產生正離子，質子脫離和電子捕獲產生負離子等。圖負離子等。圖12.5是大氣壓化學電離源的示意圖是大氣壓化學電離源的示意圖:v大氣壓化學電離源主要大氣壓化學電離源主要用來分析中

30、等極性的化合物。用來分析中等極性的化合物。有些分有些分析物由于結構和極性方面的原因，用析物由于結構和極性方面的原因，用ESI不能產生足夠強的不能產生足夠強的離子，可以采用離子，可以采用APCI方式增加離子產率，可以認為方式增加離子產率，可以認為APCI是是ESI的補充。的補充。APCI主要產生的是單電荷離子，所以分析的化主要產生的是單電荷離子，所以分析的化合物分子量一般小于合物分子量一般小于1000Da。用這種電離源得到的質譜很。用這種電離源得到的質譜很少有碎片離子，主要是準分子離子。少有碎片離子，主要是準分子離子。v以上兩種電離源主要用于液相色譜以上兩種電離源主要用于液相色譜-質譜聯用儀。質

31、譜聯用儀。v6. 激光解吸源（激光解吸源（Laser Description，LD）v激光解吸源是利用一定波長的脈沖式激光照射樣品使樣品電激光解吸源是利用一定波長的脈沖式激光照射樣品使樣品電離的一種電離方式。被分析的樣品置于涂有基質的樣品靶上離的一種電離方式。被分析的樣品置于涂有基質的樣品靶上,激光照射到樣品靶上激光照射到樣品靶上,基質分子吸收激光能量，與樣品分子基質分子吸收激光能量，與樣品分子一起蒸發到氣相并使樣品分子電離。激光電離源需要有合適一起蒸發到氣相并使樣品分子電離。激光電離源需要有合適的基質才能得到較好的離子產率。因此，這種電離源通常稱的基質才能得到較好的離子產率。因此，這種電離源

32、通常稱為為基質輔助激光解吸電離基質輔助激光解吸電離(Matrix Assisted Laser Description Ionization, 簡稱簡稱MALDI)。MALDI特別適合于飛行時間質譜特別適合于飛行時間質譜儀儀(TOF),組成組成MALDI-TOF。MALDI屬于軟電離技術，它比屬于軟電離技術，它比較較適合于分析生物大分子，如肽、蛋白質、核酸等。得到的適合于分析生物大分子，如肽、蛋白質、核酸等。得到的質譜主要是分子離子，準分子離子。質譜主要是分子離子，準分子離子。碎片離子和多電荷離子碎片離子和多電荷離子較少。較少。MALDI常用的基質有常用的基質有2，5二羥基苯甲酸、芥子酸、二羥

33、基苯甲酸、芥子酸、煙酸、煙酸、-氰基氰基-4-羥基肉桂酸等。羥基肉桂酸等。v12.2.1.2 質量分析器質量分析器(Mass analyzer)v質量分析器的作用質量分析器的作用是將離子源產生的離子按是將離子源產生的離子按m/z順序分開并順序分開并排列成譜。用于有機質譜儀的質量分析器有排列成譜。用于有機質譜儀的質量分析器有磁式雙聚焦分析磁式雙聚焦分析器，四極桿分析器，離子阱分析器，飛行時間分析器，回旋器，四極桿分析器，離子阱分析器，飛行時間分析器，回旋共振分析器等。共振分析器等。 雙聚焦分析器（雙聚焦分析器（double focusing analyzer）雙聚焦分析器是在單聚焦分析器的基礎上

34、發展起來的。因此，雙聚焦分析器是在單聚焦分析器的基礎上發展起來的。因此，首先簡單介紹一下單聚焦分析器。單聚焦分析器的主體是處首先簡單介紹一下單聚焦分析器。單聚焦分析器的主體是處在磁場中的扁形真空腔體。離子進入分析器后，由于磁場的在磁場中的扁形真空腔體。離子進入分析器后，由于磁場的作用，其運動軌道發生偏轉改作圓周運動。作用，其運動軌道發生偏轉改作圓周運動。質量分析器質量分析器 作用是將不同碎片按質荷比作用是將不同碎片按質荷比m/z分開。分開。質量分析器類型：磁分析器、飛行時間、四極桿、離子捕質量分析器類型：磁分析器、飛行時間、四極桿、離子捕獲、離子回旋等。獲、離子回旋等。1）磁分析器）磁分析器單

35、聚焦型單聚焦型(Magnetic sector spectrometer)：用一個扇形磁場進行用一個扇形磁場進行質量分析的質譜儀。質量分析的質譜儀。帶電離子質量分析器，在磁場帶電離子質量分析器，在磁場(場強為場強為B)作用下，飛行軌作用下，飛行軌道彎曲道彎曲(曲率半徑為曲率半徑為r)。當向心力。當向心力 Bzev 與離心力與離心力 mv2/r 相相等時，離子才能飛出磁場區，即，等時，離子才能飛出磁場區，即，e為電子電荷；為電子電荷；U為加速電壓。為加速電壓。由于由于 （電場加速）（電場加速）因此亦可得到，因此亦可得到， 當當B、r、U三個參數中任兩個保持不變而改變其中三個參數中任兩個保持不變而

36、改變其中一個參數時，可得質譜圖?，F代質譜儀通常是保持一個參數時，可得質譜圖?，F代質譜儀通常是保持U、r不變，通過掃描磁場來得到質譜圖的。不變，通過掃描磁場來得到質譜圖的。rmvBzev2 zeUmv212 U2erBzm2 單聚焦質量分析器只單聚焦質量分析器只是將是將m/z 相同而入射方相同而入射方向不同的離子聚焦到向不同的離子聚焦到一點（或稱實現了方一點（或稱實現了方向聚焦）。向聚焦）。 但對于但對于m/z 相同而相同而動能（或速度）不同動能（或速度）不同的離子不能聚焦，故的離子不能聚焦，故其分辨率較低，一般其分辨率較低，一般為為5000。 下圖是單聚焦型質量分析器更直觀地的工作過程。下圖是

37、單聚焦型質量分析器更直觀地的工作過程。雙聚焦型雙聚焦型(Double focusing spectrometer) 為克服動能或速度為克服動能或速度“分散分散”的問題，即實現所謂的的問題，即實現所謂的“速度速度(能量能量)聚焦聚焦”，在離子源和磁分析器之間加一靜電分析器，在離子源和磁分析器之間加一靜電分析器（ESA），如下圖所示，于，如下圖所示，于兩個扇形電極板上加一直流電位兩個扇形電極板上加一直流電位Ve，離子通過時的曲率半徑為，離子通過時的曲率半徑為re=U/V，即，即不同動能的離子不同動能的離子re不同，換句話說，相同動能的離子的不同，換句話說，相同動能的離子的re相同相同-能量聚焦能量

38、聚焦了！了！ 然后，改變然后，改變V值可使不同能量的離子從其值可使不同能量的離子從其“出射狹縫出射狹縫”引出，并進入磁引出，并進入磁分析器再實現方向聚焦。雙聚焦質量分析器可高達分析器再實現方向聚焦。雙聚焦質量分析器可高達150,000! 思考：為什么雙聚思考：為什么雙聚焦儀比單聚焦儀有焦儀比單聚焦儀有更高的分辨率？更高的分辨率？ 2）飛行時間分析器）飛行時間分析器(Time of flight, TOF)過過 程：不同荷電碎片在飛出離子源的速度（動能）基本程：不同荷電碎片在飛出離子源的速度（動能）基本一致。某離子在到達無場漂移一致。某離子在到達無場漂移管前端時，其速度大小為：管前端時，其速度大

39、小為：到達無場漂移管末端的時間為：到達無場漂移管末端的時間為：不同離子通過同一長度為不同離子通過同一長度為L的無場漂移管，所需時間相差：的無場漂移管，所需時間相差： 2)mUze2(v vLt U2)z/m()z/m(Lt)v1v1(Lt2121 由于由于不同不同m/z的離子，的離子，其飛出漂移管的時間不同，因而實現其飛出漂移管的時間不同，因而實現了離子的分離。因為連續電離和加速使檢測器產生連續輸出了離子的分離。因為連續電離和加速使檢測器產生連續輸出而不能得到有效信息，因此實際工作中常采用相同頻率的電而不能得到有效信息，因此實際工作中常采用相同頻率的電子脈沖電離和脈沖電場加速，被加速的粒子經不

40、同的時間到子脈沖電離和脈沖電場加速，被加速的粒子經不同的時間到收集極上，并反饋到示波器上記錄，從而得到質譜圖。收集極上，并反饋到示波器上記錄，從而得到質譜圖。特特 點：點：掃描速度快掃描速度快(1000幅幅/s)，可用于研究快速反應或與，可用于研究快速反應或與GC聯用；聯用；可用于高質量離子分析；體積小，操作容易；分可用于高質量離子分析；體積小，操作容易；分辨率比磁分析器稍差。辨率比磁分析器稍差。過程：在兩個相對的極桿之過程：在兩個相對的極桿之間加電壓間加電壓(U+Vcos t)，在另，在另兩 個 相 對 的 極 桿 上 加兩 個 相 對 的 極 桿 上 加 -(U+Vcos t)。與前述雙聚

41、焦。與前述雙聚焦儀的靜電分析器類似，離子儀的靜電分析器類似，離子進入可變電場后，只有具合進入可變電場后，只有具合適的曲率半徑的離子可以通適的曲率半徑的離子可以通過中心小孔到達檢測器。過中心小孔到達檢測器。 改譜改譜U和和V并保持并保持U/V比比值一定，可實現不同值一定，可實現不同m/z離離子的檢測。子的檢測。3）四極濾質器）四極濾質器(Quadrupole mass filter)特點：特點：分辨率比磁分析器略低分辨率比磁分析器略低(max.2000); m/z范圍與磁分析器相范圍與磁分析器相 當；傳輸效率較高；掃描速度快，可用于當；傳輸效率較高；掃描速度快，可用于GC- MS 聯用儀。聯用儀

42、。過程：過程：上下端罩上下端罩(End cap)與 左 右 環 電 極與 左 右 環 電 極 ( R i n g electrode)構成可變電場構成可變電場(前者接地，后者施以射頻前者接地，后者施以射頻電壓電壓)帶電離子在一帶電離子在一定軌道上旋轉定軌道上旋轉改變電改變電壓壓可使相同可使相同m/z離子離子依次離開進入電子倍增器依次離開進入電子倍增器而分離。而分離。特點：特點：結構簡單、易于操結構簡單、易于操作、作、GC-MS聯用可用于聯用可用于m/z200-2000的分子分析。的分子分析。離子阱的橫截面圖離子阱的橫截面圖4）離子阱）離子阱(Ion trap analyzer)過程：過程：處于

43、磁場處于磁場B中離子中離子回旋離子回旋離子吸收與吸收與B垂直的垂直的電場能量電場能量當離子能量和吸當離子能量和吸收能量相等收能量相等共振共振切斷切斷交變電場交變電場回旋離子在電極回旋離子在電極上產生感應電流上產生感應電流感應電流感應電流衰減衰減記錄該信號記錄該信號通過通過Fourier變換將時域圖轉換為變換將時域圖轉換為頻域圖頻域圖(質譜圖質譜圖)。特點：特點：可用于分子反應動力可用于分子反應動力學研究、掃描速度快，可與學研究、掃描速度快，可與GC 聯用、分辨率高、分析質聯用、分辨率高、分析質量大、但儀器昂貴。量大、但儀器昂貴。5）離子回旋共振分析器）離子回旋共振分析器(Ion cyclotr

44、on resonance, ICR)檢測器檢測器 包括包括Faraday杯、電子倍增器、閃爍計數器、照相底片等杯、電子倍增器、閃爍計數器、照相底片等1) Faraday 杯杯下圖是下圖是Faraday杯結構原理圖杯結構原理圖特點：可檢測特點：可檢測10-15A的離子流，但不適于高加速電壓下的離子檢測。的離子流，但不適于高加速電壓下的離子檢測。2）電子倍增器：類似于光電倍增管，可測）電子倍增器：類似于光電倍增管，可測10-18A電流。但有質量歧視效應電流。但有質量歧視效應3）閃爍計數器：記錄離子的數目。）閃爍計數器：記錄離子的數目。思考：電子倍增器與光電倍增管有何區別？思考：電子倍增器與光電倍增

45、管有何區別？質譜圖及其應用質譜圖及其應用一、質譜圖一、質譜圖 以質荷比以質荷比m/z為橫座標，以對基峰為橫座標，以對基峰(最強離子峰，規定相對強最強離子峰，規定相對強度為度為100%)相對強度為縱座標所構成的譜圖，稱之為質譜圖。）相對強度為縱座標所構成的譜圖，稱之為質譜圖。）二、質譜峰類型二、質譜峰類型 分子在離子源中可產生各種電離，即同一分子可產生多種離子峰：分分子在離子源中可產生各種電離，即同一分子可產生多種離子峰：分子離子峰、同位素離子峰、碎片離子峰、重排離子峰、亞穩離子峰等。子離子峰、同位素離子峰、碎片離子峰、重排離子峰、亞穩離子峰等。 設有機化合物由設有機化合物由A，B，C和和D組成

46、，當蒸汽分子進入離子源，受到電組成，當蒸汽分子進入離子源，受到電子轟擊可能發生下列過程而形成各種類型的離子：子轟擊可能發生下列過程而形成各種類型的離子：分子離子分子離子碎片離子碎片離子重排裂解碰撞裂解1）分子離子峰）分子離子峰 ABCD+為分子離子峰，為分子離子峰，m/z即為分子的分子量。對于有機即為分子的分子量。對于有機物，雜原子物，雜原子S，O，P，N等上的未共用電子對最易失去，其等上的未共用電子對最易失去，其次是次是 電子，再其次是電子，再其次是 電子。電子。2）碎片離子峰）碎片離子峰 因分子發生鍵的斷裂只需要十幾電子伏特的能量，而電子因分子發生鍵的斷裂只需要十幾電子伏特的能量，而電子轟

47、擊的能量為轟擊的能量為70eV，因而會產生更小的碎片離子峰。，因而會產生更小的碎片離子峰。 斷裂方式可分為均裂、異裂和半異裂（斷裂方式可分為均裂、異裂和半異裂（ 表示電子）：表示電子）： YXYXYXYX YXYXYXYX YXYXYXYX均裂均裂半異裂半異裂異裂異裂烷烴化合物斷裂多在烷烴化合物斷裂多在C-C之間發生，且易發生在支鏈上：之間發生，且易發生在支鏈上： 烯烴多在雙鍵旁的第二個鍵上開裂：烯烴多在雙鍵旁的第二個鍵上開裂： 苯的最強峰為苯的最強峰為M+，芳香族化合物將先失去取代基，再形成苯，芳香族化合物將先失去取代基，再形成苯甲離子：甲離子：含含C=O鍵化合物的開裂多在與其相鄰的鍵上：鍵

48、化合物的開裂多在與其相鄰的鍵上：對含雜原子的分子，斷裂的鍵位順序為對含雜原子的分子，斷裂的鍵位順序為 位、位、 位和位和 位：位：RX R+X共振穩定化離子共振穩定化離子3）重排離子峰）重排離子峰 原子或基團經重排后再開裂而形成一種特殊的碎片離子，稱原子或基團經重排后再開裂而形成一種特殊的碎片離子，稱重排離子。如醇分子離子經脫水后重排可產生新的重排離子峰重排離子。如醇分子離子經脫水后重排可產生新的重排離子峰4）亞穩離子峰）亞穩離子峰過程：質量數為過程：質量數為m1的多個帶電離子，其中部分失去中性碎片的多個帶電離子，其中部分失去中性碎片 m而變成而變成m2(此時此時m1能量變小，在磁場中有更大的

49、偏轉能量變小，在磁場中有更大的偏轉)從而形成亞從而形成亞穩離子峰穩離子峰m*，此時可將此峰看成，此時可將此峰看成m1和和m2的的“混合峰混合峰”，即形成，即形成“寬峰寬峰”，極易識別。且滿足下式：，極易識別。且滿足下式： 此式可用于尋找裂解途徑此式可用于尋找裂解途徑(通過母離子通過母離子m1與子離子與子離子m2的關系的關系) 122)(*mmm 亞穩離子峰的形成過程亞穩離子峰的形成過程 其中所有其中所有M1+碎片的碎片的m/z仍相同，只是到達質量分析器時的仍相同，只是到達質量分析器時的動能不同，即偏轉不同，因而形成寬峰！動能不同，即偏轉不同，因而形成寬峰！MyM1+xM1+zM2+中性碎片wM

50、1+- E- E中性碎片mM2+質質量量分分析析器器碎片飛行路徑碎片飛行路徑5) 同位素峰同位素峰 由于天然同位素的存在，因此在質譜圖上出現由于天然同位素的存在，因此在質譜圖上出現M+1，M+2等峰，由這些同位素所形成的峰稱之為同位素峰等峰，由這些同位素所形成的峰稱之為同位素峰。 分子離子峰和碎片離子峰的識別和解析，對有機分子分子離子峰和碎片離子峰的識別和解析，對有機分子的定性分析十分重要?？梢酝ㄟ^選擇不同離子源來獲得不的定性分析十分重要?？梢酝ㄟ^選擇不同離子源來獲得不同的信息。下圖是不同離子源下麻黃堿的質譜圖。同的信息。下圖是不同離子源下麻黃堿的質譜圖?；瘜W電離源化學電離源電子轟擊源電子轟擊

51、源麻黃堿麻黃堿化學電離與電子轟擊源質譜圖比較化學電離與電子轟擊源質譜圖比較分子離子峰分子離子峰三、質譜定性分析三、質譜定性分析內容有：內容有：分子量測定、化學式及結構式鑒定分子量測定、化學式及結構式鑒定1、分子量確定、分子量確定 根據分子離子峰質荷比可確定分子量，通常分子離子峰根據分子離子峰質荷比可確定分子量，通常分子離子峰位于質譜圖最右邊，但由于分子離子的穩定性及重排等，質位于質譜圖最右邊，但由于分子離子的穩定性及重排等，質譜圖上質荷比最大的峰并不一定是分子離子峰。那么，如何譜圖上質荷比最大的峰并不一定是分子離子峰。那么，如何辯認分子離子峰呢？辯認分子離子峰呢？1）原則上除同位素峰外，分子離

52、子峰是最高質量的峰。但要）原則上除同位素峰外，分子離子峰是最高質量的峰。但要注意注意“醚、胺、脂的醚、胺、脂的(M+H)+峰峰”及及“芳醛、醇等的芳醛、醇等的(M-H)+峰峰”。2）分子離子峰應符合）分子離子峰應符合“氮律氮律”。在在C、H、O組成的化合組成的化合物中，分子離子峰的質量數一定是偶數；在含物中，分子離子峰的質量數一定是偶數；在含C、H、O、N化合物中，含偶數個化合物中，含偶數個N的分子量為偶數，含奇數個的分子量為偶數，含奇數個N的分的分子量為奇數。子量為奇數。3）分子離子峰與鄰近峰的質量差是否合理。）分子離子峰與鄰近峰的質量差是否合理。有機分子失有機分子失去碎片大小是有規律的：去

53、碎片大小是有規律的： 如失去如失去H、CH3、H2O、C2H5.，因而質譜圖中可看，因而質譜圖中可看到到M-1，M-15，M-18， M-28等峰，而不可能出現等峰，而不可能出現M-3，M-14，M-24等峰，如出現這樣的峰，則該峰一定不是分等峰，如出現這樣的峰，則該峰一定不是分子離子峰。子離子峰。4）EI 源中，源中，當電子轟擊電壓降低，強度不增加的峰不是當電子轟擊電壓降低，強度不增加的峰不是分子離子峰。分子離子峰。2、化學式的確定、化學式的確定 高分辨質譜：可分辨質荷比相差很小的分子離子或碎片離高分辨質譜：可分辨質荷比相差很小的分子離子或碎片離子。如子。如CO和和N2分子離子的分子離子的m

54、/z均為均為28，但其準確質荷比分，但其準確質荷比分別為別為28.0040和和27.9949，高分辨質譜可以識，高分辨質譜可以識 別它們。別它們。b) 低分辨質譜則不能分辨低分辨質譜則不能分辨m/z相差很小的碎片離子，如相差很小的碎片離子，如CO和和N2。通常通過同位素相對豐度法來確定分子的化學式。通常通過同位素相對豐度法來確定分子的化學式。 %100)76.992 . 0( z)1z ( z)76.9904. 0( z)1y( y)63.9937. 0()1x( x)98.99015. 0()1w(w)9 .981 . 1(21%II%100)76.9904. 0( z)63.9937. 0

55、( y)98.99015. 0( x)9 .981 . 1(w%II2222M2MM1M %z2 .0200)w1 .1()%I/I(0.37y)%(1.1w)%I/I(，O,H2M2MM1M172 上上二二式式變變為為的的影影響響勿勿略略對于化合物對于化合物CwHxNyOz，其同位素離子峰其同位素離子峰(M+1)+和和(M+2)+與與分子離子峰的強度比分別為：分子離子峰的強度比分別為： 對于含有對于含有Cl, Br, S 等同位素天然豐度較高的化合物等同位素天然豐度較高的化合物，其同位其同位素離子峰相對強度可由素離子峰相對強度可由（a+b)n展開式計算，其中展開式計算，其中a、b分別為該元分

56、別為該元素輕重同位素的相對豐度，素輕重同位素的相對豐度，n 為分子中該元素的原子個數。為分子中該元素的原子個數。CH3Cl：因為，：因為，a=3, b=1, n=1, 因此因此(3+1)1=3+1， 即即m/z50(M):m/z52(M+2)=3:1CH2Cl2：因為，：因為，a=3, b=1, n=2, 因此因此(3+1)2=9+6+1, 即即m/z84(M):m/z86(M+2):m/z88(M+4)=9:6:1CHCl3：因為：因為a=3, b=1, n=3, 因此，因此，(3+1)3=27+27+9+1 即即m/z118(M):m/z120(M+2):m/z122(M+4):m/z12

57、4(M+6)=27:27:9:1對于含有兩種或以上的雜原子對于含有兩種或以上的雜原子，則以則以（a1+b1)n1(a2+b2)n2 表示。表示。ClCH2Br: (3+1)1(1+1)1=3+4+1 即：即：m/z128(M):m/z130(M+2):m/z132(M+4)=3:4:1 3、結構簽定：、結構簽定：a) 根據質譜圖，找出分子離子峰、碎片離子峰、亞穩離子根據質譜圖，找出分子離子峰、碎片離子峰、亞穩離子峰、峰、m/z、相對峰高等質譜信息，根據各類化合物的裂規律，、相對峰高等質譜信息，根據各類化合物的裂規律，重組整個分子結構。重組整個分子結構。b) 采用與標準譜庫對照的方法采用與標準譜

58、庫對照的方法.四、質譜定量分析四、質譜定量分析 利用質譜離子流強度與離子數目成正比進行定量。利用質譜離子流強度與離子數目成正比進行定量。1、同位素測定：元素同位素測定和分子同位素測定。、同位素測定：元素同位素測定和分子同位素測定。a）C6D6純度測定：由純度測定：由C6D6+，C6D5H+，C6D4H2+，C6D3H3+等等的相對強度確定。的相對強度確定。b）同位素標記：用穩定同位素來標記化合物，用它作示蹤）同位素標記：用穩定同位素來標記化合物，用它作示蹤來測定在化學反應或生物反應中該化合物的最終去向，研究來測定在化學反應或生物反應中該化合物的最終去向，研究反應機理。如酯的水解機理就是用將酯基

59、用反應機理。如酯的水解機理就是用將酯基用18O來標記，然后來標記，然后只要示蹤只要示蹤18O是在水解生成的烷醇中，還是在酸中。若在烷醇是在水解生成的烷醇中，還是在酸中。若在烷醇中則是酰氧斷裂；反之則是烷氧斷裂。中則是酰氧斷裂；反之則是烷氧斷裂。c）同位素年代測定：通過）同位素年代測定：通過36Ar與與40Ar的強度比求出的強度比求出40Ar(由由40K經經1.3 109 a 衰變而來衰變而來)含量，再據半衰期求出其年代。含量，再據半衰期求出其年代。2、無機痕量分析：、無機痕量分析：ICP-MS（無機質譜）（無機質譜） 質譜聯用技術質譜聯用技術(Hyphenated method) GC 具有分

60、離復雜混合物的能力，定量易定性難；而具有分離復雜混合物的能力，定量易定性難；而MS多用于純物質多用于純物質定性分析。二者有機結合，可提供復雜混合物定性定量極為有效的工具定性分析。二者有機結合，可提供復雜混合物定性定量極為有效的工具 將兩種或以上的方法結合起來的技術稱之為聯用技術。如將兩種或以上的方法結合起來的技術稱之為聯用技術。如GC-MS，LC-MS，CE-MS，GC-FTIR，MS-MS等。等。 由于由于MS要求高真空，因此與要求高真空，因此與MS聯用，必須解決真空連結或接口聯用，必須解決真空連結或接口問題。問題。一、一、GC-MS聯用聯用分子分離器分子分離器填充柱：填充柱：載氣載氣+樣品