1、第6章 质谱法 (MS),1886年，E.Goldstein在低压放电实验中观察到正电荷粒子，随后，W. Wein发现正电荷粒子束在磁场中发生偏转。,J.J. Thomson (物理学家)使低压放电离子源所产生的高速正电荷粒子束经过一组电场和磁场，发现不同质荷比的正电荷粒子按不同质量发生曲率不同的抛物线轨道偏转，依次到达检测器。1906年获Nobel物理学奖。,1912年第一台质谱仪诞生早期应用：原子质量、同位素相对丰度等；,J.J. Thomson：Rays of Positive Electricity and Their Application to Chemical Analysis“
2、撰写本书的主要宗旨之一是希望它能启发其他科学家，特别是化学家尝试采用这个方法。我深信化学中存在的许多问题可以凭借这个方法得以解决，而且比用其他方法更为简便。”,1942年：第一台商用质谱仪诞生,高分辨率质谱仪出现，有机化合物结构分析,R. Conrad: 质谱应用于有机化学方面的先驱者之一。发表了许多有机化合物质谱。,20世纪50年代后：有机质谱兴起（裂解机理；结构推导）,气态分子受一定能量的电子流冲击后，失去一个电子而成为带正电荷的离子M+. , 叫分子离子。分子离子继续裂解成不同的正离子。这些阳离子在电场和磁场的综合作用下，按照其质量数m和电荷数Z的比值(m/z，质荷比)大小依次排列成谱被
3、记录下来，称为质谱。,提供结构信息:分子量.元素组成.由质谱裂解碎片检测官能团,辨认化合物类型,推测碳骨架.,质谱分析法特点： （1） 应用范围广: 样品可以是无机物，也可以是有机化合物。被分析的样品可以是气体、液体或固体。尤其是在只有微量的化合物时，质谱差不多是唯一能够决定结构的办法。,（3） 分析速度快，并可实现多组份同时检测。,（2） 灵敏度高，样品用量少：有机质谱仪绝对灵敏度可达50pg(pg为l0-12g)，无机质谱仪绝对灵敏度可达0.01pg。用微克级样品即可得到满意的分析结果。,（4）仪器结构复杂，价格昂贵，使用及维修比较困难。对样品有破坏性。,本章以介绍有机质谱为主。,有机分子
4、的离子化电压(离解位能)在9l5ev(电子伏特)之间, 但一般所用冲击电子流的能量常规为70 ev 。,61 仪器及原理,形成的分子离子，还有多余的能量可导致键的断裂，形成许多裂片(碎片)。带正电荷的分子离子及碎片离子，按质荷比大小依次经过质谱仪，在其相应的质荷比m/z值处出现峰，得到质谱图。,基准峰:图中最强的离子峰的峰高作为100%, 而以对它的百分比来表示其他离子峰的强度。峰越高表示形成的离子越多，即谱线的强度是与离子的多少成正比的。,质谱图一般都采用“条图”。在图中横轴表示质荷比（m/z，因为z常为1，故实际上m/z多为离子的质量）。纵轴则表示峰的相对强度(RA, 相对丰度)。,乙醇的
5、质谱图,6.1.1 质谱仪,质谱仪组成：,同位素质谱仪 无机质谱仪 有机质谱仪,进样系统,离子源,质量分析器,检测器,1.气体扩散 2.直接进样 3.气相色谱,1.电子轰击 2.化学电离 3.场致电离 4.激光,1.单聚焦 2.双聚焦 3.飞行时间 4.四极杆,辅助设备：真空系统、电气系统和数据处理系统等,质谱仪需要在高真空下工作：离子源（10-3 10 -5 Pa ）质量分析器（10 -6 Pa ）,(1)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放电； (3)引起额外的离子分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。,（1） 进样系统：,储罐进样：低沸点样品（纯品）可以通过储
6、罐系统导入。探头进样：固体和沸点较高的液体样品（纯品）可用直接进样杆把样品送入离子源中。,色谱进样：不纯的样品要用色谱和质谱联用仪，是通过色谱进样。,质谱的样品一般要气化，再离子化。,（ 2） 离子源：使样品产生离子的装置叫离子源。,(a) 电子轰击源(Electron Impact Source，EI)：,电离效率高,灵敏度高； 应用最广，标准质谱图基本都是采用EI源得到的； 稳定，操作方便，电子流强度可精密控制； 结构简单，控温方便；,EI源：可变的离子化能量 (10240eV),对于易电离的物质降低电子能量，而对于难电离的物质则加大电子能量（ 常用70eV ）。,电子能量,电子能量,分子
7、离子增加,碎片离子增加,CI源有一种反应气导入电离室。 化学电离的过程(CH4为反应气，XH为样品)在电子轰击下，主要是反应气先电离：CH4十eCH4+十CH3+十CH2+十CH+十C+十H2+十H+,(b) 化学电离源(Chemical Ionization,CI),EI源得到的离子峰多，提供的信息也就多，因而应用最广泛。其缺点是，当样品分子量较大或稳定性差时，常常得不到分子离子，因而也就不能测定这些样品的分子量。,生成的碎片离子主要是CH4+和CH3+，它们又与反应气体作用，生成两种新的离子：,生成的离子和样品分子反应:,反应生成的离子也可能再发生分解：,会产生XH2+（M+1）、X+(M
8、-1) 和不同m/z的碎片离子。,即使是不稳定的有机化合物，也能得到较强的分子离子峰。严格讲是准分子离子(Quasi-Molecular ion,QM+)峰(M士l)峰。,最强峰为准分子离子；谱图简单；不适用难挥发试样,(c)场电离 (Field Ionization, FI)和场解析(Field Desorption, FD):,FI是气态分子在强电场作用下发生的电离。,在作为场离子发射体的金属刀片、尖端或细丝上施加正电压，处于高静电发射体附近的样品气态分子失去价电子而电离为正离子。对液态或固态样品进行FI时，仍需要汽化。,FD则没有气化要求，样品吸附在作为离子发射体的金属细丝上送入离子源。
9、在细丝上通以微弱电流，解析出来的样品即扩散(不是气化)到高场强的场发射区域进行离子化。FD特别适合于难气化和热稳定性差的固体样品分析。,FI和FD的共同特点是形成的M+没有过多的剩余内能，减少了分子离子进一步裂解的几率，增加了分子离子峰的丰度，碎片离子峰相对减少。,(d)快速原子轰击(Fast Atom Bombardment ,FAB)源和二次离子质谱(Secondary Ion Mass Spectrametry,SIMS):,SIMS是将氩离子(Ar+)束经过电场加速打在样品上，样品的分子离子化产生二次离子。,80年代发展出新的离子源FAB。由氩离子枪产生的高能量的Ar+进入充满氩气的电
10、荷交换室，Ar+产经共振电荷交换后保持着原来的能量，形成了高能量的中性氩原子流。高速氩原子轰击样品分子使之离子化。,有机化合物通常用甘油（底物）调和后涂在金属靶上，生成的离子是样品分子与甘油分子作用生成的准分子离子。,避免了对有机化合物的加热，更加适用于热不稳定的、难汽化的有机化合物分析，可以检测高分子量的有机化合物。,SIMS示意图 FAB示意图,（e）其他：近年离子源的发展取得很大进展。“基质辅助激光解析电离（MALDI）”电感耦合等离子（ICP）电离“电喷雾（ESI）”电离“热喷雾(HSI)”,(3) 质量分析器：,将离子源产生的离子按m/z分开。,(a)单聚焦分析器：,质量分析器有：磁
11、场和电场、四极杆、离子阱、飞行时间质谱、傅立叶变换离子回旋共振等。,样品在离子源中被电离成离子，假定离子的初始动能为0，在加速电压v的作用下，离子所具有的动能为：,式中:：m-离子的质量；-离子的速度；Z-离子的电荷量；V-离子的加速正电压。,加速后的离子进入分析器。在分析器中，离子受磁场力的作用，其运动轨迹发生偏转，改作圆周运动，圆周运动的离心力等于在磁场中受到的罗仑磁力：,式中：B为磁场强度，rm为离子偏转半径，由式(1)和(2)消去，经单位变换后得：,=,（1）,（2）,（3）,ZvB =,=,=,加速电压V和磁场强度B为某一固定值时，只有一定质荷比的离子可以满足上式，能够通过狭缝到达接
12、收器。如果使B保持不变，连续地改变V，可以使不同m/z的离子依一定顺序通过狭缝到达接收器，而得到质谱；同样，也可以使V保持不变，连续地改变B，使不同m/z的离子被接收。前者称为电压扫描，后者称为磁场扫描。,靠磁场进行质量分离的分析器叫单聚焦分析器。方向聚焦,离子在磁场中运动的轨道半径rm是由V、B和m/z三者决定的 。,分辨率不高,(b)双聚焦分析器：,实际上，由单聚焦分析器离子源产生的离子，其初始动能并不为0，而且其能量也各不相同。经加速后的离子，其能量也就不同。为了消除离子能量分散对分辨率的影响，通常在扇形磁场前附加一个扇形电场。,扇形电场是一个弯曲的同心圆筒。进入电场的离子受到一个静电力
13、的作用，改作圆周运动。离子所受电场力与离子运动的离心力平衡，即:,式中： E-扇形电场强度；Z-离子电荷；m-离子质量；-离子速度； rm-离子在电场中的轨道半径。,（4）,将式(4)和(1)联立，得：,rm =,如果电场强度E一定，离子轨道半径仅取决于离子的速度或动能 。扇形电场是一个能量分析器。,方向聚焦：相同质荷比，入射方向不同的离子会聚； 能量聚焦：相同质荷比，速度(能量)不同的离子会聚；,质量相同，能量不同的离子通过电场和磁场时，均产生能量色散；两种作用大小相等，方向相反时互补同时实现质量和能量聚焦，称为双聚焦,（c）四极滤质器：,这种分析器体积小、重量轻、操作容易、扫描速度快，适用
14、于GC/MS仪器。而且它的离子流通量大、灵敏度高，可用于残余气体分析、生产过程控制和反应动力学研究，它的主要缺点是分辨率低(R 10,00)和有质量歧视效应。,有机质谱仪常用的质量分析器除上述几种外，还有离子阱质量分析器、傅立叶变换离子回旋共振质量分析器等。,(d) 飞行时间质量分析器起始动能一致的粒子在粒子漂移管中按质量分离,利用现代的电子技术，能够非常灵敏、精确地测量这种离子流。譬如，可将离子流打在一个固体打拿极上(或一个闪烁器)上，产生电子(或光子)，再分别用电子倍增管(或光电倍增管)接受，得到电信号，放大并记录下来，就可以得到质谱图。,(5) 计算机及打印机：,计算机的作用有两方面。一
15、是用于仪器的控制，二是作为数据的接收、存储和处理。计算机内还可以存有十几万个标准图谱，用于样品数据作自动检索，并给出合适的结构式。存在计算机内的数据和图谱可用打印机打出。,(4) 检测器：,离子检测器由收集器和放大器组成。打在收集器上的正离子流产生与离子流丰度成正比的信号。,6.1.2 质谱仪性能指标,(1)质量范围:即仪器测量质量数的范围。例如，质量范围为1800，即该质谱仪能测定的质量数为1800间的离子。,(2)分辨率 ：即表示仪器分开两个相邻质量离子的能力.,分辨率的规定，如果仪器能刚刚分开质量为M和M十 M的两个质谱峰，则仪器的分辨率为：R = M/M,例如：CO和N2所形成离子，其
16、质量分别为27.9949和28.0061，若某仪器能够刚好分开这两种离子，则该仪器的分辨率为：,R =,一般最常用的是10%峰谷定义 ,并不一定要求两个峰完全分开，而是可以有部分的重迭。,一般R在一万以下者称为低分辨，R在一万三万称为中分辨，R在三万以上称为高分辨仪器。,（3）灵敏度：不同用途的质谱仪表示方法不同 （4）准确度：测量值与真实值的相对误差 （5）精密度：所测量值的偏差,6.1.3质谱仪的联用技术,质谱仪可以与其他仪器联用，如气相色谱-质谱联用（GC/MS）、高效液相色谱-质谱联用（HPLC/MS）；也可以质谱-质谱联用（MS-MS）。,（1）GC/MS、HPLC/MS仪：基于色谱
17、和质谱的仪器灵敏度相当（都可达到10-11g）,能够匹配，加之使分离效果好的色谱成为质谱的进样器，而速度快、分离好、应用广的质谱仪作为色谱的鉴定器，使它们成为目前最好的用于分析微量的有机混合物的仪器,（2）MS-MS：质谱-质谱法是70年代后期迅猛发展起来的。这种方法是指用质谱作质量分离的质谱技术(mass separetion-mass spectra characterization)。,它可以研究母离子和子离子的关系，让大的离子进一步裂解，获得裂解过程及离子组成的信息。它有几种称呼，如质谱-质谱法（MS-MS或MS/MS）,串联质谱, 二维质谱法, 序贯质谱。,实现MS-MS有2种方法：
18、空间串联和时间串联式。,“空间串联”式：质谱仪的质量分析器头尾串联起来，组成MS-MS联用仪，在两个质量分析器中间安置一个碰撞室，用第一个质量分析器作为分离手段，选出要研究的离子，送入碰撞室使其与惰性气体或选定的分子发生碰撞，用第2个质量分析器分析碰撞后的“子离子”。,离子阱质谱（又叫三维四极离子阱，ITMS）和傅立叶变换离子回旋共振质谱仪(FTICR-MS)都可以只用一个质量分析器，实现“时间串联”方式的MS-MS。,傅立叶变换离子回旋共振质谱中，首先用激光脉冲将要研究以外的其他离子赶出回旋池，池中只留下要研究的离子，将它激发到较大的回旋运动轨道，使其与惰性气体或选定的分子发生碰撞，再分析碰撞后的“子离子”。,
