质谱分析法.pdf
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1、2006-07-11 09:42:56http:/ 一般质谱仪结构与工作原理质谱联用技术质谱仪性指标质谱解析知 EI质谱中的各种离子EI质谱的解释软电离源质谱的解释质谱分析方法 GC-MS分析方法LC-MS分析方法质谱技术的应用9.1概述9.1概述 质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷比的测定来进行分析的一种分析方法。被分析的样品首先要离子化,然后利用不同离子在电场或磁场的运动行为的不同,把离子按质荷比(m/z)分开而得到质谱,通过样品的质谱和相关信息,可以得到样品的定性定量结果。从J.J.Thomson制成第一台质谱仪,到现在已有近90年了,早期的质谱仪主要是用来进行同位素测定和无机元素分析
2、,二十世纪四十年代以后开始用于有机物分析,六十年代出现了气相色谱-质谱联用仪,使质谱仪的应用领域大大扩展,开始成为有机物分析的重要仪器。计算机的应用又使质谱分析法发生了飞跃变析的重要仪器。计算机的应用又使质谱分析法发生了飞跃变化,使其技术更加成熟,使用更加方便。八十年代以后又出现了一些新的质谱技术,如快原子轰击电离子源,基质辅助激光解吸电离源,电喷雾电离源,大气压化学电离源,以及随之而来的比较成熟的液相色谱-质谱联用仪,感应耦合等离子体质谱仪,富立叶变换质谱仪等。这些新的电离技术和新的质谱仪使质谱分析又取得了长足进展。目前质谱分析法已广泛地应用于化学、化工、材料、环境、地质、能源、药物、刑侦、
3、生命科学、运动医学等各个领域。质谱仪种类非常多,工作原理和应用范围也有很大的不同。从应用角度,质谱仪可以分为下面几类:有机质谱仪:由于应用特点不同又分为:有机质谱仪:由于应用特点不同又分为:气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)。在这类仪器中,由于质谱仪工作原理不同,又有气相色谱-四极质谱仪,气相色谱-飞行时间质谱仪,气相色谱-离子阱质谱仪等。液相色谱-质谱联用仪(LC-MS)。同样,有液相色谱-四器极质谱仪,液相色谱-离子阱质谱仪,液相色谱-飞行时间质谱仪,以及各种各样的液相色谱-质谱-质谱联用仪。其他有机质谱仪,主要有:基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪(MALDI-TOFMS)富立叶变换质谱仪(
4、FT-MS)无机质谱仪,包括:无机质谱仪,包括:火花源双聚焦质谱仪。感应耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)。二次离子质谱仪(SIMS)同位素质谱仪。同位素质谱仪。2006-07-11 09:42:56http:/ MS)。另外,有的质谱仪既可以和气相色谱相连,又可以和液相色谱相连,因此也不好归于某一类。在以上各类质谱仪中,数量最多,用途最广的是有机质谱仪。因此,本章主要介绍的是有机质谱分析方法。除上述分类外,还可以从质谱仪所用的质量分析器的不同,把质谱仪分为双聚焦质谱仪,四极杆质谱仪,飞行时间质谱仪,离子阱质谱仪,傅立叶变换质谱仪等。2006-07-11 09:43:51http:/ 一般质谱
5、仪结构与工作原理质谱联用技术质谱仪性指标质谱解析知质谱分析方法质谱技术的应用9.2 质谱仪器9.2 质谱仪器9.2.1一般质谱仪结构与工作原理9.2.1一般质谱仪结构与工作原理质谱分析法主要是通过对样品的离子的质荷比的分析而实现对样品进行定性和定量的一种方法。因此,质谱仪都必须有电离装置把样品电离为离子,有质量分析装置把不同质荷比的离子分开,经检测器检测之后可以得到样品的质谱图,由于有机样品,无机样品和同位素样品等具有不同形态、性质和不同的分析要求,所以,所用的电离装置、质量分析装置和检测装置有所不同。但是,不管是哪种类型的质谱仪,其基本组成是相同的。都包括离子源、质量分析器、检测器和真空系统
6、。本节主要介绍有机质谱仪的基本结构和工作原理。9 9.2.1.1.2.1.1 离子源(Ion source)离子源(Ion source)离子源的作用是将欲分析样品电离,得到带有样品信息的离子。质谱仪的离子源种类很多,现将主要的离子源介绍如下。电子电离源(Electron Ionization EI)电子电离源(Electron Ionization EI)演示动画(请点击画面)演示动画(请点击画面)电子电离源又称EI源,是应用最为广泛的离子源,它主要用于挥发性样品的电离。图9.1是电子电离源的原理图,由GC或直接进样杆进入的样品,以气体形式进入离子源,由灯丝F发出的电子与样品分子发生碰撞使样
7、品分子电离。一般情况下,灯丝F与接收极T之间的电压为70伏,所有的标准质谱图都是在70ev下做出的。在70ev电子碰撞作用下,有机物分子可能被打掉一个电子形成分子离子,也可能会2006-07-11 09:43:51http:/ 20ev的电子能量,不过此时仪器灵敏度将大大降低,需要加大样品的进样量。而且,得到的质谱图不再是标准质谱图。离子源中进行的电离过程是很复杂的过程,有专门的理论对这些过程进行解些过程进行解释和描述。在电子轰击下,样品分子可能有四种不同途径形成离子:样品分子被打掉一个电子形成分子离子。分子离子进一步发生化学键断裂形成碎片离子。分子离子发生结构重排形成重排离子。通过分子离子反
8、应生成加合离子。此外,还有同位素离子。这样,一个样品分子可以产生很多带有结构信息的离子,对这些离子进行质量分析和检测,可以得到具有样品信息的质谱图。电子电离源主要适用于易挥发有机样品的电离,GC-MS联用仪中都有这种离子源。其优点是工作稳定可靠,结构信息丰富,有标准质谱图可以检索。缺点是只适用于易汽化的有机物样品分析,并且,对有些化合物得不到分子离子。化学电离源(Chemical Ionization,EI)。化学电离源(Chemical Ionization,EI)。有些化合物稳定性差,用EI方式不易得到分子离子,因而也就得不到分子量。为了得到分子量可以采用CI电离方式。CI和EI在结构上没
9、有多大差别。或者说主体部件是共用的。其主要差别是CI源工作过程中要引进一种反应气体。反应气体可以是甲烷、异丁烷、氨等。反应气的量比样品气要大得多。灯丝发出的电子首先将反应气电离,然后反应气离子与样品分子进行离子-分子反应,并使样品气电离。现以甲烷作为反应气,说明化学电离的过程。在电子轰击下,甲烷首先被电离:CH4+eCH4+CH3+CH2+CH+C+H+甲烷离子与分子进行反应,生成加合离子:CH4+CH4CH5+CH3CH3+CH4C2H5+H2加合离子与样品分子反应:CH5+XHXH2+CH4C2H5+XHX+C2H6生成的XH2+和 X+比样品分子XH多一个H或少一个H,可表示为(M1),
10、称为准分子离子。事实上,以甲烷作为反应气,除(M+1)+之外,还可能出现(M+17)+,(M+29)+等离子,同时还出现大量的碎片离子。化学电离源是一种软电离方式,有些用EI方式得不到分子离子的样品,改用CI后可以得到准分子离子,因而可以求得分子量。对于含有很强的吸电子基团的化合物,检测负离子的灵敏度远高于正离子的灵敏度,因此,CI源一般都有正CI和负CI,可以根据样品情况进行选择。由于CI得到的质谱不是标准质谱,所以不能进行库检索。EI和CI源主要用于气相色谱-质谱联用仪,适用于易汽化的有机物样品分析。2006-07-11 09:44:26http:/ 一般质谱仪结构与工作原理质谱联用技术质
11、谱仪性指标质谱解析知质谱分析方法质谱技术的应用9.2 质谱仪器9.2 质谱仪器快原子轰击源(Fast Atomic bombardment,FAB)快原子轰击源(Fast Atomic bombardment,FAB)是另一种常用的离子源,它主要用于极性强、分子量大的样品分析。其工作原理如图9.2所示:氩气在电离室依靠放电产生氩离子,高能氩离子经电荷交换得到高能氩原子流,氩氩气在电离室依靠放电产生氩离子,高能氩离子经电荷交换得到高能氩原子流,氩原子打在样品上产生样品离子。样品置于涂有底物(如甘油)的靶上。靶材为铜,原子氩打在样品上使其电离后进入真空,并在电场作用下进入分析器。电离过程中不必加热
12、气化,因此适合于分析大分子量、难气化、热稳定性差的样品。例如肽类、低聚糖、天然抗生素、有机金属络合物等。FAB源得到的质谱不仅有较强的准分子离子峰,而且有较丰富的结构信息。但是,它与EI源得到的质谱图很不相同。其一是它的分子量信息不是分子离子峰M,而往往是(M+H)+或(M+Na)+等准分子离子峰;其二是碎片峰比EI谱要少。FAB源主要用于磁式双聚焦质谱仪。4电喷雾源(Electron spray Ionization,ESI)4电喷雾源(Electron spray Ionization,ESI)ESI是近年来出现的一种新的电离方式。它主要应用于液相色谱-质谱联用仪。它既作为液相色谱和质谱仪
13、之间的接口装置,同时又是电离装置。它的主要部件是一个多层套管组成的电喷雾喷咀。最内层是液相色谱流出物,外层是喷射气,喷射气常采用大流量的氮气,其作用是使喷出的液体容易分散成微滴。另外,在喷嘴的斜前方还有一个补助气喷咀,补助气的作用是使微滴的溶剂快速蒸发。在微滴蒸发过程中表面电荷密度逐渐增大,当增大到某个临界值时,离子就可以从表面蒸发出来。离子产生后,借助于喷咀与锥孔之间的电压,穿过取样孔进入分析器(见图9.3)。演示动画(请点击画面)演示动画(请点击画面)2006-07-11 09:44:26http:/ pressure chemical Ionization,APCI)5大气压化学电离源(
14、Atmospheric pressure chemical Ionization,APCI)它的结构与电喷雾源大致相同,不同之处在于APCI喷咀的下游放置一个针状放电电极,通过放电电极的高压放电,使空气中某些中性分子电离,产生H3O+,N2+,O2+和O+等离子,溶剂分子也会被电离,这些离子与分析物分子进行离子-分子反应,使分析物2006-07-11 09:44:26http:/ 09:44:56http:/ 质谱仪器9.2 质谱仪器激光解吸源(Laser Description,LD)激光解吸源(Laser Description,LD)激光解吸源是利用一定波长的脉冲式激光照射样品使样品电离
15、的一种电离方式。被分析的样品置于涂有基质的样品靶上,激光照射到样品靶上,基质分子吸收激光能量,与样品分子一起蒸发到气相并使样品分子电离。激光电离源需要有合适的基质才能得到较好的离子产率。因此,这种电离源通常称为基质辅助激光解吸电离(Matrix Assisted Laser Description Ionization,简称MALDI)。MALDI特别适合于飞行时间质谱仪(TOF),组成MALDI-TOF。MALDI属于软电离技术,它比较适合于分析生物大分子,如肽、蛋白质、核酸等。得到的质谱主要是分子离子,准分子离子。碎片离子和多电荷离子较少。MALDI常用的基质有2,5二羟基苯甲酸、芥子酸、
16、烟酸、-氰基-4-羟基肉桂酸等。9 9 2.1.2 2.1.2 质量分析器(Mass analyzer)质量分析器(Mass analyzer)质量分析器的作用是将离子源产生的离子按m/z顺序分开并排列成谱。用于有机质谱仪的质量分析器有磁式双聚焦分析器,四极杆分析器,离子阱分析器,飞行时间分析器,回旋共振分析器等。双聚焦分析器(double focusing analyzer)双聚焦分析器(double focusing analyzer)双聚焦分析器是在单聚焦分析器的基础上发展起来的。因此,首先简单介绍一下单聚焦分析器。单聚焦分析器的主体是处在磁场中的扁形真空腔体。离子进入分析器后,由于磁场
17、的作用,其运动轨道发生偏转改作圆周运动。其运动轨道半径R可由下式表示:(9.1)式中,m-离子质量,amuZ-离子电荷量,以电子的电荷量为单位V-离子加速电压,VB-磁感应强度,T2006-07-11 09:44:56http:/ 09:45:25http:/ 质谱仪器9.2 质谱仪器四极杆分析器(Quadrupole analyzer)四极杆分析器(Quadrupole analyzer)四极杆分析器由四根棒状电极组成。电极材料是镀金陶瓷或钼合金。相对两根电极间加有电压(Vdc+Vrf),另外两根电极间加有-(Vdc+Vrf)。其中Vdc为直流电压,Vrf为射频电压。四个棒状电极形成一个四极
18、电场。图9.8是这种分析器示意图:离子从离子源进入四极场后,在场的作用下产生振动,如果质量为m,电荷为e的离子从Z方向进入四极场,在电场作用下其运动方程是:(9.2)式中:2006-07-11 09:45:25http:/ ion monitoring SIM)。当样品量很少,而且样品中特征离子已知时,可以采用选择离子监测。这种扫描方式灵敏度高,而且,通过选择适当的离子使干扰组份不被采集,可以消除组分间的干扰。SIM适合于定量分析,但因为这种扫描方式得到的质谱不是全谱,因此不能进行质谱库检索和定性分析。2006-07-11 09:45:57http:/ 质谱仪器9.2 质谱仪器飞行时间质量分析
19、器(Time of flight analyzer)飞行时间质量分析器(Time of flight analyzer)飞行时间质量分析器的主要部分是一个离子漂移管。图9.10是这种分析器的原理图。离子在加速电压V作用下得到动能,则有:1/2 mv2=eV或v=(2eV/m)1/2(9.3)式中:m:离子的质量e:离子的电荷量V:离子加速电压离子以速度v进入自由空间(漂移区),假定离子在漂移区飞行的时间为T,漂移区长度为L,则:T=L(m/2eV)1/2(9.4)由式(9.4)可以看出,离子在漂移管中飞行的时间与离子质量的平方根成正比。也即,对于能量相同的离子,离子的质量越大,达到接收器所用的
20、时间越长,质量越小,所用时间越短,根据这一原理,可以把不同质量的离子分开。适当增加漂移管的长度可以增加分辨率。飞行时间质量分析器的特点是质量范围宽,扫描速度快,既不需电场也不需磁场。但是,长时间以来一直存在分辨率低这一缺点,造成分辨率低的主要原因在于离子进入漂移管前的时间分散、空间分散和能量分散。这样,即使是质量相同的离子,由于产生时间的先后,产生空间的前后和初始动能的大小不同,达到检测器的2006-07-11 09:45:57http:/ 09:46:29http:/ 一般质谱仪结构与工作原理质谱联用技术质谱仪性指标质谱解析知质谱分析方法质谱技术的应用9.2 质谱仪器9.2 质谱仪器离子阱质
21、量分析器离子阱质量分析器离子阱的结构如图9.11所示。离子阱的主体是一个环电极和上下两端盖电极,环电极和上下两端盖电极都是绕Z轴旋转的双曲面,并满足r20=2Z20(r0 为环形电极的最小半径,Z0为两个端盖电极间的最短距离)。直流电压U和射频电压Vrf加在环电极和端盖电极之间,两端盖电极都处于地电位。与四极杆分析器类似,离子在离子阱内的运动遵守所谓马蒂厄微分方程,也有类似四极杆分析器的稳定图。在稳定区内的离子,轨道振幅保持一定大小,可以长时间留在阱内,不稳定区的离子振幅很快增长,撞击到电极而消失。对于一定质量的离子,在一定的U和Vrf下,可以处在稳定区。改变U或Vrf的值,离子可能处于非稳定
22、区。如果在引出电极上加负电压,可以将离子从阱内引出,由电子倍增器检测。因此,离子阱的质量扫描方式与四极杆类似,是在恒定的U/Vrf下,扫描Vrf获取质谱。点击此处观看离子阱的质量扫描动画 离子阱的特点是结构小巧,质量轻,灵敏度高,而且还有多级质谱功能(见9.2.2.3节)(见9.2.2.3节)。它可以用于GC-MS,也可以用于LC-MS。2006-07-11 09:46:29http:/ transform ion cyclotronresonance analyzer,FTICR)傅立叶变换离子回旋共振分析器(Fourier transform ion cyclotronresonance
23、analyzer,FTICR)这种分析器是在原来回旋共振分析器的基础上发展起来的。因此,首先叙述一下离子回旋共振的基本原理。假定质荷比m/e的离子进入磁感应强度为B的磁场中,由于受磁场力的作用,离子作圆周运动,如果没有能量的损失和增加,圆周运动的离心力和磁场力相平衡,即:mv2/R=Bev(9.5)将式(9.5)整理后得:v/R=Be/m 或=Be/m(9.6)式中为离子运动的回旋频率(单位为弧度/秒)。由式(9.6)可以看出,离子的回旋频率与离子的质荷比成线性关系,当磁场强度固定后,只需精确测得离子的共振频率,就能准确的得到离子的质量。测定离子共振频率的办法是外加一个射频辐射,如果外加射频频
24、率等于离子共振频率,离子就会吸收外加辐射能量而改变圆周运动的轨道,沿着阿基米德螺线加速,离子收集器放在适当的位置就能收到共振离子。改变辐射频率,就可以接收到不同的离子。但普通的回旋共振分析器扫描速度很慢,灵敏度低,分辨率也很差。傅立叶变换离子回旋共振分析器采用的是线性调频脉冲来激发离子,即在很短的时间内进行快速频率扫描,使很宽范围的质荷比的离子几乎同时受到激发。因而扫描速度和灵敏度比普通回旋共振分析器高得多。图9.12是这种分析器的结构示意图:分析室是一个立方体结构,它是由三对相互垂直的平行板电极组成,置于高分析室是一个立方体结构,它是由三对相互垂直的平行板电极组成,置于高真空和由超导磁体产生
25、的强磁场中。第一对电极为捕集极,它与磁场方向垂直,电极上加有适当正电压,其目的是延长离子在室内滞留时间;第二对电极为发射极,用于发射射频脉冲;第三对电极为接收极,用来接收离子产生的信号。样品离子引入分析室后,在强磁场作用下被迫以很小的轨道半径作回旋运动,由于离子都是以随机的非相干方式运动,因此不产生可检出的信号。如果在发射极上施加一个很快的扫频电压,当射频频率和某离子的回旋频率一致时共振条件得到满足。离子吸收射频能量,轨道半径逐渐增大,变成螺旋运动,经过一段时间的相互作用以后,所有离子都做相干运动,产生可被检出的信号。做相干运动的正离2006-07-11 09:46:29http:/ 09:5
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