质谱分析概述及原理在线视频

大家好

我们今天学习的分析方法是

质谱分析法

课程内容包括质谱分析概述及原理

质谱仪的构造及分类

离子的类型

质谱分析的基本术语

质谱分析与联用技术五部分内容

本节课我们将学习

质谱分析概述及原理

质谱仪的构造及分类这两部分

质谱分析法是以质谱图

为基础建立起来的分析方法

利用电磁学原理

将化合物电离成不同质量的离子

然后按其质荷比的

大小依次收集和记录下来

排列成谱

称为质谱图

根据质谱图可以进行

有机物及无机物的定性和定量分析

复杂化合物的结构分析

样品中各种同位素比的测定

以及固体表面的结构和组成分析等

质谱分析的基本原理是

质谱仪先将样品离子化

然后利用离子

在电场或磁场中的运动性质

将离子按质荷比(m/z)分开

并按质荷比大小排列成

这样的谱图形式

根据质谱图

我们就可以确定样品成分

结构和相对分子质量

下面我们来介绍一下质谱仪的构造

质谱仪包括进样系统

离子源

质量分析器

检测器和真空系统五大部分

我们先来介绍第一个组成部分

进样系统

进样系统包括直接进样法

直接插入探针法和动态平衡法

纯化合物

气体或挥发性液体

可通过直接进样法进样

挥发性很小的固体

可通过直接插入探针法进样

复杂混合物可通过动态平衡法

即色谱分离后进样

质谱仪的第二个组成部分是离子源

离子源的作用是将

试样分子转化为正离子

并使正离子加速

聚焦为离子束

此离子束通过狭缝而进入质量分析器

如常用的电子轰击离子源

高能电子使试样原子

或分子失去电子成为正离子

即分子离子

分子离子继续受到电子轰击

使一些化学键断裂或引起重排

以瞬间速度裂解成多种碎片离子

即正离子

质谱分析中最常用的离子源有五种

电子轰击离子源

化学电离

电喷雾离子化

大气压化学电离

和基质辅助光解吸离子化

不同类型的离子源

其电离原理和分析对象是不同的

电子轰击离子源是由

高能电子与气态分子作用产生离子

是目前最成熟的离子源

适合于大多数有机化合物分析

但不易获得分子离子峰

常用于气相色谱-质谱联用

化学电离是由试样分子

与反应气离子反应产生离子

是软电离

适合大多数有机化合物分析

易获得分子离子峰

可测定化合物分子量

常用于气相色谱-质谱联用

我们以甲烷为例来阐述其反应过程

首先

高能电子使反应气分子

电离成CH4•+及CH3+

然后这些离子很快

与大量CH4分子进一步反应

生成CH5+及C2H5+

但CH5+和C2H5+不再与CH4反应

而与进入离子源的样品分子RH反应

生成各种碎片离子

电喷雾离子化是试样分子

在带电液滴的不断收缩过程中

发生库伦爆炸产生离子

离子化效率高

可用于分析热不稳定的化合物

也可用于分析多肽和蛋白等大分子

常用于液相色谱-质谱联用

其电离原理是这样的

液相色谱的流动相流入离子源

在氮气流和强电场下

被雾化成带电的液滴

带电液滴不断挥发

体积不断缩小

在强电场中形成库伦爆炸

使小液滴样品离子化

大气压化学电离是试样分子

与被电离的溶剂分子反应产生离子

适用于中等极性到弱极性的化合物

但不适合析热不稳定的化合物

常用于液相色谱-质谱联用

其电离原理是这样的

流动相进入具有雾化器套管的毛细管

被氮气流雾化

通过加热管时被汽化

在加热管端电晕针尖放电使氮气分子电离

氮气离子把电荷转移给溶剂分子

溶剂离子充当反应气

与样品气态分子碰撞

将电荷转移给目标分子

产生离子

基质辅助光解吸离子化

是使用固体基质辅助

脉冲激光束轰击样品产生离子

广泛用于分析多肽

蛋白质

低聚核苷酸和低聚糖

常用于液相色谱-质谱联用

其电离原理是这样的

在一个微小的区域内

在极短的时间间隔中

激光对靶上待分析物质

提供高强度脉冲式能量

使其在瞬间完成解吸和电离

且不产生热分解

下面我们来介绍质谱仪的

第三个组成部分 质量分析器

质量分析器的作用

是将离子源中生成的样品离子

按质荷比m/z的大小分开

质量分析器主要为一电磁铁

自离子源发生的离子束

在电场用下加速作直线运动

进入垂直于离子运动方向的均匀磁场中

正离子在磁场力作用下

改变运动方向作圆周运动

正离子的动能为

z为离子电荷数U加速电压

设离子在均匀磁场中作

圆周运动的轨道半径为R

近似为磁场曲率半径

则运动离心力和磁场力相等

H 为磁场强度

从而得到质谱方程式

下面我们来讨论一下这个质谱方程式

若H、R固定 m/z与1/V成正比

只要连续改变加速电压

称为电压扫描或V、R固定

m/z与H2成正比

连续改变 H(称为磁场扫描)

都可使具有不同m/z的离子依次

到达检测器并产生信号而得到质谱图

质谱仪的第四个组成部分是检测器

检测器用于检测和记录离子流的强度

常见的离子检测器有

（1）法拉第杯检测器其灵敏度很低

（2）感应电荷检测器其灵敏度较低

（3）电子倍增管其灵敏度较高

常用于有机化学和生物化学分析

（4）离子计数器其灵敏度很高

主要用于地球化学和宇宙学研究

质谱仪的第五个组成部分是真空系统

质谱仪的离子源

质量分析器和检测器必须在

高真空状态下工作

高真空系统一般由机械泵

和扩散泵或分子涡轮泵串联组成

通常用机械泵预抽真空

然后用扩散泵或分子涡轮泵将真空度

降至质谱仪工作需要的高真空度

质谱仪可分为四大类

第一类是有机质谱仪

主要用于有机化合物的结构鉴定

如磁质谱仪

四极杆质谱仪

离子阱质谱仪

飞行时间质谱仪

傅里叶变换质谱仪

第二类是无机质谱仪

主要用于无机元素微量分析

和同位素分析等方面

如火花源质谱仪

离子探针质谱仪

激光探针质谱仪

辉光放电质谱仪

电感耦合等离子体质谱仪

第三类同位素质谱仪

能精确测定元素的同位素比值

第四类是离子探针

用聚焦的一次离子束

作为微探针轰击样品表面

溅射出原子及分子的二次离子

在磁场中按质荷比分开

可获得材料微区质谱图谱及离子图像

再通过分析计算求得

元素的定性和定量信息

在这四类质谱仪中

最常用的是有机质谱仪

下面这个表是磁质谱仪

四极杆质谱仪

离子阱质谱仪

飞行时间质谱仪

傅里叶变换质谱仪五种

最常见有机质谱仪的比较

磁质谱仪是根据相同动能的离子

在相同磁场中的偏转不同而分离

定量能力最强

但少用

仅用于地质元素和痕量二噁英检测

四级杆质谱仪是

通过四根电极杆组成的电势场

选择性允许单一质荷

比离子通过而分离

最常见

定量能力突出

在气相色谱-质谱联用中占绝大多数

离子阱质谱仪是通过一对环形电极

和两个双曲面端盖电极组成的

离子阱将质荷比不同的离子分离

是最简单的串联质谱仪

常用于结构鉴定

飞行时间质谱仪是利用动能相同的离子

飞行相同距离所用时间不同进行分离

分析速度最快

适合于液相色谱-质谱联用分析

傅里叶变换质谱仪是基于

不同质荷比离子在均匀磁场中的

回旋运动半径不同进行分离

分辨能力最高

常用于高端科学研究

不同的质谱仪各有优缺点

在实际应用中

我们可以根据不同的分析对象

和应用要求来合理选择不同的质谱仪

好

我们今天的课程就到这里

谢谢大家