同位素质谱分析70页PPT

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用天平精确测量 质谱测定丰度比
在射频功率1500 ～ 1600W , 载气流速1.18 L/min , 取样深 度7.5 ～ 6.9 mm , 积分时间 0.4 s 条件下, 能够获得准确的 同位素比值。
剑鱼粉中汞的测定平均值 为(5.26 ±0.15)mg/kg ,在标 准值(5.30 ±0.24)mg/kg 的 不确定度范围内,说明该方 法测量结果符合很好。
• 具有一定的医疗价值
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通过同位素稀释LC-MS / MS定量测定婴儿 配方奶粉和乳制品中的一氟乙酸钠 “1080”
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MFA（monofluoroacetate），是一种被称为“1080”的农 药，对包括人在内的哺乳动物具有高毒性的有机氟化合物。
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用同位素稀释法（分析物/ IS面积比（= y）对分析物/ IS浓度比 （= x））进行MFA的定量，使用乙腈中0到40 ng·ml-1的六个校 准水平（每个水平含有20 ng ml-1的IS）。 用于以μg·kg-1表示MFA的最终方程式如下：
Aa是样品中分析物的峰面积 Ais是样本中IS的峰面积 I和S分别是回归线的截距和斜率 mis是以ng为单位添加到测试部分的IS的质量 ma是测试部分的质量（g）
乳清蛋白粉末的LOQ为5μg·kg-1，婴儿配方奶粉和相 关乳制品的定量限（LOQ）为1μg·kg-1。
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发展历史
IDMS在20世纪50年代的早期应用与质谱仪能进行定量比率测 量以及可以分离同位素息息相关地。
1969年，NIST第一次应用IDMS来对标准物质进行测量，并 且用于判断两种方法之间的正确性。
在核工业领域，以及在同位素地质学领域，运用IDMS进行 同位素的定量分析。

➢质量不同的同位素分子具有不同的分子振动频率和化学键
强度。轻同位素形成的键比重同位素的键更易破裂，因此轻 同位素的反应速率高，易在生成物中聚集。
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同位素研究基础
同位素分馏的通用表达法(Expression)
选定某一个样品的R值做标准，其它样品的R值与该标准对照， 便可知道这些样品的同位素比标准富集或贫化的程度。通常，这 种相对富集或相对贫化的程度用δ表示：
两步还原法 淡水、海水 N、O
少
δ15N：±0.2 低 δ18O：±0.3
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存在问题
• 如何利用最少指标得到最准确的数据？有没有更好的替代指标使得工作量小 且结果准确？ • 用不用测当地源污染同位素范围？滞留作用会影响同位素值，使得计算得到 的同位素值存在误差。分馏作用的程度怎样判断？全面深入分析氮源在迁移转化 过程中对同位素值的影响因素，建立模型定量分析氮的分馏作用对同位素源识别 具有重要意义。 • 精确性的保证。从采样点的设置、样品预处理到最终的模型计算都会对结果 产生影响。如何有效提取和纯化样品，避免同位素制备过程中的同位素污染及分 馏？ • 综合考虑氮源及引起同位素分馏的因素，如何优化现有的数学模型或者开发 新的计算模型？
δ（‰）=（R样-R标）/R标 * 1000 δ＞0，样品比标准更富集；δ＜0，比标准更贫化；δ=0，与 标准具相同同位素比值。
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同位素研究基础
一些国际通用标准(International Standard)：
➢ SMOW——standard mean ocean water H/O 同位素标准
➢ PDB——Peedee Belemnite(南卡罗林纳州白 垩系）C/O同位素
➢ CDT——Canyon Diablo troilite（亚利桑纳 州迪亚布罗峡谷铁陨石中的陨硫 铁)S同位素

CH2 CH2 CH2 CH2
CH2 CH2
CH2 CH2
CH3 CH3
43 H3C 29 H3C 15 CH3
CH2 CH2
CH2 CH2 CH3
CH2
CH2 CH2 CH2 CH3
CH2 CH2 CH2 CH2 CH3
三、α―断裂
BAZ
R CH2 OH R CH2 OR' R CH2 NR'2 R CH2 SR'
39 51 65 77
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140
CH2 CH2 CH2 CH3
CH2CH2CH3
m/z=134
m/z=39 HC
m/z=65 CH
HC
CH
CH2 m/z=91
m/z=91
H2 C
CH2 CH H CH3
CH2 HC
四极杆质量分离器
二、仪器与结构
三、联用仪器
仪器内部结构
联用仪器（ THE GC/MS PROCESS ）
1.0 DEG/MI
N
HEWLET 5972A PTACKAR D
Mass Selective Detector
Sample
DC AB
Sample
HEWLETT PACKARD
5890
Gas Chromatograph (GC)
BCD• + A +
B• + A +
ABCD+
CD• + AB +
A•+ B+
碎
片
D• + C + 离

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（3）麦氏重排
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四、醇
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五、酚
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六、醛酮
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八、胺
1、分子离子峰 脂肪族胺的分子离子峰很弱， 环胺、芳胺的分子离子峰很强。
2、断裂方式
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九、酰胺
1、分子离子峰 酰胺类分子离子峰通常可测到。
2、断裂方式（具有羰基裂解的特点）
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十、硝基化合物
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这规则用于其他碎片离子时，则是含偶数个氮原子的奇电子 离子其质量是偶数；而含偶数个氮原子的偶电子离子其质量 将是奇数。而分子离子均是奇电子离子。应含偶数个（不含 氮）氮原子。 （4）必须有合理的质量碎片的丢失。分子离子峰的裂解过程 中常常会失去小质量的中性碎 片和自由基。因此裂解过程中 分子离子（母离子）与子离子之间的质量差一定要合理，例 如出现质量差15或18，就丢失-CH3或一个分子水是合理的。 而丢失4~13原子质量单位是不合理的。因为分子离子
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醇类容易失水，出现(M-18) +峰。有些硝基化合物、易于分 解的有机化合物及支链烷烃，在电子轰击条件下得不到分子 离子峰，只有碎片峰。
（3）分子离子应符合氮规则。有机化合物主要由C、H、O、 N、S、CI、Br、1、F、P等元素组成。在质谱中有机化合 物分子中含有偶数个（包括零）氮原子的分子离子，质量一 定是偶数；而含有奇数个氮原子的分子离子，质量数一定是 奇数，这个规则称为“氮规则”。因为某些元素的最大丰度 的同位素（轻同位素）的原子的质量数为偶数，其化合价亦

正癸烷
29 15
71 85 99 113 142
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m/z
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3. 同位素离子
组成有机化合物的多数元素都具有天然同位素，如 C、H、O、N、S、Cl、Br等，因此，在质谱中除 了最轻同位素所形成的Ｍ峰以外，还会现一个或多 个重同位素形成的Ｍ＋１、Ｍ＋２、Ｍ＋３等，这 些峰成为同位素离子峰
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特点：
◆质谱不属波谱范围
◆质谱图与电磁波的波长和分子内某种物理量 的改变无关
◆质谱是分子离子及碎片离子的质量与其相对 强度的谱, 谱图与分子结构有关
◆质谱法进样量少, 灵敏度高, 分析速度快
◆质谱是唯一可以给出分子量, 确定分子式的方
法, 而分子式的确定对化合物的结构鉴定是至关
重要。
峰外）
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有机化合物分子离子峰的稳定性顺序：
芳香化合物＞共轭链烯＞烯烃＞脂环化合物＞直链烷烃＞酮＞胺＞
酯＞醚＞酸＞支链烷烃＞醇．
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2. 碎片离子
一般有机化合物的电离能为７－13电子伏特，质谱中常 用的电离电压为70电子伏特，使分子离子的化学键进一 步断裂，产生质量数较低的各种“碎片”离子，在质谱
最常见的是麦氏重排可以发生麦氏重排的化合物， 有醛、酮、酸、酯等含C=Z的化合物（Z为O、S、N、 C等），及烯烃类和苯类化合物等。
R4 CH
H
Z
R4 C H
ZH
CH
C
R3
CH
R1
R2
CH R3
C
HC
R1
R2
化合物必须具有的结构特征最新是版整分理p子pt 中不仅有一个双

Ag *Ag Ab
Bound
Free
B
F B/F
0.67 0.33 2
0.50 0.50 1
0.33 0.67 0.5
0.17 0.83 0.2
竞争放射分析原理示意图
在Ab

A
g

A
g
,
且
[
A
b
]
0
和
[
A
* g
]一定的条件下，
B / F或 B /( F B) f(A g ) 反应剂量曲线。
只需部分分离，测定 Sm。
例题
测定152.6mg蛋百质水解液中甘氨酸的含量。 为此，将比活度为96.2cpm/mg的5.07mg14C-甘氨 酸加到水解液，混均后分离出部分纯的甘氨酸， 测得其比活度51.3cpm/mg。
则
W XW 0(S Sm 01)5.0(9 5 7..2 3 6 11)4.4(m 4)g
a. 滴度——血清中抗体的浓度。定义为B/T%＝50%时抗血清的 稀释倍数。
K50[[A Agg]A [Abb]][A1b]50
b. 特异性——抗原—抗体反应的专一程度。特异性高，则抗 干扰能力强。用抗原类似物交叉反应率描述。在[Ab]和 [Ag*]一定下，分别测定抗源及其类似物的反应剂量曲线 B/B0%-f(Ag),求出B50后按下式计算
非竞争 免疫放射分析 类型 结合蛋白--激素 竞争性结合蛋分析
受体-- 配体 竞争性受体-体配体分析
1.放射免疫分析(Radioimmunoassy,RIA)
建立在待测抗原物质对标记抗原与限量特异 性抗体的结合竞争抑制基础上的将免疫学反应高 度特异性与放射性测量高度灵敏性相结合的一种 超微量分析方法。 特点：灵敏度高(10-9 —10-12g)，特异性强， 重现性好，抗体可用免疫学方法根据需要制备。

1 同位素的基本概念
同位素的定义 同位素定义：核内质子数相同而中子数不同的同
一类原子。
同位素的分类： (1) 放射性同位素：原子核不稳定，能自发进行放射性衰
变或核裂变，而转变为其它一类核素的同位素称为放射性同 位素。
(2) 稳定同位素：原子核稳定，其本身不会自发进行放射 性衰变或核裂变的同位素。
s(u°lfCide)min3er.a9l a8nd
H2S
(Ohmoto
an1d 1R.y2e,41979),
it
should
be4.30
0408 and d34S0 = 21.
Oxidation processes M proedulcteinspgecpieos tihnatta(re7e6n0richTeod rinr3,4iSnre°laCtive) to the startin0g .m0a0terial, whereas reduc3tio.8n 1produces species tha0t .a2re8depleted in 34S.
100.00
101.42
100.14
cover: Cu Ba instead
of
Ca)
alsVo haapveoarsmparlleesffseuct:re
(at
100
°C,
in
Torr)
760,00
721.60
(3) analysis of natural samples for which independent estimates of temperature are available.
1934年诺贝尔化学奖获得者Urey奠定了同位 素取代的物理化学性质变化的理论基础，并把它 用于地球科学。1946年他在英国皇家学会上发表

器中, 受到外斥内吸的电场力( )的作用, 迫使离子作弧形运
动。
zE mv 2
R
结合 1 mv2 zV， 导出 2
R 2V E
静电分析器只允许具有特定能量的离子通过,达到能量聚
焦,提高仪器分辨率。
V:加速电压. E: 电位差.v: 速度. m: 质量.
离子在质谱仪中被电场加速。加速后其动能和位能相等, 即：
双聚焦质谱计:
+
静电分析器由两个同心圆板组成，两圆板之间保持一定的
电位差( )。
加速后的离子通过 静电场和磁场后, 达到能量聚焦、方 向聚焦和质量色散 的目的，使仪器的 分辨率大大提高。
R m1
m1
m2 m1 m
故在两峰质量数较小时，要求仪器分辨率越大。
静电分析器加在磁分析器之前。加速后的离子在静电分析
当化合物含奇数个氮时，该化合物分子量为奇数。
• 芳环（包括芳杂环）＞ 脂环化合物 ＞硫醚、硫酮 ＞ 共轭烯
分子离子峰比较明显。 • 直链醛、酮、酸、酯、酰胺、卤化物等通常显示
分子离子峰。 • 脂肪族醇、胺、亚硝酸酯、硝酸酯、硝基化合物 、
腈类及多支链化合物容易裂解，分子离子峰通常
很弱或不出现。
•如何判断分子式的合理性 该式的式量等于分子量；
具有未配对电子的离子为奇电子离子。M+. ，A+. 这样的离子同时也是自由基，具有较高的反应活性。 无未配对电子的离子为偶电子离子。如：D+
失掉两个以上电子的离子是多电荷离子。
比分子量多或少 1 质量单位的离子称为准分子离子，如： (M+H) + 、( M-H)+ 不含未配对电子，结构上比较稳定。
合理丢失峰(.CH3)，可认为m/z

（三）离子接收器
• 由一个有限制狭缝板和金属杯（法拉第圆筒组 成）。调节B，V，可使被分开的几个离子束依 次先后到达接收器，记录得到的是一系列峰和 谷，这就是被分析样品的质谱图。
五
• • • • • •
有关质谱计性能的几个概念
• • •
（一）质量数范围 （二）质量色散 D=△x/△M △ △ 即单位质量差所分开的距离。 （三）质量分辨率 R.P.(resoloving power)=M/△M △ （四）灵敏度 绝对灵敏度指仪器可检测出的最小样品量。相对 灵敏度指的是仪器可同时检测出的大组分与小组 分的含量之比。 丰度灵敏度=IM/△IM 丰度灵敏度 △ （五）精密度和准确度 S=[∑（xi-x）2/(n-1)]1/2 （ ）
第四节 稳定同位素地质应用
一 稳定同位素分馏概念 • 指在一系统中，某元素的同位理过程中： P141 • 分馏指数 α= RA/ RB RA：A物中 重/轻 物中 轻 RB：B物中 重/轻 物中 轻 • 同位素组成 δ=（K样品-K标样）/ K标样 α= （ RA/ RB=δA+1000/δB+1000
六 同位素比值测定方法 • （1）单接收法 • （2）双接收法： I1/ I2= （V1/ V2）*（R1/ （ R 2） • （3）多接收法 • （4）双进样法
第三节 稳定同位素样品制备与质谱 分析及应用
一 样品的制备 • C、H、O 、S 等同位素测定，须先将样品转变为 相应的气体。 • H－氢气 C、O—CO2气体 S－SO2 或SF6 （一）氢同位素制样 （1）还原法 制备水样通常采用还原法，还原剂为金属U、Zn、 Mg等。 （2）H2－H2O平衡法 H2—H20平衡法是一种在铀催化剂存在的条件下 用高纯度的氢气与水进行氢同位素平衡交换来测 定水中氢同位素组成的方法。

分析系统（analyzer system）
Ⅰ 离子源（ion source）
如样品原子电离电位低于金属表面电子的 逸出功(功函数)时，电子可以从样品原子中 逸出而迁移到金属表面，以正离子的形式蒸 发出来。如果样品原子的电子亲合势大于金 属表面电子逸出功时，样品原子能从金属表 面俘获电子，而以负离子的形式蒸发出来。 利用静电透镜将离子引出并聚焦成离子束， 供质谱分析用。
真空系统（pumping system）
分子泵则是利用高速旋转的涡轮叶片不断对被 抽气体施以定向的动量和压缩作用，将气体排走。 分子泵能达到和维持质谱仪器正常工作所需要的 10-6托以下的真空水平。
真空系统（pumping system）
钛离子泵是基于清除固体表面对中性气体的化 学吸附作用以及系统中的微量残余气体而设立的。 钛离子泵利用离子撞击钛阴极时产生的溅射现象， 不断在阳极表面形成新鲜的活性钛膜来吸附气体 分子，同时，电离生成的离子以一定能量打在阴 极表面而被吸附，以致能有效地抽除气体分子， 其极限真空可达10-9托。
分析系统（analyzer system）
Ⅱ 样品转盘（magazine drive）
样品转盘的功能就是选择分析样品，当做完一 个样品后，通过它选择下一个样品来进行分析； 或者可以选择任一个样品进行分析，同时，它还 具有辅助离子聚焦的作用（MAGAZINE FOCUS）。
分析系统（analyzer system）
分析系统（analyzer system）
Ⅰ 离子源（ion source）
MAT261质谱计离子源采用的是热表面电 离源，表面电离的原理是：将分析样品涂敷 在金属丝(带)表面上，在真空中通以电流使 金属丝炽热，样品因受热而蒸发。从表面上 蒸发的样品粒子大部分是中性粒子，但也有 一部分以正或负离子形式脱出表面。