仪器分析-MS[1]

1、质谱分析法质谱分析法北京化工大学理学院主讲教师：杜振霞内内 容容u 概述概述u 质谱仪：离子源和质量分析器质谱仪：离子源和质量分析器u 离子断裂机理离子断裂机理u 有机化合物的断裂规律有机化合物的断裂规律u 谱图解析谱图解析6.1概述概述6.1.1 质谱仪的发展简史质谱仪的发展简史 1912年：年： 世界第一台质谱装置世界第一台质谱装置 1940年代年代: 质谱仪用于同位素测定质谱仪用于同位素测定 1950年代：分析石油年代：分析石油 1960年代：研究年代：研究GC-MS联用技术联用技术 1970年代：商品年代：商品GC-MS出现，计算机引入，出现，计算机引入，GC-MS技技 术基本成熟。术

2、基本成熟。 1980年代：大气压电离的年代：大气压电离的LC-MS出现出现 1990年代：基质辅助激光解吸飞行时间年代：基质辅助激光解吸飞行时间 质谱仪出现，质谱仪出现，质谱技术大量用于生物医药领域，出现质谱技术大量用于生物医药领域，出现“生物质谱生物质谱”概念。概念。6.1.3质谱仪的分类质谱仪的分类 1 有机质谱仪：有机质谱仪： 1）气相色谱）气相色谱-质谱联用仪质谱联用仪 2）液相色谱）液相色谱-质谱联用仪质谱联用仪 3）其他质谱仪）其他质谱仪 傅立叶变换质谱仪傅立叶变换质谱仪 基质辅助激光解吸基质辅助激光解吸-飞行时间变质谱仪飞行时间变质谱仪 2 无机质谱仪：无机质谱仪：ICP-MS

3、3 同位素质谱仪：轻元素同位素，重元素同位素同位素质谱仪：轻元素同位素，重元素同位素 4 气体分析质谱仪气体分析质谱仪6.2 质谱仪器质谱仪器6.2.1一般有机质谱仪组成及工作原理一般有机质谱仪组成及工作原理 质量分析器检测器离子源真空系统离子源离子源质量分析器质量分析器数据系统数据系统离子检测器离子检测器真空系统真空系统进样系统进样系统GCLC直接进样探头直接进样探头四极质量分析器四极质量分析器 Quadrupole四极离子阱四极离子阱 IT 扇形场质谱量分析器扇形场质谱量分析器 Sector飞行时间质谱仪飞行时间质谱仪 TOF-MS离子回旋共振质谱仪离子回旋共振质谱仪 ICR-MS电子电离

4、电子电离 EI化学电离化学电离 CI场解吸场解吸 FD(FI)快原子轰击快原子轰击 FAB(LSIMS)热喷雾热喷雾 TS粒子束粒子束 PB电喷雾电喷雾 ESI大气压化学电离大气压化学电离 APCI基质辅助激光电离基质辅助激光电离 MALDI有机质谱仪的构成有机质谱仪的构成 EI-2倍增器倍增器 SEM微通道板微通道板 MCP进样系统进样系统(inlet system) GC LC 直接进样直接进样 离子源离子源(ion source) 质量分析器（质量分析器（mass analyzer） 检测器（检测器（detecter） 6.2.1

5、.5真空系统（真空系统（Vacuum system） 离子源离子源(ion source) 1 电子电离源电子电离源(electron ionization EI) 2 化学电离源化学电离源(chemical ionization CI) 3 快原子轰击快原子轰击(fast atom bombardment FAB) 4 电喷雾源电喷雾源(electronspray ionization ESI) 5 大气压化学电离源（大气压化学电离源（atmospheric pressure chemical ionization APCI) 6 基质辅助激光解吸电离源（基质辅助激光解吸电离

6、源（matrix assisted laser desorption ionization MALDI)1 电子轰击电离源电子轰击电离源(electron ionization EI)电子电离源（电子电离源（EI） 结构：结构：电离盒电离盒 灯丝灯丝 磁铁磁铁 原理：原理：电子轰击样品分子，使之电离电子轰击样品分子，使之电离 特点：特点： 1 电离电压：电离电压：70eV 2 加一小磁场增加电离几率。加一小磁场增加电离几率。 3 样品分子在电子轰击下，可以失去一个样品分子在电子轰击下，可以失去一个 电子形成电子形成分子离子，也可能化学键断裂形成碎片离子。分子离子，也可能化学键断裂形成碎片离子。

7、EI源碎片源碎片离子多，结构信息丰富，有标准化合物质谱库。离子多，结构信息丰富，有标准化合物质谱库。 4 样品在气态下电离，不能汽化的样品不能分析，样品在气态下电离，不能汽化的样品不能分析，主要用于气主要用于气-质联用仪。质联用仪。 5 有些样品得不到分子离子。有些样品得不到分子离子。优势：优势：自自 1947 年年 Nier A.O. 提出提出 EI 离子源至今，已发展了半个多世纪，离子源至今，已发展了半个多世纪，十分成熟。十分成熟。已积累了已积累了 20 多万个化合物的质谱图。多万个化合物的质谱图。是快速鉴定化合物的手段。是快速鉴定化合物的手段。目前仍然得到广泛的使用。目前仍然得到广泛的使

8、用。局限性：局限性：要求样品能气化要求样品能气化 (样品蒸气压样品蒸气压 10 -2 Pa)往往无分子峰往往无分子峰 (降低电子动能无助于获得分子峰降低电子动能无助于获得分子峰)负离子负离子 EI 灵敏度极低灵敏度极低EI 离子源离子源EI-5 (m a i nl i b ) A cetop henone2030405060708090100110120130 0 50 1002739434551637477859198102105120O (m a i nl i b ) Buta noi c a ci d , m ethyl ester102030405060708090100110 0 5

9、0 1001415182729313940414345535557596069717274758788102OO2 化学电离源化学电离源(chemical ionization CI)CH4 + e CH4 + + CH3 + + CH2 + + CH + + C+CH4+ + CH4 CH5 + + CH3CH3 + + CH4 C2H5+ + H2CH5+ + XH XH2 + CH4C2H5+ + XH X + + C2H6特点：得准分子离子，得不到标准质谱特点：得准分子离子，得不到标准质谱结构与结构与EI同同原理：原理：若以甲烷作为反应气，电离过程如下若以甲烷作为反应气，电离过程如下：

10、EI and CI Spectra50100150200250300350m/z0100%0100%0100%200183201217Scan CI+183105184211223Scan CI+10577517678182106181152183Scan EI+benzophenone, EIbenzophenonemethane CI+benzophenoneammonia CI+Comparison of EI with PCI using methane and ammoniaMW: 165M-17M-58麻黄碱：麻黄碱：EI (上上) vs CI(下下)EI (上上) vs CI(下

11、下)Butyl methacrylate (MW:142)： EI vs CIEICI (methane) CI (isobutane )邻苯二甲酸二辛酯：邻苯二甲酸二辛酯：EI vs CI 3 快原子轰击快原子轰击(fast atom bombardment FAB) FAB结构：见图结构：见图 原理：快原子原理：快原子(Ar或或Xe）轰击样品产生离子）轰击样品产生离子 特点：特点： 1 适用于极性强，难汽化，分子量大适用于极性强，难汽化，分子量大 的化合物分析的化合物分析 2 得准分子离子，如（得准分子离子，如（M+H)+ （M+Na)+ 碎片离子很少。碎片离子很少。 3 FAB一般用作磁

12、式质谱的离子源一般用作磁式质谱的离子源胆酸（胆酸（MW：408）：）：FAB (不同介质的影响不同介质的影响)溶于甘油溶于甘油（MW: 92MW: 92）溶于含溶于含0.14 mol 0.14 mol AgNOAgNO3 3的甘油的甘油大气压电离大气压电离 (API) 技术技术u ESI 和APCI 共同点:u 使用高电压元件和充气喷雾法产生气相离子u 通常产生 (M+H)+ 或 (M-H)- 等准分子离子u 产生极少的碎片，但可以控制产生结构碎片u 非常灵敏的技术电喷雾源电喷雾源(electronspray ionization ESI)结构：喷嘴，雾化气，干燥气结构：喷嘴，雾化气，干燥气原

13、理：喷雾原理：喷雾 蒸发蒸发 电压电压电喷雾离子化分为三个过程电喷雾离子化分为三个过程:1形成带电小液滴形成带电小液滴2溶剂蒸发和小液滴碎裂溶剂蒸发和小液滴碎裂3最终形成气相离子最终形成气相离子在在ESI高压电极处施以正的高电压高压电极处施以正的高电压, 小液滴从毛细管高速小液滴从毛细管高速喷出而带有过量的正电荷喷出而带有过量的正电荷.当在当在ESI高压电极处施以负的高电压，高压电极处施以负的高电压， 小液滴从毛细管小液滴从毛细管高速喷出而带有过量的负电荷高速喷出而带有过量的负电荷电喷雾源电喷雾源(ESI)特点：特点：1 电喷雾源属软电离技术，只产生分子离子，电喷雾源属软电离技术，只产生分子离

14、子， 不产生碎片离子。不产生碎片离子。2 产生的离子常常带有多电荷，尤其是生物大分子。产生的离子常常带有多电荷，尤其是生物大分子。3 适用于强极性，大分子量的样品分析适用于强极性，大分子量的样品分析 如肽，蛋白质，糖等如肽，蛋白质，糖等3 主要用于液相色谱主要用于液相色谱-质谱联用仪质谱联用仪ESI谱：锥空电压影响乳糖乳糖 (MW:342)：ESI vs EI(2-氨基丙基)-苯 (MW:135) EI vs ESIBuspirone：ESI vs EI100150200250300350400m/z255075100122386222150265180(M+H)+ESI ESI 的的 CID

15、 CID 谱谱EI EI 全谱全谱大气压化学电离（大气压化学电离（atmospheric pressure chemical ionization APCI)APCI的结构与电喷雾源大致相同，不同之处在于的结构与电喷雾源大致相同，不同之处在于APCI喷嘴的喷嘴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，产生气中某些中性分子电离，产生H3O+ ,N2+, O2+ O+等离子，溶剂等离子，溶剂分子也会电离，这些离子与分析物分子进行离子分子也会电离，这些离子与分析物分子进行离子-分子反应，分子反应，使分析物分子离

16、子化，这些反应过程包括由质子转移和电荷交使分析物分子离子化，这些反应过程包括由质子转移和电荷交换产生正离子，质子脱离和电子捕获产生负离子等。换产生正离子，质子脱离和电子捕获产生负离子等。大气压化学电离源主要用来分析中等极性的化合物，有些化合大气压化学电离源主要用来分析中等极性的化合物，有些化合物由于结构和极性方面的原因，物由于结构和极性方面的原因，ESI不能产生足够强的离子，不能产生足够强的离子，可以采用可以采用APCI 方式增加离子产率。方式增加离子产率。APCI 主要产生的是单电主要产生的是单电荷离子，所分析的化合物分子量一般小于荷离子，所分析的化合物分子量一般小于1000Da.Commo

17、n Ionisation MethodsuElectron ionisation EIuChemical ionisationCIuPositive ion chemical ionisationPCIuNegative ion chemical ionisationNCIuAtmospheric pressure ionisationAPIuElectrospray ionisation ESIuAtpmospheric pressure chemical ionisationAPCILC/MSGC/MSMolecular WeightNon-PolarPolarEI/CIElectrosp

18、rayAPCI100,0001000Which Ionisation Mode?Ionisation vs. FragmentationIonisationHardSoftNo FragmentsFragmentsAPIEICI6 基质辅助激光解吸电离（基质辅助激光解吸电离（matrix assisted laser Desorption ionization，MALDI)1）组成）组成 脉冲激光器脉冲激光器, 样品靶样品靶 基质：基质：2，5二羟基苯甲酸，芥子酸，二羟基苯甲酸，芥子酸，-氰基氰基-4-羟基肉桂酸羟基肉桂酸2）用于生物大分子的分析）用于生物大分子的分析被分析的样品置于涂有基质的

19、样品靶上，激光照射到样品靶上，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，基质分子吸收并传递激光能量，与样品分子一起蒸发到气相，并基质分子吸收并传递激光能量，与样品分子一起蒸发到气相，并使样品分子电离。使样品分子电离。MALDI 属于软电离属于软电离 技术，它比较适合于生物技术，它比较适合于生物大分子，如肽、蛋白质、核酸等。得到的质谱主要是分子离子，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。常用的基质有：准分子离子。常用的基质有：2，5-二羟基苯甲酸，芥子酸、烟酸二羟基苯甲酸，芥子酸、烟酸、肉桂酸等。、肉桂酸等。寡聚葡萄糖酸的寡聚葡萄糖酸的MALDI-TO

20、FMALDI-TOF, DHBM+Na+质量分析器质量分析器(mass aalyzer)质量分析器的作用是将离子源产生的离子按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、回旋共振分析器等分析器、离子阱分析器、飞行时间分析器、回旋共振分析器等。1 单聚焦分析器（单聚焦分析器（single focusing mass analyzer）2 双聚焦分析器（双聚焦分析器（double focusing mas

21、s analyzer）3 四极杆分析器四极杆分析器 (quadrupole analyzer)4 离子阱分析器离子阱分析器 (Ion trap)5 飞行时间分析器飞行时间分析器(time of flight）6 富立叶变换离子回旋共振富立叶变换离子回旋共振 （Fourier tranform ion cyclotron resonance）1 单聚焦分析器（单聚焦分析器（single focusing mass analyzer）1）结构）结构：扇形磁场扇形磁场（可以是（可以是1800 900600等）等）2）原理：）原理：RZmVBR21044. 1结论：结论：1 离子的离子的m/z大，偏转

22、半径也大，通过磁场大，偏转半径也大，通过磁场 可以把不同离子分开可以把不同离子分开2 在一定磁感应强度在一定磁感应强度B下，改变加速电压下，改变加速电压V 可以使不同离子先后通过检测器，可以使不同离子先后通过检测器， 实现质量扫描，得到质谱。实现质量扫描，得到质谱。3 特点特点 结构简单，操作方便，分辨率低结构简单，操作方便，分辨率低2 双聚焦分析器（双聚焦分析器（Doubpe focusing mass analyzer）结构结构：磁场：磁场 电场电场原理原理：单聚焦分析器分辨率低的主要原因在于：单聚焦分析器分辨率低的主要原因在于 它不能进行能量聚焦。它不能进行能量聚焦。 能量聚焦能量聚焦 方向聚焦方向聚焦 特点特点：分辨率高：分辨率高 操作复杂操作复杂3 四极杆分析器四极杆分析器 (quadrupole analyzer)结构结