第六章 质谱1

1、第六章第六章 质谱法质谱法有机质谱有机质谱同位素质谱同位素质谱无机质谱无机质谱质谱的分类质谱的分类:质谱仪器按用途可分为：质谱仪器按用途可分为：同位素质谱仪同位素质谱仪测定同位素丰度测定同位素丰度无机质谱仪无机质谱仪测定无机化合物测定无机化合物有机质谱仪有机质谱仪测定有机化合物的分子结构测定有机化合物的分子结构质谱仪器的分类质谱仪器的分类1950s 1950s 成为有机物结构分析的重要手段成为有机物结构分析的重要手段1960s 1960s 色谱色谱- -质谱联用技术出现质谱联用技术出现 （有机混合物的分析）（有机混合物的分析）1980s 1980s 生物化学中的应用生物化学中的应用1990s

2、1990s 生物质谱学的形成生物质谱学的形成 有机质谱的发展有机质谱的发展 分子受一定能量的电子流冲击后，失去一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个电子而成为带正电荷的离子M+,叫分子离子。叫分子离子。分子离子继续裂解成不同的正离子。分子离子继续裂解成不同的正离子。这些阳离这些阳离子在电场和磁场的综合作用下，子在电场和磁场的综合作用下，按照其质量数按照其质量数m和电荷数和电荷数Z的比值的比值(m/z，质荷比，质荷比)大小依次排大小依次排列成谱被记录下来，称为质谱。列成谱被记录下来，称为质谱。 M电子流M-e碎片质谱法质谱法1. 应用范围广；应用范围广；2. 灵敏度高

3、，样品用量少；灵敏度高，样品用量少；3. 分析速度快分析速度快;4. 能同时提供有机样品的精确相对分子质量、元素能同时提供有机样品的精确相对分子质量、元素组成、碳骨架及官能团结构信息；组成、碳骨架及官能团结构信息；5. 测定有机物强有力的工具；测定有机物强有力的工具；6. 质谱仪结构复杂质谱仪结构复杂,价格昂贵价格昂贵,使用和维修比较困难使用和维修比较困难;7. 样品被破坏样品被破坏,无法回收。无法回收。特点：特点：第一节第一节 仪器及原理仪器及原理 正离子质谱（主要）正离子质谱（主要） 负离子质谱负离子质谱 带正电荷的分子离子及碎片离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，

4、子，按质荷比大小依次经过质谱仪，在其相应的质荷比在其相应的质荷比(m/z)值处出现峰，值处出现峰，并依质荷比并依质荷比(m/z)大小排列得到质谱大小排列得到质谱图。图。质谱图可用条图和表格形式表示。质谱图可用条图和表格形式表示。 质谱图一般采用条图，横轴表示质荷比质谱图一般采用条图，横轴表示质荷比(m/z)；纵轴表示峰的相对强度或称相对丰度。纵轴表示峰的相对强度或称相对丰度。基峰基峰 纵轴是以图中最强的离子峰（基准纵轴是以图中最强的离子峰（基准峰，也叫基峰）的峰高作为峰，也叫基峰）的峰高作为100%，而以，而以对它的百分比来表示其它离子峰的强度。对它的百分比来表示其它离子峰的强度。当然，峰越高

5、表示形成的离子越多，也当然，峰越高表示形成的离子越多，也就是说，谱线的强度是与离子的多少成就是说，谱线的强度是与离子的多少成正比的。正比的。一、质谱仪一、质谱仪计算机数据计算机数据处理系统处理系统真空系统真空系统 供电系统供电系统进样系统进样系统离子源离子源质量分析器质量分析器检测器检测器 1、进样系统、进样系统: 把分析样品导入离子源的装置把分析样品导入离子源的装置, 包括包括:直接进样直接进样,GC,LC及接口及接口,加热进加热进样样,参考物进样等。参考物进样等。2、离子源、离子源: 使被分析样品的原子或分子离化为使被分析样品的原子或分子离化为带电粒子带电粒子(离子离子)的装置的装置,并对

6、离子进行加并对离子进行加速使其进入分析器，根据离子化方式的速使其进入分析器，根据离子化方式的不同不同,有机常用的有如下几种有机常用的有如下几种,其中其中EI,ESI最常用。最常用。电子轰击（电子轰击（EIEI）化学电离（化学电离（CICI）场电离（场电离（FIFI）、场解析（场解析（FDFD）快原子轰击（快原子轰击（FABFAB）、二次离子质谱法二次离子质谱法(SIMS)(SIMS)基质辅助激光解吸电离法基质辅助激光解吸电离法(MALDI)(MALDI)锎锎-252-252离子解吸电离离子解吸电离热喷雾电离和电喷雾电离热喷雾电离和电喷雾电离电离方式电离方式:（1 1）电子轰击电离（）电子轰击电

7、离（EIEI） 利用一定能量的电子与气相中的样品利用一定能量的电子与气相中的样品分子相互作用（分子相互作用（“轰击轰击”），使分子失去），使分子失去价电子电离成分子离子，当分子离子具有价电子电离成分子离子，当分子离子具有的剩余能量大于其某些化学键的键能时，的剩余能量大于其某些化学键的键能时，分子离子便发生碎裂，生成碎片离子分子离子便发生碎裂，生成碎片离子。吡啶的电离效率曲线吡啶的电离效率曲线大部分有机物的电离大部分有机物的电离电压为电压为 7 71515eVeV电子轰击质谱常用的电子轰击质谱常用的电离电压为电离电压为70eV 70eV 所以分子离子有较所以分子离子有较多剩余能量，能产生多剩余能

8、量，能产生丰富的碎片离子。丰富的碎片离子。轰击电子的能量轰击电子的能量 ABCD e (气态分子气态分子) (70eV)A A+ + + B+ B ABCD ABCD+ + ( (分子离子分子离子) )2e2eABCABC+ + + D + D ABAB+ + + C+ CABC ABC + D+ D+ +ABAB+ +CD+CD ADAD+ + +BC +BC有机分子电离、碎裂示意图有机分子电离、碎裂示意图离子源的结构简单，操作方便，方法成熟，是经典、离子源的结构简单，操作方便，方法成熟，是经典、 常规的有机物电离方法。常规的有机物电离方法。碎片离子提供丰富的结构信息。碎片离子提供丰富的结构

9、信息。EIEI通常得到正离子，质谱图具有很好的重现性通常得到正离子，质谱图具有很好的重现性, ,已积已积 累了十几万张标准谱图（累了十几万张标准谱图（ 70eV70eV）, ,便于比对。便于比对。70eV70eV的轰击电子能量使部分化合物的分子离子太弱或不出现；的轰击电子能量使部分化合物的分子离子太弱或不出现；要求样品先气化然后才能电离，限制了应用范围。要求样品先气化然后才能电离，限制了应用范围。 EIEI的特点：的特点： 利用电子轰击源分析有机物，如果利用电子轰击源分析有机物，如果被分析的样品相对分子质量太大或稳定被分析的样品相对分子质量太大或稳定性差时，不容易得到分子离子，因而也性差时，不

10、容易得到分子离子，因而也不能测定相对分子质量。化学电离源就不能测定相对分子质量。化学电离源就是为了解决这个问题而发展起来的一项是为了解决这个问题而发展起来的一项技术。技术。化学电离（化学电离（Chemical Ionization，CI） 在离子源中引入大量的反应气体，在离子源中引入大量的反应气体，样品直接导入离子源并气化，在大量反样品直接导入离子源并气化，在大量反应气体的气氛中，灯丝发射的电子不是应气体的气氛中，灯丝发射的电子不是直接轰击样品分子而首先与反应气体分直接轰击样品分子而首先与反应气体分子发生作用产生反应离子，这些离子再子发生作用产生反应离子，这些离子再与样品分子发生离子与样品分子

11、发生离子-分子反应实现电离。分子反应实现电离。通常使用的反应气体有通常使用的反应气体有:甲烷、异丁烷、甲烷、异丁烷、氨等。氨等。 反应气体一般是甲烷、异丁烷、氨等反应气体一般是甲烷、异丁烷、氨等, 生成生成(M+H)+, (M-H)+, (M+NH4)+ 的准分子离子。的准分子离子。l例：例：CH4 + e CH4+ + 2el CH4+ + CH4 CH5+ + CH3 l CH5+ + M CH4 + (M+H)+ l CH5+ + M CH4 + (M-H)+ + H2优点：优点：准分子离子峰强度高，便于推算分子量；准分子离子峰强度高，便于推算分子量；缺点：缺点：1）只适用于易挥发、受热

12、不分解的样品；）只适用于易挥发、受热不分解的样品；2）碎片离子峰少，强度低。）碎片离子峰少，强度低。 场电离（场电离（field ionization, FI） 气态样品分子在在强电场（气态样品分子在在强电场（107-108V/cm2）的作用下发生电离。）的作用下发生电离。 要求样品分子处于气态要求样品分子处于气态, 灵敏度不高灵敏度不高, 应用逐渐减少。应用逐渐减少。 样品不需气化样品不需气化, 将样品吸附在作为将样品吸附在作为场离子发射体的金属丝上场离子发射体的金属丝上, 送入离子源送入离子源, 然后通以微弱电流然后通以微弱电流, 使样品分子从发射使样品分子从发射体上解吸下来体上解吸下来,

13、 并扩散至高场强的场发并扩散至高场强的场发射区射区, 进行离子化。进行离子化。 FD特点：特点：vFDFD通常得到分子离子峰通常得到分子离子峰M M+ +，而，而M+HM+H+ +丰度较低，丰度较低，只有一些极性较强的化合物会出现较强的只有一些极性较强的化合物会出现较强的M+HM+H+ +峰；峰；v由于多余的能量很少，所以碎片离子峰非常少。由于多余的能量很少，所以碎片离子峰非常少。v不需要样品气化，因此，特别适合于难气化和不需要样品气化，因此，特别适合于难气化和热稳定性差的固体样品的分析，在天然产物的研热稳定性差的固体样品的分析，在天然产物的研究上有广泛应用；也可用于混合物直接分析。究上有广泛

14、应用；也可用于混合物直接分析。v操作复杂，难度大。操作复杂，难度大。 FI和和FD的共同特点是形成的的共同特点是形成的M+没没有过多的剩余内能，减少了分子离子有过多的剩余内能，减少了分子离子进一步裂解的概率，增加了分子离子进一步裂解的概率，增加了分子离子峰的丰度，碎片离子峰相对减少。这峰的丰度，碎片离子峰相对减少。这两种源应用已不多。两种源应用已不多。（4）快原子轰击电离快原子轰击电离（Fast Atom Bombardment Ionizationg FAB）二次离子质谱二次离子质谱（Secondary Ionization Mass Spectrometery SIMS） FAB： 样品被

15、混合在粘稠液体基质中涂于样品被混合在粘稠液体基质中涂于靶上（常用基质有甘油、间硝基苄醇、靶上（常用基质有甘油、间硝基苄醇、二乙醇胺等二乙醇胺等)。高能量的。高能量的Ar+进入充满氩进入充满氩气的原子枪，在原子枪内气的原子枪，在原子枪内Ar+与与Ar发生发生电荷交换，产生高能量的中性电荷交换，产生高能量的中性Ar原子束原子束对样品靶进行轰击使样品分子离子化。对样品靶进行轰击使样品分子离子化。 FAB示意图示意图离子枪样样品品质质量量分分析析器器Ar(6-10KV)Ar+中和器中和器离子枪离子枪l灵敏度高，适用于对热不稳定、极性强的分灵敏度高，适用于对热不稳定、极性强的分子，如肽、蛋白质、金属有机

16、物等。子，如肽、蛋白质、金属有机物等。 l l 基质分子会产生干扰峰。基质分子会产生干扰峰。 FAB特点：特点：二次离子质谱（二次离子质谱（SIMS）v二次离子质谱使用的是离子束。由二次离子质谱使用的是离子束。由氩灯丝产生氩灯丝产生Ar+离子束，经加速后离子束，经加速后打在涂有样品的靶上，使之产生二打在涂有样品的靶上，使之产生二次离子。次离子。 l特别适合于高极性、难气化、大分子量以及热稳特别适合于高极性、难气化、大分子量以及热稳定性差的样品分析，适用于药物、金属有机化合定性差的样品分析，适用于药物、金属有机化合物和多肽和蛋白质中氨基酸序列的测定。物和多肽和蛋白质中氨基酸序列的测定。l产生准分

17、子离子峰产生准分子离子峰M+HM+H+ + ( (质子转移质子转移) )、M+NaM+Na+ +（若有金属盐存在），还可能与基质加合产生加（若有金属盐存在），还可能与基质加合产生加合离子合离子M+G+HM+G+H+ +（G G为基质分子）。还会产生一为基质分子）。还会产生一定的碎片离子，提供结构信息。定的碎片离子，提供结构信息。 快原子轰击法和二次离子质谱法特点：快原子轰击法和二次离子质谱法特点：l由于样品需溶解或分散在高沸点的基质材料中由于样品需溶解或分散在高沸点的基质材料中（甘油、三乙醇胺、聚乙二醇），基质会产生（甘油、三乙醇胺、聚乙二醇），基质会产生相应的峰，谱图中总是存在大量的基质离子

18、峰，相应的峰，谱图中总是存在大量的基质离子峰，特别在低质荷比端有特别在低质荷比端有 GGHH 、2G2GHH、GGNaNa 等基质形成的干扰离子，使得到的谱图等基质形成的干扰离子，使得到的谱图比较复杂，背景干扰较大比较复杂，背景干扰较大 。 l将样品分散于基质中形成共结晶薄膜将样品分散于基质中形成共结晶薄膜, ,用一定用一定波长的脉冲式激光照射样品与基质，基质分子波长的脉冲式激光照射样品与基质，基质分子从激光中吸收能量传递给样品分子，使样品分从激光中吸收能量传递给样品分子，使样品分子瞬间进入气相并电离。子瞬间进入气相并电离。lMALDIMALDI主要通过质子转移得到单电荷离子主要通过质子转移得

19、到单电荷离子M M+ +和和M+HM+H+ +，也会与基质产生加合离子，有时也会，也会与基质产生加合离子，有时也会得到多电荷离子。由于这些离子的过剩能量很得到多电荷离子。由于这些离子的过剩能量很少，因此较少产生碎片离子。少，因此较少产生碎片离子。 基质辅助激光解析电离基质辅助激光解析电离 (Matrix assisted Laser Desorption Ionization， MALDI)l(MALDI)(MALDI)能使一些难电离的化合物电离，特别是生物能使一些难电离的化合物电离，特别是生物大分子化合物：蛋白质、核酸和肽类化合物的分析获大分子化合物：蛋白质、核酸和肽类化合物的分析获得成功，

20、现已测得分子量高达得成功，现已测得分子量高达30304040万的蛋白质。万的蛋白质。l由于应用脉冲式激光，由于应用脉冲式激光，MALDIMALDI特别适合与飞行时间质特别适合与飞行时间质谱（谱（TOFTOF）相配，也可以与傅立叶变换质谱联用。）相配，也可以与傅立叶变换质谱联用。lMALDIMALDI的缺点是由于使用基质，会产生背景干扰的缺点是由于使用基质，会产生背景干扰 。(6)锎锎-252离子解吸电离离子解吸电离l适用于热不稳定的、难于气化的有适用于热不稳定的、难于气化的有机化合物分析。机化合物分析。S、S、 v电喷雾通常要选择合适的溶剂。极性溶电喷雾通常要选择合适的溶剂。极性溶剂如甲醇和已

21、腈都有助于样品分子电离，剂如甲醇和已腈都有助于样品分子电离，十分适合于电喷雾电离；其他适用的溶剂十分适合于电喷雾电离；其他适用的溶剂还包括：二氯甲烷、三氯甲烷甲醇混合还包括：二氯甲烷、三氯甲烷甲醇混合物、二甲基亚砜（物、二甲基亚砜（DMSO）、四氢呋喃）、四氢呋喃（THF）、丙酮及二甲基甲酰胺。不适合）、丙酮及二甲基甲酰胺。不适合ESI的溶剂有：烃类（如正己烷）、芳香的溶剂有：烃类（如正己烷）、芳香族化合物及其他非极性溶剂。族化合物及其他非极性溶剂。 电喷雾质谱特点电喷雾质谱特点小分子化合物的电喷雾质谱（小分子化合物的电喷雾质谱（ESIESI）容易得到）容易得到M+HM+H+ +、M+NaM+

22、Na+ +、M+KM+K+ +、2M+H2M+H+ +、2M+Na2M+Na+ +、2M+K2M+K+ +、M+NHM+NH4 4 + +或或M-HM-H- -等单电荷离子，选择相等单电荷离子，选择相应的正离子或负离子检测，就可得到物质的分子量。应的正离子或负离子检测，就可得到物质的分子量。 生物大分子如蛋白质、肽类、氨基酸和核酸则容易生物大分子如蛋白质、肽类、氨基酸和核酸则容易得到多电荷离子，如得到多电荷离子，如M+nHM+nHn+n+、M+nNaM+nNan+n+、M-M-nHnHn-n-, ,并且所带电荷数随分子量的增大而增加。通并且所带电荷数随分子量的增大而增加。通过数据处理系统或通过

23、公式计算能够得到样品的分过数据处理系统或通过公式计算能够得到样品的分子量。子量。3、质量分析器质量分析器 质量分析器是质谱仪的核心部分，它的作用质量分析器是质谱仪的核心部分，它的作用是将离子源内得到的离子按质荷比分离并送是将离子源内得到的离子按质荷比分离并送入检测器检测。入检测器检测。质谱仪的类型就是按质量分析器来划分的。质谱仪的类型就是按质量分析器来划分的。应用较广泛的几种：应用较广泛的几种：l单聚焦分析器单聚焦分析器l双聚焦分析器双聚焦分析器l四极质谱分析器四极质谱分析器l离子阱质量分析器离子阱质量分析器l飞行时间质量分析器飞行时间质量分析器l傅里叶变换离子回旋共振质傅里叶变换离子回旋共振

24、质谱谱4、检测器、检测器:l接收离子束流的装置接收离子束流的装置,l有有:直接电检测器直接电检测器l 电子倍增器电子倍增器l 闪烁检测器闪烁检测器l 微通道板微通道板 由接口、计算机、软件构成由接口、计算机、软件构成 不仅用作数据采集、存储、处理、检索和不仅用作数据采集、存储、处理、检索和仪器的自动控制，而且还拓展了质谱仪的功仪器的自动控制，而且还拓展了质谱仪的功能。能。5、计算机及打印机、计算机及打印机1. 质量范围（质量范围（mass range） 质谱仪所能测定的离子质荷比的范围。质谱仪所能测定的离子质荷比的范围。 四极质谱：四极质谱： 1000以内以内 离子阱质谱：离子阱质谱： 600

25、0 飞行时间质谱：飞行时间质谱： 无上限无上限二、质谱仪性能指标二、质谱仪性能指标2. 分辨率（分辨率（resolution）分辨率分辨率R是指质荷比相邻的两质谱峰的是指质荷比相邻的两质谱峰的分辨能力。分辨能力。若近似等强度的质量分别为若近似等强度的质量分别为M1及及M2的的两个相邻峰正好分开，则质谱仪的分两个相邻峰正好分开，则质谱仪的分辨率定义为：辨率定义为：R = M = M2 -M1M M所谓两种离子正好被分离所谓两种离子正好被分离,国际上大多采用国际上大多采用10%谷底谷底的定义的定义,即该两种离子峰间的峰谷高度如低于两峰平即该两种离子峰间的峰谷高度如低于两峰平均高度的均高度的10%,

26、则认为该两离子已被分离。则认为该两离子已被分离。h=(h1+h2)/2 100%10%hah1h2al低分辨率质谱：低分辨率质谱： R 10 000l中分辨率质谱：中分辨率质谱： 10 000 R 30 000l高分辨率质谱：高分辨率质谱： R 50 0003.灵敏度（灵敏度（sensitivity）l有多种定义方法有多种定义方法,粗略地说是表示所粗略地说是表示所能检查出的最小量能检查出的最小量,一般可达到一般可达到10-10克甚至更低。克甚至更低。4、准确度、准确度 指质谱分析的测量值与真实值指质谱分析的测量值与真实值的偏差。的偏差。5、精密度、精密度l指质谱分析所得各个测量值之间指质谱分析

27、所得各个测量值之间的偏差。的偏差。三、质谱仪的联用技术三、质谱仪的联用技术l质谱仪可以与其他仪器联用。质谱仪可以与其他仪器联用。 如：如：l气相色谱气相色谱-质谱联用（质谱联用（GC-MS）l高效液相色谱高效液相色谱-质谱联用（质谱联用（HPLC-MS）l质谱质谱-质谱联用（质谱联用（MS-MS）第二节第二节 质谱裂解表示法质谱裂解表示法一、正电荷表示法一、正电荷表示法 偶电子离子（偶电子离子（EE，ion of even electrons）用）用“+”表示，表示，奇电子的离子（奇电子的离子（OE, ion of odd electrons）用）用 “+”表示。表示。 正电荷一般留在分子中杂原子、不饱正电荷一般留在分子