[生物学]质谱介绍课件

1、第四章 质谱法Mass Spetrometry (MS)概述 分子质量精确测定与化合物结构分析的重要工具质谱仪的发展史1911年:世界第一台质谱装置（J. J. Thomson）早期应用： 原子质量、同位素相对丰度等40年代: 用于同位素测定和无机元素分析50年代：开始有机物分析（分析石油）60年代：研究GC-MS联用技术70年代：计算机引入80年代：新的质谱技术出现：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；LC-MS联用仪，感应耦合等离子体质谱仪，付立叶变换质谱仪等。 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、生命科学、运

2、动医学等各个领域。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。 一、 定义： 使待测的样品分子气化，用具有一定能量的电子束（或具有一定能量的快速原子）轰击气态分子，使气态分子失去一个电子而成为带正电的分子离子。分子离子还可能进一步断裂成各种碎片离子，所有的正离子在电场和磁场的综合作用下按质荷比（m/z）大小依次收集和记录就得到质谱图。5-1 质谱法的基本知识 二、质

3、谱仪质谱计主要由真空系统、进样系统、离子源、质量分析器、检测器、记录系统等六大部分组成离子源是样品分子电离成正离子的装置，质量分析器是正离子按不同质荷比进行分离的装置，是质谱仪的核心部分，各种质谱仪最重要的区别就在于离子源和质量分析器试样经汽化经进样系统离子源产生正离子同时被加速质量分析器按不同质荷比进行检测器 得到离子信号质谱质量分析器有： 1.单聚焦 2.双聚焦 3.飞行时间 4.四极杆质谱仪需要在高真空下工作：离子源（10-410 -5 Pa ） 质量分析器（10 -6 Pa ）以50-100eV能量的电子流轰击试样试样在离子源中被 离子化的方法有1. 电子轰击（EI）2. 化学电离（C

4、I）场致离（FI）和场解吸 （ FD ） 4. 快原子轰击（FAB）5. 电喷雾电离（ESI）三、质谱的基本原理1、进样化合物通过汽化引入离子源；.2、离子源在离子源中，试样分子被一束加速电子碰撞（能量约70eV），撞击使分子电离形成正离子；式中M为待测分子，M+为分子离子或母体离子3、离子也可因撞击强烈而形成碎片离子：4、正电荷离子被加速电压加速，产生一定的速度v，加速后其动能和位能相等，即： .（1）5、当被加速的离子进入质量分析器时，磁场再对离子进行作用（与其飞行方向垂直），使每个离子做弧形运动。其半径决定于各离子的质量和所带电荷的比值m/z。此时由离子动能产生的离心力(mv2/R)与由

5、磁场产生的向心力(Bzv)相等：其中：R为弧形半径 B为磁场强度由此式得：(2)代入(1)式得：（质谱基本方程）注意：若加速电压V和磁场强度B一定，不同m/z的离子，R不同的离子在质量分析器中被分开，一般重离子弧形半径R大，轻离子R小若R一定，改变V和BR，V一定，改变B，为磁场扫描法，当B又小到大变化时，先收集到（分离出）的是轻离子R，B一定，改变V，为电场扫描法，当V由小到大变化时，先收集到的是重离子 质谱图由横坐标、纵坐标和棒线组成。横坐标标明离子质荷比（m/z）的数值，纵坐标标明各峰的相对强度，棒线代表质荷比的离子。因多电荷离子比较少，质谱的横坐标就是离子的质量，峰的相对强弱表示该离子

6、的数量多少，图谱中最强的一个峰称为基峰，将它的强度定为100。丁酮的质谱图四、 质谱图的组成五、 质谱中离子的主要类型1. 分子离子 分子被电子束轰击失去一个电子形成的离子称为 分子离子。分子离子用 M 表示。在质谱图上，与分子离子相对应的峰为分子离子峰或母峰。特点：1）分子离子峰的质荷比就是化合物的相对分子质量，所以，用质谱法可测分子量。2）分子离子峰一般位于质谱图的最右端（除同位素峰外）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2. 碎片离子一般有机化合物的电离能为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

7、断裂，产生质量数较低的各种“碎片”离子，在质谱图上出现相应的峰，称为碎片离子峰。位于分子离子峰的左侧正己烷碎片离子峰正癸烷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峰以外，还会现一个或多个重同位素形成的、等，这些峰成为同位素离子峰最轻同位素天然丰度最大 分子离子峰 M+同位素离子峰 M+1 或 M+2 峰一些同位素的自然丰度常见同位素及其丰度元素最大丰度同位素 其他同位素 12C 100 13C 1.08H 1H 100 2H 0.02N 14N 100 15N 0.37O 16O 100 17O 0.0

8、4 18O 0.20S 32S 100 33S 0.78 34S 4.4Cl 35Cl 100 37Cl 32.5Br 79Br 100 81Br 97.3分子离子峰和同位素离子峰的相对强度是可以估算的：同位素峰M+!的强度（丰度）同位素离子峰M+2的强度（丰度）不同种类的同位素，其同位素峰强度的求法各不相同，如下分别介绍：（1）对于含C、H、O、N、S的化合物，其分子式表示成CwHxNyOzSq，M+1同位素峰相对于分子离子峰M的强度：M+2同位素峰相对于分子离子峰M的强度：例如C8H12N3O，同位素离子峰M+1、M+2的相对强度M：M+1：M+2=100：10.03：0.594（2）对于

9、含有Cl、Br的化合物，可用（a+b)n展开式各项比来估计分子离子峰和同位素离子峰的相对强度；其中：a为轻同位素丰度，b为重同位素丰度，n 为卤原子数目。含Cl原子含一个Cl原子 n=1 a:b=100:32.5=3:1所以（a+b)1=3+1 M: M+2=3:1b.含两个Cl原子 n=2 所以（a+b)2=(3+1 )2=9+6+1M：M+2：M+4=9:6:1含Br原子a.含一个Br原子 n=1 a:b=100:97.3=1:1所以（a+b)1=1+1 M：M+2=1:1b. a.含两个Br原子 n=2 所以（a+b)2=1+2+1 M：M+2：M+4=1:2:1c.若含3个Br原子 n

10、=3M：M+2：M+4：M+6=1：3：3：1(a+b)n3:19:6:127:27:9:1(1+1)(1+1)2(1+1)3(1+1)481Br/79Br=97.9:1001:11:11:2:11:3:3:11:4:6:4:1(a) 2-氯丙烷M+ 78M+2 80 (M+2)/M 1:3(b) 2-溴丁烷M+ 136M+2 138 (M+2)/M 1:14.亚稳离子 在离子源中产生的离子绝大多数能稳定的到达检测器，而有些不稳定离子 ，在从离子源抵达检测器途中会发生裂解质谱仪无法检测到这种中途裂解的离子。一般，离子从离子源到达检测器的时间为105s数量级，若离子M1,质量m1离子寿命105s

11、，足以到达检测器,测的其本身m1/z当离子寿命105s，测的是m2/z 在质谱解析中，m*可提供母离子和子离子之间的关系。 10-6s离子寿命m/z 99m/z 1132.不饱和脂肪烃链状烯烃产生M 具有CnH2n+1+、 CnH2n+和CnH2n-1+系列峰烯烃可以发生麦氏重排易发生烯丙断裂，生成很强的烯丙离子3.醇、醚、胺(1)醇1）分子离子峰均很弱2）易在电流的轰击下失水，形成脱水峰M-18,很强常为基峰3）似麦氏重排：失去烯、水；M1828 的峰。4）小分子醇出现 M1 的峰5）易发生a断裂，产生CnH2n+1O+特征峰仲醇伯醇：叔醇醇的碎片离子峰为 m/z 31+14n1）分子离子峰

12、很弱；往往不出现。2）主要裂解方式为 断裂和经过四元环过渡态的氢重排。3）出现 30、44、58、72系列 3014 n 的含氮特征碎 片离子峰。（2）胺当RC2发生H 重排，指-H 转移到杂原子上，a键断裂(3) 醚1）分子离子峰弱2） 裂解，再进行H生成系列 CnH2n+1O 的含氧碎片峰31+14n（31、45、59）3）裂解，生成一系列 CnH2n+1 碎片离子。（29、43、57、71）断裂4.醛、酮类化合物1）分子离子峰一般较强。2）主要发生a-断裂，优先丢失大基团，产生酰基阳离子。3）当有常r-H时常发生麦氏重排。4）对于醛常出现M-1、M-29的碎片峰， M-43和M-44是常

13、见峰5）醛与酮区别是醛能发生脱水反应，生成M-18峰重排离子峰 44+14n 当有r-H时，发生麦氏重排5.羧酸、酯、酰胺a. 发生a断裂b. 化合物有r-H时，易发生麦氏重排重排离子峰 44+14n 其中x-OH、OR、NH2NHR、NR21）羧酸a断裂产生m/z45的离子峰，CO+麦氏重排：2）酯a断裂产生酰基阳离子m/z 43、57、71、系列峰麦氏重排:系列峰60+14nm/z 60, 系列峰为60+14n3）酰胺a断裂伯酰胺 H2N-CO+ m/z 44仲酰胺、叔酰胺系列峰：43+14n麦氏重排：系列峰：59+14n6.卤化物脂肪族卤代烃的分子离子峰弱 1） 断裂产生符合通式 CnH

14、2nX+ 的离子 2） 断裂，生成（MX ）+的离子 3）含 Cl、Br 的直链卤化物易发生重排反应，形成符合 CnH2nX+ 通式的离子4）易发生脱卤化氢反应，生成（M-HX） 和CnH2n-1+二.芳香族化合物5.2 分子离子与分子式 5.1.1 分子离子峰的识别 1. 在质谱图中，分子离子峰应该是最高质荷比的 离子峰（同位素离子及准分子离子峰除外）。 2. 分子离子峰是奇电子离子峰。 3. 分子离子能合理地丢失碎片（自由基或中性分子）， 与其相邻的质荷比较小的碎片离子关系合理。 4. 氮律：当化合物不含氮或含偶数个氮时，该化合物 分子量为偶数；当化合物含奇数个氮时，该化合物 分子量为奇数

15、。5.2.2 分子离子峰的相对强度（RI） 1. 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。 2. 直链酮、酯、酸、醛、酰胺、卤化物等通常显示 分子离子峰。 3. 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。 5.2.3 M+. 峰和 (M+1)+ 峰或 (M-1)+ 峰的判别 醚、酯、胺、酰胺、腈化物、氨基酸酯、胺醇 等 可能有较强的 (M+1)+ 峰；芳醛、某些醇或某些含氮 化合物可能有较强的 (M-1)+ 峰。5.2.4 分子式的推导 1. 如何判断分子式的合理性 该式的式量等于分子量；是否符合氮律

16、； 不饱和度是否合理。2. 低分辨质谱法 同位素相对丰度的计算法、查 Beynon 表法 1) 同位素峰簇及其相对丰度 除 F、P、I 外，都有同位素 分子离子或碎片离子峰常以同位素簇的形式存在。 低质量的同位素（A）丰度计为100 设某一元素有两种同位素，在某化合物中含有 m 个该元素的原子，则分子离子同位素峰簇的各峰的相对丰度可用二项式 (a+b)m 展开式的系数推算； Cl : 个数 峰形 Br : 个数 峰形 1 3:1 1 1:1 2 9:6:1 2 1:2:1 3 27:27:9:1 3 1:3:3:1 若化合物含有 i 种元素，它们都有非单一的同位素组成，总的同位素峰簇各峰之间的

17、强度可用下式表示： (a1+b1)m1 (a2+b2)m2 (ai+bi)mi 2）利用同位素峰簇的相对丰度推导化合物的分子式 a. 从 M+1 峰与 M 峰强度的比值 可估算出分子中含碳的数目 式中 I(M+1) 和 I(M) 分别表示 M+1 峰和 M 峰的（相对）强度 b. 从 M+2 峰与 M 峰强度的比值 可估算出分子中含 S，Cl，Br 的数目 S 4.4% ； M+2, M+4, M+6 峰很特征 c. 其它元素的存在及其原子数目 氟的存在可以从分子离子失去20，50 u （分别对应失去HF，CF2）而证实 碘的存在可以从 M127 得到证实 若存在 m/z 31，45，59 的

18、离子，说明有醇、醚 形式的氧存在。从分子量与已知元素组成质量的 较大差额也可估计氧原子的存在个数。 从分子量与上述元素组成的质量差额可推测分子 中存在的氢原子数目。 3. 高分辨质谱法 可测得化合物的精确分子量 如： C5H14N2O3 C6H14O4 150 150 低 150.1004 150.0892 高例1：化合物 A 的质谱数据及图如下，推导其分子式。解：图中高质荷比区 m/z 73，74；设 m/z 73为 M+.，与相邻强度较大的碎片离子58之间（15）为合 理丢失峰(.CH3)，可认为m/z 73为化合物 A 的分子离子峰，74为（M+1）峰。因 M+. 的 m/z 为奇 数，

19、说明 A 中含有奇数个氮。 通过计算可知，分子中碳的数目 5，若为5，则分子式为C5N，其分子量大于73，显然不合理。若为4，则731412411，可 能的分子式为 C4H11N，0。该式组成合理，符合氮律，可认为 是化合物 A 的分子式。例2：化合物 B 的质谱数据及图如下，推导其分子式。 解：设高质荷比区， RI 最大的峰 m/z 97 为分子离子峰，由于 m/z 97与m/z 98的相对强度之比约为2：1，既不符合C,H,N,O,S化合物的同位素相对丰度比，又 不符合 Cl,Br原子组成的同位素峰簇的相对丰度比，故 m/z 97可能不是分子离子峰。设 m/z 98 为分子离子峰，与 m/

20、z 71，70关系合理，可认为 m/z 98 为 M+., m/z 97 为(M1)峰。化合物不含氮或偶数氮（此处省略）。 由表中数据可知， m/z 98 (56) M+. , 99 (7.6) (M+1) , 100 (2.4) (M+2) 则 RI (M+1) / RI (M) 100=13.6，RI (M+2) / RI (M)100=4.3 由(M+2) 相对强度为 4.3 判断化合物中含有一个硫原子， 983266，66125.5，说明羰原子数目只能小于等于 5； 若为 5，661256，可能分子式为 C5H6S，3是合理的。 若为4，6612418，此时分子式假设为 C4H18S， 4， 故不合理；假设分子中含有一个氧，此时分子式为 C4H2OS， 4 也是合理的。 所以化合物 B 的分子式可能为 ： C5H6S 或 C4H2OS例3：