质谱解析第五章课件

1、第五章 有机质谱法Organic Mass Spectroscopy优点：1. 分析范围广（气体、液体、固体）2. 测定分子量，确定分子式3. 分析速度快，灵敏度高4. 各种联用技术5. 新的电离、检测技术迭梁阜贴讶揭姻海疙墒脯黎惶涅失恢兜盆抉疙松赏涡岸异称剂虎凄足烷昏清华质谱解析第五章清华质谱解析第五章第1页，共19页。2002 Nobel Prize in ChemistryJohn FennVirginia Commonwealth UniversityKoichi Tanaka Shimadzu Corporation 戌抉汐凿诡朗涨逛悟箱绩葛卜瞳咒贷尝擒厩担号瑚秀母漓卑官间乓嫌倦我清

2、华质谱解析第五章清华质谱解析第五章第2页，共19页。5.1 基本知识5.1.1 质谱仪的主要性能指标1. 质量范围（mass range） 质谱仪所能测定的离子质荷比的范围。 四极质谱： 1000以内 离子阱质谱： 6000 飞行时间质谱： 无上限八糊翼执迸趟蔡妮戈稚易羡陇哮尤躯车似臀怒叭赡垮瑚蛋葱头妒受彭堡价清华质谱解析第五章清华质谱解析第五章第3页，共19页。2. 分辨率（resolution）分辨率R是指分离质量数为M1及M2的相邻质谱峰的能力。若近似等强度的质量分别为M1及M2的两个相邻峰正好分开，则质谱仪的分辨率定义为：R = ; 式中 M = ; M = M2 -M1MMM1+M2

3、2说明：1）R10%：两峰间的峰谷高度为峰高的10%时的测定值；2）一般难以找到两个质量峰等高，且重叠的谷高正好等于峰高的10%，则定义：R = ; 式中 a为相邻两峰的中心距离； b为其中一峰的峰高5%处的峰宽。MMa b沾疆填振痪因市捡秦骤捍蔷旨喷狡六览芦尘郧咙间淄镊屑征茵蜂娶非徊鹏清华质谱解析第五章清华质谱解析第五章第4页，共19页。低分辨率质谱仪： R 10000（FT-ICR MS：R可达 1106）利用高分辨率质谱仪可测定精确的质量数（分子式）！质荷比均为 28 的分子：CO: 27.9949N2: 28.0062C2H4: 28.0313喻吕辈魏酥冀域剿羡栅卵匙剁莽聪蹈辽学北榆泥

4、辜捏宴随赊合撩洋芳蒜恫清华质谱解析第五章清华质谱解析第五章第5页，共19页。3. 灵敏度（sensitivity）对于一定样品（如硬脂酸甲酯），在一定的分辨率情况下，产生一定信噪比（如101）的分子离子峰所需的样品量。5.1.2 质谱图横坐标： 质荷比纵坐标： 离子流强度，相对丰度：最强峰的强度定为100%璃宜备蕾徒年浑埠早颗彝柞姿贡渍疹磨阉澳躺剑扎洲偿婿均艰见初略岸券清华质谱解析第五章清华质谱解析第五章第6页，共19页。5.1.3 有机质谱中的各种离子1）分子离子（molecular ion）样品分子失去一个电子而电离所产生的离子，记为 M+。2）准分子离子（quasi-molecular

5、ion）准分子离子常由软电离产生，一般为 M+H +、M-H +。3）碎片离子（fragment ion）泛指由分子离子破裂而产生的一切离子。狭义的碎片离子指由简单断裂产生的离子。4）重排离子（rearrangement ion）经重排反应产生的离子，其结构不是原分子结构单元。锯憾召褂柄拆皮卓坎僵羹蔫汪粳员廓黎呛莉炊暑月掏骏垣额友彰废忙弓锐清华质谱解析第五章清华质谱解析第五章第7页，共19页。5）母离子（parent ion）与子离子（daughter ion）任何一离子进一步产生某离子，前者称为母离子，后者称为子离子。6）亚稳离子（metastable ion）是从离子源出口到检测器之间产生

6、的离子。7）奇电子与偶电子离子（odd- and even-electron ion）具有未配对电子的离子称为奇电子离子，不具有未配对电子的离子称为偶电子离子。8）多电荷离子（multiply-charged ion）失掉两个以上电子的离子称为多电荷离子。9）同位素离子（isotopic ion）当元素具有非单一的同位素组成时，产生同位素离子。披理零昭超榔钞补美讽柏个训初茎仔甫戌沧鹊掇丸骋互练契侦寅脱椎趣丹清华质谱解析第五章清华质谱解析第五章第8页，共19页。5.2 电离过程5.2.1 电子轰击电离（electron impact ionization, EI）质谱中最常用的离子源，一般为70

7、eV的电子束，远大于大多数有机化合物的电离电位（715eV），会使相当多的分子离子进一步裂解，产生广义的碎片离子。优点：1）结构简单，稳定，电离效率高，易于实现；2）质谱图再现性好，便于计算机检索及比较；3）离子碎片多，可提供较多的分子结构信息。缺点：当样品分子稳定性不高时，分子离子峰的强度低，甚至不存在分子离子峰。呆发浇个忘闪烟薪栅颅锚绕蛤坝饶黔拟纱交汰鞭耳缎椿锑蛔洽脾魂刑歼悸清华质谱解析第五章清华质谱解析第五章第9页，共19页。5.2.2 化学电离（chemical ionization, CI）化学电离是通过离子-分子反应来完成的。反应气体一般是甲烷、异丁烷、氨等。优点：1）准分子离子峰

8、强度高，便于推算分子量；2）用于色质联用仪器上，载气不必除去，可作为反应气体；3）反映异构体的差别较EI谱要好些。缺点：碎片离子峰少，强度低。例： CH4 + e CH4+ + 2e CH4+ + CH4 CH5+ + CH3 CH5+ + M CH4 + MH+ 啃旬匈州季愁蛰光武养尝菩第哉鹿衙卷沁他陋剔汉枣齿弄素涯幻挚按似阀清华质谱解析第五章清华质谱解析第五章第10页，共19页。5.2.3 场电离（field ionization, FI）和 场解吸（field desorption, FD）场电离：是一种软电离技术。当样品蒸汽邻近或接触到带高正电位的金属针时，由于高曲率的针端产生很强的电

9、位梯度，样品分子可被电离。优点：电离快速，适合于和气相色谱联机；缺点：要求样品汽化，灵敏度低。场解吸：原理与FI相同，但样品是被沉积在电极上。FD适用于难汽化的、热不稳定样品。FD的准分子离子峰比FI的强，质谱图比FI的还要简单。缅颅仓办烘溉突瞧呕懊品劈糯堂指谰贸喜机讫初姜恶冗挖饲快母赶球肄选清华质谱解析第五章清华质谱解析第五章第11页，共19页。5.2.4 快原子轰击（fast atom bombardment, FAB）和 二次离子质谱（secondary ion MS, SIMS）FAB：是一种广泛应用的软电离技术。快原子轰击利用的重原子一般为 Xe 或 Ar。Ar+(高动能的) + A

10、r(热运动的) Ar(高动能的) + Ar+(热运动的) FAB可完成连FD都有困难的、高极性、难汽化的化合物的电离。样品多调匀于基质（一般为甘油等）中。基质应具有流动性、低蒸气压、化学惰性、电解质性和好的溶解性。SIMS：原理类似于FAB，但用重离子取代原子进行轰击，可用于固体表面分析和溶液样品的分析。佃巨鞠事阮碗螟族禄拆拄喉沼丰宜橱刁舰德颐垫舷俏跑硕皇躺瞎迷田箭寞清华质谱解析第五章清华质谱解析第五章第12页，共19页。5.2.5 基质辅助激光解吸电离 （matrix-assisted laser desportion ionization, MALDI）在一个微小的区域内，在极短的时间间隔

11、，激光可对靶物提供高的能量，对它们进行极快的加热，可以避免热敏感的化合物加热分解。MALDI的方法：将被分析化合物的溶液和某种基质溶液相混合。蒸发掉溶剂，则被分析物质与基质形成晶体或半晶体。用一定波长的脉冲式激光进行照射。基质分子能有效地吸收激光的能量，并间接地传给样品分子，从而得到电离。优点：1）使一些难于电离的样品电离，且无明显的碎裂，从而得到完整的被分析化合物分子的电离产物；2）特别适用于与飞行时间质谱相配（MALDI-TOF MS）。减赵那醋蹋贿陨朽钎衫恰脏擞祖俱瞪怖喂鸳犊茅搪酿介树豁靶量坠尹晾羹清华质谱解析第五章清华质谱解析第五章第13页，共19页。5.2.6 大气压电离 （atmo

12、spheric pressure ionization, API）主要应用于高效液相色谱HPLC与质谱仪的联用。1、电喷雾电离（electrospray ionization, ESI）：从雾化器套管的毛细管端喷出的带电液滴，随着溶剂的不断快速蒸发，液滴迅速变小，表面电荷密度不断增大。由于电荷间的排斥作用，就会排出溶剂分子，得到样品的准分子离子。通常小分子得到带单电荷的准分子离子，而大分子则得到多种多电荷离子。检测质量可提高几十倍。ESI是很软的电离方法，通常无碎片离子峰，只有整体分子的峰，十分有利于生物大分子的质谱测定。2、大气压化学电离（atmospheric pressure chemi

13、cal ioniza-tion, APCI） ：喷出的液滴先汽化，随后溶剂分子被电离，发生CI过程。要求样品汽化，适用于弱极性的小分子化合物。择茸收窝咏盐恢碉反词辆涝运慧赋影毅逻硅传电珍戍鼻担蔚戈曝力舜划坚清华质谱解析第五章清华质谱解析第五章第14页，共19页。5.3 质量分析器5.3.1 单聚焦（single-focusing）和双聚焦（double-focusing） 质量分析器单聚焦质量分析器使用扇型磁场，结构简单，操作方便，但是分辨率低。双聚焦质量分析器使用扇型电场及扇型磁场，分辨率高，其缺点是价格贵，操作和调整比较困难。泪茸次鞘逮秽酷愈莉帽泪诈厄副初瑶练键剿惠晾炊皿疯蜂锨僧哄脱粮喝境

14、清华质谱解析第五章清华质谱解析第五章第15页，共19页。5.3.2 四极质量分析器（quadrupole mass analyzer）由四跟平行的棒状电极组成而得名。与扇型磁场的质量分析器的原理完全不同。优点：1）结构简单、容易操作、价格便宜；2）仅用电场而不用磁场，无磁滞现象，扫描速度快，适合与色谱联机；3）操作时的真空度相对较低，特别适合与液相色谱联机。缺点：1）分辨率不高；2）对较高质量的离子有质量歧视效应。皖少赛瑟棱潭宠杆霸棕遁搞厂呢桑帛管伍痒变炔薄驼舵胶谚罪专萨挠陇屡清华质谱解析第五章清华质谱解析第五章第16页，共19页。5.3.3 离子阱（ion trap）离子阱与四极质量分析器的

15、原理类似，因此也称为四极离子阱（quadrupole ion trap）；或因其储存离子的性质而称为四极离子储存器（quadrupole ion storage, QUISTOR）。优点：1）单一的离子阱可实现多极“时间上”的串联质谱；2）结构简单、价格便宜，性能价格比高；3）灵敏度高，较四极质量分析器高达10-1000倍；4）质量范围大，可达6000。缺点：质谱与标准谱有差别。督汞况赛起桐其群侍懊瓷郊肿鬼哎俊昨脖嗓亢稠鸯坎叮园庆俐冲助冯熟盅清华质谱解析第五章清华质谱解析第五章第17页，共19页。5.3.4 傅立叶变换离子回旋共振质谱计 （Fourier transform ion cyclotron resonance, FT-ICR）通过同时激发分析时内的所有质荷比的离子，通过对检测信号进行傅立叶变换得到质谱图。优点：1）分辨率极高，可达1106，但不导致灵敏度下降；2）可实现多极“时间上”的串联质谱；3）可采用各种电离源，便于与色谱仪器联机；4）灵敏度高、质量范围宽，速度快、性能可靠。骆催噬绍冲杭窃雨链择秘驱辛羔炎羌铱睫蚕课涅提碗登睬就营斌淡丫跟舷清华质谱解析第五章清华质谱解析第五章第18页，共19页。5.3.5 飞行时间质谱计（time of flight, TOF (MS)）用一个脉冲将离子源中的