核磁,质谱仪器分析-质谱课件

MassSpectrometry1InterpretationOfMassSpectra,4Ed,FredW.McLaffert,FrantisekTurecek.E.DHoffmam,J.Charette,V.Stroobant,MassSpectrometry,Prenciples

andApplications,JohnWiley&Sons,1996.F.W.McLafferty:InterpretationofMassSpectra,3rdedMillValley:Calif.Univ.Sci.Books.1980练振琼:有机质谱解析四川大学出版社1990丛浦珠:质谱学在天然有机化学中的应用科学出版社1987主要参考书：21898

W.Wien

发现带正电荷的离子束在磁场中发生偏转。1910

J.J.Thompson

使用简单的电场-磁场组合装置,获得了抛物线族的质谱,证明了20Ne,22Ne两种同位素的存在。1918

A.J.Dempster

采用电子轰击技术使分子离子化。1919

F.W.Aston

制得了第一台速度聚焦质谱仪。提出每种同位素的质子和中子在结合成原子核时,具有特定的质量亏损(并非整数值)。1942

商品MS出现,用于石油精炼和橡胶工业。质谱发展史3质谱分析原理质谱仪器构造质谱定性分析及图谱解析质谱定量分析要求理解质谱法原理及质谱仪主要部件功能；了解质谱定性分析及图谱解析、定量分析方法。5质谱分析的基本原理：使所研究的混合物或单体形成离子，，然后使形成的离子按质荷比(mass-chargeratio)m／z进行分离。

6MassSpectrometryFundamentals

WhatandHow-Measuremass(m)tocharge(z)ratio(m/z)ofionsamassof200Dawith2chargesgivesthesamem/zratioasamassof100Dawith1chargeandcannotbedistinguished.-Formationofionsinthegasphase(manyways)positiveion:byaddingaproton:(M+H)+orbyremovinganelectron:(M)+negativeion:byremovingaproton:(M-H)-orbyaddinganelectron:(M)--Chargedionscanbemanipulatedandanalyzedbyelectricand/ormagneticfields(massanalyzers),detectedbydetectorstogeneratemassspectra.7MassSpectrometryMolecularweightcanbeobtainedfromaverysmallsample.Itdoesnotinvolvetheabsorptionoremissionoflight.Abeamofhigh-energyelectronsbreaksthemoleculeapart.Themassesofthefragmentsandtheirrelativeabundancerevealinformationaboutthestructureofthemolecule.9MassSpectrometryTHEMAINUSEOFMSINORGCHEMIS:DETERMINETHEMOLECULARMASSOFORGANICCOMPOUNDS

DETERMINETHEMOLECULARFORMULAOFORGANICCOMPOUNDS10HOWDOWEACHIEVETHIS?PERSUADETHEMOLECULETOENTERTHEVAPORPHASE(CANBEDIFFICULT)PRODUCEIONSFROMTHEMOLECULESTHATENTERTHEGASPHASESEPARATETHEIONSACCORDINGTOTHEIRMASS-TO-CHARGERATIOS(m/z))MEASUREANDRECORDTHESEIONS111314离子源和质量分析器的压力在10–4~10–5Pa和10–5~10–6Pa。大量氧会烧坏离子源的灯丝；用作加速离子的几千伏高压会引起放电；引起额外的离子－分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。质谱计构造:真空系统15在不破坏真空度的情况下，使样品进入离子源。气体可通过储气器进入离子源。易挥发的液体，在进样系统内汽化后进入离子源。难挥发的液体或固体样品，通过探针直接插入离子源。进样系统17SampleIntroduction:

DirectInsertionProbe(DIP)DirectinsertionprobeConceptuallyveryeasy,practicallyverytricky18SampleIntroduction:

GasChromatography-MS(GC-MS)GCoutputtomassspectrometerSamplealreadyingasphase19分子失去电子，生成带正电荷的分子离子

分子离子可进一步裂解，生成质量更小的碎片离子

M+eM+.+2eM-.小于1%M+.A+.++B+CD++.中性分子或碎片R.50-70eV离子源21◆质量分析器是质谱计的核心◆不同类型的质量分析器构成不同类型的质谱计◆不同类型的质谱计其功能，应用范围，原理，

实验方法均有所不同。

质量分析器

22检测记录系统质量分析器分离并加以聚焦的离子束，按m/z的大小依次通过狭缝，到达收集器。经接收放大后被记录。23电子轰击电离ElectronImpactIonization,EI化学离子化ChemicalIonization,CI场电离，场解吸FieldIonizationFD,FieldDesorptionFD快原子轰击FastAtomBombardment,FAB基质辅助激光解析电离Matrix-AssistedLaserDesorptionIonization,MALDI电喷雾电离ElectrosprayIonization,ESI大气压化学电离AtmosphericPressureChemicalIonization,APCI离子化的方法25电子轰击电离又称为电子轰击，或电子电离。是应用最普遍，发展最成熟的电离方法。轰击电压50-70eV,有机分子的电离电位一般为7-15eV。可提供丰富的结构信息。有些化合物的分子离子不出现或很弱

电子轰击电离EI26AMassSpectrometer2930313233

离子室内的反应气（甲烷等；10~100Pa，样品的103~105倍），电子（100~240eV）轰击，产生离子，再与试样分离碰撞，产生准分子离子。最强峰为准分子离子；谱图简单；不适用难挥发试样；++气体分子试样分子+准分子离子电子(M+1)+;(M+17)+;(M+29)+;化学电离

（ChemicalIonization，CI）34场致电离FieldIonization

FieldDesorption（FI，FD）电压：7-10kV；d<1mm；强电场将分子中拉出一个电子；分子离子峰强；碎片离子峰少；不适合化合物结构鉴定；阳极+++++++++++++阴极d<1mm35当样品蒸汽接近或接触带高正电位的金属针时，在强电场的作用下发生电离。要求样品分子处于气态，灵敏度不高，应用逐渐减少。场电离FI36样品不需汽化,预先附在处理好的场离子发射体上,送入离子源,然后通以微弱电流,使样品分子从发射体上解吸下来,并扩散至高场强的场发射区,进行离子化。适用于难汽化,热不稳定的样品.如:糖类，肽类，金属有机化合物，聚合物等。场解吸FD

37

惰性气体Ar或Xe的原子首先被电离并被加速，使之具有高的动能，在原子枪(atomgun)内进行电荷交换反应：

Ar+（高动能的）+Ar（热运动的）→Ar（高动能的）+Ar+（热运动的）高动能的Ar或Xe原子束再轰击样品分子使其离子化

快原子轰击

FastAtomBombardment（FAB）

38FAB是目前广泛使用的软电离技术，适用于难汽化,极性强的大分子。样品用基质调节后黏附在靶物上。常用的基质有甘油，硫代甘油，3-硝基苄醇，三乙醇胺等。注意：FAB质谱图中会出现基质分子产生的相应的峰及基质分子与样品分子的结合峰。例如：3-硝基苄醇作为基质时，会出现m/z154(MH),136（MH–H2O）,289(MMH–H2O)的峰。39Electrosprayionization40414243444546474849505152535455基质辅助激光解析离子源56

MALDI可使热敏感或不挥发的化合物由固相直接得到离子。待测物质的溶液与基质的溶液混合后蒸发，使分析物与基质成为晶体或半晶体，用一定波长的脉冲式激光进行照射时，基质分子能有效的吸收激光的能量，使基质分子和样品分子进入气相并得到电离。

MALDI适用于生物大分子，如肽类，核酸类化合物。可得到分子离子峰，无明显碎片峰。此电离方式特别适合于飞行时间质谱计。基质辅助激光解析电离

Matrix-AssistedLaserDesorptionIonization(MALDI)57Astandard384wellMALDIsampleplate58596061为什么基质重要？基质对于稀释和分散待测物质是非常必要的对于离子化的待测物质或其他中性分子，它的功能是能量介质通过质子的离子化，形成一种活性状态。626364离子源技术比较MALDI多用于极性/带电荷的肽可耐盐适用于复杂基质必须离线分析由于基质吸附相对分辨率低基质<1000m/z光偶联和衰减NobelPrizeinChemistry,2002ESI多用于非极性的肽.对盐敏感对复杂基质耐受性低需要专业人士操作和维护可与µLC联用NobelPrizeinChemistry,200265Niggardspectra(polymeradditive),obtainedbynegativeAPCI(A),negativeAPCIwithinsourcefragmentation(B),electronimpactionisation(C).666768697071Separateionsaccordingtom/zratioFivebasictypesofanalyser: 1) Magneticsector(electrostatic) 2) Quadrupole 3) Iontraps 4) Timeofflight 5) FTICR质量分析器

MassAnalysers72质谱计的主要技术指标

质量范围：指质谱计所检测的单电荷离子的质核比范围分辨率（R）：分辨率是质谱计分开相邻两离子质量的能力。

分辨率（R）是两峰间的峰谷为峰高的10%时的测定值，即两峰各以5%的高度重叠。R=m/m

m为质谱计可分辨的相邻两峰的质量差m为可分辨的相邻两峰的平均质量73MassAnalysers:

FactorstoConsiderUppermasslimit:Highestm/zthatcanbedetectedMaybeoffsetbymultiplechargesResolution:Distinctsignalsforsimilarm/zratiosTransmission:Ratioofionsreachingdetector:ionsproducedCost74MassAnalysers:

Resolution(ResolvingPower)Abilitytoresolvetwosignalsofsimilarm/zResolvedifvalleyis<10%Higherresolution:greateraccuracye.g.R=20,000:

Separate m/z100.0000 from m/z100.0050Accuracyneeded:HighResolutionMassSpectrometry(HRMS)DetermineelementalcompositionofanionVitaltoconfirmstructure75MassAnalysers:

CalculationofResolution:RResolution=MassMassdifferenceR=M/DMM=M1»M2(500)DM=M2-M1(1)R=500/1=50076MassAnalysers:

HighResolutionMassSpectrometryHRMSoraccuratemassdeterminationDetermineselementalcompositionConsidertwoions: 1) [C24H19N]+: nominalmass:321 2) [C21H23NS]+: nominalmass:321UsingC=12,H=1,N=14andS=32Canwedifferentiatethesetwoions?Needtocalculatethemonoisotopicaccuratemass77MassAnalysers:

HRMS:AnExampleExactmassofmostabundantisotope(monoisotpoic)C=12.0000,H=1.0078,N=14.0031,S=31.9721 1) [C24H19N]+:accuratemass:321.1513=321/(321.1546-321.1513)=97,273MassspectrometerwithR»100,000candistinguishbetweenthesetwoions2) [C21H23NS]+:accuratemass321.1546R=M/DM78离子分离只有正离子可在磁场中发生偏转。偏转的量与m/z有关.信号的强度与离子撞击检测器的数量成正比。通过改变磁场，所有质量数的离子均可被收集和记录。79质量分析器

磁分析器,静电分析器磁分析器-单聚焦质谱计只有一扇形磁场的质量分析器又称为磁分析器。加速后离子具有一定的动能:（），该动能是由离子在加速电场获得的电势能（zV）转化的。80MassSpectrometer

磁分析器=>81TheMassSpectrumMassesaregraphedortabulatedaccordingtotheirrelativeabundance.=>82双聚焦分析器离子源收集器磁场电场S1S2+-方向聚焦：

相同质荷比，入射方向不同的离子会聚；能量聚焦：

相同质荷比，速度(能量)不同的离子会聚；

质量相同，能量不同的离子通过电场和磁场时，均产生能量色散；两种作用大小相等，方向相反时互补实现双聚焦；83③其他类型质量分析器双聚焦质谱仪体积大；色谱-质谱联用仪器的发展及仪器小型化（台式）需要；体积小的质量分析器：四极杆质量分析器飞行时间质量分析器离子阱质量分析器体积小，操作简单；分辨率中等；84四极质量分析器–四极质谱计

四极质谱结构简单，价廉，体积小，易操作，无磁滞现象，扫描速度快，适合于GC-MS,LC-MS。分辩率不高。+ElectronBeamABCSampleinIonBeam85MassAnalysers:

QuadrupoleMassAnalysersRelativelycheapandcompactLow(unit)resolutionR»2,000Uppermasslimitofm/z»4,000CanbeoffsetbyuseofESI(multiplecharges)SimpletooperateandcontrolSimpleinterfacingwithinletsystemsGC,DIP,etc.Workhorsesofmassspectrometry86quadrupolemassanalyzer/filter

四级杆分析器（四级杆滤质器）8788Massfilteringand“scanning”

滤质器（分析器）和扫描与TOF的分析器不同四级杆分析器是在特定的电压频率下，具有特定m/z的离子才可到达检测器在实时分析时电压是不断变化的，这就是对离子束进行扫描89Tandemmassspectrometers

串联质谱两个质谱顺序联接离子先通过第一个质谱再通过第二个质谱。增加分辨率两个质谱间信号衰减90Triple-sectorQuadrupole(Q/Q)

三重四级质谱91TypesofScansIProduct/daughterionscans子离子扫描LikePSDSector#1:filterforonespecificprecursor/parentSector#2:scanthefragments/products/daughters92TypesofScansIIDynamicexclusion动态排除自动子离子扫描首先分析贡献大的母离子,并收集MS2的子离子然后排除这些母离子,然后分析低丰度的离子93TypesofScansIIIPrecursor/parentscans母离子扫描Sector#2:settofilter/detectoneproduct/daughtermassSector#1:scantoIDtheparentresponsible94TypesofScansIVNeutralloss中性丢失两个质谱顺序扫描串联扫描按照一个特定的质量数(e.g.,80amu)寻找特定的母/子离子对

(e.g.,D=80amu:lossofphosphatefrompS/pT)95飞行时间质谱96979899100101离子阱Iontrop102电喷雾——离子阱质谱103104105106107IonTrapmassspectrometersI

离子阱离子被捕获在一个稳定的轨道中，并在磁/静电瓶中富集场的改变可使特定的m/z离子被甩出到达检测器.灵敏度极高,分辨率一般108IonTrapmassspectrometersII也可改变场的频率使特定的m/z的离子,撞到电极上淬灭（bequenched）.而后使剩下的离子被甩出，到达检测器109IonTrapmassspectrometersIII或者在淬灭了部分离子后，将剩下具有特定m/z离子加速，产生高能量的碰撞和碎裂然后将这些碎片在甩出，到达检测器分析110IonTrapmassspectrometersIV(MS3).这次除了感兴趣的子离子淬灭所用的离子然后将子离子进一步碎裂，再将碎片甩出到分析器分析看进行一次又一次的多重循环…Thesesequentialfragmentationsarelikephysical"sectors"111112113Ioncyclotronresonance

离子回旋离子混合物被捕获在“EM场瓶,”中，一个外加的磁场使离子沿环形轨道运动轨道的半径与离子的m/z相一致。114Ioncyclotronresonance然后对循环的离子施加一种电场的震荡脉冲(aradiorequency).

当循环离子频率与电场的频率相匹配时，他们吸收能量，循环半径和速度参加只有特定m/z的离子可被加速115Ioncyclotronresonance脉冲后形成的离子新的轨道和速度将被保持116Ioncyclotronresonance当离子通过带电荷的一对电极时，产生电流117FT-ICRMSTheelectricalcurrentthusproducedisinterpretedmathe