有机质谱原理及应用

关于有机质谱原理及应用1第一页，共二十三页，编辑于2023年，星期一100200300400500600m/z0100%254.2194.2507.3334.3399.7§1.1质谱的基本概念一、质谱是什么？

MassSpectromety

特殊的天平：称量离子的质量。质谱学：是一门研究气相离子结构、性质及反应行为的科学。二、质谱能做什么？定性：化合物的结构定量：混合物的组成领域：化学、生物学、医学、药学、环境、物理、材料、能源等三、质谱的独到之处是什么？

4S特性：Sensitivity灵敏

Speed快速

Specificity特异

Stoichiometry

化学计量第二页，共二十三页，编辑于2023年，星期一§1.2质谱分类质谱同位素质谱生物质谱结构鉴定、定量分析、气相离子化学化学、化工环境、地球药学、毒物学、刑侦生命、医学、农业科学有机质谱无机质谱第三页，共二十三页，编辑于2023年，星期一§1.3质谱学的发展历史一、质谱学领域的诺贝尔（Nobel）奖1906年：物理奖

J.I.Thomson

贡献：正电荷离子束在磁场中的偏转磁质谱仪的基础同位素分析1989年：物理奖

W.Paul

贡献：离子阱技术的发明。2002年：化学奖J.B.FennVirginiaCommonwealthUniversity,USA

贡献：电喷雾(ESI)电离方法生物大分子分析

ElectrosprayIonizationforMassSpectrometryofLargeBiomolecules,"J.B.Fenn,M.Mann,C.K.Meng,S.F.WongandC.M.Whitehouse,Science246,64(1989)KoichiTanaka(田中耕一)ShimadzuCorporation,Japan

贡献：激光辅助解吸电离质谱(MALDI)电离方法生物大分子分析

RapidCommunicationsinMassSpectrometry2,151-153(1988),KoichiTanaka,HiroakiWaki,YutakaIdo,SatoshiAkita,Yoshikazu第四页，共二十三页，编辑于2023年，星期一二、质谱学的历史事件1886年，Goldstein发现正电荷离子1898年，Wien利用电场和磁场使正电荷离子偏转1912年，Thomson研制第世界上一台质谱仪，氖同位素的发现1918年，Dempster电子轰击电离(Electronionization)及磁聚焦1919年，Aston精密仪器，测定50多种同位素，第一张同位素表1934年，Stephens均匀扇形磁场，球差和质量色散公式

Herzog和Hintenberger电磁场组合，离子光学系统1940年，Nier扇形磁场偏转质谱计，双聚集系统商品仪器的雏形

235U，电磁制备方法，第二次世界大战期间在石油、化工等领域的应用1946年，Stephens飞行时间质谱(Time-offlightmassanalysis)第五页，共二十三页，编辑于2023年，星期一1952年，Martin气相色谱方法1953年，Paul等四极杆分析器(Quadrupoleanalyzers)1956年，GohlkeandMcLafferty气相色谱-质谱联用(GC/MS)Beynon高分辨质谱仪(High-resolutionMS)1965年，Hipple等离子回旋共振(IonCyclotronResonance)1966年，MunsonandField化学电离(Chemicalionization)1967年，McLaffertyandJennings串联质谱(Tandemmassspectrometry)1973年，McLafferty液相色谱-质谱联用(LC/MS)，热喷雾方法1974年，Comisarow和Marshall傅立叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR-MS)1981年，Barber等快原子轰击电离质谱(FABMS)，生物中，小分子，2000以内第六页，共二十三页，编辑于2023年，星期一1989年，J.B.Fenn电喷雾电离KoichiTanaka基质辅助激光解吸电离

1990年，KattaandChait电喷雾电离质谱观察蛋白质构象改变1993年，商品电喷雾质谱仪1995年，付立叶变换离子回旋共振质谱仪（与ESI和MALDI联用）1998年，高分辨飞行时间质谱仪（DelayExtract,Reflectron技术）第七页，共二十三页，编辑于2023年，星期一三、我国质谱发展概况20世纪50年代，同位素质谱研究，配合核研究，技术来自于前苏联70年代，引进质谱仪，磁质谱：VG-ZAB-2F,3F（7台，北大，南京、南开、兰州、中科大、武汉、中山）VG-7070E（20多个单位）FinniganMAT系列80年代，中国科学院科学仪器厂，仿制7070E型质谱仪KYKY系列1980年，中国质谱学会，杭州成立，依托于科学仪器厂《质谱学报》创刊中国质谱学会机构：无机专业委员会、同位素专业委员会、有机质谱专业委员会、生物医学专业委员会、仪器与教育专业委员会第八页，共二十三页，编辑于2023年，星期一§1.3常用概念一、质荷比(m/z)质谱图中的横坐标，质量与电荷之比。若离子所带电荷为z=1，则质荷比等于该离子的质量数。离子是以12C原子的1/12定义为一个质量单位，用u表示。

1u=1.66054x10-27kg

其它常用符号，Da,道尔顿1Da=1u二、离子的强度（丰度）I

两种表示方法百分强度：所有峰的强度之各为100，每个离子所占的份额即为其百分强度，百分强度=(Ii/Ii)×100%Ii，第i个离子的强度。基峰强度：质谱图中离子强度最大的峰称为基峰，定义它的强度为100，即IB=100，其它离子强与之相比的百分强度称为该离子的强度。第九页，共二十三页，编辑于2023年，星期一三、同位素

化学上，氖的原子量为20.2,

质谱上：氖不在m/z20.2处出峰，而是在m/z20和m/z22处各出一个峰，该峰的相对强度为10:1。为什么？质谱测定的是微观离子，不是宏观上的平均的概念。元素AA+1A+2元素类型质量%

质量%质量%H110020.015AC12100131.1A+1N14100150.37AO16100170.04180.20A+2F19100ASi28100295.10303.40A+1,A+2P31100AS32100330.80344.40A+2Cl351003732.5A+2Br791008198.0A+2I127100A表1常见元素的天然同位素丰度元素分类情况：A:H,F,P,IA+1:C,NA+2:O,Si,Cl,Br第十页，共二十三页，编辑于2023年，星期一同位素分布的二项式规则：对A+1和A+2元素b:A+1或A+2同位素的天然丰度n:质谱峰中A+1或A+2元素的个数A+1元素峰位置MM+1M+2M+3……A+2元素峰位置MM+2M+4M+6……质谱峰强度1nbn(n-1)b2/2!n(n-1)(n-2)b3/3!……12C5H12+Mm/z7212C413C1H12+M+1m/z7312C313C2H12+M+2m/z7412C213C3H12+M+3m/z7512C113C4H12+M+4m/z76第十一页，共二十三页，编辑于2023年，星期一例：

79Br100%,81Br98%≈100%MM+2M+4M+6Br,n=1:11Br2,n=2:121Br3,n=3:1331

例：35Cl100%,37Cl32.5%MM+2M+4M+6Cl,n=1:10.325Cl2,n=2:10.6500.106Cl3,n=3:10.9750.3170.034第十二页，共二十三页，编辑于2023年，星期一例：12C100%,13C1.1%C60,n=60,b=1.1%MM+1M+2M+3

12C60

13C12C59

13C212C58

13C312C577207217227231nbn(n-1)b2/2!n(n-1)(n-2)b3/3!10066214.6第十三页，共二十三页，编辑于2023年，星期一元素组成的判断：用同位素丰度的分布可帮助判断峰的元素组成。方法：1、获取最高质量峰，分子离子峰。分子离子峰受氢迁移的影响最小。2、最大丰度信号强有利于判断。3、A峰的选择一个峰组中的A峰应是仅含最大丰度同位素(如12C、16O、35Cl)的最高质量峰。优先考虑A+2型元素存在的可能性，因A+2峰受A+1元素的影响较小，A+2元素同位素的自然丰度也较高，容易判断，尤其是氯和溴。然后再判断A+1元素，可根据其与A峰的强度比，大致判断A+1元素的种类和所含个数。4、确定元素组成的一致性从分子离子峰M+•得到元素组成信息，需要与较小的碎片离子的组成吻合。第十四页，共二十三页，编辑于2023年，星期一三、仪器技术指标质量范围(MassRange)

质谱仪所能检测的最小到最大的质量范围。不同仪器：四极杆1~600Da，1~4000Da，磁质谱：1~10000Da

飞行时间质谱：无上限离子阱质谱：1~2000Da，1~4000Da

不同要求：气体分析，1~300Da

气相色谱质谱，1~600Da，800Da

有机质谱，1~2000Da

生物分子，1~10000Da或更大第十五页，共二十三页，编辑于2023年，星期一

分辨力(ResolutionPower,RP)

分辨力：分开两个邻近质量峰的能力。何为分开：若两个相邻峰的峰谷低于峰高的10%(或5%，50%)，则认为是分开的。

A:未分开B:部分分开C:全分开分辨差分辨较差分辨达到要求m2m1第十六页，共二十三页，编辑于2023年，星期一数学定义：

……(1)m1和m2代表两个相邻峰的质量数

……(2)m代表某一峰的质量，△m代表半峰宽第十七页，共二十三页，编辑于2023年，星期一分辨率的另外一种定义：分辨率=M/MM为半峰高处峰宽

分开的定义10%valleym/M[M+H]+m/zintensity第十八页，共二十三页，编辑于2023年，星期一组成整数质量精确质量CO2827.994914N22828.006158C2H42828.031299质量数为28的三种分子组成的精确质量若仪器分辨力很低，如RP=200，则对以上三个分子不能分开，混为一峰。若要分开以下混合物，则必需有如下分辨力CO-C2H4:(RP)2=27.994914/(28.031299-27.994914)=770N2-C2H4:(RP)3=28.006158/(28.031299-28.006158)=1100CO-N2:(RP)1=27.994914/(28.006158-27.994914)=2490当仪器分辨力达到770时，只能够只分开CO-C2H4

。当仪器分辨力达到1100时，能够分开CO-C2H4和N2-C2H4当仪器分辨力超过2500时，三者全部分开。一般低分辨仪器在2000左右。10000以上时称高分辨。FT-ICR-MS分辨力可达2百万。第十九页，共二十三页，编辑于2023年，星期一高分辨质谱进行元素组成分析：任何一种同位素的质量并不是正好的整数。12C的准确质量为12.00000000,1H=1.007782506，14N=14.00307407，16O=15.99491475，末位有效数字。每一个同位素都具有唯一的、特征的“质量亏损”，离子的质量包含了同位素的总的质量亏损，也是特征的，以此来鉴定离子的同位素和元素组成。例

m=43.0184Da的离子必定是C2H3O+，不可能是C3H7+(m=43.0058)或C2H5N+(m=42.9984)，或CH3N2+(m=43.0296)。为了区分这四个离子，测量的质量的准确度需达到130ppm。即小数点后第四位是准确的。元素组成信息随着质量的增加而呈指数地上升，对质谱质量的测定准确度要求更高。例分子量为310的质谱峰，已知它们的元素组成限于碳、氢、氮和氧，且最多不超过3个氮原子和4个氧原子。如果将其各种组合出来的质量能够区分开来，要求的质量准确度达到2ppm，这是目前最高质量分辨力的FT-ICR-MS勉强能够达到的水平。第二十页，共二十三页，编辑于2023年，星期一注意事项质谱学上的高分辨包含两层含义：高的分辨本领保证两个靠得很近的峰能够分开来，从而知道是两个峰而不是一个峰。良好的线性行为用已知精确质量的离子去得到待测定离子的质量数，不容许二者峰的质量是一样的(重叠在一起)，二者之间必有一定的质量差异，质谱仪的线性不好，用已知精确离子的质量来得到待测定离子的质量，就会因此而产生偏差，从而造成误差，两者距离越远，这种误差越大。良好的稳定性

磁质谱，飞行时间质谱仪，离子回旋共振质谱仪：分辨力、线性和稳定性好，属高分辨质谱仪。离子阱质谱仪：分辨力高，线性低，准高分辨质谱仪，用于判断质谱峰带的电荷数。四极杆质谱仪：分辨力低，线性好，不属于高分辨质谱仪。第二十一页，共二十三页，编辑于2023年，星期一§1.4质谱学的专著、期刊和国内国际会议

专著：

1.InterpretationofMassSpectra,F.W.