質(zhì)譜分析法MSPPT課件

1、16.1 概述第六章第六章 質(zhì)譜分析法質(zhì)譜分析法(MS)質(zhì)譜分析法是通過測定待測樣品離子的質(zhì)荷比（mass-to-charge-ratio）來進(jìn)行分析的方法。Overview of Mass SpectrometryMass SpectrumMass AnalyzerIonizationM+/FragmentationSample Molecule (M)第1頁/共60頁26.2 質(zhì)譜儀器6.2.1 質(zhì)譜儀器構(gòu)成Inlet system Ion SourceAnalyzerIon DetectorComputerMass Spectrumm/z離子源進(jìn)樣系統(tǒng)質(zhì)量分析器檢測器真空系統(tǒng)10-2-1

2、0-6Pa第2頁/共60頁3探頭經(jīng)封閉的真空系統(tǒng)直接插入距離子源數(shù)mm位置直接探頭進(jìn)樣The direct probe inlet: 固體或非揮發(fā)性液體色譜進(jìn)樣：GC, LC玻璃或氧化鋁毛細(xì)管細(xì)線或小杯質(zhì)譜常見進(jìn)樣方法第3頁/共60頁46.2.2 離子源Gas phase sources: EI, CI, FIDesorption sources: FD, FAB, APCI, ESI, TSP, LD, MALDIHard sources: EISoft sources: CI, FI, FD, FAB, APCI, ESI, TSP, LD, MALDI6.2 質(zhì)譜儀器第4頁/共60頁5

3、1 電子電離源(electron ionization EI)電子束NS附加磁場使離子螺旋前進(jìn)增加碰撞機會第5頁/共60頁6 電子電離源中分子離子及碎片離子的形成ABCDABCD+ 2e-e-ABAACD+ BCD+ BCD+BC+ D+ AB+B + A+A + B+ CD+D + C+C + D+ABCDADBC+ AD+ BC+BCADABCD + ABCD(ABCD)2BCD+ ABCDA+形成分子離子裂解成碎片離子裂解重排裂解碰撞6.2.2 離子源6.2 質(zhì)譜儀器第6頁/共60頁7電子電離源的特點： 1 電離電壓：70eV2 加一小磁場增加電離幾率。3 EI源碎片離子多，結(jié)構(gòu)信息豐富

4、，有標(biāo)準(zhǔn)化合物質(zhì)譜庫。4 樣品在氣態(tài)下電離，不能汽化的樣品不能分析，主要用于 氣-質(zhì)聯(lián)用儀。5 有些樣品得不到分子離子。6 適用于分子量低于1000的樣品。6.2.2 離子源6.2 質(zhì)譜儀器第7頁/共60頁8 2 化學(xué)電離源(chemical ionization CI)反應(yīng)氣與樣品分子碰撞使之電離，結(jié)構(gòu)同EI，一般儀器EI和CI可以互相切換+ Re-RRRRH+ (R-H)反應(yīng)氣的反應(yīng)CH5+ CH4+ CH3CH4C2H5+ CH3+ H2CH4C2H3+C3H5+甲烷為反應(yīng)氣時主要存在形式+ RMHRH+ M+ R + H2C10H21RH+ C10H22+ MR + M+R+ C2H5

5、+M+ C2H5+M+ NH4+M+ NH4+M+ e-(thermal)MM加氫反應(yīng)，樣品對質(zhì)子親和力強烷烴脫氫反應(yīng)，對質(zhì)子親和力弱電荷交換形成加和離子形成負(fù)自由基離子由反應(yīng)氣產(chǎn)生反應(yīng)氣和樣品共同決定產(chǎn)物的形式第8頁/共60頁9 3 電噴霧電離源(electrospray ionization ESI)結(jié)構(gòu)：噴嘴（金屬毛細(xì)管），霧化氣，干燥氣(curtain gas)原理：噴霧 蒸發(fā) 電壓106V/m離子在電壓差和壓力差的驅(qū)使下向下游移動第9頁/共60頁10電噴霧源(ESI)的特點：1 電噴霧源屬軟電離技術(shù)，只產(chǎn)生分子離子， 不產(chǎn)生碎片離子。2 產(chǎn)生的離子常常帶有多電荷，尤其是生物大分子。3

6、 適用于強極性，大分子量的樣品分析。 如肽，蛋白質(zhì)，糖等。4 主要用于液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀。6.2.2 離子源第10頁/共60頁11ESI使蛋白質(zhì)產(chǎn)生多個帶多電荷離子數(shù)個帶多電荷離子經(jīng)數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，得到分子離子第11頁/共60頁12 4 介質(zhì)輔助激光解吸電離源 (Matrix Assisted Laser Desorption Ionization MALDI)常用于Time-of-flight mass spectrometry特點：用于生物大分子，尤其是蛋白質(zhì)的質(zhì)量測定主要產(chǎn)生 和加和離子+ H+M- H+M6.2.2 離子源6.2 質(zhì)譜儀器第12頁/共60頁13The principle o

7、f matrix assistance第13頁/共60頁14作用：將離子源產(chǎn)生的離子按質(zhì)荷比m/z的大小分開 ion separation1 單聚焦分析器 (single focusing mass analyzer)2 雙聚焦分析器 (double focusing mass analyzer)3 四極桿分析器 (quadrupole analyzer)4 離子阱分析器 (Ion trap analyzer)5 飛行時間分析器 (time-of-flight analyzer)6 富立葉變換離子回旋共振 (Fourier transform ion cyclotron resonance)6

8、.2.3 質(zhì)量分析器6.2 質(zhì)譜儀器第14頁/共60頁15不同質(zhì)量的離子可通過改變磁場強度或A, B間的加速電壓使之依次通過出口狹縫可以是180 90 60 等 1單聚焦分析器 (single focusing mass analyzer) 磁扇形分析器，sector field6.2.3 質(zhì)量分析器第15頁/共60頁16RmvevBmveV2221離子動能由加速電壓引起離子所受磁力與圓周運動的離心力平衡ez 離子所帶電荷扇形磁鐵的曲率半徑R結(jié)論：1 離子的m/z與R, B, V有關(guān)。通過改變磁場可以把不同離子分開2 在一定磁感應(yīng)強度B下，改變加速電壓V可以使不同離子先后 通過檢測器，實現(xiàn)質(zhì)量

9、掃描，得到質(zhì)譜。 特點： 結(jié)構(gòu)簡單，操作方便 只有方向聚焦，無能量聚焦，分辨率低。zmVBR2 1單聚焦分析器第16頁/共60頁17結(jié)構(gòu)：磁場、電場任意順序組合原理：單聚焦分析器分辨率低的 主要原因在于它不能進(jìn)行 能量聚焦。 雙聚焦分析器具有能量聚 焦和方向聚焦的特點特點：分辨率高(150,000) 可分辨公稱質(zhì)量(nominal mass)相同，元素組成不 同的離子 2 雙聚焦分析器 (double focusing mass analyzer) 雙聚焦磁扇形分析器，double focusing magnetic sector(方向焦面)(能量焦面)動能大，投射到+極動能小，在-極放電一定

10、能量的離子到達(dá)出口同能量的離子匯聚EemvEVRmveVRmveEee222221,第17頁/共60頁18 3 四極桿分析器 (quadrupole mass analyzer) 四極濾質(zhì)器， quadrupole mass filter結(jié)構(gòu): 四根棒狀電極，相對的兩個電極相連，形成四極場 1，3棒：+(Vdc + Vrf) 2，4棒：- (Vdc+ Vrf )特點：掃描速度快，靈敏度高。 適用于GC-MS。6.2.3 質(zhì)量分析器第18頁/共60頁19四根棒狀電極加速電壓5-15V 3 四極桿分析器第19頁/共60頁20質(zhì)量過濾原理：az平面，只有rf電壓時+半周，離子向中心點匯聚(A)-半周

11、，向電極移動(B)，有可能撞電極不進(jìn)入檢測器由沿z軸的移動速度，m/z及rf的頻率和振幅決定再加dc電壓時mPEmmvPmvE,2212動能動量重離子對電壓變化不敏感，只受dc影響輕離子撞電極一對正電極使重離子透過！ 3 四極桿分析器第20頁/共60頁21重撞電極輕離子沿y軸通過一對負(fù)電極時一對負(fù)電極使輕離子透過！bc四極濾質(zhì)器使一定質(zhì)量的離子既不被一對正電極又不被一對負(fù)電極吸收，從而到達(dá)檢測器在另外的Vdc Vrf 下可接收到另外質(zhì)量的離子。在一定的Vdc/Vrf下，連續(xù)改變Vrf或Vdc可實現(xiàn)質(zhì)量掃描。 3 四極桿分析器第21頁/共60頁22 4 離子阱分析器 (Ion trap)doug

12、hnut-shaped ring electrodeelectrode四極桿的三維形式 優(yōu)點：聚焦場可以快速改變；比四極桿更緊湊、體積小，靈敏度很高。第22頁/共60頁23 4 離子阱分析器第23頁/共60頁24 4 離子阱分析器第24頁/共60頁255 飛行時間分析器(time-of-flight analyzer, TOF）正離子在電場作用下被加速所有離子同時飛越長度為L的無場空間，先后到達(dá)檢測器222222121tLVemtLmmveV/)(V,L不變時， t由m/e決定一般，1-30s第25頁/共60頁265 飛行時間分析器第26頁/共60頁27特點：簡單、耐用，無質(zhì)量范圍限制。取樣速

13、度快，適用于快速GC/MS；分析適用于脈沖離子化 方式（如MALDI）的大分子量的多肽、蛋白質(zhì)。早期分辨率低的問題通過延遲萃取技術(shù)等已經(jīng)得到解決。5 飛行時間分析器第27頁/共60頁28第28頁/共60頁296.2.4 檢測器 (detector)1 電子倍增器 electron photon multiplier2 光子倍增器 photon multiplier3 法拉第杯 Faraday cup4 陣列檢測器 array detectors6.2 質(zhì)譜儀器第29頁/共60頁306.2.5 特點：掃描速度快，靈敏度高，分辨率好， 很容易進(jìn)行MSn實驗。價高。核心：離子可以在限定軌道內(nèi)做周期性

14、圓周運動的離子室 離子室根據(jù)離子回旋共振現(xiàn)象設(shè)計與MALDI，尤其是ESI新的離子化方式結(jié)合， FT-MS技術(shù)得以復(fù)興。ESI-FT-MS在低質(zhì)量段具有很高的分辨率， 用于蛋白質(zhì)的MS, MS/MS測定。6.2 質(zhì)譜儀器第30頁/共60頁316.2.6 質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)1 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀 (gas chromatography-mass spectrometer, GC-MS)關(guān)鍵：接口。要求除去載氣而使樣品無損失地進(jìn)入質(zhì)譜儀 GC: 常壓；MS: 真空 毛細(xì)管柱直接導(dǎo)入電離源 濃縮型接口（填充柱）：噴射式分子分離器GC ：填充柱 毛細(xì)管柱均可 MS ：常用四極桿質(zhì)譜儀 近來還有離子阱和飛行

15、時間質(zhì)譜儀第31頁/共60頁32GC: 不同組分在兩相中的分配系數(shù)不同，先后從色譜柱中流出， 實現(xiàn)分離MS: 連續(xù)對分離后的某一組分進(jìn)行質(zhì)量數(shù)掃描， 得離子流強度隨質(zhì)量數(shù)變化的質(zhì)譜GC條件：同普通GC (柱類型、固定液種類、汽化溫度、載氣流量、 進(jìn)樣量、柱溫及升溫程序等)MS條件：掃描方式，掃描范圍（質(zhì)量），掃描速度, 燈絲電流、倍增器電壓（電離）1 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)第32頁/共60頁33GC-MS的主要信息：總離子色譜圖或重建離子流色譜圖（全掃描監(jiān)測方式）：組分化合物電離產(chǎn)生的所有質(zhì)量數(shù)離子流（總離子流）隨時間變化的色譜圖?？梢詫崟r顯示總離子流色譜圖和某組分的質(zhì)譜圖。適用于

16、未知物定性。質(zhì)量色譜圖或提取離子色譜圖（選擇離子監(jiān)測方式）：任一質(zhì)量的離子，其強度隨時間變化的色譜圖。選擇離子色譜圖：表征某一化合物的數(shù)個特征離子流（分子離子流、功能團離子流或強碎片離子流等）隨時間變化的色譜圖。適用于目標(biāo)化合物或目標(biāo)類化合物的檢測（定量）。p315圖9.16;圖9.18p316圖9.171 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)第33頁/共60頁34第34頁/共60頁35GC-MS定性定量分析總離子色譜圖某一組分的質(zhì)譜圖庫檢索選擇離子色譜圖數(shù)個特征質(zhì)量離子條件下色譜圖上是否同時出峰定量分析：同色譜法定量利用質(zhì)量色譜圖使重疊峰分開1 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)第35頁/共6

17、0頁362 液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀 (liquid chromatography-mass spectrometer, LC-MS) 組成： LC：普通LC MS：常用四極桿質(zhì)譜儀，離子阱質(zhì)譜儀，飛行時間質(zhì)譜儀， 串聯(lián)質(zhì)譜儀 接口：ESI, APCI數(shù)據(jù)系統(tǒng)：計算機 蛋白質(zhì)庫主要信息：準(zhǔn)分子離子（單多級質(zhì)譜）；子離子；母離子； 中性丟失譜（多級質(zhì)譜）軟電離，得到準(zhǔn)分子離子。結(jié)構(gòu)解析需MS-MS。一般不適用于非極性化合物。第36頁/共60頁373 串聯(lián)質(zhì)譜 (tandem mass spectrometry，MS/MS, MSn)mass separation-mass spectra chara

18、cterization串聯(lián)方式：Q-Q-Q(triple quadrupole mass spectrometer) Q-TOF(quadrupole-time-of-flight tandem instruments)MSn選擇反應(yīng)監(jiān)測SRM, selected reaction monitoring多反應(yīng)監(jiān)測MRM, multiple reaction monitoringthe user selects only one pair of ions (a parent and a daughter ion), which will be analysed - SRMsome pairs o

19、f ions will be analysed - MRM p318第37頁/共60頁38第38頁/共60頁393D mass spectrum the most important peaks appear in the front and daughter peaks behind them. 第39頁/共60頁40名詞解釋母離子掃描 parent ion scan 串聯(lián)質(zhì)譜法中的一種掃描方式。用這樣的方式可以檢測生成指定碎片離子的所有先驅(qū)離子（母離子），從而追朔碎片離子的來源，能對產(chǎn)生某種特征碎片離子的一類化合物進(jìn)行快速篩選。 子離子掃描 daughter ion scan 串聯(lián)質(zhì)譜法中

20、的一種最常用的掃描方式。通過第一級質(zhì)譜的質(zhì)量分離，選出欲分析的母離子，經(jīng)碰撞活化，形成一系列的碎片離子（子離子）通過母離子和相關(guān)碎片可以推知該化合物的結(jié)構(gòu)信息。 中性碎片丟失掃描 neutral fragment loss scanning 串聯(lián)質(zhì)譜法中的一種掃描方式。用于檢測丟失特定質(zhì)量中性碎片的離子。它可以快速尋找具有特定官能團的一類化合物。第40頁/共60頁416.3 質(zhì)譜解析6.3.1 質(zhì)譜中的離子1 分子離子M + e-+ 2e-MMorC2H5OHC2H5NH2CH3CH2CH3CHCHCH3CH2CH3HCCH3雙鍵或環(huán)狀結(jié)構(gòu)、有機酸、醇等的分子離子峰強度大M第41頁/共60頁4

21、2分子離子峰的判斷1. 一般在質(zhì)譜的最右端2. 有合理的質(zhì)量丟失（丟失的質(zhì)量數(shù)不應(yīng)為4-14; 20-25）3. 分子量符合氮規(guī)則N的個數(shù)為奇數(shù)，分子量為奇數(shù)N的個數(shù)為0,2,4等偶數(shù)，分子量為偶數(shù)（N為奇數(shù)價，偶數(shù)分子量）6.3.1 質(zhì)譜中的離子第42頁/共60頁432 碎片離子EI(1) 自由基引發(fā)的斷裂 斷裂R1CH2CH2YR2R1CH2+CH2YR2R1+CH2OHR1CH2OH31zm/醇的特征離子R1+CH2NH2R1CH2NH230zm/伯胺43zm/R1+R1CH2CHCH2R1CH2CHCH2CH2CHCH2雙鍵酮91zm/烷基苯R+CH2RCH2RCH2R1+R1R2CO

22、R2COR2=CH3第43頁/共60頁44(2) 正電荷引發(fā)的斷裂YR2R1R2YR1+雙電子轉(zhuǎn)移CH3H3CCH2O+CH2CH3CH2OC2H5+CH3CH2H3CCH2OCH2CH3OC2H5斷裂（幾率大）電荷引發(fā)（幾率?。?9zm/29zm/斷裂i(3) 斷裂無 電子和 電子的烷烴n分枝處易斷裂、易丟失最大烷基CH3+C2H5CCH3CH3C2H5CH3CCH3CH3C2H5CH3CCH3CH32 碎片離子EI第44頁/共60頁45(4) 環(huán)烯的斷裂Retro-Diels-Alder反應(yīng)+2 碎片離子EI第45頁/共60頁463 同位素離子一般質(zhì)量數(shù)大于分子離子同位素峰的強度取決于同位

23、素的種類和豐度根據(jù)同位素峰強度比可以估計該元素的個數(shù)12C和13C100:1.1有1個C時，M+1峰強度1.1% 2個C時， M+1峰強度2.2%35Cl和37Cl100:32.5 3:150 5231CH3ClCH2Cl2CH235Cl35ClCH235Cl37ClCH237Cl35ClCH237Cl37ClCHCl333133111幾率84 86 88961118 120 122 124272791第46頁/共60頁47同位素峰強度符合 規(guī)則nba)( nba輕同位素豐度重同位素豐度同位素元素的個數(shù)3 同位素離子第47頁/共60頁484 重排離子麥?zhǔn)现嘏?(Mclafferty)含有含有

24、氫原子CXX = O, N, S, COCCH2CH2CH2HHCOHCH2H+CH2CH244zm/CHCH2CH2CH2OH+CHRCH2HRHHCH292zm/第48頁/共60頁496.3 質(zhì)譜解析6.3.2 常見有機化合物的質(zhì)譜1烴類斷裂相差14個質(zhì)量單位的離子系列CH23-4個，4-5個碳原子的碎片出現(xiàn)幾率大5743,/zm支鏈處容易斷裂，產(chǎn)生的碎片離子強度大CH3(CH2)3CH(CH2)9CH3CH35716985141p330烷烴第49頁/共60頁506.3 質(zhì)譜解析6.3.2 常見有機化合物的質(zhì)譜烯烴具有烷烴的特征可發(fā)生重排RCH2CH2CH2CHCH2RCHCH2+CH2CHCH3芳烴芐基容易斷裂生成正離子R+CH2RCH291zm/第50頁/共60頁516.3 質(zhì)譜解析6.3.2 常見有機化合物的質(zhì)譜2 醇和酚醇斷裂31zm/1 Mzm/脫水18 Mzm/R+CH2ROHCH2OHCROHHHCHROH + HCH2OHCHHRCH2OH2CH2RCH2CH2R第51頁/共60頁526.3 質(zhì)譜解析6.3.2 常見有機化合物的質(zhì)譜酚較強的分子離子苯的特征28MOHOHH-CO-H異構(gòu)化94zm/65zm/66/ zm第52頁/共60頁536.3 質(zhì)譜解析6.3.2 常見有機化合物的質(zhì)譜麥?zhǔn)现嘏?/p>