圖譜分析 質譜MS

1、第四章第四章質譜分析法質譜分析法Mass SpectrometryMass Spectrometry，MSMS第一節(jié)第一節(jié)概述概述分子4.1.1 4.1.1 質譜儀的發(fā)展史質譜儀的發(fā)展史 19111911年年: :世界第一臺質譜裝置（世界第一臺質譜裝置（J.J. ThomsonJ.J. Thomson） 4040年代年代: : 用于同位素測定和無機元素分析用于同位素測定和無機元素分析 5050年代：年代： 開始有機物分析（分析石油）開始有機物分析（分析石油） 6060年代：年代： 研究研究GC-MSGC-MS聯(lián)用技術聯(lián)用技術 7070年代：年代： 計算機引入計算機引入 8080年代：年代： 新

2、的質譜技術出現(xiàn)：新的質譜技術出現(xiàn)：快原子轟擊電離子源，基快原子轟擊電離子源，基質輔助激光解吸電離源，電噴霧電離源，大氣壓化學電離源質輔助激光解吸電離源，電噴霧電離源，大氣壓化學電離源；LC-MSLC-MS聯(lián)用儀，感應耦合等離子體質譜儀，富立葉變換質譜儀等聯(lián)用儀，感應耦合等離子體質譜儀，富立葉變換質譜儀等目前質譜分析法已廣泛地應用于目前質譜分析法已廣泛地應用于化學、化工、材料、環(huán)化學、化工、材料、環(huán)境、地質、能源、藥物、刑偵、生命科學、運動醫(yī)學境、地質、能源、藥物、刑偵、生命科學、運動醫(yī)學等等各個領域。各個領域。質譜法的主要作用是：質譜法的主要作用是：（1 1）準確測定物質的分子量）準確測定物質

3、的分子量（2 2）根據(jù)碎片特征進行化合物的結構分析）根據(jù)碎片特征進行化合物的結構分析分析時，首先將分子離子化，然后利用離子在電場或分析時，首先將分子離子化，然后利用離子在電場或磁場中運動的性質，把離子按質核比大小排列成譜，磁場中運動的性質，把離子按質核比大小排列成譜，此即為質譜。此即為質譜。4.1.2 4.1.2 質譜質譜分析法分析法是按照離子的質核比（是按照離子的質核比（m/zm/z）大大小對離子進行分離和測定從而小對離子進行分離和測定從而對樣品進行定性和定量對樣品進行定性和定量分分析析的一種方法的一種方法。第二節(jié)第二節(jié)質譜分析的原理與儀器質譜分析的原理與儀器4.2.1 質譜分析的過程與原理

4、質譜分析的過程與原理圖圖4-1 MS分析過程示意圖分析過程示意圖1 1、進樣、進樣化合物通過汽化引入離子化室；化合物通過汽化引入離子化室；2、離子化、離子化M + e M-在離子化室，組分分子被一束加速電子碰撞（能量約在離子化室，組分分子被一束加速電子碰撞（能量約70eV），），撞擊使分子電離形成正離子；撞擊使分子電離形成正離子；M M+ + e或與電子結合，形成負離子或與電子結合，形成負離子4、荷電離子被加速電壓加速，產(chǎn)生一定的速度、荷電離子被加速電壓加速，產(chǎn)生一定的速度v，與質量、電荷及加速電壓有關：與質量、電荷及加速電壓有關：3 3、離子也可因撞擊強烈而形成碎片離子：、離子也可因撞擊強烈

5、而形成碎片離子：) 1 (212mvzV 5 5、加速離子進入一個強度為、加速離子進入一個強度為H H的磁場，發(fā)生偏的磁場，發(fā)生偏轉，半徑為：轉，半徑為：當當r r為儀器設置不變時，改變加速電壓或磁場強度，則不為儀器設置不變時，改變加速電壓或磁場強度，則不同同m/zm/z的離子依次通過狹縫到達檢測器，形成質量譜，的離子依次通過狹縫到達檢測器，形成質量譜，簡稱質譜。簡稱質譜。)2(zHmvr 將（將（1）（）（2）合并：）合并：) 3(222VrHzm4 4.2.2.2 2 有機質譜中的各種離子有機質譜中的各種離子2 2）準分子離子（）準分子離子（quasi-molecular ionquasi

6、-molecular ion）準分子離子常由軟電離產(chǎn)生，一般為準分子離子常由軟電離產(chǎn)生，一般為 M+H M+H + +、M-H M-H + +。3 3）碎片離子（）碎片離子（fragment ionfragment ion）泛指由分子離子破裂而產(chǎn)生的一切離子。狹義的碎片離子泛指由分子離子破裂而產(chǎn)生的一切離子。狹義的碎片離子指由簡單斷裂產(chǎn)生的離子指由簡單斷裂產(chǎn)生的離子。4 4）重排離子（）重排離子（rearrangement ionrearrangement ion）經(jīng)重排反應產(chǎn)生的離子，其結構不是原分子結構單元經(jīng)重排反應產(chǎn)生的離子，其結構不是原分子結構單元。1）分子離子（）分子離子（molec

7、ular ion）樣品分子失去一個電子而電離所產(chǎn)生的離子，記為樣品分子失去一個電子而電離所產(chǎn)生的離子，記為 。M5 5）母離子（）母離子（parent ionparent ion）與子離子（）與子離子（daughter iondaughter ion）任何一離子進一步產(chǎn)生某離子，前者稱為母離子，后者任何一離子進一步產(chǎn)生某離子，前者稱為母離子，后者稱為子離子稱為子離子。 6 6）亞穩(wěn)離子（）亞穩(wěn)離子（metastable ionmetastable ion）是從離子源出口到檢測器之間產(chǎn)生的離子是從離子源出口到檢測器之間產(chǎn)生的離子。7 7）奇電子與偶電子離子（）奇電子與偶電子離子（odd- and

8、 odd- and even-electron even-electron ionion）具有未配對電子的離子稱為奇電子離子，不具有未配對具有未配對電子的離子稱為奇電子離子，不具有未配對電子的離子稱為偶電子離子電子的離子稱為偶電子離子。 8 8）多電荷離子（）多電荷離子（multiplymultiply-charged ion-charged ion）失掉兩個以上電子的離子稱為多電荷離子失掉兩個以上電子的離子稱為多電荷離子。9 9）同位素離子（）同位素離子（isotopicisotopic ion ion）當元素具有非單一的同位素組成時，產(chǎn)生同位素離子。當元素具有非單一的同位素組成時，產(chǎn)生同位

9、素離子。4.2.3 4.2.3 質譜儀的組成質譜儀的組成q 進樣系統(tǒng)（進樣系統(tǒng)（inlet systeminlet system）q離子源（離子源（ion sourceion source）q質量分析器（質量分析器（mass analyzermass analyzer）q檢測器（檢測器（detecterdetecter） q真空系統(tǒng)（真空系統(tǒng)（Vacuum systemVacuum system）1 1、樣品引入系統(tǒng)、樣品引入系統(tǒng)氣體氣體直接導入或用氣相色譜進樣直接導入或用氣相色譜進樣液體液體加熱汽化或霧化進樣加熱汽化或霧化進樣固體固體用直接進樣探頭用直接進樣探頭圖圖4-4 4-4 霧化進樣霧

10、化進樣圖圖4-5 4-5 霧化進樣系統(tǒng)霧化進樣系統(tǒng)Heated GasHENNebulizerWater VaporWater VaporDry AerosolNebulizer GasMakeup GasSweepGas InSweepGas OutSample Flow InHeater對于蒸汽壓低的樣品進行衍生化后進樣對于蒸汽壓低的樣品進行衍生化后進樣例如：葡萄糖變成三甲基硅醚的衍生物例如：葡萄糖變成三甲基硅醚的衍生物OCH2OHOHOHHOHOOCH2OSiMe3OSiMe3OSiMe3Me3SiOMe3SiOMe3SiCl2 2、 離子源離子源( (ion source)ion so

11、urce) 電子電離源電子電離源( (electron ionization EI)electron ionization EI) 化學電離源化學電離源( (chemical ionization CI)chemical ionization CI) 快原子轟擊快原子轟擊( (fast atom bombardment FAB)fast atom bombardment FAB) 電噴霧源電噴霧源( (electronspray ionization electronspray ionization ESI)ESI) 大氣壓化學電離（大氣壓化學電離（atmospheric pressure a

12、tmospheric pressure chemical ionization APCI)chemical ionization APCI) 基質輔助激光解吸電離（基質輔助激光解吸電離（matrix assisted laser matrix assisted laser desorption ionization MALDI)desorption ionization MALDI)離子源的作用是將欲分析樣品電離，得到帶有樣品離子源的作用是將欲分析樣品電離，得到帶有樣品信息的離子。信息的離子。（1 1） 電子電離源電子電離源( (electron ionization EI)electron

13、ionization EI)動畫動畫圖圖4-6電子電離源原理圖電子電離源原理圖樣品分子形成離子的四種途徑：樣品分子形成離子的四種途徑： 樣品分子被打掉一個電子形成分子離子樣品分子被打掉一個電子形成分子離子（同位素離子同位素離子）。 分子離子進一步發(fā)生化學鍵斷裂形成碎片離子。分子離子進一步發(fā)生化學鍵斷裂形成碎片離子。 分子離子發(fā)生結構重排形成重排離子。分子離子發(fā)生結構重排形成重排離子。 通過分子離子反應生成加合離子。通過分子離子反應生成加合離子。特點：特點：v 碎片離子多，結構信息豐富，有標準化合物質譜庫；碎片離子多，結構信息豐富，有標準化合物質譜庫；v 主要用于揮發(fā)性樣品的電離，不能汽化的樣品

14、不能分析；主要用于揮發(fā)性樣品的電離，不能汽化的樣品不能分析；v 穩(wěn)定性不高的樣品得不到分子離子；穩(wěn)定性不高的樣品得不到分子離子；EIEI是質譜中最常用的離子源，電子能量一般為是質譜中最常用的離子源，電子能量一般為7070eVeV，大大多數(shù)有機化合物的電離電位多數(shù)有機化合物的電離電位715715eVeV，多數(shù)分子離子進一多數(shù)分子離子進一步裂解產(chǎn)生碎片離子。步裂解產(chǎn)生碎片離子。（2 2）化學電離源）化學電離源( (chemical ionization CI)chemical ionization CI)結構與結構與EIEI同，離子化室充同，離子化室充反應氣體（甲烷、異丁烷、氨反應氣體（甲烷、異丁

15、烷、氨等），等），電子首先將電子首先將CHCH4 4離解，離解，通過離子通過離子- -分子反應來完分子反應來完成電離。成電離。其電離過程如下：其電離過程如下：生成的氣體離子再與樣品分子生成的氣體離子再與樣品分子M反應：反應： CH5 + + MH CH4 + MH2+C2H5 + + MH C2H6 + M+ CH4 + e CH4+ + 2e （ CH3 + ， ） CH4+ + CH4 CH5+ + CH3 CH3+ + CH4 C2H5 + + H2化學電離源是一種軟電離方式，有些化學電離源是一種軟電離方式，有些穩(wěn)定性差的化合物，穩(wěn)定性差的化合物，用用EIEI方式得不到分子離子，改用方式

16、得不到分子離子，改用CICI后可以得到準分子離后可以得到準分子離子，因而可以求得分子量。子，因而可以求得分子量。特點：特點：v 得到一系列準分子離子得到一系列準分子離子( (M+1)M+1)+ +，(M-1)(M-1)+ +，(M+2)(M+2)+ +等等；等等；v 一般都有正一般都有正CICI和負和負CICI，可以根據(jù)樣品情況進行選擇可以根據(jù)樣品情況進行選擇，對對于含有很強的吸電子基團的化合物，檢測負離子的靈敏于含有很強的吸電子基團的化合物，檢測負離子的靈敏度遠高于正離子的靈敏度度遠高于正離子的靈敏度； v 碎片離子峰少，圖譜簡單，易于解釋；碎片離子峰少，圖譜簡單，易于解釋；v 適用于易汽化

17、的樣品適用于易汽化的樣品，不適于難揮發(fā)成分的分析。，不適于難揮發(fā)成分的分析。v CICI得到的質譜不是標準質譜，所以不能進行庫檢索。得到的質譜不是標準質譜，所以不能進行庫檢索。（3 3）快原子轟擊）快原子轟擊( (fast atom bombardment fast atom bombardment FAB)FAB)v 氬氬（氙）（氙）氣在電離氣在電離室依靠放電產(chǎn)生氬室依靠放電產(chǎn)生氬離子，高能氬離子離子，高能氬離子經(jīng)電荷交換得到高經(jīng)電荷交換得到高能氬原子流，能氬原子流，v 高能高能ArAr（XeXe）原原子轟擊涂在靶上的子轟擊涂在靶上的樣品，濺射出離子樣品，濺射出離子流。流。v 樣品電離后進入

18、真樣品電離后進入真空，空，在電場作用下在電場作用下進入分析器。進入分析器。 圖圖4-7 快原子轟擊源示意圖快原子轟擊源示意圖FBAFBA是是一種廣泛應用的軟電離技術一種廣泛應用的軟電離技術，主要用于極性強、，主要用于極性強、分子量大的樣品分析。分子量大的樣品分析。特點：特點：v 電離過程中不必加熱氣化，因此適合于分析大分子量、電離過程中不必加熱氣化，因此適合于分析大分子量、難氣化、熱穩(wěn)定性差的樣品。例如難氣化、熱穩(wěn)定性差的樣品。例如肽類、低聚糖、天肽類、低聚糖、天然抗生素、有機金屬絡合物然抗生素、有機金屬絡合物等。等。v FABFAB源得到的質譜不僅有較強的準分子離子峰源得到的質譜不僅有較強的

19、準分子離子峰( (M+H)M+H)+ +或或( (M+Na)M+Na)+ + ，而且有較豐富的結構信息。，而且有較豐富的結構信息。v FABFAB一般用作磁式質譜的離子源。一般用作磁式質譜的離子源。（4 4）電噴霧源）電噴霧源( (electronspray ionization electronspray ionization ESI)ESI)v 多層套管組成的電噴霧噴咀多層套管組成的電噴霧噴咀，最內層是液相色譜流出最內層是液相色譜流出物，外層是噴射氣物，外層是噴射氣（氮氣氮氣），使噴出的液體容易分散，使噴出的液體容易分散成微滴。成微滴。v 噴嘴斜前方有一個補助氣噴咀，使微滴的溶劑快速蒸噴嘴

20、斜前方有一個補助氣噴咀，使微滴的溶劑快速蒸發(fā)發(fā)，表面電荷密度逐漸增大，到某個臨界值時，離子表面電荷密度逐漸增大，到某個臨界值時，離子從表面蒸發(fā)出來。從表面蒸發(fā)出來。v 離子產(chǎn)生后，借助于噴咀與錐孔之間的電壓，穿過取離子產(chǎn)生后，借助于噴咀與錐孔之間的電壓，穿過取樣孔進入分析器樣孔進入分析器動畫動畫圖圖4-8 電噴霧電電噴霧電離原理圖離原理圖ESIESI是很軟的電離方法，即便是分子量大，穩(wěn)定性差的化是很軟的電離方法，即便是分子量大，穩(wěn)定性差的化合物，也不會在電離過程中發(fā)生分解合物，也不會在電離過程中發(fā)生分解。特點：特點：v適合于適合于適用于強極性，大分子量的樣品（生物大分適用于強極性，大分子量的樣

21、品（生物大分子）分析，子）分析，如如蛋白質、肽、糖蛋白質、肽、糖等。等。v最大特點是容易形成多電荷離子。最大特點是容易形成多電荷離子。一個分子量為一個分子量為1000010000DaDa的分子若帶有的分子若帶有1010個電荷，則其質荷比只有個電荷，則其質荷比只有10001000DaDa，進入了一般質譜儀可以分析的范圍之內。進入了一般質譜儀可以分析的范圍之內。因此因此目前采用電噴霧電離，可以測量分子量在目前采用電噴霧電離，可以測量分子量在300000300000DaDa以上的蛋白質。以上的蛋白質。v主要用于液相色譜主要用于液相色譜- -質譜聯(lián)用儀質譜聯(lián)用儀圖圖4-9 4-9 肌紅蛋白電噴霧質譜圖

22、肌紅蛋白電噴霧質譜圖（5 5）大氣壓化學電離源）大氣壓化學電離源( (Atmospheric Atmospheric pressure chemical Ionizationpressure chemical IonizationAPCI)APCI)結構與電噴霧源大致相同，不同之處在于結構與電噴霧源大致相同，不同之處在于APCI噴咀的下噴咀的下游放置一個針狀放電電極，通過放電電極的高壓放電，游放置一個針狀放電電極，通過放電電極的高壓放電，使空氣中某些中性分子電離。使空氣中某些中性分子電離。圖圖4-10 大氣壓化學大氣壓化學電離接口示意圖電離接口示意圖大氣壓化學電離源主要用來分析中等極性的化合物

23、。大氣壓化學電離源主要用來分析中等極性的化合物。v 電離產(chǎn)生電離產(chǎn)生H3O+，N2+，O2+ 和和O+ 等離子及溶劑分子電等離子及溶劑分子電離產(chǎn)生的離子與分析物分子進行離子離產(chǎn)生的離子與分析物分子進行離子-分子反應，使分分子反應，使分析物分子離子化。析物分子離子化。由質子轉移和電荷交換產(chǎn)生正離子，由質子轉移和電荷交換產(chǎn)生正離子，質子脫離和電子捕獲產(chǎn)生負離子質子脫離和電子捕獲產(chǎn)生負離子等。等。v APCI是是ESI的補充，有些分析物由于結構和極性方面的補充，有些分析物由于結構和極性方面的原因，用的原因，用ESI不能產(chǎn)生足夠強的離子，可以采用不能產(chǎn)生足夠強的離子，可以采用APCI方式增加離子產(chǎn)率。

24、方式增加離子產(chǎn)率。v APCI主要產(chǎn)生的是單電荷離子，主要產(chǎn)生的是單電荷離子，適用于弱極性的小分適用于弱極性的小分子化合物。子化合物。v 碎片離子很少，主要是準分子離子，適用于液相色譜碎片離子很少，主要是準分子離子，適用于液相色譜-質譜聯(lián)用儀。質譜聯(lián)用儀。（6 6）激光解吸源（）激光解吸源（Laser DescriptionLaser Description，LDLD）v 利用一定波長的脈沖式激光照射涂有基質的樣品靶，基利用一定波長的脈沖式激光照射涂有基質的樣品靶，基質分子吸收激光能量，與樣品分子一起蒸發(fā)到氣相并使質分子吸收激光能量，與樣品分子一起蒸發(fā)到氣相并使樣品分子電離。樣品分子電離。v

25、通常稱為基質輔助激光解吸電離通常稱為基質輔助激光解吸電離(Matrix Assisted Laser Description Ionization, 簡稱簡稱MALDI)。常用基質有常用基質有2,5-二羥基苯甲酸、芥子酸、煙酸、二羥基苯甲酸、芥子酸、煙酸、-氰基氰基-4-羥基肉桂酸羥基肉桂酸等。等。v 特別適合于飛行時間質譜儀特別適合于飛行時間質譜儀(TOF)，組成組成MALDI-TOF。v MALDI屬于軟電離技術，碎片離子和多電荷離子較少，屬于軟電離技術，碎片離子和多電荷離子較少，主要是分子離子，準分子離子。比較適合分析生物大分主要是分子離子，準分子離子。比較適合分析生物大分子，如子，如肽

26、、蛋白質、核酸肽、蛋白質、核酸等。等。3 3、質量分析器、質量分析器( (mass analyzer)mass analyzer) 單聚焦分析器（單聚焦分析器（single focusing mass single focusing mass analyzeranalyzer） 雙聚焦分析器（雙聚焦分析器（double focusing mass double focusing mass analyzeranalyzer） 四極桿分析器四極桿分析器 ( (quadrupole analyzer)quadrupole analyzer) 飛行時間分析器飛行時間分析器( (time of flig

27、httime of flight） 離子阱分析器離子阱分析器 ( (Ion trap)Ion trap) 富立葉變換離子回旋共振分析器（富立葉變換離子回旋共振分析器（Fourier Fourier tranform ion cyclotron resonancetranform ion cyclotron resonance）質量分析器的作用是將離子源產(chǎn)生的離子按質量分析器的作用是將離子源產(chǎn)生的離子按m/z順序順序分開并排列成譜。分開并排列成譜。（1 1）單聚焦分析器（）單聚焦分析器（single focusing mass single focusing mass analyzeranaly

28、zer）結構：結構： 扇形磁場扇形磁場（可以是（可以是180180o o、9090o o、6060o o等）等）圖圖4-11 單聚焦質量分析器單聚焦質量分析器動畫動畫原理：原理：v 離子的離子的m/zm/z大，偏轉半徑也大，通過磁場可以把不同大，偏轉半徑也大，通過磁場可以把不同離子分開；離子分開；v 當當r r為儀器設置不變時，改變加速電壓或磁場強度，則為儀器設置不變時，改變加速電壓或磁場強度，則不同不同m/zm/z的離子依次通過狹縫到達檢測器，形成質譜。的離子依次通過狹縫到達檢測器，形成質譜。v 結構簡單，操作方便，但分辨率很低。結構簡單，操作方便，但分辨率很低。（無法克服離（無法克服離子初

29、始能量分散對分辨率造成的影響）子初始能量分散對分辨率造成的影響）由（由（3）式可知：）式可知：) 3(222VrHzm（2 2）雙聚焦分析器（）雙聚焦分析器（Double focusing mass Double focusing mass analyzeranalyzer）在扇形磁場前加一扇形電場，以消除離子能量分散對在扇形磁場前加一扇形電場，以消除離子能量分散對分辨率的影響。分辨率的影響。圖圖4-12 雙聚焦質量分析器原理圖雙聚焦質量分析器原理圖對于動能不同的離子，通過調節(jié)電場能，達到聚焦的目對于動能不同的離子，通過調節(jié)電場能，達到聚焦的目的。的。v 質量相同而能量不同的離子經(jīng)過扇形電場后

30、彼此分開，質量相同而能量不同的離子經(jīng)過扇形電場后彼此分開，起能量色散作用。使靜電場的能量色散作用和磁場的起能量色散作用。使靜電場的能量色散作用和磁場的能量色散作用大小相等方向相反，就可以消除能量分能量色散作用大小相等方向相反，就可以消除能量分散對分辨率的影響。散對分辨率的影響。v 由電場和磁場共同實現(xiàn)質量分離的分析器，同時具有由電場和磁場共同實現(xiàn)質量分離的分析器，同時具有方向聚焦和能量聚焦作用，叫雙聚焦質量分析器。方向聚焦和能量聚焦作用，叫雙聚焦質量分析器。v 雙聚焦分析器的優(yōu)點是雙聚焦分析器的優(yōu)點是分辨率高分辨率高，缺點是，缺點是掃描速度慢，掃描速度慢，操作、調整比較困難操作、調整比較困難，

31、儀器造價比較昂貴儀器造價比較昂貴。（3 3）四極桿分析器）四極桿分析器 ( (quadrupole analyzer)quadrupole analyzer)四根棒狀電極四根棒狀電極（鍍金陶瓷或鍍金陶瓷或鉬合金）鉬合金），形，形成四極場。成四極場。圖圖4-12 四極桿質量分析器四極桿質量分析器相對兩根電極間加有電壓相對兩根電極間加有電壓(Vdc+Vrf)，另外兩根電極間加有另外兩根電極間加有-(Vdc+Vrf)。Vdc為直流電壓，為直流電壓，Vrf為射頻電壓為射頻電壓。v 在一定的在一定的Vdc/Vrf ， 只有只有一種質核比的離子可通一種質核比的離子可通過四極場，到達檢測器，過四極場，到達檢

32、測器，其余離子振幅不斷增大，其余離子振幅不斷增大，最后碰到四極桿而被吸最后碰到四極桿而被吸收。收。v 改變改變V Vrf rf 可實現(xiàn)掃描。可實現(xiàn)掃描。選擇離子監(jiān)測，選擇離子監(jiān)測，select ion monitoring SIMv 掃描速度快，靈敏度高，掃描速度快，靈敏度高，適用于適用于GC-MSGC-MS。圖圖4-13 四極桿質量分析器原理圖四極桿質量分析器原理圖（4 4）飛行時間分析器（）飛行時間分析器（Time of Flight Time of Flight AnalyzerAnalyzer） 試樣入口試樣入口電子發(fā)射電子發(fā)射柵極柵極1，-270V柵極柵極2，2.8kV接接收收器器抽

33、真空抽真空動畫動畫圖圖4-14 飛行時間質量分析器原理圖飛行時間質量分析器原理圖離子在漂移管中飛行的時間與離子質量的平方根成正比。離子在漂移管中飛行的時間與離子質量的平方根成正比。特點：特點：v 質量范圍寬，最高可檢質量超過質量范圍寬，最高可檢質量超過300000Da，靈敏度高；靈敏度高；掃描速度快，掃描速度快，既不需電場也不需磁場；既不需電場也不需磁場；v 由于質量相同的離子進入漂移管的時間有先后，空間由于質量相同的離子進入漂移管的時間有先后，空間有前后和初始動能也不同，達到檢測器的時間就不相有前后和初始動能也不同，達到檢測器的時間就不相同，導致分辨率比較低。同，導致分辨率比較低。v 激光脈

34、沖電離方式，離子延遲引出技術和離子反射技激光脈沖電離方式，離子延遲引出技術和離子反射技術，提高了儀器分辨率，可達術，提高了儀器分辨率，可達20000以上。以上。v 已廣泛應用于已廣泛應用于GC-MS，LC-MS和基質輔助激光解吸飛和基質輔助激光解吸飛行時間質譜儀中。行時間質譜儀中?？捎糜诖蠓肿拥姆治觯◣资f原子可用于大分子的分析（幾十萬原子量單位），在生命科學中用途很廣。量單位），在生命科學中用途很廣。（5 5）離子阱分析器）離子阱分析器 Ion Trap AnalyzerIon Trap Analyzerv 結構小巧，質結構小巧，質量輕，靈敏度量輕，靈敏度高，而且還有高，而且還有多級質譜功能

35、。多級質譜功能。v 可用于可用于GC-MS，也可用于也可用于LC-MS。圖圖4-15 離子阱構造原理圖離子阱構造原理圖動畫動畫1-燈絲；燈絲；2-端帽；端帽；3-環(huán)形電極；環(huán)形電極；4-電子倍增管；電子倍增管；5-計算機；計算機；6-放大器和射頻發(fā)生器（基本射頻電壓）；放大器和射頻發(fā)生器（基本射頻電壓）；7-放大器和射頻發(fā)生器（附加射頻電壓）放大器和射頻發(fā)生器（附加射頻電壓）4 4、 檢測器檢測器( (detector) detector) 電子倍增器電子倍增器信號增益與倍增器信號增益與倍增器電壓有關，提高電壓有關，提高倍增器電壓可以倍增器電壓可以提高靈敏度，但提高靈敏度，但同時會降低倍增同時

36、會降低倍增器的壽命。器的壽命。圖圖4-18 電子倍增器示意圖電子倍增器示意圖5 5、 真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)v 質譜儀的離子源和分析器都必須處在優(yōu)于質譜儀的離子源和分析器都必須處在優(yōu)于10-5 mbar的的真空中才能工作。真空中才能工作。保證離子源中燈絲的正常工作，保保證離子源中燈絲的正常工作，保證離子在離子源和分析器正常運行，消減不必要的離證離子在離子源和分析器正常運行，消減不必要的離子碰撞，散射效應，復合反應和離子子碰撞，散射效應，復合反應和離子-分子反應，減小分子反應，減小本底與記憶效應。本底與記憶效應。v 真空裝置：真空裝置：機械真空泵：機械真空泵：極限真空度為極限真空度為10-3 mbar

37、擴散泵：擴散泵：性能穩(wěn)定可靠，缺點是啟動慢性能穩(wěn)定可靠，缺點是啟動慢分子渦輪泵：分子渦輪泵：儀器啟動快，但使用壽命不如擴散泵。儀器啟動快，但使用壽命不如擴散泵。使用方便，沒有油的擴散污染使用方便，沒有油的擴散污染4.2.4 4.2.4 質譜儀的主要性能指標質譜儀的主要性能指標（1 1）質量范圍（質量范圍（mass rangemass range） 質譜儀所能測定的離子質荷比的范圍。質譜儀所能測定的離子質荷比的范圍。 四極質譜：四極質譜： 1000 1000以內以內 離子阱質譜：離子阱質譜： 6000 6000 飛行時間質譜：飛行時間質譜： 無上限無上限（2 2）掃描速度指掃描一定質量范圍所需時

38、間）掃描速度指掃描一定質量范圍所需時間例如例如GC-MSGC-MS：m/z 1-1000m/z 1-1000所需時間所需時間11s s（3 3）分辨率）分辨率R R（resolutionresolution）：分離相鄰質譜峰的能力分離相鄰質譜峰的能力R = ; 式中式中 M = ; M = M2 -M1M MM1+M22例如：例如：CO+27.9949N2+28.006125009949.270061.280005.28MMR四極質譜恰好能將此分開四極質譜恰好能將此分開若近似等強度的質量分別為若近似等強度的質量分別為M1及及M2的兩個相鄰峰正的兩個相鄰峰正好分開，則質譜儀的分辨率定義為：好分開

39、，則質譜儀的分辨率定義為：說明：說明：1 1）R R10%10%：兩峰間的峰谷高度為峰高的兩峰間的峰谷高度為峰高的10%10%時的測定值；時的測定值；2 2）一般難以找到兩個質量峰等高，且重疊的谷高正好等）一般難以找到兩個質量峰等高，且重疊的谷高正好等于峰高的于峰高的10%10%，則定義：，則定義：R = ; 式中式中 a為相鄰兩峰的中心距離；為相鄰兩峰的中心距離； b為其中一峰的峰高為其中一峰的峰高5%處的峰寬。處的峰寬。M Ma b78059216.749312.749264.74MMR需用高分辨質譜需用高分辨質譜.但是但是: : ArClArCl+ +74.931274.9312AsAs

40、+ +74.921674.9216（4 4）靈敏度（）靈敏度（sensitivitysensitivity）對于一定樣品（如硬脂酸甲酯），在一定的分辨率情況對于一定樣品（如硬脂酸甲酯），在一定的分辨率情況下，產(chǎn)生一定信噪比（如下，產(chǎn)生一定信噪比（如1010 1 1）的分子離子峰所需的）的分子離子峰所需的樣品量。樣品量。4.2.5 質譜圖質譜圖橫坐標：橫坐標： 質荷比質荷比m/z縱坐標：縱坐標： 離子流強度（相對豐度）離子流強度（相對豐度）相對豐度：最強峰的強度定為相對豐度：最強峰的強度定為100%第三節(jié)第三節(jié)質譜圖分析質譜圖分析124M(153)HOHOCH2CH2NH2M.W.=153圖圖4

41、-19 多巴胺的質譜圖多巴胺的質譜圖基峰（基峰（base peak）：）：最高峰，豐度最高峰，豐度100%通常質量數(shù)最大的為分子離子峰，質量數(shù)等于分子量通常質量數(shù)最大的為分子離子峰，質量數(shù)等于分子量4.3.4.3.1 1 由由EIEI譜確定分子量譜確定分子量2 2）和低質量離子的關系：）和低質量離子的關系： (1) (1) 合理的中性碎片（小分子或自由基）的丟失。合理的中性碎片（小分子或自由基）的丟失。M-3M-3到到M-13M-13、M-20M-20到到M-25M-25之內不可能有峰。之內不可能有峰。 (2) (2) 分子離子應具有最完全的元素組成。分子離子應具有最完全的元素組成。 (3)

42、(3) 多電荷離子按電荷修正后所得到的質量數(shù)應小多電荷離子按電荷修正后所得到的質量數(shù)應小于或等于分子離子質量數(shù)。于或等于分子離子質量數(shù)。 分子離子峰分子離子峰M+ 的判別：的判別：1）最大質量數(shù)的峰可能是分子離子峰。）最大質量數(shù)的峰可能是分子離子峰。 當最大質當最大質量端存在同位素峰簇時，應按有關原則尋找。量端存在同位素峰簇時，應按有關原則尋找。在在EI譜中，分子離子峰在數(shù)值上等于分子量。譜中，分子離子峰在數(shù)值上等于分子量。3 3）應用氮規(guī)則）應用氮規(guī)則 當化合物不含氮或含偶數(shù)個氮時，其分子量為偶數(shù)；當化合物不含氮或含偶數(shù)個氮時，其分子量為偶數(shù)； 當化合物含奇數(shù)個氮時，其分子量為奇數(shù)。當化合物

43、含奇數(shù)個氮時，其分子量為奇數(shù)。4 4）分子離子峰的強度和化合物的結構類型密切相關）分子離子峰的強度和化合物的結構類型密切相關 (1) (1) 芳香化合物芳香化合物 共軛多烯共軛多烯 脂環(huán)化合物脂環(huán)化合物 短直鏈烷短直鏈烷烴烴 某些含硫化合物某些含硫化合物。通常給出較強的分子離子峰。通常給出較強的分子離子峰。 (2) (2) 直鏈的酮、酯、醛、酰胺、醚、鹵化物等通常直鏈的酮、酯、醛、酰胺、醚、鹵化物等通常顯示分子離子峰。顯示分子離子峰。 (3) (3) 脂肪族且分子量較大的醇、胺、亞硝酸酯、硝脂肪族且分子量較大的醇、胺、亞硝酸酯、硝酸酯等化合物及高分支鏈的化合物通常沒有分子離子酸酯等化合物及高分

44、支鏈的化合物通常沒有分子離子峰。峰。5）M+峰和峰和M+H +峰或峰峰或峰M-H +的判別的判別 醚、酯、胺、酰胺、氰化物、氨基酸酯、胺醇等可能醚、酯、胺、酰胺、氰化物、氨基酸酯、胺醇等可能有較強的有較強的M+H +峰，芳醛、某些醇或某些氮化物可能有峰，芳醛、某些醇或某些氮化物可能有較強的較強的M-H +峰。峰。6 6）含氯和溴原子的化合物）含氯和溴原子的化合物3535ClCl：相對豐度，相對豐度，75.77%75.77%3737ClCl：相對豐度，相對豐度，24.23%24.23%7979BrBr：相對豐度，相對豐度，50.5%50.5%8181BrBr：相對豐度，相對豐度，49.5%49.

45、5%7 7）有些沒有分子離子峰的化合物易丟失的中性分子有些沒有分子離子峰的化合物易丟失的中性分子醇易脫水而丟失質量數(shù)醇易脫水而丟失質量數(shù)1818，分子量，分子量= =最高質量數(shù)最高質量數(shù)+18+18乙酸乙酯易失去乙酸，質量數(shù)乙酸乙酯易失去乙酸，質量數(shù)6060判別分子離子峰時的困難：判別分子離子峰時的困難：(1) (1) 樣品不氣化，或氣化分解，或在電離時無完整分子樣品不氣化，或氣化分解，或在電離時無完整分子結構，因而無分子離子峰。結構，因而無分子離子峰。 (2) (2) 樣品中的雜質在高質量端出峰，特別是當雜質易揮樣品中的雜質在高質量端出峰，特別是當雜質易揮發(fā)或其分子離子穩(wěn)定時，干擾很大。發(fā)或

46、其分子離子穩(wěn)定時，干擾很大。(3) (3) 分子離子峰存在于同位素峰簇之中。分子離子峰存在于同位素峰簇之中。(4) (4) 往往同時存在往往同時存在M+H M+H + +或或M-H M-H + +，如何從中辨別出如何從中辨別出M M+ + 。當當EI譜中未出現(xiàn)分子離子峰時：譜中未出現(xiàn)分子離子峰時：降低電子能量降低電子能量樣品化合物衍生化。樣品化合物衍生化。采用軟電離技術。采用軟電離技術。圖圖4-20 Mass spectrum of ethyl acetate as a function of electron energy4.3.4.3.2 2 根據(jù)同位素豐度比例確定分子式根據(jù)同位素豐度比例

47、確定分子式Element Natural Abundance H 1H 100 2H 0.016 C 12C 100 13C 1.08 N 14N 100 15N 0.38 O 16O 100 17O 0.04 18O 0.20 F 19F 100 Si 28Si 100 29Si 5.10 30Si 3.35 P 31P 100 S 32S 100 33S 0.78 34S 4.40 Cl 35Cl 100 37Cl 32.5 Br 79Br 100 81Br 98.0 I 127I 100 表表4-1 常見元素及其同位素的天然豐度常見元素及其同位素的天然豐度C C2 2H H6 6：M=3

48、0M=30表表4-2 4-2 丙烷和重氮甲烷的同位素比例丙烷和重氮甲烷的同位素比例%（M+1）=21.08% + 60.016% = 2.26%（M+2）(1.1nC)2/200 + (0.016nH)2/200 + 0.2nO 0.01%Relative Intensities Compound M M+1 M+2 C3H6 100 3.34 0.05 CH2N2 100 1.87 0.01 表表4-3 4-3 COCO，N N2 2和和C C2 2H H4 4的同位素比例的同位素比例圖圖4-21 4-21 含含BrBr和和ClCl原子化合物的質譜圖原子化合物的質譜圖表表4-4 4-4 各種

49、含各種含BrBr和和ClCl化合物的的同位素峰的相對強度化合物的的同位素峰的相對強度Relative Intensities halogen M M+2 M+4 M+6 Br 100 97.7 Br2 100 195.0 95.4 Br3 100 293.0 286.0 93.4 Cl 100 32.6 Cl2 100 65.3 10.6 Cl3 100 97.8 31.9 3.47 BrCl 100 130.0 31.9 Br2Cl 100 228.0 159.0 31.2 Cl2Br 100 163.0 74.4 10.4 第四節(jié)第四節(jié) 有機質譜中的反應及其機理有機質譜中的反應及其機理4.

50、4.1 4.4.1 概述概述1 1. . 離子正電荷位置的表示離子正電荷位置的表示CH3CH2CH2OH；+ R+ 2. 電子轉移的表示電子轉移的表示：一個電子的轉移；：一個電子的轉移；：一對電子的轉移。：一對電子的轉移。3.3. 斷裂方式斷裂方式 COHRRRCOHRRRCOHRRR + 2）非均勻斷裂（異裂：）非均勻斷裂（異裂：heterolytic cleavage）：）：3）半非均勻斷裂（半異裂：）半非均勻斷裂（半異裂：hemiheterolytic cleavage）：）：RRR + R+ ROROR + R+ 1）均勻斷裂（勻裂：）均勻斷裂（勻裂：homolytic cleavag

51、e）：）：4 4. . 有機質譜主要涉及單分子反應有機質譜主要涉及單分子反應除少數(shù)特殊情況（如化學電離、碰撞活化等）之外，除少數(shù)特殊情況（如化學電離、碰撞活化等）之外，有機質譜的主要反映為單分子反應。有機質譜的主要反映為單分子反應。5 5. . 初級碎裂與次級碎裂初級碎裂與次級碎裂 分子被電離的同時，具有過剩的能量，分子離子會自分子被電離的同時，具有過剩的能量，分子離子會自行碎裂，這就是初級碎裂。碎裂可粗分為簡單斷裂和行碎裂，這就是初級碎裂。碎裂可粗分為簡單斷裂和重排。由簡單斷裂和重排產(chǎn)生的離子（統(tǒng)稱為廣義的重排。由簡單斷裂和重排產(chǎn)生的離子（統(tǒng)稱為廣義的碎片離子）可進一步碎裂（再次斷裂、重排）

52、，這就碎片離子）可進一步碎裂（再次斷裂、重排），這就是次級碎裂。是次級碎裂。4.4.4.4.2 2 簡單斷裂簡單斷裂 僅一根化學鍵斷開僅一根化學鍵斷開，反應產(chǎn)物系分子中原已存在的結反應產(chǎn)物系分子中原已存在的結構單元。構單元。 分子離子是奇電子離子，經(jīng)簡單斷裂產(chǎn)生一個自由基分子離子是奇電子離子，經(jīng)簡單斷裂產(chǎn)生一個自由基和一個正離子（偶電子離子）。和一個正離子（偶電子離子）。 含一個氮的化合物，分子離子為奇質量數(shù)，經(jīng)簡單斷含一個氮的化合物，分子離子為奇質量數(shù)，經(jīng)簡單斷裂所產(chǎn)生的自由基和偶電子離子之中，含氮原子的具裂所產(chǎn)生的自由基和偶電子離子之中，含氮原子的具有偶質量數(shù)，不含氮原子的，仍為奇質量數(shù)。

53、有偶質量數(shù)，不含氮原子的，仍為奇質量數(shù)。 斷裂形成的正離子穩(wěn)定性越高，斷裂越易發(fā)生。斷裂形成的正離子穩(wěn)定性越高，斷裂越易發(fā)生。CHCH3 3+ +RCHRCH2 2+ +R R2 2CHCH+ +CHCH2 2=CH-CH=CH-CH2 2+ +Ar-CHAr-CH2 2+ +1 1） 自由基引發(fā)（自由基引發(fā)（ - -斷裂）斷裂）自由基強烈的電子配對傾自由基強烈的電子配對傾向向例例 含飽和雜原子的化合物：含飽和雜原子的化合物： 含不飽和雜原子的化合物：含不飽和雜原子的化合物：RCRY RRCRY R 22RCRYRCRY 含碳含碳-碳不飽和鍵的化合物：碳不飽和鍵的化合物：RCHCHCHRCHC

54、HCHRCHCHCHCHCHCHe 22222222+1 1. . 簡單斷裂的引發(fā)機制簡單斷裂的引發(fā)機制2 2） 電荷引發(fā)（誘導效應，電荷引發(fā)（誘導效應，i i 斷裂）斷裂）一對電子發(fā)生轉移一對電子發(fā)生轉移 i i 斷裂和斷裂和 斷裂是相互競爭的反應。一般講，斷裂是相互競爭的反應。一般講，i i 斷斷裂的重要性小于裂的重要性小于 斷裂。斷裂。 斷裂的大致順序：斷裂的大致順序：N N S S、O O、 、R R Cl Cl Br Br I I i i 斷裂的大致順序：鹵素斷裂的大致順序：鹵素 S S、O O N N、C CRO RRORi RCRORRCOi3 3） 當化合物不含當化合物不含O

55、O、N N等雜原子，也沒有等雜原子，也沒有 鍵時，只鍵時，只能發(fā)生能發(fā)生 斷裂：斷裂：當化合物含有第三周期以后的雜原子如當化合物含有第三周期以后的雜原子如SiSi、P P、S S等，等，C-C-Y Y 鍵的電離已可以和鍵的電離已可以和 Y Y 上未成鍵電子對的電離競上未成鍵電子對的電離競爭時，爭時，C-YC-Y鍵之間也可以發(fā)生鍵之間也可以發(fā)生 斷裂。斷裂。R RRRRRe +2 2. . 簡單斷裂的規(guī)律簡單斷裂的規(guī)律1 1） 含雜原子的化合物存在三種斷裂方式含雜原子的化合物存在三種斷裂方式 鄰接雜原子的鄰接雜原子的C-CC-C鍵（鍵（ - -C C上的另一根鍵）發(fā)上的另一根鍵）發(fā)生斷裂生斷裂（

56、 斷裂）斷裂） 。正電荷一般在含雜原子的一側。正電荷一般在含雜原子的一側。雜原子兩側的烷基都可發(fā)生雜原子兩側的烷基都可發(fā)生 斷裂時，大的烷基優(yōu)先斷裂時，大的烷基優(yōu)先脫去。脫去。很常見很常見 雜原子和碳原子之間的單鍵斷開，正電荷在烷雜原子和碳原子之間的單鍵斷開，正電荷在烷基一側基一側（i i 斷裂）斷裂） 。 雜原子和碳原子之間的單鍵斷開，正電荷在雜雜原子和碳原子之間的單鍵斷開，正電荷在雜原子一側原子一側（類似（類似 斷裂）斷裂） 。較少見較少見規(guī)律：規(guī)律：雜原子和碳原子以雙鍵相連，只能進行雜原子和碳原子以雙鍵相連，只能進行 。飽和雜原子則有不同傾向：飽和雜原子則有不同傾向：a) a) 當當X

57、X為周期表上方偏左（如為周期表上方偏左（如N N、O O）發(fā)生發(fā)生的可能的可能性大；性大；當當X X為周期表右下方，則為周期表右下方，則發(fā)生發(fā)生的可能性大。的可能性大。雜原子連接氫原子時，雜原子連接氫原子時，發(fā)生發(fā)生的可能性大；的可能性大；雜原子雜原子連接烷基時，連接烷基時，發(fā)生發(fā)生、的可能性大。的可能性大。烷基烷基R R所對應的離子所對應的離子R R+ +穩(wěn)定性高時，易發(fā)生穩(wěn)定性高時，易發(fā)生，反之，反之則易發(fā)生則易發(fā)生 。- -NHNH2 2, -NHR, -NHR: : ，-NR-NR1 1R R2 2: : , , ，-OH-OH: : ，- -OROR: : , , ，-SR-SR:

58、: , , （ 的幾率更大些），的幾率更大些），RI, RBrRI, RBr: : 2 2） 鄰接碳、碳不飽和鍵的鄰接碳、碳不飽和鍵的C-CC-C鍵及鄰接苯環(huán)、雜芳環(huán)鍵及鄰接苯環(huán)、雜芳環(huán)的的C-CC-C鍵易斷裂鍵易斷裂（ 斷裂）斷裂）。 共振結構式越多，離共振結構式越多，離子穩(wěn)定性越高。子穩(wěn)定性越高。3 3） 碳鏈分枝處易發(fā)生斷裂，分枝愈多，愈易斷裂。碳鏈分枝處易發(fā)生斷裂，分枝愈多，愈易斷裂。4 4） 飽和環(huán)易于在環(huán)與側鏈連接處斷裂。飽和環(huán)易于在環(huán)與側鏈連接處斷裂。5 5） 分枝處有幾種斷裂的可能時，大基團優(yōu)先脫落。分枝處有幾種斷裂的可能時，大基團優(yōu)先脫落。C4H9CCH3C2H5CH3-C4

59、H9+CCH3C2H5CH3-C2H5+CCH3C4H9CH3+CCH3C2H5C4H9-CH3(a)(b)(c)4.44.4. .3 3 重排（重排（rearrangement)rearrangement)重排的特點重排的特點 重排同時涉及至少兩根鍵的變化，在重排中既有鍵的重排同時涉及至少兩根鍵的變化，在重排中既有鍵的斷裂也有鍵的生成。重排產(chǎn)生了在原化合物中不存在斷裂也有鍵的生成。重排產(chǎn)生了在原化合物中不存在的結構單元的離子。的結構單元的離子。 最常見的是脫離中性小分子的重排反應。脫離中性小最常見的是脫離中性小分子的重排反應。脫離中性小分子所產(chǎn)生的重排離子是奇電子離子。分子所產(chǎn)生的重排離子是

60、奇電子離子。脫離掉的中性小分子及所產(chǎn)生的重排離子均符合氮規(guī)脫離掉的中性小分子及所產(chǎn)生的重排離子均符合氮規(guī)則。從離子的質量數(shù)的奇、偶性可區(qū)分經(jīng)簡單斷裂所則。從離子的質量數(shù)的奇、偶性可區(qū)分經(jīng)簡單斷裂所產(chǎn)生的碎片離子和脫離中性小分子所產(chǎn)生的重排離子。產(chǎn)生的碎片離子和脫離中性小分子所產(chǎn)生的重排離子。v D=ED=E：代表雙鍵（或叁鍵）基團；代表雙鍵（或叁鍵）基團；C C：碳原子或雜原子；碳原子或雜原子；H H：相對于：相對于不飽和鍵不飽和鍵 位置碳原子位置碳原子A A上的氫原子。上的氫原子。v 發(fā)生麥式重排的條件：不飽和基團及其發(fā)生麥式重排的條件：不飽和基團及其 氫的存在。氫的存在。重排離子如仍滿足條