有機(jī)質(zhì)譜2015

1、分析測(cè)試中心分析測(cè)試中心胡耀銘胡耀銘 宋國(guó)新宋國(guó)新二一五年四月二一五年四月高等結(jié)構(gòu)分析高等結(jié)構(gòu)分析有機(jī)質(zhì)譜基本技術(shù)簡(jiǎn)介有機(jī)質(zhì)譜基本技術(shù)簡(jiǎn)介實(shí)驗(yàn)室：科學(xué)樓317/319室電 話：65643012 E-mail: 質(zhì)譜是什么? 質(zhì)譜是一種特殊的“稱重”技術(shù)質(zhì)譜是一種測(cè)定各種物質(zhì)的原子、分子質(zhì)量的分析方法。質(zhì)量是物質(zhì)的固有特性之一，不同的物質(zhì)有不同的質(zhì)量譜質(zhì)譜，利用這一性質(zhì)，可以進(jìn)行定性分析； 質(zhì)譜譜峰的強(qiáng)度也與它代表的化合物的含量有關(guān)，利用這一點(diǎn)，可以進(jìn)行定量分析。質(zhì)譜分析法是化學(xué)領(lǐng)域中非常重要的一種分析方法，這是一項(xiàng)測(cè)量離子質(zhì)量和強(qiáng)度的技術(shù)，它通過(guò)測(cè)定分子質(zhì)量和相應(yīng)的離子電荷（質(zhì)荷比m/z）實(shí)現(xiàn)

2、樣品中分子結(jié)構(gòu)的分析。 英國(guó)物理學(xué)家J.J.Thomson（1906年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者）在上世紀(jì)初即開(kāi)展了正電荷離子束的物理學(xué)研究，并于1910年研制了世界上第一臺(tái)質(zhì)譜儀。 Thomson利用低壓放電離子源所產(chǎn)生的具有高速度的正電荷離子束，通過(guò)一組電場(chǎng)和磁場(chǎng)，這時(shí)不同質(zhì)荷比的正電荷離子按不同質(zhì)量發(fā)生曲率不同的拋物線軌道偏轉(zhuǎn)，依次到達(dá)檢測(cè)器，在感光干板上被記錄下來(lái)，從而發(fā)明了質(zhì)譜法。質(zhì)譜分析法發(fā)展到今天，已在許多科學(xué)研究及生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)揮十分重要的作用。根據(jù)發(fā)展歷程和使用的學(xué)科領(lǐng)域不同，可把質(zhì)譜分成：同位素質(zhì)譜無(wú)機(jī)質(zhì)譜有機(jī)質(zhì)譜生物質(zhì)譜等幾大類同位素質(zhì)譜同位素質(zhì)譜實(shí)際上，最初質(zhì)譜分析工作是從同位素

3、分析開(kāi)始的，這方面的工作包括發(fā)現(xiàn)元素的新的同位素及測(cè)定同位素含量?jī)蓚€(gè)方面。英國(guó)物理學(xué)家F.W.Aston，長(zhǎng)期從事同位素和質(zhì)譜的研究。他首次制成了聚焦性能較高的質(zhì)譜儀，并用此來(lái)對(duì)許多元素的同位素及其豐度進(jìn)行測(cè)量，從而肯定了同位素的普遍存在。同時(shí)根據(jù)對(duì)同位素的研究，他還提出了元素質(zhì)量的整數(shù)法則。因此他榮獲了1922年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。早期的質(zhì)譜分析工作集中于元素的天然同位素發(fā)現(xiàn)及豐度測(cè)定。這方面的數(shù)據(jù)積累為確立目前通用的以12C為基準(zhǔn)的原子質(zhì)量單位體系提供了基礎(chǔ)。這是質(zhì)譜對(duì)物理學(xué)和化學(xué)的一大貢獻(xiàn)。目前這方面的分析、研究工作已基本結(jié)束，同位素分析集中到特定環(huán)境下的同位素含量測(cè)定上。 質(zhì)譜是同位素地質(zhì)

4、學(xué)研究的重要工具，通過(guò)測(cè)定地質(zhì)樣品（巖石、礦物、化石等）中某些同位素的含量，可確定其形成年代，為地質(zhì)學(xué)及考古工作提供可靠的信息。用質(zhì)譜分析同位素標(biāo)記化合物也是研究有機(jī)反應(yīng)歷程以及生物體的新陳代謝機(jī)理，特別是人體內(nèi)的代謝過(guò)程的有效方法。無(wú)機(jī)質(zhì)譜無(wú)機(jī)質(zhì)譜包括無(wú)機(jī)物的定性、定量及材料的表面分析等。用火花源質(zhì)譜分析法，原則上可測(cè)定周期表上從氫到鈾的全部元素，檢測(cè)靈敏度可達(dá)(10-1210-13)g (pg級(jí))。無(wú)機(jī)質(zhì)譜分析的一個(gè)重要領(lǐng)域是對(duì)固體樣品進(jìn)行“立體”分析，包括微區(qū)分析、表面分析、縱深分析、逐層分析等。 有機(jī)質(zhì)譜有機(jī)質(zhì)譜它是針對(duì)有機(jī)物的質(zhì)譜分析方法，與核磁共振譜、紅外光譜、紫外光譜一起被稱為有

5、機(jī)結(jié)構(gòu)分析的“四大譜”。有機(jī)質(zhì)譜研究的真正興起是在上世紀(jì)50年代以后，主要朝著兩方面發(fā)展，其一是研究有機(jī)物離子裂解機(jī)理，另一方面是運(yùn)用質(zhì)譜推導(dǎo)有機(jī)分子結(jié)構(gòu)。 有機(jī)質(zhì)譜分析雖起步較晚，但發(fā)展十分迅速，它已成為當(dāng)前質(zhì)譜學(xué)研究中的主要分支，是有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)和成分分析的主要工具。 與其它“三大譜”相比，它提供了有機(jī)化合物最直觀的特征信息，即分子量及官能團(tuán)碎片結(jié)構(gòu)信息。在某些情況下，這些信息足以確定一個(gè)有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)。在高分辨條件下，將質(zhì)譜信號(hào)通過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)算，可以獲知其元素組成，因此，質(zhì)譜儀還具有元素分析的功能，廣泛應(yīng)用于各種有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)分析。 同時(shí)，由于與分離型儀器（氣相色譜儀、液相色譜儀等）實(shí)

6、現(xiàn)了聯(lián)用，質(zhì)譜可以直接分析混合有機(jī)物，成為復(fù)雜混合物成分分析的最有效工具。在有機(jī)質(zhì)譜應(yīng)用方面，1985年英國(guó)薩塞克斯大學(xué)(University of Sussex)的波譜學(xué)家H.W.Kroto與美國(guó)萊斯大 學(xué)(Rice University)兩名教授R.E.Smalley和R.F.Curl合作研究，利用質(zhì)譜儀發(fā)現(xiàn)碳元素可以形成由60個(gè)或70個(gè) 碳原子構(gòu)成的有籠狀結(jié)構(gòu)的C60和C70分子，這一發(fā)現(xiàn)引起 科學(xué)界特別是物理學(xué)和化學(xué)界的強(qiáng)烈反響，成為上世紀(jì)后半葉的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。11年后，三位科學(xué)家因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)C60并提出其分子結(jié)構(gòu)模型而榮獲1996年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。 “石墨烯概念”生物質(zhì)譜生物質(zhì)譜 隨著

7、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是1988年以后，科學(xué)家們研究出了電噴霧電離質(zhì)譜(ESI)和基質(zhì)輔助激光解析電離飛行時(shí)間質(zhì)譜(MALDI-TOF)，開(kāi)創(chuàng)了有機(jī)質(zhì)譜分析研究生物大分子的新領(lǐng)域。2002年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)分別表彰了兩項(xiàng)成果，一項(xiàng)是美國(guó)科學(xué)家約翰芬恩與日本科學(xué)家田中耕一發(fā)明了對(duì)生物大分子進(jìn)行確認(rèn)和結(jié)構(gòu)分析的方法和發(fā)明了對(duì)生物大分子的質(zhì)譜分析法，他們兩人共享2002年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)一半的獎(jiǎng)金；另一項(xiàng)是瑞士科學(xué)家?guī)鞝柼?維特里希發(fā)明了利用核磁共振技術(shù)測(cè)定溶液中生物大分子三維結(jié)構(gòu)的方法，他獲得了2002年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)另一半的獎(jiǎng)金。用質(zhì)譜技術(shù)分析研究糖、核酸、多肽、蛋白質(zhì)，這方面的許多成功的研究工作都標(biāo)志著質(zhì)

8、譜作為一種生化分析方法將占據(jù)重要的地位， 有機(jī)質(zhì)譜已跨出了近代結(jié)構(gòu)化學(xué)和分析化學(xué)領(lǐng)域而進(jìn)入了生命科學(xué)的范疇，生物質(zhì)譜正在成為質(zhì)譜研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。 同位素質(zhì)譜和無(wú)機(jī)質(zhì)譜是質(zhì)譜中的小分支，前者主要在與放射性同位素有關(guān)的部門應(yīng)用，后者主要在礦產(chǎn)、地質(zhì)、冶金、半導(dǎo)體材料和原子能工業(yè)中應(yīng)用。生物質(zhì)譜則是一個(gè)全新的領(lǐng)域，尚需作進(jìn)一步探討研究。相對(duì)而言，有機(jī)質(zhì)譜是質(zhì)譜中的最大分支，不僅應(yīng)用學(xué)科領(lǐng)域廣泛、部門多，而且儀器數(shù)量很大。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，上世紀(jì)80年代，我國(guó)每年引進(jìn)有機(jī)質(zhì)譜儀器30多臺(tái)，90年代每年引進(jìn)50多臺(tái)，進(jìn)入新世紀(jì)后，每年更是超過(guò)100 臺(tái)。從事這項(xiàng)工作的人數(shù)也很多，目前我國(guó)從事有機(jī)質(zhì)譜分析研

9、究工作的專職科技人員近3000人?？梢赃@樣說(shuō)，一切與有機(jī)化學(xué)有關(guān)聯(lián)的學(xué)科與部門，諸如生物化學(xué)、生命科學(xué)、化工、醫(yī)藥、試劑、輕工、食品、商檢、林業(yè)、農(nóng)藥、石油、地質(zhì)、公安、法檢、航天、國(guó)防、環(huán)境監(jiān)測(cè)、致癌物質(zhì)和興奮劑檢測(cè)等，都要裝備有機(jī)質(zhì)譜儀。因此，本課程將以介紹有機(jī)質(zhì)譜的工作原理、實(shí)驗(yàn)儀器和圖譜解析為主，希望能給大家今后的學(xué)習(xí)、工作有所幫助。有機(jī)質(zhì)譜方法原理有機(jī)質(zhì)譜分析的方法原理是：將被測(cè)物質(zhì)分子電離成各種不同質(zhì)荷比m/z的帶電粒子，然后在電場(chǎng)、磁場(chǎng)或電與磁的組合場(chǎng)的作用下，使這些帶電粒子按質(zhì)荷比大小在空間或時(shí)間上產(chǎn)生分離，并測(cè)量離子峰的強(qiáng)度，以此獲得化合物的分子量及其它有關(guān)結(jié)構(gòu)信息。 農(nóng)藥D

10、DE質(zhì)譜圖 由儀器直接紀(jì)錄下來(lái)的質(zhì)譜圖是一系列尖峰，為了簡(jiǎn)化譜圖，常用棒圖表示。其橫坐標(biāo)為質(zhì)荷比(m/z)，縱坐標(biāo)為離子峰的強(qiáng)度。 A: 離子的相對(duì)強(qiáng)度離子的相對(duì)強(qiáng)度 (Y Axis)B: 離子的質(zhì)量與電荷比離子的質(zhì)量與電荷比 (m/z, X Axis)C: 質(zhì)譜圖中最強(qiáng)的峰稱為基峰質(zhì)譜圖中最強(qiáng)的峰稱為基峰 (Base Peak)D: 相對(duì)于特定的檢測(cè)器時(shí)稱為峰的絕對(duì)強(qiáng)度相對(duì)于特定的檢測(cè)器時(shí)稱為峰的絕對(duì)強(qiáng)度E: 所有質(zhì)譜峰對(duì)應(yīng)的是離子電信號(hào)強(qiáng)度和離子應(yīng)在的所有質(zhì)譜峰對(duì)應(yīng)的是離子電信號(hào)強(qiáng)度和離子應(yīng)在的m/z位置位置 而非真實(shí)的離子強(qiáng)度和離子而非真實(shí)的離子強(qiáng)度和離子 F: 棒狀譜棒狀譜 (Cent

11、roidal Peak)G: 高斯峰高斯峰 (Gauss Peak） 有機(jī)質(zhì)譜圖有機(jī)質(zhì)譜圖GF在質(zhì)譜學(xué)中，質(zhì)量是以12C的1/12為一個(gè)單位，記作amu或u。在12C的1/12定義中：1H=1.0078246， 12C=12.0000000， 13C=13.0033554，14N=14.0030738， 15N=15.0001088， 16O=15.9949141， 18O=17.9991616， 19F=18.9984082， 32S=31.9720727， 35Cl=34.9888531，37Cl=36.9659034。 在有機(jī)質(zhì)譜中，每個(gè)質(zhì)量峰都是由一定數(shù)量的C、H、O、N、S、Cl等元

12、素組成，因此每個(gè)質(zhì)量峰有它的質(zhì)量。高分辨有機(jī)質(zhì)譜儀可以精確地測(cè)出一個(gè)質(zhì)量峰的質(zhì)量到小數(shù)點(diǎn)后45位。 我們稱構(gòu)成一個(gè)質(zhì)量峰的各元素中質(zhì)子和中子數(shù)的總和為質(zhì)量數(shù)，或者以原子質(zhì)量單位計(jì)算的接近整數(shù)的數(shù)，例如O2=32，H2O=18，并以此來(lái)表示質(zhì)量。低分辨有機(jī)質(zhì)譜儀只能測(cè)出每個(gè)質(zhì)量峰的質(zhì)量數(shù)。質(zhì)譜中的縱坐標(biāo)可以是以電壓，長(zhǎng)度，電子數(shù)為單位，也可以是無(wú)量綱的相對(duì)比值，通常用歸一化的相對(duì)比值。有機(jī)質(zhì)譜常用術(shù)語(yǔ)有機(jī)化合物分子失去一個(gè)或數(shù)個(gè)電子，形成正離子；獲得一個(gè)或數(shù)個(gè)電子就形成負(fù)離子。失去或得到一個(gè)電子形成的正離子或負(fù)離子叫單電荷離子；失去或得到數(shù)個(gè)電子形成的正離子或負(fù)離子叫多電荷離子。在質(zhì)譜分析過(guò)程中

13、，產(chǎn)生正離子的機(jī)會(huì)要比負(fù)離子多，一般情況下都取正離子進(jìn)行分析，特殊情況下也作負(fù)離子分析（如分析有機(jī)氯農(nóng)藥等）。 分子失去一個(gè)電子所形成的正離子稱為分子離子，它的質(zhì)荷比值即代表了試樣分子所對(duì)應(yīng)的分子量數(shù)值。分子得到一個(gè)質(zhì)子所形成的正離子稱為準(zhǔn)分子離子。分子離子有可能進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，由分子離子碎裂產(chǎn)生的離子稱碎片離子，而伴有原子或原子團(tuán)轉(zhuǎn)移的碎裂過(guò)程所產(chǎn)生的離子稱重排離子。有機(jī)質(zhì)譜中，通常是把13C、2H、17O、15N、37Cl等低豐度同位素參與組成的分子離子稱為同位素離子。DDE質(zhì)譜圖中，m/z316為DDE的分子離子峰，m/z318、320、322為它的同位素峰，其它低質(zhì)量的離子為碎片離子峰，均

14、由分子離子進(jìn)一步碎裂所形成質(zhì)譜是化合物固有的特性之一，不同的化合物除一些異構(gòu)體之外，有不同的質(zhì)譜，利用這個(gè)性質(zhì)可以進(jìn)行定性分析。有機(jī)質(zhì)譜定性分析就是根據(jù)一張質(zhì)譜給出的信息確定被分析化合物的分子量、分子式，并力求獲得結(jié)構(gòu)式。質(zhì)譜峰的強(qiáng)度與它代表的化合物的含量成正比，混合物的質(zhì)譜，是各成份的質(zhì)譜的算術(shù)加和譜，利用這一點(diǎn)，可以進(jìn)行定量分析。 有機(jī)質(zhì)譜儀器構(gòu)成數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)樣裝置離子源質(zhì)量分析器離子檢測(cè)器真空系統(tǒng)離子源離子源檢測(cè)器檢測(cè)器質(zhì)量分析器質(zhì)量分析器離子源（離子的產(chǎn)生） 為了獲得一個(gè)化合物的質(zhì)譜，首先應(yīng)將樣品分子變成帶電粒子正離子或負(fù)離子，離子源就是使中性分子電離成離子的裝置。在多數(shù)情況下，離子源還

15、需完成第二個(gè)任務(wù)，就是將離子引出、加速和聚焦，使離子束具有一定的幾何形狀和一定的能量。常用的幾種離子源有：電子轟擊型離子源(Electron ImpactEI源) 化學(xué)電離源(Chemical IonizationCI源) 快原子轟擊源（Fast Atom BombardmentFAB源） 大氣壓電離源(Atmospheric Pressure IonizationAPI源) 電子轟擊型離子源(Electron ImpactEI源)電子轟擊電離(EI) A+M B+ C+ . . . . . . M-e 這是一種試樣分子經(jīng)電子流轟擊電離成離子的方法，是有機(jī)質(zhì)譜中應(yīng)用最廣的常規(guī)型離子源。一般有機(jī)

16、化合物的電離電位約為10電子伏特，當(dāng)以大于這個(gè)能量的電子轟擊化合物分子時(shí)，會(huì)使化合物分子處于激發(fā)態(tài)，可能使分子電離為離子，也可能發(fā)生斷裂產(chǎn)生碎片離子。 正是這些斷裂和化合物的結(jié)構(gòu)有關(guān)，在一定能量的電子轟擊下，可以得到該化合物具有特征性的“指紋”信息。 電子能量對(duì)質(zhì)譜有很大的影響，通常采用降低電離電壓(電子能量)的方法，以求獲得較強(qiáng)的分子離子峰。但這時(shí)離子的絕對(duì)強(qiáng)度大大下降靈敏度急劇下降，有時(shí)仍然沒(méi)有分子離子峰。正因?yàn)槿绱?，?guó)際上采用70eV的質(zhì)譜為標(biāo)準(zhǔn)譜，在70eV下電離效率達(dá)到最大值。WILEY 質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫(kù) 第8版 EI源能夠獲得廣泛應(yīng)用的原因是： 電離效率高(確保質(zhì)譜儀具有很高的靈敏度)，

17、 能量分散小(確保質(zhì)譜儀有較高的分辨本領(lǐng))， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 操作簡(jiǎn)便， 可給出化合物的“指紋”信息， 可作質(zhì)量校準(zhǔn)。 電子轟擊源（ EI源）盡管有上述多種優(yōu)點(diǎn)，但它存在二個(gè)嚴(yán)重缺點(diǎn)：樣品必須汽化為分子狀態(tài)導(dǎo)入電離盒，方可實(shí)現(xiàn)電離。這對(duì)于熱不穩(wěn)定性物質(zhì)或不易揮發(fā)性物質(zhì)是不適用的。大多數(shù)情況下，找不到分子離子峰，不利于確定分子量。為了彌補(bǔ)EI源的不足，發(fā)展了其它類型離子源。 化學(xué)電離源(Chemical IonizationCI源)化學(xué)電離源需要一種反應(yīng)物，最常用的是甲烷，當(dāng)甲烷(CH4)和樣品一起導(dǎo)入密封性良好的電離盒時(shí)，CH4分子首先被燈絲發(fā)射的電子轟擊電離，而由于樣品的分壓很小，所以很少可能直

18、接被電離。在高能量的電子轟擊下，CH4分子被電離CH4 + e CH4+ + 2eCH4+ CH3+ + H離子CH4+和CH3+與周圍大量的CH4分子產(chǎn)生分子離子反應(yīng)：CH4+ + CH4 CH5+ + CH3CH3+ + CH4 C2H5+ + H2然后，這些正離子與樣品分子碰撞，使樣品分子電離。絕大多數(shù)樣品分子與CH5+碰撞，發(fā)生分子離子反應(yīng)產(chǎn)生(M+1)離子： M + CH5+ (M+1)+ + CH4還可能出現(xiàn)其他形式的分子離子反應(yīng)。 M + C2H5+ (M+29)+ M + C3H5+ (M+41)+ 在CI源中，電子流首先使反應(yīng)氣如甲烷、氫氣、氨氣等離子化，然后這些反應(yīng)氣離子再

19、與試樣分子發(fā)生分子離子反應(yīng)，使試樣分子離子化。在此過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生像EI源那樣強(qiáng)烈的能量交換，因而樣品的碎片峰少，與分子有關(guān)的峰很強(qiáng)，是EI源的一個(gè)補(bǔ)充。這種電離方式又稱為軟電離技術(shù)。CI源的優(yōu)點(diǎn)：可得到準(zhǔn)分子離子峰，便于確定化合物的分子量。CI譜中有定性價(jià)值的碎片峰往往比EI譜還要強(qiáng),更宜于做選擇離子檢測(cè)（可提高檢測(cè)靈敏度23個(gè)數(shù)量級(jí)）。對(duì)某些化合物（如鹵代物、硝基化合物），CI源的負(fù)離子比正離子強(qiáng)，可作負(fù)離子檢測(cè)（選擇性電離）。CI源的缺點(diǎn)：樣品仍需汽化，對(duì)熱不穩(wěn)定和不易揮發(fā)的化合物仍然不適用。 碎片峰少，缺乏EI源的碎片譜的“指紋”信息。CI譜隨反應(yīng)氣的不同，離子源結(jié)構(gòu)、溫度、壓力的不同以

20、及電子能量的不同而變化。因而CI譜沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)譜可供參考。 快原子轟擊源（Fast Atom BombardmentFAB源）將快速Ar原子(或Xe原子)轟擊涂敷有某種底物的靶面上的試樣，使試樣分子離子化的方法。適用于分析高分子、熱不穩(wěn)定或強(qiáng)極性化合物如肽、糖類、維生素、抗菌素等。這種電離方式得到的離子除分子離子、準(zhǔn)分子離子或(M-1)+離子之外，還有一些碎片離子，可以幫助解析結(jié)構(gòu)。大氣壓電離源(Atmospheric Pressure IonizationAPI源)主要用作液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用接口。大氣壓電離源是將毫居里級(jí)的63Ni放射源放在一個(gè)箔上，置于大氣壓下。當(dāng)液相色譜的流出物通過(guò)時(shí)，產(chǎn)生一系

21、列分子離子反應(yīng)，使樣品分子電離。大氣壓區(qū)域產(chǎn)生的離子通過(guò)直徑25m的小孔進(jìn)入質(zhì)譜儀離子源的透鏡系統(tǒng)從而進(jìn)行質(zhì)譜測(cè)定。API源的特點(diǎn)是樣品不需要經(jīng)過(guò)汽化，液相色譜流出物不經(jīng)過(guò)加熱，有利于熱不穩(wěn)定和不揮發(fā)性物質(zhì)的分析。 其它類型的離子源解析化學(xué)電離源(Desorption Chemical IonizationDCI源) 場(chǎng)致電離和場(chǎng)解電離源(Field Ionization and Field Desorption IonizationFI和FD源) 電噴霧電離源（Electrospray IonizationESI源）基質(zhì)輔助激光解析電離源（Matrix-assisted laser deso

22、rption ionizationMALDI源）分別用于不同樣品的質(zhì)譜測(cè)定。電噴霧電離源（Electrospray IonizationESI源）質(zhì)量分析器（濾質(zhì)器，離子的分離） 質(zhì)量分析器的作用是使從離子源過(guò)來(lái)的離子獲得質(zhì)量色散，也就是說(shuō)使離子按質(zhì)荷比值（m/z）大小進(jìn)行分離和排列。分離離子的原理與質(zhì)量分析器的種類有關(guān)，常見(jiàn)的質(zhì)量分析器有：磁場(chǎng)質(zhì)量分析器 四極質(zhì)量分析器 離子阱質(zhì)量分析器 飛行時(shí)間質(zhì)量分析器 傅立葉變換離子回旋共振質(zhì)量分析器 磁場(chǎng)質(zhì)量分析器質(zhì)量分析器質(zhì)量分析器: 磁質(zhì)譜儀磁質(zhì)譜儀磁場(chǎng)質(zhì)量分析器由分析管（半徑為R）、磁鐵等組成。在離子源內(nèi)生成的質(zhì)量為m，電荷為z的離子，在加速電

23、壓U的作用下，以速度V進(jìn)入強(qiáng)度為B的均勻磁場(chǎng)，受到與離子運(yùn)動(dòng)方向和磁場(chǎng)方向垂直的力，沿著曲率半徑為r的軌道運(yùn)動(dòng)。離子的質(zhì)荷比（m/z）與各參數(shù)的關(guān)系可由下式表示： m/z=Kr2B2/U只有適當(dāng)質(zhì)荷比（m/z）的離子，其對(duì)應(yīng)的r與分析管的半徑R相同,才能進(jìn)入檢測(cè)器。當(dāng)B或U連續(xù)掃描時(shí)，各不同質(zhì)量數(shù)所對(duì)應(yīng)的離子束依次通過(guò)收集狹縫，進(jìn)入檢測(cè)器而測(cè)得整個(gè)質(zhì)譜。四極質(zhì)量分析器質(zhì)量分析器質(zhì)量分析器: 四極質(zhì)譜儀四極質(zhì)譜儀四極質(zhì)量分析器由四根平行的極桿組成，相對(duì)的兩桿連在一起構(gòu)成兩對(duì)電極。在兩對(duì)電極上分別加上直流電壓U和高頻電壓Vcost（是高頻電壓角頻率，t是時(shí)間），在電極包圍的空間產(chǎn)生雙曲型電場(chǎng)。在特

24、定的四極場(chǎng)中，某一質(zhì)荷比的離子能作穩(wěn)定的振蕩，通過(guò)四極場(chǎng)而被接收，其它質(zhì)荷比的離子則被濾掉。因此，在保持直流電壓(U)和射頻電壓(V)振幅比值恒定而連續(xù)改變它們的值時(shí)(掃描)，不同質(zhì)荷比的離子依次通過(guò)四極場(chǎng)而實(shí)現(xiàn)質(zhì)量分離。離子阱質(zhì)量分析器 質(zhì)量分析器:離子阱質(zhì)譜儀 內(nèi)離子源離子阱Top EndcapBottom EndcapRing ElectrodeFilament assembly oGC column inletIon MultiplierDetector這是一種三維空間旋轉(zhuǎn)對(duì)稱四極質(zhì)量分析器，最早于1953年由W. Poul提出技術(shù)原理，他也因此而獲得了1989年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這種分

25、析器的獨(dú)特之處是離子束可以“儲(chǔ)存”在由上頂蓋、環(huán)形電極和下尾蓋所組成的內(nèi)部空間“陷阱”內(nèi)。當(dāng)射頻增加時(shí)，低質(zhì)量數(shù)至高質(zhì)量數(shù)的離子依次變得不穩(wěn)定而穿過(guò)下尾蓋被檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)質(zhì)量分離。 飛行時(shí)間質(zhì)量分析器以脈沖方式產(chǎn)生的離子進(jìn)入無(wú)場(chǎng)區(qū)后，不同質(zhì)荷比的離子漂移速度不同，因而到達(dá)檢測(cè)器的時(shí)間不同從而實(shí)現(xiàn)質(zhì)量分離。這種質(zhì)量分析器的特點(diǎn)是質(zhì)量分析范圍原理上不受限制，主要用于生物大分子方面的結(jié)構(gòu)測(cè)定。TDC/ADC MemoryeFast ClockSTOPPEDRUNNING飛行時(shí)間質(zhì)量分析器t, S30質(zhì)量分析器：正交加速飛行時(shí)間質(zhì)譜儀質(zhì)量分析器：正交加速飛行時(shí)間質(zhì)譜儀傅立葉變換離子回旋共振質(zhì)量分析器這

26、是一種離子被捕集在被稱為捕集極、發(fā)射極和接收極的六面體形狀的分析池內(nèi)作回旋運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量分析器。在高真空及超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)下，不同的質(zhì)荷比的離子對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的回旋頻率。用發(fā)射極上的射頻頻率來(lái)掃描時(shí)，離子就產(chǎn)生回旋共振，使回旋半徑逐漸擴(kuò)大而被接收極檢測(cè)，此時(shí)所得到的各種頻率衰減的余弦波疊加的時(shí)間域信號(hào)，再經(jīng)計(jì)算機(jī)作快速傅立葉變換處理后，得到常規(guī)質(zhì)譜圖的質(zhì)量分析器。檢測(cè)器（離子的檢測(cè)） 由離子收集器、放大器及記錄器所構(gòu)成。常用的有法拉第筒接收器、電子倍增器以及光電倍增管。前者精確度高，而后者因有較高的靈敏度而被普遍采用。 真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)一般包括：低真空前級(jí)泵（機(jī)械泵）高真空泵(擴(kuò)散泵和分子渦輪泵較常用) 真

27、空測(cè)量?jī)x表和真空閥件、管路等。 機(jī)械泵機(jī)械泵擴(kuò)散泵擴(kuò)散泵分子渦輪泵分子渦輪泵真空系統(tǒng)是質(zhì)譜儀器的重要組成部分，因?yàn)樗婕暗皆S多部件的工作原理：離子源中發(fā)射電子的燈絲（如EI源、CI源等）在氧氣較多的情況下會(huì)燒毀，因而要求燈絲必須在高真空狀態(tài)下工作。高氣壓會(huì)干擾離子源中電子束的正常調(diào)節(jié)，還會(huì)引起高達(dá)數(shù)千伏特的離子加速電壓放電，導(dǎo)致?lián)p壞電離室和高壓供電線路。高真空還有利于樣品的揮發(fā)，減少本底的干擾，避免在電離室內(nèi)發(fā)生分子離子反應(yīng)，減少圖譜的復(fù)雜性。生成的離子在運(yùn)動(dòng)中也必須有一定的分子自由程，否則離子間的相互作用會(huì)引起離子偏轉(zhuǎn)而到不了收集器?？偠灾?，在質(zhì)譜測(cè)定過(guò)程中，凡是有樣品分子和離子通過(guò)或存在

28、的地方都必須抽成高真空，壓力要求為10-410-6Pa。計(jì)算機(jī)控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計(jì)算機(jī)是現(xiàn)代質(zhì)譜儀器不可缺少的一部分，由接口、計(jì)算機(jī)、軟件構(gòu)成。它不僅用作數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、處理、檢索和儀器的自動(dòng)控制，而且還拓寬了質(zhì)譜儀的功能。主要功能有： 調(diào)諧程序 數(shù)據(jù)采集程序 數(shù)據(jù)處理程序 譜庫(kù)檢索程序 診斷程序 調(diào)諧程序一般質(zhì)譜儀都設(shè)有自動(dòng)調(diào)諧程序，可以自動(dòng)調(diào)整儀器的靈敏度、分辨力在最佳狀態(tài)，并進(jìn)行質(zhì)量數(shù)的校正。數(shù)據(jù)采集程序控制儀器的工作參數(shù)，進(jìn)行掃描方式選擇（正常全掃描、選擇離子掃描）和色譜條件控制等。 數(shù)據(jù)采集程序選擇離子掃描可提高靈敏度，比正常全掃描高23個(gè)數(shù)量級(jí)。 原因是：一方面采集的本底較低，另一

29、方面，由于只對(duì)少數(shù)幾個(gè)特征離子峰進(jìn)行反復(fù)掃描，收集到的信息量較多。在正常全掃描中，當(dāng)記錄某一個(gè)質(zhì)量峰時(shí)，其余峰均被偏轉(zhuǎn)掉，這些信息就被浪費(fèi)了。例如在正常全掃描中，若以3s掃0300個(gè)質(zhì)量峰，則每個(gè)質(zhì)量占有的時(shí)間僅有0.01s，若在3s內(nèi)僅記錄3個(gè)特征離子峰，每個(gè)特征離子峰得到的信息量約為正常全掃描的100倍。 數(shù)據(jù)處理程序 完成質(zhì)量校正、歸一化質(zhì)譜、質(zhì)量色譜圖、質(zhì)譜峰本底扣除、元素組成表、定量運(yùn)算等。譜庫(kù)檢索程序 有機(jī)質(zhì)譜儀都備有NIST或NBS標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜的譜庫(kù)。利用譜庫(kù)檢索程序可以幫助你快速地在標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)中找到與試樣質(zhì)譜最相似的譜圖作參考，簡(jiǎn)化譜圖解析的工作。診斷程序 在儀器調(diào)諧過(guò)程中設(shè)置和監(jiān)測(cè)

30、各種電壓，或檢查儀器故障部位，有助于儀器的運(yùn)轉(zhuǎn)和維修。分辨本領(lǐng)（分辨力）分辨本領(lǐng)（分辨力）是指儀器對(duì)相鄰兩質(zhì)譜峰的區(qū)分能力。相鄰等高的兩個(gè)峰，其峰谷不大于峰的10%時(shí)，就定義為可以區(qū)分。當(dāng)兩個(gè)峰的峰谷等于峰高的10%時(shí)，分辨本領(lǐng)R等于兩峰質(zhì)量的平均值與質(zhì)量差的比值，即 R=m/m分辨本領(lǐng)在3萬(wàn)以上的稱高分辨儀器，1萬(wàn)到3萬(wàn)的稱中分辨儀器。低分辨儀器的分辨本領(lǐng)在幾百到幾千。 主要技術(shù)指標(biāo)靈敏度與信噪比 靈敏度是表示儀器出峰(或信號(hào))的強(qiáng)度與樣品用量的關(guān)系。如果用的樣品量少而出的峰強(qiáng)度大就說(shuō)明靈敏度高。測(cè)定靈敏度的方法有很多，一般用的直接進(jìn)樣靈敏度測(cè)定方法是：在固定分辨本領(lǐng)的情況下，直接進(jìn)入微克量

31、級(jí)的樣品(膽固醇或硬脂酸甲酯)，看其分子離子峰（m/z386或m/z298）的強(qiáng)度與噪聲的比值即信/噪比值，用S/N表示，噪聲指基線的強(qiáng)度。質(zhì)譜儀的最高靈敏度可達(dá)fg（10-15g）級(jí)。質(zhì)量范圍 儀器可以測(cè)定的最小到最大質(zhì)量數(shù)。 低分辨儀器的質(zhì)量范圍在1千以內(nèi)。目前高分辨儀器可達(dá)到的質(zhì)量數(shù)是2千多1萬(wàn)多。但這些高值都是在降低加速電壓的情況下得到的，所以一般應(yīng)注意在儀器加速電壓最高檔時(shí)的質(zhì)量范圍。對(duì)磁式質(zhì)譜儀，加速電壓降低，質(zhì)量范圍可增大，但能量分散也增大，分辨本領(lǐng)會(huì)降低，靈敏度也下降。質(zhì)量精度 利用質(zhì)譜儀定性分析時(shí)，質(zhì)量精度是一個(gè)很重要的性能指標(biāo)。在低分辨質(zhì)譜儀中，儀器的質(zhì)量指示標(biāo)尺精度不應(yīng)低

32、于0.4質(zhì)量數(shù)。高分辨質(zhì)譜計(jì)給出離子的精確質(zhì)量，相對(duì)精度一般在110ppm。計(jì)算方式如下： (m1-m0)/m 式中，m1 實(shí)測(cè)質(zhì)量；m0 質(zhì)量真值；m m0的質(zhì)量數(shù)。聯(lián)用技術(shù) 有機(jī)質(zhì)譜儀和其它分析儀器相比較的一個(gè)顯著特點(diǎn)是它可以和其它某些儀器聯(lián)機(jī)(GC/MS，LC/MS等)，也可以同其它質(zhì)譜聯(lián)機(jī)(MS/MS)。這不僅可以集中二種以上分析方法的長(zhǎng)處，彌補(bǔ)單一分析方法的不足，還能產(chǎn)生一些新的分析測(cè)試功能，大大拓展了質(zhì)譜儀的應(yīng)用范圍。 由于與分離型儀器實(shí)現(xiàn)聯(lián)用，質(zhì)譜可以直接分析混合有機(jī)物，成為復(fù)雜混合物成分分析的最有效工具。這些混合物包括天然產(chǎn)物、食品、藥物、代謝產(chǎn)物、污染物等等。它們的組分可多至

33、數(shù)百個(gè)甚至上千個(gè)，含量也可千差萬(wàn)別，用別的方法分析這類樣品所耗費(fèi)的時(shí)間，代價(jià)為人們難以承受，有時(shí)則根本不可能進(jìn)行，而用色譜質(zhì)譜聯(lián)用法則可能在較短的時(shí)間內(nèi)很方便地進(jìn)行。因此，它的問(wèn)世，被認(rèn)為是分析化學(xué)中的一個(gè)里程碑。 聯(lián)用技術(shù)的應(yīng)用起到了一種特殊的作用，滿足了靈敏度高、鑒別能力強(qiáng)、分析速度快和分析范圍廣的要求,是現(xiàn)代分析化學(xué)中最重要的一種分析技術(shù)。 聯(lián)用技術(shù)是有機(jī)質(zhì)譜分析中的一個(gè)重要方面，正不斷得到完善和發(fā)展。 氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用(GC/MS)氣相色譜儀(GC)最早出現(xiàn)于1952年，它對(duì)混合物中的各組分具有高效分離作用。但是，GC主要用于定量分析，嚴(yán)格說(shuō)來(lái)難以做定性分析。這是因?yàn)镚C是利用保留時(shí)間

34、來(lái)定性，而不同色譜儀，不同色譜條件(如固定相、柱長(zhǎng)、柱內(nèi)徑、載氣流量、壓力和柱溫等)，同一種成份樣品的保留時(shí)間也不相同，因此氣相色譜難以作確切的定性。 而質(zhì)譜儀(MS)則具有靈敏度高，定性能力強(qiáng)的特點(diǎn)，它可以確定化合物的分子量、分子式甚至官能團(tuán)。但是一般的質(zhì)譜儀只能對(duì)單一組分才能給出良好的定性，對(duì)混合物是無(wú)能為力的，且進(jìn)行定量分析也較復(fù)雜。 氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC/MS)將氣相色譜質(zhì)譜這兩種方法實(shí)現(xiàn)聯(lián)用，可以最大程度發(fā)揮各自的特點(diǎn)： 氣相色譜儀是質(zhì)譜儀理想的“進(jìn)樣器”，試樣經(jīng)色譜分離后以純物質(zhì)進(jìn)入質(zhì)譜儀，使質(zhì)譜儀的定性能力得到發(fā)揮?？梢苑治鰪?fù)雜組分的樣品。質(zhì)譜儀是氣相色譜儀的理想的“檢測(cè)器”

35、。色譜儀所用的檢測(cè)器如氫焰電離檢測(cè)器(FID)、熱導(dǎo)檢測(cè)器(TCD)、電子捕獲檢測(cè)器(ECD)等，都有局限性，而質(zhì)譜儀能檢出幾乎全部化合物，靈敏度又很高。更重要的是能提供樣品結(jié)構(gòu)信息，有很強(qiáng)的定性能力。要實(shí)現(xiàn)氣相色譜儀和質(zhì)譜儀器聯(lián)用，主要解決的問(wèn)題是氣壓?jiǎn)栴} 。液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用(LC/MS)與氣相色譜同質(zhì)譜聯(lián)用相比，液相色譜同質(zhì)譜聯(lián)用的難度大得多。因?yàn)橐合嗌V分離試樣時(shí)，用了大量的溶劑作載液，如果直接將液相色譜流出物送入質(zhì)譜儀器，則遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)質(zhì)譜儀器真空系統(tǒng)所能承受的范圍，而且還會(huì)導(dǎo)致混亂的質(zhì)譜數(shù)據(jù)。目前，比較普遍采用的接口叫電噴霧接口(Electrospray IonizationESI源 )

36、，這種接口本身就可以使樣品電離。它的工作原理是首先將液相色譜柱分離后的流出液汽化，然后通過(guò)毛細(xì)管探頭噴口噴出，使之形成細(xì)霧滴。如果流出物中含有電解質(zhì)，試樣可在電噴霧過(guò)程中直接電離。這種儀器特別適合強(qiáng)極性、大分子量化合物的分析。質(zhì)譜質(zhì)譜聯(lián)用(MS/MS) 質(zhì)譜質(zhì)譜聯(lián)用(MS/MS)是二十世紀(jì)七十年代后期出現(xiàn)的一種新興技術(shù)。它的基本原理是既用質(zhì)譜儀做混合物樣品的分離器，又用質(zhì)譜儀做組分的鑒定器?；旌衔镞M(jìn)入離子源電離，再經(jīng)過(guò)質(zhì)量分析器的質(zhì)量分離，離子按質(zhì)量數(shù)的不同而分開(kāi)，然后選擇需要分析鑒定的離子作為母離子進(jìn)入碰撞室，經(jīng)碰撞活化使其進(jìn)一步斷裂，產(chǎn)生的子離子再經(jīng)過(guò)第二個(gè)分析器分離?？梢赃x定一種離子通過(guò)

37、，也可以采用掃描方式，使所有不同m/z的離子通過(guò)，經(jīng)檢測(cè)記錄即可得到質(zhì)譜/質(zhì)譜圖。如果采用軟電離離子源，得到的母離子多數(shù)為分子離子，即可采用這個(gè)方法將各個(gè)母離子逐一經(jīng)過(guò)碰撞誘導(dǎo)分解，得到各自的子離子譜，這種譜對(duì)混合物的組成結(jié)構(gòu)的分析是非常有用的。 MS/MS儀的出現(xiàn)打破了只有GC/MS或LC/MS才能對(duì)混合物進(jìn)行分析鑒定的觀念，而且它比GC/MS更有優(yōu)點(diǎn)，即無(wú)噪聲干擾。 在GC/MS中噪聲來(lái)自柱流失、熱解、吸附、記憶效應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)等，使譜圖本底高而且不穩(wěn)定，無(wú)法扣除。而MS/MS因在質(zhì)譜第一分析器分離以后，只選擇需要鑒定的離子進(jìn)入碰撞室，最后又用質(zhì)譜作為鑒定器，因而可以避免噪聲干擾。質(zhì)譜質(zhì)譜聯(lián)

38、用技術(shù)極大地提高分析檢測(cè)的選擇性，特別適合復(fù)雜體系中痕量化合物的分析。 圖譜解析有機(jī)質(zhì)譜是有機(jī)結(jié)構(gòu)分析和有機(jī)成分分析不可缺少的工具，它能直接提供有機(jī)化合物的分子量信息，并由此測(cè)得有機(jī)化合物的元素組成即分子式，從質(zhì)譜裂解產(chǎn)生的碎片離子還可以推測(cè)分子中所含的官能團(tuán)，確定化合物的類型，推導(dǎo)骨架結(jié)構(gòu)。為了使推導(dǎo)過(guò)程正確，必須了解質(zhì)譜裂解機(jī)理。 用質(zhì)譜數(shù)據(jù)導(dǎo)出化合物的分子式 為了確定分子式，首先要在質(zhì)譜圖上辨認(rèn)出分子離子峰 。分子離子是試樣分子失去或得到一個(gè)電子而形成的離子，它的質(zhì)荷比值卻代表了試樣分子所對(duì)應(yīng)的分子量數(shù)值。分子離子峰應(yīng)具有下列一般特性： (1) 最大性：它既然只丟失一個(gè)電子，就應(yīng)當(dāng)是質(zhì)譜

39、圖中m/z值最大的峰(不計(jì)它右邊的同位素峰)。 (2) 奇偶性：由于所有穩(wěn)定的有機(jī)分子都是偶電子的(沒(méi)有未成對(duì)的孤電子)，在丟失一個(gè)電子后，它依然保持了它的價(jià)態(tài)，只是成為奇數(shù)電子了，因此它應(yīng)當(dāng)仍然符合N（氮）規(guī)律，即分子離子峰一定是符合N規(guī)律的奇電子離子。 MN規(guī)律：對(duì)于同位素純凈的穩(wěn)態(tài)分子，含有奇數(shù)N原子的，分子量整數(shù)部分（質(zhì)量數(shù)）一定是奇數(shù)；不含N或含有偶數(shù)N原子的，分子量的整數(shù)部分（質(zhì)量數(shù)）一定是偶數(shù)。 (3) 合理性：它在高m/z區(qū)域應(yīng)有合理的，通過(guò)丟失中性碎片(中性分子或游離基)而產(chǎn)生的碎片峰。質(zhì)量差414、2125、37、38等為不合理丟失。 如果符合以上這3個(gè)條件，它可能是分子離

40、子峰，也可能不是。但是如果有任何一條不符合，那么它一定不是分子離子峰。一旦確定了之后，就可對(duì)它的元素組成情況進(jìn)行推導(dǎo)，會(huì)出現(xiàn)兩種情況，一種是有的高分辨數(shù)據(jù)(測(cè)準(zhǔn)到小數(shù)點(diǎn)以后第四位)；另一種是只有的低分辨數(shù)據(jù)，它只保證數(shù)據(jù)的整數(shù)部分不錯(cuò)。的高分辨m/z值實(shí)際上是精確的分子量。對(duì)于絕大多數(shù)有機(jī)分子，它們所含的元素不外乎C、H、O、N、S、Si、P和鹵素等，由這些元素的任意組合所形成的有機(jī)分子，其同位素純凈的精確分子量都有很特征的分子量尾數(shù)，這直接反映了組成該分子的元素的種類和數(shù)目，就可以把測(cè)量得到的精確分子量換算成相應(yīng)的分子式。如：測(cè)得的精確的分子量為27.9949，則分子式應(yīng)為CO，28.006

41、2為N2。 MMMM假如無(wú)法得到的高分辨數(shù)據(jù)，就應(yīng)當(dāng)用分子離子區(qū)域中同位素的統(tǒng)計(jì)分布來(lái)確定分子式，但實(shí)驗(yàn)要小心仔細(xì)(例如消除本底干擾等)以測(cè)得各同位素比較準(zhǔn)確的強(qiáng)度值。因?yàn)閺?qiáng)度和數(shù)目相對(duì)應(yīng)，強(qiáng)度的相對(duì)值即反映各離子數(shù)目的相對(duì)多少。如35Cl有同位素37Cl(35Cl:37Cl3:1), 若分子中含有兩個(gè)Cl元素，則分子離子區(qū)域應(yīng)有M、M+2和M+4三個(gè)同位素峰，且強(qiáng)度比應(yīng)接近9:6:1。 (x + y)n =（3 + 1)2 = 9 + 6 + 1M六氯苯的同位素比六氯苯的同位素比100120140160180200220240260280300320m/z0100%2842822862882

42、90Scan CI-正確的正確的同位素比同位素比無(wú)碎片無(wú)碎片六氯苯同位素比六氯苯同位素比質(zhì)量數(shù)質(zhì)量數(shù)(m/z)理論豐度理論豐度TRACE MS plus28252.1%52%284100%100%28679.9%80%28834.1%34%2908.2%8%分子離子峰的強(qiáng)度(在總離子流中所占的分?jǐn)?shù))和它本身的結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系，它反映了在離子源中的穩(wěn)定性，它的強(qiáng)度指示該化合物可能屬于那一類化合物。如芳香族化合物有較強(qiáng)的分子離子峰，而醇類化合物的分子離子峰往往很弱。不易出現(xiàn)分子離子峰的化合物，一般用：降低電離電壓降低樣品的汽化溫度制備易揮發(fā)的衍生物用軟電離技術(shù)如CI，F(xiàn)AB等方法以獲得化合物的分子

43、離子峰。 M 有機(jī)質(zhì)譜的碎裂機(jī)制由質(zhì)譜數(shù)據(jù)推導(dǎo)有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)的過(guò)程，形象地說(shuō)，就像用彈弓擊碎了一個(gè)花瓶，再由一堆碎片來(lái)拼湊復(fù)原花瓶的過(guò)程。為了拼湊過(guò)程工作順利，最好能了解花瓶碎裂的過(guò)程。類似地，為了使推導(dǎo)的分子結(jié)構(gòu)正確，必須了解質(zhì)譜的裂解機(jī)理。為闡述有機(jī)質(zhì)譜的碎裂機(jī)制，必須先了解一些有機(jī)質(zhì)譜解析中的常用術(shù)語(yǔ)和符號(hào)。 分子離子區(qū)域：指分子離子峰及其各同位素峰，右上角的符號(hào)表示它是奇電子的，并同時(shí)具有陽(yáng)離子和游離基的一些屬性。 EE+離子系列：指偶電子碎片離子系列，例如烷烴的15，29，43，57，71.；飽和脂肪胺類的30，44，58，72.；脂肪族醇醚類的31，45，59，73.等。這些離子系

44、列明確指示分子中的部分結(jié)構(gòu)，在本例中可清楚分辨出烷基和醚類的EE+系列峰。 M 離子：指奇電子離子。它較少形成系列，但應(yīng)當(dāng)把質(zhì)譜中少數(shù)碎片離子標(biāo)記出來(lái)，因?yàn)樗诮Y(jié)構(gòu)鑒定中有較大的重要性（可判斷是否有中性碎片的丟失）。 基峰：質(zhì)譜中強(qiáng)度最大的峰，以它作為其它各峰相對(duì)強(qiáng)度的基準(zhǔn)。中性碎片的丟失：指與高m/z區(qū)域一些碎片峰的m/z值的差值，從可以丟失中性的游離基(形成偶電子離子)，也可以丟失中性的分子(形成奇電子離子)。這些中性碎片的丟失在高m/z區(qū)域有比較重要的鑒定價(jià)值。OEOEMM質(zhì)譜碎裂反應(yīng)的一般規(guī)律 (1) 碎裂反應(yīng)是通過(guò)分子離子發(fā)生的，可表示為： A+M B+ C+ . . . . . .

45、 因?yàn)殡娮拥碾婋x過(guò)程遠(yuǎn)比化學(xué)鍵的碎裂過(guò)程要快，當(dāng)電子束轟擊氣相的中性分子時(shí)，非彈性碰撞使一部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)橹行苑肿拥膬?nèi)能，致使分子電離(丟失一個(gè)電子)，形成的分子離子有一部分過(guò)剩的能量，用于進(jìn)一步的碎裂反應(yīng)。 M(2) 丟失這個(gè)電子的難易程度將按照n，并不是任意的。即當(dāng)分子中有n電子時(shí)，由于它的電離電位最低，所以主要丟失的就是n電子，這時(shí)陽(yáng)離子自由基 即“定域”在該n電子原來(lái)所處的位置上；如果沒(méi)有n電子，而有電子，它的電離電位比n電子高，但比電子低，所以這時(shí)將丟失分子軌道上的一個(gè)電子， 即定域在軌道上，如果是共軛系，也將觀測(cè)到 的離域現(xiàn)象；如果n，電子都沒(méi)有(例如烷烴)，則只能丟失電子，由于各鍵

46、上的電子的電離電位很接近，因此， 這時(shí)將可能出現(xiàn)在分子的各種位置上了。 (3) 陽(yáng)離子自由基 的碎裂過(guò)程既可以由自由基引發(fā)，也可以由正電荷引發(fā)。 (4) 可以用一些最基本的質(zhì)譜碎裂機(jī)制來(lái)描述各種各樣的碎裂過(guò)程，就像有機(jī)化學(xué)中用有限的一些反應(yīng)機(jī)制來(lái)描述千萬(wàn)種具體的有機(jī)反應(yīng)一樣。M一些最基本的質(zhì)譜碎裂機(jī)制 碎裂：這是指由游離基引發(fā)的，由游離基重新組成新鍵而在位導(dǎo)致碎裂的過(guò)程，例如：R1R2OO+O+R1R2+ R2 + R1 即酮的碎裂使它的質(zhì)譜顯示R1CO+和R2CO+這些碎片離子。上式中“魚鉤”箭頭 表示一個(gè)電子的轉(zhuǎn)移過(guò)程。 i碎裂 (i過(guò)程)：這是由正電荷(陽(yáng)離子)引發(fā)的碎裂過(guò)程，它涉及兩個(gè)

47、電子的轉(zhuǎn)移，仍以酮類為例： 與碎裂比較，這里的完全箭頭 表示兩個(gè)電子的轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致正電荷位置的遷移，于是觀測(cè)到的將是R1+和R2+離子，而不是碎裂過(guò)程所觀測(cè)的R1CO+和R2CO+離子。R1R2OOiR1+R2+ 碎裂：這是當(dāng)鍵斷裂形成陽(yáng)離子自由基時(shí)發(fā)生的碎裂過(guò)程，例如： 當(dāng)分子結(jié)構(gòu)中存在叉鏈時(shí)，過(guò)程將優(yōu)先在叉鏈處碎裂，因?yàn)檫@樣形成的碎片陽(yáng)離子通過(guò)超共軛而具有較好的穩(wěn)定性，這一規(guī)律也適用于環(huán)烷烴，當(dāng)它帶有烷基取代基時(shí)，在取代基所在位置優(yōu)先碎裂。（戊烷）-e()+MHCH 3+以上由分子離子 (一定是 離子)通過(guò)、i、碎裂，斷開(kāi)一個(gè)鍵而形成初級(jí)碎片離子的過(guò)程可小結(jié)為： i EE+ + R (奇

48、電子離子) （偶電子離子） （游離基） 即它們的初級(jí)離子碎片都是偶電子離子，脫去的游離基不能被質(zhì)譜儀檢測(cè)到。 MOEOErH過(guò)程：這是指氫的重排過(guò)程，最常見(jiàn)的這類重排是通過(guò)六員環(huán)過(guò)渡態(tài)的McLafferty重排，它可以一般地表示為： 式中，Q、X、Y、Z均為普通有機(jī)化合物中常見(jiàn)的幾種元素如碳、氧、硫等。這種重排的條件是分子中存在系，例如苯環(huán)、雙鍵等。XRQYZHRQXHYZ+rH影響質(zhì)譜碎裂反應(yīng)的因素 因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)譜反應(yīng)是有機(jī)離子在氣相發(fā)生的單分子反應(yīng)，它和中性有機(jī)分子的熱解、光解、乃至溶液中的反應(yīng)多少有類似的地方，因此下列影響質(zhì)譜反應(yīng)方向的因素，是有機(jī)化學(xué)工作者必須熟悉的。 產(chǎn)物的穩(wěn)定性：質(zhì)譜

49、反應(yīng)的產(chǎn)物包括帶電荷的和EE+離子以及中性的游離基和分子，這些產(chǎn)物的穩(wěn)定性是影響反應(yīng)方向的重要因素。立體化學(xué)因素：這主要是因?yàn)榉磻?yīng)過(guò)程中的過(guò)渡態(tài)往往有一定的立體化學(xué)方面的要求，如在McLafferty重排中，要求形成六員環(huán)過(guò)渡態(tài)，凡不能滿足這一要求的許多含系的化合物，就不能發(fā)生這一反應(yīng)。鍵的活潑性：當(dāng)產(chǎn)生的產(chǎn)物離子有相近的穩(wěn)定性時(shí)，鍵的活潑性就可能成為決定碎裂反應(yīng)方向的因素。OE質(zhì)譜分析的主要目的之一是未知物的結(jié)構(gòu)鑒定，質(zhì)譜圖能提供未知物的分子量、元素組成及其它有關(guān)結(jié)構(gòu)信息。根據(jù)質(zhì)譜的碎裂機(jī)制可對(duì)這些結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行解析來(lái)推斷分子結(jié)構(gòu)，可按下列程序進(jìn)行解析。1.對(duì)分子離子區(qū)的分析 (1) 確定分子

50、離子峰，并注意分子離子峰和基峰的相對(duì)強(qiáng)度比，以判斷分子離子的穩(wěn)定性，從而判斷未知物的類型，如芳烴、烷烴、醇類等。 (2) 確定分子式，即利用同位素峰的豐度比數(shù)據(jù)，確定有否含硫、氯、溴等特征同位素的元素及確定分子式，也可用高分辨質(zhì)譜法測(cè)定分子式。 (3) 根據(jù)分子式計(jì)算環(huán)和雙鍵(r+db)的總數(shù) 。用質(zhì)譜等方法確定了未知物的分子式后，可通過(guò)下式計(jì)算分子式中含有的環(huán)和雙鍵(r+db)的總數(shù)。 r+db=(2n+2+t-m)/2式中：n分子中4價(jià)元素的數(shù)目， t3價(jià)元素的數(shù)目， m1價(jià)元素的數(shù)目， 不計(jì)2價(jià)元素的數(shù)目。 r+db有時(shí)又稱為“不飽和度”或“雙鍵當(dāng)量”。2. 對(duì)碎片離子區(qū)的分析(1) 找

51、出主要離子峰（一般指相對(duì)強(qiáng)度大于3%者），分析這些主要離子碎片的歸屬。(2) 注意分子離子有何重要碎片丟失，并依此推測(cè)結(jié)構(gòu)及裂解類型。(3) 注意有哪些重要的離子，并據(jù)此推測(cè)結(jié)構(gòu)類型。(4) 注意重要離子質(zhì)荷比的奇偶數(shù)，并據(jù)此幫助判斷裂解類型：?jiǎn)渭兞呀饣蛑嘏帕呀?。由此可進(jìn)一步了解官能團(tuán)及骨架結(jié)構(gòu)。3.結(jié)構(gòu)式的推定和驗(yàn)證(1)由分子離子峰和主要碎片離子峰，推斷未知物所具有的特征官能團(tuán)和基本骨架，列出它們可能的結(jié)構(gòu)組成。 (2)用標(biāo)樣比對(duì)或配合紅外光譜、紫外光譜、核磁共振譜和化學(xué)方法等，驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)式。在實(shí)際的未知物鑒定問(wèn)題中，光用一種結(jié)構(gòu)分析手段是很難確定未知結(jié)構(gòu)的，必須用多種技術(shù)綜合考慮，下面舉

52、一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)說(shuō)明質(zhì)譜在農(nóng)藥未知物鑒定中的應(yīng)用。 在作某未知農(nóng)藥分析時(shí)，得到如下一張質(zhì)譜圖，試確定該農(nóng)藥的結(jié)構(gòu)。 解析過(guò)程如下： 1.從上圖可以看出該未知農(nóng)藥有很強(qiáng)的分子離子峰(m/z 282)，可能為芳香族化合物。 2. 在分子離子區(qū)域，有M+2、M+4、M+6、M+8等同位素峰，分子中應(yīng)含有鹵素原子。從分子離子與碎片離子之間相差多個(gè)35質(zhì)量碎片以及同位素峰之間的比例關(guān)系，可以確定分子內(nèi)含有6個(gè)氯原子。 （3X+Y)6=729X6+1458X5Y+1215X4Y2+540X3Y3+135X2Y4+18XY5+Y63. 由分子量扣除6個(gè)氯原子質(zhì)量后，還剩72?？紤]到它可能是一個(gè)芳香族化合物，

53、因而分子中至少有6個(gè)碳原子，72 正好為6個(gè)碳原子的質(zhì)量，因此，該未知農(nóng)藥的分子式應(yīng)為C6Cl6。 4. 計(jì)算它的不飽和度： r+db=(2n+2+t-m)/2（26+2+0-6)/2=4 與上述推斷分子中有一苯環(huán)相一致。從而推斷該未知農(nóng)藥為 。 ClClClClClCl有機(jī)質(zhì)譜的應(yīng)用一、組合化學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用組合化學(xué)（Combinatorial Chemistry）技術(shù)始于上世紀(jì)80年代，它是指在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)能合成大量有機(jī)化合物的技術(shù)。當(dāng)前歐美國(guó)家應(yīng)用這一技術(shù)在新藥的研制中掀起了一場(chǎng)革命，大大縮短了新藥的研制周期。應(yīng)用組合化學(xué)技術(shù)能非?？斓漠a(chǎn)生成千上萬(wàn)的藥物候選物（稱組合化學(xué)庫(kù)），然而關(guān)鍵是

54、要選擇一種分析方法，對(duì)組合化學(xué)庫(kù)中的化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定和純度分析，才能真正發(fā)揮組合化學(xué)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。最理想的分析方法就是：HPLC-UV-MS二、蛋白質(zhì)研究中的應(yīng)用蛋白質(zhì)研究中的一個(gè)重要問(wèn)題是氨基酸序列的測(cè)定。應(yīng)用LC-ESI-MS-MS技術(shù)，可以在Picomol的水平上，研究鑒定蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)。這就是目前熱門的生物質(zhì)譜技術(shù)。 三、臨床診斷和疾病生物標(biāo)志物中的應(yīng)用GC/MS方法診斷新生兒苯丙酮尿癥苯丙酮尿癥(PKU)是一種氨基酸代謝缺陷癥，新生兒的發(fā)病幾率為 1/160000。如果這種疾病早期沒(méi)有得到及時(shí)的治療，會(huì)造成患者神經(jīng)系統(tǒng)的不可逆轉(zhuǎn)損傷，導(dǎo)致患兒智力低下、癡呆。自上世紀(jì)60年代以來(lái)，許

55、多國(guó)家相繼實(shí)施了對(duì)PKU等遺傳代謝病的新生兒篩查，成為預(yù)防醫(yī)學(xué)的一種手段。我國(guó)從80年代初開(kāi)始在上海、北京、天津等大城市也推行了PKU的新生兒篩查工作。典型的PKU是由于苯并氨酸羥化酶的缺陷使苯丙氨酸（Phe）轉(zhuǎn)化為酪氨酸（Tyr）的過(guò)程受阻礙，早期診斷為PKU的患兒可以采用低苯丙氨酸的食物進(jìn)行治療。因此，早期診斷在PKU的防治工作上具有特別重要的意義。 苯丙酮尿癥的診斷方法有：細(xì)菌抑制法(BIA)、液相色譜法、熒光法、生物酶和基因分析方法等，這些方法費(fèi)時(shí)長(zhǎng)、不靈敏，更主要的是往往很容易造成假陽(yáng)性現(xiàn)象。 用0.1%的鹽酸甲醇溶液提取1滴新生兒血樣中的苯丙氨酸（Phe）和酪氨酸（Tyr），離心過(guò)

56、濾以除去蛋白。用鹽酸正丁醇將Phe和Tyr中的羧基丁酯化，然后再用三氟醋酸酐和Phe、Tyr丁酯反應(yīng)，最后的產(chǎn)物用GC/MS分析。通過(guò)測(cè)定Phe、Tyr衍生物的特征離子峰面積，計(jì)算出血樣中Phe、Tyr的濃度，根據(jù)血樣中Phe、Tyr摩爾濃度的比值來(lái)診斷PKU，不僅快速、靈敏，而且可以消除假陽(yáng)性。 四、食品中痕量有害物定性定量分析中的應(yīng)用GC/MS方法測(cè)定酒類食品中氨基甲酸乙酯殘留氨基甲酸乙酯 (Ethyl carbamate, EC): 發(fā)酵食物和酒精飲品在發(fā)酵或貯存過(guò)程中天然產(chǎn)生的污染物。 致癌性 （大鼠，小鼠和倉(cāng)鼠的研究已經(jīng)表明，把氨基甲酸乙酯口服，注射，或涂在皮膚上會(huì)導(dǎo)致癌癥。） 國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)在2007年把氨基甲酸乙酯列為2A類致癌物，與丙烯酰胺同等危險(xiǎn)。實(shí)驗(yàn)采用硅烷化衍生法EC在HP-5MS非極性柱上分離，得