《MS基本知識》課件

Chapter4

OrganicMassSpectrometrymolecular？MassSpectrometer《MS基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!學習目的和要求1、掌握質(zhì)譜的基本原理，了解不同質(zhì)量的陽離子在質(zhì)譜中分離的原因。2、了解質(zhì)譜儀的基本組成及主要性能指標，正確選擇進樣方式和離子源。3、了解質(zhì)譜中的離子類型，正確識別分子離子并根據(jù)同位素峰確定分子式?！禡S基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!4、初步了解離子的斷裂機理和影響離子斷裂的因素，掌據(jù)陽離子的開裂類型，并能應用上述開裂規(guī)律初步解析一些主要類型化合物的質(zhì)譜。5、了解各類常見有機化合物的質(zhì)譜特征。6、了解利用亞穩(wěn)峰確證開裂過程的方法。7、了解質(zhì)譜解析的一般程序，并根據(jù)質(zhì)譜數(shù)據(jù)推斷化合物結(jié)構(gòu)。8、初步了解色譜-質(zhì)譜聯(lián)用、串聯(lián)質(zhì)譜等的聯(lián)用技術(shù)?！禡S基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!AdvantagesofMS1.分析范圍廣（氣體、液體、固體），樣品用量少，約1μg。2.測定分子量，確定分子式3.分析速度快，靈敏度高4.各種聯(lián)用技術(shù)5.新的電離、檢測技術(shù)《MS基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!低分辨率質(zhì)譜儀：R<10000中分辨率質(zhì)譜儀：R10000-30000高分辨率質(zhì)譜儀：R>50000（FT-ICRMS（傅立葉變換離子回旋共振質(zhì)譜計）：R可達1106）利用高分辨率質(zhì)譜儀可測定精確的質(zhì)量數(shù)（分子式）！質(zhì)荷比均為28的分子：CO:27.9949N2:28.0062C2H4:28.0313《MS基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!MassSpectrometerFirst,itsubjectsmoleculestobombardmentbyastreamofhigh-energyelectrons,convertingsomeofthemoleculestoions,whichareacceleratedinanelectricfield.Second,theacceleratedionsareseparatedaccordingtotheirmass-to-chargeratiosinamagneticorelectricfield.Finally,theionsthathaveaparticularmass-to-chargeratioaredetectedbyadevicewhichcancountthenumberofionsstrikingit.《MS基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!1、SampleInletSystem

vaporizedsample,asteadystreamofmolecules2、IonizationChamberM+e——M-Abeamofhigh-energyelectrons(70eV)bombardsthestreamofsamplemolecules.Thisprocessconvertsthemoleculestoions.M+e——M++2ePinhole(molecularleak)《MS基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!4、Aseriesofacceleratingplates→acceleratedions3、Fragmentions：《MS基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!《MS基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!問題質(zhì)譜儀為什么要用高真空條件？《MS基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!直接探頭進樣器裝置《MS基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!5.檢測器（1）法拉第筒（2）照相板（3）二次電子倍增器（4）離子-電子-閃爍檢測器《MS基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!TheMassSpectrumThemostabundantionformedintheionizationchambergivesrisetothetallestpeakinthemassspectrum,calledthebasepeak.Therelativeabundancesofallotherpeaksinthespectrumarereportedaspercentagesoftheabundanceofthebasepeak.《MS基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!Massspectrumofbutane.m/e=43《MS基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!Fig.5.8

Massspectrumofoctane《MS基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!常用的離子源有電子流轟擊源和一些軟電離技術(shù)

1）電子流轟擊源（ElectronImpactIonization,EI）質(zhì)譜中最常用的離子源，一般為70eV的電子束，遠大于大多數(shù)有機化合物的電離電位（7~15eV），會使相當多的分子離子進一步裂解，產(chǎn)生廣義的碎片離子。優(yōu)點：（1）結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定，電離效率高，易于實現(xiàn)；（2）質(zhì)譜圖再現(xiàn)性好，便于計算機檢索及比較；（3）離子碎片多，可提供較多的分子結(jié)構(gòu)信息。缺點：當樣品分子穩(wěn)定性不高時，分子離子峰的強度低，甚至不存在分子離子峰?！禡S基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!2）場致電離（FieldIonization,FI）和場解吸附（FieldDesorption,FD）場致電離：是一種軟電離技術(shù)。當樣品蒸汽鄰近或接觸到帶高正電壓的金屬針時，由于高電壓的針端產(chǎn)生很強的電位梯度，樣品分子可被電離。優(yōu)點：電離快速，適合于和氣相色譜聯(lián)機；缺點：要求樣品汽化，靈敏度低。場解吸附：原理與FI相同，但樣品是被沉積在電極上。FD適用于難汽化的、熱不穩(wěn)定樣品。FD的準分子離子峰比FI的強，質(zhì)譜圖比FI的還要簡單?！禡S基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!4）快原子轟擊（FastAtomBombardment,FAB）

FAB是一種廣泛應用的軟電離技術(shù)。快原子轟擊利用的重原子一般為Xe或Ar。Ar+(高動能的)+Ar(熱運動的)Ar(高動能的)+Ar+(熱運動的)FAB可完成連FD都有困難的、高極性、難汽化的化合物的電離。樣品多調(diào)勻于基質(zhì)（一般為甘油等）中?；|(zhì)應具有流動性、低蒸氣壓、化學惰性、電解質(zhì)性和好的溶解性。《MS基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!5）基質(zhì)輔助激光解吸電離（Matrix-assistedlaserdesportionionization,MALDI）在一個微小的區(qū)域內(nèi)，在極短的時間間隔，激光可對靶物提供高的能量，對它們進行極快的加熱，可以避免熱敏感的化合物加熱分解。MALDI的方法：將被分析化合物的溶液和某種基質(zhì)溶液相混合。蒸發(fā)掉溶劑，則被分析物質(zhì)與基質(zhì)形成晶體或半晶體。用一定波長的脈沖式激光進行照射。基質(zhì)分子能有效地吸收激光的能量，并間接地傳給樣品分子，從而得到電離。優(yōu)點：（1）使一些難于電離的樣品電離，且無明顯的碎裂，從而得到完整的被分析化合物分子的電離產(chǎn)物；（2）特別適用于與飛行時間質(zhì)譜相配（MALDI-TOFMS）?！禡S基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!ElectronsprayionizationESI《MS基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!4.質(zhì)量分析器1)單聚焦（single-focusing）和雙聚焦（double-focusing）質(zhì)量分析器單聚焦質(zhì)量分析器使用扇型磁場，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，但是分辨率低。雙聚焦質(zhì)量分析器使用扇型電場及扇型磁場，分辨率高，其缺點是價格貴，操作和調(diào)整比較困難。《MS基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!2)四極質(zhì)量分析器（quadrupolemassanalyzer）由四跟平行的棒狀電極組成而得名。與扇型磁場的質(zhì)量分析器的原理完全不同。優(yōu)點：（1）結(jié)構(gòu)簡單、容易操作、價格便宜；（2）僅用電場而不用磁場，無磁滯現(xiàn)象，掃描速度快，適合與色譜聯(lián)機；（3）操作時的真空度相對較低，特別適合與液相色譜聯(lián)機。缺點：（1）分辨率不高；（2）對較高質(zhì)量的離子有質(zhì)量歧視效應?！禡S基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!5.3離子的主要類型1）分子離子（molecularion）樣品分子失去一個電子而電離所產(chǎn)生的離子，記為M+。2）準分子離子（quasi-molecularion）準分子離子常由軟電離產(chǎn)生，一般為M+H+、M-H+。3）碎片離子（fragmention）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。4）重排離子（rearrangemention）經(jīng)重排反應產(chǎn)生的離子，其結(jié)構(gòu)不是原分子結(jié)構(gòu)單元。問題:分子中什么位置的電子最容易失去從而形成分子離子？《MS基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!5.3.1分子離子1.分子離子的表示方法

M+e→+2e2.判斷分子離子峰的基本原則

1）在質(zhì)譜中必須是最高質(zhì)量的離子峰（同位素峰除外）。

2）必須是一個奇數(shù)電子離子（）。

3）在高質(zhì)量區(qū)它能夠符合邏輯地失去中性碎片，而產(chǎn)生一個重要的碎片離子。

4）它的質(zhì)量數(shù)應符合氮規(guī)則?！禡S基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!5.3.2同位素離子及分子式的確定1．同位素離子元素的天然同位素豐度表2．利用質(zhì)譜確定化合物的分子式1）同位素豐度法所有元素（除I、F、P外）都有天然同位素，其相對豐度已經(jīng)確定。有機分子常伴隨著M+1、M+2、M+3……等附屬峰。M+1峰屬于含有一個比最豐同位素多一個原子質(zhì)量單位的同位素分子。M+2峰屬于含有二個比最豐同位素峰多一個原子質(zhì)量單位的同位素的分子或一個比最豐同位素多二個原子質(zhì)量單位的同位素的分子，如此類推。M+1、M+2峰的強度決定于分子中存在同位素的數(shù)目，以及它們的自然豐度?！禡S基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!2）高分辯質(zhì)譜法

測定以12C=12.000000為基準，其它原子質(zhì)量嚴格來講不是整數(shù)，例如按12C的標準來看，1H的精確原子量為1.007825，16O為15.994915。高分辯質(zhì)譜可測至小數(shù)點后3～4位數(shù)字，誤差為±0.006?！禡S基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁!5.3.3裂片離子5.3.4重排離子5.3.5多電荷離子

5.3.6離子-分子相互作用產(chǎn)生的離子

《MS基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁!亞穩(wěn)離子的特征：

（1）m*的峰形弱而寬，可跨越2～5個amu，這是由于亞穩(wěn)離子壽命不一致所造成的。（2）m*的質(zhì)荷比多數(shù)不是整數(shù)。（3）m*的真實質(zhì)量為m2。應用：（1）離子的結(jié)構(gòu)（2）結(jié)構(gòu)單元的連接順序（3）有機質(zhì)譜反應的機理《MS基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁!2.分辨率（resolution）分辨率R是指分離質(zhì)量數(shù)為M1及M2的相鄰質(zhì)譜峰的能力。若近似等強度的質(zhì)量分別為M1及M2的兩個相鄰峰正好分開，則質(zhì)譜儀的分辨率定義為：R=;式中M=;M=M2-M1MMM1+M22說明：1）R10%：兩峰間的峰谷高度為峰高的10%時的測定值；2）一般難以找到兩個質(zhì)量峰等高，且重疊的谷高正好等于峰高的10%，則定義：R=;式中a為相鄰兩峰的中心距離；b為其中一峰的峰高5%處的峰寬。MMab《MS基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁!TheMassSpectrometerMassspectrometersalloperateonthesamebasicprinciple,fragmentingmoleculesintochargedionfragmentswiththesubsequentapplicationofanelectrostaticormagneticfieldtoseparatethefragmentsofthesampleaccordingtotheirmass.Thisseparationprocessmakesitpossibletoidentifyandquantifytheelementsandpoundspresentinthesample.《MS基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁!ThreeEssentialFunctionsMSspectrometer《MS基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁!IonizationChamber《MS基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第32頁!5、Inthepresenceofamagneticfield→acurvedflightpathEithertheacceleratingvoltageorthemagneticfieldstrengthcontinuouslyvariedinorderthatalloftheionsproducedintheionizationchambercanbedetected.Massspectrum

?agraphofthenumberofparticlesdetectedasafunctionofmass-to-charge(m/e)ratio.《MS基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第33頁!5.2質(zhì)譜儀簡介質(zhì)譜儀（MassSpectrograph）：采用照相法記錄質(zhì)譜計（MassSpectrometer）：用電學方法記錄1.高真空系統(tǒng)離子化室和分析器的壓力分別為10-6～10-7和10-7～10-8Torr。在整個實驗過程中，需維持這樣的真空度，以減少離子與殘余氣體分子的碰撞。

《MS基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第34頁!2.進樣系統(tǒng)1）加熱進樣法可用于液體或氣體進樣。

在減壓下把樣品加熱（一般是100～300℃），使它氣化。加熱進樣器是由一個加熱的金屬貯罐安裝在加熱套管內(nèi)可直接連接離子源的玻璃毛細管和連接真空泵的抽氣閥組成。

2）直接探頭進樣法。可用于固體和液體進樣。

《MS基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第35頁!3）由氣相色譜進樣由混合物組成的樣品,利用質(zhì)譜儀聯(lián)機的氣相色譜（GC）儀分離成單組分，逐個地通過特殊的聯(lián)機接口進入離子源，進行各純組分的質(zhì)譜測定。

4）由高效液相色譜進樣高效液相色譜分離的樣品為弱極性或強極性，熱不穩(wěn)定，不易汽化的化合物，并且樣品存在于流動相的溶劑中?！禡S基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第36頁!Terms

M+:Thesimpleremovalofanelectronfromamoleculeyieldsapositiveionwhoseweightistheactualmolecularweightoftheoriginalmolecule.Thisionisthe

molecularion.Afterbombardment,someofthebondsinthemoleculebrokeandproducedaseriesofpositivelychargedmolecularfragments,called

fragmentions.

Someofthebondsinthefragmentionsbrokefurtherandproducedlessweightfragmentions.Theformercalledparentionandthelattercalleddaughterion.《MS基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第37頁!DeterminationofMolecularWeightThevalueofthemassofanyionacceleratedinamassspectrometerisitstruemass,andnotitsmolecularweight.Themassspectrometercandistinguishbetweenmassesofparticlesbearingthemostmonisotopesoftheelementsandparticlesbearingheavierisotopes.Distinguishbetweenthemolecularionandafragmention.Themassesoftheionsdetectedinthemassspectrummustbemeasuredaccurately.《MS基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第38頁!Fig.5.7

Massspectrumofisobutane.《MS基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第39頁!EIelectronionizationCIchemicalionizationESIElectron-sprayionizationFABfastatombombardmentAPCIatmosphericpressurechemicalionizationMALDImatrixassistedlaserdesorptionionizationionsource《MS基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第40頁!electronionizationEI《MS基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第41頁!3）化學電離源（ChemicalIonization,CI）化學電離是通過離子-分子反應來完成的。反應氣體一般是甲烷、異丁烷、氨等。優(yōu)點：1）準分子離子峰強度高，便于推算分子量；2）用于色質(zhì)聯(lián)用儀器上，載氣不必除去，可作為反應氣體；3）反映異構(gòu)體的差別較EI譜要好些。缺點：碎片離子峰少，強度低。例：CH4+eCH4++2eCH4++CH4CH5+

+CH3

CH5+

+RHCH4+RH2+

《MS基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第42頁!fastatombombardmentFAB《MS基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第43頁!6）大氣壓電離（Atmosphericpressureionization,API）主要應用于高效液相色譜HPLC與質(zhì)譜儀的聯(lián)用。1、電噴霧電離（electrosprayionization,ESI）：從霧化器套管的毛細管端噴出的帶電液滴，隨著溶劑的不斷快速蒸發(fā)，液滴迅速變小，表面電荷密度不斷增大。由于電荷間的排斥作用，就會排出溶劑分子，得到樣品的準分子離子。通常小分子得到帶單電荷的準分子離子，而大分子則得到多種多電荷離子。檢測質(zhì)量可提高幾十倍。ESI是很軟的電離方法，通常無碎片離子峰，只有整體分子的峰，十分有利于生物大分子的質(zhì)譜測定。2、大氣壓化學電離（atmosphericpressurechemicalioniza-tion,APCI）：噴出的液滴先汽化，隨后溶劑分子被電離，發(fā)生CI過程。要求樣品汽化，適用于弱極性的小分子化合物?！禡S基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第44頁!AtmosphericpressurechemicalIonizationAPCI《MS基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第45頁!massanalyzersinglefocusingmassanalyzerdoublefocusingmassanalyzerquadrupoleanalyzertimeofflightIontrapFouriertransformioncyclotronresonance《MS基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第46頁!Quadrupoleanalyzer《MS基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第47頁!5）母離子（parention）與子離子（daughterion）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。6）亞穩(wěn)離子（metastableion）是從離子源出口到檢測器之間產(chǎn)生的離子。7）奇電子與偶電子離子（odd-andeven-electronion）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。8）多電荷離子（multiply-chargedion）失掉兩個以上電子的離子稱為多電荷離子。9）同位素離子（isotopicion）當元素具有非單一的同位素組成時，產(chǎn)生同位素離子?！禡S基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第48頁!3.分子離子峰的位置

分子離子峰常出現(xiàn)在質(zhì)荷比最高的位置（同位素峰除外）。當分子離子比較穩(wěn)定時，強度（亦稱豐度）就大。分子離子與強度的關(guān)系見教材。4．分子離子峰未出現(xiàn)時的補救方法

1）降低電離能量；2）制備揮發(fā)性的衍生物；3）采用軟電離方式?！禡S基本知識》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第49頁!例1一未知化合物的分子量為136，M+1和M+2峰的強度分別為11.1%和0.57%，試根據(jù)從Beynon表確定出此分子的分子式。Beynoon表(MW136部分):分子式M+1（11.1%）M+2（0.57%）

C11H4