第七講質(zhì)譜分析

第七講質(zhì)譜分析第一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四SpectrometryNOTSpectroscopySpectroscopyn.光譜學,波譜學,光譜儀Spectrometryn.質(zhì)譜術(shù)，質(zhì)譜計Spectrometry:SpectrometerAbbreviatedto:Massspec.orMS第二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四范圍光區(qū)光譜類型躍遷類型10-4～10-2nm

-rayMossbauer譜核能級躍遷10-2～1nmX-rayX-光電子能譜核內(nèi)層電子能級100～400nm

紫外光區(qū)紫外光譜核外層電子（價400～800nm可見光區(qū)可見光譜電子或非鍵電子)2.5～25m紅外光區(qū)紅外光譜分子振動-轉(zhuǎn)動(4000～400cm-1)～1cm微波區(qū)微波譜分子轉(zhuǎn)動能級

順磁共振譜電子自旋能級

（磁誘導(dǎo)）50～500cm

射頻區(qū)核磁共振譜核自旋能級(600～60MHz,無線電波區(qū)）（磁誘導(dǎo)）

光波與光譜的關(guān)系第三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四質(zhì)譜例MSidentifiesanalytesby:ProducinggasphaseionsSeparatingtheseionsaccordingtom/zratioDetectingtheionsSensitive:Detectattomoleconcentrations第四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四1898

W.Wien

發(fā)現(xiàn)帶正電荷的離子束在磁場中發(fā)生偏轉(zhuǎn)。1910

J.J.Thompson

使用簡單的電場-磁場組合裝置,獲得了拋物線族的質(zhì)譜,證明了20Ne,22Ne兩種同位素的存在。1918

A.J.Dempster

采用電子轟擊技術(shù)使分子離子化。1919

F.W.Aston

制得了第一臺速度聚焦質(zhì)譜儀。提出每種同位素的質(zhì)子和中子在結(jié)合成原子核時,具有特定的質(zhì)量虧損(并非整數(shù)值)。1942

商品MS出現(xiàn),用于石油精煉和橡膠工業(yè)。質(zhì)譜發(fā)展史第五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四◆質(zhì)譜不屬波譜范圍◆質(zhì)譜圖與電磁波的波長和分子內(nèi)某種物理量的改變無關(guān)◆質(zhì)譜是分子離子及碎片離子的質(zhì)量與其相對強度的譜,譜圖與分子結(jié)構(gòu)有關(guān)◆質(zhì)譜法進樣量少,靈敏度高,分析速度快◆質(zhì)譜是唯一可以給出分子量,確定分子式的方法,而分子式的確定對化合物的結(jié)構(gòu)鑒定是至關(guān)重要的。

特點第六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)真空系統(tǒng)加速區(qū)進樣系統(tǒng)離子源質(zhì)量分析器檢測器

質(zhì)譜計框圖IonisationsourceIonseparationDetectorOutput第七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四離子源和質(zhì)量分析器的壓力在10–4~10–5Pa和10–5~10–6Pa。大量氧會燒壞離子源的燈絲；用作加速離子的幾千伏高壓會引起放電；引起額外的離子－分子反應(yīng)，改變裂解模型，譜圖復(fù)雜化。質(zhì)譜計構(gòu)造:真空系統(tǒng)第八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四在不破壞真空度的情況下，使樣品進入離子源。氣體可通過儲氣器進入離子源。易揮發(fā)的液體，在進樣系統(tǒng)內(nèi)汽化后進入離子源。難揮發(fā)的液體或固體樣品，通過探針直接插入離子源。進樣系統(tǒng)第九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四分子失去電子，生成帶正電荷的分子離子

分子離子可進一步裂解，生成質(zhì)量更小的碎片離子

M+eM+.+2eM-.小于1%M+.A+.++B+CD++.中性分子或碎片R.50-70eV離子源第十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四◆質(zhì)量分析器是質(zhì)譜計的核心◆不同類型的質(zhì)量分析器構(gòu)成不同類型的質(zhì)譜計◆不同類型的質(zhì)譜計其功能，應(yīng)用范圍，原理，

實驗方法均有所不同。

質(zhì)量分析器

第十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四檢測記錄系統(tǒng)質(zhì)量分析器分離并加以聚焦的離子束，按m/z的大小依次通過狹縫，到達收集器。經(jīng)接收放大后被記錄。第十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四電子轟擊電離ElectronImpactIonization,EI化學離子化ChemicalIonization,CI場電離，場解吸FieldIonizationFD,FieldDesorptionFD快原子轟擊FastAtomBombardment,FAB基質(zhì)輔助激光解析電離Matrix-AssistedLaserDesorptionIonization,MALDI電噴霧電離ElectrosprayIonization,ESI大氣壓化學電離AtmosphericPressureChemicalIonization,APCI離子化的方法第十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四++++:R1:R2:R3:R4:e+M+(M-R2)+(M-R3)+MassSpectrometer(M-R1)+電子轟擊電離

ElectronImpact（EI）第十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四電子轟擊電離又稱為電子轟擊，或電子電離。是應(yīng)用最普遍，發(fā)展最成熟的電離方法。轟擊電壓50-70eV,有機分子的電離電位一般為7-15eV?？商峁┴S富的結(jié)構(gòu)信息。有些化合物的分子離子不出現(xiàn)或很弱

電子轟擊電離EI第十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四

離子室內(nèi)的反應(yīng)氣（甲烷等；10~100Pa，樣品的103~105倍），電子（100~240eV）轟擊，產(chǎn)生離子，再與試樣分離碰撞，產(chǎn)生準分子離子。最強峰為準分子離子；譜圖簡單；不適用難揮發(fā)試樣；++氣體分子試樣分子+準分子離子電子(M+1)+;(M+17)+;(M+29)+;化學電離

（ChemicalIonization，CI）第十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四化學電離CI小分子如CH4,(CH3)2CH等。以CH4為例CH4+e→CH4+·+2e(46%)

CH3+(39%)

CH2+·(7%)初級離子:CH4+·,

CH3+,CH2+·CH4+·+CH4→CH5++CH3·(48%)CH3++CH4→C2H5++H2(41%)

CH2+·+2CH4→C3H5++2H2(6%)

······CH5+,C2H5+,C3H5+

等為穩(wěn)定的次級離子。第十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四準分子離子[QM]+

M+CH5+→[MH]+

+CH4

M+C2H5+→[MH]++C2H4

M+C2H5+→[MH]++C2H6

第十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四場致電離FieldIonization

FieldDesorption（FI，F(xiàn)D）電壓：7-10kV；d<1mm；強電場將分子中拉出一個電子；分子離子峰強；碎片離子峰少；不適合化合物結(jié)構(gòu)鑒定；陽極+++++++++++++陰極d<1mm第十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四當樣品蒸汽接近或接觸帶高正電位的金屬針時，在強電場的作用下發(fā)生電離。要求樣品分子處于氣態(tài)，靈敏度不高，應(yīng)用逐漸減少。場電離FI第二十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四樣品不需汽化,預(yù)先附在處理好的場離子發(fā)射體上,送入離子源,然后通以微弱電流,使樣品分子從發(fā)射體上解吸下來,并擴散至高場強的場發(fā)射區(qū),進行離子化。適用于難汽化,熱不穩(wěn)定的樣品.如:糖類，肽類，金屬有機化合物，聚合物等。場解吸FD

第二十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四

惰性氣體Ar或Xe的原子首先被電離并被加速，使之具有高的動能，在原子槍(atomgun)內(nèi)進行電荷交換反應(yīng)：

Ar+（高動能的）+Ar（熱運動的）→Ar（高動能的）+Ar+（熱運動的）高動能的Ar或Xe原子束再轟擊樣品分子使其離子化

快原子轟擊

FastAtomBombardment（FAB）

第二十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四FAB是目前廣泛使用的軟電離技術(shù)，適用于難汽化,極性強的大分子。樣品用基質(zhì)調(diào)節(jié)后黏附在靶物上。常用的基質(zhì)有甘油，硫代甘油，3-硝基芐醇，三乙醇胺等。注意：FAB質(zhì)譜圖中會出現(xiàn)基質(zhì)分子產(chǎn)生的相應(yīng)的峰及基質(zhì)分子與樣品分子的結(jié)合峰。例如：3-硝基芐醇作為基質(zhì)時，會出現(xiàn)m/z154(MH),136（MH–H2O）,289(MMH–H2O)的峰。第二十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四

MALDI可使熱敏感或不揮發(fā)的化合物由固相直接得到離子。待測物質(zhì)的溶液與基質(zhì)的溶液混合后蒸發(fā)，使分析物與基質(zhì)成為晶體或半晶體，用一定波長的脈沖式激光進行照射時，基質(zhì)分子能有效的吸收激光的能量，使基質(zhì)分子和樣品分子進入氣相并得到電離。

MALDI適用于生物大分子，如肽類，核酸類化合物?？傻玫椒肿与x子峰，無明顯碎片峰。此電離方式特別適合于飛行時間質(zhì)譜計。基質(zhì)輔助激光解析電離

Matrix-AssistedLaserDesorptionIonization(MALDI)第二十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四流出液在高電場下形成帶電噴霧，在電場力作用下穿過氣簾；氣簾的作用：霧化；蒸發(fā)溶劑；阻止中性溶劑分子電噴霧電離（ESI）第二十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四電噴霧電離電噴霧產(chǎn)生多電荷離子，相對分子質(zhì)量Mr計算：選相鄰峰，電荷n，n+1m1=(Mr+n)/2m2=(Mr+n+1)/(n+1)計算結(jié)果如表。不適用于非極性化合物第二十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四EI與ESI第二十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四質(zhì)譜計的主要技術(shù)指標

質(zhì)量范圍：指質(zhì)譜計所檢測的單電荷離子的質(zhì)核比范圍分辨率（R）：分辨率是質(zhì)譜計分開相鄰兩離子質(zhì)量的能力。

分辨率（R）是兩峰間的峰谷為峰高的10%時的測定值，即兩峰各以5%的高度重疊。R=m/m

m為質(zhì)譜計可分辨的相鄰兩峰的質(zhì)量差m為可分辨的相鄰兩峰的平均質(zhì)量第二十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四Separateionsaccordingtom/zratioFivebasictypesofanalyser: 1) Magneticsector(electrostatic) 2) Quadrupole 3) Iontraps 4) Timeofflight

質(zhì)量分析器

MassAnalysers第二十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四MassAnalysers:

CalculationofResolution:RResolution=MassMassdifferenceR=M/DMM=M1?M2(500)DM=M2-M1(1)R=500/1=500第三十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四質(zhì)量分析器

磁分析器,靜電分析器磁分析器-單聚焦質(zhì)譜計只有一扇形磁場的質(zhì)量分析器又稱為磁分析器。加速后離子具有一定的動能:（），該動能是由離子在加速電場獲得的電勢能（zV）轉(zhuǎn)化的。第三十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四單聚焦磁場分析器收集器離子源BS1S2磁場R方向聚焦；相同質(zhì)荷比，入射方向不同的離子會聚；分辨率不高第三十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四雙聚焦分析器離子源收集器磁場電場S1S2+-方向聚焦：

相同質(zhì)荷比，入射方向不同的離子會聚；能量聚焦：

相同質(zhì)荷比，速度(能量)不同的離子會聚；

質(zhì)量相同，能量不同的離子通過電場和磁場時，均產(chǎn)生能量色散；兩種作用大小相等，方向相反時互補實現(xiàn)雙聚焦；第三十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四③其他類型質(zhì)量分析器雙聚焦質(zhì)譜儀體積大；色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀器的發(fā)展及儀器小型化（臺式）需要；體積小的質(zhì)量分析器：四極桿質(zhì)量分析器飛行時間質(zhì)量分析器離子阱質(zhì)量分析器體積小，操作簡單；分辨率中等；第三十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四四極質(zhì)量分析器–

四極質(zhì)譜計

四極質(zhì)譜結(jié)構(gòu)簡單，價廉，體積小，易操作，無磁滯現(xiàn)象，掃描速度快，適合于GC-MS,LC-MS。分辯率不高。+ElectronBeamABCSampleinIonBeam第三十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四離子漂移管-飛行時間質(zhì)譜計

（TimeofFlighMS,TOFMS）

TOFMS的核心部分是一個無場的離子漂移管

加速后的離子具有相同的動能

m/z小的離子，漂移運動的速度快，最先通過漂移管，到達檢測器。

m/z大的離子，漂移運動的速度慢，最后通過漂移管，到達檢測器。

檢測通過漂移管的時間(t)及其相應(yīng)的信號強度，可得到質(zhì)譜圖，t為或s數(shù)量級。

適合于生物大分子，靈敏度高，掃描速度快，結(jié)構(gòu)簡單，分辨率隨m/z的增大而降低。第三十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四傅立葉變換質(zhì)譜計

FourierTransform–MassSpectrometer,FT-MS

傅立葉變換質(zhì)譜計應(yīng)該是傅立葉變換離子回旋共振質(zhì)譜計，是受FT-NMR的啟迪。利用不同m/z的離子，在磁場B的作用下，各自產(chǎn)生不同的回旋頻率。若施加一射頻場，使其頻率等于某一m/z離子的回旋頻率，則離子就會吸收能量而激發(fā)。離子從射頻場吸收能量，稱之離子的回旋共振。激發(fā)的離子運動速度(v)增大，運動軌道半徑(r)增大，稱之離子的回旋運動的激發(fā)。第三十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四

如果磁場強度（B）一定，改變射頻場的頻率（）即可激發(fā)不同m/z的離子而得到質(zhì)譜。

FT-MS的核心為分析室，分析室由三對平行的極板構(gòu)成。磁力線沿z軸方向，離子的回旋運動垂直于z軸，在與x軸方向垂直的兩極板上施加激發(fā)射頻，在與y軸方向垂直的兩極板上檢測信號。

FT-MS分辨率極高，目前可得到精確度最高的精確質(zhì)量。

FT-MS靈密度高，質(zhì)量范圍寬，速度快，性能可靠。

第三十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四離子阱質(zhì)量分析器特定m/z離子在阱內(nèi)一定軌道上穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，改變端電極電壓，不同m/z離子飛出阱到達檢測器；第三十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四LC-MS(離子阱)聯(lián)用儀器結(jié)構(gòu)示意圖第四十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四質(zhì)譜術(shù)語

基峰:

RI100,RA

100

質(zhì)荷比:

m/z,z=1,z=2;

m的計算：組成離子的各元素同位素的質(zhì)子和中子之和。

精確質(zhì)量:精確質(zhì)量的計算基于天然豐度最大的同位素的精確原子量，如：

1H1.007825、12C12.000000、14N14.003074、16O15.994915·····精確度與質(zhì)譜計的分辨率有關(guān)。

第四十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四質(zhì)譜圖橫坐標為離子的質(zhì)核比，縱坐標為離子相對強度或相對豐度。乙醇的質(zhì)譜圖如下：第四十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四分子離子:M+·,M-e→M+·

z=1時，其m/z等于天然豐度最大的同位素的原子量之和。碎片離子：廣義上指除分子離子以外的所有離子。重排離子：經(jīng)過重排，斷裂一個以上化學鍵所生成的離子。母離子與子離子：任何一個離子進一步裂解為質(zhì)荷比較小的離子，前者是后者的母離子或前體離子，后者是前者的子離子。質(zhì)譜中的離子第四十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四

奇電子離子OE+·：帶單電荷的離子，如M+·,A+·,C+····在質(zhì)譜解析中，奇電子離子很重要，因質(zhì)荷比較小的奇電子離子是由質(zhì)荷比較大的奇電子離子裂解生成的。偶電子離子EE+：帶雙電荷的離子，如B+,D+,E+,···

多電荷離子：如z=2的離子，存在于穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)中。

準分子離子：[MH]+,[M-H]+同位素離子：非單一同位素的元素在電離過程中產(chǎn)生同位素離子，同位素離子構(gòu)成同位素峰簇。第四十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四亞穩(wěn)離子

離子在離子源的運動時間106s數(shù)量級,壽命<106s的離子在離子源內(nèi)進一步裂解。離子從離子源到達檢測器的時間為105s數(shù)量級，離子壽命>105s，足以到達檢測器。壽命106-105s的離子，從離子源出口到達檢測器之前裂解并被記錄的離子稱亞穩(wěn)離子，以m*表示.m*=m22/m1

亞穩(wěn)離子的峰有不同程度的擴散，達2~3質(zhì)量單位，這是因為m1+

裂解時，部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動能。在質(zhì)譜解析中，m*可提供前體離子和子離子之間的關(guān)系。第四十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四分子離子或準分子離子峰

質(zhì)譜中分子離子峰的識別及分子式的確定是至關(guān)重要的.分子離子峰的識別

■假定分子離子峰:高質(zhì)荷比區(qū),RI

較大的峰(注意：同位素峰)■判斷其是否合理:與相鄰碎片離子(m/z較小者)之間關(guān)系是否合理

Δm1231516171820丟失H·H2H2,HCH3OOHH2O

NH2

Δm=4-14,21-24,37-38·····通常認為是不合理丟失第四十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四■判斷其是否符合N律

不含N或含偶數(shù)N的有機分子,其分子離子峰的m/z為偶數(shù)。含奇數(shù)N的有機分子,其分子離子峰的m/z為奇數(shù)?！蚴褂肅I電離時，可能出現(xiàn)M+H,MH,M+C2H5,M+C3H5…

◎使用FAB時，可出現(xiàn)M+H,MH,M+Na,M+K…

◎較高分子量的化合物，可能同時生成M+H,M+2H,M+3H等

第四十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四分子離子峰的相對強度(RI)不同的電離方式,其分子離子的RI不等。不穩(wěn)定的分子,大分子,其分子離子的RI較弱。穩(wěn)定的分子,大共軛分子,其分子離子的RI較強。第四十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四大約20%的分子離子峰弱或不出現(xiàn).其大致規(guī)律如下:采用EI:芳香族化合物>共軛多烯>脂環(huán)化合物>低分子鏈烴,某些含硫化合物

羰基化合物(醛,酮,酸,酯,酰氯,酰胺)分子離子峰不出現(xiàn)或弱脂肪族醇類,胺類,硝基化合物等分子離子往往不出現(xiàn)第四十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四分子離子峰不出現(xiàn)怎么辦?改用其它離解方式,如:CI,FAB等

第五十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四分子式的推導(dǎo)

利用低分辨質(zhì)譜數(shù)據(jù)，推導(dǎo)分子式

同位素峰簇及其相對豐度

■對于C,H,N,O組成的化合物，其通式：CxHyNzOwRI(M+1)/RI(M)×100=1.1x+0.37y

(2H0.016,

17O0.04忽略)RI(M+2)/RI(M)×100=(1.1x）2/200+0.2w

第五十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四■含硫的樣品

32S:33S:34S=100:0.8:4.4RI(M+1)/RI(M)×100=1.1x+0.37y+0.8SRI(M+2)/RI(M)×100=（1.1x）2/200+0.2w+4.4S

■含Si的化合物

28Si:29Si:30Si=100:5.1:3.4

第五十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四■含重同位素（如