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1、质谱、色谱分析诊断看图说话版李威 2012/12/3太大了！如何认识认识 事物？特征！ ！样品分子离子离子源外部能量ABCDABCD+分子离子AB+, ABC+, CD+, A+, B+, C+, D+碎片离子一、质谱学的发展历史质谱学领域的诺贝尔（Nobel）奖 1906年：物理奖 J. I. Thomson 贡献：正电荷离子束在磁场中的偏转 磁质谱仪 的基 础同位素分析 1989年：物理奖 W. Paul 贡献：离子阱技术的发明。 2002年 ：化学奖 J. B. Fenn Virginia Commonwealth University, USA 贡献：电喷雾 (ESI)电离方法 生物大
2、分子分析Electrospray Ionization for Mass Spectrometry of Large Biomolecules,“ J. B. Fenn, M. Mann, C. K. Meng, S. F. Wong and C. M. Whitehouse, Science 246, 64 (1989) Koichi Tanaka (田中耕一) Shimadzu Corporation,Japan 贡献：激光辅助解吸电离质谱 (MALDI)电离方法 生物大分子分析 Rapid Communications in Mass Spectrometry 2, 151 - 153
3、(1988), Koichi Tanaka, Hiroaki Waki, Yutaka Ido, Satoshi Akita, Yoshikazu质谱学的历史事件1886年，Goldstein 发现 正电荷离子1898年，Wien 利用电场 和磁场使正电荷离子偏转1912年，Thomson 研制第世界上一台质谱仪 ，氖同位素的发现1918年，Dempster 电子轰击电 离(Electron ionization)及磁聚焦1919年，Aston 精密仪器，测定50多种同位素，第一张同位素表1934年，Stephens 均匀扇形磁场，球差和质量色散公式Herzog 和 Hintenberger
4、电磁场组 合，离子光学系统1940年，Nier 扇形磁场偏转质谱计 ，双聚集系统 商品仪器的雏形235U，电磁制备方法，第二次世界大战期间在石油、化工等领域的应用1946年，Stephens 飞行时间质谱 (Time-of flight mass analysis)1952年，Martin 气相色谱方法1953年，Paul等 四极杆分析器(Quadrupole analyzers)1956年，Gohlke and McLafferty 气相色谱-质谱联 用(GC/MS)Beynon 高分辨质谱仪 (High-resolution MS)1965年，Hipple等 离子回旋共振(Ion Cycl
5、otron Resonance)1966年，Munson and Field 化学电离(Chemical ionization)1967年，McLafferty and Jennings 串联质谱 (Tandem mass spectrometry)1973年，McLafferty 液相色谱-质谱联 用 (LC/MS)，热喷雾 方法1974年，Comisarow和Marshall 傅立叶变换 离子回旋共振质谱 (FT-ICR-MS)1981年，Barber等 快原子轰击电 离质谱 (FAB MS)，生物中，小分子，2000以内1989年，J. B. Fenn 电喷雾电 离Koichi Tana
6、ka 基质辅 助激光解吸电离1990年，Katta and Chait 电喷雾电 离质谱观 察蛋白质构象改变1993年，商品电喷雾质谱仪1995年，付立叶变换 离子回旋共振质谱仪 （与ESI和MALDI联用）1998年，高分辨飞行时间质谱仪 （Delay Extract, Reflectron技术）常用概念一、质荷比(m/z)质谱图 中的横坐标，质量与电荷之比。若离子所带电 荷为z = 1，则质 荷比等于该离子的质量数。离子是以12C原子的1/12定义为 一个质量单位，用u表示。1u=1.66054x10-27kg其它常用符号，Da, 道尔顿 1Da=1u二、离子的强度（丰度）I两种表示方法百
7、分强度：所有峰的强度之各为100，每个离子所占的份额即为其百分强度，百分强度= (Ii/Ii) 100% Ii，第i 个离子的强度。基峰强度：质谱图 中离子强度最大的峰称为基峰，定义它的强度为100，即IB=100， 其它离子强与之相比的百分强度称为该 离子的强度。AA+1A+2质量%质量%质量HC1121001002130.0151.1AA+1NOFSi141619281001001001001517290.370.045.1018300.203.40AA+2AA+1,A+2P31100AS32100330.80344.40A+2378132.598.0ClBrI35791271001001
8、00A+2A+2A元素类型元素三、同位素化学上，氖的原子量为20.2,质谱 上：氖不在m/z20.2处出峰，而是在m/z20和m/z22处各出一个 峰， 该峰的相对强度为10:1。为什么？质谱测 定的是微观离子， 不是宏观上的平均的概念。 表1 常见元素的天然同位素丰度元素 分类情况：A: H, F, P, IA+1: C, NA+2: O, Si, Cl, BrRA(1+b)n =1+nb+n(n-1) 2b +LL 同位素分布的二项式规则 ： 对A+1和A+2元素2!n(n-1)(n-2) 3 3!b +b: A+1或A+2同位素的天然丰度n: 质谱 峰中A+1或A+2元素的个数A+1元素
9、峰位置A+2元素峰位置质谱 峰强度MM1M+1M+2nbM+2M+4n(n-1)b2/2!M+3M+6n(n-1)(n-2)b3/3!12C5H12+Mm/z7212C413C1H12+M+1 m/z7312C313C2H1212C213C3H12+M+2 m/z74M+3 m/z7512C113C4H12+M+4 m/z76040206080100m/z解决问题的思路质谱仪器原理u 质谱过程导入按质荷比m/z峰强度峰位置撞击高速电子气态分子阳离子质量分析器顺序谱图定量分析定性分析 结构分析得到2.2 电离方式和离子源种类繁多，介绍主要的几种。No FragmentsFragmentsAPIS
10、oftEIHardCIIonisationSoft ionisation gives low fragmentationMolecular weight determination Produces “theoretical” spectra High sensitivity (low pg levels)电子轰击电 离使用具有一定能量的电子直接作用于样品分子， 使其电离。EI 离子源的结构示意图灯丝推斥极+ 5010 V收集极M+e电离电压 ：70 eV 加速电压 ：5 kV+ 4930 VM+ + 2e离子电离盒+ 5000 V1、组成部分灯丝：钨、铼或铼钨丝 ，发 射电子，电离样品收集极
11、：接收灯丝发射的电 子推斥极：推出产生的样品离 子永久磁铁：使电子做螺旋运 动，增加电离几率源磁铁1.电子轰击电 离（Electron Impact ）电子轰击电 离源 (EI)在电子轰击电 离中，样品分子M受到一定能量的 (如70 eV) 的电子轰击 后，生成分子离子 。有机化合物的电离能在10 eV左右，所以 具有很高的过剩能量，还可能进一步碎裂，产生碎片离子F+等。这些离子在离子源中被加速电压 (Vacc) 加速后具有一定的动能：Relative AbundanceRelative AbundanceRelative Abundance电子能量对质谱图 的影响20406080100120
12、14080604020010077105122 20 eVm/z20406080100120140806040200100122 9 eVm/z20406080100120140200100391058060 774051122 70 eVm/z不同能量下获得的苯甲酸的质谱图利用反应气体的离子与样品分子相互反 应，而使样品分子离子化，本质是化学过程， 故称化学电离。离子出品的缝隙减小，使高子室内的压力 保持在0.5-1.0Torr。电子轰击 化学电离气体，不直接作用于样 品分子。推斥电极电压 ：0V，增加源内停留时间 ， 有利于离子-分子反应。化学电离试剂 ：甲烷、异丁烷、氨气，氢 气，水、甲
13、醇、胺等。2.化学电离 (Chemical Ionization, CI)以甲烷为 例，化学电离源内的有关离子-分子反应， CH4 + e CH4+ + CH3+ + CH2+ + CH+ + C+ + H2+ + H+CH4+ CH4 CH3+ + CH4CH5+ + XH C2H5+ + XH C2H5+ + XHCH5+ + CH3 C2H5+ + H2XH2+ + CH4 XH2+ + C2H4 X+ + C2H6化学电离离子-分子反应常见类 型质子转移反应BH+ +MMH+ + B氢负 离子转移反应BH+ + MM-H+ + BH2电荷交换反应B+ +MB + M+加成反应BH+ +
14、 MBHM+ 或 BMH+甲烷离子与分子进行反应，生成加合离子：加合离子与样品分子反应：快原子轰击 (Fast Atom Bombardment, FAB), Ar原子快离子轰击 (Fast Ion Bombardment, FIB)Cs离子FAB： Ar 与被加速到20kV的Ar+进行弹性碰撞，使Ar获得相应的动 能，射向样品靶，产生轰击 作用。FIB： Cs+由CsI加热后放出来，然后通过电场 加速到20kV，射向样品 靶，产生轰击 作用。适用于极性分子的分析，生物分子，质量在2000以内。FAB/LSIMS 离子源：Ar/Cs+原子枪或离子枪样品MH+ 质量分析器3.二次离子质谱(Sec
15、ond Ion Mass Spectrometry,SIMS)基质甘油硫甘油间硝基苄醇二乙醇胺三乙醇胺硫代二甘醇二硫苏糖醇 二硫赤糖醇(5:1)四亚甲基砜聚乙二醇分子量921081531051499412012062+n(44)沸点C182/20mm118/5mm175/3mm217/150mm190/5mm-285-背景离子MH+, MH+nM+M-H2O+, MH+nM+ MH+, MH+nM+MH+, MH+nM+MH+, MH+nM+M-H2O+, MH+nM+M-H2S-H2+,MH+nM+MH+, 2M+H+(CH2CH2O)H+, MH+应用普通基质肽、抗生素肽、蛋白质多糖多糖金
16、属有机物金属有机物,肽肽多糖基质的作用：一般为强极性分子，对快原子或快离子有较强的吸收能力，可使进样 品溶液溶解，溶剂挥发 后，基质结 晶，样品均匀分布于该结 晶体中，轰击 时一起蒸发。FAB/FIB常用基质试样 溶解或悬浮于基质中，激光束辐射到基质和试样 分子上。基质吸收激光束能量后汽化，部分试样 分子伴随基质的汽化而解 吸。基质吸收大部分激光能量，减少了试样 分子被激光能量破坏及过 度电离成碎片离子。激光：固体氮激光，紫外光波长： 337nm功率：106108W/cm2脉冲时间 ：10-610-9秒4.基质辅助激光解吸电离(Matrix Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI)关于基质： 极性化合物 芳环 易结晶溶解样品 吸收激光 均
