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1、Mass Spectrometers Protect Soldiers in Iraq,Mass spectrometers act as sensitive chemical warfare detectors to protect troops in war on Iraq,八、质谱,8.1 概述 8.2 质谱仪及其工作原理 8.3 离子的类型 8.4 分子离子峰的确定和分子式的推测 8.5 分子的裂解及其分类 8.6 各类有机化合物的质谱 8.7 质谱解析示例,主要内容,8.1 概述,质谱分析法(mass spectrometry，MS): 利用高速电子撞击气态试样分子，使化合物形成各种
2、离子和碎片离子，带正电荷的碎片离子在磁场及静电场的作用下，按质荷比m/z的大小顺序分离，依次到达检测器，记录成按质荷比顺序排列的质谱图，根据质谱峰的位置可进行定性分析和结构分析，根据质谱峰的强度可进行定量分析,应用范围广：质谱仪种类多，可进行同位素分析、化合物分析；有机结构和无机成分分析 灵敏度高，样品用量少，常规10-7 10-8 g, 单离子检测可达10-12 g 分析速度快，扫描1 100原子质量单位一般仅需求1至几秒，最快可达1/1000秒，可实现色谱-质谱在线(on-line)联用 确定分子量准确，其它技术无法比 便于混合物分析，LC/MS、MS/MS对于难分离的混合物特别有效，其它
3、技术无法胜任,质谱分析法的特点,局限性,异构体和立体化学方面区分能力差 重复性稍差，要严格控制操作条件。不能象低场NMR和IR等自己动手，须专人操作 有离子源产生的记忆效应和污染等问题 价格稍显昂贵，操作有点复杂,在质谱计的离子源中有机化合物的分子被离子化，丢失一个电子形成带一个正电荷的奇电子离子(M+)叫分子离子，化学键继续断裂生成各种碎片离子 经整理可写成： 式中：m/e为质荷比是离子质量与所带电荷数之比，近年来常用m/z表示质荷比；z表示带一个至多个电荷。由于大多数离子只带一个电荷，故m/z就可以看作离子的质量数,基本原理,a. 当磁场强度H和加速电压V一定时， m/z与离子在磁 场中运
4、动半径的平方成正比(m/z r2m)，m/z越大的 离子在磁场中运动的轨道半径rm也越大。这就是磁 场的重要作用，即对不同质荷比离子的色散作用 b. 当V一定以及离子运动的轨道半径(即收集器的位置) 一定时，m/z与磁场强度的平方成正比(m/z H2)。 改变H，即所谓的磁场扫描，磁场由小到大改变， 则由小质荷比到大质荷比的离子依次通过收集狭 缝，分别被收集、检出和记录下来,基本原理,c. 若磁场强度和离子的轨道半径rm一定时，离子的 质荷比m/z与加速电压V成反比(m/z 1/V)，表明 加速电压越高，仪器所能测量的质量范围越小。 就测量的质量范围而言，希望质量范围大一些， 这就必须降低加速
5、电压。从提高灵敏度和分辨率 来讲，需要提高加速电压。这是一对矛盾，解决 的办法是在质量范围够用的情况下尽量提高加速 电压，高分辨质谱计加速电压为8 kV，中分辨为3 4 kV,基本原理,质谱结果表示方法,质谱法的主要应用是鉴定复杂分子并阐述其结构，确定元素的同位素及分布等。一般的质谱给出的数据有两种形式：棒图(质谱图)和质谱表 质谱图: 以m/z为横坐标，相对强度为纵坐标。一般原始质谱图上最强的离子峰为基峰并定为相对强度100%，其它离子峰以对基峰的相对百分值表示 质谱表: 用表格形式表示的质谱数据。表中有两项即质荷比和相对强度。从质谱图上可直观地观察整个分子的质谱全貌，而质谱表则可准确地给出
6、精确的m/z值及相对强度值，有助于进一步分析,多巴胺的质谱图,多巴胺的质谱表,横坐标: 离子的质荷比m/z。当离子所带的电荷z = l时，质荷比就是离子的质量，甲基离子CH3+和乙酰基离子的质荷比分别为m/z = 15和m/z = 43就是它们的质量数 纵坐标: 离子的强度(离子流强度)，两种表示法 绝对强度：将每一个峰的离子流强度相加作为总离子流强度。用绝对强度表示各个离子流强度的百分数之和应为100 相对强度：以质谱图中最强峰的强度为100%，称为基峰。现在的质谱图均以相对强度表示,质谱图,常见质谱图,8.2 质谱仪及其工作原理,质谱仪分类,质谱仪,质谱仪,质谱仪,主要性能指标：质量范围,
7、质量范围(mass range): 表示质谱仪所能够进行分析的样品的相对原子质量(或相对分子质量)范围，通常采用原子质量单位(unified atomic mass unit，u)进行度量。原子质量单位是由12C来定义的，即一个处于基态的12C中性原子的质量的1/12 质谱仪所能测定的离子质荷比的范围 四极质谱： 1000以内 离子阱质谱： 6000 飞行时间质谱： 无上限 测定气体用的质谱仪，一般质量测定范围在2 100，而有机质谱仪一般可达几千，现代质谱仪甚至可以研究相对分子量达几十万的生化样品,主要性能指标 ：分辨率,分辨率(Resolution，R): 分离质量数为M1及M2的相邻质谱
8、峰的能力。若近似等强度的质量分别为M1及M2的两个相邻峰正好分开，则质谱仪的分辨率定义为： 不同仪器比较标准： 1）R10%：两峰间的峰谷高度为 峰高的10%时的测定值； 2）一般难找到两个质量峰等高， 则定义： 式中 a为相邻两峰的中心距离；b为峰高5%处的峰宽,不同分辨率的影响,R值越高越能与质荷比相近的离子分开 对于质荷比m/z = 100的离子，分辨率为： R = 100时， 能与m/z = 101的峰分辨开 R = 1000时， 能与m/z = 100.1的峰分辨开 R = 10000时，能与m/z = 100.01的峰分辨开 如：十三烷基苯(C19H32), M = 260.250
9、5 十一烷基苯酮(C18H28O), M = 260.2140 1,2-二甲基-4-苯甲酰基萘(C19H16O), M = 260.1204 分辨率R = 1000的低分辨仪器在m/z = 260处出现重叠峰 R = 100000时，仪器可将三个峰分辨开，并给出如上精确相对分子质量，从而可以确定元素组成和分子式,不同分辨率的影响,低分辨率质谱仪：R 10000，(FT-ICR MS：R = 1 106)可分辨质荷比相差很小的分子离子或碎片离子 利用高分辨率质谱仪可测定精确的质量数： CO、N2和C2H4分子离子的m/z均为28，但其准确质荷比分别为CO: 27.9949; N2: 28.006
10、2; C2H4: 28.0312; 只有高分辨质谱可识别 质谱仪的分辨本领由几个因素决定： 离子通道的半径 加速器与收集器狭缝宽度 离子源的性质,主要性能指标：灵敏度,质谱仪的灵敏度有绝对灵敏度、相对灵敏度和分析灵敏度等几种表示方法 绝对灵敏度是指仪器可以检测到的最小样品量；如对于一定样品(如硬脂酸甲酯)，在一定的分辨率情况下，产生一定信噪比(如10 1)的分子离子峰所需的样品量 相对灵敏度是指仪器可以同时检测的大组分与小组分含量之比 分析灵敏度则指输入仪器的样品量与仪器输出的信号之比,电离方法,气相电离方法(Gas-phase Ionization) 电子轰击电离(Electron Ioni
11、zation, EI) 化学电离源(Chemical Ionization, CI) 解吸电离方法(Desorption Ionization) 场解吸电离(Field Desorption Ionization) 快原子轰击电离(Fast Atomic Bombardment, FAB) 等离子体解吸电离(Plasma Desorption Ionization) 激光解吸电离(Laser Desorption Ionization) 蒸发电离方法 热喷雾质谱（现已不用） 电喷雾源(Electron Spray Ionization, ESI) 大气压化学电离源(Atmospheric Pr
12、essure Chemical Ionization, APCI),电离方法,物质与电离方式,挥发性物质: 电子轰击(EI) 化学电离(CI) 不挥发性物质 场解吸(FD) 粒子或辐射解吸 等离子解吸(PD) 电喷雾电离(ESI),电子轰击电离(EI),最常用的离子源，EI质谱是最普通意义的质谱 气化分子被高能电子束(一般为70 eV)轰击，使分子获得能量并放出电子成为正离子自由基。由于电子束能量远大于大多数有机化合物的电离电位(7 15 eV)，会使相当多的分子离子中的共价键进一步裂解，产生广义的碎片离子 优点：离子一般为单电荷离子 结构简单稳定，电离效率高，易于实现 共价键断裂具有可重复性
13、，结果再现性好，便于计算 机检索及比较 离子碎片多，可提供较多的分子结构信息 缺点：当样品分子稳定性不高时，分子离子峰强度低，甚至 不存在分子离子峰,化学电离,软电离技术，通过离子-分子反应来完成。反应气体(一般是甲烷、异丁烷、氨等)在电离源中电离生成分子离子，高压下与样品分子撞击，通过质子传递发生电离 CH4 + e CH4+ + 2e CH4+ + CH4 CH5+ + CH3 CH5+ + M CH4 + MH+ （M + 1+ 峰） CH5+ + M M CH5+ （M + 15+ 峰） 优点：1）准分子离子峰强度高，便于推算分子量 2）用于色质联用仪器上，载气不必除去，可作为反 应气
14、体 3）反映异构体的差别较EI谱要好些 缺点：碎片离子峰少，强度低,EI和CI,场解吸电离(FD),一种软电离技术。样品被沉积在电极（带有微探针）上，在高电场的作用下，由于高曲率的针端产生很强的电位梯度，样品分子可被电离 优点： 电离快速，适合于和气相色谱联机 不需要汽化，适用于难汽化的、热不稳定样品 碎片离子峰少，或没有 可以得到明显的分子离子峰 已逐渐被FAB取代,快原子轰击电离(FAB),一种广泛应用的软电离技术 高能重原子(一般为Xe 或Ar)轰击调匀于基质(避免样品受过多的辐射，一般为甘油等)中的样品，形成单电荷的正离子和负离子M + 1+ 峰(M + H)，M + 23+峰(M +
15、 Na)等 特点： 可完成连FD都有困难的、高极性、难汽化的化合物的电离 主要测定高分子量非挥发性分子的分子量 除分子离子峰外，其他低质量范围部分无用 二次离子质谱 (Secondary Ion MS, SIMS)：原理类似于FAB，但用重离子取代原子进行轰击，可用于固体表面分析和溶液样品的分析,基质辅助激光解吸电离,Matrix-Assisted Laser Desportion Ionization, MALDI：将被分析化合物的溶液和某种基质溶液（烟酸或芥子酸）相混合。蒸发掉溶剂，则被分析物质与基质形成晶体或半晶体。用一定波长的脉冲式激光进行照射。基质分子能有效地吸收激光的能量，并间接地
16、传给样品分子，从而使样品电离，并从基质中弹出而被检测 特点： 使一些难于电离的样品电离，且无明显的碎裂，从而得到完整的被分析化合物分子的电离产物 适用于与飞行时间质谱相配(MALDI-TOF MS)分析混合物 基质背景干扰大,蒸发电离,主要应用于高效液相色谱HPLC与质谱仪的联用 电喷雾电离(Electrospray Ionization, ESI)：从雾化器套管的毛细管端喷出的带电液滴，随着溶剂的不断快速蒸发，液滴迅速变小，表面电荷密度不断增大。由于电荷间的排斥作用，就会排出溶剂分子，得到样品的准分子离子。通常小分子得到带单电荷的准分子离子，而大分子则得到多种多电荷离子。检测质量可提高几十倍。是很软的电离方法，通常无碎片离子峰，只有整体分子的峰，十分有利于生物大分子的质谱测定 大气压化学电离(Atmospheric Pressure Chemical Ionization, APCI)：喷出的液滴先汽化，随后溶剂分子被电离，发生CI过程。要求样品汽化，适用于弱极性的
