质 谱 图中药化学教研室• 第一部分 概要 • 第二部分 质谱仪 • 第三部分 术语介绍 • 第四部分 有机质谱裂解规律 • 第五部分 色谱-质谱联用介绍第一部分 概要内容介绍• 定义 • 发展 • 如何看质谱图 • 有机质谱的特点定义• 气体分子或固体、液体的蒸气受到一定能量 的电子流轰击或强电场作用，丢失价电子生成 分子离子；同时，化学键也发生某些有规律裂 解，生成各种碎片离子这些带正电荷的离子 在电场和磁场的作用下，按质荷比（即质量与 电荷比值m/e）的大小分开，排列成谱，记录 下来即为质谱(MS:Mass Spectroscopy)发展• 分子质量精确测定与化合物结构分析的重要工具 • 第一台质谱仪----1912年； • 早期应用----原子质量、同位素相对丰度等； • 上世纪40年代：高分辨率质谱仪出现，有机化合 物结构分析； • 上世纪60年代末：色谱-质谱联用仪出现，有机 混合物分离分析；促进天然有机化合物结构分析的 发展；• 20世纪70年代，出现了场解吸（FD）离子 化技术，能够测定分子量高达1500~2000Da 的非挥发性化合物，但重复性差。
• 20世纪80年代初发明了快原子质谱法（ FAB-MS），能够分析分子量达数千的多肽 • 在20世纪80及90年代，质谱法经历了两次 飞跃在此之前，质谱法通常只能测定分子 量500Da以下的小分子化合物• 随着生命科学的发展，欲分析的样品更加 复杂，分子量范围也更大，因此电喷雾离子 化质谱法（ESI-MS）和基质辅助激光解吸离 子化质谱法（MALDI-MS）应运而生API-MS:是可以和液相色谱、毛细管电泳等分离手段联用，扩展 了应用范围，包括药物代谢、临床和法医学、环境分析、食品 检验、组合化学、有机化学的应用等；MALDI-TOF-MS的特点是对盐和添加物的耐受能力高，且测样 速度快，操作简单MS特点（1）应用范围广测定样品可以是无机物，也可以是有 机物应用上可做化合物的结构分析、测定原子量与相对 分子量、同位素分析、生产过程监测、环境监测、热力学 与反应动力学、空间探测等被分析的样品可以是气体和 液体，也可以是固体 （2）灵敏度高，样品用量少目前有机质谱仪的绝对灵 敏度可达50pg（pg为10-12g），无机质谱仪绝对灵敏度 可达10-14用微克级样品即可得到满意的分析结果。
（3）分析速度快，并可实现多组分同时测定 （4）与其它仪器相比，仪器结构复杂，价格昂贵，使用 及维修比较困难5)对样品有破坏性 目前质谱技术已发展成为三个分支 ： l同位素质谱仪； l无机质谱仪； l有机质谱仪；概要有机质谱的特点优点:• (1)定分子量准确，其它技术无法比 • (2)灵敏度高，常规10-7-10-8g,单离子检测可 达10-12g • (3)快速，几分甚至几秒 • (4)便于混合物分析，LC/MS，MS/MS对于 难分离的混合物特别有效, 其它技术无法胜任 • (5)多功能，广泛适用于各类化合物局限性: (1)异构体，立体化学方面区分能力差2)重复性稍差，要严格控制操作条件 所以不能象低场NMR，IR等自己动手， 须专人操作3)有离子源产生的记忆效应，污染等问 题4)价格稍显昂贵，操作有点复杂第二部分 质谱仪• 第一节 概述 • 第二节 电离源 • 第三节 质量分析器• 第一节 概述真空系统• 质谱仪器中凡有样品分子和离子的地方必须抽成 真空状态，即质谱仪的离子源、质量分析器及检测 系统都必须处于真空状态下工作（一般为1.333×10-4-1.333 ×10-6Pa ）。
• 质谱仪的真空系统要求残余气体中不能留有对测 定不利的气体成分，要求本底小，否则空气中的氧 会烧坏离子源的灯丝；会引起额外的离子－分子反 应，使质谱复杂化，且干扰离子源中电子束的正常 调节，影响一起的分辨率；• 真空度低会使本底增高，干扰质谱图进样要求：大气压下的样品要进入高真空的质 谱仪，而不影响仪器的真空度• 直接进样法（静态法）：对纯的化合物来说，一 般为气体或挥发性液体，可直接进样导离子源室， 而不需要专用设备或器件，这类似于气相色谱中的 样品进样 • 直接插入探针法：对于挥发性很小的固体样品， 需将样品放在不锈钢杆或探针顶端的小杯内，将探 针通过样品加入口放进离子源中，然后加热离子源 直至固体挥发 • 动态平衡法（色谱进样）：对一些组分较复杂的 混合物时，需将样品分离成一个个单一组分，再进 入质谱仪最典型的就是气相或液相色谱通过接口 与质谱连接 （毛细管进样--从气相色谱及液相色 谱柱）进样方式单聚焦质谱仪质谱仪进样系统离子源质量分析器检测器直接进样法（静态法） 直接插入探针法 动态平衡法（色谱进样 ）电喷雾电离（Electro spray ionization, ESI) 电子轰击电离（electron impact, EI) 快原子轰击（Fast atom bombardment, FAB) 化学电离（Chemical ionization, CI) 大气压化学电离 （atmospheric pressure chemical ionization, APCI)离子阱 四极杆（Q） 飞行时间（TOF） 傅立叶回旋共振（FTIR ）• 第二节 电离源电离方式及特点• 在离子源中样品被电离成离子，不同性质 的样品可能需要不同的电离方式ØEI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。
Ø用钨或铼制作的灯丝在高真空中发射出电子 Ø灯丝与电离盒之间的电压称为电离电压，对有机 化合物通常选用70eV的电压 Ø远远小于生物有机分子的小分子(400Da以下)的检 测样品蒸气离子源电子轰击电离（electron impact, EI)（细丝，灯丝）排斥电极靶阳极EI的优缺点• 优点 • 1.纳级的灵敏度 • 2.有达10万个化合物的 数据库可快速检索 • 3.可根据碎片方式鉴定 未知物 • 4.从碎片离子判定结构• 缺点 • 1.质量范围小 • 2.有可能汽化前发生解 离 • 3.碎片过多有时看不到 分子离子化学电离（Chemical ionization, CI)• 化学电离: 将样品气体和反应气体分子混合 （其中样品含量约0.1％），进入电离室后， 首先用电子轰击方式使反应气体电离，然后 反应气体与样品气体进行离子-分子反应而使 样品气体电离，因此样品的离子是由离子-分 子反应产生的这样产生的离子能量较小， 故碎片较少 • 对于不稳定的有机化合物，可得到较强的 分子离子峰3）大气压化学电离 （atmospheric pressure chemical ionization, APCI)• 在大气压下，化学电离反应的速率更大， 电离效率应更高。
• 主要困难是将大气压力下产生的离子转移 到处于高真空（ 2000Da带多电荷NANO-ESI喷雾照片ESI特点• 1、 ESI产生的生物大分子离子如多肽蛋白等常常带 10个以上电荷，使得m/z大大减小，弥补了四极杆质量 分析器等质量范围窄的缺点• 2、质谱图显示的是离子带不同电荷数的一系列质荷 比峰，根据峰位置换算成质量数和电荷数ESI优缺点• 优点 1、质量数可达70，000Da 2、灵敏度高达femtomole级 3、软电离，可观察生物分子非共价反 应 4、易于和LC串联，直接分析流速为 1ml/min的LC洗脱液 5、没有基质干扰 6、适于联四极杆质量分析器、离子阱 质量分析器做结构分析 7、带多电荷，允许质量范围窄的设备 检测高质量数的离子 8、带多电荷，通过计算平均值给出更 精确的质量数 9、特别适于测多肽的修饰 10、样品前处理简单可直接分析RP- HPLC脱盐处理的溶液• 缺点 1、耐盐能力低 2、对某些化合物特别敏感，污染难 清洗 3、样品需先气化，混合物不适用 4、带多电荷，在分析混合物时，产 生混乱 5、定量时需内校准ESI其他离子化方式阳离子化:以非共价键结合的方式向中性分子加上正电荷。
尤其适合质子化不稳定的的分子，质子化是共价键结 合，电荷从质子向分子发生转移，这以过程会造成分 子的不稳定，使分子裂解阳离子化没有这一缺点，常用在ESI离子方式中， 糖类非常适合这一电离方式，一般多加Na+ 阴离子化:分子失去一个质子，带上正电荷，这种离子化方式 适合酸性物质，如酚类、羧酸和磺酸MALDI 激光解吸附离子源Matrix- Assisted laser Desorption/IonizationMALDI源的出现解决了生物大分子的离子 化难题，离子化过程与FAB有相似之处 • 1、使用基质，但基质为固体 • 2、 MALDI用脉冲激光束轰击样品和基质的共 结晶 • 3、对基质的要求是能吸收337nm紫外光并气 化，能量由基质传给样品使样品一起气化并离子 化常用基质• 1、α氰基-4羟基-肉桂酸 CCA 多肽 • 2、3,5-二甲氧基-4-羟基肉桂酸 SA 蛋白 • 3、龙胆酸（2,5-二羟基苯甲酸 DHB 聚合物 • 4、吡啶甲酸 PA • 5、3－羟基吡啶甲酸 3HPA• MALDI源由氮激光器产生短周期脉冲激光，产生 的多为单电荷离子，效率很高，即使只有极少的样 品也可分析常用基质结构DHBSACCAMALDI的优缺点•优点 •1、质量数可达300,000Da。
• 2、attomole 至femtomole 级灵敏度 • 3、软电离方式，无或极少 碎片离子 • 4、耐盐（样品含盐可达毫 摩尔浓度） • 5、适于分析复杂混合物• 缺点 •1、分辨率低 •2、1000Da以下基质峰干扰 • 3、激光解吸附离子化有可能 使样品光降解 • 4、串联质谱功能较弱，除非 接反射装置进行源后衰变测量 • 5、不能分析非共价键相互作 用 • 6、定量时需要内校准 • 7、如没有反射飞行装置，不 能分析多肽修饰 • 8、对各种赋形剂的容忍度低 （如 • 含磷酸缓冲液，大于150mM 的盐等• 第三节 质量分析器• 质量分析器的作用是将离子源中形成的离子按质荷比的大 小不同分开，质量分析器可分为静态分析器和动态分析器两 类• 静态分析器采用稳定不变的电磁场（电磁场随时间改变， 只是为了记录质谱而不是分离原理所要求的），并且按照空 间位置把不同质量（m/e）的离子分开属于这一类的仪器 有单聚焦磁场分析器和双聚焦磁场分析器• 动态分析器采用变化的电磁场，按照时间或空间来区分质 量不同的离子属于这一类的仪器有飞行时间质谱仪、四极 滤质器等四极滤质器）（离子阱）（飞行时间）动态质谱仪静态质谱仪质量分析器的分类 ：• 双聚焦扇形磁场-电场串联仪器(sector). • 四极质谱仪(Q). • 飞行时间质谱仪(TOF). • 离子阱质谱仪（TRAP） • 付利叶变换-离子回旋共振质谱仪(FT-ICRMS). • ┏四极+TOF（Q-TOF） • 串列式多级质谱仪┫三重四极（QqQ）(MS/MS) ┗TOF+TOF进行串联质谱仪器从原理上可分为两类• 第一类仪器利用质谱在空间中的顺序， 是由两台质谱仪串联组装而成。
即前面列 出的串列式多级质谱仪 • 第二类利用了一个质谱仪时间顺序上的 离子储存能力，由具有存储离子的分析器 组成，如离子回旋共振仪（ICR）和离子 阱质谱仪但不能进行母离子扫描或中性 丢失A、四极杆质量分析器（Quadrupole Analyzer）A、B极性相反，加上一个直流电压D。