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1、Mass Spectrometry1Interpretation Of Mass Spectra, 4Ed, Fred W. McLaffert, Frantisek Turecek.E.D Hoffmam,J.Charette,V.Stroobant,Mass Spectrometry, Prenciples and Applications,John Wiley & Sons,1996.F.W.McLafferty : Interpretation of Mass Spectra,3rd edMill Valley: Calif. Univ. Sci. Books. 1980练振琼: 有机
2、质谱解析 四川大学出版社 1990丛浦珠:质谱学在天然有机化学中的应用 科学出版社 1987主要参考书：21898 W. Wien 发现带正电荷的离子束在磁场中发生偏转。1910 J. J. Thompson 使用简单的电场-磁场组合装置, 获得了抛 物线族的质谱, 证明了20Ne, 22Ne两种同位 素的存在。1918 A. J. Dempster 采用电子轰击技术使分子离子化。 1919 F. W. Aston 制得了第一台速度聚焦质谱仪。提出每种同 位素的质子和中子在结合成原子核时, 具有 特定的质量亏损(并非整数值)。 1942 商品MS出现, 用于石油精炼和橡胶工业。质谱发展史3质谱
3、不属波谱范围质谱图与电磁波的波长和分子内某种物理量 的改变无关质谱是分子离子及碎片离子的质量与其相对强度的谱, 谱图与分子结构有关 质谱法进样量少, 灵敏度高, 分析速度快质谱是唯一可以给出分子量, 确定分子式的方法, 而分子式的确定对化合物的结构鉴定是至关重要的。 特点4质谱分析原理质谱分析原理质谱仪器构造质谱仪器构造质谱定性分析及图谱解析质谱定性分析及图谱解析质谱定量分析质谱定量分析要求理解质谱法原理及质谱仪主要部件功要求理解质谱法原理及质谱仪主要部件功能；了解质谱定性分析及图谱解析、定量能；了解质谱定性分析及图谱解析、定量分析方法。分析方法。5质谱分析的基本原理：质谱分析的基本原理：使所
4、研究的混合物或单体形成离使所研究的混合物或单体形成离子，子，然后使形成的离子按质荷比然后使形成的离子按质荷比(mass-charge(mass-chargeratio)ratio)m mz z 进行分离。进行分离。 6Mass Spectrometry Fundamentals What and How-Measure mass (m) to charge (z) ratio (m/z) of ionsa mass of 200 Da with 2 charges gives the same m/z ratio asa mass of 100 Da with 1 charge and can
5、not be distinguished.-Formation of ions in the gas phase (many ways)positive ion: by adding a proton: (M+H) +or by removing an electron: (M ) +negative ion: by removing a proton: (M-H) -or by adding an electron: (M) -Charged ions can be manipulated and analyzed by electric and/or magnetic fields (ma
6、ss analyzers),detected by detectors to generate mass spectra. 7Mass Spectrometry FundamentalsWhat are mass measurements good for ? To identify, verify, and quantitate metabolites, proteins, oligonucleotides, drug candidates, peptides, synthetic organic chemicals, polymers!Biomolecule characterizatio
7、n Proteins, peptides, oligonucleotides, sugars, polymers!Pharmaceutical and medical Bioavailability, drug metabolism, pharmacokinetics characterization of potential drugs, drug degradation analysis, screening of drug candidates, identifying drug targets, disease marker identification, diagnostic ! E
8、nvironmental analysis Pesticides on foods, soil and groundwater contaminationForensic analysis/clinical !8Mass SpectrometryMolecular weight can be obtained from a very small sample.It does not involve the absorption or emission of light.A beam of high-energy electrons breaks the molecule apart.The m
9、asses of the fragments and their relative abundance reveal information about the structure of the molecule. 9Mass SpectrometryTHE MAIN USE OF MS IN ORG CHEM IS: DETERMINE THE MOLECULAR MASS OFORGANIC COMPOUNDS DETERMINE THE MOLECULAR FORMULA OF ORGANIC COMPOUNDS10HOW DO WE ACHIEVE THIS? PERSUADE THE
10、 MOLECULE TO ENTER THE VAPOR PHASE (CAN BE DIFFICULT) PRODUCE IONS FROM THE MOLECULES THAT ENTER THE GAS PHASE SEPARATE THE IONS ACCORDING TO THEIR MASS-TO-CHARGE RATIOS (m/z) MEASURE AND RECORD THESE IONS11Mass Spectrometry FundamentalsKey topics:Mass spectrometer Ionization, Mass analyzers, Mass s
11、pectrometersMass spectrum Isotope and mass, Isotope abundanceQuality parameters of mass spectrometer Resolution, Mass accuracy, SensitivityCharge state of protein and peptides MALDI-TOF MS, ESI MS121314离子源和质量分析器的压力在104 105 Pa和105 106 Pa。大量氧会烧坏离子源的灯丝；用作加速离子的几千伏高压会引起放电；引起额外的离子分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。质谱计构造质谱
12、计构造:真空系统真空系统1516在不破坏真空度的情况下，使样品进入离子源。气体可通过储气器进入离子源。易挥发的液体，在进样系统内汽化后进入离子源。难挥发的液体或固体样品，通过探针直接插入离子源。进样系统17Sample Introduction:Direct Insertion Probe (DIP)Direct insertion probeConceptually very easy, practically very tricky18Sample Introduction:Gas Chromatography-MS (GC-MS)GC output to mass spectromete
13、rSample already in gas phase19Sample Introduction:Liquid Chromatography-MS (LC-MS)Direct infusion of sample in solutionSyringe pump: slow steady infusionOutput from HPLCSeparation and identification of componentsVast majority of solution is solventMust remove solvent to “see” analyteHistorically: ex
14、tra pumping and heatingApplicable to electrospray ionisationESI: see later20分子失去电子，生成带正电荷的分子离子 分子离子可进一步裂解，生成质量更小的碎片离子 M+ eM+.+2eM-. 小于1%M+.A+. +B+CD+. 中性分子或碎片 R.50-70eV离子源离子源21质量分析器是质谱计的核心不同类型的质量分析器构成不同类型的质谱计 不同类型的质谱计其功能，应用范围，原理， 实验方法均有所不同。 质量分析器质量分析器 22检测记录系统 质量分析器分离并加以聚焦的离子束，按m/z的大小依次通过狭缝，到达收集器。经接
15、收放大后被记录。23IONIZING METHODS ELECTRON IMPACT - HIGH ENERGY ELECTRONS ABOUT 70 EV! CHEMICAL IONIZATION LOW ENERGY 24电子轰击电离 Electron Impact Ionization, EI化学离子化 Chemical Ionization, CI场电离，场解吸 Field Ionization FD, Field Desorption FD快原子轰击 Fast Atom Bombardment, FAB基质辅助激光解析电离 Matrix-Assisted Laser Desorpti
16、on Ionization, MALDI电喷雾电离 Electrospray Ionization, ESI大气压化学电离 Atmospheric Pressure Chemical Ionization, APCI离子化的方法25电子轰击电离又称为电子轰击，或电子电离。是应用最普遍，发展最成熟的电离方法。轰击电压 50-70eV, 有机分子的电离电位一般为7-15eV。可提供丰富的结构信息。有些化合物的分子离子不出现或很弱 电子轰击电离 EI26Electron Ionization (EI)2728A Mass Spectrometer2930313233 离子室内的反应气（甲烷等；101
17、00Pa，样品的103105倍），电子（100240eV）轰击，产生离子，再与试样分离碰撞，产生准分子离子。最强峰为准分子离子；最强峰为准分子离子；谱图简单；谱图简单；不适用难挥发试样；不适用难挥发试样；+气体分子气体分子试样分子试样分子+准分子离子准分子离子电子电子(M+1)+;(M+17) +;(M+29) +;化学电离（Chemical Ionization，CI）34场致电离场致电离Field Ionization Field Desorption （FI，FD）电压：电压：7-10 kV；d1 mm；强电场将分子中拉出一个电子；强电场将分子中拉出一个电子；分子离子峰强；分子离子峰强；
18、碎片离子峰少；碎片离子峰少；不适合化合物结构鉴定；不适合化合物结构鉴定；阳极+阴极d1mm35 当样品蒸汽接近或接触带高正电位的金属针时，在强电场的作用下发生电离。要求样品分子处于气态，灵敏度不高，应用逐渐减少。场电离 FI36 样品不需汽化, 预先附在处理好的场离子发射体上, 送入离子源, 然后通以微弱电流, 使样品分子从发射体上解吸下来, 并扩散至高场强的场发射区, 进行离子化。 适用于难汽化, 热不稳定的样品. 如: 糖类，肽类，金属有机化合物，聚合物等。场解吸场解吸 FD 37 惰性气体Ar或Xe的原子首先被电离并被加速， 使之具有高的动能，在原子枪(atom gun)内进行电荷交换反
19、应： Ar+（高动能的）+ Ar（热运动的）Ar（高动能的）+ Ar+（热运动的）高动能的Ar或Xe原子束再轰击样品分子使其离子化 快原子轰击快原子轰击Fast Atom Bombardment（FAB） 38 FAB是目前广泛使用的软电离技术，适用于难汽化,极性强的大分子。样品用基质调节后黏附在靶物上。 常用的基质有甘油，硫代甘油，3-硝基苄醇，三乙醇胺等。 注意：FAB质谱图中会出现基质分子产生的相应的峰及基质分子与样品分子的结合峰。 例如：3-硝基苄醇作为基质时，会出现 m/z154(MH),136（MHH2O）, 289(MMHH2O) 的峰。 39Electrospray ioniz
20、ation40414243444546474849505152535455基质辅助激光解析离子源基质辅助激光解析离子源56 MALDI可使热敏感或不挥发的化合物由固相直接得到离子。 待测物质的溶液与基质的溶液混合后蒸发，使分析物与基质成为晶体或半晶体，用一定波长的脉冲式激光进行照射时，基质分子能有效的吸收激光的能量，使基质分子和样品分子进入气相并得到电离。 MALDI适用于生物大分子，如肽类，核酸类化合物。可得到分子离子峰，无明显碎片峰。此电离方式特别适合于飞行时间质谱计。 基质辅助激光解析电离Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization (MALDI
21、)57A standard 384 well MALDI sample plate58596061为什么基质重要？基质对于稀释和分散待测物质是非常必要的基质对于稀释和分散待测物质是非常必要的对于离子化的待测物质或其他中性分子，它的功能是能量介质对于离子化的待测物质或其他中性分子，它的功能是能量介质通过质子的离子化，形成一种活性状态。通过质子的离子化，形成一种活性状态。626364离子源技术比较MALDI多用于极性/带电荷的肽可耐盐适用于复杂基质必须离线分析由于基质吸附相对分辨率低基质 1000 m/z光偶联和衰减Nobel Prize in Chemistry, 2002ESI 多用于非极性的
22、肽.对盐敏感对复杂基质耐受性低需要专业人士操作和维护可与 LC联用Nobel Prize in Chemistry, 200265Niggard spectra (polymer additive), obtained by negative APCI (A), negative APCI with in source fragmentation (B), electron impact ionisation (C). 666768697071Separate ions according to m/z ratioFive basic types of analyser:1) Magnetic
23、 sector (electrostatic)2) Quadrupole3) Ion traps4) Time of flight5) FTICR质量分析器质量分析器 Mass Analysers72质谱计的主要技术指标质谱计的主要技术指标 质量范围： 指质谱计所检测的单电荷离子的质核比范围 分辨率（R）：分辨率是质谱计分开相邻两离子质量的能力。 分辨率（ R ）是两峰间的峰谷为峰高的10%时的测定值，即两峰各以5%的高度重叠。 R = m / m m为质谱计可分辨的相邻两峰的质量差m为可分辨的相邻两峰的平均质量73Mass Analysers:Factors to ConsiderUpper
24、 mass limit:Highest m/z that can be detectedMay be offset by multiple chargesResolution:Distinct signals for similar m/z ratiosTransmission:Ratio of ions reaching detector: ions producedCost74Mass Analysers:Resolution (Resolving Power)Ability to resolve two signals of similar m/zResolved if valley i
25、s 81The Mass SpectrumMasses are graphed or tabulated according to their relative abundance.=82双聚焦分析器双聚焦分析器离子源离子源收集器收集器磁场磁场电场电场S1S2+-方向聚焦：方向聚焦： 相同质荷比，入射方向不同的离子会聚；能量聚焦：能量聚焦： 相同质荷比，速度(能量)不同的离子会聚； 质量相同，能量不同的离子通过电场和磁场时，均产生能量色散；两种作用大小相等，方向相反时互补实现双聚焦；83 其他类型质量分析器其他类型质量分析器双聚焦质谱仪体积大；双聚焦质谱仪体积大；色谱色谱-质谱联用仪器的发展及
26、仪器小型化（台式）需要；质谱联用仪器的发展及仪器小型化（台式）需要；体积小的质量分析器：体积小的质量分析器：四极杆质量分析器四极杆质量分析器飞行时间质量分析器飞行时间质量分析器离子阱质量分析器离子阱质量分析器体积小，操作简单；分辨率中等；84四极质量分析器 四极质谱计 四极质谱结构简单，价廉，体积小，易操作，无磁滞现象，扫描速度快，适合于GC-MS, LC-MS。分辩率不高。 +Electron BeamABCSample inIon Beam85Mass Analysers:Quadrupole Mass AnalysersRelatively cheap and compactLow (u
27、nit) resolutionR 2,000Upper mass limit of m/z 4,000Can be offset by use of ESI (multiple charges)Simple to operate and controlSimple interfacing with inlet systemsGC, DIP, etc.Workhorses of mass spectrometry86quadrupole mass analyzer / filter四级杆分析器（四级杆滤质器）8788Mass filtering and “scanning”滤质器（分析器）和扫描
28、与 TOF的分析器不同四级杆分析器是在特定的电压频率下，具有特定m/z的离子才可到达检测器在实时分析时电压是不断变化的，这就是对离子束进行扫描89Tandem mass spectrometers串联质谱两个质谱顺序联接离子先通过第一个质谱再通过第二个质谱。增加分辨率两个质谱间信号衰减90Triple-sector Quadrupole (Q/Q)三重四级质谱91Types of Scans IProduct / daughter ion scans子离子扫描Like PSDSector #1: filter for one specific precursor / parentSector
29、#2: scan the fragments / products / daughters92Types of Scans IIDynamic exclusion 动态排除动态排除自动子离子扫描自动子离子扫描首先分析贡献大的母离子首先分析贡献大的母离子, 并收集并收集 MS2 的子离子的子离子然后排除这些母离子然后排除这些母离子, 然后分析低然后分析低丰度的离子丰度的离子93Types of Scans IIIPrecursor / parent scans 母离子扫描Sector #2: set to filter / detect one product/daughter massSect
30、or #1: scan to ID the parent responsible94Types of Scans IVNeutral loss 中性丢失两个质谱顺序扫描串联扫描按照一个特定的质量数(e.g., 80 amu) 寻找特定的母/子离子对 (e.g., = 80 amu: loss of phosphate from pS/pT)95飞行时间质谱飞行时间质谱96979899100101离子阱离子阱 Ion trop102电喷雾电喷雾离子阱质谱离子阱质谱103104105106107Ion Trap mass spectrometers I离子阱离子被捕获在一个离子被捕获在一个稳定的轨
31、道中，并稳定的轨道中，并在磁在磁/静电瓶中富静电瓶中富集集场的改变可使特定场的改变可使特定的的m/z离子离子 被甩出被甩出到达检测器到达检测器.灵敏度极高灵敏度极高, 分辨分辨率一般率一般108Ion Trap mass spectrometers II也可改变场的频率使也可改变场的频率使特定的特定的m/z的离子的离子, 撞到电极上淬灭（撞到电极上淬灭（be quenched ）.而后使剩下的离子被而后使剩下的离子被甩出，到达检测器甩出，到达检测器109Ion Trap mass spectrometers III或者在淬灭了部分或者在淬灭了部分离子后，将剩下具离子后，将剩下具有特定有特定m/
32、z 离子加离子加速，产生高能量的速，产生高能量的碰撞和碎裂碰撞和碎裂然后将这些碎片在然后将这些碎片在甩出，到达检测器甩出，到达检测器分析分析110Ion Trap mass spectrometers IV(MS3).这次除了感兴趣的子离子这次除了感兴趣的子离子淬灭所用的离子淬灭所用的离子然后将子离子进一步碎裂，然后将子离子进一步碎裂，再将碎片甩出到分析器分再将碎片甩出到分析器分析析看进行一次又一次的多重看进行一次又一次的多重循环循环These sequential fragmentations are like physical sectors111112113Ion cyclotron r
33、esonance离子回旋离子混合物被捕获在 “EM 场瓶,”中，一个外加的磁场使离子沿环形轨道运动轨道的半径与离子的 m/z相一致。114Ion cyclotron resonance然后对循环的离子施加一种电场的震荡脉冲 (a radio requency). 当循环离子频率与电场的频率相匹配时，他们吸收能量，循环半径和速度参加只有特定 m/z的离子可被加速115Ion cyclotron resonance脉冲后形成的离子新的轨道和速度将被保持116Ion cyclotron resonance当离子通过带电荷的一对电极时，产生电流117FT-ICR MSThe electrical cu
34、rrent thus produced is interpreted mathematically via the “Fourier Transformation”118119120121122High Resolution MSMasses measured to 1 part in 20,000.A molecule with mass of 44 could be C3H8, C2H4O, CO2, or CN2H4.If a more exact mass is 44.029, pick the correct structure from the table:C3H8 C2H4O C
35、O2 CN2H4 44.0626044.0262043.9898344.03740 =123Molecules with HeteroatomsIsotopes: present in their usual abundance.Hydrocarbons contain 1.1% C-13, so there will be a small M+1 peak.If Br is present, M+2 is equal to M+.If Cl is present, M+2 is one-third of M+.If iodine is present, peak at 127, large
36、gap.If N is present, M+ will be an odd number.If S is present, M+2 will be 4% of M+. =124Isotopic Abundance125126127128(a+b)n129Mass Spectrum with Sulfur=130Mass Spectrum with Chlorine=131Mass Spectrum with Bromine=132Mass Spectra of AlkanesMore stable carbocations will be more abundant.=133Mass Spectra of AlkenesResonance-stabilized cations favored.=134
