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1、仪器分析第第1313讲讲质谱分析法22002 Nobel Prize in ChemistryKoichi Tanaka Shimadzu CorporationJohn FennVirginia Commonwealth University质谱在生物分析上的突破质谱在生物分析上的突破生物质谱生物质谱3质谱仪的发展简史 1912年： 世界第一台质谱装置 1940年代: 质谱仪用于同位素测定 1950年代：分析石油 1960年代：研究GC-MS联用技术 1970年代：商品GC-MS出现，计算机引入， GC-MS技术基本成熟 1980年代：大气压电离的LC-MS出现 1990年代：基质辅助激光解
2、吸飞行时间质谱仪出现；质谱技术大量用于生物医药领域，出现“生物质谱”概念4质谱分析概念质谱分析法： 是通过对被测样品离子的质荷比的测定来进行分析的一种分析方法。质谱分析原理：被测样品首先进行离子化，然后利用不同质荷比的离子在电场，磁场中运动行为的差异进行分离，最后通过检测仪进行分析，得到被测物质的质量和结构信息。质谱分析法的应用： 化学，生物，化工，材料，环境，医学等方面；5质谱仪的分类有机质谱仪：1）气相色谱-质谱联用仪 2）液相色谱-质谱联用仪 3）其他质谱仪 傅立叶变换质谱仪基质辅助激光解吸-飞行时间变质谱仪无机质谱仪：ICP-MS，SIMS同位素质谱仪：轻元素同位素，重元素同位素气体分
3、析质谱仪6有机质谱仪组成及工作原理包括：离子源，质量分析器，检测器，真空系统等质量分析器检测器离子源真空系统7离子源(ion source)1 电子电离源(electron ionization，EI)2 化学电离源(chemical ionization，CI)3 快原子轰击(fast atom bombardment，FAB)4 电喷雾源(electronspray ionization，ESI)5 大气压化学电离源（atmospheric pressure chemical ionization，APCI)6 基质辅助激光解吸电离源（matrix assisted laser desor
4、ption ionization，MALDI)8电子电离源（EI）原理：样品以气体形式进入离子源，灯丝发出的电子轰击样品分子使之发生电离；一般电离电压：70eV1、样品分子在电子轰击下，可以失去一个 电子 形成分子离子，也可能化学键断裂形成碎片离子；分子离子给出分子量，碎片离子给出分子结构信息；2、EI源碎片离子多，结构信息丰富，有标准化合物质谱库3、样品在气态下电离，不能汽化的样品不能分析，主要用于气-质联用仪4、有些样品得不到分子离子9 电子电离源(electron ionization EI)工作稳定可靠结构信息丰富标准谱库易挥发性物质；不是全部可以获得分子离子10 化学电离源(chem
5、ical ionization CI)化学电离源：利用灯丝发出的电子和反应气体作用形成分子离子，而该分子离子可以继续和样品分子发生作用，形成样品的分子离子；CH4+eCH4+CH3+CH2+CH+C+CH4+CH4CH5+CH3CH3+CH4C2H5+H2CH5+XHXH2+CH4C2H5+XHX+C2H6 特点：得准分子离子，得不到标准质谱，适合易于气化的有机样品分析11邻苯二甲酸二辛酯的 EI 和 CI 质谱图12快原子轰击原理：气体在电离室放电形成高能离子，高能离子经过电荷交换得到高能原子流，快原子(Ar或Xe）轰击到样品就产生样品离子。特点：1.适用于极性强，难汽化，热稳定性差，分子量
6、大的化合物分析，如肽类，低聚糖等2.得准分子离子，如（M+H)+、（M+Na)+碎片离子很少3.FAB一般用作磁式质谱的离子源13快原子轰击14电喷雾源(electronspray ionization(electronspray ionizationESI)ESI)原理：喷雾蒸发，在蒸发过程中表面电荷密度增加，超过临界值后，离子就可以从表面蒸发出来，通过加速电压进入分析器；15电喷雾源(ESI)特点1.电喷雾源属软电离技术，只产生分子离子，不产生碎片离子；2.产生的离子常带有多电荷，尤其是生物大分子3.适用于强极性，大分子量的样品分析；如肽，蛋白质，糖等4.主要用于液相色谱-质谱联用仪161
7、7大气压化学电离源通过放电使空气中的中性分子产生离子，这些离子与样品分子进行离子分子反应，使样品分子离子化的过程；适合中等极性化合物的分析，主要获得准分子离子信息；18基质辅助激光解吸电离（matrix assisted laser Desorption ionizationmatrix assisted laser Desorption ionization，MALDI)MALDI)原理：利用一定能量的脉冲激光器辐照样品，使样品产生电离的方式。被分析的样品放置在涂有基质的靶上，在激光辐照过程中，基质分析吸收并转递激光能量，与样品分子一起蒸发到气相并使样品分子电离。基质：2,5二羟基苯甲酸，芥
8、子酸，氰基4羟基肉桂酸信息：分子离子，准分子离子，碎片信息很少；适用于生物大分子的分析19大肠杆菌蛋白的MALDI-TOF 分析1277.691149.67944.492441.421485.901598.912282.172869.561050.542653.43Database search conducted usingpeptide masses indicated in yellowm/z0200040006000800010000Counts 1000 1500 2000 2500 3000 1816.12816.451395.862997.4820质量分析器(mass analy
9、zer)1.单聚焦分析器（single focusing mass analyzer）2.双聚焦分析器（double focusing mass analyzer）3.四极杆分析器 (quadrupole analyzer)4.离子阱分析器 (Ion trap)5.飞行时间分析器(time of flight，TOF）6.傅立叶变换离子回旋共振（Fourier tranform ion cyclotron resonance）21单聚焦分析器single focusing mass analyzer结构：扇形磁场（可以是1800, 900, 600等）22单聚焦分析器特点1.离子的m/z大，偏
10、转半径也大，通过磁场可以把不同离子分开2.在一定磁感应强度B下，改变加速电压V可以使不同离子先后通过检测器，实现质量扫描，得到质谱。3.结构简单，操作方便，质量分辨率低23双聚焦分析器（Doubpe focusing mass analyzer）24双聚焦分析器结构：磁场 电场原理：单聚焦分析器分辨率低的主要原因在于它不能进行能量聚焦。 能量聚焦 方向聚焦 特点：分辨率高 操作复杂25四极杆分析器 (quadrupole analyzer)26四极杆质谱分析器原理结构：四根棒状电极，形成四极场1，3棒：(Vdc+Vrf)2，4棒：(Vdc+ Vrf )原理：在一定的Vdc/Vrf下 ， 只有一
11、定质量的离子可以通过四极场，到达检测器，其他质量的离子碰到四极杆被吸收，在另外的Vdc/Vrf下可接收到另外质量的离子。在一定的Vdc/Vrf)下，连续改变Vrf或Vdc可实现质量扫描特点：扫描速度快，灵敏度高；适用于GC-MS27离子阱分析器 (Ion trap)28离子阱分析器 (Ion trap)离子阱的原理和四极杆质量分析器很相似，采用同样的离子运动方程；在稳定区，离子可以常时间留在阱里；可以通过电极上的负电压，将离子从阱中引出，进行检测；在恒定的U/V下扫描V就可以获取不同质量的谱；特点：结构小巧，质量轻，灵敏度高；可应用于GC-MS,LC-MS29飞行时间分析器(time of f
12、light analyzer）30飞行时间质谱通过离子在漂移管中的自由漂移，进行质量分析的方法；离子在漂移管中的飞行时间与离子质量的平方根成正比；特点：质量范围宽，扫描速度快，不需要电场和磁场；应用：GC-MS，LC-MS31检测器(detector)电子倍增器32真空系统（Vacuum system）机械泵扩散泵分子涡沦泵33GC和MS联用的优点GC：善于分离，不善于定性MS：善于定性，不善于分离GC-MS：分离，定性同时进行34气相色谱-质谱联用仪（ GC-MS )GC-MS组成：GC ：填充柱 毛细管柱均可 MS ：常用四极杆质谱仪 近来还有离子阱和飞行时间质谱仪接口：填充柱: 须用分子
13、分离器毛细管柱:直接插入质谱仪的离子源数据系统：计算机 数据库35气相色谱-质谱联用仪（ GC-MS )GC-MS工作方式混合物通过GC进样GC分离成单一组份进入MSMS将样品电离并得到质谱计算机采集质谱GC-MS的主要信息总离子色谱图提取离子色谱图(质量色谱图）质谱图检索结果36液相色谱-质谱联用仪LC-MS组成：LC ： 一般LC MS ：常用四极杆质谱仪，离子阱质谱仪，飞行时间质谱仪，串联质谱仪（tandem mass spectrometer)接口：大气压电离源，包括：电喷雾源（electrospray ionization, ESI）大气压化学电离源 (atomospheric pr
14、essure chemical ionization, APCI)37LC-MS工作方式混合物通过LC进样LC分离成单一组份进入MSMS将样品电离并得到质谱计算机采集质谱38LC-MS的主要信息总离子色谱图提取离子色谱图质谱图:只有准分子离子峰串联质谱法：串联方式：Q-Q-Q Q-TOF 主要信息：子离子，母离子，中性丢失离子；39其它质谱仪傅立叶变换质谱仪基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪质谱仪主要技术指标：质量范围分辨率灵敏度质量稳定性，质量精度40质谱解析基础知识质谱中的离子分子离子：在电子轰击下，有机分子失去一个电子所形成的离子；碎片离子：是由分子离子碎裂而成；自由基引发的断裂（ 断裂）正
15、电荷引发的断裂（i 断裂)断裂同位素峰重排离子41各类化合物的质谱图烃类醇类醛和酮酯和酸苯及其衍生物42质谱解析质谱解析步骤计算不饱和度确定分子量由高质量端确定取代基由低质量端寻找特征离子系列由结构单元给出可能的结构43质谱解析举例例1：某未知化合物质谱图如下图所示，给出结构式分子式：C8H8O2MW=136-OCH3: 31-C=O : 28-C6H5: 7744质谱解析举例解析：分子式：C8H8O2分子量M=136；不饱和度 U=8-8/2+1=5m/z=77,51，苯环m/z105，136-105=31（CH2OH,OCH3）m/z105-77=28（CO)45质谱解析举例例2：某未知化
16、合物质谱图如下图所示，给出结构式46质谱分析法的应用GC-MS联用分析1.GC-MS定性分析1)分析条件的设定GC条件：同普通GCMS条件：扫描方式，扫描范围，扫描速度, 灯丝电流，倍增器电压等2)定性分析数据的采集：进样，电离，质谱数据的采集47GC-MS定量分析GC-MS定量分析依据：用总离子色谱图定量用质量色谱图（提取离子色谱图）定量用选择离子色谱图定量GC-MS定量分析方法：外标法 内标法GC-MS分析举例中药成分分析：样品制备GC-MS条件进样48应用举例4950LC-MS的应用LC-MS定性分析分析条件的选择： LC条件的选择、电喷雾条件、MS条件定性分析分子量确定：（M+1）（M-1） 多电荷 MS-MS联用测定子离子谱LC-MS定量分析质量色谱图 多反应监测（MRM）生物质谱技术、51重要提示质谱分析法质谱仪的结构电离源种类质量分析器种类分子离子准分子离子分子碎片GC-MSLC-MS52思考题P345347Q2，Q5，Q9，Q12仪器分析课程到此结束谢大家的合作 2010.6.10日 习题课2010.6.17 开卷考试1.2010.6.17日上午9:50-11:30，期末考试2.考试形式：开卷考试3.考试类型：基本概念30%，论述题30%，应用与计算题40%4.总成绩期末考试80% 平时作业20%5.除了不得相互交流，可带任何资料期末考试指南
