质谱分析法MS学习.pptx

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1、16.1 概述第六章 质谱分析法(MS)质谱分析法是通过测定待测样品离子的质荷比（mass-to-charge-ratio）来进行分析的方法。Overview of Mass SpectrometryMass SpectrumMass AnalyzerIonizationM+/FragmentationSample Molecule(M)第1 页/共60 页26.2 质谱仪器6.2.1 质谱仪器构成Inlet system Ion Source AnalyzerIon DetectorComputerMass Spectrumm/z离子源进样系统质量分析器 检测器真空系统10-2-10-6Pa

2、第2 页/共60 页3探头经封闭的真空系统直接插入距离子源数mm 位置直接探头进样The direct probe inlet:固体或非挥发性液体色谱进样：GC,LC玻璃或氧化铝毛细管细线或小杯质谱常见进样方法第3 页/共60 页46.2.2 离子源Gas phase sources:EI,CI,FIDesorption sources:FD,FAB,APCI,ESI,TSP,LD,MALDIHard sources:EISoft sources:CI,FI,FD,FAB,APCI,ESI,TSP,LD,MALDI6.2 质谱仪器第4 页/共60 页5 1 电子电离源(electron ion

3、ization EI)电子束NS附加磁场使离子螺旋前进增加碰撞机会第5 页/共60 页6 电子电离源中分子离子及碎片离子的形成形成分子离子裂解成碎片离子裂解重排裂解碰撞6.2.2 离子源6.2 质谱仪器第6 页/共60 页7电子电离源的特点：1 电离电压：70eV2 加一小磁场增加电离几率。3 EI 源碎片离子多，结构信息丰富，有标准化合物质谱库。4 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。5 有些样品得不到分子离子。6 适用于分子量低于1000 的样品。6.2.2 离子源6.2 质谱仪器第7 页/共60 页8 2 化学电离源(chemical ionization

4、CI)反应气与样品分子碰撞使之电离，结构同EI，一般仪器EI和CI可以互相切换反应气的反应甲烷为反应气时主要存在形式加氢反应，样品对质子亲和力强烷烃脱氢反应，对质子亲和力弱电荷交换形成加和离子形成负自由基离子由反应气产生反应气和样品共同决定产物的形式第8 页/共60 页9 3 电喷雾电离源(electrospray ionization ESI)结构：喷嘴（金属毛细管），雾化气，干燥气(curtain gas)原理：喷雾 蒸发 电压106V/m离子在电压差和压力差的驱使下向下游移动第9 页/共60 页10电喷雾源(ESI)的特点：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

5、生的离子常常带有多电荷，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。6.2.2 离子源第10 页/共60 页11ESI 使蛋白质产生多个带多电荷离子数个带多电荷离子经数学转换，得到分子离子第11 页/共60 页12 4 介质辅助激光解吸电离源(Matrix Assisted Laser Desorption Ionization MALDI)常用于Time-of-flight mass spectrometry特点：用于生物大分子，尤其是蛋白质的质量测定主要产生 和加和离子6.2.2 离子源6.2 质谱仪器第12 页/共60 页

6、13The principle of matrix assistance第13 页/共60 页14作用：将离子源产生的离子按质荷比m/z 的大小分开 ion separation1 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 analyzer)5 飞行时间分析器(time-of-flight analyzer)6 富立叶变换离子回旋共振(Fourier transform ion cyclotr

7、on resonance)6.2.3 质量分析器6.2 质谱仪器第14 页/共60 页15不同质量的离子可通过改变磁场强度或A,B 间的加速电压使之依次通过出口狭缝可以是180 90 60 等 1 单聚焦分析器(single focusing mass analyzer)磁扇形分析器，sector field6.2.3 质量分析器第15 页/共60 页16离子动能由加速电压引起离子所受磁力与圆周运动的离心力平衡离子所带电荷扇形磁铁的曲率半径结论：1 离子的m/z 与R,B,V 有关。通过改变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

8、量扫描，得到质谱。特点：结构简单，操作方便 只有方向聚焦，无能量聚焦，分辨率低。1 单聚焦分析器第16 页/共60 页17结构：磁场、电场任意顺序组合原理：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。双聚焦分析器具有能量聚 焦和方向聚焦的特点特点：分辨率高(150,000)可分辨公称质量(nominal mass)相同，元素组成不 同的离子 2 双聚焦分析器(double focusing mass analyzer)双聚焦磁扇形分析器，double focusing magnetic sector(方向焦面)(能量焦面)动能大，投射到+极动能小，在-极放电一定能量的离子到达出口

9、同能量的离子汇聚第17 页/共60 页18 3 四极杆分析器(quadrupole mass analyzer)四极滤质器，quadrupole mass filter结构:四根棒状电极，相对的两个电极相连，形成四极场 1，3 棒：+(Vdc+Vrf)2，4 棒：-(Vdc+Vrf)特点：扫描速度快，灵敏度高。适用于GC-MS。6.2.3 质量分析器第18 页/共60 页19四根棒状电极加速电压5-15V 3 四极杆分析器第19 页/共60 页20质量过滤原理：az 平面，只有rf 电压时+半周，离子向中心点汇聚(A)-半周，向电极移动(B)，有可能撞电极不进入检测器由沿z轴的移动速度，m/z

10、 及rf 的频率和振幅决定再加dc 电压时动能动量重离子对电压变化不敏感，只受dc 影响轻离子撞电极一对正电极使重离子透过！3 四极杆分析器第20 页/共60 页21重撞电极轻离子沿y轴通过一对负电极时一对负电极使轻离子透过！bc四极滤质器使一定质量的离子既不被一对正电极又不被一对负电极吸收，从而到达检测器在另外的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。3 四极杆分析器第21 页/共60 页22 4 离子阱分析器(Ion trap)doughnut-shaped ring electrodeelectrode四极杆的三维形式 优

11、点：聚焦场可以快速改变；比四极杆更紧凑、体积小，灵敏度很高。第22 页/共60 页23 4 离子阱分析器第23 页/共60 页24 4 离子阱分析器第24 页/共60 页255 飞行时间分析器(time-of-flight analyzer,TOF）正离子在电场作用下被加速所有离子同时飞越长度为L 的无场空间，先后到达检测器V,L 不变时，t 由m/e 决定一般，1-30 s第25 页/共60 页265 飞行时间分析器第26 页/共60 页27特点：简单、耐用，无质量范围限制。取样速度快，适用于快速GC/MS；分析适用于脉冲离子化 方式（如MALDI）的大分子量的多肽、蛋白质。早期分辨率低的问

12、题通过延迟萃取技术等已经得到解决。5 飞行时间分析器第27 页/共60 页28第28 页/共60 页296.2.4 检测器(detector)1 电子倍增器 electron photon multiplier2 光子倍增器 photon multiplier3 法拉第杯 Faraday cup4 阵列检测器 array detectors6.2 质谱仪器第29 页/共60 页306.2.5 傅立叶变换质谱仪傅立叶变换质谱仪(FT-MS)(FT-MS)特点：扫描速度快，灵敏度高，分辨率好，很容易进行MSn实验。价高。核心：离子可以在限定轨道内做周期性圆周运动的离子室 离子室根据离子回旋共振现象

13、设计 与MALDI，尤其是ESI 新的离子化方式结合，FT-MS 技术得以复兴。ESI-FT-MS 在低质量段具有很高的分辨率，用于蛋白质的MS,MS/MS 测定。6.2 质谱仪器第30 页/共60 页316.2.6 质谱联用技术1 气相色谱-质谱联用仪(gas chromatography-mass spectrometer,GC-MS)关键：接口。要求除去载气而使样品无损失地进入质谱仪 GC:常压；MS:真空 毛细管柱直接导入电离源 浓缩型接口（填充柱）：喷射式分子分离器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第31 页/共60 页32(GC/MS

14、)(GC/MS)的分析条件 的分析条件GC:不同组分在两相中的分配系数不同，先后从色谱柱中流出，实现分离MS:连续对分离后的某一组分进行质量数扫描，得离子流强度随质量数变化的质谱GC条件：同普通GC(柱类型、固定液种类、汽化温度、载气流量、进样量、柱温及升温程序等)MS条件：扫描方式，扫描范围（质量），扫描速度,灯丝电流、倍增器电压（电离）1 气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)第32 页/共60 页33GC-MS 的主要信息：总离子色谱图或重建离子流色谱图（全扫描监测方式）：组分化合物电离产生的所有质量数离子流（总离子流）随时间变化的色谱图。可以实时显示总离子流色谱图和某组分的质谱图。适用于未

15、知物定性。质量色谱图或提取离子色谱图（选择离子监测方式）：任一质量的离子，其强度随时间变化的色谱图。选择离子色谱图：表征某一化合物的数个特征离子流（分子离子流、功能团离子流或强碎片离子流等）随时间变化的色谱图。适用于目标化合物或目标类化合物的检测（定量）。p315图9.16;图9.18p316图9.171 气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)第33 页/共60 页34第34 页/共60 页35GC-MS 定性定量分析总离子色谱图 某一组分的质谱图库检索选择离子色谱图数个特征质量离子条件下色谱图上是否同时出峰定量分析：同色谱法定量利用质量色谱图使重叠峰分开1 气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)第3

16、5 页/共60 页362 液相色谱-质谱联用仪(liquid chromatography-mass spectrometer,LC-MS)组成：LC：普通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 接口：ESI,APCI数据系统：计算机 蛋白质库主要信息：准分子离子（单多级质谱）；子离子；母离子；中性丢失谱（多级质谱）软电离，得到准分子离子。结构解析需MS-MS。一般不适用于非极性化合物。第36 页/共60 页373 串联质谱(tandem mass spectrometry，MS/MS,MSn)mass separation-mass spectra chara

17、cterization串联方式：Q-Q-Q(triple quadrupole mass spectrometer)Q-TOF(quadrupole-time-of-flight tandem instruments)MSn选择反应监测SRM,selected reaction monitoring多反应监测MRM,multiple reaction monitoringthe user selects only one pair of ions(a parent and a daughter ion),which will be analysed-SRMsome pairs of ions

18、will be analysed-MRM p318第37 页/共60 页38第38 页/共60 页393D mass spectrum the most important peaks appear in the front and daughter peaks behind them.第39 页/共60 页40名词解释母离子扫描 parent ion scan 串联质谱法中的一种扫描方式。用这样的方式可以检测生成指定碎片离子的所有先驱离子（母离子），从而追朔碎片离子的来源，能对产生某种特征碎片离子的一类化合物进行快速筛选。子离子扫描 daughter ion scan 串联质谱法中的一种最常

19、用的扫描方式。通过第一级质谱的质量分离，选出欲分析的母离子，经碰撞活化，形成一系列的碎片离子（子离子）通过母离子和相关碎片可以推知该化合物的结构信息。中性碎片丢失扫描 neutral fragment loss scanning 串 联 质 谱 法 中 的 一 种 扫 描 方 式。用 于 检 测 丢 失 特 定 质 量 中 性 碎 片 的 离子。它可以快速寻找具有特定官能团的一类化合物。第40 页/共60 页416.3 质谱解析6.3.1 质谱中的离子1 分子离子or双键或环状结构、有机酸、醇等的分子离子峰强度大第41 页/共60 页42分子离子峰的判断1.一般在质谱的最右端2.有合理的质量丢

20、失（丢失的质量数不应为4-14;20-25）3.分子量符合氮规则N 的个数为奇数，分子量为奇数N 的个数为0,2,4等偶数，分子量为偶数（N 为奇数价，偶数分子量）6.3.1 质谱中的离子第42 页/共60 页432 碎片离子EI(1)自由基引发的断裂 断裂醇的特征离子伯胺双键酮烷基苯第43 页/共60 页44(2)正电荷引发的断裂双电子转移断裂（几率大）电荷引发（几率小）断裂(3)断裂无 电子和 电子的烷烃分枝处易断裂、易丢失最大烷基2 碎片离子EI第44 页/共60 页45(4)环烯的断裂Retro-Diels-Alder 反应2 碎片离子EI第45 页/共60 页463 同位素离子 一般

21、质量数大于分子离子 同位素峰的强度取决于同位素的种类和丰度 根据同位素峰强度比可以估计该元素的个数12C 和13C 100:1.1有1 个C 时，M+1 峰强度1.1%2 个C 时，M+1 峰强度2.2%35Cl 和37Cl100:32.5 3:150 5231几率84 86 88961118 120 122 124272791第46 页/共60 页47同位素峰强度符合 规则轻同位素丰度重同位素丰度同位素元素的个数3 同位素离子第47 页/共60 页484 重排离子麦氏重排(Mclafferty)含有 含有 氢原子第48 页/共60 页496.3 质谱解析6.3.2 常见有机化合物的质谱1 烃

22、类断裂相差14个质量单位的离子系列3-4个，4-5个碳原子的碎片出现几率大支链处容易断裂，产生的碎片离子强度大5716985 141p330烷烃第49 页/共60 页506.3 质谱解析6.3.2 常见有机化合物的质谱烯烃具有烷烃的特征可发生重排芳烃苄基容易断裂生成正离子第50 页/共60 页516.3 质谱解析6.3.2 常见有机化合物的质谱2 醇和酚醇断裂脱水第51 页/共60 页526.3 质谱解析6.3.2 常见有机化合物的质谱酚较强的分子离子苯的特征异构化第52 页/共60 页536.3 质谱解析6.3.2 常见有机化合物的质谱麦氏重排3 醛和酮断裂p332-3334 酯和酸酸第53

23、 页/共60 页546.3 质谱解析6.3.2 常见有机化合物的质谱5 胺脂肪胺伯胺仲胺、叔胺断裂碎片离子进一步重排芳胺与酚类似第54 页/共60 页556.3 质谱解析质谱解析步骤 计算不饱和度 由分子离子峰确定分子量 分析碎片离子 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第55 页/共60 页566.3 质谱解析6.3.3 质谱解析例 质谱解析例例1 某未知化合物质谱图如下图所示，给出结构式。263128p337第56 页/共60 页576.3 质谱解析6.3.3 质谱解析例 质谱解析例3:11528例2 某未知化合物质谱图如下图所示，给出结构式。第57

24、页/共60 页58本章要点1.原理：质谱分析的主要目的；质谱图的横纵坐标2.仪器：质谱仪器的方框图(注意从进样系统至检测器部分需置于真空状态)常用进样方法及适用范围 质量分析器的作用及种类；单聚焦质量分析器、双聚焦质量分析器、四极杆质量分析器的原理及优缺点。了解飞行时间质量分析器、离子阱 离子源的种类、特点及各自的适用性EI,CI,ESI,MALDIFT-MS的优点第58 页/共60 页593.应用(1)分子离子峰及其判断；碎片离子(断裂、断裂、正电荷引发的断裂)、同位素离子和重排离子的形成规律(2)常见有机化合物的质谱特征烃(烷烃、烯烃、芳烃)、醇、有机酸、酯、醛、酮(3)质谱解析4.质谱联用技术：GC-MS,HPLC-MS,MS-MS5 名词术语硬电离，软电离总离子色谱图或重建离子流色谱图质量色谱图或提取离子色谱图选择离子色谱图子离子，母离子，中性碎片丢失第59 页/共60 页60感谢您的观看！第60 页/共60 页