有机结构分析中科大有机质谱法MS.ppt

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1、第一章第一章 有机质谱法有机质谱法Organic Mass Spectroscopy优点：优点：优点：优点：1.1.灵敏度高灵敏度高灵敏度高灵敏度高2.2.测定分子量，确定分子式测定分子量，确定分子式测定分子量，确定分子式测定分子量，确定分子式3.3.分析范围广（气体、液体、固体）分析范围广（气体、液体、固体）分析范围广（气体、液体、固体）分析范围广（气体、液体、固体）4.4.各种联用技术各种联用技术各种联用技术各种联用技术5.5.新的电离、检测技术新的电离、检测技术新的电离、检测技术新的电离、检测技术真空系统真空系统Vacuum System进样系统进样系统Sample Inlet检测器检测

2、器Detector数据处理系统数据处理系统Data System质量分析器质量分析器Mass Analyser离子源离子源Ionization Source1.1.1 质谱仪的组成质谱仪的组成Components of any Mass Spectrometer进样系统进样系统离子源离子源质量分析器质量分析器检测器检测器1.1.2 质谱仪的主要性能指标质谱仪的主要性能指标1.质量范围（质量范围（mass range）质谱仪所能测定的离子质荷比的范围。质谱仪所能测定的离子质荷比的范围。四极质谱：四极质谱：1000以内以内 离子阱质谱：离子阱质谱：6000 飞行时间质谱：飞行时间质谱：无上限无上限

3、2.分辨率（分辨率（resolution）分辨率分辨率R是指质荷比相邻的两质谱峰的分辨能力。是指质荷比相邻的两质谱峰的分辨能力。若近似等强度的质量分别为若近似等强度的质量分别为M1及及M2的两个相邻峰的两个相邻峰正好正好分开，则分开，则质谱仪的分辨率定义为：质谱仪的分辨率定义为：R=;式中式中 M=;M=M2-M1M MM1+M22国际上：国际上：1）R10%：两峰间的峰谷高度为峰高的：两峰间的峰谷高度为峰高的10%时的测定值；时的测定值；2）一般难以找到两个质量峰等高，且重叠的谷高正好等于峰）一般难以找到两个质量峰等高，且重叠的谷高正好等于峰高的高的10%，则定义：，则定义：R=;式中式中

4、a为其中一峰的峰高为其中一峰的峰高5%处的峰宽处的峰宽;b为相邻两峰的中心距离为相邻两峰的中心距离M Mb a低分辨率质谱仪：低分辨率质谱仪：R 50 1）的分子离子峰所需的样品）的分子离子峰所需的样品量。量。1.1.3 质谱图质谱图横坐标：质荷比横坐标：质荷比(m/z)纵坐标：纵坐标：相对丰度相对丰度(最强峰的强度定为最强峰的强度定为100%)苯乙酮的质谱图 苯乙酮的质谱图苯乙酮的质谱图 1.2 离子源（离子源（Ionization Source）电子轰击电离（电子轰击电离（electron impact ionization,EI）化学电离（化学电离（chemical ionization

5、,CI）场电离（场电离（field ionization,FI）场解吸（场解吸（field desorption,FD）快原子轰击（快原子轰击（fast atom bombardment,FAB）基质辅助激光解吸电离（基质辅助激光解吸电离（matrix-assisted laser desportion ionization,MALDI）电喷雾电离（电喷雾电离（electrospray ionization,ESI）大气压化学电离（大气压化学电离（atmospheric pressure chemical ionization,APCI）1.2.1 电子轰击电离（电子轰击电离（electron

6、 impact ionization,EI）质谱中最常用的离子源，一般为质谱中最常用的离子源，一般为70eV的电子束，远大于大的电子束，远大于大多数有机化合物的电离电位（多数有机化合物的电离电位（715eV），会使相当多的分），会使相当多的分子离子进一步裂解，产生广义的碎片离子。子离子进一步裂解，产生广义的碎片离子。图1-3 电子轰击分子示意图优点：优点：1）稳定）稳定,质谱图再现性好，便于计算机检索及比较；质谱图再现性好，便于计算机检索及比较；2）离子碎片多，可提供较多的分子结构信息。）离子碎片多，可提供较多的分子结构信息。缺点：缺点：1）样品必须易于气化；）样品必须易于气化；2）当样品分子

7、稳定性不高时，分子离子峰的强度低，甚至）当样品分子稳定性不高时，分子离子峰的强度低，甚至不存在分子离子峰。不存在分子离子峰。1.2.2 化学电离（化学电离（chemical ionization,CI）化学电离是通过离子化学电离是通过离子-分子反应来完成的。反应气体一般是分子反应来完成的。反应气体一般是甲烷、异丁烷、氨等甲烷、异丁烷、氨等,生成生成(M+H)+,(M-H)+,(M+NH4)+的准分的准分子离子子离子。优点：优点：准分子离子峰强度高，便于推算分子量；准分子离子峰强度高，便于推算分子量；缺点：缺点：1）只适用于易挥发、受热不分解的样品；）只适用于易挥发、受热不分解的样品；2）碎片离

8、子峰少，强度低。）碎片离子峰少，强度低。例：例：CH4 +e CH4+2e CH4+CH4 CH5+CH3 CH5+M CH4 +(M+H)+CH5+M CH4 +(M-H)+H2(a)EI源 (b)CI源（甲烷）(c)CI源（异丁烷）图1-4 邻苯二甲酸二辛酯的质谱图1.2.3 场电离（场电离（field ionization,FI）和）和 场解吸（场解吸（field desorption,FD）场电离：是一种软电离技术。当样品蒸汽邻近或接触到带高场电离：是一种软电离技术。当样品蒸汽邻近或接触到带高正电位的金属针时，由于高曲率的针端产生很强的电位梯度，正电位的金属针时，由于高曲率的针端产生很

9、强的电位梯度，样品分子可被电离。样品分子可被电离。优点：电离快速，适合于和气相色谱联机；优点：电离快速，适合于和气相色谱联机；缺点：要求样品汽化，灵敏度低。缺点：要求样品汽化，灵敏度低。场解吸：原理与场解吸：原理与FI相同，但样品是被沉积在电极上。相同，但样品是被沉积在电极上。FD适用于难汽化的、热不稳定样品。适用于难汽化的、热不稳定样品。FD的准分子离子峰比的准分子离子峰比FI的强，质谱图比的强，质谱图比FI的还要简单。的还要简单。1.2.4 快原子轰击（快原子轰击（fast atom bombardment,FAB）FAB：是一种广泛应用的软电离技术。快原子轰击利用的重：是一种广泛应用的软

10、电离技术。快原子轰击利用的重原子一般为原子一般为 He 或或 Ar。Ar+(高动能的高动能的)+Ar(热运动的热运动的)Ar(高动能的高动能的)+Ar+(热运动的热运动的)图1-5 FAB离子源原理示意图FAB可完成连可完成连FD都有困难的、都有困难的、高极性、难汽化的化合物高极性、难汽化的化合物的电离。的电离。样品多调匀于基质（一般为甘油等）中。基质应具有流动性、样品多调匀于基质（一般为甘油等）中。基质应具有流动性、低蒸气压、化学惰性、电解质性和好的溶解性。低蒸气压、化学惰性、电解质性和好的溶解性。FAB得到的是准分子离子峰得到的是准分子离子峰(M+H)+;当分析极性样品（糖类），常加入当分

11、析极性样品（糖类），常加入NaCl水溶液，得到水溶液，得到(M+Na)+离子峰。离子峰。1.2.5 基质辅助激光解吸电离基质辅助激光解吸电离 （matrix-assisted laser desportion ionization,MALDI）在一个微小的区域内，在极短的时间间隔，激光可对靶物提在一个微小的区域内，在极短的时间间隔，激光可对靶物提供高的能量，对它们进行极快的加热，可以避免热敏感的化合物供高的能量，对它们进行极快的加热，可以避免热敏感的化合物加热分解。加热分解。MALDI的方法：将被分析化合物的溶液和某种基质溶液相混合。的方法：将被分析化合物的溶液和某种基质溶液相混合。蒸发掉溶剂

12、，则被分析物质与基质形成晶体或半晶体。用一定波蒸发掉溶剂，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，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，并间接地传给样品分子，从而得到电离。并间接地传给样品分子，从而得到电离。优点：优点：1）使一些难于电离的样品电离，且无明显的碎裂，从而得到完）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；整的被分析化合物分子的电离产物；2）特别适用于与飞行时间质谱相配（）特别适用于与飞行时间质谱相配（MALDI-TOFMS）。）。1.2.6 电喷雾电离（电喷雾电

13、离（electrospray ionization,ESI）主要应用于高效液相色谱主要应用于高效液相色谱HPLC与质谱仪的联用。与质谱仪的联用。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。子。图1-6 ESI1-6 ESI源示意图源示意图 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通常小分子得到带单电荷的准分子离子

14、，而大分子则得到多种多电荷离子。检测质量可提高几十倍。多电荷离子。检测质量可提高几十倍。ESI是很软的电离方法，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。子的质谱测定。1.2.7 1.2.7 大气压化学电离（大气压化学电离（大气压化学电离（大气压化学电离（atmospheric pressure atmospheric pressure chemical ionization,APCIchemical ionization,APCI）：是由是由是由是由ESIESI源派生出来的，常压下电晕放电。源派

15、生出来的，常压下电晕放电。源派生出来的，常压下电晕放电。源派生出来的，常压下电晕放电。喷出的液滴先汽化，随后溶剂分子被电离，发生化学电离喷出的液滴先汽化，随后溶剂分子被电离，发生化学电离喷出的液滴先汽化，随后溶剂分子被电离，发生化学电离喷出的液滴先汽化，随后溶剂分子被电离，发生化学电离的过程。的过程。的过程。的过程。要样品汽化，适用于弱极性的小分子化合物要样品汽化，适用于弱极性的小分子化合物要样品汽化，适用于弱极性的小分子化合物要样品汽化，适用于弱极性的小分子化合物(M1000)(M1000)。图1-7 APCI1-7 APCI工作原理示意图工作原理示意图 1.3 质量分析器质量分析器磁质量分

16、析器（磁质量分析器（Magnetic Sector Analyzer）飞行时间质谱计（飞行时间质谱计（time of flight,TOF）四极质量分析器（四极质量分析器（quadrupole mass analyzer）离子阱（离子阱（ion trap）傅立叶变换离子回旋共振质谱计（傅立叶变换离子回旋共振质谱计（Fourier transform ion cyclotron resonance,FT-ICR）1.3.1 磁质量分析器（磁质量分析器（Magnetic Sector Analyzer）单聚焦（单聚焦（single-focusing）和双聚焦（）和双聚焦（double-focusi

17、ng）质量分析器）质量分析器单聚焦质量分析器使用扇型磁场，结构简单，操作方便，单聚焦质量分析器使用扇型磁场，结构简单，操作方便，但是分辨率低。但是分辨率低。双聚焦质量分析器使用扇型电场及扇型磁场，分辨率高，双聚焦质量分析器使用扇型电场及扇型磁场，分辨率高，其缺点是价格贵，操作和调整比较困难。其缺点是价格贵，操作和调整比较困难。电场加速后电场加速后 zV=(1/2)m2 (z-电荷；V-电压；m-质量；-速度)磁场中磁场中 Bz=m2/r (B-磁场强度；r-半径)推出推出 m/z=B2r2/2V 扫描扫描B/V来获得质谱图来获得质谱图1.3.2 飞行时间质谱计（飞行时间质谱计（time of

18、flight,TOF）用一个脉冲将离子源中的离子瞬间引出，经加速电压加速，用一个脉冲将离子源中的离子瞬间引出，经加速电压加速，它们具有相同的动能进入漂移管，质荷比小的离子具有最快它们具有相同的动能进入漂移管，质荷比小的离子具有最快的速度因而首先到达检测器，质荷比大的离子则最后到达检的速度因而首先到达检测器，质荷比大的离子则最后到达检测器。测器。图1-10 1-10 配离子反射镜的飞行时间质谱示意图配离子反射镜的飞行时间质谱示意图优点：优点：1）检测离子的质荷比范围非常宽；）检测离子的质荷比范围非常宽；2）特别适合于与脉冲产生离子的电离源（）特别适合于与脉冲产生离子的电离源（MALDI-TOF）

19、；）；3）灵敏度高，适合于作串联质谱的第二级；）灵敏度高，适合于作串联质谱的第二级；4）扫描速度快，适合研究极快过程；）扫描速度快，适合研究极快过程；缺点：缺点：分辨率随质荷比的增加而降低。分辨率随质荷比的增加而降低。飞行时间质谱计（飞行时间质谱计（time of flight,TOF）1.3.3 四极质量分析器（四极质量分析器（Quadrupole Mass Analyzer）+由四跟平行的棒状电极组成而得名。与扇型磁场的质量由四跟平行的棒状电极组成而得名。与扇型磁场的质量分析器的原理完全不同。分析器的原理完全不同。在一定在一定DC/VC作用下，具有一定作用下，具有一定m/z的离子能到达收集

20、器，其的离子能到达收集器，其他离子被滤掉。他离子被滤掉。四极质量分析器（四极质量分析器（quadrupole mass analyzer）优点：优点：1）结构简单、容易操作、价格便宜；）结构简单、容易操作、价格便宜；2）仅用电场而不用磁场，无磁滞现象，扫描速度快，适合与）仅用电场而不用磁场，无磁滞现象，扫描速度快，适合与色谱联机；色谱联机；3）操作时的真空度相对较低，特别适合与液相色谱联机。）操作时的真空度相对较低，特别适合与液相色谱联机。缺点：缺点：1）分辨率不高（）分辨率不高（R=103-104）；）；2）对较高质量的离子有质量歧视效应。）对较高质量的离子有质量歧视效应。1.3.3 离子阱

21、（离子阱（ion trap）离子阱与四极质量分析器的原理类似，因此也称为四极离子离子阱与四极质量分析器的原理类似，因此也称为四极离子阱（阱（quadrupole ion trap）；或因其储存离子的性质而称为四）；或因其储存离子的性质而称为四极离子储存器（极离子储存器（quadrupole ion storage,QUISTOR）。）。1离子束注入 2离子闸门 3，4端电极5环电极 6至电子倍增器 7双曲线表面图1-12 离子阱的结构示意图离子阱（离子阱（ion trap）优点：优点：1）单一的离子阱可实现多极）单一的离子阱可实现多极“时间上时间上”的串联质谱；的串联质谱；2）结构简单、价格便

22、宜，性能价格比高；）结构简单、价格便宜，性能价格比高；3）灵敏度高，较四极质量分析器高达）灵敏度高，较四极质量分析器高达10-10000倍；倍；4）质量范围大，可达）质量范围大，可达6000。缺点：缺点：质谱与标准谱有差别。质谱与标准谱有差别。傅立叶变换离子回旋共振质谱计傅立叶变换离子回旋共振质谱计 （Fourier transform ion cyclotron resonance,FT-ICR）通过同时激发分析时内的所有质荷比的离子，通过对检测信号通过同时激发分析时内的所有质荷比的离子，通过对检测信号进行傅立叶变换得到质谱图。进行傅立叶变换得到质谱图。图1-13 1-13 离子回旋共振示意图优点：优点：1）分辨率极高，可达）分辨率极高，可达1 106，但不导致灵敏度下降；，但不导致灵敏度下降；2）可实现多极）可实现多极“时间上时间上”的串联质谱；的串联质谱；3）灵敏度高、质量范围宽，速度快、性能可靠。）灵敏度高、质量范围宽，速度快、性能可靠。