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1、1,第六章 质谱分析法(MS),6.1 概述6.2 质谱仪器 8.2.1 质谱仪器构成 8.2.2 离子源 8.2.3 质量分析器 8.2.4 检测器 8.2.5 傅立叶变换质谱仪 8.2.6 质谱联用技术6.3 质谱解析 8.3.1 质谱中的离子 8.3.2 常见有机化合物的质谱 8.3.3 质谱解析例,2,6.1 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 Spectrometry,Mass Spectrum,Mass Analyzer,Ionization,M+
2、/Fragmentation,Sample Molecule (M),3,6.2 质谱仪器,6.2.1 质谱仪器构成,Inlet system,Computer,离子源,进样系统,质量分析器,检测器,真空系统,10-2-10-6Pa,4,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,5,6.2.2 离子源,Gas phase sources: EI, CI, FIDesorption sources: FD, FAB, APCI, ESI, T
3、SP, LD, MALDI,Hard sources: EISoft sources: CI, FI, FD, FAB, APCI, ESI, TSP, LD, MALDI,6.2 质谱仪器,6,1 电子电离源(electron ionization EI),电子束,N,S,附加磁场使离子螺旋前进增加碰撞机会,7,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,8,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
4、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,9,10,3 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,11,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
5、谱联用仪。,6.2.2 离子源,12,ESI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,13,4 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,14,The principle of matrix assistance,15,作用：将离子源产生的离子按质荷比m/z的大小分开 ion separation,1 单聚焦
6、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 cyclotron resonance),6.2.3 质量分析器,6.2 质谱仪器,16,6.2.3 质量分析器,17,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
7、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,18,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
8、) 双聚焦磁扇形分析器，double focusing magnetic sector,(方向焦面),(能量焦面),19,3 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,20,四根棒状电极,加速电压5-15V,3 四极杆分析器,21,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
9、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,22,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！,b,c,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,23,4 离子阱分析器 (Ion trap),doughnut-shaped ring elec
10、trode,electrode,四极杆的三维形式,优点：聚焦场可以快速改变；比四极杆更紧凑、体积小，灵敏度很高。,24,4 离子阱分析器,25,4 离子阱分析器,26,5 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，1-30s,27,5 飞行时间分析器,28,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。早期分辨率低的问题通过延迟萃取技术等已经得到解决。,5 飞行
11、时间分析器,29,30,6.2.4 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 detectors,6.2 质谱仪器,31,6.2.5 傅立叶变换质谱仪(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
12、辨率， 用于蛋白质的MS, MS/MS测定。,6.2 质谱仪器,32,6.2.6 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,33,(GC/MS)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
13、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),34,1 气相色谱-质谱联用仪(GC-MS),35,36,GC-MS定性定量分析,1 气相色谱-质谱联用仪(GC-MS),37,2 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, A
14、PCI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。,38,3 串联质谱 (tandem mass spectrometry，MS/MS, MSn),mass separation-mass spectra characterization,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, s
15、elected reaction monitoring多反应监测MRM, multiple reaction monitoring,the user selects only one pair of ions (a parent and a daughter ion), which will be analysed - SRM,some pairs of ions will be analysed - MRM,p318,39,40,3D mass spectrum the most important peaks appear in the front and daughter peaks b
16、ehind them.,41,名词解释,42,6.3 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,43,分子离子峰的判断,一般在质谱的最右端有合理的质量丢失（丢失的质量数不应为4-14; 20-25）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,44,2 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,45,(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
17、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,46,(4) 环烯的断裂Retro-Diels-Alder反应,2 碎片离子EI,47,48,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,49,4 重排离子麦氏重排 (Mclafferty),含有含有 氢原子,50,6.3 质谱解析6.3.2 常见有机化合物的质谱,1烃类,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,57,169,85,141,p330,烷烃,51,6.3 质谱解析6.3.2 常见有机化合物的质谱,烯烃
18、,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,52,6.3 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,53,6.3 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,54,6.3 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,p332-333,4 酯和酸,酸,55,6.3 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,56,6.3 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
19、量端寻找特征离子系列 由结构单元给出可能的结构,57,6.3 质谱解析6.3.3 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。,p337,58,6.3 质谱解析6.3.3 质谱解析例,3:1,15,28,例2 某未知化合物质谱图如下图所示，给出结构式。,59,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,60,3. 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,
