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1、有机质谱解析,第一节 序言,1.什么是质谱法？样品分子在高真空环境受到高速电子流或强电场作用，失去外层电子后发生化学键断裂生成各种碎片离子，然后在磁场中得到分离后加以收集和记录，从所得到的质谱图推断结构的方法。,1.2 质谱仪的功能A.使样品变成分子离子；B.通过电场使离子加速；C.按质荷比分离离子；D.将离子流变成电信号，收集记录。,1.3 质谱的沿革与发展,四次诺贝尔奖回顾：1、阳极射线管和Thomson实验,图1-1 阳极射线管,图1-2 Thomson 质谱仪示意图A.气体入口；B.阳极；C.放电管；D.去抽空泵；E.阴极；F.磁屏蔽G.冷却水套；H.绝缘体；I.电场引线；J.照相感光
2、检测器,本世纪初，英国学者J.J.Thomson(获1906诺贝尔物理奖)利用低压放电离子源所产生的具有高速度的正电荷离子束，通过一组电场和磁场，不同质荷比的正电荷离子按不同质量而发生半径不同的抛物线轨道偏转，依次达到检测器，在感光板上被记录下来。,2、1919年，F.W.Aston制成第一台速度聚焦磁质谱仪。获1922年诺贝尔奖。,图1-3 Aston 质谱仪,1917年,电喷雾物理现象被发现（并非为了质谱）；1918年,Dempster 180磁扇面方向聚焦质谱仪；1935年,马陶赫(Marttauch)和赫佐格(R.Herzog)根据他们的双聚焦理论，研制出双聚焦质谱仪；1940年,尼尔
3、(Nier)设计出单聚焦磁质谱仪，又于1960年设计并制成了一台小型的双聚焦质谱仪；1942年，第一台商品质谱仪；1953年,由鲍尔(Paul)和斯坦威德尔(Steinwedel)提出四极滤质器；1953年,由威雷(Wiley)和麦克劳伦斯(Mclarens)设计出飞行时间质谱仪原型；,1954年 英格拉姆(Inghram)和海登(Hayden)报道的Tandem系统，即串联的质谱系统(MS/MS)；1955年 Wiley&Mclarens 飞行时间质谱仪；1960 s 开发GC/MS；60s-70s 大气压电离源被发现，但未被广泛应用；70s-80s 开始 广泛研究LC/MS；1974年后
4、回旋共振质谱仪；1979年 传送带式LC/MS接口成为商业产品；1982年 离子束LC/MS接口出现；1984年 第一台电喷雾质谱仪宣告诞生；1988年 电喷雾质谱仪首次应用于蛋白质分析,3、1989年，Hens G.Dohmelt和 W.Paul,因离子阱（Ion trap)的应用获诺贝尔物理奖。4、2002年，J.B.Penn 和田中耕一因电喷雾电离（electron spray ionization,ESI）质谱和基质辅助激光解吸电离(matrix-assisted laser desorption ionization,MALDI)质谱获诺贝尔化学奖。,日本科学家田中耕一(Koichi
5、 Tanaka)1959年出生于日本富山县首府富山市，1983年获日本东北大学学士学位，现任职于京都市岛津制作所，为该公司研发工程师，分析测量事业部生命科学商务中心、生命科学研究所主任。他对化学的贡献类似于约翰芬恩，因此也得到了14的奖金。,美国科学家约翰芬恩1917年出生于美国纽约市，1940年获耶鲁大学化学博士学位，1967年到1987年间任该大学教授，1987年起被聘为该大学名誉教授，自1994年起任弗吉尼亚联邦大学教授。他因为“发明了对生物大分子进行确认和结构分析的方法”和“发明了对生物大分子的质谱分析法”而获得今年诺贝尔化学奖14的奖金。,瑞士科学家库尔特维特里希1938年生于瑞士阿
6、尔贝格，1964年获瑞士巴塞尔大学无机化学博士学位，从1980年起担任瑞士苏黎世联邦高等理工学校的分子生物物理学教授，还任美国加利福尼亚州拉霍亚市斯克里普斯研究所客座教授。他因“发明了利用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法”而获得2002年诺贝尔化学奖一半的奖金。,2002年诺贝尔化学奖获得者,美国科学家约翰芬恩，获2002年诺贝尔化学奖,日本科学家田中耕一，获2002年诺贝尔化学奖,使生物大分子相互完整地分离，同时也被电离。,芬恩的电喷雾质谱技术（ESI）原理图,田中耕一的软激光解吸附质谱技术原理图,解决了“看清”生物大分子“是谁”的问题,1.4 我国有机质谱概况与进展,50年代
7、，同位素分析；有机质谱70年代零星开展；年代，有机质谱快速发展成立质谱学会；四个专业组：同位素质谱、无机质谱、有机质谱、质谱仪器；有机质谱主要在结构分析、气相离子化学、色质联用技术等方面发展；近年来，随着生命科学的发展，有机质谱也跨入生物质谱的范畴。,3、唯一能直接获得分子量及分子式的谱学方法,1.5 质谱的特点,1、特征性强 保留值不能作为鉴定标准。,2、灵敏度高10-15 10-16 g,所有谱中灵敏度最高的。,1.6 质谱仪器的主要指标,A.质量范围：仪器所检测的质荷比范围。对单电荷离子即为离子的质量范围；对多电荷离子，所检测的离子质量则扩展到离子电荷数相应的倍数。,质量范围(Mass
8、Range)质谱仪所能检测的最小到最大的质量范围。不同仪器：四极杆 1600Da，14000Da，磁质谱：110000Da 飞行时间质谱：无上限 离子阱质谱：12000Da，14000Da 不同要求：气体分析，1300Da 气相色谱质谱，1600Da，800Da 有机质谱，12000Da 生物分子，110000Da或更大,B.灵敏度(sensitivity)：出峰强度与所用样品量之间的关系；或对选定的样品在一定分辨率下产生一定信噪比的分子离子峰所需的样品量。,C.分辨率(resolution)：,R10%=aM/bM（实际）M 为可分辨的两峰的质量差；a为相邻两峰的中心距离；b为峰高5%处的峰
9、宽。,R=M/M，M为可分辨的两峰的平均质量。,对于FT-ICR及TOF：R=M/M M为所测峰的质量；M为该峰半高宽所对应的质量数。,分辨力(Resolution Power,RP)分辨力：分开两个邻近质量峰的能力。何为分开：若两个相邻峰的峰谷低于峰高的10%(或5%，50%)，则认为 是分开的。,数学定义：,(1)m1和m2代表两个相邻峰的质量数(2)m代表某一峰的质量，m代表半峰宽,分辨率的另外一种定义：分辨率=M/MM为半峰高处峰宽,分开的定义10%valley,质量数为28的三种分子组成的精确质量,若仪器分辨力很低，如RP=200，则对以上三个分子不能分开，混为一峰。若要分开以下混合
10、物，则必需有如下分辨力CO-C2H4:(RP)2=27.994914/(28.031299-27.994914)=770N2-C2H4:(RP)3=28.006158/(28.031299-28.006158)=1100CO-N2:(RP)1=27.994914/(28.006158-27.994914)=2490当仪器分辨力达到770时，只能够只分开 CO-C2H4。当仪器分辨力达到1100时，能够分开CO-C2H4 和N2-C2H4 当仪器分辨力超过2500时，三者全部分开。一般低分辨仪器在2000左右。10000以上时称高分辨。FT-ICR-MS分辨力可达2百万。,高分辨质谱进行元素组成
11、分析：任何一种同位素的质量并不是正好的整数。12C的准确质量为12.00000000,1H=1.007782506，14N=14.00307407，16O=15.99491475，末位有效数字。每一个同位素都具有唯一的、特征的“质量亏损”，离子的质量包含了同位素的总的质量亏损，也是特征的，以此来鉴定离子的同位素和元素组成。例 m=43.0184Da的离子必定是C2H3O+，不可能是C3H7+(m=43.0058)或C2H5N+(m=42.9984)，或CH3N2+(m=43.0296)。为了区分这四个离子，测量的质量的准确度需达到130ppm。即小数点后第四位是准确的。元素组成信息随着质量的增
12、加而呈指数地上升，对质谱质量的测定准确度要求更高。例 分子量为310的质谱峰，已知它们的元素组成限于碳、氢、氮和氧，且最多不超过3个氮原子和4个氧原子。如果将其各种组合出来的质量能够区分开来，要求的质量准确度达到2ppm，这是目前最高质量分辨力的FT-ICR-MS勉强能够达到的水平。,注意事项质谱学上的高分辨包含两层含义：高的分辨本领 保证两个靠得很近的峰能够分开来，从而知道是两个峰而不是一个峰。良好的线性行为 用已知精确质量的离子去得到待测定离子的质量数，不容许二者峰的质量是一样的(重叠在一起)，二者之间必有一定的质量差异，质谱仪的线性不好，用已知精确离子的质量来得到待测定离子的质量，就会因
13、此而产生偏差，从而造成误差，两者距离越远，这种误差越大。良好的稳定性 磁质谱，飞行时间质谱仪，离子回旋共振质谱仪：分辨力、线性和稳定性好，属高分辨质谱仪。离子阱质谱仪：分辨力高，线性低，准高分辨质谱仪，用于判断质谱峰带 的电荷数。四极杆质谱仪：分辨力低，线性好，不属于高分辨质谱仪。,1.7 质谱的表征,1、棒图,2、数据列表,1.8 一些基本概念,常用概念,一、质荷比(m/z)质谱图中的横坐标，质量与电荷之比。若离子所带电荷为z=1，则质荷比等于该离子的质量数。离子是以12C原子的1/12定义为一个质量单位，用u表示。1u=1.66054x10-27kg 其它常用符号，Da,道尔顿 1Da=1
14、u二、离子的强度（丰度）I 两种表示方法百分强度：所有峰的强度之各为100，每个离子所占的份额即为其百分强度，百分强度=(Ii/Ii)100%Ii，第i 个离子的强度。基峰强度：质谱图中离子强度最大的峰称为基峰，定义它的强度为100，即IB=100，其它离子强与之相比的百分强度称为该离子的强度。,三、同位素 化学上，氖的原子量为20.2,质谱上：氖不在m/z20.2处出峰，而是在m/z20和m/z22处各出一个峰，该峰的相对强度为10:1。为什么？质谱测定的是微观离子，不是宏观上的平均的概念。,表1 常见元素的天然同位素丰度,元素分类情况：A:H,F,P,IA+1:C,NA+2:O,Si,Cl
15、,Br,同位素分布的二项式规则：对A+1和A+2元素,b:A+1或A+2同位素的天然丰度n:质谱峰中A+1或A+2元素的个数,12C5H12+M m/z7212C413C1H12+M+1 m/z7312C313C2H12+M+2 m/z7412C213C3H12+M+3 m/z7512C113C4H12+M+4 m/z76,例：79Br 100%,81Br 98%100%M M+2 M+4 M+6 Br,n=1:1 1 Br2,n=2:1 2 1 Br3,n=3:1 3 3 1 例：35Cl 100%,37Cl 32.5%M M+2 M+4 M+6 Cl,n=1:1 0.325 Cl2,n=2
16、:1 0.650 0.106 Cl3,n=3:1 0.975 0.317 0.034,例：12C 100%,13C 1.1%C60,n=60,b=1.1%M M+1 M+2 M+3 12C60 13C12C59 13C212C58 13C312C57 720 721 722 723 1 nb n(n-1)b2/2!n(n-1)(n-2)b3/3!100 66 21 4.6,元素组成的判断：用同位素丰度的分布可帮助判断峰的元素组成。方法：1、获取最高质量峰，分子离子峰。分子离子峰受氢迁移的影响最小。2、最大丰度 信号强有利于判断。3、A峰的选择 一个峰组中的A峰应是仅含最大丰度同位素(如12C、
17、16O、35Cl)的最高质量峰。优先考虑A+2型元素存在的可能性，因A+2峰受A+1元素的影响较小，A+2元素同位素的自然丰度也较高，容易判断，尤其是氯和溴。然后再判断A+1元素，可根据其与A峰的强度比，大致判断A+1元素的种类和所含个数。4、确定元素组成的一致性 从分子离子峰M+得到元素组成信息，需要与较小的碎片离子的组成吻合。,1)分子离子(molecular ion)2)准分子离子(quasimolecular ion)3)碎片离子(fragment ion)4)重排离子(rearrangement ion)5)母离子和子离子(parent ion and daughter ion)6)
18、亚稳离子(metastable ion)7)奇电子离子(odd-electron ion)和偶电子离子(even-electron ion)8)多电荷离子(multiply-charged ion)9)同位素离子(isotopic ion),1.4 质谱学的专著、期刊和国内国际会议,专 著：1.Interpretation of Mass Spectra,2.Mass Spectrometry for Biotechnology,Gary Siuzdak 3.Mass Spectrometry in the Biological Sciences,4.有机质谱基础，陈耀祖，科学出版社 5.质谱
19、解析，F.W.McLafferty著，王光辉等译，化学工业出版社，期 刊：1.Rapid Communication in Mass Spectrometry IP(影响因子）2.4 2.Journal of American Society of Mass Spectrometry IP 3.0 3.Journal of Mass Spectrometry IP 2.8 4.Mass Spectrometry Review IP 6.8 5.European Journal of Mass Spectrometry IP 1.0 6.International Journal of Mass
20、 Spectrometry IP 2.1 7.质谱学报 国内核心刊物,国内会议：1.中国质谱学会学术交流会（每两年一次）已到第八届，中国质谱学会主办 2.中国质谱学会各专业委员会学术交流会（每两年一次）中国质谱学会各专业委员会主办 3.各地方组织的质谱专业交流会 4.各质谱公司举办的用户会或专题交流会国际会议：1.International Conference of Mass Spectrometry 每三年一次 主要在欧洲 2.Annual American Mass Spectrometry Conference 每年一次 主要在美国 3.Beijing Conference and Exhibition on Instrumental Analysis(BCEIA)每二年一次 中国科协主办，设有Mass Spectrometry Division，主要在北京,
