1、质谱 Mass Spectrometry,刘和文,Spectrometry NOT Spectroscopy,Spectroscopy n. 光谱学, 波谱学, 光谱仪Spectrometry n. 度谱术，质谱计Spectrometry : SpectrometerAbbreviated to: Mass spec. or MS,范围 光区 光谱类型 跃迁类型10-410-2nm -ray Mossbauer谱 核能级跃迁10-21 nm X-ray X-光电子能谱 核内层电子能级100400nm 紫外光区 紫外光谱 核外层电子（价400800nm 可见光区 可见光谱 电子或非键电子)2.5
2、25m 红外光区 红外光谱 分子振动-转动(4000400cm-1)1 cm 微波区 微波谱 分子转动能级 顺磁共振谱 电子自旋能级 （磁诱导）50500cm 射频区 核磁共振谱 核自旋能级(60060MHz, 无线电波区） （磁诱导）,光波与光谱的关系,练振琼: 有机质谱解析 四川大学出版社 1990,丛浦珠:质谱学在天然有机化学中的应用 科学出版社 1987,主要参考书：,质谱例,MS identifies analytes by:Producing gas phase ionsSeparating these ions according to m/z ratioDetecting th
3、e ionsSensitive:Detect attomole concentrations,质谱发展史,特点,质谱计框图,Ion separation,Detector,Output,离子源和质量分析器的压力在104 105 Pa和105 106 Pa。大量氧会烧坏离子源的灯丝；用作加速离子的几千伏高压会引起放电；引起额外的离子分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。,质谱计构造:真空系统,在不破坏真空度的情况下，使样品进入离子源。气体可通过储气器进入离子源。易挥发的液体，在进样系统内汽化后进入离子源。难挥发的液体或固体样品，通过探针直接插入离子源。,进样系统,分子失去电子，生成带正电荷的分子离
4、子,分子离子可进一步裂解，生成质量更小的碎片离子,离子源,质量分析器是质谱计的核心,不同类型的质量分析器构成不同类型的质谱计,不同类型的质谱计其功能，应用范围，原理， 实验方法均有所不同。,质量分析器,检测记录系统,质量分析器分离并加以聚焦的离子束，按m/z的大小依次通过狭缝，到达收集器。经接收放大后被记录。,Sample Introduction:Direct Insertion Probe (DIP),Direct insertion probeConceptually very easy, practically very tricky,Sample Introduction:Gas C
5、hromatography-MS (GC-MS),GC output to mass spectrometerSample already in gas phase,Sample Introduction:Liquid Chromatography-MS (LC-MS),Direct infusion of sample in solutionSyringe pump: slow steady infusionOutput from HPLCSeparation and identification of componentsVast majority of solution is solve
6、ntMust remove solvent to “see” analyteHistorically: extra pumping and heatingApplicable to electrospray ionisationESI: see later,电子轰击电离 Electron Impact Ionization, EI化学离子化 Chemical Ionization, CI场电离，场解吸 Field Ionization FD, Field Desorption FD快原子轰击 Fast Atom Bombardment, FAB基质辅助激光解析电离 Matrix-Assiste
7、d Laser Desorption Ionization, MALDI电喷雾电离 Electrospray Ionization, ESI大气压化学电离 Atmospheric Pressure Chemical Ionization, APCI,离子化的方法,电子轰击电离 Electron Impact （EI）,电子轰击电离又称为电子轰击，或电子电离。是应用最普遍，发展最成熟的电离方法。,轰击电压 50-70eV, 有机分子的电离电位一般为7-15eV。可提供丰富的结构信息。,有些化合物的分子离子不出现或很弱,电子轰击电离 EI,离子室内的反应气（甲烷等；10100Pa，样品的10310
8、5倍），电子（100240eV）轰击，产生离子，再与试样分离碰撞，产生准分子离子。,最强峰为准分子离子；谱图简单；不适用难挥发试样；,化学电离（Chemical Ionization，CI）,化学电离 CI,小分子如 CH4 , (CH3)2CH 等。 以CH4为例,CH4 + e CH4+ + 2e (46%),CH3+ (39%),CH2+(7%),初级离子: CH4+, CH3+ , CH2+,准分子离子QM +,M + CH5+ MH + + CH4,M + C2H5+ MH + + C2H4,M + C2H5+ MH + + C2H6,Ionisation Methods:Chemi
9、cal Ionisation (CI),Softer than EI: much less fragmentationMethane ionised by EI: Other gases may be usedRelatively high pressure 0.5 mmHgBimolecular collisionsCH5+ behaves as “super acid”,Ionisation Methods:Charge Transfer in CI,CH5+ protonates sample: e.g.,Mass detected is M+H+Not a radical cation
10、: c.f. EIEI & CI: applicable to low MW analytesi.e less than approximately 800 Daltons,场致电离Field Ionization Field Desorption （FI，FD）,电压：7-10 kV；d1 mm；强电场将分子中拉出一个电子；分子离子峰强；碎片离子峰少；不适合化合物结构鉴定；,当样品蒸汽接近或接触带高正电位的金属针时，在强电场的作用下发生电离。要求样品分子处于气态，灵敏度不高，应用逐渐减少。,场电离 FI,样品不需汽化, 预先附在处理好的场离子发射体上, 送入离子源, 然后通以微弱电流, 使样
11、品分子从发射体上解吸下来, 并扩散至高场强的场发射区, 进行离子化。,适用于难汽化, 热不稳定的样品. 如: 糖类，肽类，金属有机化合物，聚合物等。,场解吸 FD,惰性气体Ar或Xe的原子首先被电离并被加速， 使之具有高的动能，在原子枪(atom gun)内进行电荷交换反应：,Ar+（高动能的）+ Ar（热运动的）Ar（高动能的）+ Ar+（热运动的）,高动能的Ar或Xe原子束再轰击样品分子使其离子化,快原子轰击Fast Atom Bombardment（FAB）,FAB是目前广泛使用的软电离技术，适用于难汽化,极性强的大分子。样品用基质调节后黏附在靶物上。,常用的基质有甘油，硫代甘油，3-硝
12、基苄醇，三乙醇胺等。,注意：FAB质谱图中会出现基质分子产生的相应的峰及基质分子与样品分子的结合峰。,例如：3-硝基苄醇作为基质时，会出现 m/z154(MH),136（MHH2O）, 289(MMHH2O) 的峰。,MALDI可使热敏感或不挥发的化合物由固相直接得到离子。,待测物质的溶液与基质的溶液混合后蒸发，使分析物与基质成为晶体或半晶体，用一定波长的脉冲式激光进行照射时，基质分子能有效的吸收激光的能量，使基质分子和样品分子进入气相并得到电离。,MALDI适用于生物大分子，如肽类，核酸类化合物。可得到分子离子峰，无明显碎片峰。此电离方式特别适合于飞行时间质谱计。,基质辅助激光解析电离Mat
13、rix-Assisted Laser Desorption Ionization (MALDI),Ionisation Methods:MALDI,Matrix Assisted Laser Desorption IonisationSolid matrix: e.g. dihydroxybenzoic acidMatrix absorbs energy at l of laser usedCauses vapourisation of matrix and analyteProton transfer to analyte (or Li, Na, K)Detection by mass sp
14、ectrometerApplicable to MW up to 12,000D andThermally labile analytesPolymers and biomoleculesMinute quantities required,Ionisation Methods:Schematic of A MALDI Chamber,Solid solutionMatrix/analyte/cations,流出液在高电场下形成带电喷雾，在电场力作用下穿过气帘；气帘的作用：雾化；蒸发溶剂；阻止中性溶剂分子,电喷雾电离（ESI）,电喷雾电离（ESI）,电喷雾电离,电喷雾产生多电荷离子，相对分子质
15、量Mr计算：选相邻峰，电荷n， n +1m1=(Mr + n)/2m2=(Mr + n+1)/ (n+1),计算结果如表。不适用于非极性化合物,EI 与 ESI,质谱计的主要技术指标,质量范围： 指质谱计所检测的单电荷离子的质核比范围,分辨率（R）：分辨率是质谱计分开相邻两离子质量的能力。,分辨率（ R ）是两峰间的峰谷为峰高的10%时的测定值，即两峰各以5%的高度重叠。,Separate ions according to m/z ratioFive basic types of analyser:1)Magnetic sector (electrostatic)2)Quadrupole3)
16、Ion traps4)Time of flight5)FTICR,质量分析器 Mass Analysers,Mass Analysers:Factors to Consider,Upper mass limit:Highest m/z that can be detectedMay be offset by multiple chargesResolution:Distinct signals for similar m/z ratiosTransmission:Ratio of ions reaching detector: ions producedCost,Mass Analysers:
17、Resolution (Resolving Power),Ability to resolve two signals of similar m/zResolved if valley is 100,000): unlimited mass rangeApplicable to all analytes Not GC-MS as very low pressures are neededIon orbits in a circular magnetic field If mv=zBr: ion is trapped in circular pathFrequency of this oscil
18、lation = wc wc = zB/m m/z = B/wc wc is a measure of m/zVery high cost: 1,000,000Vey few in the world,Mass Analysers:Ion Trap Mass Analysers,Type of quadrupole mass analyserSimilar resolution of 2-4,000Ion is trapped in an electromagnetic fieldIn a stable oscillationField strength variedUnstable osci
19、llation: ion ejected and detectedVary field strength: scan for all m/zGenerate mass spectrumMS-MS and MSn possible,离子阱质量分析器,特定m/z离子在阱内一定轨道上稳定旋转，改变端电极电压，不同m/z离子飞出阱到达检测器；,LC-MS (离子阱)联用仪器结构示意图,Ion Detection,Sample introducedDIP, GC, LCIon is generatedEI, CI, FAB, ESI, MALDIIon is separatedMagnetic sect
20、or, TOF, ion trap, quadrupoleIon must now be detected2 Types of detector:Electron multiplier and scintillation counter,Ion Detection:Electron Multiplier,Ion collides with dynode Beryllium/copperCauses emission of electronsRepeated 10-20 timesCurrent gain 106Current is then measuredSensitive: single
21、ion detectionLifetime of 1-2 years,Ion Detection:Scintillation Counter,Ion strikes dynodeBeryllium/copperElectrons then hit phosphorus screenLight signal amplified by 106Photomultiplier tubesSensitive: single ion detectionLifetime of approximately 5 years,质谱术语,基峰: RI 100 , RA 100,质荷比: m / z , z = 1,
22、 z = 2;,m的计算：组成离子的各元素同位素的质子和中子之和。,精确质量: 精确质量的计算基于天然丰度最大的同位素 的精确原子量，如： 1H 1.007825 、 12C 12.000000、 14N 14.003074 、 16O 15.994915 精确度与质谱计的分辨率有关。,质谱图 横坐标为离子的质核比，纵坐标为离子相对强度或相对丰度。 乙醇的质谱图如下：,分子离子: M+ , M - e M+ ,z=1时， 其m/z等于天然丰度最大的同位素的原子量之和。,碎片离子：广义上指除分子离子以外的所有离子。,重排离子：经过重排，断裂一个以上化学键所生成的离子。,母离子与子离子：任何一个离
23、子进一步裂解为质荷比较小 的离子，前者是后者的母离子或前体离 子，后者是前者的子离子。,质谱中的离子,偶电子离子EE+： 带双电荷的离子，如 B+, D+ , E+,多电荷离子： 如 z=2的离子，存在于稳定的结构中。,准分子离子： MH+, M-H+,同位素离子： 非单一同位素的元素在电离过程中产生同 位素离子，同位素离子构成同位素峰簇。,亚稳离子,离子在离子源的运动时间106s数量级, 寿命105s，足以到达检测器。,寿命106-105 s的离子，从离子源出口到达检测器之前裂解并被记录的离子称亚稳离子，以m*表示. m*=m22/m1,亚稳离子的峰有不同程度的扩散，达23质量单位，这是因为
24、m1+ 裂解时，部分内能转化为动能。,在质谱解析中，m*可提供前体离子和子离子之间的关系。,分子离子或准分子离子峰,质谱中分子离子峰的识别及分子式的确定是至关重要的.,分子离子峰的识别,假定分子离子峰: 高质荷比区,RI 较大的峰(注意：同位素峰),判断其是否合理: 与相邻碎片离子(m/z较小者)之间关系是否 合理,判断其是否符合N律,不含N或含偶数N的有机分子, 其分子离子峰的m/z为偶数。含奇数N的有机分子, 其分子离子峰的m/z为奇数。,使用CI电离时，可能出现 M+H, MH, M+C2H5, M+C3H5,使用FAB时，可出现 M+H, MH, M+Na, M+K,较高分子量的化合物
25、，可能同时生成 M+H, M+2H, M+3H等,分子离子峰的相对强度(RI ),不同的电离方式, 其分子离子的RI不等。,不稳定的分子, 大分子, 其分子离子的RI较弱。,稳定的分子, 大共轭分子, 其分子离子的RI较强。, 羰基化合物(醛, 酮, 酸, 酯, 酰氯, 酰胺)分子离子峰不出现或弱, 脂肪族醇类, 胺类, 硝基化合物等 分子离子往往不出现,分子离子峰不出现怎么办?,改用其它离解方式, 如: CI, FAB等,分子式的推导, 利用低分辨质谱数据，推导分子式,同位素峰簇及其相对丰度,对于C, H, N, O组成的化合物， 其通式：CxHyNzOw, 含硫的样品 32S : 33S
26、: 34S = 100 : 0.8 :4.4, 含Si的化合物 28 Si : 29Si : 30Si = 100 : 5.1 : 3.4, 含重同位素（如 Cl, Br）的样品,35Cl : 37Cl = 100 : 32.5 3 : 1; 79Br : 81Br = 100 : 981 : 1,分子中含1 Cl， (a+b)1, M : M+23 : 1,分子中含2 Cl， (a+b)2, M : M+2 : M+49 : 6 :1,分子中含1 Br， (a+b)1, M : M+21 : 1,分子中含2 Br， (a+b)2, M : M+2 : M+41 : 2 :1,分子中含1Cl
27、和1Br (a+b) (c+d), M : M+2 : M+43 : 4 : 1,利用同位素峰簇的相对丰度推导化合物的分子式,例：化合物的质谱图如下，推导其分子式,(1.9/37) 100 = 1.1x+0.37z,z=1, x=5, y=731460=1 ?,z=1, x=4, y=731448=11 合理,分子式 C4H11N, DBE=0,例：化合物的质谱图如下，推导其分子式,pOXLp7v0djZKylHSJr3WxBmHK6NJ2GhiBeFZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3Xt
28、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,
