1、第五章,质 谱（Mass Spectrum，MS）,郭增军西安交通大学医学院,日本科学家田中耕一(Koichi 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
2、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,质谱发展历史,1897年，英国剑桥Cavendish实验室的Thomson研制，发现了氖的同位素，分辨率10。1919年，Aston,速度聚焦质谱仪，测出氖同位素的丰度比为10：1，
3、分辨率130。1934年，双聚焦质谱仪，大大提高了分辨率。二战期间，用于美国原子弹制造计划（研究235U）。1943年，进入民用，石油分析。50年代，出现新型质量分析器，四极滤质器（1953），脉冲飞行时间分析器（1955），及新的离子化手段，火花离子源、二次离子源，气质联用。60年代以后，新的离子化方法：FI，FD，CI，激光离子化，FAB，ESI，复杂的质谱仪推出，离子探针，三级四极杆，四极杆飞行时间，磁场四极，磁场飞行时间，离子回旋共振等，液质联用。1974年等离子体质谱，1981年快原子轰击质谱，1988年，电喷雾电离质谱，90年代以后，MALDI-MS用于生物间非共价键作用研究，联用
4、技术发展迅速。,液相色谱/四极杆串联质谱联用仪,基质辅助激光解吸附飞行时间质谱,气相色谱质谱联用仪,高分辨率质谱仪,西安加速器质谱中心 -加速器质谱仪系统,概 述,定义：质谱是化合物分子经一定方式裂解后，形成的各种离子在电场和磁场的作用下，按照质荷比（m/z）大小排列而成的图谱。特点：1、应用范围广：同位素分析、化合物分析、无机成分分析；样品可以是气体、液体及固体。2、灵敏度高：对测定试样量的要求越来越低，有时仅需要10-12g （pg）的试样即可完成试样的测定。 3、分析速度快：一般样品仅需几秒到几分钟。用途：1、测定分子量，确定分子式：利用高分辨质谱 (High Resolution Ma
5、ss Spectrum, HRMS) 可以直接获得分子离子峰的质量数，测定精确分子量，得到分子式。2、鉴定化合物3、推测未知化合物的结构4、利用同位数峰测定相关元素的原子数5、用于多组分的定性及定量,第一节 质谱的基本知识,一、质谱的基本原理 样品（气态） 不同质量的正离子 高速正离子 依次通过收集狭缝 放大器 记录信号 质谱。二、质谱计简介 质谱计（Mass spectrometer）是一种测定带电离子质荷比（mass to charge ration, m/z）的装置，不同的质谱计原理不同，但大体都由下列单元组成。,解离,裂解,高压电场,加速,磁场,偏转,信号,质谱计,质谱计主要结构单元,
6、进样系统（Sample inlet） 被分析的试样通过进样系统进入质谱仪，使试样在不被破坏的情况下进入离子源。当质谱计与色谱仪联机时，进样系统则由界面（interface）取代。（1）、直接进样 ： 固体、高沸点液体：探针直接将样品注入电离室。 气体、低沸分点液体：样品注射进入加热槽。（2）、色谱联用导入系统：适用于多组分分析。,进样系统,电离和加速室,质量分析器,检测器,数据处理,电离和加速室（Ionization and Ion Accelerating Room） 又称离子源 (Ion source)，试样物质在电离室被电离，在电离室出口，对离子施加一个加速电压，使电离的粒子进入质量分析
7、器。 1、作用：样品被电离为正离子或负离子 2、分类： 电子轰击电离（Electron Impact Ionization, EI） 化学电离法（Chemical Ionization, CI） 快原子轰击 ( Fast Atom Bombardment, FAB) 场解吸电离 (Field Desorption, FD) 电喷雾电离（Electrospray Ionization, ESI） 大气压化学电离(Atmospheric Pressure Chemical Ionization, APCI) 基质辅助激光解析电离 (Matrix Assisted Laser Desorption
8、Ionization, MALDI）,3、常见的电子轰击电离（Electron Impact Ionization, EI） 电子轰击电离又称电子电离，是目前发展最成熟的电离方法。 （1） 电离过程：EI过程在离子源中进行，呈气态的试样分子在较高真空和较高温度的电离室内，在70eV电子流的轰击下，气态的试样分子失去一个电子而生成带有正电荷的自由基，即M + e-=M+ + 2e-, M+为分子离子；多余的能量，将导致化学键的断裂，进一步生成碎片离子或中性分子。（2） 离子源电子能量：常在70eV电子流的轰击下电离 有机化合物分子发生电离常仅需1015eV能量，多于能量使分子离子中不稳定的化学键
9、断裂生成碎片离子，碎片离子可继续裂解产生数量更多、 质量更小的碎片离子或中性分子。,质量分离,电子电离的离子源M代表中性分子，e-为电子，M为分子离子，F为碎片离子， Vacc为加速电压，MS为质量分析器,（3）、离子类型： M + e- M+ 2e- M：样品分子 M+ 带奇数电子的正离子。+ 正电荷 不成对单电子 M + e- M - M- 为带奇数电子的负离子。 碎片离子：阳离子、离子-分子复合物、阴离子。（4）、EI方法的优点及缺点： 优点： 易于实现且图谱的重现性好，便于利用数据库实现计算机检索及图谱的对比。 有较多与结构密切相关的碎片峰，对推测未知化合物结构具有重要意义。 缺点：
10、当试样分子稳定性不高时，分子离子峰难于获得。 对于不能气化的试样分子或热不稳定的试样， 无法利用EI获得分子离子峰。,质量分析器 (Mass Analyzer) 为质谱仪的核心，可以把不同质荷比的离子分开，不同类型的质量分析器有不同的原理、特点、适用范围和功能。1、类型： 单聚焦质量分析器(Single focusing Mass analyzer) 双聚焦质量分析器(Double focusing Mass analyzer) 四极质量分析器 （Quadrupole mass analyzer） 离子阱（Ion trap） 傅立叶变换质谱法（Fourier transform mass sp
11、ectrometry, FTMS）2、单聚焦质量分析器的原理：,离子进入磁分析器后，在磁场存在下，带电离子按曲线轨迹飞行。离心力 =向心力：,（2）,（1）,B：为磁场强度，其它和式（1）相同。,离子进入质量分析器时获得的动能：,z：为离子所带电荷；m：离子的质量；v：离子的速度。,m/z 称为质荷比，对于带单位正电荷的离子，z=1，这时质荷比就是质量数。当固定偏转半径r和加速电位V时，扫描磁场强度B将可以测量各束离子（按m/z值逐一到达收集狭缝）的m/z值和它的相对强度（反映这束离子数目的多少）。,质谱基本公式：,方向聚焦： 相同质荷比，入射方向不同的离子会聚；能量聚焦： 相同质荷比，速度(
12、能量)不同的离子会聚；,双聚焦质谱仪原理： 为提高质谱仪分辨能力，解决离子的能量分散问题，将一个扇形静电场分析器置于离子源与扇形磁分析器之间，从而同时实现能量（或速度）聚焦和方向聚焦，实现高分辨分析。,检测器（Detector） 检测各种质荷比的离子，不同类型的检测器检测的原理不同。数据处理系统 (Data System) 进行数据的采集、存储、处理、打印、检索等。真空系统 (Vacuum System) 真空系统为离子源和质量分析器提供所需要的真空环境。质谱仪的类型不同，对真空度的要求不同。,三、质谱的表示方法,1、质谱图：不同质荷比的离子经质量分析器将各种离子分开，而后被检测，记录下的谱图
13、为质谱图，亦称质谱。 横坐标表示质荷比（m/z）,纵坐标为信号的强度。基峰（base peak）：质谱图的纵坐标中强度最大的离子峰，把它的强度 定为100%，称为基峰。相对丰度（relative abundance）：将质谱中其它离子峰的强度与基峰作比较，求出它们的相对强度，即为相对丰度。2、质谱表：把原始质谱图数据加以归纳，列成以质荷比为序列的表格形式。文献常用。,图4-3 甲苯的质谱图,甲苯的质谱图,四、质谱仪的主要性能指标,1、质量范围（Mass Range） 指仪器所能测量的离子质荷比范围。通常为101000Da。2、质谱仪的分辨率（Resolution） 分辨率是质谱仪分离两种相邻离
14、子的能力，如两种相邻离子正好被分离，则该仪器的分辨率定义为： R=M/M R为分辨率；M为任一离子的质量；M为两种被分离相邻离子的质量差。 两个离子被分离，指的是两峰间的峰谷高度如低于两峰平均高度的10%，则认为两离子被分离。,例：一个分辨率为100,000的质谱仪，该仪器分辨质量数为100.000附近的离子，存在下列关系：100000=100.000/M（M=0.001），也就是说该仪器可以将质量数为100.000和100.001的两种离子分开。在这种分辨率条件下，可以较准确的确定分子的组成。因为每一个同位素原子都具有一个特征的质量，例如，一个质荷比为43.0184的离子只能有C2H3O，而不可能是其它组成，如：C3H7+ (m/z=43.0547), C2H5N+ (m/z=43.0421), CH3N2+ (m/z=43.02967), CHPO+ (m/z=43.0058)，C2F2+ (m/z=42.9984)。 3、灵敏度(Sensitivity) 用一定量的样品在一定条件下，产生该样品分子离子峰的信噪比(S/N)来表示。目前常用硬脂酸甲酯或六氯苯来测定质谱仪的灵敏度。,
