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质谱质谱 Mass Spectrometry刘和文Spectrometry NOT SpectroscopylSpectroscopy n.光谱学,波谱学,光谱仪lSpectrometry n.度谱术，质谱计lSpectrometry:SpectrometerlAbbreviated to:Mass spec.or MS范围范围 光区光区 光谱类型光谱类型 跃迁类型跃迁类型1010-4-41010-2-2nmnm -ray -ray MossbauerMossbauer谱谱 核能级跃迁核能级跃迁1010-2-21 nm X-ray X-1 nm X-ray X-光电子能谱光电子能谱 核内层电子能级核内层电子能级100100400nm400nm 紫外光区紫外光区 紫外光谱紫外光谱 核外层电子（价核外层电子（价400400800nm 800nm 可见光区可见光区 可见光谱可见光谱 电子或非键电子电子或非键电子)2.52.52525 m m 红外光区红外光区 红外光谱红外光谱 分子振动分子振动-转动转动(4000(4000400cm400cm-1-1)1 cm 1 cm 微波区微波区 微波谱微波谱 分子转动能级分子转动能级 顺磁共振谱顺磁共振谱 电子自旋能级电子自旋能级 （磁诱导）（磁诱导）5050500cm 500cm 射频区射频区 核磁共振谱核磁共振谱 核自旋能级核自旋能级(600(60060MHz,60MHz,无线电波区）无线电波区）（磁诱导）（磁诱导）光波与光谱的关系E.D Hoffmam,J.Charette,V.Stroobant,Mass Spectrometry,Prenciples and Applications,John Wiley&Sons,1996.F.W.McLafferty:Interpretation of Mass Spectra,3rd edMill Valley:Calif.Univ.Sci.Books.1980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：主要参考书：质谱例质谱例MS identifies analytes by:pProducing gas phase ionspSeparating these ions according to m/z ratiopDetecting the ionsSensitive:Detect attomole concentrations1898 W.Wien 发现带正电荷的离子束在磁场中发生偏转。1910 J.J.Thompson 使用简单的电场-磁场组合装置,获得了抛 物线族的质谱,证明了20Ne,22Ne两种同位 素的存在。1918A.J.Dempster 采用电子轰击技术使分子离子化。1919 F.W.Aston 制得了第一台速度聚焦质谱仪。提出每种同 位素的质子和中子在结合成原子核时,具有 特定的质量亏损(并非整数值)。1942 商品MS出现,用于石油精炼和橡胶工业。质谱发展史质谱发展史质谱不属波谱范围质谱图与电磁波的波长和分子内某种物理量的改变无关质谱是分子离子及碎片离子的质量与其相对强度的谱,谱图与分子结构有关 质谱法进样量少,灵敏度高,分析速度快质谱是唯一可以给出分子量,确定分子式的方法,而分子式的确定对化合物的结构鉴定是至关重要的。特点特点计算机数据处理系统真空系统 加速区进样系统离子源质量分析器检测器质谱计框图Ionisation sourceIon separationDetectorOutputl离子源和质量分析器的压力在l104 105 Pa和105 106 Pa。l大量氧会烧坏离子源的灯丝；l用作加速离子的几千伏高压会引起放电；l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l在不破坏真空度的情况下，使样品进入离子源。l气体可通过储气器进入离子源。l易挥发的液体，在进样系统内汽化后进入离子源。l难挥发的液体或固体样品，通过探针直接插入离子源。进样系统进样系统分子失去电子，生成带正电荷的分子离子分子离子可进一步裂解，生成质量更小的碎片离子M+eM+.+2eM-.小于1%M+.A+.+B+CD+.中性分子或碎片R.50-70eV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)lDirect insertion probelConceptually very easy,practically very trickySample Introduction:Gas Chromatography-MS(GC-MS)lGC output to mass spectrometerlSample already in gas phaseSample Introduction:Liquid Chromatography-MS(LC-MS)lDirect infusion of sample in solutionlSyringe pump:slow steady infusionlOutput from HPLClSeparation and identification of componentslVast majority of solution is solventlMust remove solvent to“see”analytelHistorically:extra pumping and heatinglApplicable to electrospray ionisationlESI: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-Assisted Laser Desorption Ionization,MALDI电喷雾电离 Electrospray Ionization,ESI大气压化学电离 Atmospheric Pressure Chemical Ionization,APCI离子化的方法离子化的方法+:R1:R2:R3:R4:e+M+(M-R2)+(M-R3)+MassSpectrometer(M-R1)+电子轰击电离电子轰击电离 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电子轰击电离 EI 离子室内的反应气（甲烷等；10100Pa，样品的103105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；最强峰为准分子离子；谱图简单；谱图简单；不适用难挥发试样；不适用难挥发试样；+气体分子气体分子试样分子试样分子+准分子离子准分子离子电子电子(M+1)+;(M+17)+;(M+29)+;化学电离化学电离（Chemical Ionization，CI）化学电离化学电离 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+CH4+CH4 CH5+CH3(48%)CH3+CH4 C2H5+H2 (41%)CH2+2CH4 C3H5+2H2 (6%)CH5+,C2H5+,C3H5+等为稳定的次级离子。准分子离子QM+M+CH+CH5 5+MH+CH+CH4 4 M +C2H5+MH+C2H4 M +C2H5+M H+C2H6 Ionisation Methods:Chemical Ionisation(CI)lSofter than EI:much less fragmentationlMethane ionised by EI:lOther gases may be usedlRelatively high pressure 0.5 mmHglBimolecular collisionslCH5+behaves as“super acid”Ionisation Methods:Charge Transfer in CIlCH5+protonates sample:e.g.lMass detected is M+H+lNot a radical cation:c.f.EIlEI&CI:applicable to low MW analytesli.e less than approximately 800 Daltons场致电离场致电离Field Ionization Field Desorption（FI，FD）电压：电压：7-10 kV；d1 mm；强电场将分子中拉出一个电子；强电场将分子中拉出一个电子；分子离子峰强；分子离子峰强；碎片离子峰少；碎片离子峰少；不适合化合物结构鉴定；不适合化合物结构鉴定；阳极+阴极d1mm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基质辅助激光解析电离Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization(MALDI)Ionisation Methods:MALDIlMatrix Assisted Laser Desorption IonisationlSolid matrix:e.g.dihydroxybenzoic acidlMatrix absorbs energy at l of laser usedlCauses vapourisation of matrix and analytelProton transfer to analyte(or Li,Na,K)lDetection by mass spectrometerlApplicable to MW up to 12,000D andlThermally labile analyteslPolymers and biomoleculeslMinute quantities requiredIonisation Methods:Schematic of A MALDI ChamberlSolid solutionlMatrix/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）RayleighLimitReached+-+-+-+-Evaporation+Charged Droplets试样离子准分子离子Analyte Ions Solvent Ion ClustersSalts/Ion pairsNeutrals+-其他离子电喷雾电离（ESI）电喷雾电离电喷雾电离电喷雾产生多电荷离子，相对分子质量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。R=m/mm为质谱计可分辨的相邻两峰的质量差m为可分辨的相邻两峰的平均质量lSeparate ions according to m/z ratiolFive basic types of analyser:1)Magnetic sector(electrostatic)2)Quadrupole3)Ion traps4)Time of flight5)FTICR质量分析器 Mass AnalysersMass Analysers:Factors to ConsiderlUpper mass limit:lHighest m/z that can be detectedlMay be offset by multiple chargeslResolution:lDistinct signals for similar m/z ratioslTransmission:lRatio of ions reaching detector:ions producedlCostMass Analysers:Resolution(Resolving Power)lAbility to resolve two signals of similar m/zlResolved if valley is 100,000):unlimited mass rangelApplicable to all analytesl Not GC-MS as very low pressures are neededlIon orbits in a circular magnetic fieldl If mv=zBr:ion is trapped in circular pathlFrequency of this oscillation=w wcl wc=zB/m m/z=B/wcl w wc is a measure of m/zlVery high cost:1,000,000lVey few in the worldMass Analysers:Ion Trap Mass AnalyserslType of quadrupole mass analyserlSimilar resolution of 2-4,000lIon is trapped in an electromagnetic fieldlIn a stable oscillationlField strength variedlUnstable oscillation:ion ejected and detectedlVary field strength:scan for all m/zlGenerate mass spectrumlMS-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 DetectionlSample introducedlDIP,GC,LClIon is generatedlEI,CI,FAB,ESI,MALDIlIon is separatedlMagnetic sector,TOF,ion trap,quadrupolelIon must now be detectedl2 Types of detector:lElectron multiplier and scintillation counterIon Detection:Electron MultiplierlIon collides with dynode lBeryllium/copperlCauses emission of electronslRepeated 10-20 timeslCurrent gain 106lCurrent is then measuredlSensitive:single ion detectionlLifetime of 1-2 yearsIon Detection:Scintillation CounterlIon strikes dynodelBeryllium/copperlElectrons then hit phosphorus screenlLight signal amplified by 106lPhotomultiplier tubeslSensitive:single ion detectionlLifetime of approximately 5 years质谱术语 基峰:RI 100,RA 100质荷比:m/z,z=1,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。质谱图质谱图 横坐标为离子的质核比，纵坐标为离子相对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。强度或相对丰度。乙醇的质谱图如下：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 奇电子离子OE+：带单电荷的离子，如 M+,A+,C+在质谱解析中，奇电子离子很重要，因质荷比较小的奇电子离子是由质荷比较大的奇电子离子裂解生成的。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m1231516171820丢失HH2H2,HCH3OOHH2ONH2m=4-14,21-24,37-38通常认为是不合理丢失判断其是否符合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，可能同时生成 M+H,M+2H,M+3H等分子离子峰的相对强度分子离子峰的相对强度(RI 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。大约20%的分子离子峰弱或不出现.其大致规律如下:采用EI:芳香族化合物 共轭多烯 脂环化合物 低分子链烃,某些含硫化合物 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 RI(M+1)/RI(M)100=1.1x+0.37y(2H 0.016,17O 0.04忽略)RI(M+2)/RI(M)100=(1.1x）2/200+0.2w 含硫的样品 32S:33S:34S=100:0.8:4.4RI(M+1)/RI(M)100=1.1x+0.37y+0.8SRI(M+2)/RI(M)100=（1.1x）2/200+0.2w+4.4S 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 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例 设 m/z 154为分子离子峰,154-139=15,合理 m/z 154 155 156 157 RI 100 9.8 5.1 0.5分子中含有S,C数目=(9.80.8)/1.18 H数目=15432128=26不合理 分子式为C8H10OS 例：化合物的质谱图如下，推导其分子式设：分子离子峰：72 7258=14？7358=15 合理 73(1.9/37)100=1.1x+0.37z,z=1,x=5,y=731460=1?z=1,x=4,y=731448=11 合理 分子式分子式 C4H11N,DBE=0例：化合物的质谱图如下，推导其分子式164:166=1:1,164-85=79(Br),164:1661:1,分子中含有1Br,不含氮或含偶数氮。m/z:85 49(100),86 3.2(6.5),87 0.11(0.22)85 C6H13 or C5H9Om/z:164 C6H13Br DBE=0C5H9BrO DBE=1