质谱分析法_药学_.pdf

仪器分析教研室 蔡 春仪器分析教研室 蔡 春Tel:0759-2388591 E-mail:第十九章质谱法第十九章质谱法Mass Spectrometry本章内容本章内容一、概述二、质谱仪三、质谱图及有关概念四、质谱法的应用五、色谱质谱联用技术一、概述二、质谱仪三、质谱图及有关概念四、质谱法的应用五、色谱质谱联用技术质谱的分类质谱的分类质谱质谱无机质谱无机质谱有机质谱有机质谱一、概述一、概述一、概述一、概述501001502002500e35000e37500e3127991433143 557183115189144173221203234基峰基峰强度强度离子质量数离子质量数一、概述一、概述质谱分析法质谱分析法将样品分子转变成气态的离子，然后按照离子的质荷比（将样品分子转变成气态的离子，然后按照离子的质荷比（m/z）大小，对离子进行分离和检测,并作定性或定量分析的方法。）大小，对离子进行分离和检测,并作定性或定量分析的方法。有机质谱有机质谱一、概述一、概述?是定性和定量的有力工具是定性和定量的有力工具?应用面广应用面广?仪器结构复杂,造价高仪器结构复杂,造价高?破坏样品破坏样品一、概述一、概述 质谱法的特点质谱法的特点?1911年:世界第一台质谱装置（1911年:世界第一台质谱装置（J.J.Thomson）?40年代:同位素和无机元素分析40年代:同位素和无机元素分析?50、60年代：有机物分析，GC-MS联用技术50、60年代：有机物分析，GC-MS联用技术?80年代：新的质谱技术出现，基质辅助激光解吸电离源，电喷雾电离源，LC-MS联用仪，富立叶变换质谱仪等.80年代：新的质谱技术出现，基质辅助激光解吸电离源，电喷雾电离源，LC-MS联用仪，富立叶变换质谱仪等.?1922年和2002年1922年和2002年 Nobel price一、概述一、概述 质谱发展史质谱发展史气体扩散直接进样气相色谱液相色谱气体扩散直接进样气相色谱液相色谱电子轰击化学电离电喷雾激光解吸电子轰击化学电离电喷雾激光解吸二、质谱仪二、质谱仪单聚焦双聚焦飞行时间四极杆离子阱单聚焦双聚焦飞行时间四极杆离子阱真空系统真空系统1.分辨率分辨率(Resolution,R)（一）质谱仪的性能指标（一）质谱仪的性能指标分辨率计算例题分辨率计算例题2.质量范围如：质量范围如：2250，10 20000等等（一）质谱仪的性能指标（一）质谱仪的性能指标3.灵敏度灵敏度绝对灵敏度绝对灵敏度二、质谱仪二、质谱仪1.进样系统进样系统?2.离子源离子源?3.质量分析器质量分析器4.检测系统检测系统?5.真空系统真空系统6.数据处理系统数据处理系统（二）质谱仪的基本结构（二）质谱仪的基本结构仪器结构样品分析1.进样系统进样系统?2.离子源离子源 电子电离源 电子电离源(EI)化学电离源（化学电离源（CI）大气压化学电离源 大气压化学电离源(APCI)电喷雾电离源（电喷雾电离源（ESI）基质辅助激光解吸电离 基质辅助激光解吸电离(MALDI)电子电离源电子电离源(Electron Ionization,EI)电子电离源电子电离源(Electron Ionization,EI)EI 源的特点：源的特点：电离效率高,灵敏度高；离子碎片多,有丰富的结构信息有标准质谱图库；但常常没分子离子峰.只适用于易气化、热稳定的化合物。电离效率高,灵敏度高；离子碎片多,有丰富的结构信息有标准质谱图库；但常常没分子离子峰.只适用于易气化、热稳定的化合物。501001502002500e35000e37500e3127991433143 557183115189144173221203234电子轰击电压:电子轰击电压:70eV70eV有机化合物分子的电离电位一般为:有机化合物分子的电离电位一般为:715eV715eVCCOHOHOO CH2CH3OO CH2CH3M=220化学电离源化学电离源（Chemical Ionization，CI）化学电离过程化学电离过程:CH5+M MH+CH4C2H5+M MH+C2H4CH4+CH4 CH5+CH3.CH3+CH4 C2H5+H2CH4+e CH4+CH3+产生的离子:产生的离子:M+H+化学电离源化学电离源（Chemical Ionization，CI）准分子离子峰强准分子离子峰强,可获得分子量信息可获得分子量信息;谱图简单谱图简单;但不能进行谱库检索但不能进行谱库检索,只适用于易气化、热稳定的化合物只适用于易气化、热稳定的化合物。CI 源的特点：源的特点：1001502002500e3500e31000e32212591891272152777314310015717223211787CCOHOHOO CH2CH3OO CH2CH3M=220EI谱与谱与CI谱的比较谱的比较501001502002500e35000e37500e3127991433143 557183115189144173221203234EI谱谱CI谱谱数据处理1001502002500e3500e31000e322125918912721527773143100157 17223211787 大气压化学电离 大气压化学电离(Atmospheric pressure chemical Ionization,APCI)热喷雾(100-120C)，热喷雾(100-120C)，产生准分子离子峰（产生准分子离子峰（M+H+）适用于极性较弱及热稳定化合物的分析适用于极性较弱及热稳定化合物的分析 电喷雾电离源 电喷雾电离源ESI）+-+-+-+-Evaporation+Charged Droplets试样离子准分子离子试样离子准分子离子Analyte IonsSolvent Ion ClustersSalts/Ion pairsNeutrals+-其他离子其他离子 电喷雾电离源（电喷雾电离源（Electron spray Ionization,ESI）产生准分子离子峰（产生准分子离子峰（M+H+;M+Na+;M+K+）适用于极性化合物及热不稳定化合物的分析适用于极性化合物及热不稳定化合物的分析电喷雾电离的谱图电喷雾电离的谱图NHNONHNH2 2 基质辅助激光解吸电离源（基质辅助激光解吸电离源（Matrix asistant laiser desorption ionization，MALDI）特点：特点：软电离，可得到分子量信息适用于蛋白质等大分子的分析软电离，可得到分子量信息适用于蛋白质等大分子的分析基质辅助激光解吸电离谱图基质辅助激光解吸电离谱图OHOSOHOHCH2OHCH2C NHHN(CH2)4CHNHC OCH(CH2)4NHNHC OCO(CH2)2COCH2NHNOFOHSA质谱离子源应用范围质谱离子源应用范围M.W极性极性GC/EI/CIHPLC/APCIHPLC/ESIMALDI电子电离源(EI)化学电离源(CI)大气压化学电离源电喷雾电离源激光辅助解吸电离源原理电子电离源(EI)化学电离源(CI)大气压化学电离源电喷雾电离源激光辅助解吸电离源原理失去电子离子加合离子加合离子加合 离子加合失去电子离子加合离子加合离子加合 离子加合离子类型离子类型分子离子，碎片离子准分子离子准分子离子准分子离子准分子离子分子离子，碎片离子准分子离子准分子离子准分子离子准分子离子应用特点GC/MS？GC/MS？LC/MS？LC/MS？直接进样？直接进样？离子源的特点总结离子源的特点总结1.单、双聚焦质量分析器单、双聚焦质量分析器?2.四极杆质量分析器四极杆质量分析器3.飞行时间质量分析器飞行时间质量分析器4.离子阱质量分析器离子阱质量分析器5.串级质谱串级质谱(两个质量分析器串联两个质量分析器串联)?3.质量分析器质量分析器?3.质量分析器质量分析器?3.质量分析器质量分析器?分辩率高分辩率高?体积大体积大?价格昂贵价格昂贵特点特点:?3.质量分析器质量分析器特点：特点：线性范围宽，重现性好，灵敏度高，低分辨率，相对廉价。线性范围宽，重现性好，灵敏度高，低分辨率，相对廉价。?3.质量分析器质量分析器VU1.当当U/V维持一个定值时，某一维持一个定值时，某一U或或V值对应只有一个离子能稳定通过四极杆；值对应只有一个离子能稳定通过四极杆；2.连续改变连续改变U或或V值，可得到一张全扫描图，此谱图可用于定性；值，可得到一张全扫描图，此谱图可用于定性；3.固定一个或多个固定一个或多个U值，可得到高灵敏度的分析结果，此方法用于定量分析。值，可得到高灵敏度的分析结果，此方法用于定量分析。离子扫描示意图离子扫描示意图离子阱质量分析器离子阱质量分析器(Time of Flight Analyzer,TOF)图离子阱构造原理图1灯丝；2端帽；3换形电极；4电子倍增器；5计算机；6放大器和射频发生器（基本射频电压）；7放大器和射频发生器（附加射频电压）；图离子阱构造原理图1灯丝；2端帽；3换形电极；4电子倍增器；5计算机；6放大器和射频发生器（基本射频电压）；7放大器和射频发生器（附加射频电压）；特点：特点：易实现多级质谱功能，低分 辨率，相对廉价。易实现多级质谱功能，低分 辨率，相对廉价。飞行时间分析器飞行时间分析器(Time of Flight Analyzer,TOF)T=L(m/2eV)1/2特点：特点：质量范围宽，分辨率有高、低两种，价格较贵。质量范围宽，分辨率有高、低两种，价格较贵。串级质谱法串级质谱法空间串级质谱法：空间串级质谱法：两个质量分析器串联两个质量分析器串联,如三重四极杆质谱。如三重四极杆质谱。时间串级质谱法：时间串级质谱法：在一个质量分析器内实现多级质谱分析，如离子阱质谱。在一个质量分析器内实现多级质谱分析，如离子阱质谱。串级质谱法串级质谱法串级质谱法串级质谱法(Tandem mass spectrometry)Fixed m/zPass AllFixed m/zQ1Q3Q2Q0DynodeTurbo4.检测系统检测系统5.真空系统真空系统质谱仪需要在高真空下工作：质谱仪需要在高真空下工作：10-4 10-6 Pa(1)大量氧会烧坏离子源的灯丝；(1)大量氧会烧坏离子源的灯丝；(2)用作加速离子的几千伏高压会引起放电；(2)用作加速离子的几千伏高压会引起放电；(3)引起额外的离子分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化;(3)引起额外的离子分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化;(4)影响灵敏度。(4)影响灵敏度。1-11 Torr=1 mmHg=133.322 Pa 1.质谱图质谱图三、质谱图及有关概念三、质谱图及有关概念2.质谱中的各种离子峰质谱中的各种离子峰_ 分子离子峰分子离子峰?定义:定义:样品分子在高能电子撞击下失去一个电子而形成的离子,记为M样品分子在高能电子撞击下失去一个电子而形成的离子,记为M+。?稳定性:芳香环共轭多烯环状化合物稳定性:芳香环共轭多烯环状化合物2.质谱中的各种离子峰质谱中的各种离子峰_ 分子离子峰分子离子峰?分子离子峰的数值等于相对分子量分子离子峰的数值等于相对分子量?分子离子峰必须符合氮规律分子离子峰必须符合氮规律.N 偶数偶数,M 偶数偶数.N 奇数奇数,M 奇数奇数?含含Cl或或Br原子的分子利用原子的分子利用M和和M+2分子离子峰作判断分子离子峰作判断特点:特点:准分子离子峰准分子离子峰准分子离子峰准分子离子峰 _分子与其它离子加合产生的峰如分子与其它离子加合产生的峰如M+H+、M+Na+、M+K+等。准分子离子常由软电离产生。等。准分子离子常由软电离产生。1001502002500e3500e31000e32212591891272152777314310015717223211787CCOHOHOO CH2CH3OO CH2CH3M=2202.质谱中的各种离子峰质谱中的各种离子峰_软电离方式:软电离方式:CI,APCI,ESI,MALDI碎片离子峰碎片离子峰碎片离子峰碎片离子峰当轰击电子的能量超过分子电离所需的能量(5070eV)时,分子离子处于激发状态,在离子源中其原子之间的一些键还会进一步断裂，产生质量数较低的碎片离子而形成的离子峰当轰击电子的能量超过分子电离所需的能量(5070eV)时,分子离子处于激发状态,在离子源中其原子之间的一些键还会进一步断裂，产生质量数较低的碎片离子而形成的离子峰2.质谱中的各种离子峰质谱中的各种离子峰_重排离子峰重排离子峰2.质谱中的各种离子峰质谱中的各种离子峰_当有机化合物蒸气分子进入离子源受到电子轰击时，按下列方式形成各种类型离子（分子碎片）：当有机化合物蒸气分子进入离子源受到电子轰击时，按下列方式形成各种类型离子（分子碎片）：ABCD +e-ABCD+2e-分子离子 BCD+A+B+A+CD+AB+A +B+ABCD+D+C+AB +CD+C +D+碎碎片片离离子子有机化合物的断裂方式有机化合物的断裂方式断裂断裂ABBA+有机化合物的断裂方式有机化合物的断裂方式1.脂肪族化合物的断裂规律脂肪族化合物的断裂规律2.羧酸、脂和酰胺羧酸、脂和酰胺3.醛和酮醛和酮4.醇、醚和胺醇、醚和胺5.卤化物卤化物6.芳香化合物芳香化合物m/z 105同位素离子峰同位素离子峰2.质谱中的各种离子峰质谱中的各种离子峰_氯氯:35(100%);37(32.5%)溴溴:79(100%);81(98.0%)同位素离子峰同位素离子峰?2.质谱中的各种离子峰质谱中的各种离子峰_M+1峰：峰：M+2峰：峰：666451492928C2H5Cl1581567751BrCH41615m/z RA16 10017 1.181Br79Br35Cl37Cl(32.5%)(98%)四、分子质谱法的应用四、分子质谱法的应用1.相对分子质量的测定相对分子质量的测定2.分子式的测定分子式的测定3.结构的测定结构的测定(一一).定性分析定性分析(二二).定量分析定量分析(主要与色谱仪联用主要与色谱仪联用)1.GC-MS 联用联用2.LC-MS 联用联用定性定量1.相对分子质量的测定相对分子质量的测定2.分子式的测定 高分辨质谱仪 由同位素比求分子式由分子式的测定 高分辨质谱仪 由同位素比求分子式由M,M+1,M+2峰的强度比峰的强度比,查拜诺查拜诺(Beynon)表表(一一).定性分析定性分析3.结构的测定结构的测定 利用标准谱库 利用标准谱库 计算分子的不饱和度 计算分子的不饱和度 分子离子峰的相对强度 碎片离子峰提供的信息 分子离子峰的相对强度 碎片离子峰提供的信息 紫外、红外、核磁谱结合紫外、红外、核磁谱结合n4 四价原子四价原子n3 三价原子三价原子n1 一价原子一价原子1.基本结构基本结构2.常用技术常用技术3.应用例子应用例子五、色谱质谱联用技术五、色谱质谱联用技术1.色谱质谱仪基本结构色谱质谱仪基本结构GC-MS联用仪联用仪质谱仪质谱仪气相色谱仪气相色谱仪气质接口气质接口离子源合离子源合1.色谱质谱仪基本结构色谱质谱仪基本结构100%50%混合组分混合组分GC色谱仪纯组分质谱仪质谱图GC色谱仪纯组分质谱仪质谱图100 200 M/ZGC-MS基本原理基本原理OOHOOH+.+12210577Co1.定性分析定性分析2.色谱质谱仪常用技术色谱质谱仪常用技术1).全扫描全扫描(SCAN)和选择离子和选择离子(select ion methods,SIM)SIMSCAN2.色谱质谱仪常用技术色谱质谱仪常用技术2).质量色谱图质量色谱图(Mass chromatogram,MC)色谱图色谱图MCm/z 328,330MCm/z 3303).多反应监测多反应监测(Multiple reaction monitoring,MRM)MS1CollisionCellMS2StaticCIDStatic?minimises matrix interference?high sensitivity?accurate?reproducible 2.色谱质谱仪常用技术色谱质谱仪常用技术2).多反应监测多反应监测(Multiple reaction monitoring,MRM)MRM vs SIM2.5ppb Vinclozolin in plum extractVinclozolin MRM 285212Vinclozolin SIM 285辣酱油中偶氮染料的分析Chilli Sauce 100 pg/ulTime1.201.401.601.802.002.202.402.602.803.003.203.403.603.804.00%0100苏丹橙 G苏丹红 IV苏丹红 III苏丹红 II苏丹红 I甲基黄应用技术举例应用技术举例应用技术举例应用技术举例13种磺胺药物残留的分析13种磺胺药物残留的分析样品提取液吹干进LC/MS分析样品提取液吹干进LC/MS分析乙腈提取净化加入流动相溶解乙腈提取净化加入流动相溶解检测中草药中检测中草药中100 种杀虫剂种杀虫剂Dichlorvoscis-Mevinphostrans-MevinphosEthoprophosChlorprophamCadusafosPhorate-HCHHexachlorobenzeneDimethoateCarbofuran-HCHDimethipinQuintozeneLindaneDiazinoneChlorothalonilPentachloroanilinePhosphamidonChlorpyriphos-methylVinclozolinParathion-methyl AlachlorCarbarylHeptachlorPirimiphos-methylMPCPSMalathionChlorpyriphosAldrinFenthionParathionFenpropimorfTriadimefonOxychlordaneFipronilHeptachlor epoxideChlorfenvinphosPhenthoateQuinalphosTriadimenolMethidathion-ChlordaneTetrachlorvinphosEndosulfan -ChlordaneProthiofosProfenofosp,p-DDE Dieldrino,p-TDE Cinerin IEndrinNitrofenEndosulfan Fensulfothionp,p-TDE o,p-DDT EthionJasmolin ITriazophosCarbophenothionEndosulfan sulphatep,p-DDTPropargitePiperonylbutoxidePyrethrin IPhosmetBromopropylateFenpropathrinTetradifonPhosalonePhenothrinAzinphos-methylCinerin-II-CyhalothrinAzinphos-ethylAcrinathrinJasmolin IIcis-Permethrintrans-PermethrinProchlorazCyfluthrin ICyfluthrin IICyfluthrin IIICyfluthrin IVCypermethrin ICypermethrin IICypermethrin IIIFlucythrinate ICypermethrin IVEtofenproxFlucythrinate IIFenvalerate IFluvalinateFenvalerate IIDeltamethrin应用技术举例应用技术举例Total Ion Chromatogram(TIC)100 pesticides TIC10pg/l Solvent Standard,2l injected=20pg100 Pesticide Residues本章小结本章小结1.基本概念：质谱分析法、质谱分辨率基本概念：质谱分析法、质谱分辨率2.质谱仪结构：离子源、质量分析器和真空系统质谱仪结构：离子源、质量分析器和真空系统3.常见的离子类型常见的离子类型4.色谱质谱的应用：色谱质谱的应用：TIC,SIM，MRM思考题思考题1.质谱分析法2.质谱仪由哪几部分组成？各部分的作用是什么？（划出质谱仪的方框示意图）3.离子源的作用是什么？试述1.质谱分析法2.质谱仪由哪几部分组成？各部分的作用是什么？（划出质谱仪的方框示意图）3.离子源的作用是什么？试述EI和和CI 离子源的原理及特点离子源的原理及特点4.为何质谱仪需要高真空为何质谱仪需要高真空?5.四极杆质量分析器如何实现质谱图的全扫 描分析和选择离子分析四极杆质量分析器如何实现质谱图的全扫 描分析和选择离子分析?