质谱原理与应用

有机质谱原理、解析与应用有机质谱结构解析有机质谱裂解原理质谱仪器与工作原理质谱分析概述主要内容1.1方法概述质谱分析法就是通过对被测样品离子的质荷比的测定来获得物质分子量的一种分析方法。而把化合物分子用一定方式裂解后生成的各种离子，按其质量大小排列而成的图谱称为质谱。第一部分质谱分析概述质谱就是把化合物分子用一定方式裂解后生成的各种离子，按其质量大小排列而成的图谱。第一部分质谱分析概述1.2发展历史1912年Thomson研制第世界上一台质谱仪1919年Aston精密仪器，测定50多种同位素1940年应用于石油、化工等领域1946年飞行时间质谱(Time-offlightmassanalysis)1953年四极杆分析器(Quadrupoleanalyzers)1956年气相色谱-质谱联用(GC/MS)高分辨质谱仪(High-resolutionMS)第一部分质谱分析概述1966年化学电离(Chemicalionization)1967年串联质谱(Tandemmassspectrometry)1973年液相色谱-质谱联用(LC/MS)，热喷雾方法1974年傅立叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR-MS)1981年快原子轰击电离质谱(FABMS)，1.2发展历史第一部分质谱分析概述质谱：称量离子质量的特殊天平。第二部分质谱仪器与工作原理2.1质谱基本原理质谱分析法就是通过测定被测样品离子的质荷比来获得物质分子量的一种分析方法。第二部分质谱仪器与工作原理质谱分析法主要是通过对样品离子质荷比的分析而实现对样品进行定性和定量的一种方法电离装置把样品电离为离子质量分析装置把不同质荷比的离子分开经检测器检测之后可以得到样品的质谱图第二部分质谱仪器与工作原理质谱同位素质谱生物质谱结构鉴定、定量分析化学、化工环境、地球药学、毒物学、刑侦生命、医学、农业科学有机质谱无机质谱2.2质谱分类第二部分质谱仪器与工作原理2.3质谱仪组成进样系统离子源质量分析器检测器1.气体扩散2.直接进样3.气相色谱1.电子轰击2.化学电离3.场致电离4.激光1.单聚焦2.双聚焦3.飞行时间4.四极杆显示真空系统离子源和质量分析器的压力在10–4~10–6Pa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。为了获得离子的良好分离和分析效果，避免离子损失，凡有样品分子及离子存在和通过的地方，必须处于真空状态。2.3.1真空系统第二部分质谱仪器与工作原理2.3.2进样系统（SampleIntroduction）要求：大气压下的样品在不破坏真空度的情况下，使样品进入离子源方式：直接进样色谱进样（气相色谱及液相色谱）第二部分质谱仪器与工作原理2.3.3离子源（IonSource）功能：将进样系统引入的气态样品分子转化成离子；硬电离软电离第二部分质谱仪器与工作原理电子电离ElectronIonization,EI化学离子ChemicalIonization,CI场电离，场解吸FieldIonizationFD,FieldDesorptionFD快原子轰击FastAtomBombardment,FAB基质辅助激光解析电离Matrix-AssistedLaserDesorptionIonization,MALDI电喷雾电离ElectrosprayIonization,ESI大气压化学电离AtmosphericPressureChemicalIonization,APCI2.3.3离子源（IonSource）第二部分质谱仪器与工作原理1电子电离源(ElectronIonizationEI)第二部分质谱仪器与工作原理M+eM++2eMmoleculeeM+emolecularionaradicalcationelectronFragments1电子电离源(ElectronIonizationEI)第二部分质谱仪器与工作原理M+(M-R2)+(M-R3)+MassSpectrometer(M-R1)+1电子电离源(ElectronIonizationEI)第二部分质谱仪器与工作原理1电子电离源(ElectronIonizationEI)电子能量电子能量分子离子增加碎片离子增加对于易电离的物质降低电子能量，而对于难电离的物质则加大电子能量。第二部分质谱仪器与工作原理•是应用最普遍，发展最成熟的电离方法。•标准质谱图基本都是采用EI源得到的。•常用轰击电压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。1电子电离源(ElectronIonizationEI)第二部分质谱仪器与工作原理高能电子束（100~240eV）轰击离子室内的反应气（甲烷等；10~100Pa，样品的103~105倍），产生初级离子，再与试样分子碰撞，产生准分子离子。2化学电离源(ChemicalIonizationCI)CH4+e→CH4+·+2e(46%)CH3+(39%)CH2+·(7%)第二部分质谱仪器与工作原理初级离子: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。第二部分质谱仪器与工作原理2化学电离源(ChemicalIonizationCI)准分子离子[QM]+M+CH5+→[MH]++CH4M+C2H5+→[MH]++C2H4M+C2H5+→[MH]++C2H6第二部分质谱仪器与工作原理最强峰为准分子离子;谱图简单;不适用难挥发试样++气体分子试样分子+准分子离子电子M+H,MH,M+17,M+292化学电离源(ChemicalIonizationCI)第二部分质谱仪器与工作原理电压：107-108V/cm；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；阳极+++++++++++++阴极d1mm3场电离(FieldIonization,FI)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。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。3场解吸（FieldDesorption，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(atomgun)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4快原子轰击(FastAtomBombardment,FAB)第二部分质谱仪器与工作原理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（MH–H2O）,289(MMH–H2O)的峰。4快原子轰击(FastAtomBombardment,FAB)利用不同离子源获得的质谱图OCH2OHHOHOHHHOHOH4快原子轰击(FastAtomBombardment,FAB)m/z295为(M+Na)+峰，273为(M＋H)+峰，均为准分子离子峰；图中的其它强峰m／e107、136、154、289等来自甘油或间硝基苄醇，可用空白谱消除。4快原子轰击(FastAtomBombardment,FAB)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。5基质辅助激光解析电离(MALDI)样品置于涂有基质的样品靶上，一定波长的脉冲式激光照射到样品靶上，基质分子吸收激光能量，与样品分子一起蒸发到气相并使样品分子电离。常用的基质有2,5二羟基苯甲酸、芥子酸、烟酸、α-氰基-4-羟基肉桂酸等。特别适合于飞行时间质谱仪(TOF)，组成MALDI-TOF。MALDI属于软电离技术，它比较适合于分析生物大分子，如肽、蛋白质、核酸等。得到的质谱主要是分子离子，准分子离子。碎片离子和多电荷离子较少。5基质辅助激光解析电离(MALDI)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6电喷雾电离(ElectronsprayIonization,ESI)6电喷雾电离(ElectronsprayIonization,ESI)++++++++++-----++++++++++-----++++++--++++++--蒸发++带电小液滴试样离子准分子离子++++++++--其他离子通常没有碎片离子峰，只有整体分子的峰小分子得到带单电荷的准分子离子生物大分子得到多种多电荷离子适合于分析极性强的大分子有机化合物可以得到正离子质谱或负离子质谱6电喷雾电离(ElectronsprayIonization,ESI)7大气压化学电离源(AtmosphericpressurechemicalIonization,APCI）在APCI喷咀的下游放置一个针状放电电极，通过放电电极的高压放电，使空气中某些中性分子电离，产生H3O+，N2+，O2+和O+等离子，溶剂分子也会被电离，这些离子与样品分子进行离子-分子反应，使样品分子离子化。适合于分析弱极性的小分子化合物，得到样品分子的准分子离子峰7大气压化学电离源(AtmosphericpressurechemicalIonization,APCI）2.3.4质量分析器（Massanalyzer）①扇形磁场质量分析器；Magnetic-Sector②四极杆质量分析器；Quadrupole③离子阱质量分析器；IT(IonTrap)④飞行时间质量分析器；TOF(TimeOfFlight)⑤傅里叶变换离子回旋共振(FouriertransformIonCyclotronResonancemassspectrometer,FTICR)第二部分质谱仪器与工作原理1单聚焦磁场分析器式中，m-离子质量,amuZ-离子电荷量，以电子的电荷量为单位V-离子加速电压，VB-磁感应强度，T相同m/z的离子，速度相同，色散角不同，经磁场偏转后，会重新聚在一点上。即静磁场具有方向聚焦，称之单聚焦。收集器离子源BS1S2磁场R方向聚焦；相同质荷比，入射方向不同的离子会聚；分辨率不高1单聚焦磁场分析器只有一扇形磁场的质量分析器又称为磁分析器。1单聚焦磁场分析器双聚焦由静电分析器和磁分析器组成，静电分析器由两个同心圆板组成，两圆板之间保持一定的电位差(E)。2双聚焦磁场分析器优点:分辨率高;缺点:扫描速度慢，操作、调整比较困难,体积大,而且仪器造价也比较昂贵。四极质谱结构简单，价廉，体积小，易操作，无磁滞现象，扫描速度快，适合于GC-MS,LC-MS。分辨率不高。3四级杆质量分析器4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离子飞出阱到检测器；4离子阱质量分析器优点•单一的离子阱可实现多级串联质谱（MS）n•结构简单，性价比高•灵敏度高•质量范围大缺点•质谱图与标准谱图有差别TOFMS的核心部分是一个无场的离子漂移管加速后的离子具有相同的动能zVmv2212/1)2(mzVv4飞行时间质量分析器(Timeofflightanalyzer)m/z小的离子，漂移运动的速度快，最先通过漂移管，到达检测器。m/z大的离子，漂移运