质谱

质谱MassSpectrometry刘和文SpectrometryNOTSpectroscopySpectroscopyn.光谱学,波谱学,光谱仪Spectrometryn.度谱术，质谱计Spectrometry:SpectrometerAbbreviatedto:Massspec.orMS范围光区光谱类型跃迁类型10-4～10-2nm-rayMossbauer谱核能级跃迁10-2～1nmX-rayX-光电子能谱核内层电子能级100～400nm紫外光区紫外光谱核外层电子（价400～800nm可见光区可见光谱电子或非键电子)2.5～25m红外光区红外光谱分子振动-转动(4000～400cm-1)～1cm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）50～500cm射频区核磁共振谱核自旋能级(600～60MHz,无线电波区）（磁诱导）光波与光谱的关系E.DHoffmam,J.Charette,V.Stroobant,MassSpectrometry,PrenciplesandApplications,JohnWiley&Sons,1996.F.W.McLafferty:InterpretationofMassSpectra,3rdedMillValley: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：质谱例m/z15294357859911314271MSidentifiesanalytesby:ProducinggasphaseionsSeparatingtheseionsaccordingtom/zratioDetectingtheionsSensitive:Detectattomoleconcentrations1898W.Wien发现带正电荷的离子束在磁场中发生偏转。1910J.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。1919F.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Sampleinlet质谱计框图IonisationsourceIonseparationDetectorOutput离子源和质量分析器的压力在10–4~10–5Pa和10–5~10–6Pa。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。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。SampleIntroduction:DirectInsertionProbe(DIP)VacuumsealsCeramictipSampleDirectinsertionprobeConceptuallyveryeasy,practicallyverytrickySampleIntroduction:GasChromatography-MS(GC-MS)Vacuumpump+HefromGCSampleSampleHeToMSGCoutputtomassspectrometerSamplealreadyingasphaseSampleIntroduction:LiquidChromatography-MS(LC-MS)DirectinfusionofsampleinsolutionSyringepump:slowsteadyinfusionOutputfromHPLCSeparationandidentificationofcomponentsVastmajorityofsolutionissolventMustremovesolventto“see”analyteHistorically:extrapumpingandheatingApplicabletoelectrosprayionisationESI:seelater电子轰击电离ElectronImpactIonization,EI化学离子化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,APCI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ElectronImpact（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；10~100Pa，样品的103~105倍），电子（100~240eV）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；++气体分子试样分子+准分子离子电子(M+1)+;(M+17)+;(M+29)+;化学电离（ChemicalIonization，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+·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+CH5+→[MH]++CH4M+C2H5+→[MH]++C2H4M+C2H5+→[MH]++C2H6IonisationMethods:ChemicalIonisation(CI)SofterthanEI:muchlessfragmentationMethaneionisedbyEI:OthergasesmaybeusedRelativelyhighpressure0.5mmHgBimolecularcollisionsCH5+behavesas“superacid”CH4.+CH4EICH3.CH5++CH4IonisationMethods:ChargeTransferinCICH5+protonatessample:e.g.Massdetectedis[M+H]+Notaradicalcation:c.f.EIEI&CI:applicabletolowMWanalytesi.elessthanapproximately800DaltonsR3C-OHCH5++R3C-+OH2CH4+Detected场致电离FieldIonizationFieldDesorption（FI，FD）电压：7-10kV；d1mm；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(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快原子轰击FastAtomBombardment（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（MH–H2O）,289(MMH–H2O)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Matrix-AssistedLaserDesorptionIonization(MALDI)IonisationMethods:MALDIMatrixAssistedLaserDesorptionIonisationSolidmatrix:e.g.dihydroxybenzoicacidMatrixabsorbsenergyatloflaserusedCausesvapourisationofmatrixandanalyteProtontransfertoanalyte(orLi,Na,K)DetectionbymassspectrometerApplicabletoMWupto12,000DandThermallylabileanalytesPolymersandbiomoleculesMinutequantitiesrequiredIonisationMethods:SchematicofAMALDIChamberSolidsolutionMatrix/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++ChargedDroplets试样离子准分子离子AnalyteIonsSolventIonClustersSalts/IonpairsNeutrals++++++++