质谱法

有机波谱中的四大谱紫外光谱UV－－分子中生色团和助色团红外光谱IR－－分子中官能团和化学键核磁共振波谱NMR－－分子中的原子质谱MS－－分子中的结构单元，分子量不属于光谱法质谱法MassSpectrometry，MS教师：谢宝平12units0units8910111213141516massNumberofcounts原子质量单位：Amu,u,Da氢原子：1u=1.6605410-23g12C=12u在非精确测量中，常以原子或分子量大小来表示•质谱：称量离子质量的工具质谱法：应用多种离子化技术，将物质分子转化为各种气态离子并按质荷比m/z大小进行分离其信息，从而进行物质定性、定量分析的方法。质谱法(massspectrometry)质谱法的发展史：第一台质谱装置诞生于1912年，早期主要用于原子质量、同位素相对丰度等。1940年代：商品质谱仪出现；1960年代末：GC-MS联用仪出现。目前质谱技术已发展成为三个分支，即同位素质谱无机质谱有机质谱6质谱法的用途高分辨MS→精确相对分子质量→分子式；离子峰→有机物裂解方法；同位素丰度比及分布特征→分子中C、Cl、Br、S等的原子数；GC-MS、LC-MS→复杂混合物的分离、鉴别和定量。特点：◆MS不属于光谱分析范围◆MS是唯一可以给出分子量，确定分子式的方法◆仪器结构复杂，造价高◆破坏样品◆测定对象广：无机、有机、同位素分析◆分析速度快，可实现色谱-质谱联用◆质谱法进样量少,灵敏度高注意一、质谱法的基本原理离子源轰击带电荷的碎片离子分离记录(m/z)质谱分析样品气化质谱分析过程二、质谱表示法(mainlib)Toluene203040506070809010005010027394145515565747783868991相对丰度(%)m/z甲苯的质谱图基峰棒图：m/z为横座标，基峰（最强离子峰，规定相对强度为100%）相对强度为纵座标。质谱图上可以直观地观察整个分子的质谱全貌，质谱表：以m/z和相对强度列表，可以准确地给出精确的m/z值及相对强度值二、质谱表示法0.40853.20621.40450.10831.40610.10440.90770.10600.10430.10940.30764.20571.10415.40934.40750.10551.10404.60920.90740.705310.7039100.00（基峰）910.10731.50522.40382.10901.40666.40511.00373.908912.10654.10500.20280.40874.30640.60491.70274.50867.40630.90460.5026相对丰度（100%）m/z相对丰度（100%）m/z相对丰度（100%）m/z相对丰度（100%）m/z0.40853.20621.40450.10831.40610.10440.90770.10600.10430.10940.30764.20571.10415.40934.40750.10551.10404.60920.90740.705310.7039100.00（基峰）910.10731.50522.40382.10901.40666.40511.00373.908912.10654.10500.20280.40874.30640.60491.70274.50867.40630.90460.5026相对丰度（100%）m/z相对丰度（100%）m/z相对丰度（100%）m/z相对丰度（100%）m/z甲苯的质谱表元素表：较少用。二、质谱表示法按原理分单聚焦质谱双聚焦质谱四极质谱飞行时间质谱回旋共振质谱按联用方式分气质联用液质联用质质联用质谱仪分类：三、质谱仪器ThermoDSQIIEI质谱仪ThermoMAT95XP双聚焦高分辨质谱仪三、质谱仪器三、质谱仪器1200RRLC/6410BQQQ液质联用仪美国AgilentAutoflexIII临床蛋白芯片飞行时间质谱仪美国Bruker三、质谱仪器QuattroPremierXEUPLC/三重四极杆串联质谱仪美国WATERSThermoScientific™QExactive™GCOrbitrap™GC-MS/MS三、质谱仪器真空系统VacuumSystem进样系统SampleInlet检测器Detector数据处理系统DataSystem质量分析器MassAnalyser离子源IonizationSourcem/z212.0837(M)C14H12O2质谱分子电离、碎裂离子按m/z分离离子检测1.真空系统VacuumSystem离子源(1.3×10-4～1.3×10-5Pa)质量分析器(10-6Pa)主要部件需在高真空下工作，以减少离子碰撞损失。(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；(3)引起额外的离子－分子反应，谱图复杂化。真空度过低，则：低真空高真空带电离子检测器检测器气体分子2.进样系统SampleInlet作用：高效重复地将样品引入到离子源中。要求：大气压下的样品要进入高真空质谱仪，不影响仪器的真空度。间歇式进样系统直接探针进样色谱进样系统间歇式进样系统适于气体、沸点低且易挥发的液体、中等蒸汽压固体。直接探针进样适于热敏性和高沸点液体及固体，引入样品量小，样品蒸汽压可以很低。色谱进样系统利用气相和液相色谱的分离能力，与质谱仪联用，进行多组份复杂混合物分析。2.进样系统SampleInlet3.电离源IonizationSource将欲分析样品电离，得到带有样品信息的离子气相源：先蒸发再激发，适于沸点低、对热稳定的样品的离子化电子轰击源EI、化学电离源CI、火花源SI等。解吸源：固、液态样品直接转化为气相，适用于分子量高达105非挥发性或热不稳定性样品的离子化快原子轰击源FAB、激光解吸源MALDI、电喷雾源ESI等。硬源：离子化能量高，伴有化学键的断裂，谱图复杂，可得到分子官能团的信息；软源：离子化能量低，产生的碎片少，谱图简单，可得到分子量信息。可据分子电离所需能量不同可选择不同电离源3.电离源IonizationSource电子轰击源(electronionizationEI)化学电离源(chemicalionizationCI)快原子轰击(fastatombombardmentFAB)电喷雾源(electronsprayionizationESI)大气压化学电离（atmosphericpressurechemicalionizationAPCI)基质辅助激光解吸电离（matrixassistedlaserDesorptionionizationMALDI)3.电离源IonizationSource电子轰击源(EI)灯丝电子束M+eM++2eM+F++NA++B+N….EI源：可变的离子化能量(10~70eV)，硬电离方式电子能量电子能量分子离子增加碎片离子增加标准质谱图基本都是采用EI源(70eV)获得的电子轰击源结构示意图电子轰击源(EI)高的灵敏度有达10万个化合物的数据库可快速检索可根据碎片方式鉴定未知物从碎片离子判定结构质量范围小有可能汽化前发生解离碎片过多有时看不到分子离子EI的优缺点优点缺点灯丝过流保护电路灯丝电流调控管灯丝供电电源样品电子加速电压加热器及温度控制磁铁电离室离子引出及聚焦透镜磁铁灯丝质量分析器推斥极电子总发射电流反应试剂灯丝过流保护电路灯丝电流调控管灯丝供电电源样品电子加速电压加热器及温度控制磁铁电离室离子引出及聚焦透镜磁铁灯丝质量分析器推斥极电子总发射电流反应试剂反应试剂CI离子源化学电离源(CI)反应气(CH4、异丁烷、氨、He等)CH4+e→CH4++CH3++CH2++CH++C++H+CH4++CH4→CH5++CH3CH3++CH4→C2H5++H2CH5++M→(M+1)++CH4C2H5++M→(M˗1)++C2H6化学电离源(CI)优点：图谱简单；最强峰一般为(M+1)+峰缺点：重现性差，不能制作标准图谱不适用难挥发、热不稳定化合物试样分析得到一系列准分子离子(M+1)+,(M-1)+，(M+29)+等CI源用反应气离子与分子发生反应使其电离，属于软电离方法。CI的优缺点快原子轰击源（FAB）Cu靶氩原子电离电场加速快速离子快速原子电荷交换样品电离轰击样品快原子轰击源（FAB）样品无需加热气化，适于分析大分子量、难气化、热稳定性差的样品。如肽类、低聚糖、天然抗生素等。特点：•软电离方式，有较强的准分子离子峰；•有较丰富的结构信息；•影响因素多，重现性差。电喷雾源(ESI)特点：易形成多电荷离子分子量10000Da的分子带有10个电荷质荷比只有1000Da适于分析极性强的大分子有机物，如蛋白、肽、糖。用于HPLC-MS联用仪。固体样品液体样品气体样品EICIAPCIMALDIESIAPPI转化成溶液转化成固体转化成气体根据待分析物的化学性质根据待分析物的化学性质3.电离源IonizationSource•GCEI：电子电离源，最常用的气相离子源，有标准谱库CI：化学电离源，可获得准分子离子。PCI，NCI•LCESI：电喷雾源，最常用的液相离子源，适用于极性较强的化合物，可用于热不稳定化和物的分析APCI：大气压化学电离源，适用于中等极性或弱极性的小分子量化合物，尤其是含杂原子的化合物，不适合热不稳定或在溶液中容易电离的化合物APPI：大气压光电离源，适用于弱极性化合物，如多环芳烃等MALDI：基质辅助激光解吸电离，适合于分析生物大分子，主要与TOF联用3.电离源IonizationSource将离子源产生的离子按m/z顺序分开并排列成谱。4.质量分析器质量分析器类型：磁分析器、四极杆、飞行时间、离子捕获、离子回旋等。单聚焦型磁分析器：方向聚焦：m/z相同,入射方向不同的离子聚焦分辨率较低：一般为5000m/z相同而动能(或速度)不同的离子不能聚焦仪器R固定，H不变，改变加速电压V由小至大，离子m/z由大至小进入检测器双聚焦型磁分析器方向聚焦：相同m/z，入射方向不同的离子会聚能量聚焦：相同m/z，速度(能量)不同的离子会聚分辨率高，目前高分辨质谱仪中最常用质量分析器四级杆质量分析器目前低分辨质谱仪最常用的分析器。优点：较低的真空度下工作；扫描速度快，有利于与色谱仪联用；结构简单、自动化程度高。缺点：分辨率低；质量范围窄，10～1000Da不能提供亚稳离子信息。5、检测器1)Faraday杯可检测10-15A的离子流，但不适于高加速电压下的离子检测。2）电子倍增器：类似光电倍增管，可测10-18A电流。3）微通道板检测器：记录离子的数目。分辨率：分开相邻质量的能力：R=M/M6、质谱仪主要性能指标h/10hmm+m分辨率相邻两峰峰谷高10%基本分开标志如仪器能分开质量为27.9949和28.0061峰高分辨率质谱仪：分辨率大于10000（小数点后5位）低分辨率质谱仪：分辨率小于10006、质谱仪主要性能指标质量准确度(质量精度)：实测值与理论值相对误差为离子质量的整数质量精度＝m)(1060ppmmMM质量精度一般应小于10ppm才能满足定性分析要求6、质谱仪主要性能指标质量范围：有效测量的离子质荷比范围10~几千不同仪器：四极杆：4000Da离子阱质谱：4000Da磁质谱：10000Da傅立叶变换离子回旋共振质谱仪（FT-MS）50000Da飞行时间质谱：无上限不同要求：气相色谱：800Da液相质谱：2000Da生物分子：10000Da或更大三、质谱中的主要离子分子离子、同位素离子、碎片离子、重排离子、亚稳离子等分子离子碎片离子重排裂解碰撞裂解分子离子分子电离一个电子形成的离子。分子离子的质量与化合物相对摩尔质量相等。M－e→M·+M·+:分子离子奇数个电子谱图最右端确定分子量有机物杂原子S，O，P，N等上的n电子对最易失去，其次是电子，后是电子。碎片离子