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质 谱

质 谱. 质谱法是有机物结构分析的最重要方法之一 测定有机物的准确分子量； 提供分子式和其他结构信息； GC － MS ， LC － MS 联用技术解决了复杂 有机混合物的快速分离和定性鉴定； “ 软电离 ” 技术可测定生物大分子准确分子量以及蛋白质中氨基酸序列等； 灵敏度远高于其他结构分析方法。. 什么是质谱. 分子的电离 和碎裂 （离子生成）. 离子按 质荷比分离. 离子的 检测记录.

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质 谱

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Presentation Transcript

  1. 质 谱

  2. 质谱法是有机物结构分析的最重要方法之一 • 测定有机物的准确分子量； • 提供分子式和其他结构信息； • GC－MS，LC－MS联用技术解决了复杂有机混合物的快速分离和定性鉴定； • “软电离”技术可测定生物大分子准确分子量以及蛋白质中氨基酸序列等； • 灵敏度远高于其他结构分析方法。

  3. 什么是质谱 分子的电离 和碎裂 （离子生成） 离子按 质荷比分离 离子的 检测记录 以某种方式使有机分子电离、碎裂，然后按质荷比（m/z）大小将生成的各种离子分离，检测其强度，并依次排列成谱图的形式，这种研究物质的方法叫做质谱（Mass Spectrometry, MS）。各类有机物有其特定的、可以重复的质谱图， 人们已经发现了一些化合物的的裂解规律。

  4. 质谱用于有机物结构解析 图示质谱原理

  5. 质谱的表示方法 基峰 正戊烷的电子轰击质谱图

  6. 正戊烷的电子轰击质谱表 质谱表示方法

  7. 质谱的基本原理和仪器 • 样品的电离---电离方式 • 离子的分离 • 离子的检测与记录 • 质谱仪器的基本结构

  8. 样品的电离 电子轰击电离法（Electron Impact, EI） 利用一定能量的电子与气相中的样品分子相互作用（“轰击”），使分子失去价电子电离成分子离子，当分子离子具有的剩余能量大于其某些化学键的键能时，分子离子便发生碎裂，生成碎片离子。

  9. ABC+ + D · AB+ + C －2e A+ + B ABCD+ · (分子离子) ABC · + D+ AB++CD · AD+ · +BC … 有机分子电离、碎裂示意图 ABCD ＋ e (气态分子) (70eV)

  10. 吡啶的电离效率曲线 轰击电子的能量 大部分有机物的电离电位为 103eV，如： 甲烷为13.1eV 苯为9.24eV 所以分子离子有较多剩余能量，能产生丰富的碎片离子。

  11. 重排离子： 离子碎裂过程中还可能发生原子连接次序的变化，即在断键的同时还有新化学键的生成，如ABCD+ AD+ · +BC中的AD+ · 就是重排离子。 • 注意：如果分子中含有较多弱键，过高的剩余能量将导致分子离子大部分甚至全部断裂，质谱图上将不出现分子离子峰，在这种情况下，一般可采用软电离技术测定其分子离子峰，也可降低轰击电子能量以提高分子离子峰的强度，但是轰击电子能量降低会使总电离效率下降，进而导致灵敏度下降。

  12. EI的特点： • 方法成熟，是经典、常规的有机物电离方法。已积累了数万张标准谱图； • 碎片离子提供丰富的结构信息； • 灵敏度高，能检测纳克（ng）级样品； • 相对其他质谱电离技术，重复性好； • 离子源的结构简单，操作方便，是商品质谱计的基本配置。 • 70eV轰击能量使部分化合物分子离子峰信号太弱或不出现； • 要求样品先气化然后才能电离，限制了应用范围。

  13. 其他电离技术（统称为“软电离技术” ） • 化学电离法（CI） • 场致电离法（FI）和场解吸电离法（FD） • 快原子轰击法(FAB)和二次离子质谱法(SIMS) • 基质辅助激光解吸电离法(MALDI) • 大气压电离法（包括大气压化学电离法(APCI)和电喷雾电离(ESI)）

  14. 脯氨酸的EIMS和CIMS比较 样品的电离 软电离技术的特点： • 用温和的、低能量的方式使分子电离，实现分子量测定的目的，如CI、FI。 • 使液、固样品不经气化直接电离，解决难挥发、热不稳定样品的测定，如FD、FAB等。

  15. 离子的分离原理 • 基于不同质荷比的离子在磁场或电场作用下有不同的行为。 • 分析方法： • 磁偏转质量分析器 • 四极滤质器 • 离子阱质量分析器 • 飞行时间质谱 • 离子回旋共振质谱

  16. 磁偏转质量分析器原理 zV = mv2 /2 （1） Hzv＝ mv2 /R（2） m/z ＝ H2R2 /2V（3）

  17. 分子电离碎裂 离子的生成 离子 按m/z分离 离子检测、记录 离子源 质量分析器 进样系统 离子 检测系统 真空系统 质谱仪器的基本结构

  18. 质谱仪器对真空的要求 • 质谱仪内的气压：10－3～10－5 Pa • 要求高真空的原因： • 避免离子与其他粒子碰撞而改变运动轨道或能量及动量； • 避免发生离子－分子反应； • 防止电子轰击离子源中的灯丝烧断。 • 高真空对进样系统的特殊要求

  19. 质谱仪器的主要性能指标： • 质量范围 m/z • 分辨率 R=M/M 为两个离子的平均质量，为两个离子质 量之差。 • 灵敏度

  20. 质谱仪器中的各种离子 • 分子离子 • 同位素离子 • 碎片离子 • 多电荷离子 • 负离子 • 离子－分子反应产生的离子 • 亚稳离子

  21. 分子离子（M + ·） • 最重要的一种离子，其质荷比为分子量； • 是奇电子离子；是分子失去一个价电子而生成的离子。 • 注意：并非所有的有机物的分子离子都能出现。

  22. 同位素离子 • 由元素的稳定天然同位素产生； • 如存在12C和13C，甲烷就有12CH4 (m/z16) 和13CH4(m/z17)两种不同的分子。 又如35Cl和 37Cl 。 • 质谱仪测定的是离子（由原子组成）的真实质量，而化学家使用的是平均原子量。

  23. 碎片离子 • 由M + ·或碎片离子单分子裂解产生； • 数量多，并提供丰富的结构信息； • 通过裂解机理对其进行研究。

  24. 常规的EI谱图中最常见到的只有七种离子中的三种—分子离子、碎片离子和同位素离子。有许多化合物，如支化度高的烷烃、叔醇、多元醇、缩醛等连分子离子都不出现。常规的EI谱图中最常见到的只有七种离子中的三种—分子离子、碎片离子和同位素离子。有许多化合物，如支化度高的烷烃、叔醇、多元醇、缩醛等连分子离子都不出现。

  25. 正戊烷的 EIMS 谱

  26. 分子离子峰的判别标准 • 必须是谱图中最高质量的离子（不考虑同位素离子）； • 必须是一个奇电子离子； • 质荷比的奇偶性必须符合氮规则； • 有合理的中性丢失； • 其丰度与化合物类型匹配。

  27. 奇电子离子的判别 • 当元素组成已知时，可用环加双键公式判别。 • 环加双键公式： f＝ 1＋n4＋1/2（n3－n1） 如果计算值为整数，则该离子为奇电子离子，计算值为半整数时则为偶电子离子。

  28. 氮规则 • 某化合物中若含偶数个氮原子，其分子离子的质量一定是偶数；若分子中含奇数个氮原子，则其分子量一定是奇数。 例如：CH4 C2H5OH H2NCH2CH2NH2 C6H5Cl NH3 C6H5NH2 CH3SH等。

  29. 合理的中性丢失 • 分子离子与最靠近它的高质量碎片离子之间有一个合理的质量差，如这个质量差在4~14，21~25的区域内，则不合理，原先假定的分子离子是错误的。

  30. 丰度与化合物类型匹配 • 分子离子的丰度主要取决与它的稳定性。 • 各类有机物分子离子稳定性顺序如下： 芳香族化合物、共轭烯烃、脂环化合物、硫醚、直链烃、硫醇、酮、胺、酯、醚、羧酸、支链烃和醇。

  31. 化合物名称 M+·相对强度 /% 化合物名称 M+·相对强度 /% 萘、喹啉 100 正－壬 烷 6 四 氢 萘 90 3－乙基－庚 烷 1 甲基己基硫 醚 45 二 丁 胺 11 4－壬 烯 20 辛 胺 0.5 3－辛 酮 8 庚 酸 0.5 2－辛 酮 3 辛 醇 0.1 二 丁 醚 2 缩 乙 醛 0 一些典型化合物分子离子峰的相对强度

  32. 常见化合物的电子轰击质谱举例

  33. 气相色谱-质谱联用仪 gas chromatograph-mass spectrometer 气相色谱仪的高效分离能力与质谱仪的高灵敏度检测、高鉴别分子结构的能力相结合的一种仪器，它是分析复杂有机混合物的非常有效的工具。它的工作原理是：多组分混合物样品经过色谱柱分离，得到各个单一组分，按保留时间顺序随同载气逐一进入质谱仪的离子源，单组分样品被电离成碎片（离子），经质量分析器和检测器检测，可给出单一组分的质谱图，根据对所得质谱图进行计算机检索和谱图解析的结果，便可以对这些单一组分进行定性、定量分析。

  34. 液相色谱-质谱联用仪 liquid chromatograph-mass spectrometer LC／MS的联用始于70年代，90年代以来，由于大气压电离的成功应用以及质谱本身的发展，液相色谱与质谱的联用，特别是与串联质谱(MS/MS)的联用得到了极大的重视和发展。 LC-MS／MS已成为现代分析手段中必不可少的组成部分。 LC-MS／MS联用的优点非常显著，因为气相色谱只能分离易挥发且不分解的物质，而液相色谱则把分离范围大大拓宽了，生物大分子也能分离，LC与高选择性、高灵敏度的MS／MS结合，可对复杂样品进行实时分析，即使在LC难分离的情况下，只要通过MS1及MS2对目标化合物进行中性碎片扫描，则可发现并突出混和物中的目标化合物，显著提高信噪比。

  35. 在串联质谱方面，目前以四极杆串联质谱为主，它可进行MS1和MS2操作(空间上)。离子阱质谱和傅里叶变换质谱(FT—ICR—MS)亦可完成多级串联质谱分析(时间上)，离子阱质谱通过改变阱里射频场最多可进行10级MS操作，FT-ICR-MS通过离子回旋共振进行多级MS操作。飞行时间质谱(TOF)作为第二个质量分析器，由于其分辨率高、质量范围宽、扫描快和灵敏度高等优点，成为一个重要的发展方向。在串联质谱方面，目前以四极杆串联质谱为主，它可进行MS1和MS2操作(空间上)。离子阱质谱和傅里叶变换质谱(FT—ICR—MS)亦可完成多级串联质谱分析(时间上)，离子阱质谱通过改变阱里射频场最多可进行10级MS操作，FT-ICR-MS通过离子回旋共振进行多级MS操作。飞行时间质谱(TOF)作为第二个质量分析器，由于其分辨率高、质量范围宽、扫描快和灵敏度高等优点，成为一个重要的发展方向。

  36. 毛细管电泳/质谱联用（CE/MS） 芯片/质谱联用Chip/MS） 毛细管电泳（CE）适用于分离分析极微量样品（nl体积）和特定用途（如手性对映体分离等）。CE流出物可直接导入质谱，或加入辅助流动相以达到和质谱仪相匹配。 微流控芯片技术是近年来发展迅速，可实现分离、过滤、衍生等多种实验室技术于一块芯片上的微型化技术，具有高通量、微型化等优点，目前也已实现芯片和质谱联用，但尚未商品化。

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