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1、质谱法是有机物结构分析的最重要方法之一第1页，共39页，编辑于2022年，星期二n质谱法是有机物结构分析的最重要方法之一质谱法是有机物结构分析的最重要方法之一n 测定有机物的准确分子量；测定有机物的准确分子量；n 提供分子式和其他结构信息；提供分子式和其他结构信息；n GCMS，LCMS联用技术解决了复杂联用技术解决了复杂有机混合物的快速分离和定性鉴定；有机混合物的快速分离和定性鉴定；n “软电离软电离”技术可测定生物大分子准确分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；子量以及蛋白质中氨基酸序列等；n 灵敏度远高于其他结构分析方法。灵敏度远高于其他结构分析方法。第2页，共39页
2、，编辑于2022年，星期二 以某种方式使有机分子电离、碎裂，然后按质荷比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）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列成谱图的形式，这种研究物质的方法叫做质谱质谱（Mass Spectrometry,MS MS）。）。各类有机物有其特定的、可以重复的各类有机物有其特定的、可以重复的质谱图，质谱图，人们已经发现了一些化合物的的裂解规律。人们已经发现了一些化合物的的裂解规律。分子的电离分子的电离和碎裂和碎裂（离子生成）（离子生成）离子按离子按质荷比分离质荷比
3、分离离子的离子的检测记录检测记录什么是质谱什么是质谱第3页，共39页，编辑于2022年，星期二图示质谱原理图示质谱原理质谱用于有机物结构解析质谱用于有机物结构解析第4页，共39页，编辑于2022年，星期二正戊烷的电子轰击质谱图正戊烷的电子轰击质谱图基峰基峰质谱的表示方法质谱的表示方法第5页，共39页，编辑于2022年，星期二质谱表示方法质谱表示方法正戊烷的电子轰击质谱表正戊烷的电子轰击质谱表第6页，共39页，编辑于2022年，星期二 质谱的基本原理和仪器质谱的基本原理和仪器v样品的电离样品的电离-电离方式电离方式v离子的分离离子的分离v离子的检测与记录离子的检测与记录v质谱仪器的基本结构质谱仪
4、器的基本结构第7页，共39页，编辑于2022年，星期二样品的电离样品的电离 电子轰击电离法（电子轰击电离法（Electron Impact,EI）利用利用一定能量一定能量的电子与的电子与气相中气相中的样品分子相互的样品分子相互作用（作用（“轰击轰击”），使分子失去价电子电离成），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，某些化学键的键能时，分子离子便发生碎裂，生成碎片离子生成碎片离子。第8页，共39页，编辑于2022年，星期二 ABCD e(气态分子气态分子)(70eV)A+B ABCD+(分子
5、离子分子离子)2eABC+D AB+CABC +D+AB+CD AD+BC有机分子电离、碎裂示意图有机分子电离、碎裂示意图第9页，共39页，编辑于2022年，星期二吡啶的电离效率曲线吡啶的电离效率曲线 大部分有机物大部分有机物的电离电位为的电离电位为 1010 3eV3eV，如：，如：甲烷为甲烷为13.1eV13.1eV苯为苯为9.24eV9.24eV 所以分子离子所以分子离子有较多剩余能量，有较多剩余能量，能产生丰富的碎能产生丰富的碎片离子。片离子。轰击电子的能量轰击电子的能量第10页，共39页，编辑于2022年，星期二重排离子：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
6、的同时还有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，如新化学键的生成，如ABCD+AD+BC中的中的AD+就是重排离子。就是重排离子。p注意：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
7、效率下降，进而导致灵敏度下降。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。第11页，共39页，编辑于2022年，星期二v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；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；v碎片离子提供丰富的结构信息；碎片离子提供丰富的结构信息；v灵敏度高，能检测纳克（灵敏度高，能检测纳克（ngng）级样品；）级样品；v相对其他质谱电离技术，重复性好；相对其他质谱电离技术，重复性好；v离子源的结构简单，操作方便，是商品质谱计的基本配置。离子源的结构简单，操作方便，是商品质谱计的基本配置。v70eV70eV轰击能量
8、使部分化合物分子离子峰信号太弱或不出现；轰击能量使部分化合物分子离子峰信号太弱或不出现；v 要求样品先气化然后才能电离，限制了应用范围要求样品先气化然后才能电离，限制了应用范围。EI的特点：的特点：第12页，共39页，编辑于2022年，星期二 其他电离技术其他电离技术 （统称为统称为“软电离技术软电离技术”）v化学电离法（化学电离法（CICI）v场致电离法（场致电离法（FIFI）和场解吸电离法）和场解吸电离法（FDFD）v快原子轰击法快原子轰击法(FAB)(FAB)和二次离子质谱法和二次离子质谱法(SIMS)(SIMS)v基质辅助激光解吸电离法基质辅助激光解吸电离法(MALDI)(MALDI)
9、v大气压电离法（包括大气压化学电离法大气压电离法（包括大气压化学电离法(APCI)(APCI)和电喷雾电离和电喷雾电离(ESI)(ESI)）第13页，共39页，编辑于2022年，星期二样品的电离脯氨酸的脯氨酸的EIMS和和CIMS比较比较v 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。v 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，如定，如FD、FAB等。等。软电离技术的特点：软电离技术的特点：第14页，共39页，编辑于2022年，星期
10、二离子的分离原理离子的分离原理n基于不同质荷比的离子在磁场或电场作用下有不同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。的行为。n分析方法：分析方法：n磁偏转质量分析器磁偏转质量分析器 n四极滤质器四极滤质器 n离子阱质量分析器离子阱质量分析器 n飞行时间质谱飞行时间质谱n离子回旋共振质谱离子回旋共振质谱第15页，共39页，编辑于2022年，星期二 zV=mv2/2 （1）Hzv mv2/R （2）m/z H2R2/2V （3）磁偏转质量分析器原理磁偏转质量分析器原理第16页，共39页，编辑于2022年，星期二质量分析器质量分析器 离子离子检测系统检测系统真空系统真空系统进样系统进样系
11、统离子源离子源离子离子按按m/zm/z分离分离离子检测、离子检测、记录记录分子电离碎裂分子电离碎裂离子的生成离子的生成质谱仪器的基本结构质谱仪器的基本结构第17页，共39页，编辑于2022年，星期二质谱仪器对真空的要求质谱仪器对真空的要求v质谱仪内的气压：质谱仪内的气压：10103 310105 5 PaPav要求高真空的原因：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避免离子与其他粒子碰撞而改变运动轨道或能量及动量；或能量及动量；避免发生离子分子反应；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防止电子轰击离子源中的灯丝烧断。v高真空对进样系统的特殊要求高真空对进样系统的
12、特殊要求第18页，共39页，编辑于2022年，星期二质谱仪器的主要性能指标：质谱仪器的主要性能指标：v质量范围质量范围 m/zv分辨率分辨率 R=M/M 为两个离子的平均质量，为两个离子质为两个离子的平均质量，为两个离子质 量之差。量之差。v灵敏度灵敏度第19页，共39页，编辑于2022年，星期二质谱仪器中的各种离子质谱仪器中的各种离子n分子离子分子离子n同位素离子同位素离子n碎片离子碎片离子n多电荷离子多电荷离子n负离子负离子n离子分子反应产生的离子离子分子反应产生的离子n亚稳离子亚稳离子第20页，共39页，编辑于2022年，星期二分子离子（分子离子（M+）v 最重要的一种离子，其质荷比为分
13、子量；最重要的一种离子，其质荷比为分子量；v 是奇电子离子；是分子失去一个价电子是奇电子离子；是分子失去一个价电子而生成的离子。而生成的离子。v 注意：并非所有的有机物的分子离子都能注意：并非所有的有机物的分子离子都能出现。出现。第21页，共39页，编辑于2022年，星期二同位素离子同位素离子v 由元素的稳定天然同位素产生；由元素的稳定天然同位素产生；v 如存在如存在 12C和和 13C，甲烷就有，甲烷就有 12CH4(m/z16)和和 13CH4(m/z17)两种不同的分子。两种不同的分子。又如又如 35Cl和和 37Cl。v 质谱仪测定的是离子（由原子组成）的真质谱仪测定的是离子（由原子组
14、成）的真实质量，而化学家使用的是平均原子量。实质量，而化学家使用的是平均原子量。第22页，共39页，编辑于2022年，星期二碎片离子碎片离子v 由由M+或碎片离子单分子裂解产生；或碎片离子单分子裂解产生；v 数量多，并提供丰富的结构信息；数量多，并提供丰富的结构信息；v 通过裂解机理对其进行研究。通过裂解机理对其进行研究。第23页，共39页，编辑于2022年，星期二常规的常规的EI谱图中最常见到的只有七种离子中的三种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分子离子、碎片离子和同位素离子。有许多化合物，。有许多化合物，如支化度高的烷烃、叔醇、多元醇、缩醛等连分子离如支化
15、度高的烷烃、叔醇、多元醇、缩醛等连分子离子都不出现。子都不出现。第24页，共39页，编辑于2022年，星期二正戊烷的正戊烷的 EIMS 谱谱第25页，共39页，编辑于2022年，星期二n分子离子峰的判别标准分子离子峰的判别标准v 必须是谱图中最高质量的离子（不考虑必须是谱图中最高质量的离子（不考虑同位素离子）；同位素离子）；v 必须是一个奇电子离子；必须是一个奇电子离子；v 质荷比的奇偶性必须符合氮规则；质荷比的奇偶性必须符合氮规则；v 有合理的中性丢失；有合理的中性丢失；v 其丰度与化合物类型匹配。其丰度与化合物类型匹配。第26页，共39页，编辑于2022年，星期二奇电子离子的判别奇电子离子
16、的判别v当元素组成已知时，可用环加双键公式当元素组成已知时，可用环加双键公式判别。判别。v环加双键公式：环加双键公式：f 1n41/2（n3n1）如果计算值为整数，则该离子为奇电子离子，计算如果计算值为整数，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。值为半整数时则为偶电子离子。第27页，共39页，编辑于2022年，星期二 氮规则氮规则v某化合物中若含偶数个氮原子，其分子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。数个氮原子，则其分子量一定是奇数。例如：例如：CH4 C2H5OH H2NCH2
17、CH2NH2 C6H5Cl NH3 C6H5NH2 CH3SH等。等。第28页，共39页，编辑于2022年，星期二合理的中性丢失合理的中性丢失v分子离子与最靠近它的高质量碎片离子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，如这个质量之间有一个合理的质量差，如这个质量差在差在414，2125的区域内，则不合理，的区域内，则不合理，原先假定的分子离子是错误的。原先假定的分子离子是错误的。第29页，共39页，编辑于2022年，星期二丰度与化合物类型匹配丰度与化合物类型匹配v 分子离子的丰度主要取决与它的稳定分子离子的丰度主要取决与它的稳定性。性。v各类有机物分子离子稳定性顺序如下：各类
18、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、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、硫醚、直链烃、硫醇、酮、胺、酯、醚、羧酸、支链烃和醇。醚、羧酸、支链烃和醇。第30页，共39页，编辑于2022年，星期二 化合物名称化合物名称M+相对强度相对强度/%化合物名称化合物名称M+相对强度相对强度/%萘、喹啉萘、喹啉100正壬正壬 烷烷6四四 氢氢 萘萘903乙基庚乙基庚 烷烷1甲基己基硫甲基己基硫 醚醚45二二 丁丁 胺胺114壬壬 烯烯20辛辛 胺胺0.53辛辛 酮酮8庚庚 酸酸0.52辛辛 酮酮3辛辛 醇醇0.1二二 丁丁 醚醚2缩缩 乙乙 醛醛
19、0一些典型化合物分子离子峰的相对强度一些典型化合物分子离子峰的相对强度第31页，共39页，编辑于2022年，星期二常见化合物的电子轰击质谱举例常见化合物的电子轰击质谱举例第32页，共39页，编辑于2022年，星期二第33页，共39页，编辑于2022年，星期二第34页，共39页，编辑于2022年，星期二第35页，共39页，编辑于2022年，星期二气气相相色色谱谱仪仪的的高高效效分分离离能能力力与与质质谱谱仪仪的的高高灵灵敏敏度度检检测测、高高鉴鉴别别分分子子结结构构的的能能力力相相结结合合的的一一种种仪仪器器，它它是是分分析析复复杂杂有有机机混混合合物物的的非非常常有有效效的的工工具具。它它的的
20、工工作作原原理理是是：多多组组分分混混合合物物样样品品经经过过色色谱谱柱柱分分离离，得得到到各各个个单单一一组组分分，按按保保留留时时间间顺顺序序随随同同载载气气逐逐一一进进入入质质谱谱仪仪的的离离子子源源，单单组组分分样样品品被被电电离离成成碎碎片片（离离子子），经经质质量量分分析析器器和和检检测测器器检检测测，可可给给出出单单一一组组分分的的质质谱谱图图，根根据据对对所所得得质质谱谱图图进进行行计计算算机机检检索索和和谱谱图图解解析析的的结结果，便可以对这些单一组分进行定性、定量分析。果，便可以对这些单一组分进行定性、定量分析。气相色谱气相色谱-质谱联用仪质谱联用仪 gas chromat
21、ograph-mass spectrometer第36页，共39页，编辑于2022年，星期二LCMS的联用始于的联用始于70年代，年代，90年代以来，由于大气压电离的成功应用以及质谱年代以来，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)的联用得到了的联用得到了极大的重视和发展。极大的重视和发展。LC-MSMS已成为现代分析手段中必不可少的组成部分。已成为现代分析手段中必不可少的组成部分。LC-MSMS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联用的优点非常显著，因为气相色谱只能
22、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，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、与高选择性、高灵敏度的高灵敏度的MSMS结合，可对复杂样品进行实时分析，即使在结合，可对复杂样品进行实时分析，即使在LC难分离的情难分离的情况下，只要通过况下，只要通过MS1及及MS2对目标化合物进行中性碎片扫描，则可发现并突出混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。和物中的目标化合物，显著提高信噪比。液相色谱液相色谱-质谱联用仪质谱联用仪 liquid chromatograph-mass spe
23、ctrometer第37页，共39页，编辑于2022年，星期二在串联质谱方面，目前以四极杆串联质谱为主，它可进行在串联质谱方面，目前以四极杆串联质谱为主，它可进行MS1和和MS2操作操作(空间上空间上)。离子阱质谱和傅里叶变换质谱。离子阱质谱和傅里叶变换质谱(FTICRMS)亦可完成多级串联质谱分析亦可完成多级串联质谱分析(时间上时间上)，离子阱质谱通过改变阱，离子阱质谱通过改变阱里射频场最多可进行里射频场最多可进行10级级MS操作，操作，FT-ICR-MS通过离子回旋共通过离子回旋共振进行多级振进行多级MS操作。飞行时间质谱操作。飞行时间质谱(TOF)作为第二个质量分析器，作为第二个质量分析
24、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。一个重要的发展方向。第38页，共39页，编辑于2022年，星期二毛细管电泳（毛细管电泳（CE）适用于分离分析极微量样品（）适用于分离分析极微量样品（nl体积）和特定体积）和特定用途（如手性对映体分离等）。用途（如手性对映体分离等）。CE流出物可直接导入质谱，或加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。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。前也已实现芯片和质谱联用，但尚未商品化。毛细管电泳毛细管电泳/质谱联用（质谱联用（CE/MS）芯片芯片/质谱联用质谱联用Chip/MS）第39页，共39页，编辑于2022年，星期二