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1、有机分析课程内容安排第一章 有机分析简介第二章 有机质谱第三章 核磁共振第四章 红外及拉曼光谱第五章 紫外光谱第六章 结构综合分析第二章 有机质谱质谱概述质谱仪及其原理有机化合物的质谱反应及机理各类化合物的质谱特征有机化合物质谱解析生物质谱技术及联用技术质谱发展历史v1906年，JJThomson获得当年诺贝尔奖，建立了质谱模型测量电子的核质比；v1922年，FrancisAston获得诺贝尔奖，第一次将质谱概念应用于实践，设计测定各种元素的质量；v1920年代，电子轰击电离（EI）及磁分析器产生；v1960年代，质谱法开始普遍应用于有机化学；v1980年代，快原子轰击电离质谱应用；v1990
2、年代，电喷雾（ESI）及基质辅助激光解吸（MALDI）等软电离技术应用于生物质谱。2002 Nobel Prize in ChemistryJohn FennVirginia Commonwealth UniversityKoichi Tanaka Shimadzu Corporation 2002年获得诺贝尔化学奖，奖励他们对发展软电离质谱(MALDI-MS)应用于生物大分子分析方面的突出贡献。质谱学是秤量单一原子和分子从而确定它们质量和分子量的艺术。在鉴定一个东西的时候，这些质量和分子量偶尔足以，通常是非常必要而且总是有用的。质谱原理 不同元素能够通过它们的原子量得到鉴定，同样，不同化合物
3、也能通过它们唯一的分子量得到鉴定。1、有机质谱仪：、有机质谱仪：1）气相色谱-质谱联用仪 2）液相色谱-质谱联用仪 3）其他质谱仪 傅立叶变换质谱仪 基质辅助激光解吸-飞行时间质谱仪2、无机质谱仪：、无机质谱仪：ICP-MS3、同位素质谱仪：、同位素质谱仪：轻元素同位素，重元素同位素4、气体分析质谱仪、气体分析质谱仪质谱仪的分类质谱仪的分类质谱的定义（MassSpectroscopy）气体分子或固体、液体的蒸气受到一定能量的电子流轰击或强电场作用，丢失电子生成分子离子；同时，化学键发生某些有规律的裂解，生成各种碎片离子。这些带正电荷的离子在电场和磁场作用下，按质荷比(m/z)的大小分开，排列成
4、谱，记录下来，即为质谱。电子轰击电离源中分子离子及碎片离子的形成有机质谱中的各种离子1、分子离子、分子离子它是由样品分子电离而产生的。有机分子因失去一个电子而电离。2、准分子离子、准分子离子分子加氢质子或减氢质子，如M+H+、M-H-。3、碎片离子、碎片离子由分子离子碎裂而产生的一切离子。4、重排离子、重排离子经重排反应产生的离子，其结构与分子离子有差异。5、母离子与子离子、母离子与子离子M1M2其中M1为母离子；M2为子离子6、亚稳离子（、亚稳离子（M*）从离子源出口到达检测器之前产生并记录下来的离子。在质谱分析中，可利用M*来确定M1与M2之间的母子关系。M*=M2 2/M17、奇电子离子
5、（、奇电子离子（odd-electron ion）和偶电子离子（）和偶电子离子（even-electron ion）OE：具有未配对电子的离子称为奇电子离子。EE：不具有未配对电子的离子称为偶电子离子。分子离子是奇电子离子。质谱解析中，奇电子离子较为重要。8、多电荷离子、多电荷离子 一个分子失去一个以上电子所形成的离子称为多电荷离子。一般软电离技术易出现这种离子。尤其生物大分子更易带多个正电荷。9、同位素离子、同位素离子当元素具有非单一的同位素组成时，电离过程产生同位素离子，同位素离子构成同位素离子峰簇。有机质谱的特色v唯一可提供化合物分子量及分子式的方法；v可对气体、液体、固体等进行分析，其
6、分析范围宽；v可以测定化合物的分子量，推测分子式、结构式，用途广;v分析速度快，灵敏度高，样品用量少；v可以与色谱串联，实现样品的原位分析（比如HPLCMS、GCMS）；v质谱是破坏性的分析方法。第二章 有机质谱质谱概述质谱仪构造及其检测原理有机化合物的质谱反应及机理各类化合物的质谱特征有机化合物质谱解析生物质谱技术及联用技术质谱仪组成质谱仪的主要指标v质量范围 指质谱仪器所检测的离子的质荷比范围。v分辨率 质谱仪器分开相邻两离子质量的能力。高分辨质谱（HRMS）可直接给出准确分子式。v灵敏度 灵敏度越高，质谱对样品的最低检测限越低。质谱仪组成离子源电子轰击电离（electronimpacti
7、onization,EI）化学电离（chemicalionization,CI）场电离（fieldionization）和场解吸（fielddesorption）快原子轰击（fastatombombardment,FAB）电喷雾电离（electrosprayionization,ESI）大气压化学电离（atmosphericpressurechemicalionization,APCI）基质辅助激光解吸电离（matrix-assistedlaserdesorption-ionization,MALDI）EI为硬电离，其余为软电离技术。为硬电离，其余为软电离技术。ESI和和MALDI作为生物质谱
8、技术。作为生物质谱技术。电子轰击电离（electronimpactionization,EI）原理：原理：利用能量一般为70eV的电子束轰击样品分子，后者电离形成离子束，进入质量分析器。优点优点：EI是应用最普遍、发展最成熟的电离方法；含有较多的碎片信息，这对于推测未知物结构是非常必要的。缺点缺点：样品在气态电离，不能气化的样品不能分析；分子离子峰强度低，甚至没有分子离子峰；质量范围1000。加速电场离子化室排斥电极电子轰击电离源中分子离子及碎片离子的形成一般有机分子的电离电位在15ev以下，因此，过剩的能量会将部分分子离子打碎。分子失去一个电子生成分子离子M.分子中电子的能量顺序：n*150
9、,000)，可分辨名义上质量相同，元素组成不同的离子。例：CO与CH2=CH2分子量都为28。四极质量分析器（quadrupoleanalyzer）特点特点：扫描速度快，灵敏度高，特别适用于GC-MS。但分辨率不高。四极质量分析器具有两对带电相反的棒状电极，完全是靠质荷比把不同的离子分开。在保持比值不变情况下，通过将U、V的值逐渐加大，质量由小到大的离子顺次通过质量分析器。原理：原理：四极杆与扇性磁场两种质量分析器在原理上是截然不同的。后者是靠离子动量离子动量的差别而把不同质荷比的离子分开，而四极杆则完全靠质荷比质荷比把不同离子分开。离子阱（iontrap）四极杆的三维形式优点优点：比四极杆更
10、紧凑、体积小，灵敏度很高；质量范围大；可以储存离子，实现“时间上”的串联质谱，而不是以前串联质谱的“空间上”串联。缺点缺点：离子阱易受到污染，残余离子不宜洗净。充氦气充氦气傅立叶变换质谱（FouriertransformMS，FT-MS）离子回旋共振分析器(Ioncyclotronresonance,ICR)原理：原理：受FT NMR启发。m/z的离子被引入强磁场中时，进行回旋（圆周）运动。回旋半径与其离子质荷比有关。发射极加射频信号使离子加速收集器加脉冲电压对电子有门开关作用灯丝发射电子处于磁场B中离子回旋离子吸收与B垂直的电场能量当离子能量和吸收能量相等共振切断交变电场回旋离子在电极上产生
11、感应电流感应电流衰减记录该信号通过Fourier变换将时域图转换为频域图(质谱图)。分辨率极高，远远超过其他质谱计，但价格昂贵；灵敏度高，质量范围宽，速度快；很容易进行MSn实验。特点：特点：分析过程：分析过程：傅立叶变换静电场轨道阱（FTOrbitrap）Orbitrap质谱仪是在2001年推出的，这是一种结构新颖和突破性技术的质谱仪器，其工作原理类似于FT-ICR，但是核心部分质量分析器是全新的结构。核心部分质量分析器是全新的结构。这种类型质谱的检测原理和FTICR一样，也是通过离子的旋转振荡产生的镜像电流，经微分放大后由FT变换器测定各离子的振荡频率，最后计算出分子离子的质核比(m/z)
12、。这种通过频率来测量质核比的方式，可以得到超高的分辨率。2000年，俄国科学家Makarov发明“Orbitrap”或静电场轨道阱质谱。其质量分析器形状如同仿棰体，由仿棰形中心内电极和左右2个外仿棰半电极组成。仪器工作时，在中心电极逐渐加上直流高压，在Orbitrap内产生特殊几何结构的静电场。当离子进入到Orbitrap室内后，受到中心电场的引力，即开始围绕中心电极作圆周轨道运动，同时离子受到垂直方向的离心力和水平方向的推力，而沿中心内电极作水平和垂直方向的震荡。外电极除限制离子的运行轨道范围，同时检测由离子振荡产生的感应电势，其中水平震荡的频率和分子离子的质荷比(m/z)的关系可由以下数学
13、公式来描述。从Orbitrap的每个外电极输出的信号经过微分放大器放大后由快速傅立叶转换变成频谱，频谱再进而转换为质谱，然后在Xcalibur质谱软件中处理。飞行时间质谱计（timeofflight，TOF）原理原理：用一个脉冲将离子源中的离子瞬间引出，经加速电压加速，它们具有相同的动能而进入漂移管漂移管，质荷比最小的离子具有最快的速度因而首先到达检测器，质荷比最大的离子则最后到达检测器。优点：优点：质量范围没有上限，特别适合生物大分子的质谱测定；灵敏度高，结构简单，由于要求离子尽可能“同时”飞行，因而特别与脉冲产生离子的电离过程搭配，现在MALDI-TOF已成一完整术语。缺点：缺点：分辨率随
14、质荷比的增加而降低。串联质谱(tandem mass spectrometry，MS/MS,MSn)1、碰撞诱导断裂（、碰撞诱导断裂（collision-induced dissociation，CID)CID是解决软电离技术质谱中碎片峰少，结构信息匮乏的重要手段。某种离子（你感兴趣的离子）与惰性气体相碰撞，该离子发生碎裂，这就是CID。碰撞在“碰撞室”中进行，某些情况下，碰撞室就是质量分析器。比如离子阱离子阱。空间上串联方式多种多样：空间上串联方式多种多样：Q-Q-Q(triplequadrupolemassspectrometer)Q-TOF(quadrupole-time-of-flig
15、httandeminstruments)BEEB等等2、串联质谱（、串联质谱（MSMS）分为空间上空间上的串联和时间上时间上的串联。QQQ双质谱分析示意图时间上串联：可达多级，这是空间串联所远不及的。时间上串联：可达多级，这是空间串联所远不及的。IontrapFTICR二维线性离子阱质谱-高分辨静电场轨道阱组合质谱（LTQ-Orbitrap，由2005年ThermoFisherScientific公司推出）例：例：ion trapArp-MeOPhRMeLTQ-OrbitrapLTQ：是二维线性离子阱质谱LTQ，提供结构碎片信息；C-Trap：是一个弯曲的双曲面四极杆，C-Trap的作用是离子聚焦和把离子束推入Orbitrap的装置；Orbitrap：高分辨质谱高分辨质谱，提供元素组成。质谱中的离子源有哪些种类？哪些属于软电离技术？质谱中的离子源有哪些种类？哪些属于软电离技术？质量分析器有哪些？哪些可作为高分辨质量分析器？质量分析器有哪些？哪些可作为高分辨质量分析器？EI的电离原理是什么？若无分子离子峰如何解决的电离原理是什么？若无分子离子峰如何解决?了解质谱中的各种离子。了解质谱中的各种离子。本部分课后要求本部分课后要求