1、质谱质谱 Mass SpectrometrySpectrometry NOT SpectroscopylSpectroscopy n. 光谱学, 波谱学, 光谱仪lSpectrometry n. 度谱术，质谱计lSpectrometry : SpectrometerlAbbreviated to: Mass spec. or MS质谱例子质谱例子m /z1 52 94 35 78 59 91 1 31 4 27 1MS identifies analytes by:pProducing gas phase ionspSeparating these ions according to m/z
2、ratiopDetecting the ionsSensitive: Detect mole concentrations1527314546m/e相对丰度乙醇乙醇的质谱图乙醇的质谱图相对丰度(RA)以图中最强的离子峰(基峰)高为100，其它峰的峰高则用相对于基峰的百分数表示。 1898 W. Wien 发现带正电荷的离子束在磁场中发生偏转。1910 J. 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。1918 A. J. Dempster 采用电子轰击技术使分子离子化。 1919 F. W. Aston 制得了第
3、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。 特点特点(1) 基本原理基本原理 质谱用于结构分析有点像： 花瓶打碎打碎碎片(不可看到它的形状和质地)(可以看到它的形状和质地)将碎片拼起来将碎片
4、拼起来复原后的花瓶有机分子电子轰击质谱开裂碎片离子分子离子(-e)(M)( M )+分离、收集、记录即： 由分子结构与裂解方式的经验规律，根据分子离子和各种碎片离子的质荷比及其相对丰度，就可以进行结构分析。 在高真空气态化合物分子受到的高能量（50100 eV）电子束轰击，变成会失去一个外层电子成为分子离子M+和带正电荷的不同质量的碎片。通常用质量与带电荷之比（简称质荷比，用m/z表示）表示这些碎片。在电场、磁场的作用下，分子离子、碎片可按m/e的大小得到分离。 M+的质量就是化合物的相对分子质量；碎片的种类，质量和强度与化合物键合规律结合起来，就可以推断分子的结构。质谱的应用质谱的应用质谱有
5、两个重要应用：l一是测定相对分子质量，二是推断分子结构。l测定化合物的相对分子质量l利用质谱可以精确地测定化合物的相对分子质量。l给出分子结构方面的信息，推断分子的结构l化合物被轰击成一些“碎片”，通过“碎片”进行“组合”、“复制”，可以得到分子结构信息。基本原理和质谱仪基本原理和质谱仪质量分析器：磁偏转质量分析器 +vFH0 -磁场方向，垂直纸面向里，F-Lorentz力-正离子质量分析器原理在磁场存在下，带电离子按曲线轨迹飞行； 离心力 =向心力；m 2 / R= H0 e 曲率半径： R= (m ) / e H0 质谱方程式：m/e = (H02 R2) / 2V离子在磁场中的轨道半径R
6、取决于： m/e 、 H0 、 V改变加速电压V, 可以使不同m/e 的离子进入检测器。质谱分辨率 = M / M （分辨率与选定分子质量有关）加速后离子的动能 ：(1/2)m 2= e V = (2V)/(m/e)1/2例如：CO与N2的质量分别为27.9949(M)及28.0061，若要将这两个峰分开，则计算一下仪器所需分辨率： 25009949.270061.289949.27MMR R10000，低分辨率，整数的离子质量数 R10000，高分辨率，小数的离子质量数基本原理和质谱仪基本原理和质谱仪 磁场的质量色散作用磁场的质量色散作用离子束离子束磁场磁场磁场磁场S1S2 磁场有会聚作用磁
7、场有会聚作用 基本原理和质谱仪基本原理和质谱仪 质量范围：离子质荷比范围10几千。 灵敏度：产生具有一定信噪比的分子离子峰所需的样品量h/10hm m+m 分辨率分辨率M与与M+M谱线谱线相邻两峰峰谷高相邻两峰峰谷高R2异裂：异裂：阳离子的裂解类型阳离子的裂解类型主要离子及裂解类型主要离子及裂解类型 半异裂最易失电子的是杂原子最易失电子的是杂原子 n电子电子电子电子 电子电子(C-CC-H)失电子能力失电子能力主要离子及裂解类型主要离子及裂解类型 2 重排开裂（重排离子更稳定）麦氏重排：有不饱和中心 C=X (X= O, N, S, C )有氢，能转移到X原子上，脱掉一个中性分子质量分析器是质
8、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。电子轰击电离 Electron Impact Ionization， EI化学离子化 Chemical Ionization， CI场电离，场解吸 Field Ionization FD， Field Desorption FD快原子轰击 Fast Atom Bombardment， FAB基质辅助激光解析电离 Matrix-Assisted Las
9、er Desorption Ionization, MALDI电喷雾电离 Electrospray Ionization，ESI大气压化学电离 Atmospheric Pressure Chemical Ionization，APCI离子化的方法离子化的方法+: R1: R2: R3: R4: e+M+(M-R2)+(M-R3)+Mass Spectrometer(M-R1)+电子轰击电离电子轰击电离 Electron Impact （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 50-70 eV，有机分子的电离电位一般为7-15 eV。可提供丰富
10、的结构信息。有些化合物的分子离子不出现或很弱 电子轰击电离电子轰击电离 EI 离子室内的反应气（甲烷等；10100 Pa，样品的103105 倍），电子（100240 eV）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。+气体分子气体分子试样分子试样分子+准分子离子准分子离子电子电子(M+1)+，(M+17)+，(M+29) +化学电离化学电离（Chemical Ionization，CI）Ionisation Methods:Chemical Ionisation (CI)lSofter than EI: much less fragmen
11、tationlMethane ionised by EI: lOther gases may be usedlRelatively high pressure 0.5 mmHglBimolecular collisionslCH5+ behaves as “super acid”CH4. .+CH4EICH3. .CH5+CH4Ionisation Methods:Charge Transfer in CIlCH5+ protonates sample: e.g.lMass detected is M+H+lNot a radical cation: c.f. EIlEI & CI: appl
12、icable to low MW analytesli.e less than approximately 800 DaltonsR3C-OHCH5+R3C-+OH2CH4+Detected化学电离化学电离 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+
13、 等为稳定的次级离子。准分子离子QM + M + CH5+ MH + + CH4 M + C2H5+ MH + + C2H4 分子离子峰 分子电离一个电子形成的离子所产生的峰。分子电离一个电子形成的离子所产生的峰。分子离子的质量与化合物的相对摩尔质量相等。分子离子的质量与化合物的相对摩尔质量相等。 有机化合物分子离子峰的稳定性顺序：有机化合物分子离子峰的稳定性顺序：芳香化合物共轭链烯烯烃脂环化合物直链烷烃芳香化合物共轭链烯烯烃脂环化合物直链烷烃酮胺酯醚酸支链烷烃醇。酮胺酯醚酸支链烷烃醇。分子离子峰的特点： 一般质谱图上一般质谱图上质荷比最大的峰为质荷比最大的峰为分子离子峰；有例分子离子峰；有例
14、外。外。 形成分子离子形成分子离子需要的能量最低，需要的能量最低，一般约电子伏一般约电子伏特。特。离子类型离子类型在质谱中主要出现四种离子，即分子离子、碎片离子、同位素离子、亚稳离子。（一）分子离子（molecular ion）分子在离子源中失去一个电子形成的离子即为分子离子。 特点：分子离子含有奇数个电子，一般出现在质谱的最右侧。是确定分子量及分子式的重要依据。（二）碎片离子（fragment ion）分子获得能量后，分子中的某化学键断裂而产生碎片离子。同位素离子同位素离子 （isotopic ion）l定义：含有同位素的离子称为同位素离子。l有机化合物一般由C、H、O、N、S、Cl及Br等
15、元素组成，它们的丰度比是以丰度最大的轻质同位素为100%计算而得。由于34S、37Cl及81Br的丰度比很大，其同位素峰非常特征，可用来推断分子中是否含有S、Cl、Br及原子的数目。亚稳离子（亚稳离子（metastable ion）l在离子源生成的离子，如果在飞行中发生裂解，生成子离子和中性碎片，则把这种在飞行中发生裂解的母离子称为亚稳离子，由它形成的质谱峰为亚稳峰（metastable peak）。l亚稳峰的特点：l峰弱，l峰钝，l质荷比一般不是整数律律由、组成的有机化合物，一定是偶数。由、组成的有机化合物，奇数，奇数。由、组成的有机化合物，偶数，偶数。 分子离子峰与相邻峰的质量差必须合理。
16、在有机化合物中， 不含氮或含偶数氮的化合物，分子量一定为偶数（分子离子的质荷比为偶数），含奇数氮的化合物分子量一定为奇数。反过来，质荷比为偶数的分子离子峰，不含氮或含偶数个氮。v分子离子峰与邻近峰的质量差是否合理。有机分子失去碎片大小是有规律的：如失去H、CH3、H2O、C2H5.，因而质谱图中可看到M-1，M-15，M-18，M-28等峰，而不可能出现M-3，M-14，M-24等峰，如出现这样的峰，则该峰一定不是分子离子峰。 例如：例如：CH4 M=1612C+1H4=16 M13C+1H4=17 M+112C+2H+1H3=17 M+113C+2H+1H3=18 M+2同位素峰同位素峰分子
17、离子峰分子离子峰同位素离子峰（同位素离子峰（M +1峰）峰）由于同位素的存在，可以看到比分子离子峰大一个质量单由于同位素的存在，可以看到比分子离子峰大一个质量单位的峰；有时还可以观察到位的峰；有时还可以观察到M+2，M+3；1615m/z RA13.1121.0133.9149.2158516100171.1m/z一些同位素的自然丰度一些同位素的自然丰度同位素13C/12C 1H/2H 17O/16O 18O/16O 15N/14N 33S/32S 37Cl/35Cl 81Br/79Br丰度比%1.12 0.015 0.040 0.20 0.36 0.80 31.98 97.28M，M+1峰相
18、对强度峰相对强度 - - 同位素自然丰度同位素自然丰度l(M+1)/M = c(1.107/98.893) + h(0.015/99.985) + n(0.366/99.634) +o(0.037/99.759) l c: C 个数；个数；h: H个数；个数；l n: N个数；个数；o: O个数。个数。(M+1)/M = 1 (1.107/98.893) + 4 (0.015/99.985) = 0.0118CH4三、碎片离子峰 一般有机化合物的电离能为7-13电子伏特，质谱中常用的电离电压为70电子伏特，使结构裂解，产生各种“碎片”离子。H3CCH2CH2CH2CH2CH3157129574
19、34357297115H3CCH2CH2CH2CH2CH3H3CCH2CH2CH2CH2CH3H3CCH2CH2CH2CH2CH3H3CCH2CH2CH2CH2CH3CH3CH2CH2CH2CH2CH31529435771正己烷正己烷碎片离子峰H3C C CH3CH3H3C CH CH3H3C CH2CH3m/z15294357859911314271正癸烷正癸烷m/z 118 120 122 124 M M+2 M+4 M+6丰度比丰度比 27 27 9 1符合二项式：符合二项式：a=3（轻）、（轻）、b=1（重）、（重）、n=3原子数目原子数目 (a+b)n=(3+1)3= 27 + 27
20、 + 9 + 1 M M+2 M+4 M+6 轻质轻质 重质同位素重质同位素场致电离场致电离 Field Ionization Field Desorption （FI，FD）电压：电压：7-10 kV；d1 mm；强电场将分子中拉出一个电子；强电场将分子中拉出一个电子；分子离子峰强；分子离子峰强；碎片离子峰少；碎片离子峰少；不适合化合物结构鉴定；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
21、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(atom gun)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Fast Atom Bombardment（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
22、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（MHH2O），289(MMHH2O) 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
23、电离基质辅助激光解析电离Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization (MALDI)Ionisation Methods:MALDIlMatrix Assisted Laser Desorption IonisationlSolid matrix: e.g. dihydroxybenzoic acidlMatrix absorbs energy at l of laser usedlCauses vapourisation of matrix and analytelProton transfer to analyte (or Li, Na, K)lD
24、etection by mass spectrometerlApplicable to MW up to 12,000D andlThermally labile analyteslPolymers and biomoleculeslMinute quantities requiredIonisation Methods:Schematic of A MALDI ChamberlSolid solutionlMatrix/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）RayleighLimit
25、Reached+-+-+-+-Evaporation+Charged Droplets试样离子准分子离子Analyte Ions Solvent Ion ClustersSalts/Ion pairsNeutrals+-其他离子电喷雾电离（ESI）电喷雾电离电喷雾电离电喷雾产生多电荷离子，相对分子质量Mr计算：选相邻峰，电荷n， n +1m1=(Mr + n)/2m2=(Mr + n+1)/ (n+1)计算结果如表。不适用于非极性化合物质谱计的主要技术指标 质量范围： 指质谱计所检测的单电荷离子的质核比范围 分辨率（R）：分辨率是质谱计分开相邻两离子质量的能力。 分辨率（ R ）是两峰间的峰谷
26、为峰高的10%时的测定值，即两峰各以5%的高度重叠。 R = m / m m为质谱计可分辨的相邻两峰的质量差m为可分辨的相邻两峰的平均质量lSeparate ions according to m/z ratiolFive basic types of analyser:1) Magnetic sector (electrostatic)2) Quadrupole3) Ion traps4) Time of flight5) FTICR质量分析器 Mass AnalysersMass Analysers:Factors to ConsiderlUpper mass limit:lHighest
27、 m/z that can be detectedlMay be offset by multiple chargeslResolution:lDistinct signals for similar m/z ratioslTransmission:lRatio of ions reaching detector: ions producedlCostMass Analysers:Resolution (Resolving Power)lAbility to resolve two signals of similar m/zlResolved if valley is 10%lHigher
28、resolution: greater accuracyle.g. R=20,000:Separatem/z 100.0000 from m/z 100.0050lAccuracy needed:lHigh Resolution Mass Spectrometry (HRMS)lDetermine elemental composition of an ionlVital to confirm structureMass Analysers:Calculation of Resolution: RResolution =MassMass differenceRelative abundance
29、 %50100499502m/zM1500M2501R = M/ MM = M1 M2 (500) M = M2-M1 (1)R = 500/1 = 500Mass Analysers:High Resolution Mass SpectrometrylHRMS or accurate mass determinationlDetermines elemental compositionlConsider two ions:1) C24H19N+: nominal mass: 3212) C21H23NS+: nominal mass: 321lUsing C=12, H=1, N=14 an
30、d S=32lCan we differentiate these two ions?lNeed to calculate the monoisotopic accurate massMass Analysers:HRMS: An ExamplelExact mass of most abundant isotope (monoisotpoic)lC=12.0000, H=1.0078, N=14.0031, S=31.97211) C24H19N+: accurate mass: 321.1513= 321/(321.1546-321.1513)= 97,273lMass spectrome
31、ter with R100,000 can distinguish between these two ions2)C21H23NS+: accurate mass 321.1546lR = M/M质量分析器 磁分析器, 静电分析器磁分析器- 单聚焦质谱计只有一扇形磁场的质量分析器又称为磁分析器。 加速后离子具有一定的动能: （ ），该动能是由离子在加速电场获得的电势能（zV）转化的。 221mvzVmv 221单聚焦磁场分析器收集器收集器离子源离子源BS1S2磁场磁场R方向聚焦方向聚焦；相同质荷比，入射方向不同的离子会聚；分辨率不高分辨率不高双聚焦分析器离子源离子源收集器收集器磁场磁场电场电
32、场S1S2+-方向聚焦：方向聚焦： 相同质荷比，入射方向不同的离子会聚；能量聚焦：能量聚焦： 相同质荷比，速度(能量)不同的离子会聚； 质量相同，能量不同的离子通过电场和磁场时，均产生能量色散；两种作用大小相等，方向相反时互补实现双聚焦；Mass Analysers:Quadrupole Mass AnalyserslRelatively cheap and compactlLow (unit) resolutionlR 2,000lUpper mass limit of m/z 4,000lCan be offset by use of ESI (multiple charges)lSimp
33、le to operate and controllSimple interfacing with inlet systemslGC, DIP, etc.lWorkhorses of mass spectrometryMass Analysers: Quadrupole:Generating The Mass SpectrumlDC and RF voltages cause ion oscillationlStable oscillation: ions pass through (detected)lUnstable oscillation: discharged (not detected)lVary DC and RF to detect each m/z in turnlGenerates mass spectrumlUsed for low MW simple organicslHRMS not possible: R 2-4,000lUnit (Dalton) resolution onlylInterfaced with GC: swift, reliable analysis
