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1、第五章 质谱分析法第一节 概述第二节 离子峰的主要类型第三节 质谱仪器第四节 离子解析的基础知识第五节 常见的各类化合物的质谱特征第六节 质谱解析 100200300400500600m/z0100%254.2194.2507.3334.3399.7 一、质谱的基本概念 Mass Spectromety 特殊的天平：称量离子的质量。质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷比的测定来进行分析的一种分析方法。被分析的样品首先要离子化，然后利用不同离子在电场或磁场的运动行为的不同，把离子按质荷比（m/z）分开而得到质谱，通过样品的质谱和相关信息，可以得到样品的定性定量结果。第一节 概述100200300
2、400500600m/z0100%254.2194.2507.3334.3399.7 定性：化合物的结构 定量：化合物的含量 领域：化学、生物学、医学、药学、环境、物理、材料、能源等 Sensitivity 灵敏 Speed 快速 Specificity 特异 二、质谱分类质质 谱谱同位素质谱同位素质谱生物质谱生物质谱结构鉴定、定量分析、气相离子化学结构鉴定、定量分析、气相离子化学化学、化工化学、化工环境、地球环境、地球药学、毒物药学、毒物学、刑侦学、刑侦生命、医学、生命、医学、农业科学农业科学有机质谱有机质谱无机质谱无机质谱 三、质谱学的发展历史1906年：物理奖 J.I.Thomson 贡
3、献：正电荷离子束在磁场中的偏转 磁质谱仪的基 础同位素分析1989年：物理奖 W.Paul 贡献：离子阱技术的发明。2002年：化学奖J.B.Fenn Virginia Commonwealth University,USA 贡献：电喷雾(ESI)电离方法 生物大分子分析 Electrospray Ionization for Mass Spectrometry of Large Biomolecules,J.B.Fenn,M.Mann,C.K.Meng,S.F.Wong and C.M.Whitehouse,Science 246,64(1989)Koichi Tanaka(田中耕一)Shi
4、madzu Corporation,Japan 贡献：激光辅助解吸电离质谱(MALDI)电离方法 生物大分子分析 Rapid Communications in Mass Spectrometry 2,151-153(1988),Koichi Tanaka,Hiroaki Waki,Yutaka Ido,Satoshi Akita,Yoshikazu 1886年，Goldstein 发现正电荷离子 1898年，Wien 利用电场和磁场使正电荷离子偏转 1912年，Thomson 研制第世界上一台质谱仪，氖同位素的发现 1918年，Dempster 电子轰击电离(Electron ionizat
5、ion)及磁聚焦 1919年，Aston 精密仪器，测定50多种同位素，第一张同位素表 1934年，Stephens 均匀扇形磁场，球差和质量色散公式 Herzog 和 Hintenberger 电磁场组合，离子光学系统 1940年，Nier 扇形磁场偏转质谱计，双聚集系统 商品仪器的雏形 235U，电磁制备方法，第二次世界大战期间 在石油、化工等领域的应用 1946年，Stephens 飞行时间质谱(Time-of flight mass analysis)1952年，Martin 气相色谱方法 1953年，Paul等 四极杆分析器(Quadrupole analyzers)1956年，Go
6、hlke and McLafferty 气相色谱-质谱联用(GC/MS)Beynon 高分辨质谱仪(High-resolution MS)1965年，Hipple等 离子回旋共振(Ion Cyclotron Resonance)1966年，Munson and Field 化学电离(Chemical ionization)1967年，McLafferty and Jennings 串联质谱(Tandem mass spectrometry)1973年，McLafferty 液相色谱-质谱联用(LC/MS)，热喷雾方法 1974年，Comisarow和Marshall 傅立叶变换离子回旋共振质谱
7、(FT-ICR-MS)1981年，Barber等 快原子轰击电离质谱(FAB MS)，生物中，小分子，2000以内 1989年，J.B.Fenn 电喷雾电离 Koichi Tanaka 基质辅助激光解吸电离 1990年，Katta and Chait 电喷雾电离质谱观察蛋白质构象改变 1993年，商品电喷雾质谱仪 1995年，付立叶变换离子回旋共振质谱仪（与ESI和MALDI联用）1998年，高分辨飞行时间质谱仪（Delay Extract,Reflectron技术）四、常用概念 质谱图中的横坐标，质量与电荷之比。若离子所带电荷为z=1，则质荷比等于该离子的质量数。若离子所带电荷为z=2，则质
8、合比等于该离子的质量数的1/2。若离子所带电荷为z=n，则质合比等于该离子的质量数的1/n。基峰强度：质谱图中离子强度最大的峰称为基峰，定义它的强度为100，即IB=100，其它离子强与之相比的百分强度称为该离子的强度。100200300400500600m/z0100%254.2194.2507.3334.3399.7 质量范围(Mass Range)质谱仪所能检测的最小到最大的质量范围。不同仪器：四极杆 1600Da，14000Da，磁质谱：110000Da 飞行时间质谱：无上限 离子阱质谱：12000Da，14000Da 不同要求：气体分析，1300Da 气相色谱质谱，1600Da，80
9、0Da 有机质谱，12000Da 生物分子，110000Da或更大 离子是以12C原子的1/12定义为一个质量单位，用u表示。其它常用符号，Da,道尔顿 1Da=1u 分辨力(Resolution Power,RP)分辨力：分开两个邻近质量峰的能力。何为分开：若两个相邻峰的峰谷低于峰高的10%，则认为 是分开的。A:未分开 B:部分分开 C:全分开 分辨差 分辨较差 分辨达到要求m2m1数学定义：1211mmmmmRP m1和m2代表两个相邻峰的质量数 组成整数质量精确质量CO2827.994914N22828.006158C2H42828.031299若仪器分辨力很低，如RP=200，则对以
10、上三个分子不能分开，混为一峰。若要分开以下混合物，则必需有如下分辨力CO-C2H4:(RP)2=27.994914/(28.031299-27.994914)=770N2-C2H4 :(RP)3=28.006158/(28.031299-28.006158)=1100CO-N2 :(RP)1=27.994914/(28.006158-27.994914)=2490当仪器分辨力达到770时，只能够只分开 CO-C2H4。当仪器分辨力达到1100时，能够分开CO-C2H4 和N2-C2H4 当仪器分辨力超过2500时，三者全部分开。一般低分辨仪器在2000左右。10000以上时称高分辨。FT-IC
11、R-MS（傅里叶变换离子回旋共振质谱法）分辨力可达2百万。高分辨质谱进行元素组成分析：任何一种同位素的质量并不是正好的整数。12C的准确质量为12.00000000,1H=1.007782506，14N=14.00307407，16O=15.99491475，末位有效数字。每一个同位素都具有唯一的、特征的“质量亏损”，离子的质量包含了同位素的总的质量亏损，也是特征的，以此来鉴定离子的同位素和元素组成。q例 m=43.0184Da的离子必定是C2H3O+，不可能是C3H7+(m=43.0058)或C2H5N+(m=42.9984)，或CH3N2+(m=43.0296)。为了区分这四个离子，测量的
12、质量的准确度需达到130ppm。即小数点后第四位是准确的。元素组成信息随着质量的增加而呈指数地上升，对质谱质量的测定准确度要求更高。六、质谱学的专著、期刊 专专 著：著：1.Interpretation of Mass Spectra,F.W.Maclafferty 2.Mass Spectrometry for Biotechnology,Gary Siuzdak 3.Mass Spectrometry in the Biological Sciences,A.L.Burlingame 4.有机质谱基础，陈耀祖，科学出版社 5.质谱解析，F.W.McLafferty著，王光辉等译，化学工业出
13、版社，期期 刊：刊：1.Rapid Communication in Mass Spectrometry IP(影响因子）2.4 2.Journal of American Society of Mass Spectrometry IP 3.0 3.Journal of Mass Spectrometry IP 2.8 4.Mass Spectrometry Review IP 6.8 5.European Journal of Mass Spectrometry IP 1.0 6.International Journal of Mass Spectrometry IP 2.1 7.质谱学报
14、 国内核心刊物第二节第二节 离子峰的主要类型离子峰的主要类型分子离子同位素离子碎片离子母离子与子离子奇电子离子与偶电子离子准分子离子多电荷离子 (质谱图上质荷比最大的峰一定为分子离子质谱图上质荷比最大的峰一定为分子离子峰吗？峰吗？如何确定分子离子峰？如何确定分子离子峰？)分子离子峰含奇数个电子，是奇电子离子。化学上，氖的原子量为20.2,质谱上：氖不在m/z20.2处出峰，而是在m/z20和m/z22处各出一个峰，该峰的相对强度为10:1。为什么？质谱测定的是微观离子，不是宏观上的平均的概念。大多数元素都是由具有一定自然丰度的同位素组成。下表是有机物大多数元素都是由具有一定自然丰度的同位素组成
15、。下表是有机物中各元素的自然丰度。中各元素的自然丰度。元素元素CHNO同位素同位素12C13C1H2H14N15N16O 17O 18O丰度丰度98.891.1199.985 0.01599.640.3699.76 0.04 0.20元素元素PSFClBr同位素同位素31P32S 33S 34S19F35CI37CI79Br81Br丰度丰度10095.02 0.76 4.2210075.7724.2350.6949.31同位素同位素13C/12C2H/1H17O/16O18O/16O15N/14N33S/32S 34S/32S37CI/35CI81Br/79Br丰度比丰度比%1.120.015
16、0.040.20.360.84.43298同位素分布的二项式规则：32!3)2)(1(!2)1(1)1(bnnnbnnnbbnb:同位素的天然丰度n:同位素原子的个数A+1元素峰位置MM+1M+2M+3A+2元素峰位置MM+2M+4M+6质谱峰强度1nbn(n-1)b2/2!n(n-1)(n-2)b3/3!12C5H12+M m/z7212C413C1H12+M+1 m/z7312C313C2H12+M+2 m/z7412C213C3H12+M+3 m/z7512C113C4H12+M+4 m/z76020406080100RAm/zq例：79Br 100%,81Br 98%100%M M+2 M+4 M+6 Br,n=1:1 1 Br2,n=2:1 2 1 Br3,n=3:1 3 3 1 例：35Cl 100%,37Cl 32.5%M M+2 M+4 M+6 Cl,n=1:1 0.325 Cl2,n=2:1 0.650 0.106 Cl3,n=3:1 0.975 0.317 0.034 MM+2M+4M+6MM+2M+4M+2MBrBr3Br210010010033.31005050
