11 质谱法.pdf

第第十十章章 质质谱谱法法 Mass Spectrometry For Short MS 主主 要要 内内 容容 10 1 基基本本原原理理与与质质谱谱仪仪 10 2 离离子子峰峰的的主主要要类类型型 10 3 质质谱谱联联用用技技术术 10 1 基基本本原原理理与与质质谱谱仪仪 10 1 1 概概述述 10 1 2 质质谱谱仪仪与与质质谱谱分分析析 分分子子质质量量精精确确测测定定与与化化 合合物物结结构构分分析析的的重重要要工工具具 第第一一台台质质谱谱仪仪 1906年年 J J Thomson 在在实实验验中中发发现现带带电电荷荷离离子子在在 电电磁磁场场中中的的运运动动轨轨迹迹与与它它的的 质质荷荷比比 m z 有有关关 并并于于1912 年年制制造造出出第第一一台台质质谱谱仪仪 早早期期应应用用 原原子子质质量量 同同位位 素素相相对对丰丰度度等等 m z 15 29 43 57 85 99 113 142 71 10 1 1 概概述述 40年年代代 高高分分辨辨率率质质谱谱仪仪出出现现 有有机机化化合合物物结结构构分分析析 60年年代代末末 色色谱谱 质质谱谱联联用用仪仪出出现现 有有机机混混合合物物分分离离分分析析 促促进进天天然然有有机机化化合合物物结结构构分分析析的的发发展展 同同位位素素质质谱谱仪仪 无无机机质质谱谱仪仪 有有机机质质谱谱仪仪 10 1 1 概概述述 10 1 1 概概述述 10 1 基基本本原原理理与与质质谱谱仪仪 10 1 1 概概述述 10 1 2 质质谱谱仪仪与与质质谱谱分分析析 进进样样系系统统离离子子源源质质量量分分析析器器检检测测器器 1 气气体体扩扩散散 2 直直接接进进样样 3 色色谱谱 EI CI FAB ESI APCI LD FI 1 单单聚聚焦焦 2 双双聚聚焦焦 3 四四极极杆杆 4 离离子子肼肼 质质谱谱仪仪需需要要在在高高真真空空下下工工作作 离离子子源源 10 3 10 5 Pa 真真空空系系统统 质质量量分分析析器器 10 6 Pa 1 大大量量氧氧会会烧烧坏坏离离子子源源的的灯灯丝丝 2 用用作作加加速速离离子子的的几几千千伏伏高高压压会会引引起起放放电电 3 引引起起额额外外的的离离子子 分分子子反反应应 改改变变裂裂解解模模型型 谱谱图图复复杂杂化化 10 1 2 质质谱谱仪仪与与质质谱谱分分析析 一一 离离子子源源 1 电电子子电电离离源源 Electron Ionization EI 10 1 2 质质谱谱仪仪与与质质谱谱分分析析 原原理理 将将电电子子加加速速 高高速速通通过过试试样样分分子子时时 使使试试样样发发生生电电离离 失失去去一一个个电电子子形形成成分分子子离离子子 分分子子离离子子进进一一步步发发生生化化学学键键断断裂裂 形形 成成碎碎片片离离子子 EI 源源的的特特点点 电电离离效效率率高高 灵灵敏敏度度高高 应应用用最最广广 标标准准质质谱谱图图基基本本都都是是采采用用EI源源得得到到的的 70eV 适适用用于于挥挥发发性性有有机机物物的的分分析析 GC MS常常用用 分分子子离离子子峰峰强强度度低低 碎碎片片离离子子多多 EI源源 可可变变的的离离子子化化能能量量 10 240eV 对对于于易易电电离离的的物物质质降降低低电电子子能能量量 而而对对于于难难电电离离的的物物质质则则 加加大大电电子子能能量量 常常用用70eV 电电子子能能量量 电电子子能能量量 分分子子离离子子增增加加碎碎片片离离子子增增加加 10 1 2 质质谱谱仪仪与与质质谱谱分分析析 离离子子室室内内的的反反应应气气 甲甲烷烷 甲甲醇醇 异异丁丁烷烷 氨氨等等 10 100Pa 样样品品的的103 105倍倍 经经电电子子 100 240eV 轰轰击击 产产生生离离子子 再再与与试试样样分分离离碰碰撞撞 产产生生准准分分子子离离子子 2 化化学学电电离离源源 Chemical Ionization CI 气气体体分分子子 试试样样分分子子 准准分分子子离离子子电电子子 M 1 M 17 M 29 10 1 2 质质谱谱仪仪与与质质谱谱分分析析 CH4 e CH4 CH3 CH2 C H2 H 10 1 2 质质谱谱仪仪与与质质谱谱分分析析 最最强强峰峰为为准准分分子子离离子子峰峰 碎碎片片离离子子峰峰少少强强度度低低 谱谱图图 简简单单 易易于于确确定定分分子子量量 可可用用于于GC MS分分析析 适适用用于于易易气气化化样样品品 不不适适用用难难挥挥发发试试样样 CI源源与与EI源源形形成成互互补补 最最常常使使用用的的两两种种离离子子源源之之一一 CH4 CH4 CH5 CH3 CH3 CH4 C2H5 H2 CH5 M CH4 MH CH5 M M CH5 C2H5 M M C2H5 M 1 强强度度最最大大 M 17 M 29 CI 源源的的特特点点 3 快快原原子子轰轰击击源源 Fast Atomic Bombardment FAB源源 主主要要用用于于极极性性强强 分分子子量量大大 难难气气化化 热热稳稳定定性性差差的的样样品品 如如肽肽类类 低低聚聚糖糖 天天然然抗抗生生素素 金金属属有有机机络络合合物物等等 用用于于磁磁式式双双聚聚焦焦质质谱谱仪仪 10 1 2 质质谱谱仪仪与与质质谱谱分分析析 它它是是将将样样品品调调在在基基质质中中 如如甘甘 油油 用用高高动动能能的的重重原原子子 如如Ar He等等 对对其其轰轰击击 从从而而导导致致样样品品的的 蒸蒸发发和和解解离离 因因此此 FAB法法也也适适用用于于 难难气气化化或或热热不不稳稳定定样样品品的的分分析析 特特点点 快快速速原原子子轰轰击击也也是是一一 种种软软电电离离技技术术 易易于于得得到到准准分分子子离离子子 峰峰 M H 或或 M Na 准准分分子子离离子子 4 电电喷喷雾雾源源 Electron Spray Ionization ESI源源 ESI是是近近年年来来出出现现的的一一种种新新的的电电离离方方式式 它它主主要要应应用用于于液液相相色色谱谱 质质谱谱 联联用用仪仪 ESI源源是是一一种种软软电电离离方方式式 利利用用高高电电场场使使气气态态的的喷喷雾雾分分子子发发生生电电离离 即即便便是是分分子子量量大大 稳稳定定性性差差的的化化合合物物 也也不不会会在在电电离离过过程程中中发发生生分分解解 它它适适合合于于分分析析极极性性强强的的大大分分子子有有机机化化合合物物 如如蛋蛋白白质质 肽肽 糖糖等等 10 1 2 质质谱谱仪仪与与质质谱谱分分析析 10 1 2 质质谱谱仪仪与与质质谱谱分分析析 10 1 2 质质谱谱仪仪与与质质谱谱分分析析 生生成成多多电电荷荷离离子子 分分子子量量为为10000的的分分子子 如如果果带带10个个 电电荷荷 质质荷荷比比只只有有1000 进进入入质质谱谱分分析析范范围围 采采用用ESI 源源可可测测分分子子量量30万万以以上上的的蛋蛋白白质质分分子子 碎碎片片少少 适适合合极极性性大大分分子子分分析析 10 1 2 质质谱谱仪仪与与质质谱谱分分析析 5 大大气气压压化化学学电电离离源源 Atmospheric Pressure Chemical Ionization APCI源源 APCI源源与与ESI源源大大致致相相同同 不不同同之之处处在在于于APCI喷喷嘴嘴的的下下游游放放置置 一一个个针针状状放放电电电电极极 通通过过放放电电电电极极的的高高压压放放电电 使使空空气气中中某某些些 中中性性分分子子电电离离 这这些些离离子子与与分分析析物物分分子子进进行行离离子子 分分子子反反应应 使使 分分析析物物分分子子离离子子化化 APCI源源用用来来分分析析 中中等等极极性性的的化化合合物物 主主要要用用于于LC MS 产产生生单单电电荷荷离离子子 APCI源源和和ESI源源互互 补补 H3O N2 O2 O 二二 质质量量分分析析器器 在在磁磁场场存存在在下下 带带电电离离子子按按曲曲线线轨轨迹迹飞飞行行 离离心心力力 向向心心力力 mu u 2 R H0e u u 曲曲率率半半径径 R mu u e H0 质质谱谱方方程程式式 m e H02 R2 2V 离离子子在在磁磁场场中中的的轨轨道道半半径径R取取决决于于 m e H0 V 改改变变加加速速电电压压V 可可以以使使不不同同m e的的离离子子进进入入检检测测器器 加加速速后后离离子子的的动动能能 1 2 mu u 2 e V u u 2V m e 1 2 10 1 2 质质谱谱仪仪与与质质谱谱分分析析 1 原原理理 2 单单聚聚焦焦磁磁场场分分析析器器 方方向向聚聚焦焦 相相同同质质荷荷比比 入入射射方方向向不不同同 的的离离子子会会聚聚 分分辨辨率率不不高高 10 1 2 质质谱谱仪仪与与质质谱谱分分析析 单单聚聚焦焦质质量量分分析析器器使使用用扇扇型型磁磁场场 结结构构简简单单 操操作作方方便便 但但是是分分辨辨率率低低 m e H02 R2 2V 收收集集器器离离子子源源 B S1S2 磁磁场场 R 10 1 2 质质谱谱仪仪与与质质谱谱分分析析 3 双双聚聚焦焦分分析析器器 方方向向聚聚焦焦 相相同同质质荷荷比比 入入射射方方向向不不同同的的 离离子子会会聚聚 能能量量聚聚焦焦 相相同同质质荷荷比比 速速度度 能能量量 不不同同 的的离离子子会会聚聚 质质量量相相同同 能能量量不不同同的的离离子子通通过过电电场场和和磁磁场场时时 均均产产生生能能 量量色色散散 两两种种作作用用大大小小相相等等 方方向向相相反反时时互互补补实实现现双双聚聚焦焦 10 1 2 质质谱谱仪仪与与质质谱谱分分析析 分分辨辨率率高高 其其缺缺点点是是价价格格贵贵 操操作作和和调调整整比比较较困困难难 10 1 2 质质谱谱仪仪与与质质谱谱分分析析 4 其其他他类类型型质质量量分分析析器器 双双聚聚焦焦质质谱谱仪仪体体积积大大 色色谱谱 质质谱谱联联用用仪仪器器的的发发展展及及仪仪器器小小型型化化 台台式式 需需要要 体体积积小小的的质质量量分分析析器器 四四极极杆杆质质量量分分析析器器 飞飞行行时时间间质质量量分分析析器器 离离子子阱阱质质量量分分析析器器 体体积积小小 操操作作简简单单 分分辨辨率率中中等等 10 1 2 质质谱谱仪仪与与质质谱谱分分析析 1 四四极极杆杆质质量量分分析析器器 10 1 2 质质谱谱仪仪与与质质谱谱分分析析 2 飞飞行行时时间间质质量量分分析析器器 10 1 2 质质谱谱仪仪与与质质谱谱分分析析 3 离离子子阱阱质质量量分分析析器器 特特定定m z离离子子在在阱阱内内一一 定定轨轨道道上上稳稳定定旋旋转转 改改变变 端端电电极极电电压压 不不同同m z离离子子 飞飞出出阱阱到到达达检检测测器器 离离子子阱阱质质量量分分析析器器侧侧 重重于于定定性性应应用用 可可以以得得到到 多多级级碎碎片片 定定量量速速度度没没有有 四四级级杆杆质质量量分分析析器器高高 10 1 2 质质谱谱仪仪与与质质谱谱分分析析 10 1 2 质质谱谱仪仪与与质质谱谱分分析析 5 扫扫描描模模式式 全全扫扫描描模模式式 SCAN 对对质质谱谱的的扫扫描描范范围围进进行行全全扫扫描描 得得到到较较为为完完全全的的质质朴朴 图图 主主要要用用来来做做未未知知化化合合物物的的定定性性分分析析 选选择择离离子子扫扫描描模模式式 SIM 选选择择目目标标物物的的特特征征离离子子进进行行扫扫描描 定定量量的的灵灵敏敏度度较较高高 主主要要用用于于目目标标化化合合物物检检测测和和复复杂杂混混合合物物中中杂杂质质的的定定量量分分 析析 三三 检检测测器器 1 电电子子倍倍增增管管 15 18级级 可可测测出出10 17A微微弱弱电电流流 2 渠渠道道式式电电子子倍倍增增器器阵阵列列 10 1 2 质质谱谱仪仪与与质质谱谱分分析析 四四 分分辨辨率率 分分辨辨率率R是是指指质质荷荷比比相相邻邻的的两两质质谱谱峰峰的的分分辨辨能能力力 若若 近近似似等等强强度度的的质质量量分分别别为为m1及及m2的的两两个个相相邻邻峰峰正正好好分分开开 两两峰峰峰峰谷谷的的高高度度等等于于或或小小于于峰峰高高的的10 则则质质谱谱仪仪的的分分 辨辨率率定定义义为为 m m R D m 1 2 21 mm m 12 mmm D 10 1 2 质质谱谱仪仪与与质质谱谱分分析析 R10 两两峰峰间间的的峰峰谷谷高高度度为为峰峰高高的的10 时时的的测测定定值值 一一般般难难以以找找到到两两个个质质量量峰峰等等高高 且且重重叠叠的的谷谷高高正正好好等等于于 峰峰高高的的10 因因此此在在实实际际工工作作中中 可可任任选选一一单单峰峰 测测其其峰峰高高5 处处的的峰峰 宽宽W0 05 当当作作上上式式中中 m 10 1 2 质质谱谱仪仪与与质质谱谱分分析析 05 0 W m R 低低分分辨辨率率质质谱谱仪仪 R 丰度 T I C b i a o y a n g 1 D d a t a m s 7 6 3 7 1 1 2 2 8 1 1 6 4 8 1 2 8 9 0 1 5 1 2 6 1 5 1 7 3 1 5 2 9 6 1 8 0 2 6 1 8 5 5 2 2 1 6 7 0 2 1 7 7 9 2 5 9 0 3 2 6 0 2 2 2 7 2 2 2 2 7 4 6 9 3 1 5 3 0 3 1 7 0 7 3 2 4 0 8 十十六六种种多多环环芳芳烃烃标标样样的的EIC图图 SIM模模