第二章 质谱法

1、质谱法：质谱法：样品分子在高真空环境受到高速电子样品分子在高真空环境受到高速电子流或强电场作用，失去外层电子后发生化学键流或强电场作用，失去外层电子后发生化学键断裂生成各种碎片离子，然后在磁场中得到分断裂生成各种碎片离子，然后在磁场中得到分离后加以收集和记录，从所得到的质谱图推断离后加以收集和记录，从所得到的质谱图推断结构的方法。结构的方法。l质谱图提供的信息质谱图提供的信息l分子量分子量l元素组成或分子式元素组成或分子式l由碎片离子推测官能团和碳骨架由碎片离子推测官能团和碳骨架l质谱的特点：质谱的特点：1 1、特征性强、特征性强 色谱保留值不能作为鉴定标准。色谱保留值不能作为鉴定标准。2 2

2、、灵敏度高、灵敏度高1010-15-151010-16-16 g , g , 所有谱中灵敏度最高的。所有谱中灵敏度最高的。3 3、唯一能直接获得分子量及分子式的谱学方法、唯一能直接获得分子量及分子式的谱学方法1 1、棒图、棒图1 1、阳极射线管和、阳极射线管和ThomsonThomson实验实验二十世纪初，英国学者二十世纪初，英国学者J. J. ThomsonJ. J. Thomson利用低压放电离子利用低压放电离子源产生高速正离子束，通过一组电场和磁场，不同的源产生高速正离子束，通过一组电场和磁场，不同的正离子按质荷比发生半径不同的抛物线轨道偏转，依正离子按质荷比发生半径不同的抛物线轨道偏转

3、，依次达到检测器，在感光板上被记录下来；获次达到检测器，在感光板上被记录下来；获19061906诺贝诺贝尔物理奖。尔物理奖。-+阳阳极极射射线线管管图图1-2 Thomson 1-2 Thomson 质谱仪示意图质谱仪示意图A.A.气体入口；气体入口； B. B. 阳极；阳极；C. C. 放电管；放电管；D. D. 真空泵；真空泵；E. E. 阴极；阴极；F.F.磁屏蔽磁屏蔽G.G.冷却水套；冷却水套；H.H.绝缘体；绝缘体；I. I. 电场引线；电场引线；J.J.照相感光检测器照相感光检测器2 2、19191919年，年，F.W. AstonF.W. Aston制成第一台速度聚焦磁质谱制成第

4、一台速度聚焦磁质谱仪；获仪；获19221922年诺贝尔奖。年诺贝尔奖。图1-3 Aston 质谱仪l19171917年年, ,电喷雾物理现象被发现（并非为了质谱）；电喷雾物理现象被发现（并非为了质谱）；l19181918年年,Dempster 180,Dempster 180磁扇面方向聚焦质谱仪；磁扇面方向聚焦质谱仪；l19351935年年, ,马陶赫马陶赫(Marttauch)(Marttauch)和赫佐格和赫佐格(R. Herzog)(R. Herzog)根据根据他们的双聚焦理论，研制出双聚焦质谱仪他们的双聚焦理论，研制出双聚焦质谱仪 ；l19401940年年, ,尼尔尼尔(Nier)(N

5、ier)设计出单聚焦磁质谱仪，又于设计出单聚焦磁质谱仪，又于19601960年设计并制成了一台小型的双聚焦质谱仪；年设计并制成了一台小型的双聚焦质谱仪；l19421942年，第一台商品质谱仪；年，第一台商品质谱仪；l19531953年年, ,由鲍尔由鲍尔(Paul)(Paul)和斯坦威德尔和斯坦威德尔(Steinwedel)(Steinwedel)提出提出四极滤质器四极滤质器 ；l19531953年年, ,由威雷由威雷(Wiley)(Wiley)和麦克劳伦斯和麦克劳伦斯(Mclarens)(Mclarens)设计出设计出飞行时间质谱仪原型飞行时间质谱仪原型 ；l19541954年，英格拉姆年，

6、英格拉姆(Inghram)(Inghram)和海登和海登(Hayden)(Hayden)报道的报道的TandemTandem系统，即串联的质谱系统系统，即串联的质谱系统(MS/MS)(MS/MS)；l19551955年，年，Wiley & Mclarens Wiley & Mclarens 飞行时间质谱仪；飞行时间质谱仪；l1960 s1960 s，开发，开发GC/MSGC/MS；l60s-70s60s-70s，大气压电离源被发现，但未被广泛应用；，大气压电离源被发现，但未被广泛应用；l70s-80s70s-80s，开始广泛研究，开始广泛研究LC/MSLC/MS；l197419

7、74年后，回旋共振质谱仪；年后，回旋共振质谱仪；l19791979年，传送带式年，传送带式LC/MSLC/MS接口成为商业产品；接口成为商业产品；l19821982年，离子束年，离子束LC/MSLC/MS接口出现；接口出现；l19841984年，第一台电喷雾质谱仪宣告诞生；年，第一台电喷雾质谱仪宣告诞生；l19881988年，电喷雾质谱仪首次应用于蛋白质分析年，电喷雾质谱仪首次应用于蛋白质分析l3 3、19891989年，年，Hens G. DohmeltHens G. Dohmelt和和 W. Paul,W. Paul,因离子因离子阱（阱（Ion trap)Ion trap)的应用获诺贝尔物

8、理奖。的应用获诺贝尔物理奖。l4 4、20022002年，年，J. B. Penn J. B. Penn 和田中耕一因电喷雾电离和田中耕一因电喷雾电离（electron spray ionization, ESIelectron spray ionization, ESI）质谱和基质）质谱和基质辅助激光解吸电离辅助激光解吸电离(matrix-assisted laser (matrix-assisted laser desorption ionization, MALDI)desorption ionization, MALDI)质谱获诺贝尔化学质谱获诺贝尔化学奖。奖。l二十世纪五十年代中期二

9、十世纪五十年代中期七十年代中期：七十年代中期：EI（electron impact ionization），用于分析小分），用于分析小分子化合物子化合物l1974年，等离子体解析质谱（年，等离子体解析质谱（plasma desorption mass spectrometry, PD-MS）l1981年，快原子轰击质谱（年，快原子轰击质谱（fast atom bombardment mass spectrometry, FAB-MS） 用于分析极性大的化合物（如单宁、多酚、多用于分析极性大的化合物（如单宁、多酚、多肽、小蛋白质等）肽、小蛋白质等）l1988年，电喷雾电离质谱（年，电喷雾电离质谱

10、（electrospray ionization mass spectrometry, ESI-MS）l最新：基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱最新：基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（matrix-assisted laser desorption ionization time of flying spectrometry , MALDI-TOF-MS） 用于分析生物大分子，进入生物质谱。用于分析生物大分子，进入生物质谱。 蛋白质分子量测定蛋白质分子量测定 酶的活力部位分子量测定酶的活力部位分子量测定 核酸片段分子量测定核酸片段分子量测定 测定测定AA顺序顺序 多糖、寡糖多糖、寡糖生物生物质谱

11、质谱l我国有机质谱概况与进展我国有机质谱概况与进展5050年代，同位素分析；年代，同位素分析；有机质谱有机质谱7070年代零星开展；年代零星开展；8080年代，有机质谱快速发展成立质谱学会；年代，有机质谱快速发展成立质谱学会；四个专业组：同位素质谱、无机质谱、有机质谱、质谱四个专业组：同位素质谱、无机质谱、有机质谱、质谱仪器；仪器；有机质谱主要在结构分析、气相离子化学、色质联用技有机质谱主要在结构分析、气相离子化学、色质联用技术等方面发展；术等方面发展；近年来，随着生命科学的发展，有机质谱也跨入生物质近年来，随着生命科学的发展，有机质谱也跨入生物质谱的范畴。谱的范畴。一、电子轰击电离，一、电子

12、轰击电离，EI灯丝在高真空中被电流炽热，发射出电子，经电离电压灯丝在高真空中被电流炽热，发射出电子，经电离电压加速进入电离区，与汽化的样品分子作用使得一些分加速进入电离区，与汽化的样品分子作用使得一些分子获得能量失去电子而形成正离子。子获得能量失去电子而形成正离子。辅助磁场可使电子运动轨迹成螺旋线性，增大与中性分辅助磁场可使电子运动轨迹成螺旋线性，增大与中性分子的碰撞几率。子的碰撞几率。而生成的离子束沿着与电子束成直角的方向被一高的加而生成的离子束沿着与电子束成直角的方向被一高的加速电压引出。速电压引出。一般采用一般采用70 eV70 eV的轰击能量的轰击能量, ,标标准谱图就是准谱图就是70

13、 eV70 eV下获得。下获得。不同能量下苯甲酸的不同能量下苯甲酸的EI源质谱图源质谱图离子离子(m/Z)不同能量电子束时离子的相对丰度不同能量电子束时离子的相对丰度9eV12eV15eV20eV30eV70eV122 100 100 100 100 100 1001050 8.1 29.770.3 81.1 81.177 40.5 56.8 64.951 43.2 48.739 10.8 18.9（1 1）多数情况下，能获得分子离子，即可获得分子量的信）多数情况下，能获得分子离子，即可获得分子量的信息。同时也能获得很多由于分子离子碎裂所表现出来的结息。同时也能获得很多由于分子离子碎裂所表现出

14、来的结构信息。由分子离子及大量的碎片离子，可以推演出碎裂构信息。由分子离子及大量的碎片离子，可以推演出碎裂过程，从而可以推出被测有机分子的结构。过程，从而可以推出被测有机分子的结构。（2 2）适应性广。）适应性广。（3 3）可以精确地控制电子束能量，从而能方便地控制有机）可以精确地控制电子束能量，从而能方便地控制有机分子的电离及分子离子的内能，也即能控制分子离子的碎分子的电离及分子离子的内能，也即能控制分子离子的碎裂。裂。（1）对有些化合物来说，不能得到或仅能得到极弱的分子）对有些化合物来说，不能得到或仅能得到极弱的分子离子峰。如链烃、醇等，这时就难以确定被测物分子的分离子峰。如链烃、醇等，这

15、时就难以确定被测物分子的分子量。子量。（2）对一些位置异构体（如二氯苯）和顺反异构体不能分）对一些位置异构体（如二氯苯）和顺反异构体不能分辨，或鉴别起来十分困难。辨，或鉴别起来十分困难。（3）对于那些十分依赖加温才能挥发的有机物，有时因热）对于那些十分依赖加温才能挥发的有机物，有时因热不稳定而只能测得分解产物的质谱（如肽类化合物），有不稳定而只能测得分解产物的质谱（如肽类化合物），有的因根本不挥发而测不到有用的谱（如聚苯乙烯）。的因根本不挥发而测不到有用的谱（如聚苯乙烯）。化学电离源的示意图化学电离源的示意图 l通过引入大量的试剂气，使样品分子与电离电子不直通过引入大量的试剂气，使样品分子与电

16、离电子不直接作用。试剂气分子被电子轰击电离后因离子分子接作用。试剂气分子被电子轰击电离后因离子分子反应产生一些活性反应离子，这些离子再与样品分子反应产生一些活性反应离子，这些离子再与样品分子发生离子分子反应，使样品分子实现电离。发生离子分子反应，使样品分子实现电离。CH4 + e CH4+ + 2e CH4+ + CH4 CH3 + CH5+ CH3+ + CH4 H2 + C2H5+ CH2+ + CH4 H2 + C2H4+ C2H3+ + H C2H3+ + CH4 H2 + C3H5+ 反应气反应离子准分子离子（QM+）H2H3+(M+H)+CH4CH5+,C2H5+,C3H5+(M+

17、H)+, (M+C2H5)+, (M+ C3H5)+i-C4H10C4H9+(M+C4H9)+NH3NH4+(M+H)+, (M+ NH4)+常用反应气：常用反应气：甲烷、丙烷、异丁烷、氢气、氨、氮气、一氧化碳、甲烷、丙烷、异丁烷、氢气、氨、氮气、一氧化碳、氩气等氩气等优点：优点：(1) 分子量信息分子量信息&结构结构信息信息(2) 灵敏度高灵敏度高有时可区分异构体。有时可区分异构体。缺点：对热不稳及不挥缺点：对热不稳及不挥发的发的 化合物仍然不化合物仍然不适用。适用。EI 1.310-4 PaCI 1.3102 Pa三、三、 场致和场解吸电离源场致和场解吸电离源1. 场电离源（场电离

18、源（Field ionization， FI ）：）： 样品蒸汽临近或接触带高的正电荷的金属针时，高曲样品蒸汽临近或接触带高的正电荷的金属针时，高曲率半径的针端产生的很高的电压强度（率半径的针端产生的很高的电压强度（107-108 V/cm2）使）使样品分子电离。样品分子电离。优点：优点：（1）能得到分子量信息；）能得到分子量信息； （2）能得某些有价值的结构信息。）能得某些有价值的结构信息。缺点：缺点：（1）灵敏度低，结构信息少。）灵敏度低，结构信息少。 （2）不适用于不挥发的及对热不稳定的样品。）不适用于不挥发的及对热不稳定的样品。2. 场解吸场解吸(Field desorption， F

19、D)：原理同场电离。但样品是沉积在电极上。与前三种相比，原理同场电离。但样品是沉积在电极上。与前三种相比，最最“软软”。优点：优点： （1） 固态时就能使样品分子电离，适合于难汽化和热不固态时就能使样品分子电离，适合于难汽化和热不稳定样品稳定样品 （2）有丰富的分子离子或准分子离子（甚至是基峰）有丰富的分子离子或准分子离子（甚至是基峰）缺点：缺点： 碎片离子极少，灵敏度一般不及碎片离子极少，灵敏度一般不及EI和和CI 。甲基巴比妥的甲基巴比妥的EI, CI, FI, FD源质源质谱图比较谱图比较NNHHCH3CH2 CHH3COOOCH2 CHCH2快原子：中性原子束，如快原子：中性原子束，如

20、Xe, Ar, He二次离子：重离子束，如二次离子：重离子束，如Cs+ 样品调在基质中，作为靶物，样品调在基质中，作为靶物，惰性气体原子电离后被惰性气体原子电离后被电压加速，具有较大动能，然后在原子枪里进行电荷交换电压加速，具有较大动能，然后在原子枪里进行电荷交换反应，低能量离子被电场偏转引出，高动能原子对靶物进反应，低能量离子被电场偏转引出，高动能原子对靶物进行轰击。行轰击。Xe (快快) + Xe(热动热动) Xe (快快) + Xe (热动热动)基质应具有流动性、低蒸汽压、化学惰性、电解质性质基质应具有流动性、低蒸汽压、化学惰性、电解质性质对样品的较好溶解性对样品的较好溶解性优点：优点：

21、（1）能得到分子离子或准分子离子）能得到分子离子或准分子离子(除质子转移外，还可能除质子转移外，还可能加和基质分子及金属离子）；加和基质分子及金属离子）；（2）也有一些表征结构的碎片离子；）也有一些表征结构的碎片离子；（3）能在室温下产生离子，不要求样品预先挥发；）能在室温下产生离子，不要求样品预先挥发；（4）样品寿命长（）样品寿命长（ 20分钟），利用率高，离子流稳定；分钟），利用率高，离子流稳定；（5）应用范围广，对高分子样品及生物样品尤其有效；）应用范围广，对高分子样品及生物样品尤其有效；（6）装置简单，源电压低于）装置简单，源电压低于10KV。 缺点：缺点：（1）溶解样品的溶剂不易找；

22、）溶解样品的溶剂不易找；（2）由基质产生的本底谱很强，往往掩盖住了弱的离子；由基质产生的本底谱很强，往往掩盖住了弱的离子；（3）极易污染分析系统（尤其是用离子枪时）。）极易污染分析系统（尤其是用离子枪时）。 五、大气压电离五、大气压电离（Atmospheric pressure ionization, API）1. 电喷雾电离电喷雾电离(Electron Spray Ionization, ESI)样品溶液从带有雾化器的毛细管端流出，在流出的瞬间样品溶液从带有雾化器的毛细管端流出，在流出的瞬间受到几方面的作用，在大气压下喷成在溶剂蒸汽中的无受到几方面的作用，在大气压下喷成在溶剂蒸汽中的无数细微

23、带电荷的液滴：数细微带电荷的液滴：首先管端加几千伏的电压；同时雾化气流吹扫以脱去溶首先管端加几千伏的电压；同时雾化气流吹扫以脱去溶剂；一定的温度。剂；一定的温度。液滴在运动中，受上述作用，溶剂不断蒸发，液滴不断液滴在运动中，受上述作用，溶剂不断蒸发，液滴不断迅速变小，由于液滴带电，使得表面电荷密度不断增大，迅速变小，由于液滴带电，使得表面电荷密度不断增大，当电荷之间的排斥力足以克服表面张力（瑞利极限），当电荷之间的排斥力足以克服表面张力（瑞利极限），液滴发生裂分，产生单电荷或多电荷离子。液滴发生裂分，产生单电荷或多电荷离子。1.正 离 子 适 用 范 围 ： 含 有N ， P， S， 金 属

24、有 机 的 样 品负 离 子 适 用 范 围 ： 含 有 -CO O H ， -O H的 样 品软电离，产生准分子离子：软电离，产生准分子离子：(M+H)+, (M+NH4)+, (M+Na)+, (M+K)+ (M-H)-, (M+CH3COO)-, (M+Cl)-特点：特点：对生物大分子可生成多电荷离子对生物大分子可生成多电荷离子 (M+nH)n+, (M-nH)n-适用范围：适用范围： 蛋白质分析，可测到蛋白质分析，可测到200 kDa（108 Da） 中到高极性化合物中到高极性化合物 热不稳定化合物热不稳定化合物 离子型化合物离子型化合物人体甲状旁腺素的人体甲状旁腺素的ESI源质谱图源

25、质谱图蛋蛋白白质质细细胞胞素素C的的 ESI源源质质谱谱图图与与FT-MS联合，不仅可以获得电荷分布，还可以将其中任联合，不仅可以获得电荷分布，还可以将其中任一峰在高分辨下展开，将各种同位素峰分开。一峰在高分辨下展开，将各种同位素峰分开。FFCONHCONHClClOCF2CF2H氟铃脲的氟铃脲的EI MS 谱谱氟铃脲的氟铃脲的ESI 负离子谱负离子谱氟铃脲的氟铃脲的ESI源正离子谱源正离子谱2. 大气压化学电离大气压化学电离（Atmosphere Pressure Chemical Ionization, APCI ）样品溶液由具有雾化气套管的毛细管端流出，被氮气流雾化，通样品溶液由具有雾化

26、气套管的毛细管端流出，被氮气流雾化，通过加热管时被气化。在加热管端进行电晕尖端放电，溶剂分子被过加热管时被气化。在加热管端进行电晕尖端放电，溶剂分子被电离，作为反应气分子和样品分子反应，得到样品分子的准分子电离，作为反应气分子和样品分子反应，得到样品分子的准分子离子。离子。特点：特点： 软电离，产生准分子离子软电离，产生准分子离子 (M+H)+, (M+NH4)+, (M+Na)+, (M+K)+ (M-H)-, (M+CH3COO)-, (M+Cl)- 主要产生单电荷离子；主要产生单电荷离子； 与与ESI相比适用于极性较小的化合物；相比适用于极性较小的化合物； 热不稳定的化合物可能发生分解；

27、热不稳定的化合物可能发生分解； 一般适合于分子量小于一般适合于分子量小于1500的化合物。的化合物。ESIESI电离源适用范围：电离源适用范围：中高极性样品（多数样品检测，中高极性样品（多数样品检测，首选）首选）APCIAPCI电离源适用范围：电离源适用范围：中低极性样品（中低极性样品（ESIESI无法检出时，无法检出时，备用）备用） Note:一般样品检测均用一般样品检测均用ESI，可满足约，可满足约80%样品的检测样品的检测需求，需求，ESI无法检出的无法检出的20%样品，部分可用样品，部分可用 APCI检出。有检出。有部分样品是液质两种电离源都很难检出的，包括多环芳烃部分样品是液质两种电

28、离源都很难检出的，包括多环芳烃及其衍生物，甾体类等。小分子易气化的物质（如苯，甲及其衍生物，甾体类等。小分子易气化的物质（如苯，甲苯等）也难检出，因其会随流动相挥发。苯等）也难检出，因其会随流动相挥发。 六、六、 基质辅助激光解吸电离基质辅助激光解吸电离（MALDI)将热敏感或不挥发的化合将热敏感或不挥发的化合物（物（mol.L-1级浓度）和级浓度）和某种基质溶液相混合，蒸某种基质溶液相混合，蒸发溶剂，被分析物与基质发溶剂，被分析物与基质成为晶体或半晶体。采用成为晶体或半晶体。采用脉冲激光在一个微小的区脉冲激光在一个微小的区域里，在极短的时间间隔域里，在极短的时间间隔里（纳秒数量级），激光里（

29、纳秒数量级），激光对靶物提供高能量，使被对靶物提供高能量，使被分析物直接从固相变成离分析物直接从固相变成离子而进行离子分析。子而进行离子分析。特点：特点：（1）对热敏感或不挥发的化合物可从固相直接得）对热敏感或不挥发的化合物可从固相直接得到分子离子到分子离子（2）有分子离子、准分子离子及样品分子聚集的）有分子离子、准分子离子及样品分子聚集的多电荷离子，碎片离子峰少多电荷离子，碎片离子峰少（3）特别适合于与飞行时间质谱分析器相配，也）特别适合于与飞行时间质谱分析器相配，也可与离子阱类型的质量分析器相配。可与离子阱类型的质量分析器相配。 基质的主要作用基质的主要作用是作为把能量从激光束传递给样品的

30、中是作为把能量从激光束传递给样品的中间体，基质间体，基质: 样品样品 10000:1。基质的选择主要取决于所采。基质的选择主要取决于所采用的激光波长，其次是被分析对象的性质。用的激光波长，其次是被分析对象的性质。1. 单聚焦（单聚焦（single-focusing）和双聚焦）和双聚焦（double-focusing）质量分析器）质量分析器单聚焦质量分析器使用扇型磁场，结构简单，操单聚焦质量分析器使用扇型磁场，结构简单，操作方便，但是分辨率低。作方便，但是分辨率低。双聚焦质量分析器使用扇型电场及扇型磁场，分双聚焦质量分析器使用扇型电场及扇型磁场，分辨率高，其缺点是价格贵，操作和调整比较困辨率高，

31、其缺点是价格贵，操作和调整比较困难。难。2. 四极质量分析器（四极质量分析器（quadrupole mass analyzer）由四根平行的棒状电极组成而得名。与扇型磁场的质量由四根平行的棒状电极组成而得名。与扇型磁场的质量分析器的原理完全不同。分析器的原理完全不同。l优点：优点：1）结构简单、容易操作、价格便宜；）结构简单、容易操作、价格便宜；2）仅用电场而不用磁场，无磁滞现象，扫描速度快，适）仅用电场而不用磁场，无磁滞现象，扫描速度快，适合与色谱联机；合与色谱联机；3）操作时的真空度相对较低，特别适合与液相色谱联机。）操作时的真空度相对较低，特别适合与液相色谱联机。l缺点：缺点：1）分辨率

32、不高；）分辨率不高；2）对较高质量的离子有质量歧视效应。）对较高质量的离子有质量歧视效应。3. 离子阱（离子阱（ion trap）原理与四极质量分析器类似，故也称四极离子阱原理与四极质量分析器类似，故也称四极离子阱（quadrupole ion trap）；或因其储存离子的性质而称）；或因其储存离子的性质而称为四极离子储存器（为四极离子储存器（quadrupole ion storage, QUISTOR）。）。l优点：优点：1）单一的离子阱可实现多极）单一的离子阱可实现多极“时间上时间上”的串联质谱；的串联质谱；2）结构简单、价格便宜，性能价格比高；）结构简单、价格便宜，性能价格比高；3）灵

33、敏度高，较四极质量分析器高）灵敏度高，较四极质量分析器高10-10000倍；倍；4）质量范围大，可达）质量范围大，可达6000。l缺点：缺点：质谱与标准谱有差别。质谱与标准谱有差别。4. 傅立叶变换离子回旋共振质谱计傅立叶变换离子回旋共振质谱计（Fourier transform ion cyclotron resonance, FT-ICR）通过同时激发分析时段内的所有质荷比的离子，通过对通过同时激发分析时段内的所有质荷比的离子，通过对检测信号进行傅立叶变换得到质谱图。检测信号进行傅立叶变换得到质谱图。l优点：优点：1）分辨率极高，可达）分辨率极高，可达1 106，但不导致灵敏度下降；，但不

34、导致灵敏度下降；2）可实现多极）可实现多极“时间上时间上”的串联质谱；的串联质谱；3）可采用各种电离源，便于与色谱仪器联机；）可采用各种电离源，便于与色谱仪器联机；4）灵敏度高、质量范围宽，速度快、性能可靠。）灵敏度高、质量范围宽，速度快、性能可靠。5. 飞行时间质谱计飞行时间质谱计（time of flight, TOF (MS)）用一个脉冲将离子源中的离子瞬间引出，经加速电压加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进入漂移管，质荷比小的离速，它们具有相同的动能进入漂移管，质荷比小的离子具有最快的速度因而首先到达检测器，质荷比大的子具有最快的速度因而首先到达检

35、测器，质荷比大的离子则最后到达检测器。离子则最后到达检测器。l优点：优点：1）原理上检测离子的质荷比没有上限；）原理上检测离子的质荷比没有上限；2）特别适合于与脉冲产生离子的电离源（）特别适合于与脉冲产生离子的电离源（MALDI-TOF）；）；3）灵敏度高，适合于作串联质谱的第二级；）灵敏度高，适合于作串联质谱的第二级；4）扫描速度快，适合研究极快过程；）扫描速度快，适合研究极快过程；5）结构简单、易于维护。）结构简单、易于维护。l缺点：缺点：分辨率随质荷比的增加而降低。分辨率随质荷比的增加而降低。6. 质谱仪的主要性能指标质谱仪的主要性能指标1）质量范围（）质量范围（Mass range）：

36、质谱仪所能测定）：质谱仪所能测定的离子质荷比的范围。的离子质荷比的范围。l 四极质谱：四极质谱： 1000以内以内l 离子阱质谱：离子阱质谱： 6000l 飞行时间质谱：飞行时间质谱： 无上限无上限2）分辨率（）分辨率（Resolution）：分离质量数为）：分离质量数为M1及及M2的相邻质谱峰的能力。的相邻质谱峰的能力。若强度近等的质量分别为若强度近等的质量分别为M1及及M2的两个相邻峰正好分的两个相邻峰正好分开，则质谱仪的分辨率定义为：开，则质谱仪的分辨率定义为：R = ; 式中式中 M = ; M = M2 -M1M MM1+M22说明：说明： R10%：两峰间的峰谷高度为峰高的：两峰间

37、的峰谷高度为峰高的10%时的测定值；时的测定值； 一般难以找到两个等高峰，且重叠的谷高正好等于峰一般难以找到两个等高峰，且重叠的谷高正好等于峰高的高的10%，则定义：，则定义：R = ; 式中式中 a为相邻两峰的中心距离；为相邻两峰的中心距离； b为其中一峰的峰高为其中一峰的峰高5%处的峰宽。处的峰宽。M Ma b低分辨率质谱仪：低分辨率质谱仪： R R 10000高分辨率质谱仪：高分辨率质谱仪： R 30000（FT-ICR MS：R可达可达 1 106）高分辨率质谱仪可测定精确的质量数（分子式）！高分辨率质谱仪可测定精确的质量数（分子式）！质荷比均为质荷比均为 28 的分子：的分子：CO:

38、 27.9949N2: 28.0062C2H4: 28.03133）灵敏度（）灵敏度（Sensitivity）对于一定样品（如硬脂酸甲酯），在一定的分辨率情对于一定样品（如硬脂酸甲酯），在一定的分辨率情况下，产生一定信噪比（如况下，产生一定信噪比（如10 1）的分子离子峰所需的）的分子离子峰所需的样品量。样品量。4）准确度（）准确度（Accuracy）质谱分析的测量值与真实值的相对偏差。质谱分析的测量值与真实值的相对偏差。5）精密度（）精密度（Precision）质谱分析相同样品所得各测量值之间的偏差。质谱分析相同样品所得各测量值之间的偏差。一、有机质谱中的各种离子一、有机质谱中的各种离子1.

39、 分子离子（分子离子（molecular ion）:样品分子失去一个电样品分子失去一个电子而电离所产生的离子，记为子而电离所产生的离子，记为 M+。2. 准分子离子（准分子离子（quasi-molecular ion）:准分子离子准分子离子常由软电离产生，一般为常由软电离产生，一般为 M+H +、M-H +。3. 碎片离子（碎片离子（fragment ion）:泛指由分子离子破裂泛指由分子离子破裂而产生的一切离子。狭义的碎片离子指由简单断裂产而产生的一切离子。狭义的碎片离子指由简单断裂产生的离子。生的离子。4. 重排离子（重排离子（rearrangement ion）:经重排反应产经重排反应产

40、生的离子，其结构不是原分子结构单元。生的离子，其结构不是原分子结构单元。5. 母离子（母离子（parent ion）与子离子（）与子离子（daughter ion）任一离子进一步裂解产生某离子，前者称为母离子，后者任一离子进一步裂解产生某离子，前者称为母离子，后者称为子离子。称为子离子。6. 亚稳离子（亚稳离子（metastable ion）从离子源出口（被加速后）到检测器之间产生的离子。从离子源出口（被加速后）到检测器之间产生的离子。7. 奇电子与偶电子离子（奇电子与偶电子离子（odd- and even-electron ion）具有未配对电子的离子称为奇电子离子，不具有未配对电具有未配对

41、电子的离子称为奇电子离子，不具有未配对电子的离子称为偶电子离子。子的离子称为偶电子离子。8. 多电荷离子（多电荷离子（multiply-charged ion）带有两个以上电荷的离子称为多电荷离子。带有两个以上电荷的离子称为多电荷离子。9. 同位素离子（同位素离子（isotopic ion）当元素具有非单一的同位素组成时，产生同位素离子。当元素具有非单一的同位素组成时，产生同位素离子。m* = m22m1二、由二、由EI确定分子量确定分子量分子离子峰的识别：分子离子峰的识别：1）分子离子峰在质谱图中最大质量数一端）分子离子峰在质谱图中最大质量数一端2）分子离子峰能合理地丢失中性碎片）分子离子峰

42、能合理地丢失中性碎片（自由基或（自由基或中性分子），与其相邻的质荷比较小的碎片离子关系中性分子），与其相邻的质荷比较小的碎片离子关系合理。如存在合理。如存在M-3M-14的碎片是不合理的，的碎片是不合理的，M-21M-25的碎片离子也不合理；常见的碎片有的碎片离子也不合理；常见的碎片有M-15 M-CH3+, M-17 M-OH+, M-18 M- H2O+, M-28 M-CO+, M-29 M-C2H5+ 、M-CHO+3）分子离子峰符合氮规则：）分子离子峰符合氮规则：当化合物不含氮或含偶当化合物不含氮或含偶数个氮时，分子量为偶数；当化合物含奇数个氮时，数个氮时，分子量为偶数；当化合物含奇

43、数个氮时，分子量为奇数。分子量为奇数。因为：除氮以外，所有元素的主要同位素原子量和化合因为：除氮以外，所有元素的主要同位素原子量和化合价均同为奇数或同为偶数。价均同为奇数或同为偶数。4 4）注意）注意M+HM+H+ +和和M-HM-H+ +峰：峰：醚、酯、胺、腈等的分醚、酯、胺、腈等的分子离子峰很弱或不出现，或出现子离子峰很弱或不出现，或出现M+HM+H+ +；芳醛、醇会；芳醛、醇会出现出现M-HM-H+ +。三、由三、由ESI得到的多电荷离子峰簇求分子量得到的多电荷离子峰簇求分子量多电荷离子在质谱图中出峰的质量为表观质量：多电荷离子在质谱图中出峰的质量为表观质量：表观质量表观质量(M+nH)

44、 / n = M/n + 1M, 分子真实质量；分子真实质量；n，电荷数；，电荷数；H，氢原子质量，氢原子质量多电荷离子峰簇中每相邻的一对峰电荷数相差多电荷离子峰簇中每相邻的一对峰电荷数相差1。设相邻两个峰的表观质量为设相邻两个峰的表观质量为M1、M2，电荷数为，电荷数为n1、n2则：则：M2=(M+n2H) / n2，M1= (M+n1H) / n1解：解：n2(M1-H)/(M2-M1)，n2取最接近的整数值取最接近的整数值M=n2 (M2-H)对多组离子对的计算结果取平均值，给出分子量。对多组离子对的计算结果取平均值，给出分子量。四、由软电离谱图得分子量四、由软电离谱图得分子量正离子谱：

45、准分子离子峰常为正离子谱：准分子离子峰常为M+H+lCI中，如以中，如以CH4作反应气，还会生成作反应气，还会生成M+C2H5+ 以异丁烷作反应气，还会生成以异丁烷作反应气，还会生成M+C4H9+ 以以NH3作反应气，还会生成作反应气，还会生成M+NH4+lFAB中，如基质中加入中，如基质中加入Na+、K+，会出现，会出现M+Na+、M+K+负离子谱：负离子谱：准分子离子峰常是准分子离子峰常是M-H-负离子谱特别适于苷类化合物负离子谱特别适于苷类化合物一、由低分辨质谱推算分子式一、由低分辨质谱推算分子式（同位素（同位素峰相对强度法）峰相对强度法）化合物含重同位素的分子离子峰在质谱中的出峰位置，

46、化合物含重同位素的分子离子峰在质谱中的出峰位置，比全部由轻同位素组成的离子高比全部由轻同位素组成的离子高1或或2个或更多质量个或更多质量单位，这些峰叫单位，这些峰叫分子离子的同位素峰。分子离子的同位素峰。由各种同位素峰的强度比推定分子式。由各种同位素峰的强度比推定分子式。“A+2”元素：元素：O, Si, S, Cl, Br“A+1”元素：元素：C, N“A”元素：元素： H, F, P, I元素组成式推演规律：元素组成式推演规律： 先鉴别先鉴别“A+2”A+2”元素，再鉴别元素，再鉴别“A+1”A+1”元素，元素，最后余下的的质量由最后余下的的质量由“A”A”元素补齐。元素补齐。 A+2/A

47、4.4%时，而又不含时，而又不含Cl、Br时，则可考虑时，则可考虑A离子含有一个离子含有一个S原子，同时原子，同时S对对A+1的贡献为的贡献为0.8%。A+2/A3.4%时，而又不含时，而又不含Cl、Br、S时，则可考虑时，则可考虑A离子含有一个离子含有一个Si原子，同时原子，同时Si对对A+1的贡献为的贡献为5.1%。O的的A+2同位素的丰度很低（同位素的丰度很低（0.2%），通常必须在确定），通常必须在确定了了“A+1”元素和其它元素和其它“A+2”元素之后再计算元素之后再计算O原子数。原子数。3. C原子数的计算原子数的计算A+1/A100% 1.1%C+ 其它其它(A+1)元素的贡献元

48、素的贡献 和和/或其它或其它(M-1)峰中峰中(A+2)元素的贡献元素的贡献碳原子数碳原子数 A+1/A 1.1%4. 由同位素丰度计算元素组成步骤由同位素丰度计算元素组成步骤把估计的实验误差加到把估计的实验误差加到“相对丰度相对丰度”的原始数据上的原始数据上 一般误差为相对误差的一般误差为相对误差的10%或绝对误差的或绝对误差的0.2%，两者中取其大者。，两者中取其大者。把这组峰的全部数据归一化（包括实验误差在内）把这组峰的全部数据归一化（包括实验误差在内）找出所有的找出所有的“A+2”元素，把它们的丰度贡献分别列元素，把它们的丰度贡献分别列在单独一栏中在单独一栏中确定可能的确定可能的C原子

49、数，同样把它列于单独的一栏中原子数，同样把它列于单独的一栏中由差数确定由差数确定“A”元素的种类和原子个数元素的种类和原子个数m/z相对丰度相对丰度1390.5140251412.51421.2 1430.1归一化归一化210010 1.04.8 0.80.40.8S19.90.84.4O11001001000.08.81000.20.30.4C8C9C8H S12C9S 注意：注意：对丰度贡献的干扰问题对丰度贡献的干扰问题对对(A+1)、 (A+2)峰（有时对峰（有时对A峰）的贡献可能来自其它峰）的贡献可能来自其它的碎片离子（或杂质、本底、离子分子反应），此外，的碎片离子（或杂质、本底、离子

50、分子反应），此外，（A-1）峰中的）峰中的(A-1)+2元素的重同位素也可能对元素的重同位素也可能对（A+1）峰有贡献，所以计算这些峰的元素组成时应）峰有贡献，所以计算这些峰的元素组成时应加以校正。加以校正。通常选用每组峰中高质量端的重要峰进行同位素通常选用每组峰中高质量端的重要峰进行同位素丰度计算丰度计算计算元素组成的准确度随峰的丰度增大而提高计算元素组成的准确度随峰的丰度增大而提高计算元素组成时还要考虑各峰的一致性计算元素组成时还要考虑各峰的一致性NF3CF3ClC2H2Cl2CHCl=CHClCClF2CF3二、由高分辨质谱确定分子式二、由高分辨质谱确定分子式高分辨质谱（高分辨质谱（hi

51、gh resolution mass spectra）可测出样品分子的精确质量，精确到可测出样品分子的精确质量，精确到mu1ppmu，通，通过计算机数据处理系统可给出分子离子峰的元素组成。过计算机数据处理系统可给出分子离子峰的元素组成。一般一般HRMS测定分子离子相对质量数的误差不大于测定分子离子相对质量数的误差不大于0.006。结合结合NMR等波谱解析，判断最后的分子式。等波谱解析，判断最后的分子式。一、概述一、概述1. 离子电荷位置的表示离子电荷位置的表示CH3CH2CH2OH；+ R+ 2. 电子转移的表示电子转移的表示：一个电子的转移；：一个电子的转移；：一对电子的转移。：一对电子的转

52、移。3. 共价键断裂方式共价键断裂方式(1) 均匀断裂（匀裂：均匀断裂（匀裂：homolytic cleavage） COHRRRCOHRRRCOHRRR + (2) 非均匀断裂（异裂：非均匀断裂（异裂：heterolytic cleavage）(3) 半非均匀断裂（半异裂，半非均匀断裂（半异裂，hemiheterolytic cleavage）RRR + R+ ROROR + R+ 二、有机分子裂解类型二、有机分子裂解类型（一）简单断裂（一）简单断裂1. 断裂（自由基引发，均裂）断裂（自由基引发，均裂）反应的动力来自自由基强烈的电子配对倾向。反应的动力来自自由基强烈的电子配对倾向。由自由基中

53、心提供一个奇电子与邻近原子形成一由自由基中心提供一个奇电子与邻近原子形成一个新键，而邻近的个新键，而邻近的 原子的另一根键断裂，故原子的另一根键断裂，故称称 裂解。裂解。 cleavagecleavage：含杂原子的饱和化合物：含杂原子的饱和化合物RCH2OHRCH2OH +RCH2ORRCH2OR+RCH2NR2RCH2NR2+RCH2SRRCH2SR+B A ZA Z+B20 3060 7040 5080 90 1003044m/zCH3(CH2)9CH2NH2M=157H3CCH2CH2CHCH3OHCHCH3OHH3C CH2CH2m /z=45(M -43)H3C CH2CH2CCH

54、3OHHm/z=87(M-1)H3C CH2CH2CHOHCH3m/z=73(M-15)m/z203040506080907045(M-43)55M-(H2O+CH3)73(M-CH3)88(M )M-170(M-H2O) 断裂断裂丢失最大丢失最大烃基的可能性最大烃基的可能性最大丢失最大烃基原则丢失最大烃基原则20 30 40506070 80 90 1002945m /z11027735987102(M )OCH2CH3HCH2CCH3H3CCH3OCH2CH3HCCH3CH2CH3OCH2HCH2CCH3H3Cm /z=73m /z=87CH3 C H CH3 C H CH3 C O+ +

55、 H离子化- e-OO+O+CH3 C H CH3 + H C O+-裂解-裂解or4329 cleavagecleavage：含杂原子的不饱和化合物：含杂原子的不饱和化合物RCRCR+ROOB AZAZ+B20 30 4050 6070 80 90 1004357m/z100(M )712972H2CCCH2OCH2H3CCH3H2CCOH3CCH2CH2CH3-m/z=57(75%)CCH2OCH2CH3H2CH3C-m/z=71(48%)H2C CCH2OCH2H3CCH3 cleavage : : 含双键的化合物含双键的化合物RC H 2C HH2CRC H 2C HH2CR C H

56、2C HH CRRC H 2C HH CRRC H 2C HH CRC H 2RRC H 2m/z=91m/z=91m/z=39HC扩环扩环苄基离子苄基离子卓鎓离子卓鎓离子HCHCHCm/z=65引发引发断裂反应的倾向：断裂反应的倾向：NS, O,，R Cl, Br H2. i裂解：裂解：电荷引发，异裂，电荷引发，异裂，inductive cleavage正电荷使一对电子转移而发生正电荷使一对电子转移而发生* i-碎碎裂一般都产生一个碳正离子。裂一般都产生一个碳正离子。* 对于没有自由基的偶电子离子，只可能发生对于没有自由基的偶电子离子，只可能发生 i-碎碎裂。裂。 -断裂与断裂与i-断裂是两

57、种相互竞争的反应。断裂是两种相互竞争的反应。 N 一般进行一般进行 -断裂；卤素则易进行断裂；卤素则易进行 i-断断裂裂 R Y RRYRR C YRRR C YRRC Y+.R YH2RYH2R Y CH2RY CH2+3. 断裂：断裂：不含杂原子和不饱和键的化合物不含杂原子和不饱和键的化合物- cleavage：半异裂：半异裂正己烷正己烷H3CCH2CH2CH2CH2CH315712957434357297115H3CCH2CH2CH2CH2CH3H3CCH2CH2CH2CH2CH3H3CCH2CH2CH2CH2CH3H3CCH2CH2CH2CH2CH3CH3CH2CH2CH2CH2CH3

58、1529435771简单简单断裂与分子结构的关系断裂与分子结构的关系(1) 有利于稳定碳正离子：有利于稳定碳正离子：.+.(2) 有利于共轭体系的形成有利于共轭体系的形成(3) 当分子中存在杂原子时，裂解常发生于邻近杂原子的当分子中存在杂原子时，裂解常发生于邻近杂原子的 C-C键上键上(4) 有利于形成稳定的中性小分子有利于形成稳定的中性小分子(象象H2O，CO，NH3， ROH等等)（二）重排断裂（二）重排断裂 rearrangement cleavage 常见的有麦克拉夫悌常见的有麦克拉夫悌(Mclafferty)重排开裂重排开裂(简称简称麦氏重排麦氏重排)和逆和逆Diels-Alder

59、开裂开裂1.1.麦氏重排麦氏重排 麦氏重排条件：麦氏重排条件： 含有含有C=O， C=N，C=S及碳碳双键及碳碳双键 与双键相连的链上有与双键相连的链上有 碳，并在碳，并在 碳有碳有H原子（原子（ 氢）氢） 六元环过渡，六元环过渡，H 转移到重键原子上，同时转移到重键原子上，同时 键发生断裂，键发生断裂，生成一个中性分子和一个自由基阳离子生成一个中性分子和一个自由基阳离子CHCHCHCZHR1R2R3R4CHCHR3R4HCCZHR1R2204050 6070 80 90 1004357m /z1007129120 130110128(M )30858658COCH2H2CCH2CH2CH3H

60、2CH3C57854371例例COCH2H2CCH2CHH2CH3CCH3HCOHCH2H2CH2CCH2CH2CHCH3HCOHCH3CH2H2CCH2m/z=86m/z=58COCH2CH2CH2CHH2CH2CCH3HCOHCH2H2CCHCH2CH3CHCH2COHCH2H3CH2CCH2m/z=100m/z=58HHCH3CH2COCH2OCH2HH2CH2CHH2CCOCH2O HCH2HH2CCOO HH2CCH2HCH2CH2H3CCOO HH2CCOHO HCH2H2Cm /z = 8 8m /z = 8 8m /z = 6 0例例 具有环己烯结构类型的化合物可发生此类裂解，具有环己烯结构类型的化