有机波谱分析课件-有机质谱

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1906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；1922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；1920年代，电子轰击电离（EI）及磁分析器产生；1960年代，质谱法开始普遍应用于有机化学；

1980年代，快原子轰击电离质谱应用；1990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。2002NobelPrizeinChemistryJohnFennVirginiaCommonwealthUniversityKoichiTanaka

ShimadzuCorporation2002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，不同化合物也能通过它们唯一的分子量得到鉴定。1、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：

ICP-MS3、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、准分子离子分子加氢质子或减氢质子，如[M+H]+、[M-H]-。3、碎片离子由分子离子碎裂而产生的一切离子。4、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

M1M2

其中M1为母离子；M2为子离子6、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（odd-electronion）和偶电子离子（even-electronion）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

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。有机质谱的特色唯一可提供化合物分子量及分子式的方法；可对气体、液体、固体等进行分析，其分析范围宽；可以测定化合物的分子量，推测分子式、结构式，用途广;分析速度快，灵敏度高，样品用量少；可以与色谱串联，实现样品的原位分析（比如HPLC－MS、GC－MS）；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质量范围指质谱仪器所检测的离子的质荷比范围。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。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（electronimpactionization,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。ESI和MALDI作为生物质谱技术。电子轰击电离（electronimpactionization,EI）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：

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：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：σ<π<n<σ*<π*

能量高的电子易被电离。化学电离（chemicalionization,CI）

样品分子的电离是经过离子－分子反应而完成的，因而有其名。首先是反应气（如甲烷、氨气、甲醇等）与高能电子束作用后被电离：电离后的反应气分子再与样品分子碰撞，得到准分子离子。一般结构与EI相同，两种电离方式可在一台仪器上实现快速互换。属于软电离技术之一，准分子离子峰强度高，便于推算分子量，碎片离子少。CI的特点

分子离子峰和碎片离子峰的识别和解析，对有机分子的定性分析十分重要。可以通过选择不同离子源来获得不同的信息。下图是不同离子源下麻黄碱的质谱图。化学电离源电子轰击源麻黄碱化学电离与电子轰击源质谱图比较分子离子峰准场电离（Fieldionization)和场解吸（Fielddesorption）

FI：样品蒸气被金属针端的强电位梯度电场电离，称为场电离。

FI要求样品分子为气态，灵敏度低，现应用减少。FD：电离原理与FI相同，不同在于样品被沉积在电极针上。被电流解吸下来后，电离。

FD适用于难气化、热不稳定的样品。均为强电场诱导样品分子电离电离过程：强电场——分子电子的量子隧道效应——分子热分解或碰撞——带正电荷的碎片离子——阳极排出并加速进入磁场FI和FD应用非常不普及。它们也属于软电离技术之一。快原子轰击（fastatombombardment,FAB）

电离过程：高速电子——惰性气体电离——电场加速——高速原子离子束——撞击涂有样品的金属板——能量转移给样品分子——电离——引入质量分析器顾名思义，利用被电离的重原子（Xe或Ar等），轰击耙分子，使之电离。样品分子涂在基质上。常用基质为：甘油、聚乙二醇等。基质的改变会使FAB谱发生改变。高极性、难汽化的有机物都适用于此电离方法。一般得到的准分子离子峰比较复杂：[M+G+H]+、[2M＋

H]＋等，若基质中加入Li＋、Na＋、K＋等盐类，还会出现[M+金属离子+H]＋峰。电喷雾电离（electrosprayionization,ESI）离子在电压差和压力差的驱使下向下游移动结构：喷嘴（金属毛细管），雾化气，干燥气(curtaingas)原理：喷雾蒸发电压一种使用强静电场的软电离技术。电喷雾源(ESI)的特点1电喷雾源属软电离技术，只产生准分子离子，几乎不产生碎片离子。2

尤其是生物大分子，产生的离子常常带有多电荷。3适用于强极性，大分子量的样品分析。如肽，蛋白质，糖等。4

商品化仪器，主要用于液相色谱-质谱联用仪。Ar＝p-MeOPhR＝MeM+.：365一般小分子带一个电荷。带多电荷大分子易带多个电荷基质辅助激光解吸电离（matrix-assistedlaserdesorption-ionization,MALDI）

常用基质MALDI的特点适用于难电离的物质，如生物大分子。由于用的是激光，样品离子同时“飞行”，因此特别适于与时间飞行质谱匹配。（商品化的仪器：MALDI－

TOF）MALDI所产生的质谱图多为单电荷离子（ESI对生物大分子为多电荷），因而质谱图中的离子峰与多肽和蛋白质的质量有一一对应关系。质谱仪组成质量分析器（质谱仪的核心）分类单聚焦(single-focusing)和双聚焦质量分析器（高分辨）四极质量分析器（quadrupoleanalyzer）离子阱（iontrap）离子回旋共振分析器(Ioncyclotronresonance,ICR)

（高分辨）傅立叶变换静电场轨道阱（FTOrbitrap）（高分辨）飞行时间质谱计（timeofflight，TOF）

质量分析器的作用是将离子源中形成的离子按质荷比值的大小不同分开。主要分为以下几类：

单聚焦质谱分析原理单聚焦质谱分析原理图

离子加速阶段动能：进入扇型磁场后，离心力＝向心力：(1)+(2)：zV=1/2mv2(1)

(2)结论：1.离子的m/z与rm,B,V有关。通过改变磁场可以把不同离子分开。2.在一定加速电压V下，对磁感应强度B扫描，可以使不同离子先后通过检测器，顺次记录下各质荷比离子的强度，得到所有m/z离子的质谱图。原理：扇形磁场（可以是1800900600等）质谱仪：在焦平面上同时记录所有的离子。质谱计：顺次记录各种质荷比（m/z）离子的强度。有机质谱采用的是质谱计。质谱单聚焦质量分析器(EI-MS)

特点：结构简单，操作方便只有方向聚焦，无能量聚焦，分辨率低。

单聚焦质量分析器只是将m/z相同而入射方向不同的离子聚焦到一点（或称实现了方向聚焦）。但对于m/z相同而动能（或速度）不同的离子不能聚焦，故其分辨率较低。下图是单聚焦型质量分析器更直观地的工作过程。双聚焦质量分析器(doublefocusingmassanalyzer)原理：单聚焦分析器分辨率低的主要原因在于它不能进行能量聚焦。双聚焦分析器具有能量聚焦和方向聚焦的特点。双聚焦质量分析器

为克服动能或速度“分散”的问题，即实现所谓的“速度(能量)聚焦”，在离子源和磁分析器之间加一静电分析器（ESA），如下图所示，于两个扇形电极板上加一直流电位Ve，离子通过时的曲率半径为re=2V/E，即不同动能的离子re不同，换句话说，相同动能的离子的re相同----能量聚焦！

然后，改变E值可使不同能量的离子从其“出射狭缝”引出，并进入磁分析器再实现方向聚焦。双聚焦质量分析器结构：磁场、电场任意顺序组合。特点：分辨率高(>150,000)，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：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：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把不同离子分开。离子阱（iontrap）————四极杆的三维形式优点：比四极杆更紧凑、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：离子阱易受到污染，残余离子不宜洗净。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：受FTNMR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：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。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)。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：

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，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：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：