第十四章 质谱法

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2. 同位素离子(isotopic ion)
由重同位素组成的分子形成的离子
同位素离子峰一般出现在相应分子离子峰或碎片离
子峰的右侧附近,m/z用M+1,M+2等表示。
例如:CH4
12C+1H×4=16
M
同位素离子:
13C+1H×4=17 12C+2H+1H×3=17
13C+2H+1H×3=18
MALDI示意图
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5. 快原子轰击(fast atom bombardment, FAB)
FAB电离原理:
样品溶液与甘油、硫代甘油、3-硝基苄醇等高沸点的 溶剂混合滴加于样品靶上。由铯枪(或Ar、Xe)产生的 高能快原子轰击到样品靶上时,部分能量导致样品气化和 电离。生成的离子束由一加速电压(数kV)引出,进入 质量分析器,按不同的质荷比(m/z)被分开,并检测器
M+1 M+1
M+2
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C、H、O、N的稳定同位素相对丰度
元素 相对丰度% 元素 相对丰度%
1H 100.00
14N 100.00
2H 0.015
15N 0.36
12C 100.00
16O 100.00
13C 1.08
17O 0.04
18O 0.20
32S 100.00
33S 0.78
200
250
m/z
304.2 300
其它离子源:快原子轰击FAB
基质辅助激光解吸MALDI
场电离FI,场解吸FD
大气压化学电离APCI
……
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4. 基质辅助激光解析质谱
(Matrix-assisted Laser Desorption/Ionization,MALDI)
用小分子有机物作基质,将样品溶液和基质混合均匀, 干燥成为晶体或半晶体后送入离子源内。用一定波长的 脉冲式激光照射,基质分子能有效地吸收激光能量,瞬间 由固态转化为气态,基质离子与样品相互碰撞使样品离 子化,而得以进行质谱分析。
(a+b)n
n = 2,a2+2ab +b2
a是轻质同位素丰度
n = 3,a3+3a2b+3ab2+b3 b是重质同位素丰度
如:分子中有三个氯,n=3,a=3, b=1:
(a+b)3 = 27 + 27 + 9 + 1
定义:
R m1 m2 m1
R<1000低分辨 R>1000高分辨
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§14-4 质谱解析基础知识
一、质谱中几种主要的离子( EI源 )
1. 分子离子(奇电子离子)
确定分子量和
(Molecular ion)
分子式
M +e
M + . +2e
中性分子
分子离子
分子离子的质量与化合物的分子量相等
相对强度 11.6 3.8 5.0 7.6 12.3 100.00 77.8
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(A) ESIMS of anisodine (樟柳碱)
(B) MS2 of anisodine
樟柳碱的MS和MS2图谱
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质谱法应用
从化学角度来看
分子量测定
分子离子峰m/z → 化合物分子量
34S 4.40
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化合物分子式:CwHxNyOz
同位素离子峰与分子离子峰相对强度的计算公式:
IM 1 10 1.0 0w 8 0.0x2 0.3y7 0.0z4 IM
IM 2100 (1.0w 80.0x2)20.2z0
IM
200
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如CH4:
IM1 1001.16%; IM2 1000.006%7
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(四) 检测器
法拉第环
照相感版
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
电子倍增器示意图
105~108
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(五) 真空系统
作用:
1) 避免大量氧烧坏离子源的灯丝; 2) 消减离子的不必要碰撞,避免离子损失; 3) 避免离子-分子反应改变裂解模式,使质谱
复杂化;
4) 减小本底。
} 真空度要求:
质谱法发展
1918年美国A.J.Dempster发明了第一台单聚焦质谱仪; 1966年Munson和Field提出了化学电离(CI)技术; 1981年出现了快原子轰击(FAB)电离技术;
随后出现了各种软电离技术: 如基质辅助激光解吸电离源(MALDI)
电喷雾电离源(ESI) 大气压化学电离源(APCI) 感应耦合等离子体质谱仪(ICP-MS) 富立叶变换质谱仪(FT-ICR MS)
质谱法特点★
优点:
唯一准确确定分子量的方法,特别是生物大分子分子 量(数十万)测定
极高灵敏度,检测限达10-14g
同位素分析
多种形态分析
快速,多组分分析
缺点:
☞ 仪器昂贵,测试费用高 ☞ 破坏样品
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质谱图
质谱数据表示
CH3
质谱表
m/z
39 50 51 63 65
91 92
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2. 化学电离源(CI)
软电离 (分子不稳定)
反应气体:甲烷、氨气、异丁烷等
气体分子
试样分子
准分子离子
电子
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甲烷电离:
CH4 + eˉ→ CH4+ + CH3+ + CH2+ + CH+ + C+ + H+
90%
甲烷离子与分子反应生成加合离子: C4 H C4H C5 H C3H C3 H C4 H C 2H 5 H 2
第十四章 质谱法
第一页,本课件共有86页
应用:
头发中铜、锌、钙、铁、铅等微量元素的分析?
第二页,本课件共有86页
第十四章
质谱法
Mass Spectroscopy
MS
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主要内容
14-1 概述 14-2 质谱法基本原理 ★ 14-3 质谱仪 ★ 14-4 质谱解析基础知识 14-5 有机波谱综合解释
检出。
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(三) 质量分析器
1. 单聚焦分离器
只有磁场: 方向聚焦
R
2mU zH 2
结构简单, 操作方 便, 体积小
但分辨率低
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2. 双聚焦分离器
方向聚焦:
相同质荷比,入射
方向不同的离子会聚。
能量聚焦:
相同质荷比,速度 (能量)不同的离子会聚 。
结构分析
分子量、同位素峰和碎片m/z 分子式
NMR、IR、UV-VIS
结构式
定量分析
峰强度→定量分析,但校正复杂
主要是GC-MS或LC-MS定量分析
新应用——学科前沿
质谱成像、蛋白质组学、代谢组学……
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质谱法应用
从对象来看
生物
医药
农业
环境
刑侦
食品
……
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电场
+ -
S1 离子源
磁场
S2 收集器
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,两能量色散大小相等方向相反,使质量相同的离子 会聚。
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3. 四级杆分析器
飞行时间质量分析器
离子阱质量分析器 ……
双曲面电场(离子振荡运动) 改变电参数,使不同m/z离子通过
(大小相等,方向相反)
IM
IM
ö根据质谱图上同位素离子峰与分子离子峰的相
对强度,可以推测化合物的分子式(Beynon表)。
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含卤素化合物:
同位素离子峰鉴定分 子中氯、溴、硫原子
1. 氟、碘是单一同位素
2. 35Cl︰37Cl=3︰1, 79Br︰81Br=1︰1,
计算分子离子峰与同位素离子峰强度比:
二、离子源 ★
电子轰击源EI、化学电离源CI 电喷雾离子源ESI、快原子轰击FAB 基质辅助激光解吸电离源MALDI
作用:使气态样品分子电离,转化为带有样品
信息的离子
1. 电子轰击源(EI)
硬电离
灯丝 电子束
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EI示意图
++
: R1
: R2
+
: R3
++
: R4
:e
丰度
(M-R2)+
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§14-1 概 述
质谱法:将样品转化为运动的气态离子并按质荷
比(m/z)大小不同进行分离记录的分
析方法。
质谱法分类 :
原子质谱法(无机质谱法)
atomic mass spectrometry
分子质谱法(有机质谱法) molecular mass spectrometry
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……
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质谱仪分类
按离子源分类 按检测器分类
电子轰击EI 化学电离CI 快原子轰击FAB
大气压电离ESI、APCI
基质辅助激光解吸电离源MALDI ……
单聚焦质谱SFMS 双聚焦质谱DFMS 离子阱质谱ITMS
四级杆质谱Quadrupole
飞行时间质谱TOFMS
……
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§14-2 质谱法基本原理★
质谱法实验流程——质谱仪器结构框图
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质谱方程
电子轰击离子化EI:
分子离子,可裂解 为碎片离子
离子源中
Me M• 2e
50~100 eV
电场中
1 mv2 zU 2
m:离子质量
v:离子速度 z:离子电荷 U:电场电压
磁场中
mv2 Hzv R
R:离子运动半径 H:磁场强度
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两式消去v:
mH2R2 或R z 2U
2mU zH2
结语:
质谱方程式
m/z∝R2,H、U一定时, m/z↑,R↑空间上分离
m/z∝H2,R、U一定时(磁场扫描), m/z↑,H↑
时间上分离
m/z∝1/U,R、H一定时(电压扫描), m/z↑,U↓
时间上分离
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合理
Δm 丢失
1
2
H· H2
3
15
16
17
H 2 , CH3
O
OH

NH2
18 20 H2O
Δm = 4-14, 21-24, 37-38·····通常认为是不合理丢失
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3. 判断其是否符合N律 不含N或含偶数N的有机分子, 其分子离子峰的m/z为偶数。含
奇数N的有机分子, 其分子离子峰的m/z为奇数。 ◎使用CI电离时,可能出现 M+H, MH, M+C2H5, M+C3H5… ◎使用FAB或ESI时,可出现 M+H, MH, M+Na, M+K… ◎较高分子量的化合物,可能同时生成 M+H, M+2H, M+3H等
R elative A bundation (% )
COOC8H17 COOC8H17
100
149 EI
113
50
71
167
57
279
0
0
200
m /z
R elative A bundation (% )
M=390
100
CI
113 149
50
261 279
0
0
200
m /z
400
391
400
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第二十二页,本课件共有86页
加合离子与样品分子反应:
CH5+ + RH → RH2+ + CH4
(M+1)+
准分子离子: (M±1)+
(M-1)+
(M + 17)+
C2H5+ + RH → R+ + C2H6
(M + 29)+
CI源特点:
图谱简单,易测得分子量。
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EI和CI质谱图比较
离子源 质量分析器
<10-4 Pa
{ 真空泵
机械泵 扩散泵
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二、质谱仪的主要性能指标
1. 质量范围 质谱仪所能测定的离子质荷比范围
单电荷离子:质量范围即分子量范围
多电荷离子:分子量测定范围比质量范围大。
第三十四页,本课件共有86页
2. 分辨率:分开相邻质量数离子的能力
§14-3 质谱仪
质谱仪器结构框图
美国Finnigan ESI MS仪
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一、进样系统
作用:在不降低真空度的条件下,将样品分子引
入到离子源中
间歇式进样系统——气体、挥发性液、固体
直接探针进样——固体、非挥发、不稳定样品
色谱进样系统
毛细管电泳进样
接口——复杂样品
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一般有机物失去电子的程度是
n电子>π电子>σ电子
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分子离子或准分子离子峰
质谱中分子离子峰的识别及分子式的确定是至关重要的.
分子离子峰的识别
1. 假定分子离子峰: 高质荷比区,RI 较大的峰(注意:同位素峰) 2. 判断其是否合理: 与相邻碎片离子(m/z较小者)之间关系是否
3. 电喷雾电离源(ESI)
最软电离
Electrospray Ionizaton
高电场
多电荷离子
测定的样品分子量大
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Relative Abundance (%)
N
100
80 O (A)
60
O
40
O OH
20
M 0 : sc o p o la m in e
0
100
150
(M-R1)+
(M-R3)+
M+
m/z
Spectrum
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EI源实验技术:10~70 eV
有机分子电离电位:7-15eV,提供丰富的结构信息。
电子能量 分子离子增加
电子能量 碎片离子增加
EI标准质谱图:70eV,用于分子结构分析
EIMS特点:
适用性强,图谱重现性好 但图谱复杂,分子离子峰难寻找
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