质谱与图谱解析

（1） 电子电离源(electron ionization EI)
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图4-6电子电离源原理图
EI是质谱中最常用的离子源，电子能量一般为70eV，大 多数有机化合物的电离电位7~15eV，多数分子离子进一 步裂解产生碎片离子。
样品分子形成离子的四种途径： • 样品分子被打掉一个电子形成分子离子（同位素离子）。 • 分子离子进一步发生化学键断裂形成碎片离子。 • 分子离子发生结构重排形成重排离子。 • 通过分子离子反应生成加合离子。 特点： ❖ 碎片离子多，结构信息丰富，有标准化合物质谱库；
8）多电荷离子（multiply-charged ion） 失掉两个以上电子的离子称为多电荷离子。
9）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。
4.2.3 质谱仪的组成
进样系统（inlet system） 离子源（ion source） 质量分析器（mass analyzer） 检测器（detecter） 真空系统（Vacuum system）
质辅助激光解吸电离源，电喷雾电离源，大气压化学电离源； LC-MS联用仪，感应耦合等离子体质谱仪，富立叶变换质谱仪等
目前质谱分析法已广泛地应用于化学、化工、材料、环 境、地质、能源、药物、刑侦、生命科学、运动医学等 各个领域。
4.1.2 质谱分析法是按照离子的质核比（m/z）大小
对离子进行分离和测定从而对样品进行定性和定量分析 的一种方法。
❖ FAB一般用作磁式质谱的离子源。
（4）电喷雾源(electronspray ionization ESI)
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图4-8 电喷雾电 离原理图
❖ 多层套管组成的电喷雾喷咀，最内层是液相色谱流出 物，外层是喷射气（氮气），使喷出的液体容易分散 成微滴。
❖ 喷嘴斜前方有一个补助气喷咀，使微滴的溶剂快速蒸 发，表面电荷密度逐渐增大，到某个临界值时，离子 从表面蒸发出来。
(1)
2
5、加速离子进入一个强度为H的磁场，发生偏 转，半径为：
r mv
(2)
zH
将（1）（2）合并：
m H 2r2
(3)
z 2V
当r为仪器设置不变时，改变加速电压或磁场强度，则不 同m/z的离子依次通过狭缝到达检测器，形成质量谱， 简称质谱。
4.2.2 有机质谱中的各种离子
1）分子离子（molecular ion）
❖ 主要用于挥发性样品的电离，不能汽化的样品不能分析；
❖ 稳定性不高的样品得不到分子离子；
（2）化学电离源(chemical ionization CI)
结构与EI同，离子化室充反应气体（甲烷、异丁烷、氨 等），电子首先将CH4离解，通过离子-分子反应来完 成电离。其电离过程如下：
CH4 + e
CH4+ + 2e （ CH3 + ， …）
CH4+ + CH4
CH5+ + CH3
CH3+ + CH4
C2H5 + + H2
生成的气体离子再与样品分子M反应：
CH5 + + MH C2H5 + + MH
CH4 + MH2+ C2H6 + M+
化学电离源是一种软电离方式，有些稳定性差的化合物， 用EI方式得不到分子离子，改用CI后可以得到准分子离 子，因而可以求得分子量。
FBA是一种广泛应用的软电离技术，主要用于极性强、 分子量大的样品分析。
特点：
❖ 电离过程中不必加热气化，因此适合于分析大分子量、 难气化、热稳定性差的样品。例如肽类、低聚糖、天 然抗生素、有机金属络合物等。
❖ FAB源得到的质谱不仅有较强的准分子离子峰(M+H)+ 或(M+Na)+ ，而且有较丰富的结构信息。
（1）单聚焦分析器（single focusing mass analyzer）
结构： 扇形磁场 （可以是 180o、90o、 60o等）
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图4-11 单聚焦质量分析器
原理：
由（3）式可知： m H 2r 2
(3)
z 2V
❖ 离子的m/z大，偏转半径也大，通过磁场可以把不同离 子分开；
❖ 当r为仪器设置不变时，改变加速电压或磁场强度，则 不同m/z的离子依次通过狭缝到达检测器，形成质谱。
样品分子失去一个电子而电离所产生的离子，记为 M 。
2）准分子离子（quasi-molecular ion） 准分子离子常由软电离产生，一般为 M+H +、M-H +。 3）碎片离子（fragment ion） 泛指由分子离子破裂而产生的一切离子。狭义的碎片离子
指由简单断裂产生的离子。 4）重排离子（rearrangement ion） 经重排反应产生的离子，其结构不是原分子结构单元。
5）母离子（parent ion）与子离子（daughter ion） 任何一离子进一步产生某离子，前者称为母离子，后者 称为子离子。
6）亚稳离子（metastable ion） 是从离子源出口到检测器之间产生的离子。
7）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 电子的离子称为偶电子离子。
（3）快原子轰击(fast atom bombardment FAB)
图4-7 快原子Baidu Nhomakorabea击源示意图
❖ 氩（氙）气在电离 室依靠放电产生氩 离子，高能氩离子 经电荷交换得到高 能氩原子流，
❖ 高能Ar（Xe）原 子轰击涂在靶上的 样品，溅射出离子 流。
❖ 样品电离后进入真 空，在电场作用下 进入分析器。
质谱法的主要作用是： （1）准确测定物质的分子量 （2）根据碎片特征进行化合物的结构分析
分析时，首先将分子离子化，然后利用离子在电场或 磁场中运动的性质，把离子按质核比大小排列成谱， 此即为质谱。
第二节 质谱分析的原理与仪器 4.2.1 质谱分析的过程与原理
图4-1 MS分析过程示意图
1、进样
化合物通过汽化引入离子化室；
特点： ❖ 得到一系列准分子离子(M+1)+，(M-1)+，(M+2)+等等； ❖ 一般都有正CI和负CI，可以根据样品情况进行选择，对
于含有很强的吸电子基团的化合物，检测负离子的灵敏 度远高于正离子的灵敏度； ❖ 碎片离子峰少，图谱简单，易于解释； ❖ 适用于易汽化的样品，不适于难挥发成分的分析。 ❖ CI得到的质谱不是标准质谱，所以不能进行库检索。
要是分子离子，准分子离子。比较适合分析生物大分子， 如肽、蛋白质、核酸等。
3、质量分析器(mass analyzer)
质量分析器的作用是将离子源产生的离子按m/z顺序 分开并排列成谱。
单聚焦分析器（single focusing mass analyzer） 双聚焦分析器（double focusing mass analyzer） 四极杆分析器 (quadrupole analyzer) 飞行时间分析器(time of flight） 离子阱分析器 (Ion trap) 富立叶变换离子回旋共振分析器（Fourier tranform ion cyclotron resonance）
1、样品引入系统
气体——直接导入或用气相色谱进样 液体——加热汽化或雾化进样 固体——用直接进样探头
图4-4 雾化进样
HEN Nebulizer
Heater Heated Gas
Nebulizer Gas
Sweep Gas In
Water Vapor
Dry Aerosol Water Vapor
离子源的作用是将欲分析样品电离，得到带有样品 信息的离子。
电子电离源(electron ionization EI) 化学电离源(chemical ionization CI) 快原子轰击(fast atom bombardment FAB) 电喷雾源(electronspray ionization ESI) 大气压化学电离（atmospheric pressure chemical ionization APCI) 基质辅助激光解吸电离（matrix assisted laser desorption ionization MALDI)
图4-9 肌红蛋白电喷雾质谱图
（5）大气压化学电离源(Atmospheric pressure chemical Ionization APCI)
图4-10 大气压化学 电离接口示意图
结构与电喷雾源大致相同，不同之处在于APCI喷咀的下游 放置一个针状放电电极，通过放电电极的高压放电， 使空气中某些中性分子电离。
大气压化学电离源主要用来分析中等极性的化合物。
❖ 电离产生H3O+，N2+，O2+ 和O+ 等离子及溶剂分子电离 产生的离子与分析物分子进行离子-分子反应，使分析 物分子离子化。由质子转移和电荷交换产生正离子， 质子脱离和电子捕获产生负离子等。
❖ APCI是ESI的补充，有些分析物由于结构和极性方面的 原因，用ESI不能产生足够强的离子，可以采用APCI方 式增加离子产率。
❖ 离子产生后，借助于喷咀与锥孔之间的电压，穿过取 样孔进入分析器
ESI是很软的电离方法，即便是分子量大，稳定性差的化 合物，也不会在电离过程中发生分解。
特点： ❖ 适合于适用于强极性，大分子量的样品（生物大分
子）分析，如蛋白质、肽、糖等。 ❖ 最大特点是容易形成多电荷离子。一个分子量为
10000Da的分子若带有10个电荷，则其质荷比只有 1000Da，进入了一般质谱仪可以分析的范围之内。 因此目前采用电喷雾电离，可以测量分子量在 300000Da以上的蛋白质。 ❖ 主要用于液相色谱-质谱联用仪
第四章 质谱分析法 Mass Spectrometry，MS 第一节 概述
分子
4.1.1 质谱仪的发展史
1911年: 世界第一台质谱装置（J.J. Thomson） 40年代: 用于同位素测定和无机元素分析 50年代： 开始有机物分析（分析石油） 60年代： 研究GC-MS联用技术 70年代： 计算机引入 80年代： 新的质谱技术出现：快原子轰击电离子源，基
❖ 通常称为基质辅助激光解吸电离(Matrix Assisted Laser Description Ionization, 简称MALDI)。常用基质有2,5-二羟 基苯甲酸、芥子酸、烟酸、α-氰基-4-羟基肉桂酸等。
❖ 特别适合于飞行时间质谱仪(TOF)，组成MALDI-TOF。 ❖ MALDI属于软电离技术，碎片离子和多电荷离子较少，主
❖ APCI主要产生的是单电荷离子，适用于弱极性的小分 子化合物。
❖ 碎片离子很少，主要是准分子离子，适用于液相色谱质谱联用仪。
（6）激光解吸源（Laser Description，LD）
❖ 利用一定波长的脉冲式激光照射涂有基质的样品靶，基 质分子吸收激光能量，与样品分子一起蒸发到气相并使 样品分子电离。
Sample Flow In
Makeup Gas
Sweep Gas Out
图4-5 雾化进样系统
对于蒸汽压低的样品进行衍生化后进样
例如：葡萄糖变成三甲基硅醚的衍生物
HO HO
CH2OH O OH
Me3SiCl
CH2OSiMe3
OH
O
OSiMe3
Me3SiO
Me3SiO
OSiMe3
2、 离子源(ion source)
❖ 结构简单，操作方便，但分辨率很低。（无法克服离 子初始能量分散对分辨率造成的影响）
（2）双聚焦分析器（Double focusing mass analyzer）
图4-12 双聚焦质量分析器原理图
在扇形磁场前加一扇形电场，以消除离子能量分散对 分辨率的影响。
对于动能不同的离子，通过调节电场能，达到聚焦的目 的。
❖ 质量相同而能量不同的离子经过扇形电场后彼此分开， 起能量色散作用。使静电场的能量色散作用和磁场的 能量色散作用大小相等方向相反，就可以消除能量分 散对分辨率的影响。
❖ 由电场和磁场共同实现质量分离的分析器，同时具有 方向聚焦和能量聚焦作用，叫双聚焦质量分析器。
❖ 双聚焦分析器的优点是分辨率高，缺点是扫描速度慢， 操作、调整比较困难，仪器造价比较昂贵。
2、离子化
在离子化室，组分分子被一束加速电子碰撞（能量约 70eV），撞击使分子电离形成正离子；
M —— M+ + e 或与电子结合，形成负离子
M + e —— M-
3、离子也可因撞击强烈而形成碎片离子：
4、荷电离子被加速电压加速，产生一定的速度v， 与质量、电荷及加速电压有关：
zV 1 mv2