第十五章 质谱法2010学生

分离、收集、记录
质谱
由分子结构与裂解方式的经验规律,根据分子离子和各 种碎片离子的质荷比及其相对丰度,就可以进行结构分析。
质谱能够提供的信息：
100
80
60
⑴ 相对分子质量 40
⑵ 分子式(样品的元素组成) 20
相对丰度/(%)
77 O C CH3 105
51 43
105 77
− CO
120(M+·)
Mass
+**
++
+++
+++**
Accuracy
Resolving
+**
++
Power
+++
++++**
Dynamic Range
+ to +++** ++
+++
++**
Upper m/z +
++++
+++
++
*Sensitivity lowered due to losing ions on way to analyzer, rather than inherent sensitivity. **Can be improved by scanning narrower mass range or slower.
⑶ 鉴定某些官能团
m/z 20 40 60 80 100 120
⑷ 分子结构信息
⑸ 人机问答，给出可能的化合物。
质谱分析法有如下特点：
（1）应用范围广。 （2）灵敏度高，样品用量少。 （3）分析速度快，并可实现多组分同时测定。 （4）与其它仪器相比，仪器结构复杂，价格昂
贵，使用及维修比较困难。对样品有破坏性。
•Two definitions:
•Valley Definition: Neighboring peaks overlap at 10% peak apex height.
•Full Width Half Maximum (FWHM): Width of a single peak measured at 50% peak apex. This is the most commonly used definition nowadays (because it is simpler).
Reflector Time Of Flight tube
ion source detector
detector time of flight
reflector
time of flight
（四）质量分析器（mass analyzer）
飞行时间（Time-of-flight）
优点：
质荷比没有上限，特别适合与生物大分子的测定 灵敏度高 结构简单，易于维护
M ΔM
RP = M ΔM
10% 5%
10% Valley Definition
50% ΔM
FWHM Definition
低分辨率质谱仪： R < 1000 高分辨率质谱仪： R ≧ 10000
利用高分辨率质谱仪可测定精确的质量数（分子式）！
质荷比均为 28 的分子： CO: 27.9949 N2: 28.0062 C2H4: 28.0313
四级杆（quadrupole mass analyzer）
优点：
结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、清洗方便、操作容易 仅使用电场而不用磁场，无磁滞效应，扫描速度快，适合于与 色谱联用 操作时真空度相对较低，特别适用与HPLC联用
缺点
分辩率不够高 对较高质量的分子有歧视效应
（四）质量分析器（mass analyzer）
2. 分子离子峰是奇电子离子峰。 3. 分子离子能合理地丢失碎片（自由基或中性分子），与其相邻
Endcap Electrode
Ring Electrode
Endcap Electrode
（四）质量分析器（mass analyzer）
离子井（Quadrupole Ion Trap）
类似四极杆分析器，在一定的U和Vrf下，某一 离子轨道振幅保持一定大小，可以长时间留在阱 内，其它离子振幅很快增长，撞击到电极而消失。
（三）离子源 (ion source)
¾电子轰击电离（electron impact ionization, EI） ¾化学电离（chemical ionization, CI） ¾场电离（field ionization, FI） ¾场解吸（field desorption, FD） ¾快原子轰击（fast atom bombardment, FAB） ¾电喷雾电离（electrospray ionization, ESI） ¾大气压化学电离（atmospheric pressure chemical ionization, APCI） ¾基质辅助激光解吸电离（matrix-assisted laser desportion ionization, MALDI）
缺点
分辩率随质荷比的增加而降低
二、质谱仪
（六）质量仪的主要性能指标
质量范围（Mass Range）:是指质谱仪器所检测的 离子质荷比范围。
四极质谱：
1000以内
离子阱质谱： ~ 6000
飞行时间质谱： 无上限
（六）质量仪的主要性能指标
分辨率（Resolution）:是质谱仪器分开相邻两个 质谱峰的能力，它是对不同质量离子分离和对相同离 子聚焦两种能力的综合表征。
APCI:
离子在气态下形成 易挥发、热稳定的样品 非极性样品 分子量较小的样品(如甾体等)
二、质谱仪
（四）质量分析器（mass analyzer）
单聚焦（single focusing mass analyzer） 双聚焦（ double focusing mass analyzer ） 四级杆（quadrupole mass analyzer） 离子井（Quadrupole Ion Trap） 飞行时间（Time-of-flight） 傅立叶变换离子回旋共振（Fourier Transform-Ion Cyclotron Resonance）
（三）离子源 (ion source) 4.电喷雾电离（electrospray ionization, ESI）
Gas Sheath ±5kV
Nozzle
Needle Ion Plume
Liquid Sheath
4.电喷雾电离（electrospray ionization, ESI）
仅供药学院本科参考
第十五章 质谱法 (mass spectrometry MS)
概述
以某种方式使有机化合物的分子电离、碎裂，然 后按照离子的质荷比（m/z）大小把生成的各种离子 分离，检测它们的强度，并将其排列成谱，以研究物质 的方法称作质谱法。
质谱图
相对丰度/(%)
100
105
77 O
77
80
C CH3
− CO
一、质谱中的主要离子 （一）分子离子molecular ion（奇电子离子）
分子失去一个价电子而生成的离子，通常用
相对丰度/(%)
M+•表示。 100
80
60
77 O C CH3 105
105
77 − CO
40
51
20
43
120(M +· )
m /z
20
40
60
80
100 120
分子离子峰的识别
1. 在质谱图中，分子离子峰应该是最高质荷比的离子峰（同位素 离子及准分子离子峰除外）。
(气态分子) （70eV）
→AB++CD•
→AD+•+BC
EI方法电离样品过程示意
1.电子轰击电离（electron impact ionization, EI）
优点： 1）稳定, 质谱图再现性好，便于计算机检索及比较； 2）离子碎片多，可提供较多的分子结构信息。 缺点： 1）样品必须易于气化； 2）当样品分子稳定性不高时，分子离子峰的强度低， 甚至不存在分子离子峰。
第二节 质谱中的主要离子及其裂解类型
质谱图
横坐标：质荷比 (m/z)
纵坐标：相对丰度(最强峰的强度定为100%)
100
105
77 O
77
80
C CH3
− CO
105
60
相对丰度/(%)
40
51
20
43
120(M+·)
m/z 20 40 60 80 100 120
苯乙酮的质谱图
第二节 质谱中的主要离子及其裂解类型
第一节 质谱法的基本原理与质谱仪
二、质谱仪
有机分子(M) 电子轰击 (-e)
分子离子 ( M+ ) 开裂 碎片离子
分离、收集、记录
质谱
第一节 质谱法的基本原理与质谱仪
二、质谱仪
Sample
+ _
Ionizer
Mass Analyzer
Detector
质谱仪组成模块
仅供药学院本科参考
二、质谱仪
U and V are varied
区达到检测器，这些离子称为共振离子。其他离子在运动过程中
U (DC voltage)
撞击在ac圆a筒nd 电dc 极vol上tag而es被“过V滤(p”e掉ak，am这pli些tud离e o子f a称ra为dio非fre共qu振enc离y) 子。
（四）质量分析器（mass analyzer）
105
60
40
51
20
43
120(M+·)
m/z 20 40 60 80 100 120
苯乙酮的质谱图
MS基本原理简介
质谱用于结构分析有点像：
打碎 花瓶
将碎片拼起来 碎片
复原后的花瓶
(不可看到它的形状和质地)
(可以看到它的形状和质地)
即：
有机分子(M) 电子轰击 (-e)
分子离子 ( M+ ) 开裂 碎片离子
（四）质量分析器（mass analyzer）
四级杆（quadrupole mass analyzer）
−U −V cos 2 π f t
ions with corresponding m/z
Detector
U + V cos 2 π f t
ions collide with the rods
对于某一种射频频率，只有Sc一an种nin质g o荷f m比ea的sur离ing子ra可ng以e: 顺利通过电场
（三）离子源 (ion source) 1.电子轰击电离（electron impact ionization, EI）
仅供药学院本科参考
1.电子轰击电离（electron impact ionization, EI）
→ ABC++D•
→AB++C
-2e
→A++B
ABCD + e →ABCD+• →ABC•+D+
离子井（Quadrupole Ion Trap）
优点：
单一的离子井可实现多级串联质谱（MS）n 结构简单，价格低 质量范围大
缺点
分辩率不够高
（四）质量分析器（mass analyzer）
飞行时间（Time-of-flight）
Linear Time Of Flight tube
ion source
（三）离子源 (ion source) 5.大气压化学电离(APCI)
院本科参考 Vaporizer 仅供药学
Probe Movement
Corona Needle
movie
5.大气压化学电离(APCI)
ESI APCI
ESI:
离子经过液态形成 热稳定性的样品 极性较强 分子量较大，蛋白、多肽、核酸等
2. 分子离子峰是奇电子离子峰。 3. 分子离子能合理地丢失碎片（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合理。3-13、20-25, 37、38、 50-53、65、66之内不可能有峰。
合理碎片丢失
仅供药学院本科参考
分子离子峰的识别
1. 在质谱图中，分子离子峰应该是最高质荷比的离子峰（同位素 离子及准分子离子峰除外）。
离子井（Quadrupole Ion Trap）
−U −V cos 2 π f t
ions with corresponding m/z
Detector
U + V cos 2 π f t
ions collide with the rods
ac and dc voltages
Scanning of measuring range: U and V are varied
（六）质量仪的主要性能指标
质量准确度（mass accuracy）
质量精度＝ M－M0 ×10（6 ppm） m
Comparison of Analyzer Types
Sensitivity
Ion Trap/ Quadrupole
+++
百度文库
TOF ++* to +++
OrbiTrap ++*
FT-ICR +*
U (DC voltage) V (peak amplitude of a radio frequency)
（四）质量分析器（mass analyzer）
离子井（Quadrupole Ion Trap）
仅供药学院本科参考
（四）质量分析器（mass analyzer）
离子井（Quadrupole Ion Trap）