质谱原理与应用

-+ ++- +
+
+ + + +
+
+ +
+
++ +
准分子离子
+
其他离子 试样离子
6 电喷雾电离 (Electron spray Ionization,ESI )
通常没有碎片离子峰，只有整体分子的峰
小分子得到带单电荷的准分子离子
生物大分子得到多种多电荷离子 适合于分析极性强的大分子有机化合物
有机质谱原理、解析与应用
主 要 内 容
质谱分析概述 质谱仪器与工作原理
有机质谱裂解原理
有机质谱结构解析
第一部分 质谱分析概述
1.1 方法概述
质谱分析法就是通过对被测样品离子的质荷比的 测定来获得物质分子量的一种分析方法。 而把化合物分子用一定方式裂解后生成的各种离 子，按其质量大小排列而成的图谱称为质谱。
第二部分 质谱仪器与工作原理
2 化学电离源(Chemical Ionization CI)
准分子离子[QM] +
M + CH5+ → [MH] + + CH4 M + C2H5+ → [MH] + + C2H4
M + C2H5+ → [MH] + + C2H6
第二部分 质谱仪器与工作原理
2 化学电离源(Chemical Ionization CI)
流出液在高电场下形成带电喷雾，在电场力作用下穿过气帘；
气帘的作用：雾化；蒸发溶剂；阻止中性溶剂分子
6 电喷雾电离 (Electron spray Ionization,ESI )
带电小液滴
+ + + + + - + - 蒸发
+
-+ ++- + +
-+ ++- +
+
+
+
+ ++ - -- + + -+
品分子及离子存在和通过的地方，必须处于真空状态。
第二部分 质谱仪器与工作原理
2.3.2 进样系统（Sample Introduction）
要求：
大气压下的样品在不破坏真空度的情况下，
使样品进入离子源
方式： 直接进样
色谱进样（气相色谱及液相色谱）
第二部分 质谱仪器与工作原理
2.3.3 离子源（Ion Source）
第二部分 质谱仪器与工作原理
1 电子电离源(Electron Ionization EI)
第二部分 质谱仪器与工作原理
1 电子电离源(Electron Ionization EI)
M+eM++2e
e M molecule
M
+
e
molecular ion electron a radical cation
新聚在一点上。即静磁场具有方向聚焦，称之单聚焦。
式中，m -离子质量, amu Z -离子电荷量，以电子的电荷量为单位 V -离子加速电压，V B -磁感应强度，T
1 单聚焦磁场分析器
磁场 方向聚焦；
相同质荷比， 入射方向不同 的离子会聚； 分辨率不高
时，基质分子能有效的吸收激光的能量，使基质分子和样
品分子进入气相并得到电离。
MALDI可使热敏感或不挥发的化合物由固相直接得到离子。
5 基质辅助激光解析电离 (MALDI )
样品置于涂有基质的样品靶上，一定波长的脉冲式激光照射
到样品靶上，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。 常用的基质有2,5二羟基苯甲酸、芥子酸、烟酸、α-氰基-4-羟
+ +
气体分子 试样分子
准分子离子 电子 + M+H, MH, M+17,M+29
最强峰为准分子离子;谱图简单;不适用难挥发试样
3 场电离(Field Ionization, FI)
当样品蒸汽接近或接触带高正电位的金属针时，在强电场的作用下 发生电离。要求样品分子处于气态，灵敏度不高，应用逐渐减少。
OH
OH
4 快原子轰击(Fast Atom Bombardment,FAB)
m/z 295为(M+Na)+峰，273为(M＋H)+峰，均为准分子离子峰；图中 的其它强峰m／e 107、136、154、289等来自甘油或间硝基苄醇， 可用空白谱消除。
5 基质辅助激光解析电离 (MALDI )
待测物质的溶液与基质的溶液混合后蒸发，使分析物与基 质成为晶体或半晶体，用一定波长的脉冲式激光进行照射
第一部分 质谱分析概述
质谱就是把化合物分子用一定方式裂解后生成的各种离子，按 其质量大小排列而成的图谱。
第一部分 质谱分析概述
1.2 发展历史
1912年 1919年 1940年 1946年 1953年 Thomson 研制第世界上一台质谱仪 Aston 精密仪器，测定50多种同位素 应用于石油、化工等领域 飞行时间质谱(Time-of flight mass analysis) 四极杆分析器(Quadrupole analyzers)
注意：FAB质谱图中会出现基质分子产生的相应的峰及
基质分子与样品分子的结合峰。 例如：3-硝基苄醇作为基质时，会出现 m/z154(MH), 136（MH–H2O）, 289(MMH–H2O) 的峰。
4 快原子轰击(Fast Atom Bombardment,FAB) 利用不同离子源获得的质谱图
CH2OH H OH OH H O H
换反应：
Ar+（高动能的）+ Ar（热运动的）→Ar（高动能的）+ Ar+（热运动的）
高动能的Ar或Xe原子束再轰击样品分子使其离子化
第二部分 质谱仪器与工作原理
4 快原子轰击(Fast Atom Bombardment,FAB)
FAB是目前广泛使用的软电离技术，适用于难汽化,极性强 的大分子。样品用基质调节后黏附在靶物上。 常用的基质有甘油，硫代甘油，3-硝基苄醇，三乙醇胺等。
7 大气压化学电离源(Atmospheric pressure chemical Ionization, APCI）
第二部分 质谱仪器与工作原理
2.3.4 质量分析器（Mass analyzer ）
① 扇形磁场质量分析器；Magnetic-Sector
② 四极杆质量分析器；Quadrupole
③ 离子阱质量分析器；IT(Ion Trap)
CH4 + e → CH4+·+ 2e (46%) CH3+ (39%) CH2+· (7%)
第二部分 质谱仪器与工作原理
初级离子: CH4+· CH3+ , CH2+· ,
CH4+· + CH4 → CH5+ + CH3· (48%) CH3+ + CH4 → C2H5+ + H2 (41%) CH2+· + 2CH4 → C3H5+ + 2H2 (6%) ·· ·· ·· CH5+, C2H5+ , C3H5+ 等为稳定的次级离子。
电压：107-108 V/cm；
强电场将分子中拉出一个电子；
分子离子峰强；
+
阳极 + +
+ + + d<1mm
碎片离子峰少；
不适合化合物结构鉴定；
+ + + + +
阴极
+
+
3 场解吸（Field Desorption，FD） 样品不需汽化, 预先附在处理好的场离子发射
体上, 送入离子源, 然后通以微弱电流, 使样品分子
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，它比较适合于分析生物大分子，如 肽、蛋白质、核酸等。 得到的质谱主要是分子离子，准分子离子。碎片离子和多电 荷离子较少。
6 电喷雾电离 (Electron spray Ionization,ESI )
第二部分 质谱仪器与工作原理
2.2 质谱分类
质 谱
同位素质谱
无机质谱
有机质谱
生物质谱
结构鉴定、定量分析
生命、医学、 农业科学
环境、地球
化学、化工
药学、毒物 学、刑侦
2.3 质谱仪组成
真空系统
进样系统 离子源 质量分析器 检测器
1.气体扩散 2.直接进样 3.气相色谱
1.电子轰击 2.化学电离 3.场致电离 4.激光
功能：
将进样系统引入的气态样品分子转化成离子；
硬电离
软电离
第二部分 质谱仪器与工作原理
2.3.3 离子源（Ion Source）
电子电离 Electron Ionization, EI
化学离子 Chemical Ionization, CI
场电离，场解吸 Field Ionization FD, Field Desorption FD 快原子轰击 Fast Atom Bombardment, FAB 基质辅助激光解析电离 Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI 电喷雾电离 Electrospray Ionization, ESI 大气压化学电离 Atmospheric Pressure Chemical Ionization, APCI
Fragments
第二部分 质谱仪器与工作原理
1 电子电离源(Electron Ionization EI)
(M-R2)+ (M-R1)+ Mass Spectrometer M+ (M-R3)+
第二部分 质谱仪器与工作原理
1 电子电离源(Electron Ionization EI)
电子能量 分子离子增加
可以得到正离子质谱或负离子质谱
7 大气压化学电离源(Atmospheric pressure chemical Ionization, APCI）
在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，产生H3O+，N2+，
O2+ 和O+ 等离子，溶剂分子也会被电离，这些离子与样品分 子进行离子-分子反应，使样品分子离子化。 适合于分析弱极性的小分子化合物，得到样品分子的准分子 离子峰
1956年
气相色谱-质谱联用(GC/MS)
高分辨质谱仪 (High-resolution MS)
第一部分 质谱分析概述
1.2 发展历史
1966年 1967年 1973年 1974年 1981年 化学电离(Chemical ionization) 串联质谱(Tandem mass spectrometry) 液相色谱-质谱联用 (LC/MS)，热喷雾方法 傅立叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR-MS) 快原子轰击电离质谱(FAB MS)，
从发射体上解吸下来, 并扩散至高场强的场发射区,
进行离子化。
适用于难汽化, 热不稳定的样品. 如: 糖类，肽
类，金属有机化合物，聚合物等。
4 快原子轰击(Fast Atom Bombardment,FAB)
惰性气体Ar或Xe的原子首先被电离并被加速， 使 之具有高的动能，在原子枪(atom gun)内进行电荷交
1.单聚焦 2.双聚焦 3.飞行时间 4.四极杆
显示
第二部分 质谱仪器与工作原理
2.3.1wenku.baidu.com真空系统
离子源和质量分析器的压力在 10–4 ~ 10–6 Pa 大量氧会烧坏离子源的灯丝；
用作加速离子的几千伏高压会引起放电；
引起额外的离子－分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。
为了获得离子的良好分离和分析效果，避免离子损失，凡有样
第二部分 质谱仪器与工作原理
2.1 质谱基本原理 质谱：称量离子质量的特殊天平。
第二部分 质谱仪器与工作原理
质谱分析法就是通过测定被测样品离子的质荷比来 获得物质分子量的一种分析方法。
第二部分 质谱仪器与工作原理
质谱分析法主要是通过对样品离子质荷比的分析而实现对样品进
行定性和定量的一种方法
电离装置把样品电离为离子 质量分析装置把不同质荷比的离子分开 经检测器检测之后可以得到样品的质谱图
电子能量 碎片离子增加
对于易电离的物质降低电子能量，而对于难电离的物 质则加大电子能量。
第二部分 质谱仪器与工作原理
1 电子电离源(Electron Ionization EI)
• 是应用最普遍，发展最成熟的电离方法。 • 标准质谱图基本都是采用EI源得到的。
• 常用轰击电压 50～70eV, 有机分子的电离电位一般为7～
15eV。
• 可提供丰富的结构信息。
• 有些化合物的分子离子不出现或很弱。
第二部分 质谱仪器与工作原理
2 化学电离源(Chemical Ionization CI)
高能电子束（100~240eV）轰击离子室内的反应气（甲烷等； 10~100Pa，样品的103~105倍），产生初级离子，再与试样分 子碰撞，产生准分子离子。
④ 飞行时间质量分析器；TOF(Time Of Flight) ⑤ 傅里叶变换离子回旋共振(Fourier transform Ion Cyclotron Resonance mass spectrometer, FT ICR)
1 单聚焦磁场分析器
相同m/z的离子，速度相同，色散角不同，经磁场偏转后，会重