第七章 现代质谱技术

第七章现代质谱技术

第一节质谱技术的发展

质谱分析在灵敏度（sensitive）、速度（speed）、特异性（specificity）和化学计量（stoichiometry）四方面的表现优异（亦称质谱的4S特性），因此成为当今仪器分析的只要方法之一。

质谱仪按照应用范围分类有无机质谱、同位素质谱、有机质谱和生物质谱；按照分辨率大小分类有高分辨质谱、中分辨质谱和低分辨质谱；按照离子源类型分类有电子轰击质谱、电喷雾质谱和快原子轰击质谱等；按照质量分析器分类有磁质谱、离子阱质谱和飞行时间质谱等。不同类型的质谱其功能、用途都不相同，上述称谓通常表明该质谱具有的主要特色及功能，实际上各质谱仪功能交叉非常多，上述称呼并不能概括该仪器的所有功能及应用范围，需了解仪器的配置和主要技术指标方可合理使用质谱仪。

早期的质谱仪主要是无机质谱和同位素质谱，主要用于同位素测定和无机元素分析，之后出现了有机质谱，拓宽了质谱分析的研究范围，尤其是液相色谱—质谱联用仪的出现，使质谱仪的使用更加的广泛。近二十年，随着电喷雾电离和飞行时间质谱技术等质谱技术的出现，使得质谱技术可以用于生物大分子的研究，随之出现了生物质谱。

离子源和质量分析器是质谱仪的两个主要组成部分，相应的离子化技术和质量分析技术一直是现代质谱技术的重点研究内容（如电喷雾技术、快原子轰击技术、离子阱技术和四级杆技术等），质谱仪器的重要发展阶段均与这两种技术的发展有关。

一EI质谱的主要代表仪器为气相色谱—质谱联用仪，具有进样量少、灵敏度高、检测快速、图谱库全等优点。

二化学电离生成的与分子量相关的m/z的峰不是分子离子峰，而是[M+H]﹢或[M‐H]‐峰或其他峰，这些峰称为准分子离子峰。

化学电离原理的特点之一是化学电离产生的准分子离子过剩的能量小，因此，进一步发生裂解的可能性小，质谱谱图碎片峰较少，同时，准分子离子又是偶电子离子，比EI产生的M+（奇电子离子）稳定，准分子离子峰较高，非常适合于获得分子量信息。

化学电离，用于CI的离子源与EI相似，主要区别是离子源中含有较高浓度的反应气体，样品分子与反应气分子相比是极少的，进而保证了准分子离子的存在，这种技术称为软电离技术。

不同电离方法及其特点

电离方法适用化合物类型进样形式质量范围主要特点EI 小分子、低极性、易挥发化合物GC或直接进样1—1000 硬电离，重现性

高、结构信息多CI 小分子、中低极性、易挥发化合物GC或直接进样60—1200 软电离，提供

[M+1]﹢ESI 蛋白质、多肽、非挥发性化合物HPLC或直接进样100—50000软电离，多电

荷离子FAB 碳水化合物、金属有机配合物、样品溶解在基质中300—6000 软电离蛋白质、非挥发性化合物

第二节快原子轰击质谱

快原子轰击质谱产生的主要是准分子离子，碎片离子较少。常见的离子有[M+H]﹢（正离子方式）或[M‐H]‐（负离子方式）。此外，还会生成加合离子，如[M+Na]﹢、[M+K]﹢等。如果样品滴在Ag靶上，还能看到[M+Ag]﹢。用甘油作为基质时，生成的离子中还会有样品分子和甘油生成的加合离子。FAB—MS在分析糖苷、寡糖及其他多羟基化合物时，常通过加入金属离子或铵离子来提高检测灵敏度，即检测准分子离子[M+Li]﹢、[M+Na]﹢或[M+NH4]﹢。FAB—MS分析中还可以同时加入两种金属离子如Na+和Li+,这样该物质的FAB—MS谱中会同时出现[M+Li]﹢和[M+Na]﹢的两个强峰，两峰质荷比之差为16（即Na和Li原子量之差），因而能很好地解决糖苷分子量的准确测定。

实例

例7-1 某一合成化合物的分子量是188，FAB质谱图如图7-6所示，该图采用正离子模式测定，试说明质谱图中各准分子离子峰是如何构成的。

解析：

FAB质谱属于软电离质谱，正离子模式下，化合物的准分子离子峰质荷比要大于化合物的分子量。根据化合物分子量188和在FAB中可能结合的阳离子，对图中高质荷比端突出的峰（m/z=211、233、443和653）进行分析：211‐188=23，所以211是[M+Na]﹢；233‐211=22，推测233是211的加钠减氢峰，即233是[M+2Na‐H]﹢；443‐188×2=67，443是[2M+3Na‐2H]﹢；653‐188×3=89，653是[3M+4Na‐3H]﹢。m/z=41、57和119是化合物的碎片离子峰。

第三节电喷雾电离质谱

一、电喷雾电离技术（electro-spray ionization，ESI）

（二）、在正离子模式下，分子结合H+、Na+或K+等阳离子而得到[M+H]﹢[M+Na]﹢、或[M+K]﹢等准分子离子，在负离子模式下分子的活泼氢电离得到[M‐H]‐准分子离子。

（三）、常用电喷雾质谱

1、电喷雾—四级杆质谱

2、电喷雾—离子阱质谱（3）多级质谱（multiple—stage mass spectrometry，MS n）分析是结构解析的一种重要的方法，它可以确认母离子和子离子之间的归属，进而提供准确的结构信息。该方法还可以直接用于混合物分析，将混合物的

质谱中某一质荷比的峰分离出来进行串联质谱分析，可以给出更多的结构信息，能省去大量的分离、纯化工作。

二、电喷雾电离质谱在质谱解析中的应用

（一）结构分析

1 电喷雾—离子阱质谱用于结构分析利用电喷雾—离子阱质谱测定化合物分子，一般正离子模式下直接给出[M+H]﹢、[M+Na]﹢或[M+K]﹢准分子离子峰，在负离子模式下给出[M‐H]‐准分子离子峰，可方便求出分子量。图7—10a是核苷逆转录酶抑制剂齐多夫定（AZT）的二苯基磷酸酯化合物(AZT-二苯基-5’-磷酸三酯)的ESI—MS一级全扫描图。

（解析：图7—10a的522.1是AZT-二苯基-5’-磷酸三酯的[M+Na]﹢准分子离子峰，该化合物的分子量是499。图中可以看出，准分子离子峰很强，非常好识别，方便确定分子量，也有助于提高检测灵敏度。图7—10b是该化合物[M+Na]﹢的二级质谱图（m/z=522.1）。该图中除了m/z=522峰外，还得到了其他一系列碎片离子峰，如m/z=494、368、273、244等离子峰。一般把m/z=522峰称为母离子峰，将由母离子进一步裂解形成的碎片峰m/z=494、368、273、244称为子离子峰，该图表示子离子和母离子之间存在联系，可初步归属它们之间的关系。

进一步解析碎片离子峰发现，m/z=494子离子的形成原因是该母离子结构中存在一个叠氮基团，一个母离子碎裂失去一分子的N2而得到碎片离子峰（m/z=494），裂解是分子内部发生叠氮基团的重排，带正电的N原子进攻邻位带负电荷的N原子，脱去一分子N2后，间位C原子上对的H迁移至N上，再闭环形成二级胺。

m/z=368、273、244等峰的归属需要更多的信息。因此，对这些碎片离子做多级质谱裂解研究，7—11是AZT-二苯基-5’-磷酸三酯化合物的m/z=494、368、244的三级质谱图。对比图7—11中碎片离子m/z=494的三级质谱裂解图与图7—10b母离子m/z=522的二级质谱图，可以看出，二级质谱图的m/z=368、273、244可能来源于m/z=494的裂解，其中m/z=368是相对强度最高的峰。对m/z=368碎裂，发现m/z=273来自于m/z=368。m/z=244的三级质谱图显示该结构含有胸苷T（[M+Na]﹢：m/z=494）。图7—12是该化合物的[M+Na]﹢峰的质谱裂解规律推测示意图。图中裂解方式可能产生质谱图中相应的碎片峰，各结构碎片之间存在一定的关联，裂解规律遵循传统的有机化合物裂解规则。）