有機(jī)質(zhì)譜解析實用教案

1、會計學(xué)1有機(jī)質(zhì)譜解析有機(jī)質(zhì)譜解析(ji x)第一頁，共36頁。第1頁/共36頁第二頁，共36頁。1.2 1.2 質(zhì)譜儀的功能質(zhì)譜儀的功能A.A.使樣品變成分子離子；使樣品變成分子離子；B.B.通過電場使離子加速通過電場使離子加速(ji (ji s)s)；C.C.按質(zhì)荷比分離離子；按質(zhì)荷比分離離子；D.D.將離子流變成電信號，收將離子流變成電信號，收集記錄。集記錄。第2頁/共36頁第三頁，共36頁。圖1-1 陽極(yngj)射線管第3頁/共36頁第四頁，共36頁。圖1-2 Thomson 質(zhì)譜儀示意圖A.氣體入口； B. 陽極；C. 放電管；D. 去抽空泵；E. 陰極；F.磁屏蔽G.冷卻水套；H

2、.絕緣體；I. 電場引線；J.照相(zho xing)感光檢測器本世紀(jì)初，英國學(xué)者本世紀(jì)初，英國學(xué)者J. J. Thomson(J. J. Thomson(獲獲19061906諾貝爾物理獎諾貝爾物理獎) )利利用低壓放電離子源所用低壓放電離子源所產(chǎn)生的具有高速度的產(chǎn)生的具有高速度的正電荷離子束，通過正電荷離子束，通過一組電場和磁場，不一組電場和磁場，不同質(zhì)荷比的正電荷離同質(zhì)荷比的正電荷離子按不同質(zhì)量而發(fā)生子按不同質(zhì)量而發(fā)生(fshng)(fshng)半徑不同的半徑不同的拋物線軌道偏轉(zhuǎn)，依拋物線軌道偏轉(zhuǎn)，依次達(dá)到檢測器，在感次達(dá)到檢測器，在感光板上被記錄下來。光板上被記錄下來。第4頁/共36頁第

3、五頁，共36頁。圖1-3 Aston 質(zhì)譜儀第5頁/共36頁第六頁，共36頁。第6頁/共36頁第七頁，共36頁。第7頁/共36頁第八頁，共36頁。第8頁/共36頁第九頁，共36頁。日本科學(xué)家田中耕一(Koichi Tanaka)1959年出生于日本富山縣(shn xin)首府富山市，1983年獲日本東北大學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)任職于京都市島津制作所，為該公司研發(fā)工程師，分析測量事業(yè)部生命科學(xué)商務(wù)中心、生命科學(xué)研究所主任。他對化學(xué)的貢獻(xiàn)類似于約翰芬恩，因此也得到了14的獎金。美國科學(xué)家約翰芬恩1917年出生于美國紐約市，1940年獲耶魯大學(xué)化學(xué)(huxu)博士學(xué)位，1967年到1987年間任該大學(xué)教授，

4、1987年起被聘為該大學(xué)名譽(yù)教授，自1994年起任弗吉尼亞聯(lián)邦大學(xué)教授。他因為“發(fā)明了對生物大分子進(jìn)行確認(rèn)和結(jié)構(gòu)分析的方法”和“發(fā)明了對生物大分子的質(zhì)譜分析法”而獲得今年諾貝爾化學(xué)(huxu)獎14的獎金。瑞士科學(xué)家?guī)鞝柼鼐S特里希1938年生于瑞士阿爾貝格，1964年獲瑞士巴塞爾大學(xué)無機(jī)化學(xué)博士學(xué)位，從1980年起擔(dān)任瑞士蘇黎世聯(lián)邦高等理工學(xué)校的分子生物物理學(xué)教授，還任美國加利福尼亞州拉霍亞市斯克里普斯研究所客座教授。他因“發(fā)明了利用核磁共振技術(shù)測定溶液中生物大分子三維結(jié)構(gòu)(jigu)的方法”而獲得2002年諾貝爾化學(xué)獎一半的獎金。2002年諾貝爾化學(xué)獎獲得者第9頁/共36頁第十頁，共36頁。

5、美國科學(xué)家約翰美國科學(xué)家約翰 芬恩，獲芬恩，獲20022002年諾貝爾化學(xué)獎年諾貝爾化學(xué)獎日本科學(xué)家田中日本科學(xué)家田中耕一，獲耕一，獲2002年年諾貝爾化學(xué)獎諾貝爾化學(xué)獎使生物大分子相互完整地分離，同時使生物大分子相互完整地分離，同時(tngsh)也被電離也被電離。對成團(tuán)的生物大對成團(tuán)的生物大分子施加強(qiáng)電場分子施加強(qiáng)電場用軟激光轟擊成用軟激光轟擊成團(tuán)的生物大分子團(tuán)的生物大分子第10頁/共36頁第十一頁，共36頁。芬恩的電噴霧質(zhì)譜技術(shù)（ESIESI）原理圖田中耕一的軟激光解吸附質(zhì)譜技術(shù)原理圖解決了“看清”生物(shngw)大分子“是誰”的問題第11頁/共36頁第十二頁，共36頁。1.4 我國有機(jī)

6、質(zhì)譜概況(gikung)與進(jìn)展5050年代，同位素分析；年代，同位素分析；有機(jī)質(zhì)譜有機(jī)質(zhì)譜7070年代零星開展；年代零星開展；年代，有機(jī)質(zhì)譜快速發(fā)展年代，有機(jī)質(zhì)譜快速發(fā)展(fzhn)(fzhn)成立質(zhì)譜學(xué)會；成立質(zhì)譜學(xué)會；四個專業(yè)組：同位素質(zhì)譜、無機(jī)質(zhì)譜、有機(jī)質(zhì)譜、質(zhì)譜儀四個專業(yè)組：同位素質(zhì)譜、無機(jī)質(zhì)譜、有機(jī)質(zhì)譜、質(zhì)譜儀器；器；有機(jī)質(zhì)譜主要在結(jié)構(gòu)分析、氣相離子化學(xué)、色質(zhì)聯(lián)用技術(shù)有機(jī)質(zhì)譜主要在結(jié)構(gòu)分析、氣相離子化學(xué)、色質(zhì)聯(lián)用技術(shù)等方面發(fā)展等方面發(fā)展(fzhn)(fzhn)；近年來，隨著生命科學(xué)的發(fā)展近年來，隨著生命科學(xué)的發(fā)展(fzhn)(fzhn)，有機(jī)質(zhì)譜也跨入，有機(jī)質(zhì)譜也跨入生物質(zhì)譜的范疇。

7、生物質(zhì)譜的范疇。第12頁/共36頁第十三頁，共36頁。3、唯一能直接獲得(hud)分子量及分子式的譜學(xué)方法1.5 1.5 質(zhì)譜的特點(diǎn)質(zhì)譜的特點(diǎn)(tdin)(tdin)1 1、特征性強(qiáng)、特征性強(qiáng) 保留值不能作為鑒定保留值不能作為鑒定(jindng)(jindng)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)。2 2、靈敏度高、靈敏度高1010-15-15 1010-16-16 g , g , 所有譜中靈敏度最高的。所有譜中靈敏度最高的。第13頁/共36頁第十四頁，共36頁。1.6 1.6 質(zhì)譜儀器的主要質(zhì)譜儀器的主要(zhyo)(zhyo)指標(biāo)指標(biāo)A. 質(zhì)量范圍：儀器所檢測質(zhì)量范圍：儀器所檢測(jin c)的質(zhì)荷比范圍。對單電荷

8、的質(zhì)荷比范圍。對單電荷離子即為離子的質(zhì)量范圍；對多電荷離子，所檢測離子即為離子的質(zhì)量范圍；對多電荷離子，所檢測(jin c)的離子質(zhì)量則擴(kuò)展到離子電荷數(shù)相應(yīng)的倍數(shù)。的離子質(zhì)量則擴(kuò)展到離子電荷數(shù)相應(yīng)的倍數(shù)。第14頁/共36頁第十五頁，共36頁。 質(zhì)量范圍質(zhì)量范圍(Mass Range) 質(zhì)譜儀所能檢測質(zhì)譜儀所能檢測(jin c)的最小到最大的質(zhì)量范圍。的最小到最大的質(zhì)量范圍。 不同儀器：不同儀器： 四極桿四極桿 1600Da，14000Da， 磁質(zhì)譜：磁質(zhì)譜：110000Da 飛行時間質(zhì)譜：無上限飛行時間質(zhì)譜：無上限 離子阱質(zhì)譜：離子阱質(zhì)譜：12000Da，14000Da 不同要求：氣體分析，不

9、同要求：氣體分析， 1300Da 氣相色譜質(zhì)譜，氣相色譜質(zhì)譜， 1600Da，800Da 有機(jī)質(zhì)譜，有機(jī)質(zhì)譜， 12000Da 生物分子，生物分子， 110000Da或更大或更大第15頁/共36頁第十六頁，共36頁。B.B.靈敏度靈敏度(sensitivity)(sensitivity)：出峰強(qiáng)度與所用樣品量之間的：出峰強(qiáng)度與所用樣品量之間的關(guān)系；或?qū)x定的樣品在一定關(guān)系；或?qū)x定的樣品在一定(ydng)(ydng)分辨率下產(chǎn)生一分辨率下產(chǎn)生一定定(ydng)(ydng)信噪比的分子離子峰所需的樣品量。信噪比的分子離子峰所需的樣品量。第16頁/共36頁第十七頁，共36頁。C.C.分辨率分辨率(

10、resolution)(resolution)：R10%= aM/bR10%= aM/bM M（實際（實際）M M 為可分辨的兩峰的為可分辨的兩峰的質(zhì)量質(zhì)量(zhling)(zhling)差；差；a a為相鄰兩峰的中心距離為相鄰兩峰的中心距離；b b為峰高為峰高5%5%處的峰寬處的峰寬。R= M/R= M/M M， M M為可分辨的兩為可分辨的兩峰的平均峰的平均(pngjn)(pngjn)質(zhì)量。質(zhì)量。對于對于(duy)FT-ICR(duy)FT-ICR及及TOFTOF： R= M/ R= M/M MM M為所測峰的質(zhì)量；為所測峰的質(zhì)量；M M為該為該峰半高寬所對應(yīng)的質(zhì)量數(shù)。峰半高寬所對應(yīng)的質(zhì)量

11、數(shù)。 第17頁/共36頁第十八頁，共36頁。 分辨力分辨力(Resolution Power, RP) 分辨力：分開兩個鄰近質(zhì)量峰的能力分辨力：分開兩個鄰近質(zhì)量峰的能力(nngl)。 何為分開：若兩個相鄰峰的峰谷低于峰高的何為分開：若兩個相鄰峰的峰谷低于峰高的10%(或或5%，50%)，則，則認(rèn)為認(rèn)為 是分開的。是分開的。 A: 未分開 B:部分分開 C:全分開 分辨差 分辨較差 分辨達(dá)到要求m2m1第18頁/共36頁第十九頁，共36頁。數(shù)學(xué)數(shù)學(xué)(shxu)定義：定義： (1) m1和m2代表兩個(lin )相鄰峰的質(zhì)量數(shù) (2) m代表某一峰的質(zhì)量，m代表半峰寬第19頁/共36頁第二十頁，共

12、36頁。分辨率的另外一種(y zhn)定義：分辨率=M/MM為半峰高處峰寬 分開(fn ki)的定義10% valleym/MM+H+m/zintensity第20頁/共36頁第二十一頁，共36頁。組成整數(shù)質(zhì)量精確質(zhì)量CO2827.994914N22828.006158C2H42828.031299若儀器分辨力很低，如若儀器分辨力很低，如RP=200，則對以上三個分子不能分開，混為一峰。，則對以上三個分子不能分開，混為一峰。若要分開以下若要分開以下(yxi)混合物，則必需有如下分辨力混合物，則必需有如下分辨力CO-C2H4: (RP)2 = 27.994914/(28.031299-27.99

13、4914) = 770N2-C2H4 : (RP)3 = 28.006158/(28.031299-28.006158) = 1100CO-N2 : (RP)1 = 27.994914/(28.006158-27.994914) = 2490當(dāng)儀器分辨力達(dá)到當(dāng)儀器分辨力達(dá)到770時，時， 只能夠只分開只能夠只分開 CO-C2H4 。當(dāng)儀器分辨力達(dá)到當(dāng)儀器分辨力達(dá)到1100時，能夠分開時，能夠分開CO-C2H4 和和N2-C2H4 當(dāng)儀器分辨力超過當(dāng)儀器分辨力超過2500時，三者全部分開。時，三者全部分開。一般低分辨儀器在一般低分辨儀器在2000左右。左右。10000以上時稱高分辨。以上時稱高分

14、辨。FT-ICR-MS分辨力可達(dá)分辨力可達(dá)2百萬。百萬。第21頁/共36頁第二十二頁，共36頁。高分辨質(zhì)譜進(jìn)行元素組成分析：高分辨質(zhì)譜進(jìn)行元素組成分析：任何一種同位素的質(zhì)量并不是正好的整數(shù)。任何一種同位素的質(zhì)量并不是正好的整數(shù)。12C的準(zhǔn)確質(zhì)量為的準(zhǔn)確質(zhì)量為12.00000000, 1H = 1.007782506，14N = 14.00307407，16O = 15.99491475，末位有效數(shù)字。，末位有效數(shù)字。 每一個同位素都具有唯一的、特征的每一個同位素都具有唯一的、特征的“質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損(ku sn)”，離子的質(zhì)量包含了同位素的總的質(zhì)量虧損，離子的質(zhì)量包含了同位素的總的質(zhì)量虧損(k

15、u sn)，也是特征的，以此來鑒定離子的同位素和元素組成。，也是特征的，以此來鑒定離子的同位素和元素組成。例例 m=43.0184Da的離子必定是的離子必定是C2H3O+，不可能是，不可能是C3H7+(m=43.0058)或或C2H5N+(m=42.9984)，或，或CH3N2+(m=43.0296)。 為了區(qū)分這四個離子，測量的質(zhì)量的準(zhǔn)確度需達(dá)到為了區(qū)分這四個離子，測量的質(zhì)量的準(zhǔn)確度需達(dá)到130ppm。即小數(shù)點(diǎn)后第四位是準(zhǔn)確的。即小數(shù)點(diǎn)后第四位是準(zhǔn)確的。 元素組成信息隨著質(zhì)量的增加而呈指數(shù)地上升，對質(zhì)譜質(zhì)量的測定準(zhǔn)確度要求更高。元素組成信息隨著質(zhì)量的增加而呈指數(shù)地上升，對質(zhì)譜質(zhì)量的測定準(zhǔn)確度

16、要求更高。例例 分子量為分子量為310的質(zhì)譜峰，已知它們的元素組成限于碳、氫、氮和氧，且最多不超過的質(zhì)譜峰，已知它們的元素組成限于碳、氫、氮和氧，且最多不超過3個氮原子和個氮原子和4個氧原子。如果將其各種組合出來的質(zhì)量能夠區(qū)分開來，要求的質(zhì)量準(zhǔn)確度達(dá)到個氧原子。如果將其各種組合出來的質(zhì)量能夠區(qū)分開來，要求的質(zhì)量準(zhǔn)確度達(dá)到2ppm，這是目前最高質(zhì)量分辨力的，這是目前最高質(zhì)量分辨力的FT-ICR-MS勉強(qiáng)能夠達(dá)到的水平。勉強(qiáng)能夠達(dá)到的水平。第22頁/共36頁第二十三頁，共36頁。注意事項注意事項質(zhì)譜學(xué)上的高分辨包含兩層含義：質(zhì)譜學(xué)上的高分辨包含兩層含義： 高的分辨本領(lǐng)高的分辨本領(lǐng) 保證兩個靠得很近

17、的峰能夠分開來，從而知道是兩個峰而不是一個峰。保證兩個靠得很近的峰能夠分開來，從而知道是兩個峰而不是一個峰。 良好的線性行為良好的線性行為 用已知精確質(zhì)量的離子去得到待測定用已知精確質(zhì)量的離子去得到待測定(cdng)離子的質(zhì)量數(shù)，不容許二者峰離子的質(zhì)量數(shù)，不容許二者峰的質(zhì)量是一樣的的質(zhì)量是一樣的(重疊在一起重疊在一起)，二者之間必有一定的質(zhì)量差異，質(zhì)譜儀的線性，二者之間必有一定的質(zhì)量差異，質(zhì)譜儀的線性不好，用已知精確離子的質(zhì)量來得到待測定不好，用已知精確離子的質(zhì)量來得到待測定(cdng)離子的質(zhì)量，就會因此而產(chǎn)離子的質(zhì)量，就會因此而產(chǎn)生偏差，從而造成誤差，兩者距離越遠(yuǎn)，這種誤差越大。生偏差，從

18、而造成誤差，兩者距離越遠(yuǎn)，這種誤差越大。 良好的穩(wěn)定性良好的穩(wěn)定性 磁質(zhì)譜，飛行時間質(zhì)譜儀，離子回旋共振質(zhì)譜儀：磁質(zhì)譜，飛行時間質(zhì)譜儀，離子回旋共振質(zhì)譜儀：分辨力、線性和穩(wěn)定性好，屬高分辨質(zhì)譜儀。分辨力、線性和穩(wěn)定性好，屬高分辨質(zhì)譜儀。離子阱質(zhì)譜儀：分辨力高，線性低，準(zhǔn)高分辨質(zhì)譜儀，用于判斷質(zhì)譜峰帶離子阱質(zhì)譜儀：分辨力高，線性低，準(zhǔn)高分辨質(zhì)譜儀，用于判斷質(zhì)譜峰帶 的電荷數(shù)。的電荷數(shù)。四極桿質(zhì)譜儀：分辨力低，線性好，不屬于高分辨質(zhì)譜儀。四極桿質(zhì)譜儀：分辨力低，線性好，不屬于高分辨質(zhì)譜儀。第23頁/共36頁第二十四頁，共36頁。100200300400500600m/z0100%254.2194.

19、2507.3334.3399.7第24頁/共36頁第二十五頁，共36頁。第25頁/共36頁第二十六頁，共36頁。第26頁/共36頁第二十七頁，共36頁。 常用(chn yn)概念第27頁/共36頁第二十八頁，共36頁。元素AA+1A+2元素類型質(zhì)量% 質(zhì)量%質(zhì)量%H110020.015AC12100131.1A+1N14100150.37AO16100170.04180.20A+2F19100ASi28100295.10303.40A+1,A+2P31100AS32100330.80344.40A+2Cl351003732.5A+2Br791008198.0A+2I127100A表1 常見元素

20、(yun s)的天然同位素豐度元素(yun s)分類情況：A: H, F, P, IA+1: C, NA+2: O, Si, Cl, Br第28頁/共36頁第二十九頁，共36頁。同位素分布(fnb)的二項式規(guī)則： 對A+1和A+2元素 32! 3)2)(1(! 2) 1(1)1 (bnnnbnnnbbnb: A+1或A+2同位素的天然豐度n: 質(zhì)譜峰中A+1或A+2元素的個數(shù)A+1元素峰位置MM+1M+2M+3A+2元素峰位置MM+2M+4M+6質(zhì)譜峰強(qiáng)度1nbn(n-1)b2/2! n(n-1)(n-2)b3/3!12C5H12+ M m/z7212C413C1H12+ M+1 m/z731

21、2C313C2H12+ M+2 m/z7412C213C3H12+ M+3 m/z7512C113C4H12+ M+4 m/z76第29頁/共36頁第三十頁，共36頁。q例： 79Br 100%, 81Br 98%100% M M+2 M+4 M+6 Br, n=1: 1 1 Br2, n=2: 1 2 1 Br3, n=3: 1 3 3 1 例：35Cl 100%, 37Cl 32.5% M M+2 M+4 M+6 Cl, n=1: 1 0.325 Cl2, n=2: 1 0.650 0.106 Cl3, n=3: 1 0.975 0.317 0.034 第30頁/共36頁第三十一頁，共36

22、頁。q例：12C 100%, 13C 1.1%C60, n=60, b=1.1% M M+1 M+2 M+3 12C60 13C12C59 13C212C58 13C312C57 720 721 722 723 1 nb n(n-1)b2/2! n(n-1)(n-2)b3/3! 100 66 21 4.6 第31頁/共36頁第三十二頁，共36頁。元素(yun s)組成的判斷：用同位素豐度的分布可幫助判斷峰的元素(yun s)組成。方法：1、獲取最高質(zhì)量峰，分子離子峰。 分子離子峰受氫遷移的影響最小。2、最大豐度 信號強(qiáng)有利于判斷。3、A峰的選擇 一個峰組中的A峰應(yīng)是僅含最大豐度同位素(如12C

23、、16O、35Cl)的最高質(zhì)量峰。 優(yōu)先考慮A+2型元素(yun s)存在的可能性，因A+2峰受A+1元素(yun s)的影響較小，A+2元素(yun s)同位素的自然豐度也較高，容易判斷，尤其是氯和溴。 然后再判斷A+1元素(yun s)，可根據(jù)其與A峰的強(qiáng)度比，大致判斷A+1元素(yun s)的種類和所含個數(shù)。4、確定元素(yun s)組成的一致性 從分子離子峰M+得到元素(yun s)組成信息，需要與較小的碎片離子的組成吻合。第32頁/共36頁第三十三頁，共36頁。1) 分子離子(molecular ion)2) 準(zhǔn)分子離子(quasimolecular ion)3) 碎片(su pin

24、)離子 (fragment ion)4) 重排離子(rearrangement ion)5) 母離子和子離子(parent ion and daughter ion) 6) 亞穩(wěn)離子(metastable ion)7) 奇電子離子(odd-electron ion)和偶電子離子 (even-electron ion)8) 多電荷離子(multiply-charged ion)9) 同位素離子(isotopic ion)第33頁/共36頁第三十四頁，共36頁。1.4 質(zhì)譜學(xué)的專著、期刊(qkn)和國內(nèi)國際會議 專專 著：著： 1. Interpretation of Mass Spectra, F.W.Maclafferty 2. Mass Spectrometry for Biotechnology, Gary Siuzdak 3. Mass Spectrometry in the Biological Sciences, A.L.Burlingame 4. 有機(jī)質(zhì)譜基礎(chǔ)，陳耀祖，科學(xué)出版社有機(jī)質(zhì)譜基礎(chǔ)，陳耀祖，科學(xué)出版社 5. 質(zhì)譜解析，質(zhì)譜解析，F(xiàn). W. McLafferty著，王光輝著，王光輝(gunghu)等譯，化學(xué)工業(yè)出版社，等譯，化學(xué)工業(yè)出版社， 期期 刊：刊： 1. Rapid Communication in Mass Spectrometry IP(影響