質(zhì)譜分析-2013課件

質(zhì)譜分析概論1質(zhì)譜法原理

質(zhì)譜法是通過將樣品轉(zhuǎn)化為運動的氣態(tài)離子并按質(zhì)荷比（m/z）大小進(jìn)行分離記錄的分析方法。所獲得結(jié)果即為質(zhì)譜圖（亦稱質(zhì)譜）。根據(jù)質(zhì)譜圖提供的信息可以進(jìn)行多種有機(jī)物及無機(jī)物的定性和定量分析、復(fù)雜化合物的結(jié)構(gòu)分析、樣品中各種同位素比的測定及固體表面的結(jié)構(gòu)和組成分析等。

質(zhì)譜儀早期主要用于原子量的測定和定量測定某些復(fù)雜碳?xì)浠旌衔镏械母鹘M分等。1960年以后，才開始用于復(fù)雜化合物的鑒定和結(jié)構(gòu)分析。實驗證明，質(zhì)譜法是研究有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的有力工具。2質(zhì)譜法原理

例：單聚焦質(zhì)譜儀

通過進(jìn)樣系統(tǒng)，使微摩爾或更少的試樣蒸發(fā)，并讓其慢慢地進(jìn)入電離室，電離室內(nèi)的壓力約為10-3Pa。由熱燈絲流向陽極的電子流，將氣態(tài)樣品的原子或分子電離成正、負(fù)離子（但一般分析正離子)，在狹縫A處，以微小的負(fù)電壓將正負(fù)離子分開，此后，3質(zhì)譜法原理借助于A、B間幾百至幾千伏的電壓，將正離子加速，使準(zhǔn)直于狹縫刀的正離子流，通過狹縫B進(jìn)入真空度高達(dá)10-5Pa的質(zhì)量分析器中，根據(jù)離子質(zhì)荷比的不同，其偏轉(zhuǎn)角度也不同，質(zhì)荷比大的偏轉(zhuǎn)角度小，質(zhì)荷比小的偏轉(zhuǎn)角度大，從而使質(zhì)量數(shù)不同的離子在此得到分離。若改變粒子的速度或磁場強(qiáng)度，就可將不同質(zhì)量數(shù)的粒子依次焦聚在出射狹縫上。通過出射狹縫的離子流，將落在一收集極上，這一離子流經(jīng)放大后，即可進(jìn)行記錄，并得到質(zhì)譜圖。質(zhì)譜圖上信號的強(qiáng)度，與達(dá)到收集極上的離子數(shù)目成正比。

4質(zhì)譜法原理特點：高靈敏度：可測定10-9~10-16克分子的生物活性物質(zhì)；快速：數(shù)分種內(nèi)即可完成測定；能同時提供樣品的分子量和結(jié)構(gòu)信息；即可以用于定性分析，也可以用于定量分析；能有效地與各種色譜聯(lián)用，如GC/MS，HPLC/MS，LC/MS及CZE/MS等，用于復(fù)雜體系分析。這些特點其他分離技術(shù)和分析技術(shù)難以達(dá)到。5質(zhì)譜技術(shù)發(fā)展史1813年：Thomson使用MS報道了Ne是由22Ne和24N兩種同位素組成；隨后，同位素分析開始發(fā)展。30年代末：由于石油工業(yè)的發(fā)展，需要測定油的成份。通常用蒸餾的方法先分離這些烴類混合物，然后再分別測定其折光率的方法來分析它們。這通常要花數(shù)天時間。40年代初：開始將MS用于石油工業(yè)中烴的分析，并大大縮短了分析時間。6質(zhì)譜技術(shù)發(fā)展史50年代初：質(zhì)譜儀器開始商品化，并廣泛用于各類有機(jī)物的結(jié)構(gòu)分析。同時質(zhì)譜方法與NMR，IR等方法結(jié)合成為分子結(jié)構(gòu)分析的最有效的手段。

80年代：非揮發(fā)性或熱不穩(wěn)定分子的分析進(jìn)一步促進(jìn)了MS的發(fā)展；90年代：由于生物分析的需要，一些新的離子化方法得到快速發(fā)展；目前一些儀器聯(lián)用技術(shù)如GC-MS，HPLC-MS，GC-MS-MS，ICP-MS等正大行其道。7質(zhì)譜儀分類分類：同位素質(zhì)譜儀：主要用以測定同位素豐度，對測量準(zhǔn)確度、精密度與豐度靈敏度的要求較高。采用同位素稀釋法可進(jìn)行定量分析。

無機(jī)質(zhì)譜儀：主要用以進(jìn)行無機(jī)物分析。按照不同的用途，還可細(xì)分為氣體分析質(zhì)譜儀、火花源固體分析質(zhì)譜儀、質(zhì)譜檢漏儀等等。

8質(zhì)譜儀分類有機(jī)質(zhì)譜儀：主要用以進(jìn)行有機(jī)物結(jié)構(gòu)分析。低分辨儀器可滿足多數(shù)定性（含結(jié)構(gòu)判斷）、定量分析的要求；高分辨儀器可精確測定分子量，有利于結(jié)構(gòu)剖析。多數(shù)儀器可與色譜儀聯(lián)用，先進(jìn)儀器則可實現(xiàn)質(zhì)譜-質(zhì)譜聯(lián)用。生物質(zhì)譜儀：主要用以進(jìn)行生物大分子質(zhì)量與結(jié)構(gòu)分析。可對分子量高達(dá)幾十萬的生物大分子進(jìn)行快速（幾分鐘一個樣品）、精確（0.01%）和高靈敏度（10-15-10-18mol）的測定。9第一節(jié)質(zhì)譜儀工作原理和性能指標(biāo)

一、工作原理

質(zhì)譜儀是利用電磁學(xué)原理，使帶電的樣品離子按質(zhì)荷比進(jìn)行分離的裝置。離子電離后經(jīng)加速進(jìn)入磁場中，其動能與加速電壓及電荷z有關(guān)，即

zeU=1/2m2其中z為電荷數(shù)，e為元電荷（e=1.60×10-19C），U為加速電壓，m為離子的質(zhì)量，為離子被加速后的運動速度。

具有速度

的帶電粒子進(jìn)入質(zhì)譜分析器的電磁場中，根據(jù)所選擇的分離方式，最終實現(xiàn)各種離子按m/z進(jìn)行分離。10第一節(jié)質(zhì)譜儀工作原理和性能指標(biāo)根據(jù)質(zhì)量分析器的工作原理，可以將質(zhì)譜儀分為動態(tài)儀器和靜態(tài)儀器兩大類。在靜態(tài)儀器中用穩(wěn)定的電磁場，按空間位置將m/z不同的離子分開，如單聚焦和雙聚焦質(zhì)譜儀。在動態(tài)儀器中采用變化的電磁場，按時間不同來區(qū)分m/z不同的離子，如飛行時間和四極濾質(zhì)器式的質(zhì)譜儀。二、主要性能指標(biāo)（1）質(zhì)量測定范圍

質(zhì)譜儀的質(zhì)量測定范圍表示質(zhì)譜儀所能進(jìn)行分析的11第一節(jié)質(zhì)譜儀工作原理和性能指標(biāo)樣品的相對原子質(zhì)量（或相對分子質(zhì)量）范圍，通常采用原子質(zhì)量單位（u）進(jìn)行度量。測定氣體用的質(zhì)譜儀，一般質(zhì)量測定范圍在2～100，而有機(jī)質(zhì)譜儀一般可達(dá)幾千，現(xiàn)代質(zhì)譜儀甚至可以研究相對分子量達(dá)幾十萬的生化樣品。12第一節(jié)質(zhì)譜儀工作原理和性能指標(biāo)2.分辨本領(lǐng)

所謂分辨本領(lǐng)，是指質(zhì)譜儀分開相鄰質(zhì)量數(shù)離子的能力。即：對兩個相等強(qiáng)度的相鄰峰，當(dāng)兩峰間的峰谷不大于其峰高10%時，認(rèn)為兩峰已經(jīng)分開，其分辨率為：R=m1/（m2-m1）=m1/Δm其中m1、m2為質(zhì)量數(shù)，且m1<m2，故在兩峰質(zhì)量數(shù)較小時，要求儀器分辨率越大。13分辨率（resolution）/分辨本領(lǐng)

兩個相鄰的質(zhì)譜峰之一的質(zhì)量數(shù)與兩者質(zhì)量數(shù)之差的比值，規(guī)定為儀器的分辨率，用R表示。/質(zhì)譜儀分開相鄰質(zhì)量數(shù)離子的能力。即：對兩個相等強(qiáng)度的相鄰峰，當(dāng)兩峰間的峰谷不大于其峰高10%時，認(rèn)為兩峰已經(jīng)分開，其分辨率為：

R=m1/（m2-m1）=m1/Δm

其中m1、m2為質(zhì)量數(shù)，且m1<m2，故在兩峰質(zhì)量數(shù)較小時，要求儀器分辨率越大。1415設(shè)兩個相鄰峰的質(zhì)量數(shù)分別為M1和M2，兩峰質(zhì)量數(shù)之差為ΔM，則分辨率R=M2（或1）/M2-M1=M/ΔM（1）如M1=500，M2=501，兩峰剛好完全分開，則R=500/501-500=500如M1=500.0，M2=500.1，則R=500.0/500.1-500.0=5,000如M1=500.00，M2=500.01，則R=500.01-500.00=50,000這就是說,儀器的分辨率為500時,只能分開在整數(shù)位有差別的相鄰兩峰;分辨率為5,000時,則能分開相差0.1個原子質(zhì)量單位的相鄰兩峰;分辨率為50,000時,質(zhì)量精度可達(dá)到0.01。顯然，當(dāng)用分辨率為50，000的儀器測定質(zhì)量數(shù)為200附近的兩個峰時，質(zhì)量數(shù)的精確度就更高些。這可代入式（1）計算出來：50，000=200/ΔM，

16ΔM=200/50，000=0.004,即可把200.00和200.004的兩個峰剛好完全分開,但是,當(dāng)用同樣分辨率的儀器測定質(zhì)量數(shù)為1,000附近的兩個峰,質(zhì)量精確度則降為ΔM=1,000/50,000=0.02,雖然也是準(zhǔn)確到小數(shù)第二位,但是最高只能精確到0.02原子質(zhì)量單位(amu)。雙聚焦磁質(zhì)譜儀的分辨率為10，000-100，000。傅立葉變換離子回旋共振質(zhì)譜儀的分辨率可達(dá)1000，000。17

在實際工作中，有時很難找到相鄰的且峰高相等的兩個峰，同時峰谷又為峰高的10%。在這種情況下，可任選一單峰，測其峰高5%處的峰寬W0.05，即可當(dāng)作上式中的Δm，此時的分辨率定義為

R=m/W0.05

如果該峰是高斯型的，上述兩式計算結(jié)果是一樣的。質(zhì)譜儀的分辨本領(lǐng)由幾個因素決定：（1）離子通道的半徑；（2）加速器與收集器狹縫寬度；（3）離子源的性質(zhì)。18第一節(jié)質(zhì)譜儀工作原理和性能指標(biāo)19第一節(jié)質(zhì)譜儀工作原理和性能指標(biāo)3.靈敏度

質(zhì)譜儀的靈敏度有絕對靈敏度、相對靈敏度和分析靈敏度等幾種表示方法。

絕對靈敏度是指儀器可以檢測到的最小樣品量；

相對靈敏度是指儀器可以同時檢測的大組分與小組分含量之比；

分析靈敏度則是指輸入儀器的樣品量與儀器輸出的信號之比。20第二節(jié)質(zhì)譜儀的基本結(jié)構(gòu)

質(zhì)譜儀是通過對樣品電離后產(chǎn)生的具有不同的m/z

的離子來進(jìn)行分離分析的。質(zhì)譜儀包括進(jìn)樣系統(tǒng)、電離系統(tǒng)、質(zhì)量分析系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)。為了獲得離子的良好分析，避免離子損失，凡有樣品分子及離子存在和通過的地方，必須處于真空狀態(tài)。

21第二節(jié)質(zhì)譜儀的基本結(jié)構(gòu)質(zhì)譜儀框圖如下：22第二節(jié)質(zhì)譜儀的基本結(jié)構(gòu)Agilent7500系列ICP-MS23第二節(jié)質(zhì)譜儀的基本結(jié)構(gòu)ThermoOptek---VGPQExCellICP-MS24第三節(jié)真空系統(tǒng)

質(zhì)譜儀的離子產(chǎn)生及經(jīng)過系統(tǒng)必須處于高真空狀態(tài)（離子源真空度應(yīng)達(dá)1.3×10-4-1.3×10-5Pa，質(zhì)量分析器中應(yīng)達(dá)1.3×10-6Pa）。

若真空度過低，則會造成離子源燈絲損壞，本底增高、副反應(yīng)過多，從而使圖譜復(fù)雜化、干擾離子源的調(diào)節(jié)、加速極放電等問題。一般質(zhì)譜儀都采用機(jī)械泵預(yù)抽空后，再用高效率擴(kuò)散泵連續(xù)地運行以保持真空。現(xiàn)代質(zhì)譜儀采用分子泵可獲得更高的真空度。2526第四節(jié)

進(jìn)樣系統(tǒng)進(jìn)樣系統(tǒng)目的是高效重復(fù)地將樣品引入到離子源中并且不能造成真空度的降低。常用的進(jìn)樣裝置有三種類型：間歇式進(jìn)樣系統(tǒng)、直接探針進(jìn)樣、色譜進(jìn)樣系統(tǒng)（GC-MS、HPLC-MS）和高頻感藕等離子體進(jìn)樣系統(tǒng)（ICP-MS）等。27第四節(jié)

進(jìn)樣系統(tǒng)間歇式進(jìn)樣：適于氣體、沸點低且易揮發(fā)的液體、中等蒸汽壓固體。如圖所示。注入樣品(10-100g)—貯樣器(0.5L-3L)—抽真空(10-2Torr)并加熱—樣品蒸汽分子(壓力陡度)—漏隙—高真空離子源。28第四節(jié)

進(jìn)樣系統(tǒng)直接探針進(jìn)樣：高沸點液體及固體探針桿通常是一根規(guī)格為25cm6mmi.d.，末端有一裝樣品的黃金杯(坩堝)，將探針桿通過真空閉鎖系統(tǒng)引入樣品，如圖所示。優(yōu)點：1）引入樣品量小，樣品蒸汽壓可以很低；2）可以分析復(fù)雜有機(jī)物；3）應(yīng)用更廣泛。29第四節(jié)

進(jìn)樣系統(tǒng)色譜進(jìn)樣：利用氣相和液相色譜的分離能力，與質(zhì)譜儀聯(lián)用，進(jìn)行多組份復(fù)雜混合物分析。30第四節(jié)

進(jìn)樣系統(tǒng)ThermoOptek---VGPQExCellICP-MS卡式進(jìn)樣系統(tǒng)31第四節(jié)

進(jìn)樣系統(tǒng)

卡式進(jìn)樣系統(tǒng)具有極好的抗腐蝕性和快速沖洗特征。由惰性多聚物材料構(gòu)成的噴霧室以圓錐壯撞擊球設(shè)計，以降低記憶效應(yīng)。霧化室由一個Peltier半導(dǎo)體制冷裝置冷卻和精確的溫度控制，具有極高的穩(wěn)定性和最少的多原子離子形成。帶有藍(lán)寶石、氧化鋁和鉑制噴射管的半可拆式管矩。

32第五節(jié)電離源

電離源的功能是將進(jìn)樣系統(tǒng)引入的氣態(tài)樣品分子轉(zhuǎn)化成離子。由于離子化所需要的能量隨分子不同差異很大，因此，對于不同的分子應(yīng)選擇不同的離解方法。通常稱能給樣品較大能量的的電離方法為硬電離方法，而給樣品較小能量的電離方法為軟電離方法，后一種方法適用于易破裂或易電離的樣品。33第五節(jié)電離源

使物質(zhì)電離的方法很多，如電子轟擊、化學(xué)電離、火花電離、場致電離、光致電離等。（1）電子轟擊源

電子轟擊法是通用的電離法，是使用高能電子束從試樣分子中撞出一個電子而產(chǎn)生正離子，即M+eM++2e式中M為待測分子，M+為分子離子或母體離子。34第五節(jié)電離源

右圖是典型的電子轟擊源的示意圖。在離子源內(nèi)，用電加熱銻或鎢的燈絲到2000℃，產(chǎn)生高速電子束，其能量為10～7OeV。當(dāng)氣態(tài)試樣由分子漏入孔進(jìn)入電離室時，高速電子與分子發(fā)生碰撞，若電子的能量大于試樣分子的電離電位，將導(dǎo)致試樣分子的電離：M＋e(高速)→M＋+2e（低速)當(dāng)電子轟擊源具有足夠的能量時(一般為7OeV)，有機(jī)分子35第五節(jié)電離源不僅可能失去一個電子形成分子離子，而且有可能進(jìn)一步發(fā)生鍵的斷裂，形成大量的各種低質(zhì)量數(shù)的碎片正離子和中性自由基，這些碎片離子可用于有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)鑒定。點擊圖標(biāo)播放動畫特點：使用最廣泛，譜庫最完整；電離效率高；結(jié)構(gòu)簡單，操作方便；但分子離子峰強(qiáng)度較弱或不出現(xiàn)（因電離能量最高）。36第五節(jié)電離源（2）化學(xué)電離源在質(zhì)譜中可以獲得樣品的重要信息之一是其相對分子質(zhì)量。但經(jīng)電子轟擊產(chǎn)生的M+峰，往往不存在或其強(qiáng)度很低。必須采用比較溫和的電離方法，其中之一就是化學(xué)電離法?；瘜W(xué)電離法是通過離子

-分子反應(yīng)來進(jìn)行，而不是用強(qiáng)電子束進(jìn)行電離。離子（為區(qū)別于其它離子，稱為試劑離子）與試樣分子按一定方式進(jìn)行反應(yīng)，轉(zhuǎn)移一個質(zhì)子給試樣或由試樣移去一個H+或電子，試樣則變成帶+1電荷的離子。37第五節(jié)電離源化學(xué)電離源一般在1.3102～1.3103Pa（現(xiàn)已發(fā)展為大氣壓下化學(xué)電離技術(shù)）壓強(qiáng)下工作，其中充滿甲烷CH4。首先用高能電子，使CH4電離產(chǎn)生CH5+和C2H5+，即：

CH4+eCH4+·+2eCH4+·CH3++H·

CH4+·和CH3+很快與大量存在的CH4分子起反應(yīng)，即：CH4+·+CH4CH5++CH3·

CH3++CH4C2H5++H238第五節(jié)電離源CH5+和C2H5+不與中性甲烷進(jìn)一步反應(yīng)，一旦小量樣品（試樣與甲烷之比為11000）導(dǎo)入離子源，試樣分子（SH）發(fā)生下列反應(yīng)：CH5++SHSH2++CH4C2H5++SHS++C2H6SH2+

和S+然后可能碎裂，產(chǎn)生質(zhì)譜。由（M+H）或（M-H）離子很容易測得其相對分子質(zhì)量。特點：電離能小，質(zhì)譜峰數(shù)少，圖譜簡單；準(zhǔn)分子離子

(M+1)+峰大,可提供分子量這一種要信息。39第五節(jié)電離源（3）場離子源

應(yīng)用強(qiáng)電場可以誘發(fā)樣品電離。場電離源由電壓梯度約為107-108V·cm-1的兩個尖細(xì)電極組成。流經(jīng)電極之間的樣品分子由于價電子的量子隧道效應(yīng)而發(fā)生電離。電離后被陽極排斥出離子室并加速經(jīng)過隧道進(jìn)入質(zhì)量分析器。

場離子化是一種溫和的技術(shù)，產(chǎn)生的碎片很少。碎片通常是由熱分解或電極附近的分子-離子碰撞反應(yīng)產(chǎn)生的主要為分子離子和（M+1）離子，結(jié)構(gòu)分析中，往往最好同時獲得場離子化源或化學(xué)離解源產(chǎn)生的質(zhì)譜圖和用電子轟擊源的質(zhì)譜圖，而獲得相對分子質(zhì)量及分子結(jié)構(gòu)的信息。40第五節(jié)電離源（4）火花源

對于金屬合金或離子型殘渣之類的非揮發(fā)性無機(jī)試樣，必須使用不同于上述離子化源的火花源?；鸹ㄔ搭愃朴诎l(fā)射光譜中的激發(fā)源。向一對電極施加約30kV脈沖射頻電壓，電極在高壓火花作用下產(chǎn)生局部高熱，使試樣僅靠蒸發(fā)作用產(chǎn)生原子或簡單的離子，經(jīng)適當(dāng)加速后進(jìn)行質(zhì)量分析。（5）高頻感耦等離子體（ICP）41第五節(jié)電離源

(6).快原子轟擊質(zhì)譜（FAB-MS）：

在離子源進(jìn)樣探頭尖端放置樣品和液體基質(zhì)（如甘油）使樣品溶解或懸浮其中，一束惰性氣體原子被原子槍先電離為帶正電荷離子束，經(jīng)電場加速后，與一束中性原子碰撞，發(fā)生電荷交換成一束快速原子。由于快速原子流轟擊樣品，使樣品和基質(zhì)離子濺入空間而進(jìn)入質(zhì)譜分析儀。4243離子源的工作原理電噴霧離子源結(jié)構(gòu)電噴霧離子源工作原理44第五節(jié)電離源(7).電噴霧源(ElectronsprayIonization，ESI)

主要應(yīng)用于液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀。它的主要部件是一個多層套管組成的電噴霧噴咀。最內(nèi)層是液相色譜流出物，外層是噴射氣，噴射氣常采用大流量的氮氣，其作用是使噴出的液體容易分散成微滴。另外，在噴嘴的斜前方還有一個補(bǔ)助氣噴咀，補(bǔ)助氣的作用是使微滴的溶劑快速蒸發(fā)。在微滴蒸發(fā)過程中表面電荷密度逐漸增大，當(dāng)增大到某個臨界值時，離子就可以從表面蒸發(fā)出來。離子產(chǎn)生后，借助于噴咀與錐孔之間的電壓，穿過取樣孔進(jìn)入分析器45第五節(jié)電離源電噴霧電離源是一種軟電離方式，即便是分子量大，穩(wěn)定性差的化合物，也不會在電離過程中發(fā)生分解，它適合于分析極性強(qiáng)的大分子有機(jī)化合物，如蛋白質(zhì)、肽、糖等。電噴霧電離源的最大特點是容易形成多電荷離子。

46離子蒸發(fā)機(jī)理毛細(xì)管含離子的液滴隨著液滴蒸發(fā)，電場離子從液滴表面蒸+4Kv增加，離子向液滴表發(fā)面移動。47離子蒸發(fā)過程溶劑由泵輸送，從不銹鋼毛細(xì)管流出，由于它帶有3-4Kv高電壓，與對應(yīng)極之間產(chǎn)生強(qiáng)電場，使溶劑在毛細(xì)管出口發(fā)生噴霧，產(chǎn)生帶強(qiáng)電荷的液體，這一現(xiàn)象稱為電噴霧。隨著液體微粒中溶劑蒸發(fā)，離子向表面移動，表面的離子密度越來越大，最終逸出表面，蒸發(fā)出空間48ESI方法的原理及特點離子的形成：當(dāng)表面帶有大量電荷的精細(xì)液珠向下游移動時，溶劑迅速揮發(fā)，液珠表面積不斷縮小，電荷密度增高。當(dāng)此情況達(dá)到Rayleigh極限時，液珠會分裂成更小的液珠。在質(zhì)量和電荷再分配后，更小的液珠進(jìn)入穩(wěn)定態(tài)，然后再重復(fù)蒸發(fā)、電荷過剩和液珠分裂。在整個過程的某個階段，分析物可以單電荷或多電荷離子的形式進(jìn)入氣相。49ESI方法的原理及特點電噴霧：常見的電噴霧噴嘴是內(nèi)徑0.1mm的金屬毛細(xì)管。當(dāng)在它上面施加3—8kV的電壓時，由于毛細(xì)管的頂端很窄，形成的電場強(qiáng)度可高達(dá)106V/m。當(dāng)流速為0.5——5μl/min的LC流出物溢出金屬毛細(xì)管時,會形成扇狀噴霧。它是細(xì)小的液珠和溶劑蒸氣的混合體。由于高壓電場的作用，溶液中帶某種電荷的溶質(zhì)會向液體表面移動，使液珠表面該種電荷過剩。50離子的輸送離子的輸送：大氣壓條件下形成的離子，在電位差的驅(qū)使下（當(dāng)然也有壓力差的作用），通過取樣孔進(jìn)入質(zhì)譜真空區(qū)（見示意圖）。離子流通過一個加熱的金屬毛細(xì)管，進(jìn)入第一個降壓區(qū)，在毛細(xì)管的出口處形成超聲速噴射流。由于分析物帶電荷并且動量大，可通過下游處于低電位的錐形分離器的小孔，進(jìn)入第二降壓區(qū)，經(jīng)聚焦后進(jìn)入質(zhì)譜。而與分析物離子一同穿過毛細(xì)管的少量的溶劑，由于呈中性而且動量小，則在第一和第二降壓區(qū)被抽走。ParticulateMatteraccumulationduetoknife-edgevortexCone-actsasaphysicalbarrier

KeepsheatedtransfertubefacecleanESI51第五節(jié)電離源52ESI方法和特點（1）ESI對質(zhì)譜分析的重要貢獻(xiàn)之一是產(chǎn)生大量的多電荷離子。質(zhì)譜是測定質(zhì)荷比。在ESI以前的電離技術(shù)主要是產(chǎn)生單電荷離子，所測得的值即是離子的質(zhì)量。普遍使用的四極矩質(zhì)譜的質(zhì)荷比測量范圍一般在3000以下。磁質(zhì)譜的測量范圍一般在5000以下。由于產(chǎn)生多電荷離子，離子的質(zhì)量數(shù)落在一般的四極矩的測量范圍之內(nèi)，因此對于分子量在幾萬以上的生物大分子，傳統(tǒng)的質(zhì)譜是不可企及的。ESI技術(shù)的出現(xiàn)使質(zhì)譜在這方面的應(yīng)用有了根本的改觀。（2）在ESI過程，幾乎沒有任何外能輸給化合物，因此ESI是迄今為止最為柔和的電離方法。ESI-MS譜圖主要給出與準(zhǔn)分子離子有關(guān)的信息，例如（在單電荷離子的情況下）MH+，

MNa+，（M）nH+，[M-H]-，[M-Na]-，[（M）n-H]-等，很少給出化合物碎片。這不利于化合物結(jié)構(gòu)推導(dǎo)。為了克服此不足，ESI常與MS-MS聯(lián)用。53質(zhì)荷與分子量的關(guān)系ESI-MS既可分析大分子，也可以分析小分子。對于分子量在1000Da以下的小分子會產(chǎn)生[M+H]或[M-H]離子。選擇相應(yīng)的正負(fù)離子進(jìn)行檢測，就可以得到物質(zhì)的分子量，而分子量高達(dá)20000Da的大分子在ESI-MS中生成一系列多電荷離子，通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)能夠得到樣品的分子量。

M+nHm——————=——nz

電荷數(shù)為18，m/z=942.7M=18X942.7-18=16950.5馬心肌紅蛋白54第五節(jié)電離源55第五節(jié)電離源56第五節(jié)電離源57第五節(jié)電離源58第五節(jié)電離源59第五節(jié)電離源(8).大氣壓化學(xué)電離源(AtmosphericpressurechemicalIonization,APCI)結(jié)構(gòu)與電噴霧源大致相同，不同之處在于APCI噴咀的下游放置一個針狀放電電極，通過放電電極的高壓放電，使空氣中某些中性分子電離，產(chǎn)生H3O+，N2+，O2+和O+等離子，溶劑分子也會被電離，這些離子與分析物分子進(jìn)行離子-分子反應(yīng)，使分析物分子離子化，這些反應(yīng)過程包括由質(zhì)子轉(zhuǎn)移和電荷交換產(chǎn)生正離子，質(zhì)子脫離和電子捕獲產(chǎn)生負(fù)離子等。

60第五節(jié)電離源大氣壓化學(xué)電離源主要用來分析中等極性的化合物。有些分析物由于結(jié)構(gòu)和極性方面的原因，用ESI不能產(chǎn)生足夠強(qiáng)的離子，可以采用APCI方式增加離子產(chǎn)率，可以認(rèn)為APCI是ESI的補(bǔ)充。APCI主要產(chǎn)生的是單電荷離子，所以分析的化合物分子量一般小于1000Da。用這種電離源得到的質(zhì)譜很少有碎片離子，主要是準(zhǔn)分子離子。61第五節(jié)電離源HPLC-MS62第五節(jié)電離源63第五節(jié)電離源9)激光解吸源（LaserDescription，LD）

激光解吸源是利用一定波長的脈沖式激光照射樣品使樣品電離的一種電離方式。被分析的樣品置于涂有基質(zhì)的樣品靶上,激光照射到樣品靶上,基質(zhì)分子吸收激光能量，與樣品分子一起蒸發(fā)到氣相并使樣品分子電離。激光電離源需要有合適的基質(zhì)才能得到較好的離子產(chǎn)率。因此，這種電離源通常稱為基質(zhì)輔助激光解吸電離(MatrixAssistedLaserDescriptionIonization,簡稱MALDI)。

ALDI特別適合于飛行時間質(zhì)譜儀(TOF),組成MALDI-TOF。

64第五節(jié)電離源基質(zhì)輔助激光解吸飛行時間質(zhì)譜技術(shù)

MATRIX-ASSISTEDLASERDESORPTIONIONIZATIONTIME-OF-FLIGHTTECHNOLOGY65

分子離子形成：混合樣品在真空下受激光輻照下，基質(zhì)吸收激光能量，并轉(zhuǎn)變成基質(zhì)的電子激發(fā)能，瞬時使基質(zhì)由固態(tài)轉(zhuǎn)化成氣態(tài)，形成基質(zhì)離子。而中性樣品與基質(zhì)離子，質(zhì)子及金屬陽離子之間的碰撞過程中，發(fā)生了樣品的離子化，從而產(chǎn)生了質(zhì)子化分子，陽離子化分子或多聚體離子。66第五節(jié)電離源

基質(zhì)的作用是吸收激光的能量并使被測定分子分離成單分子狀態(tài)，使其發(fā)生解吸電離。選擇基質(zhì)時，要求樣品應(yīng)能均勻地分散于基質(zhì)中，基質(zhì)應(yīng)能為樣品提供質(zhì)子?；|(zhì)選擇是得到優(yōu)質(zhì)圖譜的關(guān)鍵。樣品制備，基質(zhì)溶液配置及兩者混合后能共同結(jié)晶為最好的操作條件，這些因素對靈敏度和分辨率有著明顯的影響。67第五節(jié)電離源常用基質(zhì)

基質(zhì)激發(fā)波長(nm)性質(zhì)

煙酸266

芥子酸337,355耐雜質(zhì)，適合于混合物阿魏酸337耐雜質(zhì)，適合于混合物2,5-二羥基苯甲酸(DHB)337,355耐雜質(zhì)DHB+10%5-甲氧基水楊酸337355用于質(zhì)量大于20000Daa-氰基-4-羥基肉桂酸337,355多電荷分子離子碎片4-羥基吡啶甲酸337355用于低聚核苷酸琥珀酸2.94,10.668第五節(jié)電離源主要用途：蛋白質(zhì)組學(xué)，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與序列分析，生物大分子活性物質(zhì)鑒定和DNA序列分析1.蛋白質(zhì)和多肽的分析：分子量測定、肽譜測定、肽序列測定、巰基和二硫鍵定位、蛋白質(zhì)翻譯后修飾生物分子相互作用及非共價復(fù)合物。2.多糖結(jié)構(gòu)測定3.寡核苷酸和核酸的分析4.抗腫瘤藥物篩選5.微生物鑒定6.醫(yī)用材料的分析檢測

69第五節(jié)電離源

MALDI的適應(yīng)范圍

MALDI可用于測定多肽，蛋白，糖蛋白，DNA片段，多糖及其它生物技術(shù)產(chǎn)品。MALDI的特點是準(zhǔn)分子離子峰很強(qiáng)，幾乎無碎片離子，因此可直接分析蛋白質(zhì)酶解后產(chǎn)生的多肽混合物。另一特點是對樣品中雜質(zhì)的耐受量很大，當(dāng)液體色譜分離蛋白質(zhì)時，往往把鹽留在樣品中，若這些鹽的量在基質(zhì)的5%以下，可不影響蛋白質(zhì)的發(fā)射，因而往往可省去脫鹽的實驗步驟，大大縮短分析時間。7071第五節(jié)電離源

MALDI-TOFMS分析模型：

線性分析模型高分辨率線性分析模型反射分析模型高分辨率反射分析模型72第五節(jié)電離源延遲引出（DelayExtraction）為了提高分辨率，在MALDI-TOFMS上引進(jìn)了一項新技術(shù)，稱“延遲引出”，其原理簡述如下：當(dāng)靶電極與引出電極處于相同電位時，兩極電極處于相同電位時，兩極之間形成一個無場區(qū)，被解吸的離子在無場區(qū)中運動，經(jīng)過一段延遲時間后，初始速度高的離子離靶近，然靶后以脈沖方式在瞬間使靶與引出電極處于不同電位，由此產(chǎn)生的電場把離子引出，經(jīng)聚焦透鏡后，飛離離子源。離靶近的離子比離靶遠(yuǎn)的離子得到更大的加速，因而得到更大的動能，選擇適當(dāng)?shù)氐难舆t時間及控制靶與引出電位差，可有效地補(bǔ)償離子初始動能的分散，從而顯著提高M(jìn)ALDI-TOF質(zhì)譜儀的分辨率。

73延遲引出（DelayExtraction）飛行距離約為1米的線性TOF質(zhì)譜計的分辨率可達(dá)2000-3000。這一項技術(shù)與離子反射期聯(lián)合使用可使MALDI-TOF質(zhì)譜計的分辨率超過10，000。747576Sampleplate7778源后分解（PostSourceDecay,PSD)在線性模型下，因為先前離子和該先前離子所產(chǎn)生的碎片離子飛行時間相同，因此不能做PSD。只有在反射模式下，由于離子反射有篩選動能的特性，才能實現(xiàn)PSD。

先前離子Mp在MALDI-TOF儀器的無場區(qū)發(fā)生單分子分解反應(yīng)

MpMf++Mn其中Mf+為碎片離子，Mn為中性離子。

Mf+較先抵達(dá)檢測器，Mp較后抵達(dá)檢測器碎片離子不會象其先前離子更深入進(jìn)入反射區(qū)的延遲場，而是較早地離開反射區(qū)，比未經(jīng)碎裂的先前離子更快地進(jìn)入檢測器。7980CID化學(xué)誘導(dǎo)裂解81第五節(jié)電離源

飛行距離約為1米的線性TOF質(zhì)譜計的分辨率可達(dá)2000-3000。這一項技術(shù)與離子反射期聯(lián)合使用可使MALDI-TOF質(zhì)譜計的分辨率超過10，000。影響因素：激光波長pH溶劑82

600

800

1000

1200

1400

1600m/z266nm355nm532nm

LaserWavelengthEffectsDesArg1BradykininAngiotensinI-BagCellPeptide1-8

PulsedNd:YAGlaser~2mWat10Hz266,355,532nmwavelengthsOpticsnotoptimizedforIR-MALDIWavelengthdependencebutnotshownhere83

200

22

400

600

800Mass(m/z)LGAGGYFL-EnkA2L5R6-Enk123545432110pmolmix,+ion10pmolmix,-ion1pmolmix,-ion,PBS(pH7)1pmolmix,-ion,TRIS(pH9)

IonModeandpHEffects

+ionmode“contaminants”

HxCy(air,storagecont,vacuum)

Mx+(air,storagecont,solvents)ablatedSiclusters

analyte

supressionbelow800m/z

noadvantageoverMALDI!!-ionmodew/orw/obufferingcontaminantsaspH

84

600

800

1000

1200

1400

1600Mass(m/z)

Methanol,6daysDryair,6days

SolventEffectsinStorageandSamplingDesArg1BradykininAngiotensinI-BagCellPeptide1-8

Hydrophobicitydecreasesw/storage(contactangleanalysis)Methanolstorage“preserves”surface(DIOS-MSanalysis)Substrate

DropletContactAngle85第六節(jié)質(zhì)量分析器

質(zhì)譜儀的質(zhì)量分析器位于離子源和檢測器之間，依據(jù)不同方式將樣品離子按質(zhì)荷比m/z

分開。質(zhì)量分析器的主要類型有：磁分析器、飛行時間分析器、四極濾質(zhì)器、離子捕獲分析器和離子回旋共振分析器等。86第六節(jié)質(zhì)量分析器（1）磁分析器

最常用的分析器類型之一就是扇形磁分析器。離子束經(jīng)加速后飛入磁極間的彎曲區(qū)，由于磁場作用，飛行軌道發(fā)生彎曲（如右圖所示），此時離子受到磁場施加的向心力Bze作用，并且離子的離心力m2·r-1也同時存在，當(dāng)兩力平衡時，離子才能飛出彎曲區(qū)，即：Bze=m2/r87第六節(jié)質(zhì)量分析器其中B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，ze為電荷，為運動速度，m為質(zhì)量，r為曲率半徑。調(diào)整后可得：

=Bzer/m

m/z=B2r2e/2U

通過改變B、r、U這三個參數(shù)中的任一個并保持其余兩個不變的方法來獲得質(zhì)譜圖。現(xiàn)代質(zhì)譜儀一般是保持U、r不變，通過電磁鐵掃描磁場而獲得質(zhì)譜圖，故r即是扇形磁場的曲率半徑，而使用感光板記錄的質(zhì)譜儀中，B、U一定，r變化的。88第六節(jié)質(zhì)量分析器

僅用一個扇形磁場進(jìn)行質(zhì)量分析的質(zhì)譜儀稱為單聚焦質(zhì)譜儀，設(shè)計良好的單聚焦質(zhì)譜儀分辨率可達(dá)5000。若要求分辨率大于5000，則需要雙聚焦質(zhì)譜儀。一般商品化雙聚焦質(zhì)譜儀的分辨率可達(dá)150,000；質(zhì)量測定準(zhǔn)確度可達(dá)0.03g；即對于相對分子質(zhì)量為600的化合物可測至誤差士0.0002u。89第六節(jié)質(zhì)量分析器

單聚焦質(zhì)量分析器只是將m/z相同而入射方向不同的離子聚焦到一點（或稱實現(xiàn)了方向聚焦）。但對于m/z相同而動能（或速度）不同的離子不能聚焦，故其分辨率較低，一般為5000。

90第六節(jié)質(zhì)量分析器91第六節(jié)質(zhì)量分析器（2）飛行時間分析器這種分析器的離子分離是非磁方式達(dá)到的，因為從離子源飛出的離子動能基本一致，在飛出離子源后進(jìn)入一長約1m的無場漂移管，在離子加速后的速度為：

此離子達(dá)到無場漂移管另一端的時間為：

t=L/

故對于具有不同m/z的離子，到達(dá)終點的時間差：

92第六節(jié)質(zhì)量分析器

由此可見，t

取決于m/z

的平方根之差。因為連續(xù)電離和加速將導(dǎo)致檢測器的連續(xù)輸出而無法獲得有用信息，所以TOF是以大約10KHz的頻率進(jìn)行電子脈沖轟擊法產(chǎn)生正離子，隨即用一具有相同頻率的脈沖加速電場加速，被加速的粒子按不同的（m/z）1/2的時間經(jīng)漂移管到達(dá)收集極上，并饋入一個水平掃描與電場脈沖頻率一致的示波器上，從而得到質(zhì)譜圖。9394第六節(jié)質(zhì)量分析器（3）四質(zhì)器極濾

四極濾質(zhì)器由四根平行的金屬桿組成，其排布見右圖所示。被加速的離子束穿過對準(zhǔn)四根極桿之間空間的準(zhǔn)直小孔。通過在四極上加上直流電壓U和射頻電壓Vcost，在極間形成一個射頻場，離子進(jìn)入此射頻場后，會受到電場力作用，只有合適m/z的離子才會通過穩(wěn)定的振蕩進(jìn)人檢測器。只要改變U和V并保持U/V比值恒定時，可以實現(xiàn)不同m/z的檢測。

9596第六節(jié)質(zhì)量分析器1Torr10l/s10-2TorrQ1Q3Q210-6Torr10-3Torr97第六節(jié)質(zhì)量分析器

四極濾質(zhì)器9899第六節(jié)質(zhì)量分析器四極濾質(zhì)器分辨率和m/z范圍與磁分析器大體相同,其極限分辨率可達(dá)2000，典型的約為700。其主要優(yōu)點是傳輸效率較高，入射離子的動能或角發(fā)散影響不大；其次是可以快速地進(jìn)行全掃描，而且制作工藝簡單，儀器緊湊，常用在需要快速掃描的GC-MS聯(lián)用及空間衛(wèi)星上進(jìn)行分析。(4)離子阱檢測器

離子阱是一種通過電場或磁場將氣相離子控制并貯存一段時間的裝置。離子阱由一環(huán)形電極再加上下各一的端罩電極構(gòu)成。以端罩電極接地，在環(huán)電極上施以變化的射頻電壓，此時處于阱中具有合適的m/z

的離子100第六節(jié)質(zhì)量分析器

將在阱中指定的軌道上穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，若增加該電壓，則較重離子轉(zhuǎn)至指定穩(wěn)定軌道，而輕些的離子將偏出軌道并與環(huán)電極發(fā)生碰撞。當(dāng)一組由電離源(化學(xué)電離源或電子轟擊源)產(chǎn)生的離子由上端小孔中進(jìn)人阱中后，射頻電壓開始掃描，陷入阱中離子的軌道則會依次發(fā)生變化而從底端離開環(huán)電極腔，從而被檢測器檢測。這種離子阱結(jié)構(gòu)簡單、成本低且易于操作，已用于GC-MS聯(lián)用裝置用于m/z200~2000的分子分析。101第六節(jié)質(zhì)量分析器102ESI離子阱(IT)質(zhì)譜儀103104105第六節(jié)質(zhì)量分析器(5)離子回旋共振分析器過程：處于磁場B中離子——回旋離子——吸收與B垂直的電場能量——當(dāng)離子能量和吸收能量相等——共振——切斷交變電場——回旋離子在電極上產(chǎn)生感應(yīng)電流——感應(yīng)電流衰減——記錄該信號——通過Fourier變換將時域圖轉(zhuǎn)換為頻域圖(質(zhì)譜圖)。106第六節(jié)質(zhì)量分析器特點：可用于分子反應(yīng)動力學(xué)研究、掃描速度快，可與GC聯(lián)用、分辨率高、分析質(zhì)量大、但儀器昂貴。在上述部件中，離子源的結(jié)構(gòu)與性能對分析效果的影響極大，有人稱之為質(zhì)譜儀器的心臟，它與質(zhì)量分析器、離子檢測器皆為質(zhì)譜儀器的關(guān)鍵部件。107第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用檢測與記錄

質(zhì)譜儀常用的檢測器有法拉第杯(Faraday杯)、電子倍增器及閃爍計數(shù)器、照相底片等。現(xiàn)代質(zhì)譜儀一般都采用較高性能的計算機(jī)對產(chǎn)生的信號進(jìn)行快速接收與處理，同時通過計算機(jī)可以對儀器條件等進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控，從而使精密度和靈敏度都有一定程度的提高。

108第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用1）Faraday

杯下圖是Faraday杯結(jié)構(gòu)原理圖特點：可檢測10-15A的離子流，但不適于高加速電壓下的離子檢測。109第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用2）電子倍增器：類似于光電倍增管，可測10-18A電流。但有質(zhì)量歧視效應(yīng)。3）閃爍計數(shù)器：記錄離子的數(shù)目。110第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用一、質(zhì)譜圖與質(zhì)譜表質(zhì)譜法的主要應(yīng)用是鑒定復(fù)雜分子并闡述其結(jié)構(gòu)，確定元素的同位素及分布等。一般的質(zhì)譜給出的數(shù)據(jù)有兩種形式：一是棒圖即質(zhì)譜圖，另一個為表格即質(zhì)譜表。

質(zhì)譜圖是以質(zhì)荷比（m/z）為橫坐標(biāo)，相對強(qiáng)度為縱坐標(biāo)構(gòu)成。一般將原始質(zhì)譜圖上最強(qiáng)的離子峰為基峰并定為相對強(qiáng)度為100%，其它離子峰以對基峰的相對百分值表示。

質(zhì)譜表是用表格形式表示的質(zhì)譜數(shù)據(jù)。質(zhì)譜表中有兩項即質(zhì)荷比和相對強(qiáng)度。從質(zhì)譜圖上可以直觀地觀察整個111第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用分子的質(zhì)譜全貌，而質(zhì)譜表則可以準(zhǔn)確地給出精確的m/z值及相對強(qiáng)度值，有助于進(jìn)一步分析。112第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用二、離子峰分子在離子源中可以產(chǎn)生各種電離，即同一種分子可以產(chǎn)生多種離子峰，主要的有分子離子峰、碎片離子峰、亞穩(wěn)離子峰和同位素離子峰等。（一）分子離子峰試樣分子在高能電子撞擊下產(chǎn)生正離子，即；

M+eM++2e式中M為待測分子，M+為分子離子或母體離子。113第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用幾乎所有的有機(jī)分子都可以產(chǎn)生可以辨認(rèn)的分子離子峰。有些分子如芳香環(huán)分子可產(chǎn)生較大的分子離子峰，而高分子量的脂肪醇、醚及胺等則產(chǎn)生較小的分子離子峰。若不考慮同位素的影響，分子離子應(yīng)該具有最高質(zhì)量。（二）碎片離子峰

分子離子產(chǎn)生后可能具有較高的能量，將會通過進(jìn)一步碎裂或重排而釋放能量，碎裂后產(chǎn)生的離子形成的峰稱為碎片離子峰。有機(jī)化合物受高能作用時產(chǎn)生各種形式的分裂，一般強(qiáng)度最大的質(zhì)譜峰相應(yīng)于最穩(wěn)定的碎片離子。通過各種114第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用碎片離子相對峰高的分析，有可能獲得整個分子結(jié)構(gòu)的信息。因為M+可能進(jìn)一步斷裂或重排，因此要準(zhǔn)確地進(jìn)行定性分析最好與標(biāo)準(zhǔn)譜圖進(jìn)行比較。（三）亞穩(wěn)離子峰

若質(zhì)量為m1的離子在離開離子源受電場加速后，在進(jìn)入質(zhì)量分析器之前，由于碰撞等原因很容易進(jìn)一步分裂失去中性碎片而形成質(zhì)量m2的離子，即

m1m2+△m由于一部分能量被中性碎片帶走，此時的m2離子比在離子源中形成的m2離子能量小故將在磁場中產(chǎn)生更大的偏轉(zhuǎn)，115第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用觀察到的m/z較小。這種峰稱為亞穩(wěn)離子峰，用m*表示。它的表觀質(zhì)量m*與m1、m2的關(guān)系是：

m*=（m2）2/m1式中m1為母離子的質(zhì)量，m2為子離子的質(zhì)量。

亞穩(wěn)離子峰由于其具有離子峰寬大（約2~5個質(zhì)量單位）、相對強(qiáng)度低、m/z不為整數(shù)等特點，很容易從質(zhì)譜圖中觀察。

通過亞穩(wěn)離子峰可以獲得有關(guān)裂解信息，通過對m*峰觀察和測量，可找到相關(guān)母離子的質(zhì)量與子離子的質(zhì)量m2從而確定裂解途徑。116第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用（四）同位素離子峰

有些元素具有天然存在的穩(wěn)定同位素，所以在質(zhì)譜圖上出現(xiàn)一些M+1，M+2的峰，由這些同位素形成的離子峰稱為同位素離子峰。

在一般有機(jī)分子鑒定時，可以通過同位素峰統(tǒng)計分布來確定其元素組成，分子離子的同位素離子峰相對強(qiáng)度之比符合一定的統(tǒng)計規(guī)律。

例如，在CH4的質(zhì)譜圖中，有其分子離子峰m/z=17、16，而其相對強(qiáng)度之比I17/I16=0.011。而在丁烷中,出現(xiàn)一個13C的幾率是甲烷的4倍，則分子離子峰m/z=59、58的強(qiáng)度之比I59/I58=4×0.011×13=0.044；同樣，在丁烷中117第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用

出現(xiàn)一個M+2（m/z）同位素峰的幾率為6×0.011×0.011×12=0.0007；即I59/I58=0.0007，非常小，故在丁烷質(zhì)譜圖中一般看不到（M+2）+峰。118第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用（五）重排離子峰

在兩個或兩個以上鍵的斷裂過程中，某些原子或基團(tuán)從一個位置轉(zhuǎn)移到另一個位置所生成的離子，稱為重排離子。質(zhì)譜圖上相應(yīng)的峰為重排離子峰。轉(zhuǎn)移的基團(tuán)常常是氫原子重排的類型很多，其中最常見的一種是麥?zhǔn)现嘏?。這種重排形式可以歸納如下：119第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用

可以發(fā)生這類重排的化合物有:酮、醛、酸、醋和其它含羰基的化合物，含P=O，＞S=O的化合物以及烯烴類和苯類化合物等。發(fā)生這類重排所需的結(jié)構(gòu)特征是分子中有一個雙鍵以及在位置上有氫原子。120第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用121第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用三、斷裂方式及有機(jī)化合物的斷裂圖象

當(dāng)電子轟擊能量在50~70eV時，分子離子進(jìn)一步分裂成各種不同m/z

的碎片離子。碎片離子峰的相對豐度與分子中鍵的相對強(qiáng)度、斷裂產(chǎn)物的穩(wěn)定性及原子或基團(tuán)的空間排列有關(guān)。其中斷裂產(chǎn)物的穩(wěn)定性常常是主要因素。由于碎片離子峰，特別是相對豐度大的碎片離子峰與分子結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系，所以，掌握有機(jī)分子的裂解方式和規(guī)律，熟悉碎片離子和碎片游離基的結(jié)構(gòu)，了解有機(jī)化合物的斷裂圖象，對確定分子的結(jié)構(gòu)是非常重要。122第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用（一）斷裂方式有機(jī)化合物的斷裂方式有三種類型：

均裂、異裂和半異裂。

均裂：一個鍵的兩個電子裂開，每個碎片上各保留一個電子。即：123第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用

異裂：一個鍵的兩個電子裂開后，兩個電子都?xì)w屬于其中某一個碎片，即：半異裂：離子化鍵的開裂，即：124第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用（二）重要有機(jī)化合物的斷裂規(guī)律和斷裂圖象1.脂肪族化合物

（1）飽和烴類直鏈烷烴分子離子，首先通過半異裂失去一個烷基游離基并形成正離子，隨后連續(xù)脫去28個質(zhì)量單位（CH2=CH2）：在質(zhì)譜圖上，得到實驗式是

CnH2n+1(即m/z29、43、

57、…)的系列峰。此外，在斷裂過程中，由于125第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用

伴隨失去一分子氫，故可在各比碎片離子峰低二個質(zhì)量單位處出現(xiàn)一些鏈烯的小峰；從而在質(zhì)譜圖上得到實驗式是CnH2n-1（即m/z27、41、55…)的另一系列峰。在CnH2n-1的系列峰中，一般m/z43、57峰的相對強(qiáng)度較大。分子離子峰的強(qiáng)度則隨其相對分子質(zhì)量的增加而下降，但仍可見。右圖為癸烷的質(zhì)譜圖。126第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用

支鏈烷烴的斷裂，容易發(fā)生在被取代的碳原子上。這是由于在正碳離子中，穩(wěn)定性順序如下：通常，分支處的長碳鏈將最易以游離基形式首先脫出。右圖為2，2—二甲基庚烷的質(zhì)譜圖。在圖中看不到分子離子峰。由于在分支處分子離127第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用子脫去游離基的順序是：所以，在相應(yīng)生成的碎片離子峰中，強(qiáng)度大小順序為：128第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用

熟悉碳?xì)浠衔锏馁|(zhì)譜圖是十分重要的。因為在許多脂肪族化合物的質(zhì)譜中，除了不同官能團(tuán)產(chǎn)生的峰外，同時也出現(xiàn)與烴類相同的斷裂模型。（2）羧酸、酯和酰胺

羧酸、酯和酰胺容易發(fā)生開裂，產(chǎn)生酰基陽離子或另一種離子：129第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用在羧酸和伯酰胺中，主要是1斷裂，產(chǎn)生m/z45（HO—C≡O(shè)+）和m/z44（H2N—C≡O(shè)+）的離子。在酯和仲、叔酰胺中，主要發(fā)生2斷裂。當(dāng)有-氫存在時，能發(fā)生麥?zhǔn)现嘏牛У粢粋€中性碎片，產(chǎn)生一個奇電子的正離子。

130第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用在酸、酯中得到的奇電子的正離子的m/z值符合60+14n，而酰胺符合59+14n。（3）醛和酮

醛和酮的分子離子峰均是強(qiáng)峰。醛和酮容易發(fā)生開裂，產(chǎn)生酰基陽離子。131第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用通常，R1、R2中較大者容易失去。但是，醛上的氫不易失去，常常產(chǎn)生m/z29的強(qiáng)碎片離子峰。酮則產(chǎn)生經(jīng)驗式為CnH2n+1CO+（m/z43、57、71…)的碎片離子峰。這種碎片離子峰的m/z與CnH2n+1+離子一樣，故需用高分辨質(zhì)譜儀才能區(qū)分它們。132第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用

當(dāng)有-氫存在時，醛和酮均能發(fā)生麥?zhǔn)现嘏牛a(chǎn)生m/z

符合44+14n的碎片離子。例如，甲基正丙基酮的重排峰為m/z58，正丁醛為m/z

44。（4）醇、醚和胺醇、醚和胺容易發(fā)生斷裂，形成m/z符合31+14n的正離子或m/z符合30+14n的亞胺正離子，構(gòu)成質(zhì)譜圖上的主要強(qiáng)峰。例如：133第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用

醚類化合物除可發(fā)生斷裂外，也能發(fā)生斷裂。例如134第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用

醇、醚和胺的分子離子峰都很弱，尤其是長鏈脂肪醇，容易發(fā)生1，3或1，4脫水，形成（M-18）峰。此峰容易被誤認(rèn)為醇、醚等的分子離子峰。（5）鹵化物

鹵化物容易發(fā)生C-X鍵斷裂，正電荷可以留在鹵原子上，也可留在烷基上。135第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用鹵化物有類似于醇的脫水過程，脫去HX：此外，鹵化物可發(fā)生開裂，形成鹵正離子：136第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用（二）芳香族化合物芳香族化合物有電子系統(tǒng)，因而能形成穩(wěn)定的分子離子。在質(zhì)譜圖上，它們的分子離子峰有時就是基峰。此外，由于芳香族化合物非常穩(wěn)定，常常容易在離子源中失去第二個電子，形成雙電荷離子。在芳香族化合物的質(zhì)譜中，常常出現(xiàn)m/z符合CnHn+

的系列峰(m/z78、65、52、39)和（或)m/z

77、76、64、63、51、50、38、37的系列峰，后者是由于前者失去一個或兩個氫后形成的。這兩組系列峰可以用來鑒定芳香化合物。芳香族化合物可以發(fā)生相對于苯環(huán)的開裂。烷基137第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用芳烴的這種斷裂，產(chǎn)生m/z

91的基峰，進(jìn)一步失去乙炔，產(chǎn)生m/z

65的正離子：當(dāng)環(huán)的位上的碳被取代時，基峰就變成91+14n。芳香醚發(fā)生斷裂后，產(chǎn)生的正離子為：138第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用正離子不穩(wěn)定，失去CO后，生成m/z65離子。硝基化合物首先經(jīng)歷一個重排，然后失去NO，產(chǎn)生與芳香醚同樣類型的離子，最后生成m/z65離子：139第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用芳香醛、酮和酯類化合物發(fā)生斷裂后，產(chǎn)生m/z

105的然后進(jìn)一步失去CO，生成m/z

77的苯基陽離子：140第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用

芳香化合物也可發(fā)生斷裂，生成m/z

77的苯基陽離子，然后進(jìn)一步失去CH3≡CH3生成m/Z51（C4H3+）離子：141第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用四、質(zhì)譜定性分析

1、分子量確定根據(jù)分子離子峰質(zhì)荷比可確定分子量，通常分子離子峰位于質(zhì)譜圖最右邊，但由于分子離子的穩(wěn)定性及重排等，質(zhì)譜圖上質(zhì)荷比最大的峰并不一定是分子離子峰。那么，如何辯認(rèn)分子離子峰呢？

利用化學(xué)結(jié)構(gòu)來判斷分子離子峰強(qiáng)度：各類化合物分子離子峰穩(wěn)定性順序為：芳香環(huán)（芳香、雜環(huán)）>脂環(huán)>硫醚、硫酮>共軛烯烴>直鏈烷烴>酰胺>酮>醛>胺>脂>醚>羧酸>支鏈烴>腈>伯醇>叔醇>縮醛142第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用

利用經(jīng)驗規(guī)律：1）原則上除同位素峰外，分子離子峰是最高質(zhì)量的峰。但要注意，“醚、胺、脂、酰、胺腈和胺醇的(M+H)+峰”及“芳醛、醇或含氮化合物等的(M-H)+峰”2）分子離子峰應(yīng)符合“氮律”。在C、H、O組成的化合物中，分子離子峰的質(zhì)量數(shù)一定是偶數(shù)；在含C、H、O、N化合物中，含偶數(shù)個N的分子量為偶數(shù)，含奇數(shù)個N的分子量為奇數(shù)——不符合上述規(guī)律者必不是分子離子峰。143第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用3）分子離子峰與鄰近峰的質(zhì)量差是否合理。有機(jī)分子失去碎片大小是有規(guī)律的：如失去H、CH3、H2O、C2H5…….，因而質(zhì)譜圖中可看到M-1，M-15，M-18，M-28等峰，而不可能出現(xiàn)M-3，M-14，M-24等峰，如出現(xiàn)這樣的峰，則該峰一定不是分子離子峰。

質(zhì)量差為(4-13)、19-25、37、38、50-53、65-66…的不是分子離子峰，當(dāng)差值為14=CH2時應(yīng)小心，這表明可能有待測物的同系物存在。4）根據(jù)斷裂方式判斷分子離子峰：如醇的分子離子峰通?？床坏剑?jīng)?？吹阶罡哔|(zhì)量的兩峰相差3個質(zhì)量單位的峰（M-CH3峰和M-H2O峰）。

144第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用通過改變儀器實驗條件來檢驗：1）降低電子流電壓——增加分子離子峰強(qiáng)度（當(dāng)電子轟擊電壓降低，強(qiáng)度不增加的峰不是分子離子峰）。2）采用化學(xué)電離源、場離子或場解吸源等電離方法；3）制備易揮發(fā)的衍生物，如通過甲基化、乙?；?、甲酯化、三甲基硅醚化、水解氧化或還原等方法將樣品制備成適當(dāng)?shù)难苌锖笤贉y定。145第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用2、化學(xué)式的確定高分辨質(zhì)譜：a)可分辨質(zhì)荷比相差很小的分子離子或碎片離子。如CO和N2分子離子的m/z均為28，但其準(zhǔn)確質(zhì)荷比分別為28.0040和27.9949，高分辨質(zhì)譜可以識別它們。b)低分辨質(zhì)譜則不能分辨m/z相差很小的碎片離子，如CO和N2。通常通過同位素相對豐度法來確定分子的化學(xué)式。146第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用

對于含有Cl,Br,S等同位素天然豐度較高的化合物，其同位素離子峰相對強(qiáng)度可由（a+b)n展開式計算，其中a、b分別為該元素輕重同位素的相對豐度，n

為分子中該元素的原子個數(shù)。CH3Cl：因為，a=3,b=1,n=1,因此(3+1)1=3+1

即m/z50(M):m/z52(M+2)=3:1CH2Cl2：因為，a=3,b=1,n=2,因此(3+1)2=9+6+1,

即m/z84(M):m/z86(M+2):m/z88(M+4)=9:6:1CHCl3：因為a=3,b=1,n=3,因此，147第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用(3+1)3=27+27+9+1

即m/z118(M):m/z120(M+2):m/z122(M+4):m/z124(M+6)=27:27:9:1對于含有兩種或以上的雜原子，則以（a1+b1)n1?(a2+b2)n2?……表示。ClCH2Br:(3+1)1(1+1)1=3+4+1(35Cl,37Cl;79Br,81Br)

即：m/z128(M):m/z130(M+2):m/z132(M+4)=3:4:1

148第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用3、結(jié)構(gòu)簽定：a)根據(jù)質(zhì)譜圖，找出分子離子峰、碎片離子峰、亞穩(wěn)離子峰、m/z、相對峰高等質(zhì)譜信息，根據(jù)各類化合物的裂規(guī)律，重組整個分子結(jié)構(gòu)。b)采用與標(biāo)準(zhǔn)譜庫對照的方法.149第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用五、質(zhì)譜定量分析利用質(zhì)譜離子流強(qiáng)度與離子數(shù)目成正比進(jìn)行定量。1、同位素測定：元素同位素測定和分子同位素測定。

a）C6D6純度測定：由C6D6+，C6D5H+，C6D4H2+，C6D3H3+等的相對強(qiáng)度確定。b）同位素標(biāo)記：用穩(wěn)定同位素來標(biāo)記化合物，用它作示蹤來測定在化學(xué)反應(yīng)或生物反應(yīng)中該化合物的最終去向，研究反應(yīng)機(jī)理。如酯的水解機(jī)理就是用將酯基用18O來標(biāo)記，然后只要示蹤18O是在水解生成的烷醇中，還是在酸中。若在烷醇中則是酰氧斷裂；反之則是烷氧斷裂。150第七節(jié)質(zhì)譜圖及其應(yīng)用c）同位素年代測定：通過36Ar與40Ar的強(qiáng)度比求出40Ar(由40K經(jīng)1.3109a衰變而來)含量，再據(jù)半衰期求出其年代。2、無機(jī)痕量分析：ICP-MS（無機(jī)質(zhì)譜）151第八節(jié)質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀示意圖供氣系統(tǒng)氣相色譜主機(jī)連接系統(tǒng)質(zhì)譜檢測儀152第八節(jié)質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)GC具有分離復(fù)雜混合物的能力，定量易定性難；而MS多用于純物質(zhì)