有机质谱解析课件.ppt

1、有机质谱解析有机质谱解析第一节第一节 序言序言 1.什么是质谱法？样品分子在高真空环境受到高速电子流或强电场作样品分子在高真空环境受到高速电子流或强电场作用，失去外层电子后发生化学键断裂生成各种碎片用，失去外层电子后发生化学键断裂生成各种碎片离子，然后在磁场中得到分离后加以收集和记录，离子，然后在磁场中得到分离后加以收集和记录，从所得到的质谱图推断结构的方法。从所得到的质谱图推断结构的方法。1.2 1.2 质谱仪的功能质谱仪的功能A.使样品变成分子离子；使样品变成分子离子；B.通过电场使离子加速；通过电场使离子加速；C.按质荷比分离离子；按质荷比分离离子；D.将离子流变成电信号，收集记录。将离

2、子流变成电信号，收集记录。1.3 1.3 质谱的沿革与发展质谱的沿革与发展四次诺贝尔奖回顾：四次诺贝尔奖回顾：1 1、阳极射线管和、阳极射线管和ThomsonThomson实验实验-+图1-1 阳极射线管图1-2 Thomson 质谱仪示意图A.气体入口；B.阳极；C.放电管；D.去抽空泵；E.阴极；F.磁屏蔽G.冷却水套；H.绝缘体；I.电场引线；J.照相感光检测器本世纪初，英国学本世纪初，英国学者者J.J.J.J.Thomson(Thomson(获获19061906诺诺贝尔物理奖贝尔物理奖)利用利用低压放电离子源所低压放电离子源所产生的具有高速度产生的具有高速度的正电荷离子束，的正电荷离子

3、束，通过一组电场和磁通过一组电场和磁场，不同质荷比的场，不同质荷比的正电荷离子按不同正电荷离子按不同质量而发生半径不质量而发生半径不同的抛物线轨道偏同的抛物线轨道偏转，依次达到检测转，依次达到检测器，在感光板上被器，在感光板上被记录下来。记录下来。2 2、19191919年，年，F.W.AstonF.W.Aston制成第一台速度聚焦磁质谱制成第一台速度聚焦磁质谱仪。获仪。获19221922年诺贝尔奖。年诺贝尔奖。图1-3 Aston 质谱仪 19171917年年,电喷雾物理现象被发现（并非为了质谱）；电喷雾物理现象被发现（并非为了质谱）；19181918年年,Dempster 180,Demp

4、ster 180磁扇面方向聚焦质谱仪；磁扇面方向聚焦质谱仪；19351935年年,马陶赫马陶赫(Marttauch)(Marttauch)和赫佐格和赫佐格(R.Herzog)(R.Herzog)根据他们根据他们的双聚焦理论，研制出双聚焦质谱仪的双聚焦理论，研制出双聚焦质谱仪 ；19401940年年,尼尔尼尔(Nier)(Nier)设计出单聚焦磁质谱仪，又于设计出单聚焦磁质谱仪，又于19601960年设年设计并制成了一台小型的双聚焦质谱仪；计并制成了一台小型的双聚焦质谱仪；19421942年，第一台商品质谱仪；年，第一台商品质谱仪；19531953年年,由鲍尔由鲍尔(Paul)(Paul)和斯坦

5、威德尔和斯坦威德尔(Steinwedel)(Steinwedel)提出四极提出四极滤质器滤质器 ；19531953年年,由威雷由威雷(Wiley)(Wiley)和麦克劳伦斯和麦克劳伦斯(Mclarens)(Mclarens)设计出飞行设计出飞行时间质谱仪原型时间质谱仪原型 ；19541954年年 英格拉姆英格拉姆(Inghram)(Inghram)和海登和海登(Hayden)(Hayden)报道的报道的TandemTandem系统，即串联的质谱系统系统，即串联的质谱系统(MS/MS)(MS/MS)；19551955年年 Wiley&Mclarens Wiley&Mclarens 飞行时间质谱仪

6、；飞行时间质谱仪；1960 s 1960 s 开发开发GC/MSGC/MS；60s-70s 60s-70s 大气压电离源被发现，但未被广泛应用；大气压电离源被发现，但未被广泛应用；70s-80s 70s-80s 开始开始 广泛研究广泛研究LC/MSLC/MS；19741974年后年后 回旋共振质谱仪；回旋共振质谱仪；19791979年年 传送带式传送带式LC/MSLC/MS接口成为商业产品；接口成为商业产品；19821982年年 离子束离子束LC/MSLC/MS接口出现；接口出现；19841984年年 第一台电喷雾质谱仪宣告诞生；第一台电喷雾质谱仪宣告诞生；19881988年年 电喷雾质谱仪首

7、次应用于蛋白质分析电喷雾质谱仪首次应用于蛋白质分析 3、19891989年，年，Hens G.DohmeltHens G.Dohmelt和和 W.Paul,W.Paul,因离子阱因离子阱（Ion trap)Ion trap)的应用获诺贝尔物理奖。的应用获诺贝尔物理奖。4 4、20192019年，年，J.B.Penn J.B.Penn 和田中耕一因电喷雾电离和田中耕一因电喷雾电离（electron spray ionization,ESIelectron spray ionization,ESI）质谱和基质辅助）质谱和基质辅助激光解吸电离激光解吸电离(matrix-assisted laser

8、desorption(matrix-assisted laser desorption ionization,MALDI)ionization,MALDI)质谱获诺贝尔化学奖。质谱获诺贝尔化学奖。日本科学家田中耕一(Koichi Tanaka)1959年出生于日本富山县首府富山市，1983年获日本东北大学学士学位，现任职于京都市岛津制作所，为该公司研发工程师，分析测量事业部生命科学商务中心、生命科学研究所主任。他对化学的贡献类似于约翰芬恩，因此也得到了14的奖金。美国科学家约翰芬恩1917年出生于美国纽约市，1940年获耶鲁大学化学博士学位，1967年到1987年间任该大学教授，1987年起被

9、聘为该大学名誉教授，自1994年起任弗吉尼亚联邦大学教授。他因为“发明了对生物大分子进行确认和结构分析的方法”和“发明了对生物大分子的质谱分析法”而获得今年诺贝尔化学奖14的奖金。瑞士科学家库尔特维特里希1938年生于瑞士阿尔贝格，1964年获瑞士巴塞尔大学无机化学博士学位，从1980年起担任瑞士苏黎世联邦高等理工学校的分子生物物理学教授，还任美国加利福尼亚州拉霍亚市斯克里普斯研究所客座教授。他因“发明了利用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法”而获得2019年诺贝尔化学奖一半的奖金。2019年诺贝尔化学奖获得者美国科学家约翰美国科学家约翰 芬恩，获芬恩，获20192019年年诺贝尔

10、化学奖诺贝尔化学奖日本科学家田中日本科学家田中耕一，获耕一，获2019年年诺贝尔化学奖诺贝尔化学奖使生物大分子相互完整地分离，同时也被电离使生物大分子相互完整地分离，同时也被电离。对成团的生物大对成团的生物大分子施加强电场分子施加强电场用软激光轰击成用软激光轰击成团的生物大分子团的生物大分子芬恩的电喷雾质谱技术（ESIESI）原理图田中耕一的软激光解吸附质谱技术原理图解决了“看清”生物大分子“是谁”的问题1.4 我国有机质谱概况与进展5050年代，同位素分析；年代，同位素分析；有机质谱有机质谱7070年代零星开展；年代零星开展；年代，有机质谱快速发展成立质谱学会；年代，有机质谱快速发展成立质谱

11、学会；四个专业组：同位素质谱、无机质谱、有机质谱、质谱四个专业组：同位素质谱、无机质谱、有机质谱、质谱仪器；仪器；有机质谱主要在结构分析、气相离子化学、色质联用技有机质谱主要在结构分析、气相离子化学、色质联用技术等方面发展；术等方面发展；近年来，随着生命科学的发展，有机质谱也跨入生物质近年来，随着生命科学的发展，有机质谱也跨入生物质谱的范畴。谱的范畴。3 3、唯一能直接获得分子量及分子式的谱学方法、唯一能直接获得分子量及分子式的谱学方法1.51.5 质谱的特点质谱的特点1 1、特征性强、特征性强 保留值不能作为鉴定标准。保留值不能作为鉴定标准。2 2、灵敏度高、灵敏度高1010-15-15 1

12、0 10-16-16 g,g,所有谱中灵敏度最高的。所有谱中灵敏度最高的。1.6 1.6 质谱仪器的主要指标质谱仪器的主要指标A.质量范围：质量范围：仪器所检测的质荷比范围。对单电荷离子即仪器所检测的质荷比范围。对单电荷离子即为离子的质量范围；对多电荷离子，所检测的离子质量则扩为离子的质量范围；对多电荷离子，所检测的离子质量则扩展到离子电荷数相应的倍数。展到离子电荷数相应的倍数。质量范围质量范围(Mass Range)质谱仪所能质谱仪所能检测的最小到最大的质量范围。检测的最小到最大的质量范围。不同仪器：不同仪器：四极杆四极杆 1600Da，14000Da，磁质谱：磁质谱：110000Da 飞行

13、时间质谱：无上限飞行时间质谱：无上限 离子阱质谱：离子阱质谱：12000Da，14000Da 不同要求：气体分析，不同要求：气体分析，1300Da 气相色谱质谱，气相色谱质谱，1600Da，800Da 有机质谱，有机质谱，12000Da 生物分子，生物分子，110000Da或更大或更大B.B.灵敏度灵敏度(sensitivity)(sensitivity)：出峰强度与所用样品量之出峰强度与所用样品量之间的关系；或对选定的样品在一定分辨率下产生一定信噪间的关系；或对选定的样品在一定分辨率下产生一定信噪比的分子离子峰所需的样品量。比的分子离子峰所需的样品量。C.C.分辨率分辨率(resolutio

14、n)(resolution)：R R10%10%=aM/b=aM/b M M（实际）（实际）M M 为可分辨的两峰为可分辨的两峰的质量差的质量差；a a为相邻两为相邻两峰的中心距离；峰的中心距离；b b为峰为峰高高5%5%处的峰宽。处的峰宽。R=M/R=M/M M，M M为可分辨为可分辨的两峰的平均质量。的两峰的平均质量。对于对于FT-ICRFT-ICR及及TOFTOF：R=M/R=M/M MM M为所测峰的质量；为所测峰的质量；M M为该为该峰半高宽所对应的质量数。峰半高宽所对应的质量数。分辨力分辨力(Resolution Power,RP)分辨力：分开两个邻近质量峰的能力。分辨力：分开两个

15、邻近质量峰的能力。何为分开：若两个相邻峰的峰谷低于峰高的何为分开：若两个相邻峰的峰谷低于峰高的10%(或或5%，50%)，则认为，则认为 是分开的。是分开的。A:未分开 B:部分分开 C:全分开 分辨差 分辨较差 分辨达到要求m2m1数学定义数学定义：mmRPmmmmmRP1211 (1)m1和m2代表两个相邻峰的质量数 (2)m代表某一峰的质量，m代表半峰宽分辨率的另外一种定义：分辨率=M/MM为半峰高处峰宽 分开的定义10%valleym/MM+H+m/zintensity组成整数质量精确质量CO2827.994914N22828.006158C2H42828.031299若仪器分辨力很低

16、，如若仪器分辨力很低，如RP=200，则对以上三个分子不能分开，混为一峰。，则对以上三个分子不能分开，混为一峰。若要分开以下混合物，则必需有如下分辨力若要分开以下混合物，则必需有如下分辨力CO-C2H4:(RP)2=27.994914/(28.031299-27.994914)=770N2-C2H4 :(RP)3=28.006158/(28.031299-28.006158)=1100CO-N2 :(RP)1=27.994914/(28.006158-27.994914)=2490当仪器分辨力达到当仪器分辨力达到770时，时，只能够只分开只能够只分开 CO-C2H4。当仪器分辨力达到当仪器分辨

17、力达到1100时，能够分开时，能够分开CO-C2H4 和和N2-C2H4 当仪器分辨力超过当仪器分辨力超过2500时，三者全部分开。时，三者全部分开。一般低分辨仪器在一般低分辨仪器在2000左右。左右。10000以上时称高分辨。以上时称高分辨。FT-ICR-MS分辨力可达分辨力可达2百万。百万。高分辨质谱进行元素组成分析：高分辨质谱进行元素组成分析：任何一种同位素的质量并不是正好的整数。任何一种同位素的质量并不是正好的整数。12C的准确质量为的准确质量为12.00000000,1H=1.007782506，14N=14.00307407，16O=15.99491475，末位有效数字。，末位有效

18、数字。每一个同位素都具有唯一的、特征的每一个同位素都具有唯一的、特征的“质量亏损质量亏损”，离子的质量包含了同位素，离子的质量包含了同位素的总的质量亏损，也是特征的，以此来鉴定离子的同位素和元素组成。的总的质量亏损，也是特征的，以此来鉴定离子的同位素和元素组成。q例例 m=43.0184Da的离子必定是的离子必定是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)。为了区分这四个离子，测量的质量的准确度需达到为了区分这四个离子，测量的质量的准确度需达到130ppm。即小数点后第四即小数点后第四位是准确的

19、。位是准确的。元素组成信息随着质量的增加而呈指数地上升，对质谱质量的测定准确度要元素组成信息随着质量的增加而呈指数地上升，对质谱质量的测定准确度要求更高。求更高。q例例 分子量为分子量为310的质谱峰，已知它们的元素组成限于碳、氢、氮和氧，且最多不的质谱峰，已知它们的元素组成限于碳、氢、氮和氧，且最多不超过超过3个氮原子和个氮原子和4个氧原子。如果将其各种组合出来的质量能够区分开来，要求个氧原子。如果将其各种组合出来的质量能够区分开来，要求的质量准确度达到的质量准确度达到2ppm，这是目前最高质量分辨力的这是目前最高质量分辨力的FT-ICR-MS勉强能够达到勉强能够达到的水平。的水平。注意事项

20、注意事项质谱学上的高分辨包含两层含义：质谱学上的高分辨包含两层含义：高的分辨本领高的分辨本领 保证两个靠得很近的峰能够分开来，从而知道是两个峰而不是一个峰。保证两个靠得很近的峰能够分开来，从而知道是两个峰而不是一个峰。良好的线性行为良好的线性行为 用已知精确质量的离子去得到待测定离子的质量数，不容许二者峰的用已知精确质量的离子去得到待测定离子的质量数，不容许二者峰的质量是一样的质量是一样的(重叠在一起重叠在一起)，二者之间必有一定的质量差异，质谱仪的线性，二者之间必有一定的质量差异，质谱仪的线性不好，用已知精确离子的质量来得到待测定离子的质量，就会因此而产生不好，用已知精确离子的质量来得到待测

21、定离子的质量，就会因此而产生偏差，从而造成误差，两者距离越远，这种误差越大。偏差，从而造成误差，两者距离越远，这种误差越大。良好的稳定性良好的稳定性 磁质谱，飞行时间质谱仪，离子回旋共振质谱仪：磁质谱，飞行时间质谱仪，离子回旋共振质谱仪：分辨力、线性和稳定性好，属高分辨质谱仪。分辨力、线性和稳定性好，属高分辨质谱仪。离子阱质谱仪：分辨力高，线性低，准高分辨质谱仪，用于判断质谱峰带离子阱质谱仪：分辨力高，线性低，准高分辨质谱仪，用于判断质谱峰带 的电荷数。的电荷数。四极杆质谱仪：分辨力低，线性好，不属于高分辨质谱仪。四极杆质谱仪：分辨力低，线性好，不属于高分辨质谱仪。1.7 1.7 质谱的表征质

22、谱的表征1、棒图100200300400500600m/z0100%254.2194.2507.3334.3399.72、数据列表1.8 1.8 一些基本概念一些基本概念 常用概念 质谱图中的横坐标，质量与电荷之比。若离子所带电荷为z=1，则质荷比等于该离子的质量数。离子是以12C原子的1/12定义为一个质量单位，用u表示。1u=1.66054x10-27kg 其它常用符号，Da,道尔顿 1Da=1u两种表示方法 百分强度：所有峰的强度之各为100，每个离子所占的份额即为其百分强度，百分强度=(Ii/Ii)100%Ii，第i 个离子的强度。基峰强度：质谱图中离子强度最大的峰称为基峰，定义它的强

23、度为100，即IB=100，其它离子强与之相比的百分强度称为该离子的强度。化学上，氖的原子量为20.2,质谱上：氖不在m/z20.2处出峰，而是在m/z20和m/z22处各出一个峰，该峰的相对强度为10:1。为什么？质谱测定的是微观离子，不是宏观上的平均的概念。元素AA+1A+2元素类型质量%质量%质量%H110020.015AC12100131.1A+1N14100150.37AO16100170.04180.20A+2F19100ASi28100295.10303.40A+1,A+2P31100AS32100330.80344.40A+2Cl351003732.5A+2Br79100819

24、8.0A+2I127100A表1 常见元素的天然同位素丰度元素分类情况：A:H,F,P,IA+1:C,NA+2:O,Si,Cl,Br同位素分布的二项式规则：对A+1和A+2元素 32!3)2)(1(!2)1(1)1(bnnnbnnnbbnb:A+1或A+2同位素的天然丰度n:质谱峰中A+1或A+2元素的个数A+1元素峰位置MM+1M+2M+3A+2元素峰位置MM+2M+4M+6质谱峰强度1nbn(n-1)b2/2!n(n-1)(n-2)b3/3!12C5H12+M m/z7212C413C1H12+M+1 m/z7312C313C2H12+M+2 m/z7412C213C3H12+M+3 m/

25、z7512C113C4H12+M+4 m/z76020406080100RAm/zq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 MM+2M+4M+6MM+2M+4M+2MBrBr3Br210010010033.310050509833.3MM+2M+4M+6MM+2M+4M+2MCl

26、Cl3Cl210010010010.631.765.032.53.497.5q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 723720722721100214.666C60的质谱图元素组成的判断：用同位素丰度的分布可帮助判断峰的元素组成。方法：1、获取最高质量峰，分子离子峰。分子离子峰受氢迁移的影响最小。2、最大丰度 信号强有利于判断。3、A峰的选择

27、一个峰组中的A峰应是仅含最大丰度同位素(如12C、16O、35Cl)的最高质量峰。优先考虑A+2型元素存在的可能性，因A+2峰受A+1元素的影响较小，A+2元素同位素的自然丰度也较高，容易判断，尤其是氯和溴。然后再判断A+1元素，可根据其与A峰的强度比，大致判断A+1元素的种类和所含个数。4、确定元素组成的一致性 从分子离子峰M+得到元素组成信息，需要与较小的碎片离子的组成吻合。1)分子离子(molecular ion)2)准分子离子(quasimolecular ion)3)碎片离子(fragment ion)4)重排离子(rearrangement ion)5)母离子和子离子(parent

28、 ion and daughter ion)6)亚稳离子(metastable ion)7)奇电子离子(odd-electron ion)和偶电子离子(even-electron ion)8)多电荷离子(multiply-charged ion)9)同位素离子(isotopic ion)1.4 质谱学的专著、期刊和国内国际会议 专专 著：著：1.Interpretation of Mass Spectra,F.W.Maclafferty 2.Mass Spectrometry for Biotechnology,Gary Siuzdak 3.Mass Spectrometry in the B

29、iological Sciences,A.L.Burlingame 4.有机质谱基础，陈耀祖，科学出版社 5.质谱解析，F.W.McLafferty著，王光辉等译，化学工业出版社，期期 刊：刊：1.Rapid Communication in Mass Spectrometry IP(影响因子）2.4 2.Journal of American Society of Mass Spectrometry IP 3.0 3.Journal of Mass Spectrometry IP 2.8 4.Mass Spectrometry Review IP 6.8 5.European Journal

30、 of Mass Spectrometry IP 1.0 6.International Journal of Mass Spectrometry IP 2.1 7.质谱学报 国内核心刊物 国内会议：国内会议：1.中国质谱学会学术交流会（每两年一次）已到第八届，中国质谱学会主办 2.中国质谱学会各专业委员会学术交流会（每两年一次）中国质谱学会各专业委员会主办 3.各地方组织的质谱专业交流会 4.各质谱公司举办的用户会或专题交流会国际会议：国际会议：1.International Conference of Mass Spectrometry 每三年一次 主要在欧洲 2.Annual American Mass Spectrometry Conference 每年一次 主要在美国 3.Beijing Conference and Exhibition on Instrumental Analysis(BCEIA)每二年一次 中国科协主办，设有Mass Spectrometry Division，主要在北京