《MS1原理和仪器》PPT课件.ppt

第四章 质谱 mass spectrometry， MS 基本原理与质谱仪 离子峰的主要类型 有机分子裂解类型 质谱图与结构解析 第一节 基本原理与质谱仪 basic principle and Mass spectrometer 概述 质谱仪与质谱分析 质谱是分子质量精确测定和分子式的确定及化 合物结构分析的重要工具；第一台质谱仪： 1912 年； 早期应用：原子质量、同位素相对丰度等 质谱是化合物电离后按照离子质量与所带电荷 数之比被仪器分离并以质荷比与其相对强度记录 下来的谱图 质谱不属波谱范围，质谱图与电磁波的波长和 分子内某种物理量的改变无关 一、质谱学基本知识 一、质谱学基本知识 在高真空系统中使样品 分子电离 ，测定样 品的 分子离子 及 碎片离子 的质量，所有的 离子在电场和磁场的综合作用下按质荷比 （ m/z） 大小依次排列而得到谱图。 对象：同位素、无机物、有机化合物、生 物大分子及聚合物。 作用：确定样品 分子量 、 分子式 的确定及 推断 分子结构 。 分子量及分子式的确定 分子量 -分子离子峰 分子式 -高分辨质谱仪测定 12C=12.000000 为基准 1H=1.007823 16O=15.994914 J. H. Beynon将 C、 H、 N、 O各种组合构成的 分子式的精确质量数列成表：质谱用质量与 丰度表 例 用高 分辨质谱仪测得分子量为 150.1045， 仪器的误差是 0.006，查表有 C3H12N5O2 150.099093 C5H14N2O3 150.100435 C8H12N3 150.103117 C10H14O 150.104459 1. 从质谱裂解产生的 碎片离子 可以推测分 子中所含的官能团或各类化合物的特征 结构片断 2. 从丢失的 中性碎片 也可以推断分子中含 有某种官能团 3. 根据 亚稳离子 推断母离子与子离子 m*=m22/m1 推断分子结构 质谱图由横坐标、纵坐标和棒线组成。 横坐标标明离子质荷比（ m/z） 的数值， 纵坐标标明各峰 的相对丰度，棒线代表质荷比的离子。图谱中最强的一 个峰称为基峰，将它的强度定为 100。 丁 酮 的 质 谱 图 质谱图的组成 二、 质谱仪与质谱分析 mass spectrometer and mass spectrometry 计算机数据 处理系统 真空系统 加速区 进样系统 离子源 质量分析器 检测器 电离部分 离子分离 检测部分 5.1.2 离子化的方法 1. 电子轰击（ EI） 2. 化学电离（ CI） 3. 场致离（ FI）和场解吸 （ FD ） 4. 快原子轰击（ FAB） 5. 电喷雾电离（ ESI） 电子轰击源 electron ionization ,EI + + + + : R1 : R2 : R3 : R4 : e + M+ (M-R2)+ (M-R3)+ Mass Spectrum (M-R1)+ EI 源的特点： 适用于挥发性、热稳定的化合物，气体和金属蒸气 电离效率高 ,灵敏度高 应用最广，标准质谱图基本都是采用 EI源得到的 结构简单，控温方便 EI源： 可变的离子化能量 (10240eV) 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（ 常用 70eV ）。 电子能量 电子能量 分子离子增加 碎片离子增加 中性原子轰击样品，如 Ar Ar+ 高能 Ar+ 高能 中性原子流 试样分子 适用于极性大，相对分子量大，难挥发和 热稳 定性差 的样品 缺点： 400以下有基质干扰峰，对非极性化合物 不灵敏 FAB电离源 -1981年英国的 M. Barber等人发明 FAB 离子室内的反应气（甲烷等； 10100Pa，样品的 103105倍），电子（ 100240eV）轰击，产生离子，再与 试样分子碰撞，产生准分子离子。 化学电离源 （ Chemical Ionization， CI） : 最强峰为准分子离子； 谱图简单； 不适用难挥发试样； + + 气体分子 试样分子 + 准分子离子 电子 (M+1)+;(M+17) +;(M+29) +; EI 和 CI 谱图例子 EI CI MALDI可使热敏感或不挥发的化合物由固相直 接得到离子。 待测物溶液与基质溶液混合后蒸发，使分析物与 基质共生成为晶体或半晶体，用一定波长的脉冲式 激光进行照射时，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适用于大分子，如多 肽类、核酸类生物大分子 和合成高分子。可得到单 电荷分子离子峰，无明显 碎片峰。此电离方式特别 适合于飞行时间质谱计。 基质辅助激光解吸附电离 (MALDI) 脉冲式激光 日本科学家 Koichi Tanaka （ 2002年诺贝尔化学奖 -质谱部分） 首先利用 MALDI技术 （ 波长 337nm的氮激光作 为激光光源 ） ， 测得由鸡蛋蛋白中得到的溶菌酶 （ lysozyme） 的分子量为 14306 Da。 并且 2M至 7M 的信息在图谱中也观测到 ， 测定的质量数达 100872 Da 。 （ 1987年第二界中日质谱研讨会上 最早公布 ， 当时他 27岁 ， 只是工程师 ） Tanaka K, Waki H, Ido Y, et al. Rapid Commun Mass Spectrom., 1988, 2: 151-153 电喷雾电离（ ESI） ESI 是一种使用 强静电场 的电离技术，通 过毛细管流出的样品溶液，在电场的作用下形 成带高度电荷的雾状小液滴，溶剂的挥发和液 滴的裂分最后致使分析物以单电荷或多电荷离 子的形式进入气相。 ESI是最软的电离技术，通常只产生分子 离子峰，因此可直接测定混合物，并可测定热 不稳定的极性化合物；其易形成多电荷离子的 特性可分析蛋白质和 DNA等生物大分子；通过 调节离子源电压控制离子的碎裂（源内 CID） 测定化合物结构。 美国耶鲁大学 John B. Fenn教授 （ 2002年诺贝尔化学奖 -质谱部分） 最早将电喷雾与质谱成功联接（ 1984年） , 他不仅发明了 ESI并用于生物大分子分析 ,而且 揭示了多电荷的存在并从理论上加以阐述。 1988年在旧金山召开的美国质谱年会上 ， 展示了第一批蛋白质分子的质谱图，使所有到 会的人震惊。 m/z 1-2000 ，测定的分子量却达 47342 2. 质量分析器 将离子源中形成的离子按 m/z值的大小分开。 可分扇形磁场分析器，四极分析器，离子阱，飞行 时间质谱仪，傅立叶变换离子回旋共振分析器等。 单聚焦磁场分析器 收集器 离子源 B S1 S2 磁场 R 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 双聚焦分析器 离子源 收集器 磁场 S1 S2 + - 方向聚焦： 能量聚焦： 相同质荷比，速度 (能量 )不同的离子会聚； 质量相同，能量不同的离子通过电场和磁场时， 均产生能量色散；两种作用大小相等，方向相反时互 补实现双聚焦。 其他类型质量分析器 双聚焦质谱仪体积大； 色谱 -质谱联用仪器的发展及仪器小型化（台式）需要； 体积小的质量分析器： 四极杆质量分析器 飞行时间质量分析器 离子阱质量分析器 体积小，操作简单 分辨率中等 四极杆质量分析器 （ Quadrupole Mass Filter） + Electron Beam A B C Sample in Ion Beam 根据 不同质荷比的离子 在四极场产生稳定震荡 所需射频电压不同 色谱 -四极杆质谱仪结构示意图 飞行时间质量分析器 相同动能不同质荷比的离子漂移时间不同 3. 检测器 （ 1）电子倍增管 15 18级；可测出 10-17A微弱电流； （ 2）渠道式电子倍增器阵列