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质谱分析法质谱分析法11)根据质谱峰的质荷比测定化合物的分子量。根据质谱峰的质荷比测定化合物的分子量。2)依据质荷比及不同质荷比峰的相对强弱推测依据质荷比及不同质荷比峰的相对强弱推测分子结构分子结构3)根据特征峰强度进行定量分析根据特征峰强度进行定量分析 7-1 概述概述2将样品转化为将样品转化为运动运动的的气态离子气态离子并按并按荷质荷质 比比（m/z）大小进行大小进行分离分离记录的方法。记录的方法。历史历史特点特点应用应用37-2 质谱仪质谱仪一一 质谱仪的结构及工作原理质谱仪的结构及工作原理4(一一)进样系统进样系统作用：作用：在不降低真空度的条件下，将样品在不降低真空度的条件下，将样品分子引入到离子源中分子引入到离子源中（高真空下操作）（高真空下操作）间歇式进样系统间歇式进样系统 直接探针进样直接探针进样 色谱进样系统色谱进样系统间歇式进样系统间歇式进样系统5(二二)离子源离子源作用：作用：使气态样品分子电离，转化为带使气态样品分子电离，转化为带有样品信息的离子有样品信息的离子1 电子轰击源电子轰击源(EI)灯丝灯丝电子束电子束6EI源：可变的离子化能量源：可变的离子化能量(1070 eV)电子能量电子能量 电子能量电子能量 分子离子增加分子离子增加碎片离子增加碎片离子增加标准质谱图基本都是采用标准质谱图基本都是采用EI源源(70eV)获得的获得的72 化学电离源化学电离源(CI)甲烷电离甲烷电离甲烷离子与分子反应生成加合离子甲烷离子与分子反应生成加合离子气体分子气体分子试样分子试样分子准分子离子准分子离子电子电子8加合离子与样品分子反应加合离子与样品分子反应准分子离子准分子离子:(M 1)+(M+1)+(M-1)+气体分子气体分子试样分子试样分子准分子离子准分子离子电子电子(M+17)+,(M+29)+采用采用CI源源,易测得分子量易测得分子量9M=390COOC8H17COOC8H1710场电离源（FI）电极要求：电极要求：电极尖锐，使用微碳针（电极尖锐，使用微碳针（W丝上的苯基腈裂解丝上的苯基腈裂解生成，生成，1 m）构成多尖陈列电极可提高电离效率。）构成多尖陈列电极可提高电离效率。特点：特点：电离温和，碎片少，主要产生分子离子电离温和，碎片少，主要产生分子离子M+和和(M+1)+峰峰阳极阳极阴极阴极阴极阴极样品样品气流气流量子隧道效应量子隧道效应107 108 V/cm的强电场的强电场0.2-2 mm聚焦单元聚焦单元入射狭缝入射狭缝分子中电子被分子中电子被为微电极为微电极“萃出萃出”，同时分子离，同时分子离子被排斥进入子被排斥进入质量分析器质量分析器11场解析源（FD）类似于场电离源，它也有一个表面长满类似于场电离源，它也有一个表面长满“胡须胡须”（长（长0.01mm）的阳极发射器。的阳极发射器。过程：过程：样品溶液涂于发射器表面样品溶液涂于发射器表面蒸发除溶剂蒸发除溶剂强电强电场场分子电离分子电离奔向阴极奔向阴极引入磁场。引入磁场。特点：特点：解吸需要的能量远低于气化所需要的能量，因解吸需要的能量远低于气化所需要的能量，因此试样不需气化可以直接得到分子离子，特别适于非此试样不需气化可以直接得到分子离子，特别适于非挥发性且分子量高达挥发性且分子量高达100000的分子。样品只产生分子的分子。样品只产生分子离子峰和准分子离子峰，谱图最为简单离子峰和准分子离子峰，谱图最为简单12快原子轰击源（FAB）金属金属探针探针样品涂层样品涂层原子枪原子枪样品离子束样品离子束分析器分析器聚焦狭缝聚焦狭缝电离过程中不必加热气化，电离过程中不必加热气化，适合分析大分子量、难气化、适合分析大分子量、难气化、热稳定性差的样品。如肽类、热稳定性差的样品。如肽类、低聚糖、天然抗生素、有机低聚糖、天然抗生素、有机金属络合物等。金属络合物等。FAB源得到源得到的质谱不仅有较强的准分子的质谱不仅有较强的准分子离子峰，而且有较丰富的结离子峰，而且有较丰富的结构信息。构信息。13激光解吸源（LD）利用一定波长的利用一定波长的脉冲式激光脉冲式激光照射样品使样品电离。被照射样品使样品电离。被分析的样品置于涂有基质（分析的样品置于涂有基质（2,5二羟基苯甲酸、芥子二羟基苯甲酸、芥子酸、烟酸、酸、烟酸、-氰基氰基-4-羟基肉桂酸等）的样品靶上，激羟基肉桂酸等）的样品靶上，激光照射到样品靶上，基质分子吸收激光能量，与样品光照射到样品靶上，基质分子吸收激光能量，与样品分子一起蒸发到气相并使样品分子电离。分子一起蒸发到气相并使样品分子电离。合适的基质才获得到较好的离子产率，因此也常称为合适的基质才获得到较好的离子产率，因此也常称为基质辅助激光解吸电离基质辅助激光解吸电离（MALDI）。）。特别适合于飞行特别适合于飞行时间质谱仪（时间质谱仪（TOF），），属于软电离技术，比较适合分属于软电离技术，比较适合分析生物大分子，如肽、蛋白质、核酸等。得到的质谱析生物大分子，如肽、蛋白质、核酸等。得到的质谱主要是分子离子，准分子离子、碎片离子和多电荷离主要是分子离子，准分子离子、碎片离子和多电荷离子较少。子较少。14无机样品离子源火花火花ICP特点：特点：元素分析灵敏度高，可分析复杂样品元素分析灵敏度高，可分析复杂样品（60种元素）、谱图简单、线性范围宽，广泛种元素）、谱图简单、线性范围宽，广泛应用于水分析，血液中微量元素分析，食品分应用于水分析，血液中微量元素分析，食品分析及同位素比测定等。析及同位素比测定等。153 电喷雾电离源电喷雾电离源(ESI)多电荷离子多电荷离子测定的样品分子量大测定的样品分子量大16(三三)质量分析器质量分析器1 单聚焦单聚焦方向聚焦方向聚焦172 双聚焦双聚焦离子源离子源收集器收集器磁场磁场电场电场S1S2+-方向聚焦：方向聚焦：相同质荷比，入相同质荷比，入射方向不同的离子会射方向不同的离子会聚。聚。能量聚焦：能量聚焦：相同质荷比，速相同质荷比，速度度(能量能量)不同的离子不同的离子会聚。会聚。质量相同，能量不同的离子通过电场和磁场时，均产生质量相同，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。能量色散；两种作用大小相等，方向相反时互补实现双聚焦。18飞行时间分析器TOE（2）质量范围宽，扫描速度快，无需电场和需磁场。但是质量范围宽，扫描速度快，无需电场和需磁场。但是离子进入漂移管前产生时间的先后，产生空间的前后离子进入漂移管前产生时间的先后，产生空间的前后和初始动能的大小不同，达到检测器的时间就不相同，和初始动能的大小不同，达到检测器的时间就不相同，因而降低了分辨率。目前，通过采取激光脉冲电离方因而降低了分辨率。目前，通过采取激光脉冲电离方式，离子延迟引出技术和离子反射技术，可使分辨率式，离子延迟引出技术和离子反射技术，可使分辨率可达可达20000以上，最高可检质量超过以上，最高可检质量超过300000 Da，并且并且具有很高的灵敏度。广泛应用于气相色谱具有很高的灵敏度。广泛应用于气相色谱-质谱联用仪质谱联用仪，液相色谱，液相色谱-质谱联用仪和基质辅助激光解吸飞行时间质谱联用仪和基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪中。质谱仪中。193 四级杆分析器四级杆分析器20离子阱检测器（ITA）离子源离子源环形电极环形电极端罩电极端罩电极放大器和射频放大器和射频发生器（基本发生器（基本射频电压）射频电压）放大器和射频放大器和射频发生器（附加发生器（附加射频电压）射频电压）计算机计算机电子倍增管电子倍增管上下端罩（上下端罩（End cap）与左右环电极（与左右环电极（Ring electrode）构成可变电）构成可变电场（前者接地，后者施场（前者接地，后者施以射频电压）以射频电压）电离子电离子在一定轨道上旋转在一定轨道上旋转改改变电压变电压可使相同可使相同m/z离子依次离开进入电子离子依次离开进入电子倍增管而分离。倍增管而分离。特点：特点：结构简单、易于操作、结构简单、易于操作、GC-MS联用，可用于联用，可用于m/z 200-2000的分子分析。的分子分析。21傅立叶离子回旋共振分析器（FTICR）分辨率极高（分辨率极高（106），），并且不影响灵敏度，并且不影响灵敏度，高精密度，有多级高精密度，有多级质谱功能，适于任质谱功能，适于任何离子源。何离子源。相电流相电流记录记录FI质谱图质谱图线性调频脉冲线性调频脉冲共振（吸收能量）共振（吸收能量）22样品样品真空泵真空泵底片底片灯丝灯丝正极正极(四四)检测器检测器23(四四)检测器检测器电子倍增器示意图电子倍增器示意图24(五五)真空系统真空系统作用：作用：1)避免避免大量氧烧坏离子源的灯丝；大量氧烧坏离子源的灯丝；2)消减离子的不必要碰撞，避免离子损失；消减离子的不必要碰撞，避免离子损失；3)避免避免离子分子反应改变裂解模式，使质谱离子分子反应改变裂解模式，使质谱复杂化；复杂化；4)减小本底。减小本底。离子源离子源质量分析器质量分析器真空度要求：真空度要求：10-4 Pa机械泵机械泵扩散泵扩散泵真空泵真空泵 25二二 质谱仪的主要性能指标质谱仪的主要性能指标1 质量范围质量范围质谱仪所能测定的离子质荷比范围质谱仪所能测定的离子质荷比范围 单电荷离子：质量范围即分子量范围单电荷离子：质量范围即分子量范围 多电荷离子：分子量测定范围比质量范围大。多电荷离子：分子量测定范围比质量范围大。262 分辨率分辨率定义：定义：27实际测量：实际测量：287-3 质谱解析基础知识质谱解析基础知识1 分子离子分子离子 分子离子的质量与化合物的分子量相等分子离子的质量与化合物的分子量相等一一 几种主要的离子几种主要的离子(EI源源)分子离子分子离子29同位素离子：同位素离子：2 同位素离子同位素离子由重同位素组成的分子形成的离子由重同位素组成的分子形成的离子例如：例如：CH413C+1H4=17 4=17 M+112C+2H+1H3=17 M+113C+2H+1H3=18 M+212C+1H4=164=16 M30C、H、O、N的的稳定同位素相对丰度稳定同位素相对丰度31化合物分子式：化合物分子式：CwHxNyOz同位素离子峰与分子离子峰相对强度同位素离子峰与分子离子峰相对强度的计算公式：的计算公式：32 根据质谱图上根据质谱图上同位素离子峰与分子离子峰的相对强度，可同位素离子峰与分子离子峰的相对强度，可以推测化合物的分子式以推测化合物的分子式(Beynon表：表中列有相对分子质量表：表中列有相对分子质量500500。CH4:333 碎片离子碎片离子1)断裂断裂 含饱和杂原子含饱和杂原子带有电荷的官能团与相连的带有电荷的官能团与相连的碳原子之间的断裂碳原子之间的断裂3435 含不饱和杂原子含不饱和杂原子36 烯烃烯烃(烯丙断裂烯丙断裂)烷基苯烷基苯(苄基断裂苄基断裂)2)断裂断裂碳原子和碳原子和碳原子之间的键的断裂碳原子之间的键的断裂373)断裂断裂较易发生较易发生384 重排离子重排离子麦氏重排麦氏重排395 亚稳离子亚稳离子离子源离子源亚稳离子亚稳离子m1m2m*m/e40二二 常见有机化合物的质谱常见有机化合物的质谱（一）烃类（一）烃类 正构烷烃：每隔正构烷烃：每隔14个质量单位出峰个质量单位出峰正癸烷质谱图正癸烷质谱图CnH2n+1离子系列离子系列41 支链烷烃：支链取代位置裂解支链烷烃：支链取代位置裂解3-乙基己烷质谱图乙基己烷质谱图2943857142 芳烃芳烃基峰基峰43扩环扩环麦氏重排麦氏重排44（二）醇和酚（二）醇和酚 醇醇(M-18)+(M-1)+4546 酚酚47麦氏重排麦氏重排（三）醛和酮（三）醛和酮48（四）酯和酸（四）酯和酸麦氏重排麦氏重排491.1.直链烷烃直链烷烃饱合烃的质谱图50正癸烷正癸烷v分子离子：分子离子：C1(100%)，C10(6%)，C16(小小)，C45(0)v有有M/e：29，43，57，71，CnH2n+1 系列峰系列峰(断裂断裂)v有有M/e：27，41，55，69，CnH2n-1 系列峰系列峰 C2H5+（M/e=29）C2H3+（M/e=27）+H2v有有M/e：28，42，56，70，CnH2n系列峰系列峰(四圆环重排四圆环重排)512.2.支链烷烃支链烷烃523.3.环烷烃环烷烃535455二、芳烃的质谱图5657三、醇和酚的质谱图5859606162四、醚的质谱图63五、醛、酮的质谱图646566六、其他化合物的质谱图6768697071三三 EI质谱的解释质谱的解释1 分子量的确定分子量的确定 分子离子峰一般是质谱图中质荷比最大的峰分子离子峰一般是质谱图中质荷比最大的峰 分子离子峰应具有合理的质量丢失分子离子峰应具有合理的质量丢失不可能出现不可能出现(M-414)+及及(M-2025)+离子峰离子峰 质量数应符合氮规则质量数应符合氮规则氮原子个数氮原子个数 奇数：分子量为奇数奇数：分子量为奇数偶数：分子量为偶数偶数：分子量为偶数72N规律对于同位素纯净的稳态分子，含有奇数对于同位素纯净的稳态分子，含有奇数N原子的，分原子的，分子量的整数部分一定是奇数；不含或者含有偶数子量的整数部分一定是奇数；不含或者含有偶数N原原子的，分子量的整数部分一定是偶数。符合子的，分子量的整数部分一定是偶数。符合N律的一律的一定是定是奇电子离子奇电子离子（分子离子必须是奇电子离子），而（分子离子必须是奇电子离子），而违背违背N律律 的一定是的一定是偶电子离子偶电子离子（不可能是分子离子）（不可能是分子离子）奇电子离子：奇电子离子：偶电子离子：偶电子离子：732 分子式的确定分子式的确定 高分辨质谱法高分辨质谱法 同位素丰度法同位素丰度法743 分子结构的确定分子结构的确定1)谱图解释的一般方法谱图解释的一般方法由质谱的高质量端确定分子离子峰，求出分子量。由质谱的高质量端确定分子离子峰，求出分子量。采用高分辨质谱法或同位素丰度法，求出分子采用高分辨质谱法或同位素丰度法，求出分子式。式。计算不饱和度计算不饱和度75研究高质量端离子峰研究高质量端离子峰,确定化合物中的取代基确定化合物中的取代基M15(CH3);M16(O,NH2);M17(OH,NH3);M18(H2O);M19(F);M26(C2H2);M27(HCN,C2H3);M28(CO,C2H4);M29(CHO,C2H5);M30(NO);M31(CH2OH,OCH3);M32(S,CH3OH)M35(Cl);M42(CH2CO,CH2N2)M43(CH3CO,C3H7);M44(CO2,CS2)76研究低质量端离子峰，寻找化合物的特征离研究低质量端离子峰，寻找化合物的特征离子或特征离子系列，推测化合物类型。子或特征离子系列，推测化合物类型。由以上研究结果，提出化合物的结构单元或由以上研究结果，提出化合物的结构单元或可能的结构。可能的结构。验证所得结果。验证所得结果。质谱断裂规律；标准质谱图质谱断裂规律；标准质谱图 77例例1：推测化合物推测化合物C8H8O2的结构。的结构。2)谱图分析举例谱图分析举例781.计算不饱和度计算不饱和度 =1+8+1/2(-8)=5 分子中可能有苯环、一个双键分子中可能有苯环、一个双键2.质谱中无质谱中无m/z为为91的峰，说明不的峰，说明不是烷基取代苯是烷基取代苯;C2H3O279可能的结构：可能的结构：(A)(B)(C)(D)80(A)3.质谱验证质谱验证(B)10510581(C)得不到得不到m/z为为105的碎的碎片离子，可排除。片离子，可排除。(D)82或或(A)(B)4.结论结论C8H8O2的结构是的结构是837-4 有机波谱综合解释有机波谱综合解释1.质谱质谱(MS)：确定分子量、分子式：确定分子量、分子式4.红外光谱红外光谱(IR)：官能团类型：官能团类型5.核磁共振氢谱核磁共振氢谱(1H-NMR)：质子类型：质子类型(具有哪些种类具有哪些种类的含氢官能团的含氢官能团)；氢分布；氢分布(各种官能团中含氢的数目各种官能团中含氢的数目)；氢核间的关系氢核间的关系？3.紫外光谱紫外光谱(UV)：是否具有共轭基团，是芳香族还：是否具有共轭基团，是芳香族还是脂肪族化合物。是脂肪族化合物。6.质谱质谱(MS)：验证所推测的未知物结构的正确性：验证所推测的未知物结构的正确性2.计算不饱和度，推测化合物的大致类型计算不饱和度，推测化合物的大致类型84例例2:某未知化合物的四谱数据如下，试推测某未知化合物的四谱数据如下，试推测其结构式。其结构式。紫外光谱紫外光谱85红外光谱红外光谱核磁共振核磁共振86质谱质谱M+87Beynon表表88解：解：1)质谱质谱M=150查查Beynon表，可知分子式为：表，可知分子式为：C9H10O2892)计算不饱和度计算不饱和度 =1+9+1/2(-10)=5 分子中可能有苯环、一个双键分子中可能有苯环、一个双键3)UV谱谱 指示有苯环指示有苯环904)IR谱谱 1745 cm-1 强：强：1225 cm-1 强：强：3100-3000 cm-1 弱弱 1600-1450 cm-1 两个弱带两个弱带749 cm-1 强强697 cm-1 强强单取代苯单取代苯915)1H-NMR谱谱 三类氢核，均为单峰，说明无自旋偶合作用三类氢核，均为单峰，说明无自旋偶合作用926)可能的结构可能的结构 C9H10O293(A)(B)(C)(D)947)验证验证(C)甲基与亚甲基化学位移与图甲基与亚甲基化学位移与图谱不符，排除。谱不符，排除。(D)甲基化学位移与图谱不符，甲基化学位移与图谱不符，且共轭体系应使且共轭体系应使C=O伸缩振伸缩振动峰向低波数方向移动，动峰向低波数方向移动，排排除。除。95(B)质谱得不到质谱得不到m/z为为91的离子，排除的离子，排除96(A)9143m/z108:重排峰重排峰，分子离子失去乙酰基，伴分子离子失去乙酰基，伴随重排一个氢原子生成的。随重排一个氢原子生成的。m/z91:苯环发生苯环发生断裂，形成离子产生的。断裂，形成离子产生的。m/z43:酯羰基酯羰基断裂，形成的断裂，形成的 离子离子产生的。产生的。971 含芳环和稠环化合物的含芳环和稠环化合物的NIST谱库检索结果谱库检索结果可靠可靠2 小分子烃类化合物的小分子烃类化合物的NIST谱库检索结果谱库检索结果 一定程度可靠一定程度可靠3 中等分子量烃类化合物的中等分子量烃类化合物的NIST谱库检索结果谱库检索结果 一定的参考价值一定的参考价值 4 大分子量烃类化合物的大分子量烃类化合物的NIST谱库检索结果谱库检索结果 参照过程中更需要特别小心参照过程中更需要特别小心 NIST库 98色谱-质谱联用技术（1）GC-MS GC在常压下工作，在常压下工作，MS需要高真空。因此需要高真空。因此GC色谱仪使用填充柱，色谱仪使用填充柱，必须经过一种接口装置一分子分离器，将色谱载气去除，使样品必须经过一种接口装置一分子分离器，将色谱载气去除，使样品气进入质谱仪；若气进入质谱仪；若GC使用毛细管柱，由于毛细管载气流量比填充使用毛细管柱，由于毛细管载气流量比填充柱小得多，不会破坏质谱仪真空，则可以将毛细管直接插入质谱柱小得多，不会破坏质谱仪真空，则可以将毛细管直接插入质谱仪离子源。仪离子源。色谱具有分离复杂混合物的能力，定量易定性难；而色谱具有分离复杂混合物的能力，定量易定性难；而MS多用于纯物质定性分析。二者有机结合，可提供复杂混多用于纯物质定性分析。二者有机结合，可提供复杂混合物定性定量极为有效的工具。合物定性定量极为有效的工具。99分子分离器载气载气+样品样品分子分离器（分子分离器（He被抽走，样品借惯性前进；真空度大大下降）被抽走，样品借惯性前进；真空度大大下降）MS离子室离子室100GC-MS示意图GC-MS的离子源主要是的离子源主要是EI源和源和CI源，质量分析器多为四极杆及离子源，质量分析器多为四极杆及离子阱。阱。101GC-MS分析方法分析条件选择分析条件选择GCMS（电离电压，电子电流，扫描速度，质量范围）电离电压，电子电流，扫描速度，质量范围）数据记录数据记录全扫描全扫描选择离子扫描（选择离子扫描（SIM）102总离子色谱图（TIC）103质量色谱图104色谱-质谱联用技术（2）LC-MSLC分离需用大量溶剂，如何去除溶剂并使样品离子化是分离需用大量溶剂，如何去除溶剂并使样品离子化是LC-MS联用的关键。早期使用过的传送带接口，热喷雾接口，粒联用的关键。早期使用过的传送带接口，热喷雾接口，粒子束接口等十余接口装置均存在一定的缺点，未得到广泛应用。子束接口等十余接口装置均存在一定的缺点，未得到广泛应用。目前几乎所有的目前几乎所有的LC-MS联用仪都使用大气压电离源（联用仪都使用大气压电离源（API）作作为接口装置和离子源。为接口装置和离子源。API包括电喷雾电离源（包括电喷雾电离源（ESI）和大气和大气压化学电离源（压化学电离源（APCI）两种。两种。105电喷雾电离源（ESI）软电离源；对分子量大，稳定性差的化合物，也不会在电离过程中发生软电离源；对分子量大，稳定性差的化合物，也不会在电离过程中发生分解，适合于分析极性强的大分子有机化合物（蛋白质、肽、糖等）。分解，适合于分析极性强的大分子有机化合物（蛋白质、肽、糖等）。最大特点是容易形成多电荷离子，可降低质荷比，从而进入了一般质谱最大特点是容易形成多电荷离子，可降低质荷比，从而进入了一般质谱仪可以分析的范围之内。目前采用电喷雾电离，可以测量分子量在仪可以分析的范围之内。目前采用电喷雾电离，可以测量分子量在300000Da以上的蛋白质。以上的蛋白质。106串联质谱法（MS-MS）母离子进一步裂解分析母离子进一步裂解分析子离子检测子离子检测-母离子来源分析母离子来源分析107
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