第三章 质 谱 法概 述质谱用途 一、研究有机物离子裂解机理； 1956年，麦式重排。 二、测定有机物分子量 三、 运用质谱推导有机分子结构。 例如1963年利用质谱配合红外光谱就 测定了生物碱白坚木瑞素的结构。Mass Spectrometers Protect Soldiers in Iraq Mass spectrometers act as sensitive chemical warfare detectors to protect troops in war on Iraq. 生 物 质 谱1. 蛋白质分子质量的测定；2. 氨基酸序列分析；3. 蛋白质的质量肽谱；4. 蛋白质突变体分析以及蛋白质翻译后修饰的测定；5. 配位体结合的研究；6. 酶的活性部位研究和蛋白质折叠和高级结构的研究；7. 核酸片段分子质量的测定；8. 寡核苷酸序列分析；9. 核酸修饰部位的鉴定；10. 多糖和寡糖的结构分析。APPLICATION质谱发展历史1897年，英国剑桥Cavendish实验室的Thomson研制，发现了氖 的同位素，分辨率10。 1919年，Aston,速度聚焦质谱仪，测出氖同位素的丰度比为10： 1，分辨率130。 1934年，双聚焦质谱仪，大大提高了分辨率。 二战期间，用于美国原子弹制造计划（研究235U）。 1943年，进入民用，石油分析。 50年代，出现新型质量分析器，四极滤质器（1953），脉冲飞行 时间分析器（1955），及新的离子化手段，火花离子源、二次离 子源，气质联用。 60年代以后，新的离子化方法：FI，FD，CI，激光离子化， ICP，FAB，ESI，复杂的质谱仪推出，离子探针，三级四极杆 ，四极杆飞行时间，磁场四极，磁场飞行时间，离子回旋共振等 ，液质联用。 1974年等离子体质谱，1981年快原子轰击质谱，1988年，电喷雾 电离质谱， 90年代以后，EPI-MS，MALDI-MS用于生物间非共价键作用研 究，联用技术发展迅速。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2002年诺贝尔化学奖 一半的奖金。2002年诺贝尔化学奖获得者一、质谱分析原理 二、仪器与结构 三、联用仪器第一节 基本原理与质谱仪进样系统离子源质量分析器检测器1.气体扩散 2.直接进样 3.气相色谱1.电子轰击 2.化学电离 3.场致电离 4.激光 1.单聚焦 2.双聚焦 3.飞行时间4.四极杆 质谱仪需要在高真空下工作：离子源（10-3 10 -5 Pa ）质量分析器（10 -6 Pa ） 1大量氧会烧坏离子源的灯丝； 2用作加速离子的几千伏高压会引起放电； 3引起额外的离子分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。一、质谱分析原理质谱仪电离室原理 与结构仪器原理图原理与结构在磁场存在下，带电离子按曲线轨迹飞行；离心力 =向心力；m 2 / R= H0 e V曲率半径： R= （m ）/ e H0 质谱方程式：m/e = (H02 R2) / 2V离子在磁场中的轨道半径R取决于： m/e 、 H0 、 V改变加速电压V, 可以使不同m/e 的离子进入检测器。质谱分辨率 = M / M （分辨率与选定分子质量有关）加速后离子的动能 : (1/2)m 2= e V = (2V)/(m/e)1/2质量分析器原理二、仪器与结构FTICRMS With ESI And MALDI仪器内部结构三、联用仪器联用仪器（ THE GC/MS PROCESS ）SampleSample58901.0 DEG/MI NHEWLETT PACKARDHEWLET T PACKAR D5972AMass Selective DetectorDC BAA B C DGas Chromatograph (GC)Mass Spectrometer (MS)SeparationIdentificationBACD1样品的离子化；2离子的分析检测（分离管）；3 信号记录、数据采集与处理。 质谱过程一质谱仪 进样系流、离子源、加速电场、离子分析 器、检测器。一）进样系统1：直接进样杆（DIP)：2：加热贮槽进样器：3：联用技术进样：GC-MS、LC-MS。进样系统 根据样品性质、状况，如挥发性、极性、纯度等进行选择， 才能取得良好结果。1、固体和大多数液体的纯有机化合物，先用易挥发的溶剂配成 溶液，置入特制的样品杯，由样品杆（探针杆）送入预真空 室，抽除溶剂后再送入离子源。进入离子源的样品，通常可 被样品杆上的特殊装置加热、汽化后再进入离子化室。2、对于气体及沸点不高的易于挥发的液体，一般将贮样器抽成 真空，并加热至150。样品用微量注射器注入，气化后压入 离子源中。 3、对于混合物组成的样品，一般可利用与质谱联机的气相色谱 或高压液相色谱仪分离成单组分，然后，各个组分逐个地通 过特殊的联机接口，进入离子源，进行各纯组分的质谱测定 。1电子轰击离子源（election impact，EI）使具有一定能量的电子直接作用于样 品分子，使其电离。（一般为70ev）二）离子源EIEI优点：结构简单，稳定，质谱图 再现性好，易于操作。电离效率高。EI缺点：分子离子峰太弱；并且有 些分子本身由于分子量太大或极性太强 ，无法顺利气化。所以要用软电离方法 。2化学电离离子源(chemical ionization，CI)CI适用于能够进入气相，但分子离子峰 很弱的化合物，例如长链胺、脂、醇等。 CI例:CH4生成的生成的CHCH5 5+ +、C C2 2HH5 5+ +活性离子再与样品活性离子再与样品 分子分子MM发生质子转移反应：发生质子转移反应： 上述生成的（上述生成的（MHMH）、（、（M-HM-H）也可写成（也可写成（MM1 1）和（和（MM一一1 1 ）。 因此，采用化学电离法生成的分子因此，采用化学电离法生成的分子 离子峰不是离子峰不是MM峰，而是峰，而是 (M+1)(M+1)峰峰 和和(M-1)(M-1)峰峰，且相对丰度很大，在，且相对丰度很大，在 确定分子量时要注意这一点。确定分子量时要注意这一点。化学电离法的优点化学电离法的优点即使对于不稳定的有机化合物，即使对于不稳定的有机化合物， 也可得到相对丰度较大的分子离子峰也可得到相对丰度较大的分子离子峰 ，有利于分子量的测定。，有利于分子量的测定。 化学电离法缺点化学电离法缺点碎片离子峰较少，可提供的有关碎片离子峰较少，可提供的有关 结构方面的信息少。现在多将化学电结构方面的信息少。现在多将化学电 离法和电子轰击法配合使用，这样可离法和电子轰击法配合使用，这样可 互相取长补短。互相取长补短。除除CHCH4 4外，化学电离法常用的反外，化学电离法常用的反 应气体还有应气体还有HH2 2,N,N2 2,C,C3 3HH8 8等。等。CI和EI比较 CI和EI不同，样品分子不是与电子碰 撞，而是与试剂离子碰撞而离子化的 ，如果用烷烃作试剂气，CI通常产生 质子化的样品分子。质子化的部位通 常是具较大的质子亲和力的杂原子。 质子化的分子也可能裂解，丢失包括 杂原子的碎片。由于C-C键断裂的可 能性在CI中较少，CI中碎片离子较少 。CI和EI是相互补充的。3场致电离(field ionization,FI)和场解吸 (field desorption,FD)场致电离场致电离中，金属阳极和阴极之间的距离很中，金属阳极和阴极之间的距离很 近，通常小于近，通常小于lmmlmm。在这两极之间施加几千伏甚至。在这两极之间施加几千伏甚至 上万伏稳定直流电压，于是在阳极的尖端（其曲率上万伏稳定直流电压，于是在阳极的尖端（其曲率 半径约为半径约为2.5mm)2.5mm)附近可产生强度约为附近可产生强度约为107V/cm107V/cm的的强强 电场电场，该强电场可以把尖端附近不到，该强电场可以把尖端附近不到lmmlmm处的样品处的样品 分子中的分子中的电子拉走电子拉走，形成，形成分子离子分子离子。然后和其它离。然后和其它离 解方法一样，把正离子引出加速，并聚焦成离子束解方法一样，把正离子引出加速，并聚焦成离子束 。FI,FD场解吸电离法场解吸电离法的原理类似于场致电离法，但在的原理类似于场致电离法，但在 样品引入方式上有所不同。将用作场离子发样品引入方式上有所不同。将用作场离子发 射体的细丝（一般是经过活化的钨丝）放在射体的细丝（一般是经过活化的钨丝）放在 样品溶液中浸一下，少量样品就沾在上面。样品溶液中浸一下，少量样品就沾在上面。 待溶剂挥发后样品分子就吸附在发射体上，待溶剂挥发后样品分子就吸附在发射体上， 在细丝上在细丝上通以电流使样品解吸通以电流使样品解吸，并扩散到高，并扩散到高 场强的场发射区域进行电离。与固体的气化场强的场发射区域进行电离。与固体的气化 能相比，解吸能要小得多。所以场解吸电离能相比，解吸能要小得多。所以场解吸电离 法是一种温和的电离方法。它产生的分子离法是一种温和的电离方法。它产生的分子离 子峰的相对丰度比场致电离法产生的还要大子峰的相对丰度比场致电离法产生的还要大 。下图是氯霉素分别通过下图是氯霉素分别通过电子轰击法电子轰击法、场致电离场致电离 法法和和场解吸电离法场解吸电离法得到的质谱。采用电子轰得到的质谱。采用电子轰 击法，氯霉素得不到分子离子峰，它极易裂击法，氯霉素得不到分子离子峰，它极易裂 解为解为m/z=170,152m/z=170,152的碎片离子。采用场致电的碎片离子。采用场致电 离法可得到相对丰度约为离法可得到相对丰度约为6 6的分子离子峰的分子离子峰 ,m/z=322,m/z=322，采用场解吸电离法测得的分子离采用场解吸电离法测得的分子离 子峰，其相对丰度约为子峰，其相对丰度约为2626。FD优点：特别适合于对难气化和热稳定性 差的样品作定性鉴定和结构测定。如 肽类化合物、糖、有机酸的盐、有机 金属化合物等。FD缺点：峰比较少；测定技术难度较大， 重现性不太理想。4快原子轰击（fast atom bombardment,FAB）FAB的具体做法是将试样分散于一种底 物中，将试样溶液涂布在一个金属靶上，用 数千ev的惰性气体粒子对准靶心攻击。这时 ，原来的离子，都被“溅射”而进入气相，并 被导入偏转区而被测量。FABFAB适用于挥发性极低、强极性或 离子型的化合物；或对热敏感、 分子量较大的极性有机分子。但 是FAB质谱通常没有分子离子峰 ，分子量信息来源于加成离子（ MH+等）。加成离子常脱水生成 强峰，所以确定未知物的分子量 并非是轻而易举的。 5基质辅助激光解吸质谱（matrix- assisted laser desorption-ionization,MALDI ）MAL