核磁,質(zhì)譜儀器分析-質(zhì)譜課件

MassSpectrometry1InterpretationOfMassSpectra,4Ed,FredW.McLaffert,FrantisekTurecek.E.DHoffmam,J.Charette,V.Stroobant,MassSpectrometry,Prenciples

andApplications,JohnWiley&Sons,1996.F.W.McLafferty:InterpretationofMassSpectra,3rdedMillValley:Calif.Univ.Sci.Books.1980練振瓊:有機質(zhì)譜解析四川大學(xué)出版社1990叢浦珠:質(zhì)譜學(xué)在天然有機化學(xué)中的應(yīng)用科學(xué)出版社1987主要參考書：21898

W.Wien

發(fā)現(xiàn)帶正電荷的離子束在磁場中發(fā)生偏轉(zhuǎn)。1910

J.J.Thompson

使用簡單的電場-磁場組合裝置,獲得了拋物線族的質(zhì)譜,證明了20Ne,22Ne兩種同位素的存在。1918

A.J.Dempster

采用電子轟擊技術(shù)使分子離子化。1919

F.W.Aston

制得了第一臺速度聚焦質(zhì)譜儀。提出每種同位素的質(zhì)子和中子在結(jié)合成原子核時,具有特定的質(zhì)量虧損(并非整數(shù)值)。1942

商品MS出現(xiàn),用于石油精煉和橡膠工業(yè)。質(zhì)譜發(fā)展史3質(zhì)譜分析原理質(zhì)譜儀器構(gòu)造質(zhì)譜定性分析及圖譜解析質(zhì)譜定量分析要求理解質(zhì)譜法原理及質(zhì)譜儀主要部件功能；了解質(zhì)譜定性分析及圖譜解析、定量分析方法。5質(zhì)譜分析的基本原理：使所研究的混合物或單體形成離子，，然后使形成的離子按質(zhì)荷比(mass-chargeratio)m／z進行分離。

6MassSpectrometryFundamentals

WhatandHow-Measuremass(m)tocharge(z)ratio(m/z)ofionsamassof200Dawith2chargesgivesthesamem/zratioasamassof100Dawith1chargeandcannotbedistinguished.-Formationofionsinthegasphase(manyways)positiveion:byaddingaproton:(M+H)+orbyremovinganelectron:(M)+negativeion:byremovingaproton:(M-H)-orbyaddinganelectron:(M)--Chargedionscanbemanipulatedandanalyzedbyelectricand/ormagneticfields(massanalyzers),detectedbydetectorstogeneratemassspectra.7MassSpectrometryMolecularweightcanbeobtainedfromaverysmallsample.Itdoesnotinvolvetheabsorptionoremissionoflight.Abeamofhigh-energyelectronsbreaksthemoleculeapart.Themassesofthefragmentsandtheirrelativeabundancerevealinformationaboutthestructureofthemolecule.9MassSpectrometryTHEMAINUSEOFMSINORGCHEMIS:DETERMINETHEMOLECULARMASSOFORGANICCOMPOUNDS

DETERMINETHEMOLECULARFORMULAOFORGANICCOMPOUNDS10HOWDOWEACHIEVETHIS?PERSUADETHEMOLECULETOENTERTHEVAPORPHASE(CANBEDIFFICULT)PRODUCEIONSFROMTHEMOLECULESTHATENTERTHEGASPHASESEPARATETHEIONSACCORDINGTOTHEIRMASS-TO-CHARGERATIOS(m/z))MEASUREANDRECORDTHESEIONS111314離子源和質(zhì)量分析器的壓力在10–4~10–5Pa和10–5~10–6Pa。大量氧會燒壞離子源的燈絲；用作加速離子的幾千伏高壓會引起放電；引起額外的離子－分子反應(yīng)，改變裂解模型，譜圖復(fù)雜化。質(zhì)譜計構(gòu)造:真空系統(tǒng)15在不破壞真空度的情況下，使樣品進入離子源。氣體可通過儲氣器進入離子源。易揮發(fā)的液體，在進樣系統(tǒng)內(nèi)汽化后進入離子源。難揮發(fā)的液體或固體樣品，通過探針直接插入離子源。進樣系統(tǒng)17SampleIntroduction:

DirectInsertionProbe(DIP)DirectinsertionprobeConceptuallyveryeasy,practicallyverytricky18SampleIntroduction:

GasChromatography-MS(GC-MS)GCoutputtomassspectrometerSamplealreadyingasphase19分子失去電子，生成帶正電荷的分子離子

分子離子可進一步裂解，生成質(zhì)量更小的碎片離子

M+eM+.+2eM-.小于1%M+.A+.++B+CD++.中性分子或碎片R.50-70eV離子源21◆質(zhì)量分析器是質(zhì)譜計的核心◆不同類型的質(zhì)量分析器構(gòu)成不同類型的質(zhì)譜計◆不同類型的質(zhì)譜計其功能，應(yīng)用范圍，原理，

實驗方法均有所不同。

質(zhì)量分析器

22檢測記錄系統(tǒng)質(zhì)量分析器分離并加以聚焦的離子束，按m/z的大小依次通過狹縫，到達收集器。經(jīng)接收放大后被記錄。23電子轟擊電離ElectronImpactIonization,EI化學(xué)離子化ChemicalIonization,CI場電離，場解吸FieldIonizationFD,FieldDesorptionFD快原子轟擊FastAtomBombardment,FAB基質(zhì)輔助激光解析電離Matrix-AssistedLaserDesorptionIonization,MALDI電噴霧電離ElectrosprayIonization,ESI大氣壓化學(xué)電離AtmosphericPressureChemicalIonization,APCI離子化的方法25電子轟擊電離又稱為電子轟擊，或電子電離。是應(yīng)用最普遍，發(fā)展最成熟的電離方法。轟擊電壓50-70eV,有機分子的電離電位一般為7-15eV。可提供豐富的結(jié)構(gòu)信息。有些化合物的分子離子不出現(xiàn)或很弱

電子轟擊電離EI26AMassSpectrometer2930313233

離子室內(nèi)的反應(yīng)氣（甲烷等；10~100Pa，樣品的103~105倍），電子（100~240eV）轟擊，產(chǎn)生離子，再與試樣分離碰撞，產(chǎn)生準分子離子。最強峰為準分子離子；譜圖簡單；不適用難揮發(fā)試樣；++氣體分子試樣分子+準分子離子電子(M+1)+;(M+17)+;(M+29)+;化學(xué)電離

（ChemicalIonization，CI）34場致電離FieldIonization

FieldDesorption（FI，F(xiàn)D）電壓：7-10kV；d<1mm；強電場將分子中拉出一個電子；分子離子峰強；碎片離子峰少；不適合化合物結(jié)構(gòu)鑒定；陽極+++++++++++++陰極d<1mm35當樣品蒸汽接近或接觸帶高正電位的金屬針時，在強電場的作用下發(fā)生電離。要求樣品分子處于氣態(tài)，靈敏度不高，應(yīng)用逐漸減少。場電離FI36樣品不需汽化,預(yù)先附在處理好的場離子發(fā)射體上,送入離子源,然后通以微弱電流,使樣品分子從發(fā)射體上解吸下來,并擴散至高場強的場發(fā)射區(qū),進行離子化。適用于難汽化,熱不穩(wěn)定的樣品.如:糖類，肽類，金屬有機化合物，聚合物等。場解吸FD

37

惰性氣體Ar或Xe的原子首先被電離并被加速，使之具有高的動能，在原子槍(atomgun)內(nèi)進行電荷交換反應(yīng)：

Ar+（高動能的）+Ar（熱運動的）→Ar（高動能的）+Ar+（熱運動的）高動能的Ar或Xe原子束再轟擊樣品分子使其離子化

快原子轟擊

FastAtomBombardment（FAB）

38FAB是目前廣泛使用的軟電離技術(shù)，適用于難汽化,極性強的大分子。樣品用基質(zhì)調(diào)節(jié)后黏附在靶物上。常用的基質(zhì)有甘油，硫代甘油，3-硝基芐醇，三乙醇胺等。注意：FAB質(zhì)譜圖中會出現(xiàn)基質(zhì)分子產(chǎn)生的相應(yīng)的峰及基質(zhì)分子與樣品分子的結(jié)合峰。例如：3-硝基芐醇作為基質(zhì)時，會出現(xiàn)m/z154(MH),136（MH–H2O）,289(MMH–H2O)的峰。39Electrosprayionization40414243444546474849505152535455基質(zhì)輔助激光解析離子源56

MALDI可使熱敏感或不揮發(fā)的化合物由固相直接得到離子。待測物質(zhì)的溶液與基質(zhì)的溶液混合后蒸發(fā)，使分析物與基質(zhì)成為晶體或半晶體，用一定波長的脈沖式激光進行照射時，基質(zhì)分子能有效的吸收激光的能量，使基質(zhì)分子和樣品分子進入氣相并得到電離。

MALDI適用于生物大分子，如肽類，核酸類化合物?？傻玫椒肿与x子峰，無明顯碎片峰。此電離方式特別適合于飛行時間質(zhì)譜計?；|(zhì)輔助激光解析電離

Matrix-AssistedLaserDesorptionIonization(MALDI)57Astandard384wellMALDIsampleplate58596061為什么基質(zhì)重要？基質(zhì)對于稀釋和分散待測物質(zhì)是非常必要的對于離子化的待測物質(zhì)或其他中性分子，它的功能是能量介質(zhì)通過質(zhì)子的離子化，形成一種活性狀態(tài)。626364離子源技術(shù)比較MALDI多用于極性/帶電荷的肽可耐鹽適用于復(fù)雜基質(zhì)必須離線分析由于基質(zhì)吸附相對分辨率低基質(zhì)<1000m/z光偶聯(lián)和衰減NobelPrizeinChemistry,2002ESI多用于非極性的肽.對鹽敏感對復(fù)雜基質(zhì)耐受性低需要專業(yè)人士操作和維護可與μLC聯(lián)用NobelPrizeinChemistry,200265Niggardspectra(polymeradditive),obtainedbynegativeAPCI(A),negativeAPCIwithinsourcefragmentation(B),electronimpactionisation(C).666768697071Separateionsaccordingtom/zratioFivebasictypesofanalyser: 1) Magneticsector(electrostatic) 2) Quadrupole 3) Iontraps 4) Timeofflight 5) FTICR質(zhì)量分析器

MassAnalysers72質(zhì)譜計的主要技術(shù)指標

質(zhì)量范圍：指質(zhì)譜計所檢測的單電荷離子的質(zhì)核比范圍分辨率（R）：分辨率是質(zhì)譜計分開相鄰兩離子質(zhì)量的能力。

分辨率（R）是兩峰間的峰谷為峰高的10%時的測定值，即兩峰各以5%的高度重疊。R=m/m

m為質(zhì)譜計可分辨的相鄰兩峰的質(zhì)量差m為可分辨的相鄰兩峰的平均質(zhì)量73MassAnalysers:

FactorstoConsiderUppermasslimit:Highestm/zthatcanbedetectedMaybeoffsetbymultiplechargesResolution:Distinctsignalsforsimilarm/zratiosTransmission:Ratioofionsreachingdetector:ionsproducedCost74MassAnalysers:

Resolution(ResolvingPower)Abilitytoresolvetwosignalsofsimilarm/zResolvedifvalleyis<10%Higherresolution:greateraccuracye.g.R=20,000:

Separate m/z100.0000 from m/z100.0050Accuracyneeded:HighResolutionMassSpectrometry(HRMS)DetermineelementalcompositionofanionVitaltoconfirmstructure75MassAnalysers:

CalculationofResolution:RResolution=MassMassdifferenceR=M/DMM=M1?M2(500)DM=M2-M1(1)R=500/1=50076MassAnalysers:

HighResolutionMassSpectrometryHRMSoraccuratemassdeterminationDetermineselementalcompositionConsidertwoions: 1) [C24H19N]+: nominalmass:321 2) [C21H23NS]+: nominalmass:321UsingC=12,H=1,N=14andS=32Canwedifferentiatethesetwoions?Needtocalculatethemonoisotopicaccuratemass77MassAnalysers:

HRMS:AnExampleExactmassofmostabundantisotope(monoisotpoic)C=12.0000,H=1.0078,N=14.0031,S=31.9721 1) [C24H19N]+:accuratemass:321.1513=321/(321.1546-321.1513)=97,273MassspectrometerwithR?100,000candistinguishbetweenthesetwoions2) [C21H23NS]+:accuratemass321.1546R=M/DM78離子分離只有正離子可在磁場中發(fā)生偏轉(zhuǎn)。偏轉(zhuǎn)的量與m/z有關(guān).信號的強度與離子撞擊檢測器的數(shù)量成正比。通過改變磁場，所有質(zhì)量數(shù)的離子均可被收集和記錄。79質(zhì)量分析器

磁分析器,靜電分析器磁分析器-單聚焦質(zhì)譜計只有一扇形磁場的質(zhì)量分析器又稱為磁分析器。加速后離子具有一定的動能:（），該動能是由離子在加速電場獲得的電勢能（zV）轉(zhuǎn)化的。80MassSpectrometer

磁分析器=>81TheMassSpectrumMassesaregraphedortabulatedaccordingtotheirrelativeabundance.=>82雙聚焦分析器離子源收集器磁場電場S1S2+-方向聚焦：

相同質(zhì)荷比，入射方向不同的離子會聚；能量聚焦：

相同質(zhì)荷比，速度(能量)不同的離子會聚；

質(zhì)量相同，能量不同的離子通過電場和磁場時，均產(chǎn)生能量色散；兩種作用大小相等，方向相反時互補實現(xiàn)雙聚焦；83③其他類型質(zhì)量分析器雙聚焦質(zhì)譜儀體積大；色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀器的發(fā)展及儀器小型化（臺式）需要；體積小的質(zhì)量分析器：四極桿質(zhì)量分析器飛行時間質(zhì)量分析器離子阱質(zhì)量分析器體積小，操作簡單；分辨率中等；84四極質(zhì)量分析器–四極質(zhì)譜計

四極質(zhì)譜結(jié)構(gòu)簡單，價廉，體積小，易操作，無磁滯現(xiàn)象，掃描速度快，適合于GC-MS,LC-MS。分辯率不高。+ElectronBeamABCSampleinIonBeam85MassAnalysers:

QuadrupoleMassAnalysersRelativelycheapandcompactLow(unit)resolutionR?2,000Uppermasslimitofm/z?4,000CanbeoffsetbyuseofESI(multiplecharges)SimpletooperateandcontrolSimpleinterfacingwithinletsystemsGC,DIP,etc.Workhorsesofmassspectrometry86quadrupolemassanalyzer/filter

四級桿分析器（四級桿濾質(zhì)器）8788Massfilteringand“scanning”

濾質(zhì)器（分析器）和掃描與TOF的分析器不同四級桿分析器是在特定的電壓頻率下，具有特定m/z的離子才可到達檢測器在實時分析時電壓是不斷變化的，這就是對離子束進行掃描89Tandemmassspectrometers

串聯(lián)質(zhì)譜兩個質(zhì)譜順序聯(lián)接離子先通過第一個質(zhì)譜再通過第二個質(zhì)譜。增加分辨率兩個質(zhì)譜間信號衰減90Triple-sectorQuadrupole(Q/Q)

三重四級質(zhì)譜91TypesofScansIProduct/daughterionscans子離子掃描LikePSDSector#1:filterforonespecificprecursor/parentSector#2:scanthefragments/products/daughters92TypesofScansIIDynamicexclusion動態(tài)排除自動子離子掃描首先分析貢獻大的母離子,并收集MS2的子離子然后排除這些母離子,然后分析低豐度的離子93TypesofScansIIIPrecursor/parentscans母離子掃描Sector#2:settofilter/detectoneproduct/daughtermassSector#1:scantoIDtheparentresponsible94TypesofScansIVNeutralloss中性丟失兩個質(zhì)譜順序掃描串聯(lián)掃描按照一個特定的質(zhì)量數(shù)(e.g.,80amu)尋找特定的母/子離子對

(e.g.,D=80amu:lossofphosphatefrompS/pT)95飛行時間質(zhì)譜96979899100101離子阱Iontrop102電噴霧——離子阱質(zhì)譜103104105106107IonTrapmassspectrometersI

離子阱離子被捕獲在一個穩(wěn)定的軌道中，并在磁/靜電瓶中富集場的改變可使特定的m/z離子被甩出到達檢測器.靈敏度極高,分辨率一般108IonTrapmassspectrometersII也可改變場的頻率使特定的m/z的離子,撞到電極上淬滅（bequenched）.而后使剩下的離子被甩出，到達檢測器109IonTrapmassspectrometersIII或者在淬滅了部分離子后，將剩下具有特定m/z離子加速，產(chǎn)生高能量的碰撞和碎裂然后將這些碎片在甩出，到達檢測器分析110IonTrapmassspectrometersIV(MS3).這次除了感興趣的子離子淬滅所用的離子然后將子離子進一步碎裂，再將碎片甩出到分析器分析看進行一次又一次的多重循環(huán)…Thesesequentialfragmentationsarelikephysical"sectors"111112113Ioncyclotronresonance

離子回旋離子混合物被捕獲在“EM場瓶,”中，一個外加的磁場使離子沿環(huán)形軌道運動軌道的半徑與離子的m/z相一致。114Ioncyclotronresonance然后對循環(huán)的離子施加一種電場的震蕩脈沖(aradiorequency).

當循環(huán)離子頻率與電場的頻率相匹配時，他們吸收能量，循環(huán)半徑和速度參加只有特定m/z的離子可被加速115Ioncyclotronresonance脈沖后形成的離子新的軌道和速度將被保持116Ioncyclotronresonance當離子通過帶電荷的一對電極時，產(chǎn)生電流117FT-ICRMSTheelectricalcurrentthusproducedisinterpretedmathe