有機(jī)質(zhì)譜原理及應(yīng)用

關(guān)于有機(jī)質(zhì)譜原理及應(yīng)用1第1頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月100200300400500600m/z0100%254.2194.2507.3334.3399.7§1.1質(zhì)譜的基本概念一、質(zhì)譜是什么？

MassSpectromety

特殊的天平：稱量離子的質(zhì)量。質(zhì)譜學(xué)：是一門研究氣相離子結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及反應(yīng)行為的科學(xué)。二、質(zhì)譜能做什么？定性：化合物的結(jié)構(gòu)定量：混合物的組成領(lǐng)域：化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、環(huán)境、物理、材料、能源等三、質(zhì)譜的獨(dú)到之處是什么？

4S特性：Sensitivity靈敏

Speed快速

Specificity特異

Stoichiometry

化學(xué)計(jì)量第2頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.2質(zhì)譜分類質(zhì)譜同位素質(zhì)譜生物質(zhì)譜結(jié)構(gòu)鑒定、定量分析、氣相離子化學(xué)化學(xué)、化工環(huán)境、地球藥學(xué)、毒物學(xué)、刑偵生命、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)有機(jī)質(zhì)譜無機(jī)質(zhì)譜第3頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.3質(zhì)譜學(xué)的發(fā)展歷史一、質(zhì)譜學(xué)領(lǐng)域的諾貝爾（Nobel）獎(jiǎng)1906年：物理獎(jiǎng)

J.I.Thomson

貢獻(xiàn)：正電荷離子束在磁場中的偏轉(zhuǎn)磁質(zhì)譜儀的基礎(chǔ)同位素分析1989年：物理獎(jiǎng)

W.Paul

貢獻(xiàn)：離子阱技術(shù)的發(fā)明。2002年：化學(xué)獎(jiǎng)J.B.FennVirginiaCommonwealthUniversity,USA

貢獻(xiàn)：電噴霧(ESI)電離方法生物大分子分析

ElectrosprayIonizationforMassSpectrometryofLargeBiomolecules,"J.B.Fenn,M.Mann,C.K.Meng,S.F.WongandC.M.Whitehouse,Science246,64(1989)KoichiTanaka(田中耕一)ShimadzuCorporation,Japan

貢獻(xiàn)：激光輔助解吸電離質(zhì)譜(MALDI)電離方法生物大分子分析

RapidCommunicationsinMassSpectrometry2,151-153(1988),KoichiTanaka,HiroakiWaki,YutakaIdo,SatoshiAkita,Yoshikazu第4頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月二、質(zhì)譜學(xué)的歷史事件1886年，Goldstein發(fā)現(xiàn)正電荷離子1898年，Wien利用電場和磁場使正電荷離子偏轉(zhuǎn)1912年，Thomson研制第世界上一臺(tái)質(zhì)譜儀，氖同位素的發(fā)現(xiàn)1918年，Dempster電子轟擊電離(Electronionization)及磁聚焦1919年，Aston精密儀器，測定50多種同位素，第一張同位素表1934年，Stephens均勻扇形磁場，球差和質(zhì)量色散公式

Herzog和Hintenberger電磁場組合，離子光學(xué)系統(tǒng)1940年，Nier扇形磁場偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)，雙聚集系統(tǒng)商品儀器的雛形

235U，電磁制備方法，第二次世界大戰(zhàn)期間在石油、化工等領(lǐng)域的應(yīng)用1946年，Stephens飛行時(shí)間質(zhì)譜(Time-offlightmassanalysis)第5頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月1952年，Martin氣相色譜方法1953年，Paul等四極桿分析器(Quadrupoleanalyzers)1956年，GohlkeandMcLafferty氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC/MS)Beynon高分辨質(zhì)譜儀(High-resolutionMS)1965年，Hipple等離子回旋共振(IonCyclotronResonance)1966年，MunsonandField化學(xué)電離(Chemicalionization)1967年，McLaffertyandJennings串聯(lián)質(zhì)譜(Tandemmassspectrometry)1973年，McLafferty液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(LC/MS)，熱噴霧方法1974年，Comisarow和Marshall傅立葉變換離子回旋共振質(zhì)譜(FT-ICR-MS)1981年，Barber等快原子轟擊電離質(zhì)譜(FABMS)，生物中，小分子，2000以內(nèi)第6頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月1989年，J.B.Fenn電噴霧電離KoichiTanaka基質(zhì)輔助激光解吸電離

1990年，KattaandChait電噴霧電離質(zhì)譜觀察蛋白質(zhì)構(gòu)象改變1993年，商品電噴霧質(zhì)譜儀1995年，付立葉變換離子回旋共振質(zhì)譜儀（與ESI和MALDI聯(lián)用）1998年，高分辨飛行時(shí)間質(zhì)譜儀（DelayExtract,Reflectron技術(shù)）第7頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月三、我國質(zhì)譜發(fā)展概況20世紀(jì)50年代，同位素質(zhì)譜研究，配合核研究，技術(shù)來自于前蘇聯(lián)70年代，引進(jìn)質(zhì)譜儀，磁質(zhì)譜：VG-ZAB-2F,3F（7臺(tái)，北大，南京、南開、蘭州、中科大、武漢、中山）VG-7070E（20多個(gè)單位）FinniganMAT系列80年代，中國科學(xué)院科學(xué)儀器廠，仿制7070E型質(zhì)譜儀KYKY系列1980年，中國質(zhì)譜學(xué)會(huì)，杭州成立，依托于科學(xué)儀器廠《質(zhì)譜學(xué)報(bào)》創(chuàng)刊中國質(zhì)譜學(xué)會(huì)機(jī)構(gòu)：無機(jī)專業(yè)委員會(huì)、同位素專業(yè)委員會(huì)、有機(jī)質(zhì)譜專業(yè)委員會(huì)、生物醫(yī)學(xué)專業(yè)委員會(huì)、儀器與教育專業(yè)委員會(huì)第8頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.3常用概念一、質(zhì)荷比(m/z)質(zhì)譜圖中的橫坐標(biāo)，質(zhì)量與電荷之比。若離子所帶電荷為z=1，則質(zhì)荷比等于該離子的質(zhì)量數(shù)。離子是以12C原子的1/12定義為一個(gè)質(zhì)量單位，用u表示。

1u=1.66054x10-27kg

其它常用符號(hào)，Da,道爾頓1Da=1u二、離子的強(qiáng)度（豐度）I

兩種表示方法百分強(qiáng)度：所有峰的強(qiáng)度之各為100，每個(gè)離子所占的份額即為其百分強(qiáng)度，百分強(qiáng)度=(Ii/Ii)×100%Ii，第i個(gè)離子的強(qiáng)度?；鍙?qiáng)度：質(zhì)譜圖中離子強(qiáng)度最大的峰稱為基峰，定義它的強(qiáng)度為100，即IB=100，其它離子強(qiáng)與之相比的百分強(qiáng)度稱為該離子的強(qiáng)度。第9頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月三、同位素

化學(xué)上，氖的原子量為20.2,

質(zhì)譜上：氖不在m/z20.2處出峰，而是在m/z20和m/z22處各出一個(gè)峰，該峰的相對強(qiáng)度為10:1。為什么？質(zhì)譜測定的是微觀離子，不是宏觀上的平均的概念。元素AA+1A+2元素類型質(zhì)量%

質(zhì)量%質(zhì)量%H110020.015AC12100131.1A+1N14100150.37AO16100170.04180.20A+2F19100ASi28100295.10303.40A+1,A+2P31100AS32100330.80344.40A+2Cl351003732.5A+2Br791008198.0A+2I127100A表1常見元素的天然同位素豐度元素分類情況：A:H,F,P,IA+1:C,NA+2:O,Si,Cl,Br第10頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月同位素分布的二項(xiàng)式規(guī)則：對A+1和A+2元素b:A+1或A+2同位素的天然豐度n:質(zhì)譜峰中A+1或A+2元素的個(gè)數(shù)A+1元素峰位置MM+1M+2M+3……A+2元素峰位置MM+2M+4M+6……質(zhì)譜峰強(qiáng)度1nbn(n-1)b2/2!n(n-1)(n-2)b3/3!……12C5H12+Mm/z7212C413C1H12+M+1m/z7312C313C2H12+M+2m/z7412C213C3H12+M+3m/z7512C113C4H12+M+4m/z76第11頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月例：

79Br100%,81Br98%≈100%MM+2M+4M+6Br,n=1:11Br2,n=2:121Br3,n=3:1331

例：35Cl100%,37Cl32.5%MM+2M+4M+6Cl,n=1:10.325Cl2,n=2:10.6500.106Cl3,n=3:10.9750.3170.034第12頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月例：12C100%,13C1.1%C60,n=60,b=1.1%MM+1M+2M+3

12C60

13C12C59

13C212C58

13C312C577207217227231nbn(n-1)b2/2!n(n-1)(n-2)b3/3!10066214.6第13頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月元素組成的判斷：用同位素豐度的分布可幫助判斷峰的元素組成。方法：1、獲取最高質(zhì)量峰，分子離子峰。分子離子峰受氫遷移的影響最小。2、最大豐度信號(hào)強(qiáng)有利于判斷。3、A峰的選擇一個(gè)峰組中的A峰應(yīng)是僅含最大豐度同位素(如12C、16O、35Cl)的最高質(zhì)量峰。優(yōu)先考慮A+2型元素存在的可能性，因A+2峰受A+1元素的影響較小，A+2元素同位素的自然豐度也較高，容易判斷，尤其是氯和溴。然后再判斷A+1元素，可根據(jù)其與A峰的強(qiáng)度比，大致判斷A+1元素的種類和所含個(gè)數(shù)。4、確定元素組成的一致性從分子離子峰M+?得到元素組成信息，需要與較小的碎片離子的組成吻合。第14頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月三、儀器技術(shù)指標(biāo)質(zhì)量范圍(MassRange)

質(zhì)譜儀所能檢測的最小到最大的質(zhì)量范圍。不同儀器：四極桿1~600Da，1~4000Da，磁質(zhì)譜：1~10000Da

飛行時(shí)間質(zhì)譜：無上限離子阱質(zhì)譜：1~2000Da，1~4000Da

不同要求：氣體分析，1~300Da

氣相色譜質(zhì)譜，1~600Da，800Da

有機(jī)質(zhì)譜，1~2000Da

生物分子，1~10000Da或更大第15頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月

分辨力(ResolutionPower,RP)

分辨力：分開兩個(gè)鄰近質(zhì)量峰的能力。何為分開：若兩個(gè)相鄰峰的峰谷低于峰高的10%(或5%，50%)，則認(rèn)為是分開的。

A:未分開B:部分分開C:全分開分辨差分辨較差分辨達(dá)到要求m2m1第16頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)學(xué)定義：

……(1)m1和m2代表兩個(gè)相鄰峰的質(zhì)量數(shù)

……(2)m代表某一峰的質(zhì)量，△m代表半峰寬第17頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月分辨率的另外一種定義：分辨率=M/MM為半峰高處峰寬

分開的定義10%valleym/M[M+H]+m/zintensity第18頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月組成整數(shù)質(zhì)量精確質(zhì)量CO2827.994914N22828.006158C2H42828.031299質(zhì)量數(shù)為28的三種分子組成的精確質(zhì)量若儀器分辨力很低，如RP=200，則對以上三個(gè)分子不能分開，混為一峰。若要分開以下混合物，則必需有如下分辨力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當(dāng)儀器分辨力達(dá)到770時(shí)，只能夠只分開CO-C2H4

。當(dāng)儀器分辨力達(dá)到1100時(shí)，能夠分開CO-C2H4和N2-C2H4當(dāng)儀器分辨力超過2500時(shí)，三者全部分開。一般低分辨儀器在2000左右。10000以上時(shí)稱高分辨。FT-ICR-MS分辨力可達(dá)2百萬。第19頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月高分辨質(zhì)譜進(jìn)行元素組成分析：任何一種同位素的質(zhì)量并不是正好的整數(shù)。12C的準(zhǔn)確質(zhì)量為12.00000000,1H=1.007782506，14N=14.00307407，16O=15.99491475，末位有效數(shù)字。每一個(gè)同位素都具有唯一的、特征的“質(zhì)量虧損”，離子的質(zhì)量包含了同位素的總的質(zhì)量虧損，也是特征的，以此來鑒定離子的同位素和元素組成。例

m=43.0184Da的離子必定是C2H3O+，不可能是C3H7+(m=43.0058)或C2H5N+(m=42.9984)，或CH3N2+(m=43.0296)。為了區(qū)分這四個(gè)離子，測量的質(zhì)量的準(zhǔn)確度需達(dá)到130ppm。即小數(shù)點(diǎn)后第四位是準(zhǔn)確的。元素組成信息隨著質(zhì)量的增加而呈指數(shù)地上升，對質(zhì)譜質(zhì)量的測定準(zhǔn)確度要求更高。例分子量為310的質(zhì)譜峰，已知它們的元素組成限于碳、氫、氮和氧，且最多不超過3個(gè)氮原子和4個(gè)氧原子。如果將其各種組合出來的質(zhì)量能夠區(qū)分開來，要求的質(zhì)量準(zhǔn)確度達(dá)到2ppm，這是目前最高質(zhì)量分辨力的FT-ICR-MS勉強(qiáng)能夠達(dá)到的水平。第20頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月注意事項(xiàng)質(zhì)譜學(xué)上的高分辨包含兩層含義：高的分辨本領(lǐng)保證兩個(gè)靠得很近的峰能夠分開來，從而知道是兩個(gè)峰而不是一個(gè)峰。良好的線性行為用已知精確質(zhì)量的離子去得到待測定離子的質(zhì)量數(shù)，不容許二者峰的質(zhì)量是一樣的(重疊在一起)，二者之間必有一定的質(zhì)量差異，質(zhì)譜儀的線性不好，用已知精確離子的質(zhì)量來得到待測定離子的質(zhì)量，就會(huì)因此而產(chǎn)生偏差，從而造成誤差，兩者距離越遠(yuǎn)，這種誤差越大。良好的穩(wěn)定性

磁質(zhì)譜，飛行時(shí)間質(zhì)譜儀，離子回旋共振質(zhì)譜儀：分辨力、線性和穩(wěn)定性好，屬高分辨質(zhì)譜儀。離子阱質(zhì)譜儀：分辨力高，線性低，準(zhǔn)高分辨質(zhì)譜儀，用于判斷質(zhì)譜峰帶的電荷數(shù)。四極桿質(zhì)譜儀：分辨力低，線性好，不屬于高分辨質(zhì)譜儀。第21頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.4質(zhì)譜學(xué)的專著、期刊和國內(nèi)國際會(huì)議

專著：

1.InterpretationofMassSpectra,F.