【正文】 第五章 質(zhì)譜 ? 質(zhì)譜的基本知識(shí) ? 離子裂解的機(jī)理 ? 有機(jī)質(zhì)譜中的裂解反應(yīng) ? 常見(jiàn)各類化合物的質(zhì)譜 ? 有機(jī)質(zhì)譜的解析及應(yīng)用 ? 最新質(zhì)譜技術(shù)及應(yīng)用簡(jiǎn)介 e + +++ 質(zhì)譜儀的工作原理 質(zhì)譜儀是利用 電磁學(xué) 原理 ，使 帶電 的 樣品離子 按 質(zhì)荷比 進(jìn)行分離的裝置。離子電離后經(jīng)加速進(jìn)入磁場(chǎng)中，其動(dòng)能與加速電壓及電荷 z 有關(guān)，即 z e U = 1/2 m ?2 其中 z為電荷數(shù)， e為元電荷（ e= 1019C）， U為加速電壓， m為離子的質(zhì)量， ?為離子被加速后的運(yùn)動(dòng)速度。 具有速度 ? 的帶電粒子進(jìn)入質(zhì)譜分析器的電磁場(chǎng)中，根據(jù)所選擇的分離方式，最終實(shí)現(xiàn)各種離子按 m/z進(jìn)行分離 。 1913年： Thomson使用 MS發(fā)現(xiàn)了 Ne是由 22Ne和 24Ne兩種 同位素組成，隨后，同位素分析開(kāi)始發(fā)展。 20世紀(jì) 30年代末至 40年代：由于石油工業(yè)的發(fā)展，需要 測(cè)定油的成份。通常用蒸餾的方法先分離這些烴類混合 物，然后再利用分別測(cè)定其折光率的方法來(lái)分析它們。 這通常要花數(shù)天時(shí)間。將 MS用于石油工業(yè)中烴的分析， 可以大大縮短分析時(shí)間。 50年代初：質(zhì)譜儀器開(kāi)始商品化，并廣泛用于各類有機(jī) 物的結(jié)構(gòu)分析；同時(shí)質(zhì)譜方法與 NMR、 IR等方法結(jié)合成 為分子結(jié)構(gòu)分析的最有效的手段。 發(fā)展歷史 60年代：出現(xiàn)了氣相色譜 質(zhì)譜聯(lián)用儀，使質(zhì)譜儀的應(yīng)用 領(lǐng)域大大擴(kuò)展，開(kāi)始成為有機(jī)物分析的重要儀器；計(jì)算 機(jī)的應(yīng)用又使質(zhì)譜分析法發(fā)生了飛躍變化 。 90年代：由于生物分析的需要，一些新的離子化方法得 到快速發(fā)展，如快原子轟擊離子源，基質(zhì)輔助激光解吸 電離源，電噴霧電離源，大氣壓化學(xué)電離源等。 目前：出現(xiàn)了比較成熟的液相色譜 質(zhì)譜聯(lián)用儀，感應(yīng)耦 合等離子體質(zhì)譜儀，傅立葉變換質(zhì)譜儀等。質(zhì)譜分析法 已廣泛地應(yīng)用于化學(xué)、化工、材料、環(huán)境、地質(zhì)、能源 、藥物、刑偵、生命科學(xué)、運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。 主要組成部分 : ? ? ? (分析器 ) ? 質(zhì)譜分析原理及質(zhì)譜儀 一、質(zhì)譜儀的基本結(jié)構(gòu) 質(zhì)譜儀是通過(guò)對(duì)樣品電離后產(chǎn)生的具有不同的 m/z 的離子來(lái)進(jìn)行分離分析的。 為了獲得離子的良好分離和分析效果，避免離子損失，凡有樣品分子及離子存在和通過(guò)的地方，必須處于 真空 狀態(tài)。 Agilent7500系列 ICPMS 進(jìn)樣系統(tǒng) 離子源 質(zhì)量分析器 檢測(cè)器 顯示 真空系統(tǒng) 質(zhì)譜儀各部分的工作原理 1. 真空系統(tǒng) 質(zhì)譜儀的離子產(chǎn)生及經(jīng)過(guò)系統(tǒng)必須處于高真空狀態(tài)（離子源真空度應(yīng)達(dá) 104～ 105Pa，質(zhì)量分析器中應(yīng)達(dá) 106Pa）。其作用是減少離子碰撞損失。 真空度過(guò)低，將會(huì)引起： a）大量氧會(huì)燒壞離子源燈絲； b）引起其它分子離子反應(yīng)，使質(zhì)譜圖復(fù)雜化； c）用作加速離子的幾千伏高壓會(huì)引起放電。 一般質(zhì)譜儀都采用機(jī)械泵預(yù)抽空后，再用高效率擴(kuò)散泵連續(xù)地運(yùn)行以保持真空?，F(xiàn)代質(zhì)譜儀采用分子泵可獲得更高的真空度。 進(jìn)樣系統(tǒng) 進(jìn)樣系統(tǒng)的作用是高效重復(fù)地將樣品引入到離子源中，并且不能造成真空度的降低。 常用的進(jìn)樣裝置有三種類型：間歇式進(jìn)樣、直接探針進(jìn)樣、色譜進(jìn)樣系統(tǒng)（ GCMS、 HPLCMS）和高頻感藕等離子體進(jìn)樣系統(tǒng)（ ICPMS）等。 2） 間歇式進(jìn)樣：適于氣體、沸點(diǎn)低且易揮發(fā)的液體、中等蒸汽壓固體。 1) 色譜進(jìn)樣：利用氣相和液相色譜的分離能力 ， 與質(zhì)譜儀聯(lián)用 ， 進(jìn)行多組份復(fù)雜混合物分析 。 （加熱） 如圖所示。注入樣品 (10100?g)—貯樣器 (1L3L)—抽真空并加熱 —樣品蒸汽分子 (壓力陡度 )—漏隙 —高真空離子源。 3） 直接探針進(jìn)樣：高沸點(diǎn)液體及固體 探針桿通常是一根規(guī)格為 25cm?6mm， 末端有一裝樣品的黃金杯 (坩堝 )， 將探針桿通過(guò)真空閉鎖系統(tǒng)引入樣品， 如圖所示 。 優(yōu)點(diǎn)： 引入樣品量小 ，樣品蒸汽壓可以很低； 電離源的功能是將進(jìn)樣系統(tǒng)引入的氣態(tài)樣品分子轉(zhuǎn)化成離子 。由于離子化所需要的能量隨分子不同差異很大，因此，對(duì)于不同的分子應(yīng)選擇不同的離解方法。通常稱能給樣品較大能量的電離方法為 硬電離方法 ，而給樣品較小能量的電離方法為 軟電離方法 ，后一種方法適用于易破裂或易電離的樣品。常見(jiàn)的離子源包括： ? 電子轟擊（ EI） ? 化學(xué)電離（ CI） ? 電噴霧電離 （ ESI） ? 基質(zhì)輔助激光解吸電離 （ MALDI） A. 電子轟擊源 （ EI） 電子轟擊法是通用的電離法，是使用高能電子束從試樣分子中撞出一個(gè)電子而產(chǎn)生正離子，即 ee 2MM ??? ?式中 M為待測(cè)分子， M+為分子離子或母體離子。 電加熱銻或鎢的燈絲到 2022℃ ，產(chǎn)生高速電子束，其能量為 10～ 70eV。 硬電離方式，只能用于遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于生物有機(jī)分子的小分子 (400Da以下 )的檢測(cè) ,樣品需經(jīng)過(guò)汽化進(jìn)入電離區(qū) ,不適合難揮發(fā)和熱不穩(wěn)定的樣品。能電離揮發(fā)性化合物、氣體和金屬蒸汽。 B. FBI快速原子 /離子轟擊離子源（ FAB） 使用高能量的 惰性原子束（ Ar）噴射 樣品靶上的樣品和基質(zhì)表面 ,基質(zhì)是溶解樣品的非揮發(fā)性溶劑 ,樣品從基質(zhì)中解吸附并汽化 ,離子化。 基質(zhì)的作用是溶解樣品 。吸收大部分能量 ,有助于樣品離子化并保護(hù)樣品不被高能量撞擊破壞 。 適合分析高極性、相對(duì)分子量大 難揮發(fā)、和熱穩(wěn)定相差的樣品， 對(duì)極性化合物測(cè)定不靈敏。常用的 基質(zhì)：甘油、乙二醇胺等。 測(cè)定質(zhì)量數(shù)可以做到 7000Da。 快速。 軟電離方式，碎片離子少 C. 基質(zhì)輔助激光解吸附離子源（ MALDI） MALDI是通 過(guò)激光束照射樣品與基質(zhì)的共結(jié)晶而使樣品分子電離 ，可以解決生物大分子的離子化難題，離子化過(guò)程與 FBI有相似之處。對(duì)基質(zhì)的要求是能吸收 337nm紫外光并氣化，能量由基質(zhì)傳給樣品使樣品一起氣化并離子化。 質(zhì)量數(shù)可達(dá) 300,000Da。 軟電離方式，無(wú)或極少碎片離子。 耐鹽（樣品含鹽可達(dá)毫摩爾濃度）。 適于分析復(fù)雜混合物。 常用基質(zhì) ? α氰基－ 4羥基－肉桂酸 CCA 多肽 ? 3,5－二甲氧基－ 4－羥基肉桂酸 SA 蛋白 ? 龍膽酸（ 2,5－二羥基苯甲酸 DHB 聚合物 ? 吡啶甲酸 PA ? 3－羥基吡啶甲酸 3HPA ? MALDI源由氮激光器產(chǎn)生短周期脈沖激光，產(chǎn)生的多為單電荷離子，效率很高，即使只有極少的樣品也可分析 D. 電噴霧離子源（ ESI） 4000v強(qiáng)電場(chǎng)中，使用強(qiáng)靜電場(chǎng)電離技術(shù)使樣品形成高度荷電的霧狀小液滴從而使樣品分子電離。 質(zhì)量數(shù)可達(dá) 70， 000Da 靈敏度高達(dá) femtomole級(jí)。 軟電離，可觀察生物分子非 共價(jià)反應(yīng)。 易于和 LC串聯(lián)，直接分析流速為 1ml/min的 LC洗脫液。 沒(méi)有基質(zhì)干擾。 E 化學(xué)電離源（ CI） 化學(xué)電離法是通過(guò)離子 分子反應(yīng)來(lái)進(jìn)行，離子與試樣分子按一定方式進(jìn)行反應(yīng)，轉(zhuǎn)移一個(gè)質(zhì)子給試樣或由試樣移去一個(gè)電子，試樣則變成帶 +1電荷的離子。 化學(xué)電離源一般先用高能電子，使 CH4電離產(chǎn)生 CH5+和 C2H5+，一旦小量樣品（試樣與甲烷之比為 1?1000）導(dǎo)入離子源，試樣分子（ RH）與 CH5+和C2H5+反應(yīng)生成 RH2+ 和 R+然后可能碎裂，產(chǎn)生質(zhì)譜。由（ M+H）或（ MH）離子很容易測(cè)得其相對(duì)分子質(zhì)量。 CI是一種軟電離方式，樣品必須先汽化，不能測(cè)定熱不穩(wěn)定和難揮發(fā)的化合物。 4. 質(zhì)量分析器（過(guò)濾器） 質(zhì)譜儀的質(zhì)量分析器位于離子源和檢測(cè)器之間，依據(jù)不同方式將樣品離子按質(zhì)荷比 m/z 分開(kāi)。質(zhì)量分析器的主要類型有：磁分析器、飛行時(shí)間分析器、四極濾質(zhì)器、 離子捕獲分析器和離子回旋共振分析器等。 5. 檢測(cè)與記錄 質(zhì)譜儀常用的檢測(cè)器有法拉第杯、電子倍增器及閃爍計(jì)數(shù)器、照相底片等。 現(xiàn)代質(zhì)譜儀一般都采用較高性能的計(jì)算機(jī)對(duì)產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行快速接收與處理，同時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)可以對(duì)儀器條件等進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控，從而使精密度和靈敏度都有一定程度的提高。 二、 質(zhì)譜儀的主要性能指標(biāo) A 質(zhì)量測(cè)定范圍 質(zhì)譜儀的質(zhì)量測(cè)定范圍表示質(zhì)譜儀所能進(jìn)行分析的 樣品的相對(duì)原子質(zhì)量（或相對(duì)分子質(zhì)量）范圍 ，通常采用原子質(zhì)量單位（ u）進(jìn)行度量。 測(cè)定氣體用的質(zhì)譜儀，一般質(zhì)量測(cè)定范圍在 2～ 100，而有機(jī)質(zhì)譜儀一般可達(dá)幾千，現(xiàn)代質(zhì)譜儀甚至可以研究相對(duì)分子量達(dá)幾十萬(wàn)的生化樣品。 B 分辨率 分辨率 ，是指質(zhì)譜儀分開(kāi) 相鄰質(zhì)量數(shù)離子 的能力 。即： 對(duì)兩個(gè)相等強(qiáng)度的相鄰峰，當(dāng)兩峰間的峰谷不大于其峰高 10%時(shí)，認(rèn)為兩峰已經(jīng)分開(kāi)，其分辨率為： R = m1 /（ m2m1） = m1/Δ m 其中 m m2為質(zhì)量數(shù)，且 m1m2，故在兩峰質(zhì)量數(shù)較小時(shí)，要求儀器分辨率越大。 有機(jī)質(zhì)譜常用某種標(biāo)準(zhǔn)樣品產(chǎn)生一定信燥比的分子離子峰所需的最小檢測(cè)量作為儀器的靈敏度指標(biāo) 質(zhì)譜儀的靈敏度有 絕對(duì)靈敏度 、 相對(duì)靈敏度 和 分析靈敏度 等幾種表示方法。 絕對(duì)靈敏度 是指儀器可以檢測(cè)到的最小樣品量； 相對(duì)靈敏度 是指儀器可以同時(shí)檢測(cè)的大組分與小組分含量之比； 分析靈敏度 則是指輸入儀器的樣品量與儀器輸出的信號(hào)之比。 質(zhì)譜圖 質(zhì)譜圖 是以質(zhì)荷比（ m/z）為橫坐標(biāo)，相對(duì)強(qiáng)度為縱坐標(biāo)構(gòu)成。一般將原始質(zhì)譜圖上最強(qiáng)的離子峰為基峰并定為相對(duì)強(qiáng)度為 100%，其它離子峰以對(duì)基峰的相對(duì)百分值表示。 三、質(zhì)譜圖上離子峰的類型 分子在離子源中可以產(chǎn)生各種電離，即同一種分子可以產(chǎn)生多種離子峰，主要的有 分子離子峰、碎片離子峰、亞穩(wěn)離子峰和同位素離子峰 等。 A、分子離子峰 試樣分子在高能電子撞擊下失去一個(gè)電子產(chǎn)生正離子，即； ee 2MM ??? ?分子離子的質(zhì)量與化合物的分子量相等。 鍵電子的電離順序?yàn)椋?n電子 π電子 σ電子 奇電子離子：帶有未成對(duì)電子的離子（ OE） 偶電子離子：外層電子完全成對(duì)的離子（ EE） 幾乎所有的有機(jī)分子都可以產(chǎn)生可以辨認(rèn)的分子離子峰。有些分子如芳香環(huán)分子可產(chǎn)生較強(qiáng)的分子離子峰，而高分子量的脂肪醇、醚及胺等則產(chǎn)生較小的分子離子峰， 有時(shí)可能得不到分子離子峰 。若不考慮同位素的影響，分子離子應(yīng)該具有最高質(zhì)量。 有機(jī)化合物分子離子峰的穩(wěn)定性順序： 芳香化合物＞共軛鏈烯＞烯烴＞脂環(huán)化合物＞直鏈烷烴＞酮＞胺＞酯＞醚＞酸＞支鏈烷烴＞醇 質(zhì)譜圖上質(zhì)荷比最大的峰一定為分子離子峰嗎？ 如何鑒別分子離子峰？ a) Ｎ律 由Ｃ、Ｈ、Ｏ、 X（鹵素）組成的有機(jī)化合物，Ｍ一定是偶數(shù)。 由Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎ組成的有機(jī)化合物，Ｎ奇數(shù)，Ｍ奇數(shù)。 由Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎ組成的有機(jī)化合物，Ｎ偶數(shù)，Ｍ偶數(shù)。 b) 與鄰近的峰相差是否合理 分子離子不可能裂解出三個(gè)以上的氫原子和小于一個(gè)甲基的基團(tuán)，故分子離子峰的左面不可能出現(xiàn)小于 3～ 14個(gè)質(zhì)量單位的峰。 分子離子峰的判斷標(biāo)準(zhǔn) 有機(jī)化合物受高能作用時(shí)產(chǎn)生各種形式的分裂， 一般強(qiáng)度最大的質(zhì)譜峰相應(yīng)于最穩(wěn)定的碎片離子 。通過(guò)各種碎片離子相對(duì)峰高的分析，有可能獲得整個(gè)分子結(jié)構(gòu)的信息。因?yàn)?M+可能進(jìn)一步斷裂或重排，因此要準(zhǔn)確地進(jìn)行定性分析最好與標(biāo)準(zhǔn)譜圖進(jìn)行比較。 B、碎片離子峰 分子離子產(chǎn)生后可能具有較高的能量，將會(huì)通過(guò)進(jìn)一步碎裂或重排而釋放能量，碎裂后產(chǎn)生的離子形成的峰稱為碎片離子峰。 烷烴化合物斷裂多在 CC之間發(fā)生，且易發(fā)生在支鏈上： 烯烴多在雙鍵旁的第一個(gè)鍵上開(kāi)裂： H3C C