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有机质谱法Mass Spectrometry,质谱法(Mass Spectrometry,MS)即用电场和磁场将运动的离子（带电荷的原子、分子或分子碎片）按它们的质荷比分离后进行检测的方法。测出离子准确质量即可确定离子的化合物组成。,1.1.质谱法,质谱不属波谱范围 质谱图与电磁波的波长和分子内某种物理量的改变无关,质谱是分子离子及碎片离子的质量与其相对强度的谱,谱图与分子结构有关。,质谱法进样量少,灵敏度高,分析速度快,质谱是唯一可以给出分子量,确定分子式的谱学方法。,仪器结构复杂，价格昂贵，使用及维修比较困难(磁质谱仪)。对样品有破坏性。,质谱的特点,1.2 质谱的分类,1.3 质谱的沿革与发展,1886年 Goldstein发现正电荷离子1898年 Wien利用电场和磁场使正电荷离子偏转1912年 Thomson研制第世界上一台质谱仪,Ne同位素的发现1917年 电喷雾物理现象被发现（并非为了质谱）1918年 Dempster 电子轰击电离(Electron ionization)及磁聚焦1919年 Aston 精密仪器(测定50多种同位素,第一张同位素表)1934年 Stephens 均匀扇形磁场 球差和质量色散公式Herzog 和 Hintenberger 电磁场组合 离子光学系统1940年 尼尔(Nier)设计出单聚焦磁质谱仪1942年 第一台商品质谱仪；1946年 Stephens飞行时间质谱(Time-of flight mass analysis)1953年 Paul和Steinwedel四极杆分析器(Quadrupole analyzers)1954年 Inghram和Hayden报道的Tandem系统,即串联的质谱系统(MS/MS)1955年 Wiley&Mclarens 飞行时间质谱仪；1956年 Gohlke and McLafferty 气相色谱-质谱联用(GC/MS)Beynon 高分辨质谱仪(High-resolution MS),1960年 尼尔(Nier)设计并制成了一台小型的双聚焦质谱仪；1965年 Hipple等,离子回旋共振(Ion Cyclotron Resonance)1966年 Munson&Field化学电离(Chemical ionization)1967年 McLafferty&Jennings,串联质谱(Tandem mass spectrometry)1973年 McLafferty 液相色谱-质谱联用(LC/MS),热喷雾方法1974年 Comisarow和Marshall 傅立叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR-MS)1979年 传送带式LC/MS接口成为商业产品；1981年 Barber等 快原子轰击电离质谱(FAB MS)小分子 2000以内1982年 离子束LC/MS接口出现；1984年 第一台电喷雾质谱仪宣告诞生；1989年 John.B.Fenn 电喷雾电离 Koichi Tanaka 基质辅助激光解吸电离1990年 Katta&Chait 电喷雾电离质谱观察蛋白质构象改变1993年 商品电喷雾质谱仪1995年 付立叶变换离子回旋共振质谱仪(与ESI和MALDI联用）1998年 高分辨飞行时间质谱仪(Delay Extract Reflectron技术）2000年 静电轨道离子阱质谱 Alexander Makarov,1.4 质谱与诺贝尔奖,Joseph J.Thomson（英,1856-1940）因对气体放电理论和实验研究作出重要贡献并发现电子获1906诺贝尔物理奖 Francis W.Aston(英,1877-1945)因发现非放射性元素中的同位素并开发了质谱仪获1922年诺贝尔化学奖。Hens G.Dohmelt(美,1922-)和 Wolfgang Paul(德,1913-1993),因离子阱的应用获1989年诺贝尔物理奖。John.B.Fenn(美,1917-)和田中耕一(Koichi Tanaka,1959-）因发明了对生物大分子进行识别和结构分析的质谱方法获2002年诺贝尔化学奖。（与NMR方法分享）,8,A.气体入口B.阳极C.放电管D.去抽空泵E.阴极F.磁屏蔽G.冷却水套H.绝缘体I.电场引线J.照相感光检测器,上世纪初,英国学者Joseph.J.Thomson利用低压放电离子源所产生的具有高速度的正电荷离子束,通过一组电场和磁场,不同质荷比的正电荷离子按不同质量而发生半径不同的抛物线轨道偏转,依次达到检测器,在感光板上被记录下来。,Thomson 质谱仪示意图,Francis W.Aston设计的质谱仪,约翰芬恩(John.B.Fenn 1917),田中耕一(Koichi Tanaka1959),使生物大分子相互完整地分离,同时也被电离。,对成团的生物大分子施加强电场,用软激光轰击成团的生物大分子,库尔特维特里希Kurt Wthrich1938,利用NMR技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法,芬恩的电喷雾质谱技术（ESI）原理图,田中耕一的软激光解吸附质谱技术原理图,解决了测定DNA和蛋白质等生物大分子的结构问题,E.D Hoffmam,J.Charette,V.Stroobant.Mass Spectrometry,Principles and ApplicationsJohn Wiley&Sons,1996.F.W.McLafferty.Interpretation of Mass Spectra,3rd ed.Mill Valley:Calif.Univ.Sci.Books.1980【中文版：质谱解析 王光辉等译,化学工业出版社】练振琼:有机质谱解析 四川大学出版社 1990丛浦珠:质谱学在天然有机化学中的应用 科学出版社 1987陈耀祖 等:有机质谱原理及应用，科学出版社，2001,主要参考书,质谱仪的组成：质谱仪由进样系统、离子源、质量分析器、检测系统、真空系统、电子线路和数据采集系统组成,2.1 质谱仪：质谱仪是一种测定气相离子的质量和丰度的仪器,第二节 质谱仪,2.2 真空系统,质谱仪的离子源和质量分析器需要保持真空状态,压力一般在 104 105 Pa和105 106 Pa。氧会烧坏离子源的灯丝；用作加速离子的几千伏高压会引起放电；引起额外的离子分子反应,改变裂解模型,谱图复杂化。,Mass Spectrometry&Vacuum,Vacuum reduces the chance of an ion colliding with other gaseous molecules or other ions.Higher the vacuum,greater the Mean Free Path.Lower the collision rate,greater the chance of detection.Introduce more ions than gas,but gas carries in the ions,therefore more gas means more ions,but more gas also means lower the vacuum.Vacuum determinesSensitivityResolutionApplied voltagesTwo Kinds of vacuum pumps are predominantly used in LC-MS Mechanical or rough pump Turbomolecular(Turbo)pumpVacuum problems,forget mass spectrometry!,Mr.&Ms.LC Emess,2.3 进样系统,在不破坏真空度的情况下,使样品进入离子源。气体可通过储气器进入离子源。易挥发的液体,在进样系统内汽化后进入离子源。难挥发的液体或固体样品,通过探针直接插入离子源。,也称电离和加速室,在这里,被分析物质被电离,生成带电荷的离子。,M,+.,A,+.,+,+,B,+,C,D,+,+.,中性分子或碎片,R,.,50-70eV,2.4 离子源,电子轰击电离 Electron Impact Ionization(EI)化学离子化 Chemical Ionization(CI)场电离,场解吸 Field Ionization(FI),Field Desorption(FD)快原子轰击 Fast Atom Bombardment(FAB)基质辅助激光解析电离 Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization(MALDI)电喷雾电离 Electrospray Ionization(ESI)大气压化学电离 Atmospheric Pressure Chemical Ionization(APCI),离子化方法,M+,(M-R2)+,(M-R3)+,(M-R1)+,Electron Impact（EI）,特点：可提供分子结构信息；缺点：有时不能出现M,离子室内的反应气（甲烷等；10100Pa,样品的103105倍）,电子（100240eV）轰击,产生离子,再与试样分离碰撞,产生准分子离子。,最强峰为准分子离子；谱图简单；不适用难挥发试样；,化学电离（Chemical Ionization,CI）,EI和CI质谱,电压：7-10 kV；d 1 mm强电场将分子中拉出一个电子分子离子峰强碎片离子峰少不适合化合物结构鉴定,阳极,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,阴极,d1mm,场致电离和场解析 Field Ionization（FI）Field Desorption（FD）,惰性气体Ar或Xe的原子首先被电离并被加速,使之具有高的动能,在原子枪(atom gun)内进行电荷交换反应：,Ar+（高动能的）+Ar（热运动的）Ar（高动能的）+Ar+（热运动的）,高动能的Ar或Xe原子束再轰击样品分子使其离子化,快原子轰击Fast Atom Bombardment（FAB）,FAB是目前广泛使用的软电离技术,适用于难汽化,极性强的大分子。样品用基质调节后黏附在靶物上。,常用的基质有甘油,硫代甘油,3-硝基苄醇,三乙醇胺等。,注意：FAB质谱图中会出现基质分子产生的相应的峰及基质分子与样品分子的结合峰。,例如：3-硝基苄醇(M=153)作为基质时,会出现 m/z 154(MH),136（MH H2O）,289(2MH H2O)的峰。,MALDI可使热敏感或不挥发的化合物由固相直接得到离子。,待测物质的溶液与基质的溶液混合后蒸发,使分析物与基质成为晶体或半晶体,用一定波长的脉冲式激光进行照射时,基质分子能有效的吸收激光的能量,使基质分子和样品分子进入气相并得到电离。,MALDI适用于生物大分子,如肽类,核酸类化合物。可得到分子离子峰,无明显碎片峰。此电离方式特别适合于飞行时间质谱计。,基质辅助激光解析电离Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization(MALDI),流出液在高电场下形成带电喷雾,在电场力作用下穿过气帘；气帘的作用：雾化；蒸发溶剂；阻止中性溶剂分子,电喷雾电离（ESI）,Electrospray,Spray of charged microdroplets,Ionization Techniques,ESI,GC,TSP,FAB,Molecular Weight,200,000,15,000,