第五章MS-1质谱
裂解气相色谱-质谱联用
由于在一定条件下，得到的所有正离子碎片的m/e和数量与样品的分子结构 有关，因此质谱可用于分子结构分析。
2.1 质谱分析的基本原理
总离子流色谱图（TIC）
质谱图
e-¯
俵 M
m2 m3
m1
2.2 PyGC/MS分析结果的界面
总离子流 色谱图
分子碎片 的质谱图
2.3 总离子流色谱图（TIC）
8
500000
750℃时PPS裂解的PyGC谱图
PPS的热分解机理
3.5 聚合物热稳定性研究
PIM
PIF
EI源的特点 磁铁
电离效率高,灵敏度高； 应用最广，标准质谱图基本都是采用EI源得到的； 稳定，操作方便，电子流强度可精密控制； 结构简单，控温方便；
电子 加速电压
eee e e
电离室
EI源：可变的离子化能量 (10~240eV)
质量分析器
样品 加热器及 温度控制 电子 收集极
电子能量 分子离子增加
第五章 裂解气相色谱-质谱联用分析 （PyGC/MS）
PyGC/MS分析流程图
裂解气相色谱（PyGC） 质谱（MS）
裂解器
气相色谱
质谱分析
高分子材料受 热分解成许多 能被载气带走 的小分子碎片
小分子碎片混 合物在气相色 谱柱中进行分 离后进入质谱
利用质谱分析 每个小分子碎 片的化学结构ຫໍສະໝຸດ PyGC/MS分析流程示意图
(d) 保留时间为 155min的裂解 组分的MS图
（苯乙烯） 推断出未知共聚物为甲基丙烯酸甲酯－丁二烯－苯乙烯三元共聚物（MBS）
3.2 共聚物和共混物的鉴别
①
②
③
④
苯乙烯（St）－丙烯腈（AN） 共聚物的PyGC谱图
第五章MS-1质谱
3. 高分辨质谱法
该方法适合于大分子如蛋白质、核酸等的质谱分析。
7. 电喷雾电离（electrospray ionization，ESI）
带正电荷的液滴
注射器
进样器
加上3~5KV的正电压
泵
样品
多电荷离子
质量分析器
强静电场
溶剂
接地电极
该方法适合于分析极性强、热稳定性差的大分子如
蛋白质、多肽、1.糖溶剂类等的质2.谱带电分液 析。
H为磁场强度
代入(1)式得：
m / z H 2R2 2V
这就是质谱的基本方程
5.1.3 质谱仪
质谱仪器主要由真空系统、 进样系统、离子源、加速 电场、质量分析器、收集 和记录装置组成。
5.1.3.1 真空系统
整个系统都为高真空， 离子源： 10-610-7 mmHg 质量分析器:10-710-8 mmHg。
5.1.3.2 进样系统
样品量一般在10ug以下 进样方式：
直接进样 色谱进样
GC/MS
联用仪器（ THE GC/MS PROCESS ）
1.0 DEG/MI
N
Sample
DC AB
Sample
HEWLETT PACKARD
5890
Gas Chromatograph (GC)
B
A
CD
Separation
2）利用同位素峰簇的相对丰度推导化合物的分子 式
a. 从 M+1 峰与 M 峰强度的比值 可估算出分子中含碳的数目
式中 I(M+1) 和 I(M) 分别表示 M+1 峰和 M 峰的（相对）强度
b. 从 M+2 峰与 M 峰强度的比值 可估算出分子中含 S，Cl，Br 的数目
MS-1质谱-波谱分析课程
Nobel Laureate (1922): Francis William Aston
(1877 - 1945) Cambridge University Cambridge, Great Britain
The Nobel Prize in Chemistry 1922
"for his discovery, by means of his mass spectrograph, of isotopes, in a large number of non-radioactive elements, and for his enunciation of the whole-number rule"
质谱
Mass Spectrum,MS
主要参考书
E.D Hoffmam,J.Charette,V.Stroobant,Mass Spectrometry, Prenciples and Applications,John Wiley & Sons,1996.
F.W.McLafferty: Interpretation of Mass Spectra,3rd ed Mill Valley: Calif. Univ. Sci. Books. 1980
1989 - ESI of Biomolecules
“The application of ESI to biomolecules was one of the most important discoveries in mass spectrometry in the latter part of the twentieth century.”
Michael Karas University of Frankfurt
lc-ms1质谱
II.
Interfaces
I. II. III. IV. Transport devices Particle Beam Thermospray Atmospheric Pressure Interfaces
1. Historical Perspective
Goldstein – 1886 – Existence of positively charged particles Wein – 1898 – Positively charged ions can be deflected in electrical and magnetic fields J.J. Thomson – 1913 – Demonstrated isotopes of Neon – “Father of mass spectrometry” First GC-MS interface - 1960’s
为了克服这一明显的不相容问题，在过去20年 中已发展了几种不同的接口。
将流量达2 mL/min的液体引进MS的真空系统需要使 用一个合适的接口
HPLC-MS接口的主要困难：
或者需要尽可能多的LC流出物引入 MS以便获得最大的灵敏度；
或者需让待测物在此接口获得有效的 浓缩；
MS的差速抽真空系统可容许引入约 50nL/s的液体流动相 。
The
Effectively replaced transport systems Ionization in a medium pressure environment – Approx. 1000 Pa or 0.01 atm Inlet flows of 1 to 2 mL/min – Can use standard LC column flows Positive and negative ions are possible Temperature optimization is critical – Maintain gas phase
第五章：MS质谱教学
25
105 51
50
77
75 100 150
182
175
m/z
67
解：根据分子式得不饱和度为1+ 13-10/2 =9，可能 含有苯环，由离子 m/z=182为分子离子峰， m/z=105为182-77离子，可能丢失C6H5碎片； m/z=77为105-28离子，可能丢失-CO碎片; m/z=77, 为-C6H5碎片离子峰。故化合物的结构式为
r
v
或m/z =(r2B2e)/2U
10
U
r
m/z = (r2B2e)/2U
11
r
12
基峰：相对强度100% 的离子峰。
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举例
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举例
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举例
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31
邻接C-C不饱和键或苯环、杂芳环的C-C键易断裂
断裂反应：
68
（所得C+稳定性顺序）
32
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5.3.4 常见有机化合物的碎裂
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5.3.4 常见有机化合物的碎裂
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5.3.4 常见有机化合物的碎裂
MS-质谱
MS - 质谱入门了解质谱本入门指南覆盖了现代质谱实践相关的大部分主题，并解答了质谱使用和性能方面的一些常见问题。
文中还提供了便于深入学习相关文章的链接。
第一部门内容讨论谁使用质谱仪的问题，接着讲述化合物在离子源怎样被电离，以便于质谱仪分析。
然后通过对质量准确性和分辨率等重要主题的讨论，或我们怎样区分紧密相关化合物之间的差别，来讲述各种类型的质谱仪。
本指南涉及化学、样品制备和数据处理，以及当今最流行的MS应用中一些专业用语的定义。
谁要使用质谱？在考虑使用质谱仪(MS)之前，应当考虑您分析工作的类型、您预期获得的结果等：- 您分析的是像蛋白质、肽等大分子，还是获取水溶性小分子的数据？- 您在确定的水平寻找目标化合物，还是表征未知样品？- 针对复杂基质，您当前的分离技术抗干扰能力强吗，或者您必须开发新的方法？- 您要求单位质量精度(比如400 MW)，或5 ppm的质量精度(比如，400.0125 MW或质量为400时准确度为2 mDa)？- 您必须每天处理几百个样品？上千个样品？上万个样品？Who Uses MS?图1：表征被测物特征的能力随质谱性能的增加而增强。
化学、生物化学和物理学领域的各学科和分支学科的研究人员和专业技术人员通常会用到质谱分析。
医药工业领域的工作人员在进行药物发现和药物开发时需要利用MS的特异性、动态范围及其灵敏度，区分复杂基质中紧密相关的代谢物，从而鉴定并量化代谢物。
尤其是在药物的开发过程中，药物需要进行鉴定、纯化，确定早期的药代动力学，MS已经证实是不可或缺的工具。
生物化学家扩展了MS的使用领域，将其应用到蛋白、肽和寡核苷酸的分析中。
使用质谱仪，生物化学家们能够监测酶的反应，确定氨基酸序列，并通过包含有蛋白裂解片段衍生物样品数据库鉴别大分子蛋白。
生物化学家通过氢－氘交换在生理条件下形成重要的蛋白-配体的复合物，监测蛋白质的折叠。
临床化学家在药物检测和新生儿筛查中也应用MS，取代结果不确定的免疫分析。
第五章：质谱法测定分子结构(二)-大分子
一个很有前途的样品制备方法是电喷雾沉积法，比起传统的干点甚或薄层法， 电喷雾法的优点在于它可以形成小而均匀的结晶体。电喷雾沉积法制得样品的点 点之间重复性好，并且信号强度较大，层式的电喷雾效果更好一些。
➢ 压片法
对于不溶的高分子样品，如聚氨酯和大的多环芳香化台物，发展了一砷新的 制样方法—压片法．即将样品和基质按一定比例混合后用球磨机研磨均匀，压成 薄片进行MALDI-TOF-MS分析。
NH2
OC2H5 NN
Cl [ N N
H
OC2H5 NN
Cl [ N N
H
OC2H5 NN
HO [ N N
H
OC2H5
HN N
N
]
n
N
Cl
OC2H5
HN N
N
]
n
N
OH
OC2H5
HN N
N ]n N
OH
3、高分子混合物分析
第五章：质谱法测定分子结构
用MALDI分析不同种类的高分子混合物的文章很少．也许是因为离 子化效率的显著不同和其他一些歧视固素。例如二两种窄分布的标准品 PS10200和和PMMA9200分别溶解在THF中，以几种体积比混合，接着以 IAA为基质加甲酸钠或以蒽三酚为基质加三氟乙酸银。在第一套实验方案 中，PS和PMMA的体积比从0:1增加到199:1，基质是IAA/Na，也就是对 PMMA是最佳条件，试验结果十分令入惊奇，甚至PMMA是以0 5％的不 纯物存在干PS中，质谱图仍然是PMMA的[M＋Na]+峰为主要峰。在第二套 实验中，PS和PMMA的体积比从1:0到1:9，基质是蒽三酚/Ag．也就是PS 的最优化条件。在所有混合物实验中，PMMA是主要离子，而PS仅以相对 干PMMA为10%的峰出现，质谱图上主要是PMMA的峰。
第五章 液相色谱质谱
第五章液相色谱-质谱分析技术理论与应用第一节液相色谱—串联质谱分析技术的原理一、质谱法质谱法(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。
质谱法测量的对象是必须是带电离子。
质谱法的特点：质谱不属波谱范围；谱图与电磁波的波长和分子内某种物理量的改变无关；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；谱是唯一可以给出分子量，确定分子式的方法，而分子式的确定对化合物的结构鉴定是至关重要的。
利用质谱仪可进行同位素分析，化合物分析，气体成分分析以及金属和非金属固体样品的超纯痕量分析。
在有机混合物的分析研究中证明了质谱分析法比化学分析法和光学分析法具有更加卓越的优越性，其中有机化合物质谱分析在质谱学中占最大的比重，全世界几乎有3/4仪器从事有机分析，现在的有机质谱法，不仅可以进行小分子的分析，而且可以直接分析糖，核酸，蛋白质等生物大分子，在生物化学和生物医学上的研究成为当前的热点，生物质谱学的时代已经到来，当代研究有机化合物已经离不开质谱仪。
1、质谱法用于结构分析的流程质谱法是有机分子通过电子轰击，得到分子离子和碎片离子，通过分离、收集和记录得到样品的结构信息。
由分子结构与裂解方式的经验规律，根据分子离子和各种碎片离子的质荷比及其相对丰度，就可以进行结构分析。
具体流程如下：有机分子通过电子轰击，试样中各组分电离生成不同荷质比的离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器，利用电场和磁场使发生相反的速度色散——离子束中速度较慢的离子通过电场后偏转大，速度快的偏转小；在磁场中离子发生角速度矢量相反的偏转，即速度慢的离子依然偏转大，速度快的偏转小；当两个场的偏转作用彼此补偿时，它们的轨道便相交于一点。
与此同时，在磁场中还能发生质量的分离，这样就使具有同一质荷比而速度不同的离子聚焦在同一点上，不同质荷比的离子聚焦在不同的点上，将它们分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量。
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5.1.6 质谱术语
基峰：质谱图中离子强度最大的峰，规定其相对强度（RI）
或相对丰度（RA）为100。
精确质量：低分辨质谱中离子的质量为正数，高分辨质谱给
出分子离子或碎片离子的精确质量，其有效数字视 质谱计的分辨率而定。
CO、N2、C2H4 的精确质量依次为： 27.9949、28.0062、28.0313
HEWLETT 5972A PACKARD
Mass Selective
Detector
Mass Spectrometer (MS)
A B C D
Identification
HPLC/MS
5.1.3.3 离子源
1. 电子流轰击电离（electron impact, EI）
灯丝
电子流能量为70eV 离子化室温度为220C 排斥电极
e m/z 78
分子离子峰的应用： 分子离子峰的质荷比就是化合物的相对分子质量，所以，
用质谱法可测分子量。
磁体
检测器
仪器分辨率不高，质量范围宽，扫描速度快。
5. 傅利叶变换离子回旋共振质谱（FT—ICR）
仪器分辨率极高，测量精度好，质量范围宽，扫描速度快。
5.1.5 质谱图的组成
质谱图由横坐标、纵坐标和棒线组成。
横坐标标明离子质荷比（m/z）的数值，纵坐标标明各峰 的相对强度，棒线代表质荷比的离子。图谱中最强的一 个峰称为基峰，将它的强度定为100。
5.1.7 质谱中的各种离子
1. 分子离子
分子被电子束轰击失去一个电子形成的离子称为分子离子。 分子离子用 M+• 表示。分子离子是一个游离基离子。
在质谱图上，与分子离子相对应的峰为分子离子峰。
O C CH3
-eBiblioteka O ·+ C CH3
or
M +·
+O· C CH3
M +·
分子离子峰是否出现决定于它的稳定性，只要分子离子中的正 电荷可以被分散，则可使分子离子稳定，分散程度越大，分子 离子越稳定。
该方法适合于大分子如蛋白质、核酸等的质谱分析。
7. 电喷雾电离（electrospray ionization，ESI）
带正电荷的液滴
注射器
进样器
加上3~5KV的正电压
泵
样品
多电荷离子
质量分析器
强静电场
溶剂
接地电极
该方法适合于分析极性强、热稳定性差的大分子如
蛋白质、多肽、1.糖溶剂类等的质2.谱带电分液 析。
当被加速的离子进入磁分析器时，磁场再对离子进行作用，让每
一个离子按一定的弯曲轨道继续前进。其行进轨道的曲率半径决
定于各离子的质量和所带电荷的比值m/z。此时由离子动能产生的
离心力(mv2/R)与由磁场产生的向心力(Hzv)相等：
mv2 Hzv R
由此式得：
v RHz m
(2)
其中：R为曲率半径
1. 单个扇形磁场组成的单聚焦质量分析器
分辨率较低
2. 扇形静电场和扇形磁场组成的双聚焦质量分析器
分辨率高，适用于高分辨质谱（HRMS）的分析
3. 四极杆质量分析器
分辨率低，常用与组成 色—质联用仪和串连质谱
4. 飞行时间质谱（TOF）
灯丝
磁体
加 速电 场
V
排 斥电 极
离子
漂移管 L
收 集电 极 S
e CH4 CH5 + +
CH4 +· CH4 CH5 + + C·H3
RH
RH2+ + CH4
(M+1)
灯丝 EI
收集电极 CI
CI法可以得到较强的分子离子（M+1）
3. 场致电离（field ionization，FI）
可得到稳定的分子离子峰
4. 场致解吸电离（field desorption，FD）
收集电极 S
磁体 离子
磁体
加速电场 质量分析器
EI法可以使很多的有机化合物产生分子离子的同时， 产生相当多的碎片离子。
2. 化学电离（chemical ionization，CI）
在离子化室中用电子流轰击反应气体甲烷，生成相应的离子， 再让离子与所测样品进行离子—分子反应，得到样品的分子离 子（M+1）。
5.1.2 基本原理
质谱仪示意图
供电系统
进样系统
离子源
质量分析器
真空系统
离子检测器 记录仪
M
电子流 -e
M +·
m1+ 、m2+ 、m3+ ···
质谱仪示意图
离子生成后，在质谱仪中被电场加速。加速后其动能和位能相等
即：
1 mv2 zV (1)
2
其中 m: 离子质量；v: 离子速度；z: 离子电荷；V: 加速电压
H为磁场强度
代入(1)式得：
m / z H 2R2 2V
这就是质谱的基本方程
5.1.3 质谱仪
质谱仪器主要由真空系统、 进样系统、离子源、加速 电场、质量分析器、收集 和记录装置组成。
5.1.3.1 真空系统
整个系统都为高真空， 离子源： 10-610-7 mmHg 质量分析器:10-710-8 mmHg。
样品不需要气化，可使很多难挥发及加热时发生分解的样品获 得稳定的分子离子峰。
5. 快原子轰击电离（fast atom barmbardment, FAB）
该方法使分子电离的能量很低，容易得到（M+1）峰，特别适 用于高极性、分子量大、难挥发和受热分解化合物的质谱测定。
6. 基质辅助激光解吸电离（matrix assisted laser desorption/ ionization， MALDI）
5.1.3.2 进样系统
样品量一般在10ug以下 进样方式：
直接进样 色谱进样
GC/MS
联用仪器（ THE GC/MS PROCESS ）
1.0 DEG/MI
N
Sample
DC AB
Sample
HEWLETT PACKARD
5890
Gas Chromatograph (GC)
B
A
CD
Separation
挥发
滴裂分 1, 2
[M + nH]+
大气压化学电离（APCI）与ESI相似，可相互补充。
2002年诺贝尔化学奖 生物大分子进行识别和结构分析
约翰·芬恩
田中耕一
对生物大分子进行质谱分析的 “软解吸附作用电离法”
库尔特·维特里希
开发出了用来确定溶液中生物 大分子三维结构的核磁共振技术
5.1.4 质量分析器
第五章 质谱
5.1 质谱的基本知识
5.1.1 定义：
使待测的样品分子气化，用具有一定能量的 电子束（或具有一定能量的快速原子）轰击气态分 子，使气态分子失去一个电子而成为带正电的分子 离子。分子离子还可能断裂成各种碎片离子，所有 的正离子在电场和磁场的综合作用下按质荷比 （m/z）大小依次排列而得到谱图。