質(zhì)譜分析法課件

第九章質(zhì)譜分析法

（massspectrometry,MS）

9.1

質(zhì)譜分析的基本原理9.2質(zhì)譜儀9.3

質(zhì)譜中的離子類型9.4

質(zhì)譜分析法的應(yīng)用9.5

拓展視窗---生物大分子的質(zhì)譜分析第九章質(zhì)譜分析法

（massspectrometry,

哈羅德·克萊頓·尤里(HaroldClaytonUrey)美國宇宙化學(xué)家、物理學(xué)家。1893年4月29日生于美國印第安納州的沃克頓。因發(fā)現(xiàn)氘(重氫，氫的同位素)而獲得1934年諾貝爾化學(xué)獎。

羅伯特·F.·科爾、哈羅德·W.·克羅托和理查德·E·斯莫樂，因為他們發(fā)現(xiàn)了具有特殊結(jié)構(gòu)的碳60，即“富勒烯”。這種獨特結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，創(chuàng)立了一個嶄新的化學(xué)分支，由此獲得1996年諾貝爾化學(xué)獎。哈羅德·克萊頓·尤里(HaroldClayton約翰·芬恩田中耕一庫爾特·維特里希

２００２年諾貝爾化學(xué)獎表彰兩項成果。一項是美國科學(xué)家約翰·芬恩與日本科學(xué)家田中耕一“發(fā)明了對生物大分子的質(zhì)譜分析法”，另一項是瑞士科學(xué)家?guī)鞝柼亍ぞS特里?！鞍l(fā)明了利用核磁共振技術(shù)測定溶液中生物大分子三維結(jié)構(gòu)的方法”。約翰·芬恩田中耕一庫爾特·維特里希２００２年諾貝9.1質(zhì)譜分析的基本原理9.1.1質(zhì)譜分析的基本原理

9.1質(zhì)譜分析的基本原理9.1.1質(zhì)譜分析的基本原理磁質(zhì)譜通過進樣系統(tǒng)是將樣品導(dǎo)入離子源。在離子源內(nèi)，試樣分子電離成帶正荷的離子。正離子進入加速盤及狹縫區(qū)加速、準(zhǔn)直后，射入質(zhì)量分析器的分離管（壓力為10-7Pa），當(dāng)快速運動的粒子通過磁場時，不同質(zhì)荷比（質(zhì)量電荷比，m/z）的離子在磁場中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，按不同的方向運動而得以分離。由質(zhì)量分析器分離的離子被離子檢測器所檢測和記錄。由離子源中產(chǎn)生的各種質(zhì)荷比m/z離子，在離子加速區(qū)被加速時，離子在電場中的勢能被轉(zhuǎn)化為動能，即：v為加速后離子的運動速度，U為加速電壓（1-8KV），z為離子電荷數(shù)，m為離子的質(zhì)量。磁質(zhì)譜通過進樣系統(tǒng)是將樣品導(dǎo)入離子源。在離子源內(nèi)，試質(zhì)量為m電荷為z的離子以速度v進入質(zhì)量分析器后，在高真空的分析器中，離子受到磁場力的作用，將在與磁場垂直的平面內(nèi)，作勻速圓周運動。離子做圓周運動所需的向心力等于其在磁場中所受到的洛倫茲力Hzv，即:或式中，H為磁場強度，R離子偏轉(zhuǎn)半徑。這樣就可以得到下式：或

質(zhì)量為m電荷為z的離子以速度v進入質(zhì)量分析器后，在高真空的分在磁場中離子運動的半徑R由離子的質(zhì)荷比m/z、離子室的加速電壓U、質(zhì)量分析器中的磁場強度H

三者決定。當(dāng)檢測器位置固定（偏轉(zhuǎn)半徑R為確定值），且加速電壓U和磁場強度H為一固定值時，只有質(zhì)荷比m/z滿足公式的離子可以通過質(zhì)量分析器的狹縫到達(dá)檢測器得以檢測。如果改變離子源的加速電壓U（電掃描）或質(zhì)量分析器的磁場強度H（磁掃描），離子的軌道半徑就發(fā)生變化，不同質(zhì)荷比的離子就可以在不同的磁場強度下先后通過質(zhì)量分析器的狹縫，被檢測器所檢測，得到按質(zhì)荷比m/z從小到大排列的質(zhì)譜，這就是質(zhì)譜分析的原理。在磁場中離子運動的半徑R由離子的質(zhì)荷比m/z、離子9.1.2質(zhì)譜圖

質(zhì)譜數(shù)據(jù)最常用的表示方法種是棒狀圖，即質(zhì)譜圖（massspectrum）。下圖是多巴胺的質(zhì)譜圖。圖1多巴胺的質(zhì)譜圖9.1.2質(zhì)譜圖圖1多巴胺的質(zhì)譜圖

在質(zhì)譜圖中，一般橫坐標(biāo)為質(zhì)荷比m/z，縱坐標(biāo)表示離子豐度，通常用相對強度或相對豐度表示，以最強峰的高度定為100%（稱為基峰，basepeak，見圖中m/z=124的峰），其他各峰的高度相對于基峰的高度即為其他離子的相對強度。從圖中可以看到，除了m/z=153的多巴胺分子離子峰M+（圖中一般用M表示）以外，還有m/z為30、36、51、77、123、124等許多豐度不等的離子峰也出現(xiàn)在質(zhì)譜圖中，這些是多巴胺的碎片離子峰。在質(zhì)譜圖中，一般橫坐標(biāo)為質(zhì)荷比m/z，縱坐標(biāo)表示離子9.2質(zhì)譜儀9.2.1質(zhì)譜儀的構(gòu)成質(zhì)譜儀一般由進樣系統(tǒng)、離子源、質(zhì)量分析器、收集檢測器、和真空系統(tǒng)等5個部分組成。9.2質(zhì)譜儀9.2.1質(zhì)譜儀的構(gòu)成1．進樣系統(tǒng)質(zhì)譜儀的離子源、質(zhì)量分析器、檢測器等部分都需要在一定的真空度條件下工作。將試樣引入質(zhì)譜離子源過程，必須保證基本不影響質(zhì)譜儀的真空度。引入試樣的方法可分為直接進樣和色譜聯(lián)用系統(tǒng)進樣。（1）直接進樣系統(tǒng)直接進樣系統(tǒng)是將氣體、液體、固體試樣，通過一定的裝置，直接引入離子源的方法。根據(jù)所適用的對象，又有間隙式進樣和探針桿直接進樣。間隙式進樣適用于氣體或揮發(fā)性液體和固體試樣。通過加熱使試樣管內(nèi)的試樣揮發(fā)至貯樣器（真空度10-3Pa），用閥切換將貯樣器內(nèi)的氣態(tài)試樣，通過小孔以分子流的形式漏入真空度更高（10-5Pa）的離子源。探針桿直接進樣對于沸點較高的液體和固體樣品，可采用探針桿直接進樣。探針桿長約25cm，桿尖帶有一試樣探針（試樣杯。將探針桿的尖端插入質(zhì)譜儀接近離子源后，加熱升溫，使樣品氣化為蒸氣后被引入離子源。1．進樣系統(tǒng)（2）色譜聯(lián)用進樣系統(tǒng)質(zhì)譜進樣系統(tǒng)發(fā)展較快的是多種色譜/質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)，將氣相、液相色譜的柱后流出物導(dǎo)入質(zhì)譜的離子化器，經(jīng)離子化后供質(zhì)譜分析。其特點是可用于分析復(fù)雜試樣的各種組份。（2）色譜聯(lián)用進樣系統(tǒng)2．離子源

離子源（ionsource）是將樣品的中性分子電離成離子。對于有機分子來說，在離子化的過程中，多會發(fā)生分子的裂解，形成各種質(zhì)荷比的碎片離子。離子源的性能決定了離子化效率，影響質(zhì)譜儀的靈敏度，而且決定分子裂解的方式和程度，也決定化合物質(zhì)譜圖的面貌。

常見的離子化方式有兩種：一種是氣相離子源，樣品在其中以氣體的形式被離子化。氣相離子源適合用于沸點低于500

C的熱穩(wěn)定性化合（分子量小于103）。另一種是解吸離子源，固態(tài)或液態(tài)試樣不必經(jīng)揮發(fā)過程而直接離子化，適用于分子量較高、非揮發(fā)性或熱穩(wěn)定性差的試樣。

按照離子源能量的強弱，可分成硬離子源和軟離子源。氣相離子源的離子化能量高，多產(chǎn)生質(zhì)荷比小于分子離子的碎片離子，可以得到分子官能團的信息；后者能量低，樣品分子被電離后，主要是以分子離子的形式存在，其質(zhì)譜圖相對簡單。2．離子源表1質(zhì)譜儀常用的幾種離子源中英文名稱及縮寫類型離子化試劑工作狀態(tài)主要特點電子轟擊電離（ElectronImpactIniozation，EI）氣相高能電子真空硬離子源化學(xué)電離（ChemicalIonization，CI）氣相試劑離子真空軟離子源場電離（FieldIonization，F(xiàn)I）氣相高電場軟離子源，易得到分子離子峰場解吸（FieldDeporption，F(xiàn)D）解吸高電場真空軟離子源，易得到分子離子峰快速原子轟擊（FastAtomBombardment，F(xiàn)AB）解吸高能原子束真空軟離子源，可同時生成正負(fù)離子，兩種離子都可以用質(zhì)譜進行分析二次離子質(zhì)譜（SecondaryIonMS，SIMS）解吸高能離子束真空軟離子源，采用液體基質(zhì)負(fù)載樣品質(zhì)子化形成MH+離子基質(zhì)輔助激光解吸電離（AtmosphericPressureMatrixAssistedLaserDesorptionIonization，MALDI）解吸激光束大氣壓軟離子源，適于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易氣化的生物大分子電噴霧電離（ElectrosprayIonization，ESI）--荷電微粒能量大氣壓軟離子源，電離過程中產(chǎn)生多重質(zhì)子化離子表1質(zhì)譜儀常用的幾種離子源類型離子化試劑工作狀態(tài)主要特點電（1）電子轟擊源

電子轟擊電離源（electronimpactionization,EI）是通過電子束與氣態(tài)的試樣分子直接作用而導(dǎo)致分子電離甚至裂解的，其結(jié)構(gòu)示意如下圖所示。（1）電子轟擊源

被檢測樣品以氣態(tài)形式進入離子源。在離子化室內(nèi)，電加熱的燈絲產(chǎn)生電子，在燈絲（陰極）和陽極間加數(shù)十伏直流電壓，電子加速形成高速電子束（能量為10～70eV）進入離子化區(qū)。高能電子和氣態(tài)樣品分子的路徑垂直，它們在離子源的中心碰撞，使分子離解產(chǎn)生正離子。在推斥極和加速極之間的電場，引導(dǎo)正離子穿過狹縫，進入離子加速區(qū)。在加速極的高電壓（數(shù)千伏）的作用下，正離子獲得一定的速度，從狹縫射入質(zhì)量分析器。電子轟擊電離源的能量高，有機化合物分子可以被打掉一個電子形成分子離子，并進一步發(fā)生化學(xué)鍵斷裂和重排形成多種質(zhì)荷比的正離子，其結(jié)果使分子離子的豐度很低。電子轟擊源是典型的硬離子源，其能提供有機化合物最豐富的結(jié)構(gòu)信息，有較好的重現(xiàn)性。被檢測樣品以氣態(tài)形式進入離子源。在離子化室內(nèi)，電加（2）化學(xué)電離

化學(xué)電離源（chemicalionization,CI）工作時需要向離子室引入一定壓力（約102Pa）的反應(yīng)氣（如甲烷、丙烷、異丁烷和氨氣等）。反應(yīng)氣在電子流的作用下電離，生成的離子通過質(zhì)子交換使樣品分子電離?，F(xiàn)以甲烷作為反應(yīng)氣，說明化學(xué)電離的離子化過程。反應(yīng)氣受電子轟擊，電離成離子：CH4+

和CH3+很快與大量存在的CH4分子起反應(yīng)，即（2）化學(xué)電離生成加合離子CH5+和C2H5+。加合離子與試樣分子（SH）發(fā)生下列反應(yīng)：所生成的SH+和S+可進一步碎裂，形成質(zhì)譜?；瘜W(xué)電離通常得到準(zhǔn)分子離子，如果樣品分子的質(zhì)子親和勢大于反應(yīng)氣的質(zhì)子親和勢，則生成[M+H]+，反之則生成[M-H]+。生成加合離子CH5+和C2H5+。加合離子與試樣3．質(zhì)量分析器質(zhì)量分析器（massanalyzer）是質(zhì)譜儀中分離不同質(zhì)荷比離子的部件。根據(jù)工作原理的不同，主要有磁質(zhì)譜分析器，飛行時間質(zhì)譜分析器，四極桿質(zhì)譜分析器，離子阱質(zhì)譜分析器和傅里葉轉(zhuǎn)換質(zhì)譜分析器等。1）磁偏轉(zhuǎn)式分析器磁質(zhì)譜分析器（magnetic-sectoranalyzer）是利用外加磁場使得不同質(zhì)荷比的離子在飛行過程中發(fā)生不同的角度偏轉(zhuǎn)，使不同的離子得以分離。3．質(zhì)量分析器雙聚焦分析器是在離子源和磁場之間增加一個靜電分析器，通過串聯(lián)電場和磁場的共同作用，在實現(xiàn)不同質(zhì)荷比離子的按不同方向聚焦的同時，還能實現(xiàn)質(zhì)荷比相同但速度不同的離子聚焦。因此，雙聚焦分析器的分辨可以高達(dá)100，000。雙聚焦分析器是在離子源和磁場之間增加一個靜電分析（2）飛行時間質(zhì)量分析器

飛行時間質(zhì)量分析器（timeofflightmassanalyzer，TOF）的離子分離是用非磁方式實現(xiàn)的。從離子源飛出的離子的動能基本一致，但因質(zhì)量不同而有不同的速度v

在從離子源射入分析器后，進入一長約1m的無電場與磁場的場漂移管，具有初速度為v的離子經(jīng)過長度為L的漂移管所需的時間t=L/v，

離子的飛行時間t由離子質(zhì)荷比的平方根所決定。

（2）飛行時間質(zhì)量分析器飛行時間分析器設(shè)備簡單（不需要磁場和電場），掃描速度快（10-5-10-6s可記錄整段質(zhì)譜），靈敏度高，質(zhì)量范圍寬（可達(dá)160000甚至更高），適合與研究快速反應(yīng)以及與色譜的聯(lián)用。飛行時間分析器與新型軟離子源基質(zhì)輔助激光解吸離子化源（MALDI）結(jié)合的質(zhì)譜分析系統(tǒng)已成為生物大分子分析的強有力工具。飛行時間分析器設(shè)備簡單（不需要磁場和電場），掃（3）四極桿質(zhì)量分析器四極桿質(zhì)量分析器（quadrupolemassfilter），由四根截面為雙曲面或圓形的棒狀電極組成。四根電極中相對的兩根為一組，在兩組電極上加一定的直流電壓和射頻交流電壓。在一定的直流電壓、交流電壓和交流頻率下，只有符合一定質(zhì)荷比m/z的離子能通過四極桿而達(dá)到檢測器，而其它離子卻因在運動過程中碰撞圓筒形電極而被“過濾”掉。當(dāng)連續(xù)改變直流電壓和交流電壓大小或保持電壓不變連續(xù)改變交流電的頻率，就可以使不同質(zhì)荷比m/z的依次達(dá)到檢測器，得到質(zhì)譜圖。（3）四極桿質(zhì)量分析器質(zhì)譜常用質(zhì)量分析器的分析性能比較a質(zhì)量分析器精密度b分辨率m/z范圍掃描速度磁分析器（magnetic-sectoranalyzer）<0.0005%(5×10-6)3000010000秒飛行時間（timeofflightmassanalyzer，TOF）0.02~0.2%(200×10-6)8000>300000毫秒四極桿（quadrupolemassfilter）0.01%(100×10-6)40004000秒離子阱（iontrapmassanalyzer）0.01%(100×10-6)40004000秒傅里葉轉(zhuǎn)換離子回旋共振（Fouriertransformioncyclotronresonance,FT-ICR）<0.0005%(5×10-6)10000010000秒

a:以電噴霧為離子源；分析性能隨儀器而異。b:括號中的數(shù)據(jù)為對應(yīng)的分析物濃度。質(zhì)譜常用質(zhì)量分析器的分析性能比較a質(zhì)量分析器精密度b分辨率m4．離子檢測器質(zhì)譜分析儀中常用的檢測器有電子倍增管、法拉第杯、閃爍計數(shù)器等。其中，電子倍增管的工作原理與光譜儀器中應(yīng)用的光電倍增管相似，即一定能量的離子轟擊陰極導(dǎo)致電子發(fā)射，電子在電場的作用下，依次轟擊下一級電極而被放大，放大倍數(shù)可達(dá)105-108。檢測器產(chǎn)生的電信號經(jīng)放大后，由計算機處理，即可得到質(zhì)譜圖。4．離子檢測器5.真空系統(tǒng)如果質(zhì)譜儀中，沒有符合要求的真空狀態(tài)，離子在飛行過程中就會與氣體分子發(fā)生碰撞，由此而產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致質(zhì)譜背景升高、質(zhì)譜復(fù)雜化、及分析誤差。因此，必須保持質(zhì)譜儀系統(tǒng)良好的真空狀態(tài)，其中離子源的真空度要求10-5Pa甚至更低，質(zhì)量分析器的真空度要求更高（10-7Pa）。由于一般的機械真空泵所能達(dá)到的真空度有限（0.1Pa），所以目前的質(zhì)譜儀中多使用渦輪分子泵和機械真空泵配合使用，前者直接與離子源或質(zhì)量分析器相連，抽出的氣體再用機械泵排除出系統(tǒng)以外。5.真空系統(tǒng)9.2.2質(zhì)譜儀的主要性能指標(biāo)質(zhì)譜儀性能主要有質(zhì)量范圍、分辨率和靈敏度。分辨率（resolution）分辨率表示質(zhì)譜儀將兩個相鄰質(zhì)量數(shù)離子分開的能力。一般以為，對兩個相等強度的相鄰峰，當(dāng)兩峰間的峰谷不大于其峰高10%時，表示兩峰正好能分辨，其分辨率R為其中m1，m2為質(zhì)量數(shù)，且m1＜m2

。故在兩峰質(zhì)量相差越小時，要求儀器分辨率越大。9.2.2質(zhì)譜儀的主要性能指標(biāo)按照分辨率的高低，有機質(zhì)譜儀可以分為低分辨率儀器（R≤10，000）、中分辨率儀器（R=10，000-50，000）和高分辨率儀器（R≥50，000）。其中傅立葉變換回旋共振質(zhì)譜儀分辨率可以達(dá)到R=1000，000，而四極桿質(zhì)譜儀和飛行時間質(zhì)譜儀屬于低分辨率質(zhì)譜儀。按照分辨率的高低，有機質(zhì)譜儀可以分為低分辨率儀器

靈敏度（sensitivity）

靈敏度有絕對靈敏度、相對靈敏度和分析靈敏度之分。絕對靈敏度指的是儀器可以檢測的最小試樣量；相對靈敏度是指質(zhì)譜儀可以同時檢測到的大組份與小組份的含量之比。分析靈敏度指的是輸入儀器的試樣量與儀器輸出的信號之比。在線四級質(zhì)譜氣體分析儀，靈敏度：5×10-4法拉第杯.分辨率：≤1amu靈敏度（sensitivity）在線四級質(zhì)譜氣體9.3

質(zhì)譜中的離子類型在離子源尤其是能量較高的電子轟擊離子源中，同一種分子可以產(chǎn)生多種不同m/z的多種離子，因而在質(zhì)譜圖中顯示出不止一種離子峰。以A、B、C、D

代表四種元素，組成ABCD化合物在離子源中可能發(fā)生以下離子化和裂解過程：9.3質(zhì)譜中的離子類型在離子源尤其是能量較高的電子1．分子離子分子失去一個電子而得到的離子稱為分子離子（molecularion），表示為M+。分子離子峰所對應(yīng)的m/z值即為分子的相對分子量。幾乎所有的有機分子都可以產(chǎn)生可辨別的分子離子峰。有機分子中，最容易失去電子的是雜原子上的孤對電子，其次是

電子，再者是

電子。所以，對于含O，N，S等雜原子的化合物，總是先在雜原子的孤對電子上失去一個電子，形成分子離子，如1．分子離子式中氧原子上的“

+”表示孤對電子失去一個電子生成的分子離子。當(dāng)含有雙鍵而無雜原子的化合物，雙鍵裂解而失去一個電子，生成分子離子的電荷在雙鍵碳上，可以表示為：或當(dāng)難以判斷分子離子的電荷位置時，可以表示為，如式中氧原子上的“+”表示孤對電子失去一個電子生成的分子離2．碎片離子在離子源中，一些具有較高能量的分子離子，會通過進一步碎裂或重排釋放能量，碎裂后產(chǎn)生離子稱為碎片離子（fragmention）。在各種m/z的碎片離子峰中，強度最大的質(zhì)譜峰稱為基峰，它對應(yīng)于最穩(wěn)定的碎片離子。在有機化合物中，C-H鍵往往比C-C鍵穩(wěn)定，所以烷烴的斷裂一般發(fā)生在C-C鍵之間，并且較容易發(fā)生在支鏈上。形成正離子的穩(wěn)定性順序是叔碳>仲碳>伯碳。下面的碎片是2，2-二甲基丁烷在高能離子源中可能的斷裂形式，其可以形成較為穩(wěn)定的m/z=71和m/z=57的叔碳碎片離子。2．碎片離子3．亞穩(wěn)離子峰具有一定運動速度的質(zhì)量為m1的離子在離開離子源、進入質(zhì)量分析器之前，因為碰撞等原因發(fā)生能量交換，有可能進一步分裂失去一中性碎片而形成質(zhì)量為m2的離子，即由于一部分能量被質(zhì)量為m的中性碎片帶走，m2離子比在離子源中所形成的具有相同質(zhì)量的離子能量小，它在磁場中產(chǎn)生較大的偏轉(zhuǎn)，記錄得到的峰m/z較小。這種峰被稱為亞穩(wěn)離子（metastableion）峰，用

m*表示，它的表觀質(zhì)量m*與m1、m2符合

式中，m1為母離子的質(zhì)量，m2為子離子的質(zhì)量3．亞穩(wěn)離子峰4．重排離子峰分子離子裂解為碎片離子時，有一些碎片離子并非通過簡單的鍵斷裂而形成的，而是通過原子或基團的重排后再開裂而形成的一種特殊碎片離子，這些特殊的離子稱為重排離子（rearrangemention）。例如，芳香族化合物的裂解，可以先失去取代基，再形成穩(wěn)定的且具有代表性的m/z=91的“卓鎓”離子：4．重排離子峰有機化合物有多種類型的重排裂解，最為常見的是Mclafferty重排，故稱為麥?zhǔn)现嘏?。?dāng)化合物中含有不飽和中心C=X（X為O、N、S、C）基團時，且與該基團相連的鍵上具有

氫原子，該氫原子可以轉(zhuǎn)移到X原子上并發(fā)生β鍵的斷裂，脫去一個中性分子，重排的通式可表示為：在酮、醛、鏈烯、酰胺、腈、酯、芳香族化合物、磷酸脂和亞硫酸酯的質(zhì)譜上，都可以找到由麥?zhǔn)现嘏女a(chǎn)生的離子。有機化合物有多種類型的重排裂解，最為常見的是Mc5．同位素離子有些元素具有天然存在的穩(wěn)定同位素，化合物中含有這些元素時，這些元素的同位素就會以一定的豐度出現(xiàn)在化合物中。5．同位素離子當(dāng)化合物電離時，由于同位素質(zhì)量不同，在質(zhì)譜圖會同時出現(xiàn)強度不等的同位素離子峰，如M、M+1或M+2的分子離子的同位素峰，而且M與M+1或M+2峰的峰高比例符合同位素的豐度比。由這些同位素形成的離子峰稱為同位素離子（isotopicion）峰。例如，溴有兩種同位素79Br和81Br，它們在自然界的豐度各為50.54%和49.46%（約1：1）。因此，在含有一個溴原子的有機物質(zhì)譜圖中，常會出現(xiàn)質(zhì)量數(shù)差2但峰高比為1：1的溴同位素峰，

當(dāng)化合物電離時，由于同位素質(zhì)量不同，在質(zhì)譜圖會同時含一個氯原子（同位素豐度比35Cl:37Cl≌3：1）的有機化合物質(zhì)譜圖中，常有質(zhì)量數(shù)差2、峰高近似3：1的氯同位素離子峰M（64）和M+2（66），以及碎片離子m/z49和m/z51。

含一個氯原子（同位素豐度比35Cl:37Cl≌39.4質(zhì)譜分析法的應(yīng)用9.4.1有機物的定性和結(jié)構(gòu)分析純物質(zhì)的質(zhì)譜圖能提供有關(guān)分子結(jié)構(gòu)的多種信息，因此，通過對所得到的質(zhì)譜圖進行解析，可以對待分析物的進行定性分析或分子結(jié)構(gòu)的鑒定。1.相對分子質(zhì)量的確定質(zhì)譜法確定有機化合物相對分子質(zhì)量的依據(jù)是分子離子峰的m/z值。除同位素峰以外，分子離子峰應(yīng)該出現(xiàn)在質(zhì)譜圖的最高質(zhì)量處?；衔锓肿与x子峰的識別，一般可遵循以下幾個原則：（1）分子離子的質(zhì)量數(shù)服從氮律。不含氮元素的化合物，其分子離子峰的質(zhì)量數(shù)是偶數(shù)。含氮化合物，若分子內(nèi)含奇數(shù)個氮原子，則質(zhì)量是奇數(shù)；若含偶數(shù)個氮，則質(zhì)量數(shù)為偶數(shù)。凡不符氮律的均不是分子離子峰。9.4質(zhì)譜分析法的應(yīng)用9.4.1有機物的定性和結(jié)構(gòu)分（2）存在合理的碎片質(zhì)量損失。有機化合物離子化過程中，分離離子可能因化學(xué)鍵斷裂而丟失H、CH3、H2O、C2H4

等中性碎片，相應(yīng)地會出現(xiàn)M-1,M-15,M-18，M-28等碎片離子，但不可能出現(xiàn)M-3至M-14,M-21至M-24范圍內(nèi)的碎片峰?？梢愿鶕?jù)分子離子峰的質(zhì)量數(shù)與鄰近峰的質(zhì)量數(shù)之差是否符合上述規(guī)則來鑒別擬定的分子離子峰是否合理。（3）對于電子轟擊源，當(dāng)降低電子轟擊電壓時，分子離子峰應(yīng)該增強，否則就不是分子離子峰。

除以上三條原則外，還應(yīng)該注意，某些化合物會形成質(zhì)子化離子峰(M+H)+

（醚、酯、胺等）、去質(zhì)子化離子峰(M-H)+（芳醛、醇等）、及締合離子峰(M+R)+，如(M+NH3)+。出現(xiàn)這樣的情況，應(yīng)該進行必要的校正。對于可能出現(xiàn)的多電荷離子，也應(yīng)該注意。在確定有機化合物的相對分子質(zhì)量時，要根據(jù)化合物的具體情況加以辨別。（2）存在合理的碎片質(zhì)量損失。易從分子中脫去的常見中性碎片的質(zhì)量數(shù)和結(jié)構(gòu)易從分子中脫去的常見中性碎片的質(zhì)量數(shù)和結(jié)構(gòu)2.分子式的確定有機化合物的分子式，可以通過高分辨質(zhì)譜儀精確測定分子離子的分子量后來確定。高分辨質(zhì)譜儀可以將質(zhì)量測定值的有效數(shù)字精確至小數(shù)點后4-6位，因而能夠區(qū)分質(zhì)量相差千分之幾個質(zhì)量單位的分子。拜諾（Beynon）等已經(jīng)將C、H、O、N原子可能組合的分子式的精確質(zhì)量數(shù)（精確到小數(shù)點后三位數(shù)字）編排成表。因此，用高分辨質(zhì)譜儀確定化合物的準(zhǔn)確相對分子量后，與Beynon的“質(zhì)量與同位素豐度表”中的質(zhì)量部分?jǐn)?shù)據(jù)對照，就可以將分子式的可能范圍大大縮小，再結(jié)合其他有關(guān)結(jié)構(gòu)的信息，即可從少數(shù)幾個可能的分子式中最終確定待分析物的分子式。2.分子式的確定例

用高分辨質(zhì)譜測得某純有機化合物樣品的分子離子質(zhì)量數(shù)為150.1045，該化合物的紅外光譜出現(xiàn)強羰基吸收峰（1730cm-1）。試?yán)肂eynon表，確定該有機物的分子式。解：假設(shè)高分辨質(zhì)譜的測定誤差是±0.006，所以所測分子離子質(zhì)量的波動范圍是150.0985-150.1105。查閱Beynon表，質(zhì)量數(shù)為150，小數(shù)部分在0.0985-0.1105范圍內(nèi)的分子式有4個：其中，第1和第3式含奇數(shù)N原子，與分子離子的質(zhì)量數(shù)為偶數(shù)不相符。第2式的不飽和度U=0，是一種飽和化合物，不含有羰基，與紅外光譜測定不符。排除1，2，3后，所分析的化合物的分子式只可能是第4式，即為C10H14O。

例用高分辨質(zhì)譜測得某純有機化合物樣品的分子離子質(zhì)量數(shù)為15例某有機化合物的分子量為104，（IM+1/IM）%=6.45，（IM+2/IM）%=4.77，試推測其化學(xué)結(jié)構(gòu)式。解：由于（IM+2/IM）%>4.44，說明可能有S，Cl，Br等元素存在；又由于32.5>（IM+2/IM）%>4.44說明化合物中含有1個S，而不含Cl和Br。故扣除S的貢獻：剩余質(zhì)量=104-32=72（IM+1/IM）%=6.45-0.85=5.60（IM+2/IM）%=4.77-4.44=0.33查閱Beynon表，質(zhì)量數(shù)為72的共有15種組合，與上述（IM+1/IM）%，（IM+2/IM）%接近的列于下表中。經(jīng)過分析，只有C5H12的（IM+1/IM）%最為接近，所以該有機物的化學(xué)式可能是C5H12S。例某有機化合物的分子量為104，（IM+1/IM）%=6.3.未知化合物的結(jié)構(gòu)解析對于未知化合物，在確定分子量和分子式后，要根據(jù)化合物的質(zhì)譜裂解規(guī)律，推斷未知化合物的分子結(jié)構(gòu)。很多情況下，僅僅依靠質(zhì)譜還難以斷定未知化合物的結(jié)構(gòu)，常常需要配合紫外光譜、紅外光譜、核磁共振譜的信息對化合物的結(jié)構(gòu)進行解析。在獲得化合物分子量和分子式后，有機化合物質(zhì)譜解析的一般程序如下：①計算化合物的不飽和度。②解析某些主要的碎片離子峰以及各碎片離子峰的關(guān)系。③綜合分子式、不飽和度、分子碎片的關(guān)系，推斷化合物可能的分子結(jié)構(gòu)。④結(jié)合紫外光譜、紅外光譜、核磁共振譜的信息，進一步確認(rèn)分子結(jié)構(gòu)。⑤查對標(biāo)準(zhǔn)圖譜進行驗證或參考相關(guān)圖譜進行綜合解析。3.未知化合物的結(jié)構(gòu)解析例某有機物，其分子質(zhì)量數(shù)為100，經(jīng)初步鑒定為一種酮，其質(zhì)譜如下圖所示，試推測其結(jié)構(gòu)式。例某有機物，其分子質(zhì)量數(shù)為100，經(jīng)初步鑒定為一種酮，其質(zhì)解：因為已經(jīng)初步鑒定其為酮，所以為一含羰基C=O的化合物。又其分子質(zhì)量為100，故m/z=100的就是其分子離子峰。m/z=85的碎片離子可以判斷為是斷裂-CH3（質(zhì)量為15）的碎片后所形成，m/z=57的碎片離子可以判斷為是斷裂CO（質(zhì)量為28）的碎片后所形成。其中m/z=57的碎片離子峰豐度很高，表示該碎片離子很穩(wěn)定，也表示該碎片與分子的其他部分是比較容易斷裂，這個碎片離子很可能是：該有機物的斷裂過程可以進行如下的推斷：解：因為已經(jīng)初步鑒定其為酮，所以為一含羰基C=O的化合物。又所以，該有機物的結(jié)構(gòu)式可能是CH3-CO-C（CH3）3。對于m/z為29和41的碎片離子峰，可以應(yīng)用所學(xué)的碎片重排知識，進行可能的推測。所以，該有機物的結(jié)構(gòu)式可能是CH3-CO-C（CH例某化合物的分子式為C4H8O2，試根據(jù)其質(zhì)譜圖，推斷其結(jié)構(gòu)。解：計算該化合物的不飽和度：從圖譜可以知道m(xù)/z=88為分子離子峰，m/z=60的為基峰，是羧酸麥?zhǔn)现嘏藕蟮奶卣鞣澹蚀嘶衔餅橐霍人?。因為該化合物只?各碳原子，所以是正丁酸。例某化合物的分子式為C4H8O2，試根據(jù)其質(zhì)譜圖，推斷其結(jié)4.標(biāo)準(zhǔn)圖譜的檢索

在一定條件下得到的純未知物質(zhì)譜圖，可以通過與相同條件下的標(biāo)準(zhǔn)圖譜對照來對其定性。應(yīng)用最多的是電子轟擊源（70V）的標(biāo)準(zhǔn)圖譜?，F(xiàn)代質(zhì)譜儀均配有質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫，待測物的質(zhì)譜數(shù)據(jù)獲得后可以通過電腦在數(shù)據(jù)庫中進行檢索。通過檢索一般可得到幾個可能的化合物，并按匹配度大小的次序給出化合物名稱、分子式、相對分子量、結(jié)構(gòu)式等數(shù)據(jù)。分析人員可以根據(jù)檢索的結(jié)果結(jié)合其他信息，對待測物進行定性。應(yīng)用比較普遍的有NIST數(shù)據(jù)庫和Willey數(shù)據(jù)庫。4.標(biāo)準(zhǔn)圖譜的檢索拓展視窗---生物大分子的質(zhì)譜分析

上世紀(jì)80年代，由于電離技術(shù)的制約，質(zhì)譜只能用于小分子化合物的分析。隨著快原子轟擊（FAB）等軟電離技術(shù)的相繼出現(xiàn)，使得質(zhì)譜可用于高極性、難揮發(fā)和熱不穩(wěn)定的生物大分子分析。尤其是1987年德國物理學(xué)家Hillenkamp和生物物理學(xué)家Karas，以及日本科學(xué)家Tanaka同時發(fā)明了基質(zhì)輔助激光解吸電離質(zhì)譜(MALDI-MS)，1988年美國耶魯大學(xué)Fenn發(fā)明了電噴霧電離質(zhì)譜(ESI-MS)，使得質(zhì)譜分析可在fmol乃至amol水平檢測相對分子量高達(dá)幾十萬的生物大分子，從而開拓了質(zhì)譜學(xué)中的一個新領(lǐng)域—生物質(zhì)譜。拓展視窗---生物大分子的質(zhì)譜分析上世紀(jì)80年代

MALDI是一種軟離子源，可使生物大分子形成單電荷離子，當(dāng)與飛行時間質(zhì)量分析器結(jié)合成MIALDI-TOF-MS，質(zhì)量檢測范圍可從幾百至幾十萬Da。MIALDI-TOF-MS所得譜峰與樣品各組分的質(zhì)量數(shù)有一一對應(yīng)的關(guān)系，能直接提供生物大分子的相對分子質(zhì)量，最適合多肽及蛋白質(zhì)等生物大分子混合物的質(zhì)量分析。電噴霧離子源產(chǎn)生的生物大分子離子經(jīng)常帶10個以上電荷數(shù)，形成[M+nH]n+系列多電荷離子，導(dǎo)致離子的荷質(zhì)比m/z減小，這可以彌補四極桿、離子肼等分析器m/z測量范圍窄（15~4000Da）的缺點。通過ESI-MS質(zhì)譜圖上帶不同電荷數(shù)的一系列荷質(zhì)比峰，可以計算出生物大分子的相對分子質(zhì)量。MALDI是一種軟離子源，可使生物大分子形成單電荷下圖是雌馬肌紅蛋白的ESI-MS譜，由它們的質(zhì)荷比m/z值所計算出來的分子量M為16951.7Da。（實際值為M=16951.5Da）。此外，電噴霧離子源與多級質(zhì)量分析器串聯(lián)組成ESI-MS/MS串聯(lián)質(zhì)譜，可分別檢測母離子和碎片離子的荷質(zhì)比，提供離子的結(jié)構(gòu)信息，常用于多肽、核酸的序列測定。下圖是雌馬肌紅蛋白的ESI-MS譜，由它們的質(zhì)荷比用質(zhì)譜法進行生物大