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有机质谱原理及应用

有机质谱原理及应用. 浙江大学理学院 无机与材料化学研究所 刘子阳 教授，博士生导师. 第一章：导论 第二章：有机质谱仪 第三章：质谱 / 质谱 第四章：质谱法测定分子结构（一），小分子 第五章：质谱法测定分子结构（二），大分子. 254.2. 100. 507.3. %. 334.3. 194.2. 399.7. 0. m/z. 100. 200. 300. 400. 500. 600. §1.1 质谱的基本概念 一、质谱是什么？ Mass Spectromety 特殊的天平：称量离子的质量。

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有机质谱原理及应用

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  1. 有机质谱原理及应用 浙江大学理学院 无机与材料化学研究所 刘子阳 教授，博士生导师

  2. 第一章：导论 第二章：有机质谱仪 第三章：质谱/质谱 第四章：质谱法测定分子结构（一），小分子 第五章：质谱法测定分子结构（二），大分子

  3. 254.2 100 507.3 % 334.3 194.2 399.7 0 m/z 100 200 300 400 500 600 §1.1 质谱的基本概念 一、质谱是什么？ Mass Spectromety 特殊的天平：称量离子的质量。 质谱学：是一门研究气相离子结构、 性质及反应行为的科学。 二、质谱能做什么？ 定性：化合物的结构 定量：混合物的组成 领域： 化学、生物学、医学、药学、 环境、物理、材料、能源等 三、质谱的独到之处是什么？ 4S特性： Sensitivity 灵敏 Speed 快速 Specificity 特异 Stoichiometry化学计量

  4. §1.2 质谱分类 质 谱 同位素质谱 无机质谱 有机质谱 生物质谱 结构鉴定、定量分析、气相离子化学 生命、医学、农业科学 环境、地球 化学、化工 药学、毒物学、刑侦

  5. §1.3 质谱学的发展历史 • 一、质谱学领域的诺贝尔（Nobel）奖 • 1906年：物理奖 • J. I. Thomson • 贡献：正电荷离子束在磁场中的偏转  磁质谱仪的基 • 础同位素分析 • 1989年：物理奖 • W. Paul • 贡献：离子阱技术的发明。 • 2002年 ：化学奖 • J. B. Fenn Virginia Commonwealth University, USA • 贡献：电喷雾(ESI)电离方法 生物大分子分析 • Electrospray Ionization for Mass Spectrometry of Large Biomolecules," • J. B. Fenn, M. Mann, C. K. Meng, S. F. Wong and C. M. Whitehouse, • Science 246, 64 (1989) • Koichi Tanaka (田中耕一) Shimadzu Corporation,Japan • 贡献：激光辅助解吸电离质谱(MALDI)电离方法 • 生物大分子分析 • Rapid Communications in Mass Spectrometry 2, 151 - 153 (1988), • Koichi Tanaka, Hiroaki Waki, Yutaka Ido, Satoshi Akita, Yoshikazu

  6. 二、质谱学的历史事件 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，氖同位素的发现 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，Nier 扇形磁场偏转质谱计，双聚集系统 商品仪器的雏形 235U，电磁制备方法，第二次世界大战期间 在石油、化工等领域的应用 1946年，Stephens 飞行时间质谱(Time-of flight mass analysis)

  7. 1952年，Martin 气相色谱方法 1953年，Paul等 四极杆分析器(Quadrupole analyzers) 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) 1965年，Hipple等 离子回旋共振(Ion Cyclotron Resonance) 1966年，Munson and Field 化学电离(Chemical ionization) 1967年，McLafferty and 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) 1981年，Barber等 快原子轰击电离质谱(FAB MS)， 生物中，小分子，2000以内

  8. 1989年，J. B. Fenn 电喷雾电离 Koichi Tanaka 基质辅助激光解吸电离 1990年，Katta and 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）

  9. 三、我国质谱发展概况 20世纪 50年代，同位素质谱研究，配合核研究，技术来自于前苏联 70年代，引进质谱仪， 磁质谱：VG-ZAB-2F, 3F（7台，北大，南京、南开、兰州、 中科大、武汉、中山） VG-7070E（20多个单位） Finnigan MAT系列 80年代，中国科学院科学仪器厂，仿制7070E型质谱仪 KYKY系列 1980年，中国质谱学会，杭州成立，依托于科学仪器厂 《质谱学报》创刊 中国质谱学会机构：无机专业委员会、同位素专业委员会、 有机质谱专业委员会、生物医学专业委员会、 仪器与教育专业委员会

  10. §1.3 常用概念 • 一、质荷比(m/z) • 质谱图中的横坐标，质量与电荷之比。 • 若离子所带电荷为z = 1，则质荷比等于该离子的质量数。 • 离子是以12C原子的1/12定义为一个质量单位，用u表示。 1u=1.66054x10-27kg 其它常用符号，Da, 道尔顿 1Da=1u • 二、离子的强度（丰度）I • 两种表示方法 • 百分强度：所有峰的强度之各为100，每个离子所占的份额即为其百分强度，百分强度= (Ii/Ii) × 100% Ii，第i 个离子的强度。 • 基峰强度：质谱图中离子强度最大的峰称为基峰，定义它的强度为100，即IB=100， 其它离子强与之相比的百分强度称为该离子的强度。

  11. 三、同位素 • 化学上，氖的原子量为20.2, • 质谱上：氖不在m/z20.2处出峰，而是在m/z20和m/z22处各出一个峰， • 该峰的相对强度为10:1。为什么？质谱测定的是微观离子，不是宏观上的平均的概念。 表1 常见元素的天然同位素丰度 元素 分类情况： A: H, F, P, I A+1: C, N A+2: O, Si, Cl, Br

  12. b: A+1或A+2同位素的天然丰度 n: 质谱峰中A+1或A+2元素的个数 同位素分布的二项式规则： 对A+1和A+2元素 12C5H12+ M m/z72 12C413C1H12+ M+1 m/z73 12C313C2H12+ M+2 m/z74 12C213C3H12+ M+3 m/z75 12C113C4H12+ M+4 m/z76

  13. 例： 79Br 100%, 81Br 98%≈100% • M M+2 M+4 M+6 • Br, n=1: 1 1 • Br2, n=2: 1 2 1 • Br3, n=3: 1 3 3 1 • 例：35Cl 100%, 37Cl 32.5% • M M+2 M+4 M+6 • Cl, n=1: 1 0.325 • Cl2, n=2: 1 0.650 0.106 • Cl3, n=3: 1 0.975 0.317 0.034

  14. 例： 12C 100%, 13C 1.1% • C60, n=60, b=1.1% • M M+1 M+2 M+3 • 12C6013C12C5913C212C5813C312C57 • 720 721 722 723 • 1 nb n(n-1)b2/2! n(n-1)(n-2)b3/3! • 100 66 21 4.6

  15. 元素组成的判断： 用同位素丰度的分布可帮助判断峰的元素组成。 方法： 1、获取最高质量峰，分子离子峰。 分子离子峰受氢迁移的影响最小。 2、最大丰度 信号强有利于判断。 3、A峰的选择 一个峰组中的A峰应是仅含最大丰度同位素(如12C、16O、35Cl)的最高质量峰。 优先考虑A+2型元素存在的可能性，因A+2峰受A+1元素的影响较小，A+2元素同位素的自然丰度也较高，容易判断，尤其是氯和溴。 然后再判断A+1元素，可根据其与A峰的强度比，大致判断A+1元素的种类和所含个数。 4、确定元素组成的一致性 从分子离子峰M+•得到元素组成信息，需要与较小的碎片离子的组成吻合。

  16. 三、仪器技术指标 • 质量范围(Mass Range) 质谱仪所能检测的最小到最大的质量范围。 不同仪器： 四极杆 1~600Da，1~4000Da， 磁质谱：1~10000Da 飞行时间质谱：无上限 离子阱质谱：1~2000Da，1~4000Da 不同要求：气体分析， 1~300Da 气相色谱质谱， 1~600Da，800Da 有机质谱， 1~2000Da 生物分子， 1~10000Da或更大

  17. m1 m2 A: 未分开 B:部分分开 C:全分开 分辨差 分辨较差 分辨达到要求 • 分辨力(Resolution Power, RP) 分辨力：分开两个邻近质量峰的能力。 何为分开：若两个相邻峰的峰谷低于峰高的10%(或5%，50%)，则认为 是分开的。

  18. 数学定义： ……(1) m1和m2代表两个相邻峰的质量数 ……(2) m代表某一峰的质量，△m代表半峰宽

  19. [M+H]+ intensity m/M m/z 分辨率的另外一种定义： 分辨率=M/M M为半峰高处峰宽 分开的定义 10% valley

  20. 质量数为28的三种分子组成的精确质量 若仪器分辨力很低，如RP=200，则对以上三个分子不能分开，混为一峰。 若要分开以下混合物，则必需有如下分辨力 CO-C2H4: (RP)2 = 27.994914/(28.031299-27.994914) = 770 N2-C2H4 : (RP)3 = 28.006158/(28.031299-28.006158) = 1100 CO-N2 : (RP)1 = 27.994914/(28.006158-27.994914) = 2490 当仪器分辨力达到770时， 只能够只分开 CO-C2H4。 当仪器分辨力达到1100时，能够分开CO-C2H4 和N2-C2H4 当仪器分辨力超过2500时，三者全部分开。 一般低分辨仪器在2000左右。10000以上时称高分辨。 FT-ICR-MS分辨力可达2百万。

  21. 高分辨质谱进行元素组成分析： • 任何一种同位素的质量并不是正好的整数。 • 12C的准确质量为12.00000000, • 1H = 1.007782506，14N = 14.00307407，16O = 15.99491475，末位有效数字。 • 每一个同位素都具有唯一的、特征的“质量亏损”，离子的质量包含了同位素的总的质量亏损，也是特征的，以此来鉴定离子的同位素和元素组成。 • 例 m=43.0184Da的离子必定是C2H3O+，不可能是C3H7+(m=43.0058)或 • C2H5N+(m=42.9984)，或CH3N2+(m=43.0296)。 • 为了区分这四个离子，测量的质量的准确度需达到130ppm。即小数点后第四位是准确的。 • 元素组成信息随着质量的增加而呈指数地上升，对质谱质量的测定准确度要求更高。 • 例 分子量为310的质谱峰，已知它们的元素组成限于碳、氢、氮和氧，且最多不超过3个氮原子和4个氧原子。如果将其各种组合出来的质量能够区分开来，要求的质量准确度达到2ppm，这是目前最高质量分辨力的FT-ICR-MS勉强能够达到的水平。

  22. 注意事项 • 质谱学上的高分辨包含两层含义： • 高的分辨本领 保证两个靠得很近的峰能够分开来，从而知道是两个峰而不是一个峰。 • 良好的线性行为 用已知精确质量的离子去得到待测定离子的质量数，不容许二者峰的质量是一样的(重叠在一起)，二者之间必有一定的质量差异，质谱仪的线性不好，用已知精确离子的质量来得到待测定离子的质量，就会因此而产生偏差，从而造成误差，两者距离越远，这种误差越大。 • 良好的稳定性 磁质谱，飞行时间质谱仪，离子回旋共振质谱仪： 分辨力、线性和稳定性好，属高分辨质谱仪。 离子阱质谱仪：分辨力高，线性低，准高分辨质谱仪，用于判断质谱峰带 的电荷数。 四极杆质谱仪：分辨力低，线性好，不属于高分辨质谱仪。

  23. §1.4 质谱学的专著、期刊和国内国际会议 专 著： 1. Interpretation of Mass Spectra, F.W.Maclafferty 2. Mass Spectrometry for Biotechnology, Gary Siuzdak 3. Mass Spectrometry in the Biological Sciences, A.L.Burlingame 4. 有机质谱基础，陈耀祖，科学出版社 5. 质谱解析，F. W. McLafferty著，王光辉等译，化学工业出版社， 期 刊： 1. Rapid Communication in Mass Spectrometry IP(影响因子）2.4 2. Journal of American Society of Mass Spectrometry IP 3.0 3. Journal of Mass Spectrometry IP 2.8 4. Mass Spectrometry Review IP 6.8 5. European Journal of Mass Spectrometry IP 1.0 6. International Journal of Mass Spectrometry IP 2.1 7. 质谱学报 国内核心刊物

  24. 国内会议： 1. 中国质谱学会学术交流会（每两年一次）已到第八届， 中国质谱学会主办 2. 中国质谱学会各专业委员会学术交流会（每两年一次） 中国质谱学会各专业委员会主办 3. 各地方组织的质谱专业交流会 4. 各质谱公司举办的用户会或专题交流会 国际会议： 1. International Conference of Mass Spectrometry 每三年一次 主要在欧洲 2. Annual American Mass Spectrometry Conference 每年一次 主要在美国 3. Beijing Conference and Exhibition on Instrumental Analysis (BCEIA) 每二年一次 中国科协主办，设有Mass Spectrometry Division，主要在北京

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