有机质谱原理及应用全面

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，博士生导师课程安排第一部分：理论基础第一章：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），大分子第六章：LC/MS，LC/MS/MS应用举例第二部分：LCQ离子阱质谱仪原理及应用第一章：ThermoFinniganLCQ离子阱质谱仪介绍第二章：Xcalibur软件应用技巧第三章：MassFrontier软件辅助解析第三部分：上机实验时间安排大致如下：第一部分，6-8次课。第二部分，1-2次课。第三部分，1次课或第一和第二部分课后进行或单独安排时间。100200300400500600m/z0100%254.2194.2507.3334.3399.7§1.1质谱的基本概念一、质谱是什么？MassSpectromety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§1.2质谱分类质谱同位素质谱生物质谱结构鉴定、定量分析、气相离子化学化学、化工环境、地球药学、毒物学、刑侦生命、医学、农业科学有机质谱无机质谱§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.FennVirginiaCommonwealthUniversity,USA贡献：电喷雾(ESI)电离方法生物大分子分析ElectrosprayIonizationforMassSpectrometryofLargeBiomolecules,J.B.Fenn,M.Mann,C.K.Meng,S.F.WongandC.M.Whitehouse,Science246,64(1989)KoichiTanaka(田中耕一)ShimadzuCorporation,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RapidCommunicationsinMassSpectrometry2,151-153(1988),KoichiTanaka,HiroakiWaki,YutakaIdo,SatoshiAkita,Yoshikazu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(Electronionization)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-offlightmassanalysis)1952年，Martin气相色谱方法1953年，Paul等四极杆分析器(Quadrupoleanalyzers)1956年，GohlkeandMcLafferty气相色谱-质谱联用(GC/MS)Beynon高分辨质谱仪(High-resolutionMS)1965年，Hipple等离子回旋共振(IonCyclotronResonance)1966年，MunsonandField化学电离(Chemicalionization)1967年，McLaffertyandJennings串联质谱(Tandemmassspectrometry)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(FABMS)，生物中，小分子，2000以内1989年，J.B.Fenn电喷雾电离KoichiTanaka基质辅助激光解吸电离1990年，KattaandChait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（DelayExtract,Reflectron技术）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）FinniganMAT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§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。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。元素AA+1A+2元素类型质量%质量%质量%H110020.015AC12100131.1A+1N14100150.37AO16100170.04180.20A+2F19100ASi28100295.10303.40A+1,A+2P31100AS32100330.80344.40A+2Cl351003732.5A+2Br791008198.0A+2I127100A表1常见元素的天然同位素丰度元素分类情况：A:H,F,P,IA+1:C,NA+2:O,Si,Cl,Br同位素分布的二项式规则：对A+1和A+2元素32!3)2)(1(!2)1(1)1(bnnnbnnnbbnb: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A+1元素峰位置MM+1M+2M+3……A+2元素峰位置MM+2M+4M+6……质谱峰强度1nbn(n-1)b2/2!n(n-1)(n-2)b3/3!……12C5H12+Mm/z7212C413C1H12+M+1m/z7312C313C2H12+M+2m/z7412C213C3H12+M+3m/z7512C113C4H12+M+4m/z76020406080100RAm/z例：79Br100%,81Br98%≈100%MM+2M+4M+6Br,n=1:11Br2,n=2:121Br3,n=3:1331例：35Cl100%,37Cl32.5%MM+2M+4M+6Cl,n=1:10.325Cl2,n=2:10.6500.106Cl3,n=3:10.9750.3170.034MM+2M+4M+6MM+2M+4M+2MBrBr3Br210010010033.310050509833.3MM+2M+4M+6MM+2M+4M+2MClCl3Cl210010010010.631.765.032.53.497.5例：12C100%,13C1.1%C60,n=60,b=1.1%MM+1M+2M+312C6013C12C5913C212C5813C312C577207217227231nbn(n-1)b2/2!n(n-1)(n-2)b3/3!10066214.6723720722721100214.666C60的质谱图元素组成的判断：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。三、仪器技术指标质量范围(MassRange)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分辨力(ResolutionPower,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。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m2m1数学定义：ΔmmRPmmmΔmmRP1211……(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%valleym/M[M+H]+m/zintensity组成整数质量精确质量CO2827.994914N22828.006158C2H42828.031299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)=770N2-C2H4:(RP)3=28.006158/(28.031299-28.006158)=1100CO-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。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