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(lèi)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(guó)宇宙化學(xué)家、物理學(xué)家。1893年4月29日生于美國(guó)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(jiǎng)。

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

２００２年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)表彰兩項(xiàng)成果。一項(xiàng)是美國(guó)科學(xué)家約翰·芬恩與日本科學(xué)家田中耕一“發(fā)明了對(duì)生物大分子的質(zhì)譜分析法”，另一項(xiàng)是瑞士科學(xué)家?guī)鞝柼亍ぞS特里希“發(fā)明了利用核磁共振技術(shù)測(cè)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(kù)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(guò)進(jìn)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(jìn)入加速盤(pán)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(yùn)動(dòng)的粒子通過(guò)磁場(chǎng)時(shí)，不同質(zhì)荷比（質(zhì)量電荷比，m/z）的離子在磁場(chǎng)中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，按不同的方向運(yùn)動(dòng)而得以分離。由質(zhì)量分析器分離的離子被離子檢測(cè)器所檢測(cè)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(shí)，離子在電場(chǎng)中的勢(shì)能被轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，即：v為加速后離子的運(yùn)動(dòng)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(guò)進(jìn)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(jìn)入質(zhì)量分析器后，在高真空的分析器中，離子受到磁場(chǎng)力的作用，將在與磁場(chǎng)垂直的平面內(nèi)，作勻速圓周運(yùn)動(dòng)。離子做圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力等于其在磁場(chǎng)中所受到的洛倫茲力Hzv，即:或式中，H為磁場(chǎng)強(qiáng)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(jìn)入質(zhì)量分析器后，在高真空的分在磁場(chǎng)中離子運(yùn)動(dòng)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(chǎng)強(qiáng)度H

三者決定。當(dāng)檢測(cè)器位置固定（偏轉(zhuǎn)半徑R為確定值），且加速電壓U和磁場(chǎng)強(qiáng)度H為一固定值時(shí)，只有質(zhì)荷比m/z滿足公式的離子可以通過(guò)質(zhì)量分析器的狹縫到達(dá)檢測(cè)器得以檢測(cè)。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(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度下先后通過(guò)質(zhì)量分析器的狹縫，被檢測(cè)器所檢測(cè)，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(chǎng)中離子運(yùn)動(dòng)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(duì)強(qiáng)度或相對(duì)豐度表示，以最強(qiáng)峰的高度定為100%（稱(chēng)為基峰，basepeak，見(jiàn)圖中m/z=124的峰），其他各峰的高度相對(duì)于基峰的高度即為其他離子的相對(duì)強(qiáng)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(jìn)樣系統(tǒng)、離子源、質(zhì)量分析器、收集檢測(cè)器、和真空系統(tǒng)等5個(gè)部分組成。9.2質(zhì)譜儀9.2.1質(zhì)譜儀的構(gòu)成1．進(jìn)樣系統(tǒng)質(zhì)譜儀的離子源、質(zhì)量分析器、檢測(cè)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(guò)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(jìn)樣和色譜聯(lián)用系統(tǒng)進(jìn)樣。（1）直接進(jìn)樣系統(tǒng)直接進(jìn)樣系統(tǒng)是將氣體、液體、固體試樣，通過(guò)一定的裝置，直接引入離子源的方法。根據(jù)所適用的對(duì)象，又有間隙式進(jìn)樣和探針桿直接進(jìn)樣。間隙式進(jìn)樣適用于氣體或揮發(fā)性液體和固體試樣。通過(guò)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(guò)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(jìn)樣對(duì)于沸點(diǎn)較高的液體和固體樣品，可采用探針桿直接進(jìn)樣。探針桿長(zhǎng)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(jìn)樣系統(tǒng)（2）色譜聯(lián)用進(jìn)樣系統(tǒng)質(zhì)譜進(jìn)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(diǎn)是可用于分析復(fù)雜試樣的各種組份。（2）色譜聯(lián)用進(jìn)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(duì)于有機(jī)分子來(lái)說(shuō)，在離子化的過(guò)程中，多會(huì)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(jiàn)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(diǎn)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(guò)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(qiáng)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(tuán)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(duì)簡(jiǎn)單。2．離子源表1質(zhì)譜儀常用的幾種離子源中英文名稱(chēng)及縮寫(xiě)類(lèi)型離子化試劑工作狀態(tài)主要特點(diǎn)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(chǎng)電離（FieldIonization，F(xiàn)I）氣相高電場(chǎng)軟離子源，易得到分子離子峰場(chǎng)解吸（FieldDeporption，F(xiàn)D）解吸高電場(chǎng)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(shí)生成正負(fù)離子，兩種離子都可以用質(zhì)譜進(jìn)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(guò)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(lèi)型離子化試劑工作狀態(tài)主要特點(diǎn)電（1）電子轟擊源

電子轟擊電離源（electronimpactionization,EI）是通過(guò)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(cè)樣品以氣態(tài)形式進(jìn)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(yáng)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(jìn)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?cè)陔x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(chǎng)，引導(dǎo)正離子穿過(guò)狹縫，進(jìn)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(jī)化合物分子可以被打掉一個(gè)電子形成分子離子，并進(jìn)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(jī)化合物最豐富的結(jié)構(gòu)信息，有較好的重現(xiàn)性。被檢測(cè)樣品以氣態(tài)形式進(jìn)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(shí)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(guò)質(zhì)子交換使樣品分子電離。現(xiàn)以甲烷作為反應(yīng)氣，說(shuō)明化學(xué)電離的離子化過(guò)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(jìn)一步碎裂，形成質(zhì)譜。化學(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(shì)大于反應(yīng)氣的質(zhì)子親和勢(shì)，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(shí)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(chǎng)使得不同質(zhì)荷比的離子在飛行過(guò)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(chǎng)之間增加一個(gè)靜電分析器，通過(guò)串聯(lián)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的共同作用，在實(shí)現(xiàn)不同質(zhì)荷比離子的按不同方向聚焦的同時(shí)，還能實(shí)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(chǎng)之間增加一個(gè)靜電分析（2）飛行時(shí)間質(zhì)量分析器

飛行時(shí)間質(zhì)量分析器（timeofflightmassanalyzer，TOF）的離子分離是用非磁方式實(shí)現(xiàn)的。從離子源飛出的離子的動(dòng)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(jìn)入一長(zhǎng)約1m的無(wú)電場(chǎng)與磁場(chǎng)的場(chǎng)漂移管，具有初速度為v的離子經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的漂移管所需的時(shí)間t=L/v，

離子的飛行時(shí)間t由離子質(zhì)荷比的平方根所決定。

（2）飛行時(shí)間質(zhì)量分析器飛行時(shí)間分析器設(shè)備簡(jiǎn)單（不需要磁場(chǎng)和電場(chǎng)），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(shí)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(qiáng)有力工具。飛行時(shí)間分析器設(shè)備簡(jiǎn)單（不需要磁場(chǎng)和電場(chǎng)），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(duì)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(guò)四極桿而達(dá)到檢測(cè)器，而其它離子卻因在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中碰撞圓筒形電極而被“過(guò)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(cè)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(shí)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(hào)中的數(shù)據(jù)為對(duì)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(cè)器質(zhì)譜分析儀中常用的檢測(cè)器有電子倍增管、法拉第杯、閃爍計(jì)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(chǎng)的作用下，依次轟擊下一級(jí)電極而被放大，放大倍數(shù)可達(dá)105-108。檢測(cè)器產(chǎn)生的電信號(hào)經(jīng)放大后，由計(jì)算機(jī)處理，即可得到質(zhì)譜圖。4．離子檢測(cè)器5.真空系統(tǒng)如果質(zhì)譜儀中，沒(méi)有符合要求的真空狀態(tài)，離子在飛行過(guò)程中就會(huì)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(jī)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(jī)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(jī)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(gè)相鄰質(zhì)量數(shù)離子分開(kāi)的能力。一般以為，對(duì)兩個(gè)相等強(qiáng)度的相鄰峰，當(dāng)兩峰間的峰谷不大于其峰高10%時(shí)，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(shí)，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(jī)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(shí)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(jī)質(zhì)譜儀可以分為低分辨率儀器

靈敏度（sensitivity）

靈敏度有絕對(duì)靈敏度、相對(duì)靈敏度和分析靈敏度之分。絕對(duì)靈敏度指的是儀器可以檢測(cè)的最小試樣量；相對(duì)靈敏度是指質(zhì)譜儀可以同時(shí)檢測(cè)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(hào)之比。在線四級(jí)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(jí)質(zhì)譜氣體9.3

質(zhì)譜中的離子類(lèi)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(guò)程：9.3質(zhì)譜中的離子類(lèi)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(gè)電子而得到的離子稱(chēng)為分子離子（molecularion），表示為M+。分子離子峰所對(duì)應(yīng)的m/z值即為分子的相對(duì)分子量。幾乎所有的有機(jī)分子都可以產(chǎn)生可辨別的分子離子峰。有機(jī)分子中，最容易失去電子的是雜原子上的孤對(duì)電子，其次是

電子，再者是

電子。所以，對(duì)于含O，N，S等雜原子的化合物，總是先在雜原子的孤對(duì)電子上失去一個(gè)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(duì)電子失去一個(gè)電子生成的分子離子。當(dāng)含有雙鍵而無(wú)雜原子的化合物，雙鍵裂解而失去一個(gè)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(shí)，可以表示為，如式中氧原子上的“+”表示孤對(duì)電子失去一個(gè)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(huì)通過(guò)進(jìn)一步碎裂或重排釋放能量，碎裂后產(chǎn)生離子稱(chēng)為碎片離子（fragmention）。在各種m/z的碎片離子峰中，強(qiáng)度最大的質(zhì)譜峰稱(chēng)為基峰，它對(duì)應(yīng)于最穩(wěn)定的碎片離子。在有機(jī)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(yùn)動(dòng)速度的質(zhì)量為m1的離子在離開(kāi)離子源、進(jìn)入質(zhì)量分析器之前，因?yàn)榕鲎驳仍虬l(fā)生能量交換，有可能進(jìn)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(chǎng)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(chēng)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(shí)，有一些碎片離子并非通過(guò)簡(jiǎn)單的鍵斷裂而形成的，而是通過(guò)原子或基團(tuán)的重排后再開(kāi)裂而形成的一種特殊碎片離子，這些特殊的離子稱(chēng)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(jī)化合物有多種類(lèi)型的重排裂解，最為常見(jiàn)的是Mclafferty重排，故稱(chēng)為麥?zhǔn)现嘏拧．?dāng)化合物中含有不飽和中心C=X（X為O、N、S、C）基團(tuán)時(shí)，且與該基團(tuán)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(gè)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(jī)化合物有多種類(lèi)型的重排裂解，最為常見(jiàn)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(shí)，這些元素的同位素就會(huì)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(shí)，由于同位素質(zhì)量不同，在質(zhì)譜圖會(huì)同時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)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(chēng)為同位素離子（isotopicion）峰。例如，溴有兩種同位素79Br和81Br，它們?cè)谧匀唤绲呢S度各為50.54%和49.46%（約1：1）。因此，在含有一個(gè)溴原子的有機(jī)物質(zhì)譜圖中，常會(huì)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(shí)，由于同位素質(zhì)量不同，在質(zhì)譜圖會(huì)同時(shí)含一個(gè)氯原子（同位素豐度比35Cl:37Cl≌3：1）的有機(jī)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(gè)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(jī)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(guò)對(duì)所得到的質(zhì)譜圖進(jìn)行解析，可以對(duì)待分析物的進(jìn)行定性分析或分子結(jié)構(gòu)的鑒定。1.相對(duì)分子質(zhì)量的確定質(zhì)譜法確定有機(jī)化合物相對(duì)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。化合物分子離子峰的識(shí)別，一般可遵循以下幾個(gè)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(gè)氮原子，則質(zhì)量是奇數(shù)；若含偶數(shù)個(gè)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(jī)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(jī)化合物離子化過(guò)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(huì)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。可以根據(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(lái)鑒別擬定的分子離子峰是否合理。（3）對(duì)于電子轟擊源，當(dāng)降低電子轟擊電壓時(shí)，分子離子峰應(yīng)該增強(qiáng)，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(huì)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(jìn)行必要的校正。對(duì)于可能出現(xiàn)的多電荷離子，也應(yīng)該注意。在確定有機(jī)化合物的相對(duì)分子質(zhì)量時(shí)，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(jiàn)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(jiàn)中性碎片的質(zhì)量數(shù)和結(jié)構(gòu)2.分子式的確定有機(jī)化合物的分子式，可以通過(guò)高分辨質(zhì)譜儀精確測(cè)定分子離子的分子量后來(lái)確定。高分辨質(zhì)譜儀可以將質(zhì)量測(cè)定值的有效數(shù)字精確至小數(shù)點(diǎn)后4-6位，因而能夠區(qū)分質(zhì)量相差千分之幾個(gè)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(diǎn)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(duì)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(duì)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(gè)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(cè)得某純有機(jī)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(qiáng)羰基吸收峰（1730cm-1）。試?yán)肂eynon表，確定該有機(jī)物的分子式。解：假設(shè)高分辨質(zhì)譜的測(cè)定誤差是±0.006，所以所測(cè)分子離子質(zhì)量的波動(dòng)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(gè)：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(cè)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(cè)得某純有機(jī)化合物樣品的分子離子質(zhì)量數(shù)為15例某有機(jī)化合物的分子量為104，（IM+1/IM）%=6.45，（IM+2/IM）%=4.77，試推測(cè)其化學(xué)結(jié)構(gòu)式。解：由于（IM+2/IM）%>4.44，說(shuō)明可能有S，Cl，Br等元素存在；又由于32.5>（IM+2/IM）%>4.44說(shuō)明化合物中含有1個(gè)S，而不含Cl和Br。故扣除S的貢獻(xiàn)：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(guò)分析，只有C5H12的（IM+1/IM）%最為接近，所以該有機(jī)物的化學(xué)式可能是C5H12S。例某有機(jī)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(duì)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(duì)化合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析。在獲得化合物分子量和分子式后，有機(jī)化合物質(zhì)譜解析的一般程序如下：①計(jì)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(jìn)一步確認(rèn)分子結(jié)構(gòu)。⑤查對(duì)標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行驗(yàn)證或參考相關(guān)圖譜進(jìn)行綜合解析。3.未知化合物的結(jié)構(gòu)解析例某有機(jī)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(cè)其結(jié)構(gòu)式。例某有機(jī)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?yàn)橐呀?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(gè)碎片離子很可能是：該有機(jī)物的斷裂過(guò)程可以進(jìn)行如下的推斷：解：因?yàn)橐呀?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(jī)物的結(jié)構(gòu)式可能是CH3-CO-C（CH3）3。對(duì)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(shí)，進(jìn)行可能的推測(cè)。所以，該有機(jī)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(jì)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衔餅橐霍人帷Ｒ驗(yàn)樵摶衔镏挥?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(guò)與相同條件下的標(biāo)準(zhǔn)圖譜對(duì)照來(lái)對(duì)其定性。應(yīng)用最多的是電子轟擊源（70V）的標(biāo)準(zhǔn)圖譜。現(xiàn)代質(zhì)譜儀均配有質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫(kù)，待測(cè)物的質(zhì)譜數(shù)據(jù)獲得后可以通過(guò)電腦在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行檢索。通過(guò)檢索一般可得到幾個(gè)可能的化合物，并按匹配度大小的次序給出化合物名稱(chēng)、分子式、相對(duì)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(duì)待測(cè)物進(jìn)行定性。應(yīng)用比較普遍的有NIST數(shù)據(jù)庫(kù)和Willey數(shù)據(jù)庫(kù)。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(guó)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(shí)發(fā)明了基質(zhì)輔助激光解吸電離質(zhì)譜(MALDI-MS)，1988年美國(guó)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(cè)相對(duì)分子量高達(dá)幾十萬(wàn)的生物大分子，從而開(kāi)拓了質(zhì)譜學(xué)中的一個(gè)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(shí)間質(zhì)量分析器結(jié)合成MIALDI-TOF-MS，質(zhì)量檢測(cè)范圍可從幾百至幾十萬(wàn)Da。MIALDI-TOF-MS所得譜峰與樣品各組分的質(zhì)量數(shù)有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，能直接提供生物大分子的相對(duì)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(gè)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(bǔ)四極桿、離子肼等分析器m/z測(cè)量范圍窄（15~4000Da）的缺點(diǎn)。通過(guò)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(jì)算出生物大分子的相對(duì)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(jì)算出來(lái)的分子量M為16951.7Da。（實(shí)際值為M=16951.5Da）。此外，電噴霧離子源與多級(jí)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(cè)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(cè)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(jìn)行生物大