質譜

一．基礎知識

質譜(MS)，就是把帶電荷的分子或經一定方式裂解形成的碎片離子按思質荷比(m/s)大小排列而成的圖譜。質譜中並不伴隨有電磁輻射的吸收或發射，所以不屬於光譜范疇，它是對具有不同質量的離子的觀測。隨著相關技術的不斷完善，質譜已成為化合物分子量、分子式確定的主要手段，是化合物結構解析的重要方法。

質譜的主要特點如下。

(1)質譜是一種損耗性分析方法，樣品經質譜分析後即被破壞，無法回收。但相較其他幾種波譜分析方法，質譜方法具有很高的靈敏度，僅需很少樣品即可完成分析。 (2)質譜可以直接測定化合物的分子量，如果是高分辨質譜(HRMS) 還可測定出化合物的分子式。分子量和分子式的確定對於結構推導至關重要。 (3)通過對碎片離子的分析或多級質譜數據的分析，可為化合物結構解析提供許多信息。

質譜計是一類測定帶電離子質荷比的裝置，一般由進樣系統，電離和加速室，質量分析器，檢測器，數據處理等幾個部分組成。

進樣系統→分析樣品在不被破壞的情況下進入離子源。

電離和加速室→又稱離子源樣品分子在電離室被電離，帶上電荷。離子源有很多類型，比如電子轟擊電力（EI），化學電離（CI）等。

質量分析器→質譜計的核心，可以把不同質荷比的離子分開。它也有很多類型，比如扇形磁場單聚焦質量分析器，飛行時間質譜計等。

檢測器→檢測各種質荷比離子

數據處理→進行數據采集，存儲，處理，打印，檢索等。

儀器的主要指標（質量范圍，分辨率，靈敏度） 。

二．深入瞭解

質譜的縱坐標為信號的強度，不同質荷比的離子經質量分析器得以分開，隨後檢驗。

離子源

l 電子轟擊電離 （EI）：是發展最早也最成熟的電離方法。轟擊電子能量很高，除產生分子離子外，會引起分子離子內部化學鍵斷裂，產生一系列碎片離子或中性片段。

l 化學電離（CI）：軟電離類型，由化學電離產生的準分子離子過剩能量小，進一步反應發生裂解可能性小，形成碎片少。

l 快原子轟擊電離(FAB)：能量較高，除瞭使樣品氣化和解離，也會引發一些化學鍵的斷裂，產生碎片離子，給出結構信息。

l 機制輔助激光解析電離（MALDI）：在生物大分子的分析中取得很大成功。

l 大氣壓電離（API）：不需要真空，使用方法簡單，其中的電噴霧電離（ESI）使用最為廣泛。

上述介紹的離子源各具特點，適用范圍不一。對於分子量小於1000，揮發性高，熱穩定性好的化合物，常采用EI或CI方法進行測定。CI屬軟電離，碎片少，易於測定分子量；而EI屬硬電離，碎片峰多，提供的結構信息豐富。FAB則適合於分子量5000左右、揮發性底、極性大、熱不穩定的化合物，如：糖、、肽、小分子蛋白等。MALDI方式適宜的化合物類型與FAB相似，但其靈敏度更高(高100～1000倍)，且分子量范圍更大，分子量大於500000的蛋白質分子，亦能夠成功測定。而EST既能應用大分子也能應用於小分子。用於大分子時，與MALDI易產生單電荷離子不同，ESI則易產生多電荷離子。ESI通常還與液相色譜技術聯用，如高效液相色譜和毛細管電泳等。不同電離方式的特點小結於表4-2。

質量分析器

n 雙聚焦質量分析器：大部分測定正離子，也可測定負離子。可實現高分辨質譜的測定。

n 四極質量分析器：結構簡單，無磁滯現象，掃描速度快，特別適合與液相色譜聯機。

n 離子阱：結構簡單，靈敏度高，質量范圍大，可實現時間串聯質譜，但分辨率不夠。

n 飛行時間質譜：靈敏度高，結構簡單，掃描速度塊，分辨率隨質荷比增加而降低，能進行高分辨率質譜測試。

n 傅裡葉變換離子回旋共振質譜：分辨率極高，實現時間串聯質譜，可與多種離子源配合使用。

三．實際運用

在正式運用之前，我們需要瞭解主要離子及其裂解類型：

分子離子：化合物分子通過某種電離方式，失去一個外層價電子而形成帶正電荷的離子稱為分子離子。（M+e→M++2e）所以其m/z的值等於化合物的相對分子質量，並由此推斷化合物的分子式。

碎片離子：分子離子產生後可能具有較高能量，將會通過進一步碎裂或重排釋放能量，碎裂後產生的離子形成的峰稱為碎片離子峰（M→M+→初級碎片離子→次級碎片離子）

亞穩離子： 離子(m1+)脫離離子源後並在到達質量分析器前，由於其內能較高或相互碰撞等因素，在飛行過程中可能發生裂解而形成低質量離子（m2），這種離子能量小且不穩定。在譜圖中具有峰寬大，相對強度低，m/z不為整數等特點。

同位素離子：同位素形成的離子峰。

A. 分子量推斷

EI-MS屬於硬電離，產生的是分子離子樣品分子的分子量數值上就等於分子離子的質荷比。所以在EI-MS譜中找出分子離子峰M+，也就確定瞭分子量。 一般來說，EI-MS中分子離子峰應為圖譜中質量數最大的峰，也就是譜中最右端的峰（不計其右側的同位素峰）。一個純化合物的EI-MS譜，可按照下列條件進行判斷：（1）分子離子峰必須是圖譜中最高質量的離子（同位素峰除外）。（2）分子離子峰必須為奇電子離子，且符合“氮規則”。

ESI電離方式可分別采取正離子和負離子模式。小分子化合物在ESI-MS中單電荷離子為最強峰。

B. 分子式推斷

高分辨質譜根據精確質量進行推斷。

C. 離子裂解基本規律和結構解析

均裂（每個原子各帶走一個電子），異裂（σ鍵一對電子被其中一個原子帶走），半異裂（σ鍵中一個電子電離，形成分子離子）

裂解類型：

σ裂解：半異裂，化合物不含O，N等雜原子，也無Π鍵時。σ裂解為主要方式

α裂解：反應由未成對電子引發，由未成對電子強烈的成對傾向所驅動，引發未成對電子α位化學鍵均裂。

I裂解：由正電中心引發，由正電荷對其附近電子對強烈的吸引所驅動，引發附近化學鍵異裂。

重排類型：

γ-H重排到不飽和基團上並伴隨β斷裂（麥氏重排）

氫重排到飽和雜原子上並伴隨鄰鍵斷裂

雙氫重排

置換反應

消除裂解