有機分析課程內(nèi)容安排第一章有機分析簡介第二章有機質(zhì)譜第三章核磁共振第四章紅外及拉曼光譜第五章紫外光譜第六章結(jié)構(gòu)綜合分析第二章有機質(zhì)譜質(zhì)譜概述質(zhì)譜儀及其原理有機化合物的質(zhì)譜反應(yīng)及機理各類化合物的質(zhì)譜特征有機化合物質(zhì)譜解析生物質(zhì)譜技術(shù)及聯(lián)用技術(shù)質(zhì)譜發(fā)展歷史1906年，JJThomson獲得當年諾貝爾獎，建立了質(zhì)譜模型測量電子的核質(zhì)比；1922年，F(xiàn)rancisAston獲得諾貝爾獎，第一次將質(zhì)譜概念應(yīng)用于實踐，設(shè)計測定各種元素的質(zhì)量；1920年代，電子轟擊電離（EI）及磁分析器產(chǎn)生；1960年代，質(zhì)譜法開始普遍應(yīng)用于有機化學(xué)；

1980年代，快原子轟擊電離質(zhì)譜應(yīng)用；1990年代，電噴霧（ESI）及基質(zhì)輔助激光解吸（MALDI）等軟電離技術(shù)應(yīng)用于生物質(zhì)譜。2002NobelPrizeinChemistryJohnFennVirginiaCommonwealthUniversityKoichiTanaka

ShimadzuCorporation2002年獲得諾貝爾化學(xué)獎，獎勵他們對發(fā)展軟電離質(zhì)譜(MALDI-MS)應(yīng)用于生物大分子分析方面的突出貢獻。

質(zhì)譜學(xué)是秤量單一原子和分子從而確定它們質(zhì)量和分子量的藝術(shù)。在鑒定一個東西的時候，這些質(zhì)量和分子量偶爾足以，通常是非常必要而且總是有用的。質(zhì)譜原理

不同元素能夠通過它們的原子量得到鑒定，同樣，不同化合物也能通過它們唯一的分子量得到鑒定。1、有機質(zhì)譜儀：

1）氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀

2）液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀

3）其他質(zhì)譜儀傅立葉變換質(zhì)譜儀基質(zhì)輔助激光解吸-飛行時間質(zhì)譜儀2、無機質(zhì)譜儀：

ICP-MS3、同位素質(zhì)譜儀：輕元素同位素，重元素同位素4、氣體分析質(zhì)譜儀質(zhì)譜儀的分類質(zhì)譜的定義（MassSpectroscopy）

氣體分子或固體、液體的蒸氣受到一定能量的電子流轟擊或強電場作用，丟失電子生成分子離子；同時，化學(xué)鍵發(fā)生某些有規(guī)律的裂解，生成各種碎片離子。這些帶正電荷的離子在電場和磁場作用下，按質(zhì)荷比(m/z)的大小分開，排列成譜，記錄下來，即為質(zhì)譜。電子轟擊電離源中分子離子及碎片離子的形成有機質(zhì)譜中的各種離子1、分子離子它是由樣品分子電離而產(chǎn)生的。有機分子因失去一個電子而電離。2、準分子離子分子加氫質(zhì)子或減氫質(zhì)子，如[M+H]+、[M-H]-。3、碎片離子由分子離子碎裂而產(chǎn)生的一切離子。4、重排離子經(jīng)重排反應(yīng)產(chǎn)生的離子，其結(jié)構(gòu)與分子離子有差異。5、母離子與子離子

M1M2

其中M1為母離子；M2為子離子6、亞穩(wěn)離子（M*）從離子源出口到達檢測器之前產(chǎn)生并記錄下來的離子。在質(zhì)譜分析中，可利用M*來確定M1與M2之間的母子關(guān)系。M*=M2

2/M17、奇電子離子（odd-electronion）和偶電子離子（even-electronion）OE＋：具有未配對電子的離子稱為奇電子離子。EE＋：不具有未配對電子的離子稱為偶電子離子。分子離子是奇電子離子。質(zhì)譜解析中，奇電子離子較為重要。8、多電荷離子

一個分子失去一個以上電子所形成的離子稱為多電荷離子。一般軟電離技術(shù)易出現(xiàn)這種離子。尤其生物大分子更易帶多個正電荷。9、同位素離子當元素具有非單一的同位素組成時，電離過程產(chǎn)生同位素離子，同位素離子構(gòu)成同位素離子峰簇。有機質(zhì)譜的特色唯一可提供化合物分子量及分子式的方法；可對氣體、液體、固體等進行分析，其分析范圍寬；可以測定化合物的分子量，推測分子式、結(jié)構(gòu)式，用途廣;分析速度快，靈敏度高，樣品用量少；可以與色譜串聯(lián)，實現(xiàn)樣品的原位分析（比如HPLC－MS、GC－MS）；質(zhì)譜是破壞性的分析方法。第二章有機質(zhì)譜質(zhì)譜概述質(zhì)譜儀構(gòu)造及其檢測原理有機化合物的質(zhì)譜反應(yīng)及機理各類化合物的質(zhì)譜特征有機化合物質(zhì)譜解析生物質(zhì)譜技術(shù)及聯(lián)用技術(shù)質(zhì)譜儀組成質(zhì)譜儀的主要指標質(zhì)量范圍指質(zhì)譜儀器所檢測的離子的質(zhì)荷比范圍。分辨率質(zhì)譜儀器分開相鄰兩離子質(zhì)量的能力。高分辨質(zhì)譜（HRMS）可直接給出準確分子式。靈敏度靈敏度越高，質(zhì)譜對樣品的最低檢測限越低。質(zhì)譜儀組成離子源電子轟擊電離（electronimpactionization,EI）化學(xué)電離（chemicalionization,CI）場電離（fieldionization）和場解吸（fielddesorption）快原子轟擊（fastatombombardment,FAB）電噴霧電離（electrosprayionization,ESI）大氣壓化學(xué)電離（atmosphericpressurechemicalionization,APCI）基質(zhì)輔助激光解吸電離（matrix-assistedlaserdesorption-ionization,MALDI）EI為硬電離，其余為軟電離技術(shù)。ESI和MALDI作為生物質(zhì)譜技術(shù)。電子轟擊電離（electronimpactionization,EI）原理：利用能量一般為70eV的電子束轟擊樣品分子，后者電離形成離子束，進入質(zhì)量分析器。優(yōu)點：

EI是應(yīng)用最普遍、發(fā)展最成熟的電離方法；含有較多的碎片信息，這對于推測未知物結(jié)構(gòu)是非常必要的。缺點：樣品在氣態(tài)電離，不能氣化的樣品不能分析；分子離子峰強度低，甚至沒有分子離子峰；質(zhì)量范圍<1000。加速電場離子化室排斥電極電子轟擊電離源中分子離子及碎片離子的形成一般有機分子的電離電位在15ev以下，因此，過剩的能量會將部分分子離子打碎。分子失去一個電子生成分子離子M＋.分子中電子的能量順序：σ<π<n<σ*<π*

能量高的電子易被電離?；瘜W(xué)電離（chemicalionization,CI）

樣品分子的電離是經(jīng)過離子－分子反應(yīng)而完成的，因而有其名。首先是反應(yīng)氣（如甲烷、氨氣、甲醇等）與高能電子束作用后被電離：電離后的反應(yīng)氣分子再與樣品分子碰撞，得到準分子離子。一般結(jié)構(gòu)與EI相同，兩種電離方式可在一臺儀器上實現(xiàn)快速互換。屬于軟電離技術(shù)之一，準分子離子峰強度高，便于推算分子量，碎片離子少。CI的特點

分子離子峰和碎片離子峰的識別和解析，對有機分子的定性分析十分重要。可以通過選擇不同離子源來獲得不同的信息。下圖是不同離子源下麻黃堿的質(zhì)譜圖?；瘜W(xué)電離源電子轟擊源麻黃堿化學(xué)電離與電子轟擊源質(zhì)譜圖比較分子離子峰準場電離（Fieldionization)和場解吸（Fielddesorption）

FI：樣品蒸氣被金屬針端的強電位梯度電場電離，稱為場電離。

FI要求樣品分子為氣態(tài)，靈敏度低，現(xiàn)應(yīng)用減少。FD：電離原理與FI相同，不同在于樣品被沉積在電極針上。被電流解吸下來后，電離。

FD適用于難氣化、熱不穩(wěn)定的樣品。均為強電場誘導(dǎo)樣品分子電離電離過程：強電場——分子電子的量子隧道效應(yīng)——分子熱分解或碰撞——帶正電荷的碎片離子——陽極排出并加速進入磁場FI和FD應(yīng)用非常不普及。它們也屬于軟電離技術(shù)之一?？煸愚Z擊（fastatombombardment,FAB）

電離過程：高速電子——惰性氣體電離——電場加速——高速原子離子束——撞擊涂有樣品的金屬板——能量轉(zhuǎn)移給樣品分子——電離——引入質(zhì)量分析器顧名思義，利用被電離的重原子（Xe或Ar等），轟擊耙分子，使之電離。樣品分子涂在基質(zhì)上。常用基質(zhì)為：甘油、聚乙二醇等。基質(zhì)的改變會使FAB譜發(fā)生改變。高極性、難汽化的有機物都適用于此電離方法。一般得到的準分子離子峰比較復(fù)雜：[M+G+H]+、[2M＋

H]＋等，若基質(zhì)中加入Li＋、Na＋、K＋等鹽類，還會出現(xiàn)[M+金屬離子+H]＋峰。電噴霧電離（electrosprayionization,ESI）離子在電壓差和壓力差的驅(qū)使下向下游移動結(jié)構(gòu)：噴嘴（金屬毛細管），霧化氣，干燥氣(curtaingas)原理：噴霧蒸發(fā)電壓一種使用強靜電場的軟電離技術(shù)。電噴霧源(ESI)的特點1電噴霧源屬軟電離技術(shù)，只產(chǎn)生準分子離子，幾乎不產(chǎn)生碎片離子。2

尤其是生物大分子，產(chǎn)生的離子常常帶有多電荷。3適用于強極性，大分子量的樣品分析。如肽，蛋白質(zhì)，糖等。4

商品化儀器，主要用于液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀。Ar＝p-MeOPhR＝MeM+.：365一般小分子帶一個電荷。帶多電荷大分子易帶多個電荷基質(zhì)輔助激光解吸電離（matrix-assistedlaserdesorption-ionization,MALDI）

常用基質(zhì)MALDI的特點適用于難電離的物質(zhì)，如生物大分子。由于用的是激光，樣品離子同時“飛行”，因此特別適于與時間飛行質(zhì)譜匹配。（商品化的儀器：MALDI－

TOF）MALDI所產(chǎn)生的質(zhì)譜圖多為單電荷離子（ESI對生物大分子為多電荷），因而質(zhì)譜圖中的離子峰與多肽和蛋白質(zhì)的質(zhì)量有一一對應(yīng)關(guān)系。質(zhì)譜儀組成質(zhì)量分析器（質(zhì)譜儀的核心）分類單聚焦(single-focusing)和雙聚焦質(zhì)量分析器（高分辨）四極質(zhì)量分析器（quadrupoleanalyzer）離子阱（iontrap）離子回旋共振分析器(Ioncyclotronresonance,ICR)

（高分辨）傅立葉變換靜電場軌道阱（FTOrbitrap）（高分辨）飛行時間質(zhì)譜計（timeofflight，TOF）

質(zhì)量分析器的作用是將離子源中形成的離子按質(zhì)荷比值的大小不同分開。主要分為以下幾類：

單聚焦質(zhì)譜分析原理單聚焦質(zhì)譜分析原理圖

離子加速階段動能：進入扇型磁場后，離心力＝向心力：(1)+(2)：zV=1/2mv2(1)

(2)結(jié)論：1.離子的m/z與rm,B,V有關(guān)。通過改變磁場可以把不同離子分開。2.在一定加速電壓V下，對磁感應(yīng)強度B掃描，可以使不同離子先后通過檢測器，順次記錄下各質(zhì)荷比離子的強度，得到所有m/z離子的質(zhì)譜圖。原理：扇形磁場（可以是1800900600等）質(zhì)譜儀：在焦平面上同時記錄所有的離子。質(zhì)譜計：順次記錄各種質(zhì)荷比（m/z）離子的強度。有機質(zhì)譜采用的是質(zhì)譜計。質(zhì)譜單聚焦質(zhì)量分析器(EI-MS)

特點：結(jié)構(gòu)簡單，操作方便只有方向聚焦，無能量聚焦，分辨率低。

單聚焦質(zhì)量分析器只是將m/z相同而入射方向不同的離子聚焦到一點（或稱實現(xiàn)了方向聚焦）。但對于m/z相同而動能（或速度）不同的離子不能聚焦，故其分辨率較低。下圖是單聚焦型質(zhì)量分析器更直觀地的工作過程。雙聚焦質(zhì)量分析器(doublefocusingmassanalyzer)原理：單聚焦分析器分辨率低的主要原因在于它不能進行能量聚焦。雙聚焦分析器具有能量聚焦和方向聚焦的特點。雙聚焦質(zhì)量分析器

為克服動能或速度“分散”的問題，即實現(xiàn)所謂的“速度(能量)聚焦”，在離子源和磁分析器之間加一靜電分析器（ESA），如下圖所示，于兩個扇形電極板上加一直流電位Ve，離子通過時的曲率半徑為re=2V/E，即不同動能的離子re不同，換句話說，相同動能的離子的re相同----能量聚焦！

然后，改變E值可使不同能量的離子從其“出射狹縫”引出，并進入磁分析器再實現(xiàn)方向聚焦。雙聚焦質(zhì)量分析器結(jié)構(gòu)：磁場、電場任意順序組合。特點：分辨率高(>150,000)，可分辨名義上質(zhì)量相同，元素組成不同的離子。例：CO與CH2=CH2分子量都為28。四極質(zhì)量分析器（quadrupoleanalyzer）特點：掃描速度快，靈敏度高，特別適用于GC-MS。但分辨率不高。

四極質(zhì)量分析器具有兩對帶電相反的棒狀電極，完全是靠質(zhì)荷比把不同的離子分開。

在保持比值不變情況下，通過將U、V的值逐漸加大，質(zhì)量由小到大的離子順次通過質(zhì)量分析器。原理：四極桿與扇性磁場兩種質(zhì)量分析器在原理上是截然不同的。后者是靠離子動量的差別而把不同質(zhì)荷比的離子分開，而四極桿則完全靠質(zhì)荷比把不同離子分開。離子阱（iontrap）————四極桿的三維形式優(yōu)點：比四極桿更緊湊、體積小，靈敏度很高；質(zhì)量范圍大；可以儲存離子，實現(xiàn)“時間上”的串聯(lián)質(zhì)譜，而不是以前串聯(lián)質(zhì)譜的“空間上”串聯(lián)。缺點：離子阱易受到污染，殘余離子不宜洗凈。充氦氣傅立葉變換質(zhì)譜（FouriertransformMS，F(xiàn)T-MS）

離子回旋共振分析器(Ioncyclotronresonance,ICR)原理：受FTNMR啟發(fā)。m/z的離子被引入強磁場中時，進行回旋（圓周）運動。回旋半徑與其離子質(zhì)荷比有關(guān)。發(fā)射極加射頻信號使離子加速收集器加脈沖電壓對電子有門開關(guān)作用燈絲發(fā)射電子處于磁場B中離子——回旋離子——吸收與B垂直的電場能量——當離子能量和吸收能量相等——共振——切斷交變電場——回旋離子在電極上產(chǎn)生感應(yīng)電流——感應(yīng)電流衰減——記錄該信號——通過Fourier變換將時域圖轉(zhuǎn)換為頻域圖(質(zhì)譜圖)。分辨率極高，遠遠超過其他質(zhì)譜計，但價格昂貴；靈敏度高，質(zhì)量范圍寬，速度快；很容易進行MSn實驗。

特點：分析過程：傅立葉變換靜電場軌道阱（FTOrbitrap）Orbitrap質(zhì)譜儀是在2001年推出的，這是一種結(jié)構(gòu)新穎和突破性技術(shù)的質(zhì)譜儀器，其工作原理類似于FT-ICR，但是核心部分質(zhì)量分析器是全新的結(jié)構(gòu)。這種類型質(zhì)譜的檢測原理和FTICR一樣，也是通過離子的旋轉(zhuǎn)振蕩產(chǎn)生的鏡像電流，經(jīng)微分放大后由FT變換器測定各離子的振蕩頻率，最后計算出分子離子的質(zhì)核比(m/z)。這種通過頻率來測量質(zhì)核比的方式，可以得到超高的分辨率。2000年，俄國科學(xué)家Makarov發(fā)明“Orbitrap”或靜電場軌道阱質(zhì)譜。其質(zhì)量分析器形狀如同仿棰體，由仿棰形中心內(nèi)電極和左右2個外仿棰半電極組成。儀器工作時，在中心電極逐漸加上直流高壓，在Orbitrap內(nèi)產(chǎn)生特殊幾何結(jié)構(gòu)的靜電場。當離子進入到Orbitrap室內(nèi)后，受到中心電場的引力，即開始圍繞中心電極作圓周軌道運動，同時離子受到垂直方向的離心力和水平方向的推力，而沿中心內(nèi)電極作水平和垂直方向的震蕩。外電極除限制離子的運行軌道范圍，同時檢測由離子振蕩產(chǎn)生的感應(yīng)電勢，其中水平震蕩的頻率和分子離子的質(zhì)荷比(m/z)的關(guān)系可由以下數(shù)學(xué)公式來描述。從Orbitrap的每個外電極輸出的信號經(jīng)過微分放大器放大后由快速傅立葉轉(zhuǎn)換變成頻譜，頻譜再進而轉(zhuǎn)換為質(zhì)譜，然后在Xcalibur質(zhì)譜軟件中處理。飛行時間質(zhì)譜計（timeofflight，TOF）原理：

用一個脈沖將離子源中的離子瞬間引出，經(jīng)加速電壓加速，它們具有相同的動能而進入漂移管，質(zhì)荷比最小的離子具有最快的速度因而首先到達檢測器，質(zhì)荷比最大的離子則最后到達檢測器。優(yōu)點：質(zhì)量范圍沒有上限，特別適合生物大分子的質(zhì)譜測定；靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單，由于要求離子盡可能“同時”飛行，因而特別與脈沖產(chǎn)生離子的電離過程搭配，現(xiàn)在MALDI-TOF已成一完整術(shù)語。缺點：