有機(jī)質(zhì)譜解析導(dǎo)論

本書系統(tǒng)介紹了商用質(zhì)譜儀器上各種電離技術(shù)所獲譜圖的解析方法，深入敘述了電離技術(shù)原理、離子源內(nèi)產(chǎn)生的離子類型與特征，以及氣相中單分子離子裂解反應(yīng)的相關(guān)理論與規(guī)則。書中詳細(xì)闡述了正、負(fù)離子的裂解反應(yīng)類型與影響因素，以及圖譜解析的基礎(chǔ)技術(shù)，為讀者提供了從基礎(chǔ)理論到實(shí)踐應(yīng)用的全面指導(dǎo)。本書不僅關(guān)注合成和天然有機(jī)小分子的解析，還重點(diǎn)介紹了生物質(zhì)譜領(lǐng)域多肽、蛋白質(zhì)、糖、核苷酸等生物大分子的分子量測定和序列分析。對于肽和蛋白質(zhì)的ESIMS和MALDIMS鑒定，書中也進(jìn)行了詳盡的說明，展現(xiàn)了有機(jī)質(zhì)譜技術(shù)在生物領(lǐng)域的重要應(yīng)用。
為幫助讀者鞏固所學(xué)知識，本書提供了20余道習(xí)題，并在附錄中給出了習(xí)題答案。此外，附錄還收錄了天然同位素豐度和精確質(zhì)量表、常見的中性碎片丟失表、常見的低質(zhì)量端碎片離子表等實(shí)用信息，方便讀者在進(jìn)行質(zhì)譜解析時查閱參考。部分信息可通過掃描二維碼獲取電子版。
本書既適合有機(jī)質(zhì)譜領(lǐng)域的專業(yè)工作者閱讀，也可作為環(huán)境科學(xué)、醫(yī)藥衛(wèi)生、臨床醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)化學(xué)、食品化學(xué)、精細(xì)化工、材料科學(xué)、法庭科學(xué)等領(lǐng)域中使用有機(jī)質(zhì)譜分析的科技人員、教師、研究生的參考書籍。

汪聰慧研究員退休前在公安部物證鑒定中心(現(xiàn)稱公安部鑒定中心)工作，長期從事有機(jī)質(zhì)譜分析工作40年，是我國質(zhì)譜分析領(lǐng)域的前輩。1972年他就成為我國較早使用高分辨質(zhì)譜儀的用戶。曾獲得國家科技進(jìn)步獎一等獎，并于1993年榮獲國務(wù)院的特殊津貼。他還兩次作為高 級訪問學(xué)者赴美從事生物大分子和生物醫(yī)學(xué)質(zhì)譜的研究，涉及糖肽和多肽的質(zhì)譜分析。在公開的刊物和國內(nèi)外專業(yè)會議上發(fā)表了90余篇論文。 歷任中國質(zhì)譜學(xué)會第 一屆、三屆和四屆理事、常務(wù)理事和有機(jī)專業(yè)委員會副主任、主任；曾任中國質(zhì)譜學(xué)會第五界秘書長。

本書具有如下三個特點(diǎn)： (1)實(shí)用性 本書作者在綜合上述幾種解析方法基礎(chǔ)上，重點(diǎn)引入Biemman碎裂模型的方法，因該法實(shí)用；且具備有機(jī)化學(xué)和有機(jī)結(jié)構(gòu)理論的背景者，容易掌握和應(yīng)用。本書作者添加了骨架重排的內(nèi)容；增加復(fù)雜圖譜中判斷分子離子的方法；討論影響優(yōu)勢裂解的諸因素，并建議以特征離子為導(dǎo)向，結(jié)合高、低質(zhì)量端的離子信息進(jìn)行圖譜解析。 另外，本書在選擇解析譜圖的應(yīng)用實(shí)例時，并不涉及單功能團(tuán)的有機(jī)化合物，而是注重常見的合成有機(jī)物，如藥物、香料、染料、炸藥、成色劑、毒品、冠醚等，以及天然有機(jī)物，如抗菌素、甾體、黃酮、生物堿等，由此提升了實(shí)用性。 (2)全面性 本書除了詳盡討論有機(jī)小分子的電子電離(EI)圖譜解析外，還延伸到目前常有使用的CI、FD、FAB、MALDI、API等正負(fù)離子圖譜的基本解析方法。與此同時，還適當(dāng)介紹有機(jī)質(zhì)譜的重要分支---生物質(zhì)譜學(xué)的生物大分子，如多肽、蛋白質(zhì)、糖、核苷酸的分子量測定和序列分析的方法。使本書比較全面地反映當(dāng)前有機(jī)質(zhì)譜解析的概況。 (3)系統(tǒng)性 全書分七章及附錄，各章之間互有聯(lián)系，第 一章介紹各種離子化技術(shù)下獲得構(gòu)成圖譜的諸離子特點(diǎn)；第 二章單分子離子裂解反應(yīng)的原理、法則、規(guī)則和術(shù)語，在理論上既起到對裂解反應(yīng)的指導(dǎo)作用，又使讀者通過實(shí)例加深對這些理論的理解并進(jìn)而拓寬在不同化學(xué)環(huán)境下的應(yīng)用；第三章和第四章是掌握圖譜解析的基礎(chǔ)；第五章至第七章則分別展示有機(jī)小分子圖譜解析的應(yīng)用實(shí)例和生物大分子的分子量測定和序列分析的具體方法。附錄除列入涉及圖譜解析常用的素材和有關(guān)的參考資料外，還包括了第五章至第七章的三章習(xí)題的答案。由此構(gòu)成了有機(jī)質(zhì)譜解析的完整體系。

有機(jī)質(zhì)譜法作為有機(jī)化合物分析的重要工具之一，已經(jīng)走過近百年的歷程。盡管它的主要目標(biāo)仍然是解決有機(jī)物的定性、定量分析問題，但是在深度和廣度上有了巨大的進(jìn)展。主要成果體現(xiàn)在下述幾個方面：復(fù)雜體系中10-12～10-15量級的痕量有機(jī)物檢出、鑒定及定量；依靠各種在線聯(lián)用手段和質(zhì)量分離方法相關(guān)聯(lián)的眾多電離技術(shù)，發(fā)現(xiàn)新的物質(zhì)；深入到生物大分子的分析，形成當(dāng)前生物質(zhì)譜法的新分支等。
這些成果的應(yīng)用已經(jīng)涵蓋了諸如環(huán)境科學(xué)、醫(yī)藥衛(wèi)生、臨床醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)化學(xué)、食品化學(xué)、精細(xì)化工、材料科學(xué)、法庭科學(xué)等領(lǐng)域。全國每天都有數(shù)萬臺質(zhì)譜儀器在運(yùn)轉(zhuǎn)，其中會有不少未知物的質(zhì)譜圖需要進(jìn)行分析。作者希望通過本書所提供的圖譜解析方法，去應(yīng)對標(biāo)準(zhǔn)譜庫中檢索不到的困惑；并使用幾種電離技術(shù)，獲得多維度的信息，以解析未知物的結(jié)構(gòu)，這就是本書編著的主要目的。
《有機(jī)質(zhì)譜解析導(dǎo)論》是一本針對有機(jī)質(zhì)譜解析的專著，由7章和9個附錄組成。第1章介紹了目前商用質(zhì)譜儀上裝備的電離源【電子電離（EI）、化學(xué)電離（CI）、場電離/場解吸（FI/FD）、快原子轟擊（FAB）、基質(zhì)輔助激光解吸電離（MALDI）和大氣壓電離（API）】所產(chǎn)生的各種類型的離子。第2章介紹了指導(dǎo)譜圖解析的理論、規(guī)則以及術(shù)語。第3章討論了正離子裂解反應(yīng)的規(guī)律，這是對各類化合物進(jìn)行譜圖解析的基礎(chǔ)，尤其對骨架重排反應(yīng)的把握具有重要意義。和正離子的情況相似，書中匯集了CI、MALDI、ESI和APCI電離形成的負(fù)離子。無論是氣相的分子離子反應(yīng)還是單分子裂解反應(yīng)，它們的分子離子或準(zhǔn)分子離子甚至加合離子，其進(jìn)一步的裂解反應(yīng)基本上遵循偶電子規(guī)則，這是在解析過程中的著眼點(diǎn)。第4章是用于譜圖解析的四個方面基礎(chǔ)技術(shù)。除了譜圖檢索、元素組成式獲得、同位素豐度運(yùn)用以外，本書以較多的篇幅敘述MS/MS技術(shù)，它的重要性與軟電離技術(shù)的應(yīng)用密切相關(guān)。書中除描述傳統(tǒng)且成熟的CID之外，還涉及ECD、ETD和最新的EAD技術(shù)，后三者可提供互補(bǔ)的分析信息，已成為目前有機(jī)質(zhì)譜法的新增長點(diǎn)。第5章至第7章的篇幅占了整書40%以上。無論是EI還是其他軟電離技術(shù)所提到的大量解析實(shí)例，都通過圖和文字予以具體說明。由于解析是以分子離子為起點(diǎn)，因此一些判斷分子離子峰的實(shí)例介紹將有助于讀者較全面地掌握其基本方法；其中，解釋譜圖中段的特征離子是結(jié)構(gòu)測定的關(guān)鍵。本書還附有供讀者練習(xí)的少量習(xí)題，以便讀者進(jìn)一步熟悉解析方法。至此，可以說本書7章的內(nèi)容互為關(guān)聯(lián)，構(gòu)成了一個完整的體系。
這里，有兩點(diǎn)需說明：一是為了使讀者可追溯原創(chuàng)文獻(xiàn)，作者秉承尊重、真實(shí)、可靠的宗旨，提供本書所有引用的國內(nèi)外資料和數(shù)據(jù)的出處；二是本書例外地采用“式”的表述，以便形象地描述被分析物的裂解方式、碎裂過程和可能的離子結(jié)構(gòu)，使讀者在解析這些化合物時有更深的了解。
在本書的撰寫過程中，作者的朋友和同事王永東、陸鼎新、劉連志、賀小蔚、白偉東及李斌在文獻(xiàn)資料、素材的提供和圖、式的制作上給予了大力的幫助，特別是本書責(zé)任編輯對本書的初稿提出了寶貴又貼切的修改建議，使本書得以順利地脫稿和出版。中國工程院院士蔣建東教授為本書作序。在此，作者一并致以誠摯和衷心的感謝。鑒于本書所涉及的內(nèi)容比較廣泛，而作者受專業(yè)背景的限制，對于書中不妥之處真誠地希望讀者不吝賜教。

作者
2024年5月

1電離技術(shù)及離子源內(nèi)產(chǎn)生的離子001～040
1.1電子電離001
1.1.1電子電離源及電子電離的過程001
1.1.2電子電離源中的正離子002
1.2化學(xué)電離005
1.2.1化學(xué)電離源005
1.2.2正離子化學(xué)電離005
1.2.3化學(xué)電離源內(nèi)的正離子007
1.2.4正離子CI譜的優(yōu)勢009
1.3場電離和場解吸010
1.3.1場電離和場解吸源010
1.3.2場電離和場解吸原理010
1.3.3FI源中的正離子011
1.3.4FD源中的正離子013
1.4快原子轟擊015
1.4.1快原子轟擊源015
1.4.2快原子轟擊電離016
1.4.3FAB源中形成的正離子017
1.5基質(zhì)輔助激光解吸電離020
1.5.1基質(zhì)輔助激光解吸電離源020
1.5.2基質(zhì)輔助激光解吸電離原理022
1.5.3MALDI源中形成的正離子023
1.6大氣壓電離026
1.6.1API源027
1.6.2API電離原理028
1.6.3API源中形成的正離子030
參考文獻(xiàn)038

2氣相中單分子離子裂解反應(yīng)的術(shù)語、理論和若干規(guī)則041～056
2.1奇電子離子和偶電子離子041
2.2均勻裂解和不均勻裂解043
2.3Franck-Condon原理044
2.4準(zhǔn)平衡理論046
2.5Wahrhaftig圖046
2.6電荷中心或自由基中心引發(fā)的反應(yīng)048
2.7產(chǎn)物穩(wěn)定性050
2.8多階段裂解和偶電子規(guī)則050
2.9氮規(guī)則051
2.10Stevenson規(guī)則052
2.11Field規(guī)則053
2.12最大烷基丟失規(guī)則053
2.13離子結(jié)構(gòu)053
參考文獻(xiàn)055

3正、負(fù)離子的裂解反應(yīng)057～113
3.1正離子裂解反應(yīng)的基本類型059
3.1.1單鍵裂解反應(yīng)060
3.1.2多鍵裂解反應(yīng)064
3.1.3氫重排反應(yīng)068
3.1.4雙氫重排和三氫重排反應(yīng)071
3.1.5四元和多元?dú)渲嘏欧磻?yīng)073
3.2正離子骨架重排反應(yīng)075
3.2.1基團(tuán)或原子遷移的骨架重排077
3.2.2環(huán)的壓縮、并合、擴(kuò)張的骨架重排082
3.3影響優(yōu)勢裂解反應(yīng)的諸因素084
3.3.1鍵能085
3.3.2競爭反應(yīng)形成潛在的各對離子和中性碎片間的相對穩(wěn)定性086
3.3.3形成新鍵088
3.3.4原子和基團(tuán)在空間的相對位置088
3.4高豐度離子的形成089
3.5有機(jī)反應(yīng)與質(zhì)譜裂解反應(yīng)090
3.6負(fù)離子的裂解反應(yīng)091
3.6.1CI0923.6.2FAB096
3.6.3MALDI098
3.6.4ESI101
3.6.5APCI107
參考文獻(xiàn)109

4圖譜解析用的基礎(chǔ)技術(shù)114～183
4.1譜庫檢索114
4.1.1有機(jī)小分子的譜庫檢索114
4.1.2生物大分子的譜庫檢索115
4.2有機(jī)物分子式的確定118
4.2.1高分辨質(zhì)譜法測定有機(jī)物分子式118
4.2.2低分辨質(zhì)譜法測定有機(jī)物分子式133
4.3有機(jī)物分子的元素定性分析144
4.3.1A+2元素的識別和數(shù)量的確定145
4.3.2A+1元素的估算148
4.3.3A元素的識別149
4.3.4分子式的推測和確定149
4.4譜圖中各離子關(guān)系的測定153
4.4.1亞穩(wěn)技術(shù)154
4.4.2碰撞活化的MS/MS分析162
參考文獻(xiàn)180

5電子電離圖譜的解析184～240
5.1如何獲得優(yōu)良的、可供解析的質(zhì)譜圖185
5.1.1溫度185
5.1.2催化反應(yīng)186
5.1.3離子-分子反應(yīng)187
5.2分子離子峰的確定187
5.2.1合理的中性丟失188
5.2.2氮規(guī)則189
5.2.3成對的碎片離子和雙電荷離子189
5.2.4提供分子量信息的其他途徑190
5.2.5M+H峰或MH峰191
5.2.6EI源中高于分子離子峰的特例192
5.3EI圖譜解析的基本步驟195
5.3.1單官能團(tuán)化合物195
5.3.2多官能團(tuán)化合物200
5.4復(fù)雜有機(jī)化合物（包括合成或天然有機(jī)物）的結(jié)構(gòu)解析206
5.4.1合成有機(jī)化合物206
5.4.2天然有機(jī)化合物213
5.5解析舉例226
5.5.1一種未知染料的分析226
5.5.2中藥射干親脂中性成分的分析228
5.5.3一種青成色劑的分析229
5.6習(xí)題233
參考文獻(xiàn)239

6有機(jī)小分子軟電離圖譜的解析241～295
6.1CI譜的分析241
6.1.1分子量的確定241
6.1.2碎片峰242
6.1.3EI/CI譜圖的互補(bǔ)分析244
6.1.4若干種有機(jī)小分子的CI分析246
6.2FI/FD譜的分析256
6.2.1FI譜的分析256
6.2.2FD譜的分析258
6.2.3若干種有機(jī)小分子的FD分析263
6.3FAB譜的分析269
6.3.1分子量的確定269
6.3.2碎片峰的特點(diǎn)270
6.3.3若干種有機(jī)小分子的FAB分析271
6.3.4FAB圖譜分析時遇到的特例275
6.4API譜的分析276
6.4.1ESI的【M+H】+及其碎片276
6.4.2若干種有機(jī)小分子的正ESI分析278
6.4.3負(fù)ESI分析281
6.4.4APCI283
6.5習(xí)題284
參考文獻(xiàn)292

7生物大分子的ESI-MS和MALDI-MS圖譜解析簡介296～341
7.1多肽和蛋白質(zhì)298
7.1.1多肽的分子量和序列測定298
7.1.2蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)測定301
7.1.3蛋白質(zhì)在翻譯后的修飾309
7.1.4蛋白質(zhì)分析的策略312
7.2碳水化合物317
7.2.1分子量測定318
7.2.2序列分析320
7.3多聚核苷酸326
7.3.1分子量測定326
7.3.2序列測定328
7.4脂質(zhì)332
7.4.1脂質(zhì)的分類332
7.4.2脂質(zhì)的質(zhì)譜行為334
7.4.3脂質(zhì)的質(zhì)譜碎裂334
7.5習(xí)題337
參考文獻(xiàn)338

附錄342～358
附錄1天然同位素豐度和精確質(zhì)量表342
附錄2常見的中性碎片丟失表347
附錄3常見的低質(zhì)量端碎片離子表350
附錄4壓力換算表356
附錄5標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)EI碎片離子的精確
質(zhì)量及其元素組成式356附錄6部分分子和自由基的氣相離子熱化學(xué)數(shù)據(jù)356
附錄7互聯(lián)網(wǎng)上與質(zhì)譜相關(guān)的資源356
附錄8液-質(zhì)聯(lián)用與常見氣-質(zhì)聯(lián)用干擾離子(或譜圖)356
附錄9習(xí)題答案356