有机质谱解析导论

本书系统介绍了商用质谱仪器上各种电离技术所获谱图的解析方法，深入叙述了电离技术原理、离子源内产生的离子类型与特征，以及气相中单分子离子裂解反应的相关理论与规则。书中详细阐述了正、负离子的裂解反应类型与影响因素，以及图谱解析的基础技术，为读者提供了从基础理论到实践应用的全面指导。本书不仅关注合成和天然有机小分子的解析，还重点介绍了生物质谱领域多肽、蛋白质、糖、核苷酸等生物大分子的分子量测定和序列分析。对于肽和蛋白质的ESIMS和MALDIMS鉴定，书中也进行了详尽的说明，展现了有机质谱技术在生物领域的重要应用。
为帮助读者巩固所学知识，本书提供了20余道习题，并在附录中给出了习题答案。此外，附录还收录了天然同位素丰度和精确质量表、常见的中性碎片丢失表、常见的低质量端碎片离子表等实用信息，方便读者在进行质谱解析时查阅参考。部分信息可通过扫描二维码获取电子版。
本书既适合有机质谱领域的专业工作者阅读，也可作为环境科学、医药卫生、临床医学、农业化学、食品化学、精细化工、材料科学、法庭科学等领域中使用有机质谱分析的科技人员、教师、研究生的参考书籍。

汪聪慧研究员退休前在公安部物证鉴定中心(现称公安部鉴定中心)工作，长期从事有机质谱分析工作40年，是我国质谱分析领域的前辈。1972年他就成为我国较早使用高分辨质谱仪的用户。曾获得国家科技进步奖一等奖，并于1993年荣获国务院的特殊津贴。他还两次作为高 级访问学者赴美从事生物大分子和生物医学质谱的研究，涉及糖肽和多肽的质谱分析。在公开的刊物和国内外专业会议上发表了90余篇论文。 历任中国质谱学会第 一届、三届和四届理事、常务理事和有机专业委员会副主任、主任；曾任中国质谱学会第五界秘书长。

本书具有如下三个特点： (1)实用性 本书作者在综合上述几种解析方法基础上，重点引入Biemman碎裂模型的方法，因该法实用；且具备有机化学和有机结构理论的背景者，容易掌握和应用。本书作者添加了骨架重排的内容；增加复杂图谱中判断分子离子的方法；讨论影响优势裂解的诸因素，并建议以特征离子为导向，结合高、低质量端的离子信息进行图谱解析。 另外，本书在选择解析谱图的应用实例时，并不涉及单功能团的有机化合物，而是注重常见的合成有机物，如药物、香料、染料、炸药、成色剂、毒品、冠醚等，以及天然有机物，如抗菌素、甾体、黄酮、生物碱等，由此提升了实用性。 (2)全面性 本书除了详尽讨论有机小分子的电子电离(EI)图谱解析外，还延伸到目前常有使用的CI、FD、FAB、MALDI、API等正负离子图谱的基本解析方法。与此同时，还适当介绍有机质谱的重要分支---生物质谱学的生物大分子，如多肽、蛋白质、糖、核苷酸的分子量测定和序列分析的方法。使本书比较全面地反映当前有机质谱解析的概况。 (3)系统性 全书分七章及附录，各章之间互有联系，第 一章介绍各种离子化技术下获得构成图谱的诸离子特点；第 二章单分子离子裂解反应的原理、法则、规则和术语，在理论上既起到对裂解反应的指导作用，又使读者通过实例加深对这些理论的理解并进而拓宽在不同化学环境下的应用；第三章和第四章是掌握图谱解析的基础；第五章至第七章则分别展示有机小分子图谱解析的应用实例和生物大分子的分子量测定和序列分析的具体方法。附录除列入涉及图谱解析常用的素材和有关的参考资料外，还包括了第五章至第七章的三章习题的答案。由此构成了有机质谱解析的完整体系。

有机质谱法作为有机化合物分析的重要工具之一，已经走过近百年的历程。尽管它的主要目标仍然是解决有机物的定性、定量分析问题，但是在深度和广度上有了巨大的进展。主要成果体现在下述几个方面：复杂体系中10-12～10-15量级的痕量有机物检出、鉴定及定量；依靠各种在线联用手段和质量分离方法相关联的众多电离技术，发现新的物质；深入到生物大分子的分析，形成当前生物质谱法的新分支等。
这些成果的应用已经涵盖了诸如环境科学、医药卫生、临床医学、农业化学、食品化学、精细化工、材料科学、法庭科学等领域。全国每天都有数万台质谱仪器在运转，其中会有不少未知物的质谱图需要进行分析。作者希望通过本书所提供的图谱解析方法，去应对标准谱库中检索不到的困惑；并使用几种电离技术，获得多维度的信息，以解析未知物的结构，这就是本书编著的主要目的。
《有机质谱解析导论》是一本针对有机质谱解析的专著，由7章和9个附录组成。第1章介绍了目前商用质谱仪上装备的电离源【电子电离（EI）、化学电离（CI）、场电离/场解吸（FI/FD）、快原子轰击（FAB）、基质辅助激光解吸电离（MALDI）和大气压电离（API）】所产生的各种类型的离子。第2章介绍了指导谱图解析的理论、规则以及术语。第3章讨论了正离子裂解反应的规律，这是对各类化合物进行谱图解析的基础，尤其对骨架重排反应的把握具有重要意义。和正离子的情况相似，书中汇集了CI、MALDI、ESI和APCI电离形成的负离子。无论是气相的分子离子反应还是单分子裂解反应，它们的分子离子或准分子离子甚至加合离子，其进一步的裂解反应基本上遵循偶电子规则，这是在解析过程中的着眼点。第4章是用于谱图解析的四个方面基础技术。除了谱图检索、元素组成式获得、同位素丰度运用以外，本书以较多的篇幅叙述MS/MS技术，它的重要性与软电离技术的应用密切相关。书中除描述传统且成熟的CID之外，还涉及ECD、ETD和最新的EAD技术，后三者可提供互补的分析信息，已成为目前有机质谱法的新增长点。第5章至第7章的篇幅占了整书40%以上。无论是EI还是其他软电离技术所提到的大量解析实例，都通过图和文字予以具体说明。由于解析是以分子离子为起点，因此一些判断分子离子峰的实例介绍将有助于读者较全面地掌握其基本方法；其中，解释谱图中段的特征离子是结构测定的关键。本书还附有供读者练习的少量习题，以便读者进一步熟悉解析方法。至此，可以说本书7章的内容互为关联，构成了一个完整的体系。
这里，有两点需说明：一是为了使读者可追溯原创文献，作者秉承尊重、真实、可靠的宗旨，提供本书所有引用的国内外资料和数据的出处；二是本书例外地采用“式”的表述，以便形象地描述被分析物的裂解方式、碎裂过程和可能的离子结构，使读者在解析这些化合物时有更深的了解。
在本书的撰写过程中，作者的朋友和同事王永东、陆鼎新、刘连志、贺小蔚、白伟东及李斌在文献资料、素材的提供和图、式的制作上给予了大力的帮助，特别是本书责任编辑对本书的初稿提出了宝贵又贴切的修改建议，使本书得以顺利地脱稿和出版。中国工程院院士蒋建东教授为本书作序。在此，作者一并致以诚挚和衷心的感谢。鉴于本书所涉及的内容比较广泛，而作者受专业背景的限制，对于书中不妥之处真诚地希望读者不吝赐教。

作者
2024年5月

1电离技术及离子源内产生的离子001～040
1.1电子电离001
1.1.1电子电离源及电子电离的过程001
1.1.2电子电离源中的正离子002
1.2化学电离005
1.2.1化学电离源005
1.2.2正离子化学电离005
1.2.3化学电离源内的正离子007
1.2.4正离子CI谱的优势009
1.3场电离和场解吸010
1.3.1场电离和场解吸源010
1.3.2场电离和场解吸原理010
1.3.3FI源中的正离子011
1.3.4FD源中的正离子013
1.4快原子轰击015
1.4.1快原子轰击源015
1.4.2快原子轰击电离016
1.4.3FAB源中形成的正离子017
1.5基质辅助激光解吸电离020
1.5.1基质辅助激光解吸电离源020
1.5.2基质辅助激光解吸电离原理022
1.5.3MALDI源中形成的正离子023
1.6大气压电离026
1.6.1API源027
1.6.2API电离原理028
1.6.3API源中形成的正离子030
参考文献038

2气相中单分子离子裂解反应的术语、理论和若干规则041～056
2.1奇电子离子和偶电子离子041
2.2均匀裂解和不均匀裂解043
2.3Franck-Condon原理044
2.4准平衡理论046
2.5Wahrhaftig图046
2.6电荷中心或自由基中心引发的反应048
2.7产物稳定性050
2.8多阶段裂解和偶电子规则050
2.9氮规则051
2.10Stevenson规则052
2.11Field规则053
2.12最大烷基丢失规则053
2.13离子结构053
参考文献055

3正、负离子的裂解反应057～113
3.1正离子裂解反应的基本类型059
3.1.1单键裂解反应060
3.1.2多键裂解反应064
3.1.3氢重排反应068
3.1.4双氢重排和三氢重排反应071
3.1.5四元和多元氢重排反应073
3.2正离子骨架重排反应075
3.2.1基团或原子迁移的骨架重排077
3.2.2环的压缩、并合、扩张的骨架重排082
3.3影响优势裂解反应的诸因素084
3.3.1键能085
3.3.2竞争反应形成潜在的各对离子和中性碎片间的相对稳定性086
3.3.3形成新键088
3.3.4原子和基团在空间的相对位置088
3.4高丰度离子的形成089
3.5有机反应与质谱裂解反应090
3.6负离子的裂解反应091
3.6.1CI0923.6.2FAB096
3.6.3MALDI098
3.6.4ESI101
3.6.5APCI107
参考文献109

4图谱解析用的基础技术114～183
4.1谱库检索114
4.1.1有机小分子的谱库检索114
4.1.2生物大分子的谱库检索115
4.2有机物分子式的确定118
4.2.1高分辨质谱法测定有机物分子式118
4.2.2低分辨质谱法测定有机物分子式133
4.3有机物分子的元素定性分析144
4.3.1A+2元素的识别和数量的确定145
4.3.2A+1元素的估算148
4.3.3A元素的识别149
4.3.4分子式的推测和确定149
4.4谱图中各离子关系的测定153
4.4.1亚稳技术154
4.4.2碰撞活化的MS/MS分析162
参考文献180

5电子电离图谱的解析184～240
5.1如何获得优良的、可供解析的质谱图185
5.1.1温度185
5.1.2催化反应186
5.1.3离子-分子反应187
5.2分子离子峰的确定187
5.2.1合理的中性丢失188
5.2.2氮规则189
5.2.3成对的碎片离子和双电荷离子189
5.2.4提供分子量信息的其他途径190
5.2.5M+H峰或MH峰191
5.2.6EI源中高于分子离子峰的特例192
5.3EI图谱解析的基本步骤195
5.3.1单官能团化合物195
5.3.2多官能团化合物200
5.4复杂有机化合物（包括合成或天然有机物）的结构解析206
5.4.1合成有机化合物206
5.4.2天然有机化合物213
5.5解析举例226
5.5.1一种未知染料的分析226
5.5.2中药射干亲脂中性成分的分析228
5.5.3一种青成色剂的分析229
5.6习题233
参考文献239

6有机小分子软电离图谱的解析241～295
6.1CI谱的分析241
6.1.1分子量的确定241
6.1.2碎片峰242
6.1.3EI/CI谱图的互补分析244
6.1.4若干种有机小分子的CI分析246
6.2FI/FD谱的分析256
6.2.1FI谱的分析256
6.2.2FD谱的分析258
6.2.3若干种有机小分子的FD分析263
6.3FAB谱的分析269
6.3.1分子量的确定269
6.3.2碎片峰的特点270
6.3.3若干种有机小分子的FAB分析271
6.3.4FAB图谱分析时遇到的特例275
6.4API谱的分析276
6.4.1ESI的【M+H】+及其碎片276
6.4.2若干种有机小分子的正ESI分析278
6.4.3负ESI分析281
6.4.4APCI283
6.5习题284
参考文献292

7生物大分子的ESI-MS和MALDI-MS图谱解析简介296～341
7.1多肽和蛋白质298
7.1.1多肽的分子量和序列测定298
7.1.2蛋白质的结构测定301
7.1.3蛋白质在翻译后的修饰309
7.1.4蛋白质分析的策略312
7.2碳水化合物317
7.2.1分子量测定318
7.2.2序列分析320
7.3多聚核苷酸326
7.3.1分子量测定326
7.3.2序列测定328
7.4脂质332
7.4.1脂质的分类332
7.4.2脂质的质谱行为334
7.4.3脂质的质谱碎裂334
7.5习题337
参考文献338

附录342～358
附录1天然同位素丰度和精确质量表342
附录2常见的中性碎片丢失表347
附录3常见的低质量端碎片离子表350
附录4压力换算表356
附录5标准参考物质EI碎片离子的精确
质量及其元素组成式356附录6部分分子和自由基的气相离子热化学数据356
附录7互联网上与质谱相关的资源356
附录8液-质联用与常见气-质联用干扰离子(或谱图)356
附录9习题答案356