有機質(zhì)譜解析導論

本書系統(tǒng)介紹了商用質(zhì)譜儀器上各種電離技術所獲譜圖的解析方法，深入敘述了電離技術原理、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的相關理論與規(guī)則。書中詳細闡述了正、負離子的裂解反應類型與影響因素，以及圖譜解析的基礎技術，為讀者提供了從基礎理論到實踐應用的全面指導。本書不僅關注合成和天然有機小分子的解析，還重點介紹了生物質(zhì)譜領域多肽、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，書中也進行了詳盡的說明，展現(xiàn)了有機質(zhì)譜技術在生物領域的重要應用。
為幫助讀者鞏固所學知識，本書提供了20余道習題，并在附錄中給出了習題答案。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用信息，方便讀者在進行質(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。
本書既適合有機質(zhì)譜領域的專業(yè)工作者閱讀，也可作為環(huán)境科學、醫(yī)藥衛(wèi)生、臨床醫(yī)學、農(nóng)業(yè)化學、食品化學、精細化工、材料科學、法庭科學等領域中使用有機質(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，長期從事有機質(zhì)譜分析工作40年，是我國質(zhì)譜分析領域的前輩。1972年他就成為我國較早使用高分辨質(zhì)譜儀的用戶。曾獲得國家科技進步獎一等獎，并于1993年榮獲國務院的特殊津貼。他還兩次作為高 級訪問學者赴美從事生物大分子和生物醫(yī)學質(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)譜學會第 一屆、三屆和四屆理事、常務理事和有機專業(yè)委員會副主任、主任；曾任中國質(zhì)譜學會第五界秘書長。

本書具有如下三個特點： (1)實用性 本書作者在綜合上述幾種解析方法基礎上，重點引入Biemman碎裂模型的方法，因該法實用；且具備有機化學和有機結(jié)構(gòu)理論的背景者，容易掌握和應用。本書作者添加了骨架重排的內(nèi)容；增加復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向，結(jié)合高、低質(zhì)量端的離子信息進行圖譜解析。 另外，本書在選擇解析譜圖的應用實例時，并不涉及單功能團的有機化合物，而是注重常見的合成有機物，如藥物、香料、染料、炸藥、成色劑、毒品、冠醚等，以及天然有機物，如抗菌素、甾體、黃酮、生物堿等，由此提升了實用性。 (2)全面性 本書除了詳盡討論有機小分子的電子電離(EI)圖譜解析外，還延伸到目前常有使用的CI、FD、FAB、MALDI、API等正負離子圖譜的基本解析方法。與此同時，還適當介紹有機質(zhì)譜的重要分支---生物質(zhì)譜學的生物大分子，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前有機質(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下獲得構(gòu)成圖譜的諸離子特點；第 二章單分子離子裂解反應的原理、法則、規(guī)則和術語，在理論上既起到對裂解反應的指導作用，又使讀者通過實例加深對這些理論的理解并進而拓寬在不同化學環(huán)境下的應用；第三章和第四章是掌握圖譜解析的基礎；第五章至第七章則分別展示有機小分子圖譜解析的應用實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的參考資料外，還包括了第五章至第七章的三章習題的答案。由此構(gòu)成了有機質(zhì)譜解析的完整體系。

有機質(zhì)譜法作為有機化合物分析的重要工具之一，已經(jīng)走過近百年的歷程。盡管它的主要目標仍然是解決有機物的定性、定量分析問題，但是在深度和廣度上有了巨大的進展。主要成果體現(xiàn)在下述幾個方面：復雜體系中10-12～10-15量級的痕量有機物檢出、鑒定及定量；依靠各種在線聯(lián)用手段和質(zhì)量分離方法相關聯(lián)的眾多電離技術，發(fā)現(xiàn)新的物質(zhì)；深入到生物大分子的分析，形成當前生物質(zhì)譜法的新分支等。
這些成果的應用已經(jīng)涵蓋了諸如環(huán)境科學、醫(yī)藥衛(wèi)生、臨床醫(yī)學、農(nóng)業(yè)化學、食品化學、精細化工、材料科學、法庭科學等領域。全國每天都有數(shù)萬臺質(zhì)譜儀器在運轉(zhuǎn)，其中會有不少未知物的質(zhì)譜圖需要進行分析。作者希望通過本書所提供的圖譜解析方法，去應對標準譜庫中檢索不到的困惑；并使用幾種電離技術，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。
《有機質(zhì)譜解析導論》是一本針對有機質(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章介紹了指導譜圖解析的理論、規(guī)則以及術語。第3章討論了正離子裂解反應的規(guī)律，這是對各類化合物進行譜圖解析的基礎，尤其對骨架重排反應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電離形成的負離子。無論是氣相的分子離子反應還是單分子裂解反應，它們的分子離子或準分子離子甚至加合離子，其進一步的裂解反應基本上遵循偶電子規(guī)則，這是在解析過程中的著眼點。第4章是用于譜圖解析的四個方面基礎技術。除了譜圖檢索、元素組成式獲得、同位素豐度運用以外，本書以較多的篇幅敘述MS/MS技術，它的重要性與軟電離技術的應用密切相關。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，后三者可提供互補的分析信息，已成為目前有機質(zhì)譜法的新增長點。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所提到的大量解析實例，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，因此一些判斷分子離子峰的實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)測定的關鍵。本書還附有供讀者練習的少量習題，以便讀者進一步熟悉解析方法。至此，可以說本書7章的內(nèi)容互為關聯(lián)，構(gòu)成了一個完整的體系。
這里，有兩點需說明：一是為了使讀者可追溯原創(chuàng)文獻，作者秉承尊重、真實、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化學電離005
1.2.1化學電離源005
1.2.2正離子化學電離005
1.2.3化學電離源內(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038

2氣相中單分子離子裂解反應的術語、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055

3正、負離子的裂解反應057～113
3.1正離子裂解反應的基本類型059
3.1.1單鍵裂解反應060
3.1.2多鍵裂解反應064
3.1.3氫重排反應068
3.1.4雙氫重排和三氫重排反應071
3.1.5四元和多元氫重排反應073
3.2正離子骨架重排反應075
3.2.1基團或原子遷移的骨架重排077
3.2.2環(huán)的壓縮、并合、擴張的骨架重排082
3.3影響優(yōu)勢裂解反應的諸因素084
3.3.1鍵能085
3.3.2競爭反應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原子和基團在空間的相對位置088
3.4高豐度離子的形成089
3.5有機反應與質(zhì)譜裂解反應090
3.6負離子的裂解反應091
3.6.1CI0923.6.2FAB096
3.6.3MALDI098
3.6.4ESI101
3.6.5APCI107
參考文獻109

4圖譜解析用的基礎技術114～183
4.1譜庫檢索114
4.1.1有機小分子的譜庫檢索114
4.1.2生物大分子的譜庫檢索115
4.2有機物分子式的確定118
4.2.1高分辨質(zhì)譜法測定有機物分子式118
4.2.2低分辨質(zhì)譜法測定有機物分子式133
4.3有機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譜圖中各離子關系的測定153
4.4.1亞穩(wěn)技術154
4.4.2碰撞活化的MS/MS分析162
參考文獻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186
5.1.3離子-分子反應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單官能團化合物195
5.3.2多官能團化合物200
5.4復雜有機化合物（包括合成或天然有機物）的結(jié)構(gòu)解析206
5.4.1合成有機化合物206
5.4.2天然有機化合物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習題233
參考文獻239

6有機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譜圖的互補分析244
6.1.4若干種有機小分子的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270
6.3.3若干種有機小分子的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若干種有機小分子的正ESI分析278
6.4.3負ESI分析281
6.4.4APCI283
6.5習題284
參考文獻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習題337
參考文獻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標準參考物質(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數(shù)據(jù)356
附錄7互聯(lián)網(wǎng)上與質(zhì)譜相關的資源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習題答案356