质谱解析-用低分辨质谱数据推测未知物元素组成

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利用低分辨质谱数据推测未知物的元素组成，其出发点是质谱图中最为关键的分子离子峰（或准分子离子峰）。首先，我们必须确凿地指认出分子离子峰M⁺•（在EI谱中）或如[M+H]⁺等准分子离子峰（在软电离谱中）。这一步是后续所有推理的基石，如果起点错误，整个推导将南辕北辙。在确认了代表分子量的整数质荷比（记为M）后，第一把强有力的逻辑筛子便是“氮规则”。这是一个基于原子价电子数与质量数关系的经验规则：对于由C, H, O, N, S, P,卤素等常见元素组成的有机化合物，若其分子中含有偶数个（包括零个）氮原子，则其分子量M为偶数；若含有奇数个氮原子，则其分子量M为奇数。例如，一个分子离子峰位于m/z 122（偶数），那么它可能不含氮，或含有2个、4个等偶数个氮原子，但几乎不可能含有1个或3个氮原子。反之，如果分子离子峰在m/z 115（奇数），则强烈暗示分子中含有奇数个氮原子。氮规则能够快速排除大量不合理的元素组合，将我们的搜索范围大幅收窄。

然而，氮规则只能提供关于氮原子个数的奇偶性信息，要获得更具体的元素组成线索，我们必须依赖质谱图提供的另一项天然信息：同位素峰的相对丰度。在低分辨质谱上，我们无法区分质量数为78.0470（C6H6，苯）和78.0468（C3H2O2，丙烯二酸）这样微小的质量差异，但我们却能清晰地测量出分子离子峰M与它旁边的M+1、M+2等同位素峰的强度比。这些比例是元素组成的“指纹”。因为自然界中元素以其同位素混合形式存在，例如碳有¹²C和约1.1%的¹³C，氢有¹H和约0.015%的²H，氧有¹⁶O、¹⁷O和¹⁸O，而氯、溴、硫等元素则拥有更具特征性的同位素分布。通过将实测的(M+1)/M和(M+2)/M强度比，与基于不同元素组合计算出的理论丰度比进行对比，我们可以筛选出可能的分子式。一个经典的案例是判断分子中是否含有氯或溴。氯有两种主要同位素³⁵Cl和³⁷Cl，自然丰度比约为3:1。因此，一个含有一个氯原子的分子，其分子离子区域会出现两个强度比约为3:1的峰，分别对应M和M+2。溴的两种同位素⁷⁹Br和⁸¹Br丰度接近1:1，所以含一个溴原子的分子会呈现M与M+2峰几乎等高的独特模式。对于只含C、H、O、N的化合物，我们可以利用(M+1)峰的丰度主要来自¹³C贡献这一事实，来粗略估算碳原子数。碳原子数 ≈ (M+1峰丰度百分比) / 1.1。当然，这只是一个近似，因为¹⁷O和²H等也会对M+1有微弱贡献，更精确的推算需要查表或使用专用软件，结合氮规则和可能的氧、硫原子数进行系统尝试。

让我们设想一个实际解析场景。假设我们在某未知物的EI质谱图中，观察到一组清晰的分子离子峰簇：一个基峰在m/z 150，其旁边有一个丰度约为其10%的m/z 151峰(M+1)，以及一个丰度约为其33%的m/z 152峰(M+2)。首先，分子离子质量150为偶数，根据氮规则，它可能不含氮或含偶数个氮。其次，观察M+2峰。其相对于M峰的丰度高达33%，这远超过仅由C、H、O、N所能产生的M+2丰度（通常<5%）。这种显著的M+2峰强烈提示分子中含有特征性元素。33%的比例非常接近一个氯原子的贡献（理论约32.5%）。因此，我们可以初步推断该未知物含有一个氯原子。此时，分子的“有效质量”需减去³⁵Cl的质量（35），剩下115，这个质量由C、H、O、N等元素组成。我们再利用(M+1)峰的丰度约为10%来估算碳原子数，大约在9个碳左右（10%/1.1% ≈ 9.1）。接下来，我们就可以在氮规则的框架下（剩余部分质量为偶数，故可能不含氮或含偶数氮），尝试组合C9、Hx、Oy以及一个Cl的分子式，使得其总和为150，并且各元素的原子价态合理（如碳为四价，氢为一价等），最终可能推导出如C9H9ClO这样的候选分子式。当然，这通常不止一个解，需要结合碎片离子信息（比如是否出现典型的苯甲酰基碎片m/z 105等）来进一步筛选和确证。

需要明确指出的是，仅凭低分辨数据推测元素组成存在固有的局限性。它无法区分质量相同但元素组成不同的“同量异位素”，例如CO与N2（质量都是28），或者更复杂的组合。其结论往往是一组有限的可能性而非唯一解。然而，当我们将元素组成的推测与碎片离子的结构信息（哪些官能团易于丢失，如失去15对应甲基，失去18对应水，43可能为丙基或乙酰基等）结合起来，并与红外光谱、核磁共振氢谱等其他谱学数据相互印证时，低分辨质谱数据就成为了解开未知物结构谜题中不可或缺、价值巨大的一环。