分子量和實驗式測定

實驗式（empirical formula）又稱最簡式，是化學式中的一種。用元素符號表示化合物分子中各元素的原子個數比的最簡關系式。由于實驗式一般都是通過分析化學的元素分析法 (elemental analysis) 獲得的，尤其是通過有機化學中燃燒法測定化合物中碳氫比，因此稱為實驗式。許多化合物如離子化合物通常不是以分子的形態存在，實際上以實驗式表示。如NaCl僅是氯化鈉的實驗式，表示在氯化鈉晶體中Na+與Cl-的比例是1:1。

有機化合物中往往有不同的化合物具有相同的實驗式。例如乙炔、苯的實驗式均為 CH，但乙炔的分子式是C2H2，苯的分子式是C6H6。

質譜儀的定性應用基于對分析物的質量電荷比（即質荷比，m/z）的測定。眾所周知，ESI 和 APCI-MS 是一種“軟”電離技術。這意味著電離分析物所需的能量相對較小。離子形成的效率取決于分子結合和攜帶電荷的能力。在正離子實驗中，這一電離過程可以用以下簡單的質子化反應來定義：

加合離子峰

與傳統 MS 不同，ESI/APCI 圖譜中的最高質譜峰并不總是相關的準分子離子。相反，通常會觀察到加合分子離子或非共價復合物離子。準分子離子通常是由溶液體系中的分析物作用形成的，這種作用在 ESI/APCI 軟電離過程中得以保留。這些離子也是由噴霧室中分析物與產物的氣相碰撞形成的。目前，ESI/APCI 中分析物加合物形成的確切機制仍未解決。通常情況下，加合離子的形成是造成 ESI/APCI MS 檢測限低的主要原因。不過，這些關聯過程也引起了人們對藥物-蛋白質/藥物-寡核苷酸氣相復合物研究的興趣，這些復合物可從 ESI/APCI-MS 分析能力中獲益。

在 ESI-MS 分析中經常可以看到 Na+、NH4+ 和其他背景物質與分析物的結合（表 1）的形成明顯取決于所形成復合物中涉及的物質的結構和官能團以及儀器條件。Fenn 及其合作者于 1984 年首次報道了 ESI-MS 中準分子離子形成的研究。他們展示了流速、離子源溫度和噴針電壓對含有各種添加劑（如 LiCl、NaCl、(CH3)4NI 和 HCl）的甲醇、水和乙腈溶劑系統的影響。后來，Kebarle 及其合作者證實了 30 種有機化合物與 NH4+、Na+、K+、Cs+ 和 Ca2+ 形成的加合離子。他們證明，分析物離子的靈敏度會隨著溶液中鹽分的存在而降低。同一研究小組發現，當鹽濃度低于 10-4 mol/L 時，這些有機堿的檢測限在亞半托至阿托摩爾范圍內。

表 1.常見的加合離子

1996 年，Leize 等人證實，在 LiCl、NaCl、KCl、RbCl 和 CsCl 溶液的等摩爾混合物中，相對于 Li+、Na+、K+ 和 Rb+，Cs+ 的電離效率最高。他們發現溶解能在決定電離效率方面起著重要作用。

為了說明加合離子的形成，我們在正離子模式下用 ESI-MS 分析了維拉帕米（圖 1）和多肽 A（ALILTLVS）的混合物。混合物的 ESI-MS 在 m/z 為 455 和 829 分別產生了維拉帕米（[M1 + H+]）和多肽 A（[M2 + H+]）的準分子離子（圖 2）。質譜圖還顯示維拉帕米（[M1 + Na+]）和肽 A（[M2 + Na+]）的鈉加合物分別在 m/z為 477 和 m/z 851 處出現兩個峰。在某些情況下，ESI 質譜中還能觀察到鈉化二聚離子（[2M + Na+]）和/或質子化二聚離子（[2M + H+]）。

圖 1.維拉帕米的結構。

根據樣品類型和電離條件的不同，[M + Na+]、[M + NH4+]和其他加合分子離子（表 1）可能成為質譜中的主要離子。Zhou 和 Hamburger 報道了一個利用 ESI-MS 鑒定植物和微生物次生代謝物的例子。根據觀察到的主要加合離子，對包括大環內酯類、肽類、氨基糖苷類、聚醚類、多烯類、生物堿類、萜類、嘌呤類、吲哚類、酚類和苷類在內的多種不同化合物進行了表征。他們發現，在 APCI 離子源上，除了一些官能團較少和熱穩定性很高的化合物外，大多數化合物都會產生 [M + H+] 和/或 [M - H]- 離子，而不是加合離子。最近，Schug 和 McNair 通過在負離子模式下運行的 ESI-MS 對加合離子的形成進行了研究。他們進行了大量的 ESI-MS 實驗，旨在確定鹵代苯甲酸衍生物和六種酸性藥物中質子結合二聚離子和鈉結合二聚離子形成的基本原理。相對氣相堿性和質子親和性對鈉結合二聚體離子的形成有顯著影響。對于那些缺乏高酸性位點且不易發生去質子化反應的化合物，在氯仿等含氯溶劑存在的情況下，氯離子的附著可促進負離子模式中[M + Cl-]的形成。當化合物在負離子 ESI 模式下反應不佳時，這種方法非常有用。

分子離子測定的另一個復雜因素是溶劑-分析物非共價結合復合物（如 [M + CH3CN + H+]、[M + MeOH + H+]等）的形成。這些溶劑簇離子的相對強度取決于溶液相中的成分、電離模式、噴霧電壓、毛細管溫度、鞘氣壓力和輔助氣體流量。Zhao 等人報道了在 ESI 條件下乙腈可被還原成乙胺（圖 2）。他們證明，將分析物注入乙腈和水（1% HCOOH + 1%NH4OH）（1 : 1; v : v）中進行 ESI-MS 分析時，質譜中的 "M + 46"離子代表乙胺加成離子（[M + CH3CH2NH2 + H+]）。

此外，他們還發現，當使用乙腈-d3 作為有機溶劑時，同一分析物會產生中等的 [M + CD3CH2NH2 + H]+(M + 49) 信號（圖 2）。

加合離子的形成是大多數 ESI/APCI-MS 分析中常見的偽影。雖然這些離子會使質譜圖變得復雜，但它們對于確認相關分析物的分子離子也很有用。