分子量和实验式测定

实验式（empirical formula）又称最简式，是化学式中的一种。用元素符号表示化合物分子中各元素的原子个数比的最简关系式。由于实验式一般都是通过分析化学的元素分析法 (elemental analysis) 获得的，尤其是通过有机化学中燃烧法测定化合物中碳氢比，因此称为实验式。许多化合物如离子化合物通常不是以分子的形态存在，实际上以实验式表示。如NaCl仅是氯化钠的实验式，表示在氯化钠晶体中Na+与Cl-的比例是1:1。

有机化合物中往往有不同的化合物具有相同的实验式。例如乙炔、苯的实验式均为 CH，但乙炔的分子式是C2H2，苯的分子式是C6H6。

质谱仪的定性应用基于对分析物的质量电荷比（即质荷比，m/z）的测定。众所周知，ESI 和 APCI-MS 是一种“软”电离技术。这意味着电离分析物所需的能量相对较小。离子形成的效率取决于分子结合和携带电荷的能力。在正离子实验中，这一电离过程可以用以下简单的质子化反应来定义：

加合离子峰

与传统 MS 不同，ESI/APCI 图谱中的最高质谱峰并不总是相关的准分子离子。相反，通常会观察到加合分子离子或非共价复合物离子。准分子离子通常是由溶液体系中的分析物作用形成的，这种作用在 ESI/APCI 软电离过程中得以保留。这些离子也是由喷雾室中分析物与产物的气相碰撞形成的。目前，ESI/APCI 中分析物加合物形成的确切机制仍未解决。通常情况下，加合离子的形成是造成 ESI/APCI MS 检测限低的主要原因。不过，这些关联过程也引起了人们对药物-蛋白质/药物-寡核苷酸气相复合物研究的兴趣，这些复合物可从 ESI/APCI-MS 分析能力中获益。

在 ESI-MS 分析中经常可以看到 Na+、NH4+ 和其他背景物质与分析物的结合（表 1）的形成明显取决于所形成复合物中涉及的物质的结构和官能团以及仪器条件。Fenn 及其合作者于 1984 年首次报道了 ESI-MS 中准分子离子形成的研究。他们展示了流速、离子源温度和喷针电压对含有各种添加剂（如 LiCl、NaCl、(CH3)4NI 和 HCl）的甲醇、水和乙腈溶剂系统的影响。后来，Kebarle 及其合作者证实了 30 种有机化合物与 NH4+、Na+、K+、Cs+ 和 Ca2+ 形成的加合离子。他们证明，分析物离子的灵敏度会随着溶液中盐分的存在而降低。同一研究小组发现，当盐浓度低于 10-4 mol/L 时，这些有机碱的检测限在亚半托至阿托摩尔范围内。

表 1.常见的加合离子

1996 年，Leize 等人证实，在 LiCl、NaCl、KCl、RbCl 和 CsCl 溶液的等摩尔混合物中，相对于 Li+、Na+、K+ 和 Rb+，Cs+ 的电离效率最高。他们发现溶解能在决定电离效率方面起着重要作用。

为了说明加合离子的形成，我们在正离子模式下用 ESI-MS 分析了维拉帕米（图 1）和多肽 A（ALILTLVS）的混合物。混合物的 ESI-MS 在 m/z 为 455 和 829 分别产生了维拉帕米（[M1 + H+]）和多肽 A（[M2 + H+]）的准分子离子（图 2）。质谱图还显示维拉帕米（[M1 + Na+]）和肽 A（[M2 + Na+]）的钠加合物分别在 m/z为 477 和 m/z 851 处出现两个峰。在某些情况下，ESI 质谱中还能观察到钠化二聚离子（[2M + Na+]）和/或质子化二聚离子（[2M + H+]）。

图 1.维拉帕米的结构。

根据样品类型和电离条件的不同，[M + Na+]、[M + NH4+]和其他加合分子离子（表 1）可能成为质谱中的主要离子。Zhou 和 Hamburger 报道了一个利用 ESI-MS 鉴定植物和微生物次生代谢物的例子。根据观察到的主要加合离子，对包括大环内酯类、肽类、氨基糖苷类、聚醚类、多烯类、生物碱类、萜类、嘌呤类、吲哚类、酚类和苷类在内的多种不同化合物进行了表征。他们发现，在 APCI 离子源上，除了一些官能团较少和热稳定性很高的化合物外，大多数化合物都会产生 [M + H+] 和/或 [M - H]- 离子，而不是加合离子。最近，Schug 和 McNair 通过在负离子模式下运行的 ESI-MS 对加合离子的形成进行了研究。他们进行了大量的 ESI-MS 实验，旨在确定卤代苯甲酸衍生物和六种酸性药物中质子结合二聚离子和钠结合二聚离子形成的基本原理。相对气相碱性和质子亲和性对钠结合二聚体离子的形成有显著影响。对于那些缺乏高酸性位点且不易发生去质子化反应的化合物，在氯仿等含氯溶剂存在的情况下，氯离子的附着可促进负离子模式中[M + Cl-]的形成。当化合物在负离子 ESI 模式下反应不佳时，这种方法非常有用。

分子离子测定的另一个复杂因素是溶剂-分析物非共价结合复合物（如 [M + CH3CN + H+]、[M + MeOH + H+]等）的形成。这些溶剂簇离子的相对强度取决于溶液相中的成分、电离模式、喷雾电压、毛细管温度、鞘气压力和辅助气体流量。Zhao 等人报道了在 ESI 条件下乙腈可被还原成乙胺（图 2）。他们证明，将分析物注入乙腈和水（1% HCOOH + 1%NH4OH）（1 : 1; v : v）中进行 ESI-MS 分析时，质谱中的 "M + 46"离子代表乙胺加成离子（[M + CH3CH2NH2 + H+]）。

此外，他们还发现，当使用乙腈-d3 作为有机溶剂时，同一分析物会产生中等的 [M + CD3CH2NH2 + H]+(M + 49) 信号（图 2）。

加合离子的形成是大多数 ESI/APCI-MS 分析中常见的伪影。虽然这些离子会使质谱图变得复杂，但它们对于确认相关分析物的分子离子也很有用。