質譜分析入門讀本

質譜圖呈現的是出現在實驗中特定時間的獨有離子，這段時間可能代表固態樣品在離子源中長時間剝蝕，也可能代表有某個瞬態GC或LC峰通過。有數個來源可以提供軟體。通常軟體是專為特定用途而設計的，例如代謝鑑定。軟體能夠迅速簡化大量數據，同時凸顯出光憑肉眼可能會忽略的問題。我們運用基本化學知識（含氮化合物的電子價法則、鹵化物的表徵分析譜、計算環與雙鍵等等）並適度運用技術得到自認為明確的結論時，透過軟體可以降低不確定性。沒有任何一種軟體應用程式能夠充分消除所有疑惑。因此，真正重要的在於實驗人員是否有能力運用精良的技術與博學多聞的判斷能力。

像二氧化碳(44 Da)這類單純的小分子，由於結構只有三個原子，因此會產生相當單純的質譜圖。至於一氧化碳(CO)，其分子離子也是強度或豐度最大的（稱為基峰）。這幅質譜圖中的碎片離子是游離作用內能過剩所致，分別是CO (m/z=28)和O (m/z=16)。在某些情況下，分子離子未必是質譜圖中豐度最大的離子。例如，丙烷(44 Da)中的碳-碳鍵結裂解後出現甲基和乙基碎片，豐度最大的是較大的乙基陽離子(m/z=29)。因這類表徵分析得當的交互作用所產生的離子，特別有助於鑑定這類碳氫化合物的質譜圖特徵。

同位素特徵

由於質譜儀按照質量進行離子分離處理，只要儀器能發揮足夠的解析度，很容易就能區分特定元素的同位素。這方面常以鹵化化合物為例，比方說自然產生的溴，這種化合物含原子質量是79和81 Da的同位素，混合比例近50:50。Br₂碎裂成溴陽離子，產生兩個等規模的離子峰（分別是79和81 m/z）。

偶電子離子和奇電子離子

大多數的穩定有機化合物，總電子數會是偶數，原因在於電子會成對出現在原子軌道中。倘若去除分子中的某一個電子，總電子數會變成奇數，形成自由基陽離子。質譜圖中的分子離子一定是自由基陽離子（如EI所呈現的結果），但碎片離子可能會是偶電子陽離子或奇電子自由基陽離子，需視所損耗的中性（未帶電）碎片離子而定。最單純且普遍的碎裂作用是鍵結裂解，會產生一個中性自由基（奇數電子），以及一個含偶數電子的陽離子。耗損一個偶電子中性碎片的碎裂作用較不普遍，這類作用會產生奇電子自由基陽離子碎片。

通常，奇電子離子可能會碎裂成奇電子或偶電子離子，但偶電子離子只能碎裂成其他偶電子離子。

視離子中的氮原子數而定，分子離子和碎片離子的質量也會反映出電子數。

質譜解讀方式分為兩種程度，分別是整數質量數據和精確質量（計算）數據。無論是其中哪一種，滯留時間都是附加的決定因素。要能量測準確質量，必須以元素成分計算結果為準據。不出所料，將精準的同位素模式輸入算法以減少可能的候選化學式，是最近普遍採用的準確質量量測方式。

脫附和軟游離技術所產生的表徵分析質譜圖

要解離（或裂解）鍵結並出現某種充分表徵分析的碎裂作用，就必須出現狄爾斯－阿德耳(Diels-Alder)反應和均勻分裂/非均勻分裂能量，這仍然是我們面斷質譜時的思維基礎。Fred W. McLafferty是幫助我們瞭解解讀法則的其中一個重要人物，MS困難之處通常在於解答他所提出的疑問：「我們所處理的質量究竟是多少？」

在基質輔助雷射脫附游離(MALDI)和電噴灑等脫附技術出現之前，至少偶爾會出現看似較容易回答這個疑問的時候。至於有多容易，則取決於是否必須衍生樣品，使其具有揮發性並且適用於GC-MS。此時，質譜圖中大多會以衍生基為主，鮮少顯示出分子離子（因此需要CI）。在此情況下，電噴灑和APCI技術的問世自然有助於鑑定單電荷小分子的分子量。至少在MS只處理單電荷離子m/z值的情況下是如此。分析物的質量通常以分子離子的整數質量（m/z的整數值）為準，和分子的整數質量相同。離子、分子或自由基的整數質量是其元素成分中所有元素的整數質量總和。元素的整數質量是豐度最大之自然穩定同位素的整數質量。

不過，20世紀初業界開始廣泛接受電噴灑游離(ESI)之類的軟游離脫附技術後，答案就未必顯而易見了。在「脫附前」的MS時代，以MS處理大多數分析物所得的整數質量均不超過500 Da。以這些分析物來說，含氫所致的質量虧損並不構成問題。大多數質譜儀的m/z上限落在650–800這個範圍。因此，在脫附游離技術出現之前的時代，整數質量和整數單一同位素質量的值是一樣的。離子、分子或自由基的單一同位素質量是其元素成分中所有元素的單一同位素質量總和。元素的單一同位素質量是豐度最大之自然穩定同位素的精確質量（計算）。

進入脫附游離時代後，大分子和更大的精密度成為研究不可或缺的一環，因為科技充分簡化了這方面的困難度。至此，質量虧損的問題才開始顯得如此重要。在只能量測出最近似m/z整數值的質譜儀中，化合物C₅₀H₁₀₂的分子離子的代表峰可能會是m/z 703而不是m/z 702，因為這個分子離子的單一同位素質量會是702.7825，四捨五入後取整數是703。

若高於500 Da，在確定MS峰的m/z值時，質量虧損有可能會是嚴重的問題。請務必謹記，質譜儀量測的是收集質譜圖的期間內發生在特定時間點的訊號強度，與所用的m/z分析器類型無關。m/z報告值是時間的函數，這個時間是特定化合物（相對於校正化合物）所產生且已知m/z值的離子到達偵測器的時間。

由於單一同位素離子的質量隨著m/z標度上的位置變化而變化，因此，報告值是整數m/z值的質譜儀實際上能以每0.05 m/z為單位進行量測。測得的強度可能是質譜峰頂點的強度，也可能是整個質譜峰強度的總和。m/z報告值是將質譜峰最大訊號處的m/z值四捨五入後取整數的結果。

電子游離MS通常採用全氟三丁胺（整數分子量671）這類全氟化合物來校正m/z標度。那是因為離子的整數質量幾乎與其單一同位素質量相同。離子的整數質量一旦高於1000 Da，在質譜圖中就不會出現整數m/z值的峰。單一同位素質量峰會偏離應出現整數質量峰的位置，偏離量約莫等於該離子的質量虧損。若是質量高於500 Da的單電荷離子，只要使用電噴灑游離與傳輸四極桿或四極桿離子阱質譜儀（整個m/z標度內都是單位解析度）之類的技術，同位素峰就會清楚分開。

關於同位素在鑑定化合物時所發揮的作用，有許多相關討論，其中一項發表在歐洲版《LCGC》的討論發揮了平衡作用，助益良多。「Interpretation of Isotope Peaks in Small Molecule LC–MS」（解讀小分子LC–MS的同位素峰）（(L.M. Hill, LCGC Europe 19(4), 226–238 (2006)）是以低解析度離子阱的研究為準據。談到其中一個相關部分時，作者提醒人們使用離子阱時不可過度自信：「離子阱使用者要比QTOF或三段四極桿系統的使用者更加小心謹慎。顯然有必要先從已分離且未受污染的+1同位素峰開始 . . .離子阱收集離子的解析度往往低於其掃描解析度 . . .按質量順序 . . .清空離子阱。」這並不表示不能使用離子阱，就像所有儀器一樣，必須先瞭解離子阱的功能和限制再使用。

同理可知，就算儀器的解析能力相當高，也不表示能自動分析出正確答案。Kind和Fiehn在論文(T. Kind and O. Fiehn, BMC Bioinformatics 7, 234 (2006))中提出了一項資料集，這項資料集格外引人注目，他們審視過160萬筆化學式搜尋結果後做出結論：「質量準確度高(1 ppm)和解析能力高還不夠. . .唯有同位素豐度模式篩選器能夠減少可能的分子化學式。」質譜儀只能達到3 ppm的質量準確度，卻能達到2%的同位素模式準確度，這樣通常就能去除95%以上不可行的化學式。就連質量準確度達到0.1 ppm（如果這樣的儀器確實存在）但不具備同位素模式功能的質譜儀也敵不過如此效能。

在150 Da和900 Da的質量之間，質量準確度從10 ppm提高到0.1 ppm的可行化學式數（在未輔以同位素豐度資訊的情況下）：質量準確度10 ppm，從150 Da只有2個可行化學式增加到900 Da有3447個化學式。即使以上限(900 Da)來看，光是1 ppm的質量準確度就能得到345個可行化學式。達到2%的同位素準確度後，900 Da的可行化學式數減少到較恰當的18個。這項研究也顯示出5 ppm的準確度與區區5%的同位素捕獲準確度也能篩選出196個可行化學式。

請參閱MS – The Practical Art, LCGC

• Interpretation of Mass Spectra, Part I: Developing Skills, Vol.24, No.6, June 2006
• Interpretation of Mass Spectra, Part II: Tools of the Trade, Vol.24, No.8, August 2006
  • 這些參考資料為什麼重要：這些資料審視質譜分析人員解讀質譜儀輸出結果的方式。
• Techniques for structure elucidation of unknown: finding substitute active pharmaceutical ingredients in counterfeit medicines, Vol.25, No.6, June 2007
  • 這項參考資料為什麼重要：這是詳盡的真實案例探討，內容說明MS在推論正確答案的過程中所能發揮的作用何等重要。

另請參閱：

• Interpretation of Mass Spectra, Fred W. McLaffferty and Franisek Turecek, University Science Books, Sausolito, CA 1993 (4th ed.)
  • 這項參考資料為什麼重要：是相當經典的文字內容和表格，有助於瞭解解讀規則與方法。