质谱仪测出的分子量，为什么总和我查的不一样？——从“误差”中解析分子量差异

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"文献记载吗啡分子量285.34，为什么我们的LC-MS显示286.12？" 每一个刚接触质谱仪的人可能都有一个疑问，为什么质谱仪测出的分子量总和网上查的差了一点点？
这看似微小的差异，背后其实隐藏着分子世界的复杂逻辑——今天我们就来谈谈这个问题。

在此之前，我们先复习几个概念（主要来源于百度百科）：
1. 原子量（Ar）：也叫相对原子质量，是指以一个碳-12原子质量的1/12作为标准，任何一个原子的真实质量跟一个碳-12原子质量的1/12的比值，称为该原子的相对原子质量。原子量为质量单位，符号u，它定义为碳12原子质量的1/12。
分子量（Mr）：也叫相对分子质量，是指组成某个分子的各原子的相对原子质量的加和。
2. 丰度：是指一种化学元素在某个自然体中的重量占这个自然体总重量的相对份额（如百分数）。
周期表上所列的原子量实际上是各种同位素按丰度加权的平均值，这是因为各种同位素在自然界中往往分布的比较均匀，取平均值计算比较准确。
3.同位素：质子数相同而中子数不同的同一元素的不同核素互称为同位素。
例如：氢有三种同位素，氕（H）、氘（D，重氢）、氚（T，超重氢）；碳有多种同位素，12C、13C和 14C（有放射性）等。
同位素具有相同原子序数的同一化学元素的两种或多种原子之一，在元素周期表上占有同一位置，化学性质几乎相同（氕、氘和氚的性质有些微差异），但原子质量或质量数不同，从而其质谱性质、放射性转变和物理性质（例如在气态下的扩散本领）有所差异。
4.质谱仪、质谱图：能用高能电子流等轰击样品分子，使该分子失去电子变为带正电荷的分子离子和碎片离子。这些不同离子具有不同的质量，质量不同的离子在磁场的作用下到达检测器的时间不同，其结果为质谱图。


了解了这些，我们理解起问题来便会容易很多。

网上查询到的分子量是什么？

当我们在文献或化学数据库中查阅原子量时，查询到的分子量其实就是相对分子质量，而由它的定义我们可以知道这个分子量是各相对原子质量的加和。相对原子质量也就是元素周期表每一个元素格子中最下面的数值，它是基于自然界中不同同位素的丰度加权平均而得。
比如碳的原子量为12.011：
碳元素的丰度在自然界中98.93%是¹²C（12.0000），1.07%是¹³C（13.0034），
碳的理论分子量即为12.0000×0.9893 +13.0034×0.0107=12.01。
水（H₂O）的平均相对分子质量约为18.015，也是因为考虑了氢和氧在自然界中各种同位素的平均质量。
需要注意的是，这个数值实际上是一个平均值，反映的是大量分子总体的平均质量。然而，单个具体分子的真实质量可能略有不同，因为具体到单个分子时，每个原子实际上都有特定的同位素构成。例如，对于只含最常见同位素的水分子（组成是¹H和¹⁶O），其单一同位素计算得到的质量（也称“精确质量”）是18.0106左右，比平均值略有差别。一般来说，文献上的分子量偏向指平均值，但质谱测量往往对应单一同位素的精确质量。



碳的原子质量

为什么质谱测得的不同呢？




质谱图示例

电荷（质子）影响

质谱仪工作时会将样品分子变为带正电荷的分子离子和碎片离子。从质谱图中可以看出，其横坐标是质荷比(m/z) ，纵坐标是离子强度，因此质谱仪通过测量带电分子的质荷比（m/z）来推算分子质量。
由于质谱需要分析带电的粒子，待测分子必须先电离（带上电荷）才能被检测。常见的电离方式是给分子增加一个质子（H⁺）形成正离子。这意味着，在正离子模式下，我们检测到的通常是[M+H]⁺这种形式的分子离子，而不是中性分子本身。例如，如果一种分子的实际分子量是100 Da（道尔顿），质谱中的主要峰可能对应的是[M+H]⁺，其质荷比读数大约为101（因为多了一个质子的质量约1 Da）。
加合离子导致的偏差

除了质子之外，分子在电离过程中还可能结合其他离子，造成测得质量进一步偏离原本的分子量。如果样品或溶剂中存在钠离子（Na⁺），分子就可能形成[M+Na]⁺。钠离子的质量约22.99 Da，这会使质谱峰位置比[M+H]⁺峰高出约22.99 Da。同理，若形成[M+K]⁺（钾离子，加约39.10 Da）或[M+NH₄]⁺（铵离子，加约18.04 Da），质谱读数也会相应增大。出现这些加合离子峰会让质谱测得的主要峰值与理论分子量产生明显差异。不过，通过分析质谱图中各峰的差值，我们通常可以判断是哪种加合离子。例如，比[M+H]⁺峰高约22.99 Da的峰很可能就是钠加合离子所致。
质谱仪记录的是离子的质荷比，对于单电荷的离子来说（如带一个正电荷的[M+H]⁺），质荷比数值基本上就等于该离子的质量（因为电荷数为+1）。但如果出现多价离子（带有+2、+3等电荷），质荷比会是离子总质量除以电荷数，需经过换算才能得到分子实际质量。不过，对于多数小分子和常见分析，主要关注的还是单电荷的分子离子峰。
测量误差

在高分辨质谱中，上述因素是主要差异来源。一般仪器本身的测量误差相对很小，不足以造成单位Da以上的偏差。不过在样品复杂或信号较弱的情况下，也可能因为判断失误而选错质谱峰。例如，若误将某个碎片离子峰当作分子离子峰，就会得出错误的分子量结果。这类偏差属于操作和分析层面的问题，并非分子本身性质所致，但同样会导致质谱测得值与理论分子量对不上。
不同质谱仪的分辨率差异



仪器类型不同时，分辨率和精度不同，得到的分子量结果也略有差异。

实测分子量的科学意义

网上查到的分子量和质谱测得的值不同，并不意味着哪里出错，而是由于定义和测定方式的差异。文献中的分子量通常是基于平均原子量计算的平均值，而质谱报告的是带电形式下单个分子的精确质量。此外，质谱测量需要分子带电，会引入质子的质量或其他加合离子，使读数偏离中性分子质量。理解了这些因素后，我们就能正确解释质谱结果，与文献数据对应起来，不再对两者的不一致感到困惑。
在药物研发中，通过比较实测分子量与理论值的差异，可以验证化合物的结构是否正确。在新化合物发现中，这种差异可以帮助确定未知物的元素组成。
在代谢组学研究中，科学家们利用质谱仪检测到的分子量差异，可以追踪代谢物中同位素的分布，从而研究代谢途径。
在环境科学领域，通过分析分子量差异，可以追溯污染物的来源。
在毒理学和刑侦办案中，可以通过分析物质分子量来确定有毒物质。比如某中毒案件中疑似物质理论分子量256.09，实测256.1278锁定为溴代物（误差<5ppm），最终确定毒物为溴敌隆（bromadiolone）。
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海森堡曾说：&#34;我们测量到的不是自然本身，而是自然对我们探究方法的回应。&#34;理解实测分子量与理论值的差异，不仅帮助我们正确解读质谱数据，更能让我们深入认识分子世界的复杂性。在科学研究中，细节往往决定着成败，分子量这个看似简单的数字，实际上是一个通向分子世界的窗口。通过这个窗口，我们不仅能看清分子的&#34;体重&#34;，更能洞察它们的组成和特性。这就是科学的魅力：在细微之处见真章，在差异之中寻真理。

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