质谱中的同位素峰型：如何解读 M+1、M+2 和卤素峰簇
简短回答：同位素峰型是由于原子有多种同位素而使分子给出的一簇峰。每个碳使 M+1 增加约 M 的 1.1%。一个氯给出 M : M+2 ≈ 3 : 1，一个溴 ≈ 1 : 1，硫使 M+2 增加 4.4%。CH₂Cl₂ 在 m/z 84、86 和 88 处显示 100 : 64 : 10。免费的同位素峰型计算器可以计算任意分子式或 SMILES 的精确峰型，并支持加合离子、分辨率以及与你的谱图比对。
关键术语一览
| 同位素峰型 | 由于分子中的原子以不同同位素形式存在，分子在质谱中给出的一簇峰。 |
|---|---|
| M、M+1、M+2 | M 是单一同位素离子。M+1 和 M+2 分别重 1 和 2 个质量单位。 |
| 单一同位素质量 | 使用每种元素丰度最高的同位素计算的质量。咖啡因 C₈H₁₀N₄O₂：194.0804。 |
| 平均质量 | 使用标准原子量计算的质量。咖啡因：194.19 g/mol。 |
| 标称质量 | 由丰度最高的同位素得到的整数质量。咖啡因：194。 |
| 分辨能力 | R = m/Δm，其中 Δm 是半峰宽（FWHM）。 |
同位素经验规则
| 元素 | 重同位素 | 天然丰度 | 对峰型的影响 |
|---|---|---|---|
| C | ¹³C | 1.07% | 每个碳使 M+1 ≈ M 的 1.1% |
| N | ¹⁵N | 0.36% | 每个氮使 M+1 ≈ 0.37% |
| O | ¹⁸O | 0.20% | 每个氧使 M+2 ≈ 0.2% |
| S | ³⁴S | 4.25% | 每个硫使 M+2 ≈ 4.4% |
| Cl | ³⁷Cl | 24.24% | 每个氯 M : M+2 ≈ 3 : 1 |
| Br | ⁸¹Br | 49.31% | 每个溴 M : M+2 ≈ 1 : 1 |
| F、P、I、Na | 无 | 100% 单一同位素 | 无额外峰 |
含多个卤素时，按二项式展开计算。n 个氯的峰型大致为 (3 + 1)ⁿ。两个 Cl 为 100 : 64 : 10，三个 Cl 为 100 : 96 : 31 : 3，两个 Br 为 51 : 100 : 49，三个 Br 为 34 : 100 : 97 : 32。
精确同位素峰型是如何计算的
每种元素贡献一个小多项式：其各同位素的质量及丰度。氯的多项式为 0.7576（质量 35）+ 0.2424（质量 37）。含 n 个氯原子的分子将其取 n 次方，然后把所有元素的多项式相乘。这称为多项式卷积。
同位素峰型计算器对每种元素的所有稳定同位素精确地进行这一计算，并保留每个峰的平均质量，只舍去小于最大项 10⁻¹² 的项。对于轮廓谱，它还保留精细结构，因此相差几 mDa 的峰在高分辨能力下可以分开。
如何使用同位素峰型计算器
- 打开同位素峰型计算器。
- 选择输入类型：分子式或 SMILES。在分子式或 SMILES中输入，例如
C6H5Br或Pt(NH3)2Cl2。 - 选择离子类型：EI 用 M+•，正离子 ESI 用 [M+H]⁺、[M+Na]⁺ 或 [M+K]⁺，负离子模式用 [M−H]⁻ 或 [M+Cl]⁻；对于
[Pt(NH3)4]2+这样的带电分子式，选择按所写离子。 - 读取单一同位素质量、平均质量和标称质量、最强峰，以及 M+1 和 M+2 的数值及其经验规则估算值。
- 把显示方式设为轮廓图（选择分辨率），并输入分辨能力 (m/Δm)，查看在你的仪器上的峰形。
- 展开与观测谱图比对，粘贴你的 m/z 和强度数据对，查看匹配结论。点击载入示例试一试。
- 用下载 SVG、下载 PNG 或下载 CSV 保存。
例题
1. 二氯甲烷，CH₂Cl₂
³⁵Cl₂、³⁵Cl³⁷Cl 和 ³⁷Cl₂ 离子出现在 m/z 84、86 和 88。比例 = 0.7576² : 2 × 0.7576 × 0.2424 : 0.2424² = 100 : 64 : 10。较小的 M+1（1.1%）来自那一个碳。
2. 溴苯，C₆H₅Br
M 在 m/z 156，M+2 在 m/z 158，比例为 100 : 97.5，因为 ⁷⁹Br 和 ⁸¹Br 分别占 50.69% 和 49.31%。六个碳使 M+1 为 6.5%。
3. 正离子电喷雾中的咖啡因
C₈H₁₀N₄O₂ 的单一同位素质量为 194.0804。加上一个质子（1.00728）得到 [M+H]⁺，位于 m/z 195.0877。M+1 为 M 的 10.3%：碳贡献 8 × 1.08%，氮贡献 4 × 0.37%。
4. C₆₀ 富勒烯
单一同位素质量为 720.0000。60 个碳使 M+1 为 M 的 65%，M+2 为 21%。超过约 90 个碳时，M+1 会高于 M。
5. 万古霉素，C₆₆H₇₅Cl₂N₉O₂₄
[M+H]⁺ 在 m/z 1448.4375。66 个碳使 M+1 约为 77%，两个氯又把 M+2 推高到约 98%，因此 M、M+1 和 M+2 的高度几乎相等。
6. 顺铂，Pt(NH₃)₂Cl₂
铂有四种主要同位素（¹⁹⁴Pt 32.9%、¹⁹⁵Pt 33.8%、¹⁹⁶Pt 25.2%、¹⁹⁸Pt 7.4%）。与 Cl₂ 组合后，峰簇从 m/z 296 延伸到 306，最高峰位于 m/z 300，而不是单一同位素的 299。
汇总表：峰型告诉你什么
| 你看到的现象 | 可能的原因 |
|---|---|
| M+1 ≈ M 的 1.1% × n | n 个碳原子 |
| M+2 ≈ M 的 33% | 一个氯 |
| M+2 ≈ M | 一个溴 |
| M : M+2 : M+4 ≈ 100 : 64 : 10 | 两个氯 |
| M : M+2 : M+4 ≈ 1 : 2 : 1 | 两个溴 |
| M+2 ≈ M 的 4% 到 5% | 一个硫 |
| 同位素峰间隔 0.5 | 2+ 离子 |
| 由许多峰组成的宽峰簇 | 具有多种同位素的金属（Sn、Pt、Hg、Ru、Pd） |
常见错误
- 把 ESI 峰与中性分子质量直接比较。应先加上或减去加合离子。
- 高分辨工作中使用平均质量。HRMS 测量的是单一同位素 m/z。
- 以为 M 总是最高峰。大分子和许多金属的最高峰都在 M 之上。
- 计算精确 m/z 时忘记电子质量。每个电荷 0.000549 Da，在 ppm 级别时很重要。
- 把钴写成 CO，把氯写成 CL。应写 Co 和 Cl。
考试要点
- A-level 和 IB：相隔两个单位、比例为 3 : 1 的一对峰表示一个 Cl；1 : 1 的一对峰表示一个 Br。1 : 2 : 1 的三个峰表示两个 Br；9 : 6 : 1 表示两个 Cl。
- A-level：碳原子数 ≈（M+1 高度 / M 高度）× 100 / 1.1。
- AP 化学：元素的质谱直接给出同位素丰度。平均原子质量 = Σ（同位素质量 × 分数）。
- JEE 和 NEET：练习由同位素数据计算平均原子质量，例如 Cl：0.7576 × 34.969 + 0.2424 × 36.966 = 35.45。
- 大学：结合精确质量（5 ppm 以内）和同位素峰型从候选分子式中做出选择，并用 A+2 峰确定 S、Cl 和 Br 的数目。
常见问题
质谱中的同位素峰型是什么？
由于分子中的原子以不同同位素形式存在，分子会给出一组峰。M、M+1、M+2 等峰的相对高度取决于所含元素及其数目。
如何在质谱中识别氯和溴？
一个氯给出比例为 3 : 1 的 M 和 M+2。一个溴给出比例为 1 : 1 的 M 和 M+2。两个氯给出 100 : 64 : 10，两个溴给出约 1 : 2 : 1。
如何由 M+1 峰求碳原子数？
用 M+1 的高度（以 M 的百分比表示）除以 1.1。M+1 为 11% 意味着约有 10 个碳。每个氮原子约增加 0.37%，所以含 N 时要先减去这部分。
咖啡因的单一同位素质量是多少？
咖啡因 C₈H₁₀N₄O₂ 的单一同位素质量为 194.0804，平均质量为 194.19。其 [M+H]⁺ 离子出现在 m/z 195.0877。
为什么大分子的最高峰不是单一同位素峰？
每个碳有 1.07% 的概率是 ¹³C。当碳原子数达到约 90 个或更多时，大多数分子至少含有一个 ¹³C，因此 M+1 峰会高于 M。
棒状图模式和轮廓图模式有什么区别？
棒状图（centroid）模式中每个同位素峰显示为一根棒。轮廓图（profile）模式显示真实的峰形，峰宽由分辨能力决定，FWHM = m/R，因此相近的峰在低分辨率下会合并，在高分辨率下会分开。
为什么有些离子的同位素峰间隔为 0.5？
间隔为 1/z。双电荷离子（如 [M+2H]²⁺）的同位素峰间隔 0.5 m/z，三电荷离子的峰间隔 0.33。