了解質(zhì)譜
本入門指南覆蓋了現(xiàn)代質(zhì)譜實(shí)踐相關(guān)的大部分主題，并解答了質(zhì)譜使用和性能方面的一些常見問題。文中還提供了便于深入學(xué)習(xí)相關(guān)文章的鏈接。第一部門內(nèi)容討論誰使用質(zhì)譜儀的問題，接著講述化合物在離子源怎樣被電離，以便于質(zhì)譜儀分析。然后通過對質(zhì)量準(zhǔn)確性和分辨率等重要主題的討論，或我們怎樣區(qū)分緊密相關(guān)化合物之間的差別，來講述各種類型的質(zhì)譜儀。本指南涉及化學(xué)、樣品制備和數(shù)據(jù)處理，以及當(dāng)今流行的MS應(yīng)用中一些專業(yè)用語的定義。
誰要使用質(zhì)譜？
在考慮使用質(zhì)譜儀（MS）之前，應(yīng)當(dāng)考慮您分析工作的類型、您預(yù)期獲得的結(jié)果等：
- 您分析的是像蛋白質(zhì)、肽等大分子，還是獲取水溶性小分子的數(shù)據(jù)？
- 您在確定的水平尋找目標(biāo)化合物，還是表征未知樣品？
- 針對復(fù)雜基質(zhì)，您當(dāng)前的分離技術(shù)抗干擾能力強(qiáng)嗎，或者您必須開發(fā)新的方法？
- 您要求單位質(zhì)量精度（比如400 MW），或5 ppm的質(zhì)量精度（比如，400.0125 MW或質(zhì)量為400時(shí)準(zhǔn)確度為2 mDa）？
- 您必須每天處理幾百個(gè)樣品？上千個(gè)樣品？上萬個(gè)樣品？Who Uses MS?
圖1：表征被測物特征的能力隨質(zhì)譜性能的增加而增強(qiáng)。
化學(xué)、生物化學(xué)和物理學(xué)領(lǐng)域的各學(xué)科和分支學(xué)科的研究人員和專業(yè)技術(shù)人員通常會用到質(zhì)譜分析。醫(yī)藥工業(yè)領(lǐng)域的工作人員在進(jìn)行藥物發(fā)現(xiàn)和藥物開發(fā)時(shí)需要利用MS的特異性、動態(tài)范圍及其靈敏度，區(qū)分復(fù)雜基質(zhì)中緊密相關(guān)的代謝物，從而鑒定并量化代謝物。尤其是在藥物的開發(fā)過程中，藥物需要進(jìn)行鑒定、純化，確定早期的藥代動力學(xué)，MS已經(jīng)證實(shí)是不可或缺的工具。生物化學(xué)家擴(kuò)展了MS的使用領(lǐng)域，將其應(yīng)用到蛋白、肽和寡核苷酸的分析中。使用質(zhì)譜儀，生物化學(xué)家們能夠監(jiān)測酶的反應(yīng)，確定氨基酸序列，并通過包含有蛋白裂解片段衍生物樣品數(shù)據(jù)庫鑒別大分子蛋白。生物化學(xué)家通過氫－氘交換在生理?xiàng)l件下形成重要的蛋白-配體的復(fù)合物，監(jiān)測蛋白質(zhì)的折疊。臨床化學(xué)家在藥物檢測和新生兒篩查中也應(yīng)用MS，取代結(jié)果不確定的免疫分析。食品安全和環(huán)境研究人員也是這樣。他們跟行業(yè)中相關(guān)的企業(yè)工作人員一樣，也使用MS，比如：PAH和PCB分析，水質(zhì)量分析，及食品農(nóng)藥殘留分析。確定油組成是一項(xiàng)復(fù)雜且昂貴的工作，這刺激了早期質(zhì)譜儀的發(fā)展，并不斷推動該技術(shù)的繼續(xù)創(chuàng)新?，F(xiàn)今，MS的專業(yè)人員可以在各種質(zhì)譜儀、一系列完善可靠的電離技術(shù)中進(jìn)行選擇。
什么是質(zhì)譜？質(zhì)譜是怎樣工作的？
質(zhì)譜儀可以比一枚硬幣小，也可以裝滿非常大的房間。雖然不同儀器類型有不同的應(yīng)用，但是其工作原理相同。測量單位為道爾頓（Da），代替其它單位，比如原子質(zhì)量單位（amu）。1Da=單個(gè)碳12（12C）同位素原子質(zhì)量的1/12。以前認(rèn)為質(zhì)譜儀不具定量能力，僅能作為定性設(shè)備，輔助化合物的鑒定。但現(xiàn)今，已經(jīng)證實(shí)質(zhì)譜兼具定性和定量功能。只有分子轉(zhuǎn)化為氣相離子后，質(zhì)譜儀才能測量其質(zhì)量。為了達(dá)到這一目的，質(zhì)譜儀使分子帶上電荷，然后將帶電離子流轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)系統(tǒng)能夠識別的成比例電流。數(shù)據(jù)系統(tǒng)將這一電流轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，得到質(zhì)譜圖。
圖 2：a)像色譜圖形一樣，當(dāng)總離子電流隨時(shí)間改變時(shí)，總離子電流（TIC）的豐度增加。b)每個(gè)峰的數(shù)字部分表示此刻的離子，其構(gòu)成了離子電流，離子電流通常被稱為輪廓圖或連續(xù)采集。X或‘時(shí)間'軸為質(zhì)荷比（m/z），在圖譜中（比如同位素）能讀出相鄰離子的分辨率。c)輪廓圖譜通常縮減為‘棒狀圖，從每個(gè)峰的頂點(diǎn)降低質(zhì)心，形成棒狀圖，從而減小存放文件的大小，有利于增加分辨信息。對目標(biāo)分析物，有很多適合的方式，使其電離成離子：
1) 在平面上，激光激發(fā)溶解在基質(zhì)中的化合物，比如基質(zhì)輔助激光解吸離子化（MALDI）法。
2) 通過與帶有能量的離子或電子的相互作用，比如電子轟擊離子化（EI）。
3) 自身輸送過程的一部分，像我們已熟知的電噴霧電離（ESI），在此種電離中，從液相色譜流出的洗脫液經(jīng)高電壓作用，從氣溶膠中形成離子。
例子按照其質(zhì)荷比（m/z），進(jìn)行分離、檢測而得到測量。將相對離子流（信號）與m/z制圖，得到質(zhì)譜圖。小分子通常僅帶單一電荷：因此m/z是質(zhì)量與1的比值。"1"表示在離子化過程中增加了一個(gè)質(zhì)子（表示為M+H+，或如果丟失一個(gè)質(zhì)子表示為M-H-），或如果丟失一個(gè)電子形成離子，被稱為自由基正離子（M+）。質(zhì)譜儀的準(zhǔn)確性，或質(zhì)譜儀怎樣測量實(shí)際真實(shí)的質(zhì)量，可在本入門指南的后續(xù)章節(jié)中看到。較大分子自身結(jié)構(gòu)的多個(gè)位點(diǎn)可捕獲電荷。小肽通常能帶2個(gè)電荷（M+2H+），而非常大的分子具有多個(gè)位點(diǎn)，可使用簡單的算法，推斷譜圖中表示的離子質(zhì)量。
圖 3：當(dāng)準(zhǔn)確校正后，低分辨率的質(zhì)譜儀也可以得到非常準(zhǔn)確的質(zhì)量，但是因?yàn)檩^多的數(shù)據(jù)擠占了有限的分辨空間，因此不能提供更多的譜圖信息。常見的含有9個(gè)氨基酸的Bradykinin多肽的代謝片段（BK1-5或Arg-Pro-Pro-Gly-Phe），ACE（血管緊縮素轉(zhuǎn)化酶）用于擴(kuò)張血管的抑制劑，可攜帶2個(gè)電荷（單個(gè)電荷或M+H的單同位素值為573.3149，而雙電荷峰，或M+2H為287.1614）。戴帶雙電荷的同位素峰，也會擠占有效的分辨空間。
能夠分析的分子有多大？
解吸電離擴(kuò)展了分析的能力，可分析分子量大、非揮發(fā)性、易碎的分子。對分子量40,000Da的常規(guī)檢測，其準(zhǔn)確度可達(dá)0.01%，（即質(zhì)量偏差在4Da）允許過程中發(fā)生較小變化的測定，比如蛋白質(zhì)的翻譯后修飾?？蓭Ф鄠€(gè)電荷擴(kuò)展了質(zhì)譜儀的測量范圍，可以超越其設(shè)計(jì)的上限，可檢測1000000Da或更大的質(zhì)量。
同位素和元素的質(zhì)譜儀
天然同位素豐度已清楚的表征。雖然通常認(rèn)為豐度比較穩(wěn)定，但是同位素豐度可能出現(xiàn)顯著的特征性改變。在代謝研究中，應(yīng)用同位素比例測定（同位素豐富的元素作為示蹤劑），在氣候研究中，測量溫度依賴性氧和碳的變化。在實(shí)際中，使用高準(zhǔn)確性的質(zhì)譜儀，測量前，將復(fù)雜分子轉(zhuǎn)化為簡單分子化合物，這樣轉(zhuǎn)化后的化合物能通過扇形磁質(zhì)譜儀檢測。元素分析通常針對無機(jī)材料，確定元素組成，而不是結(jié)構(gòu)，在一些情況下，可分析固體金屬樣品。常見于誘導(dǎo)偶合等離子體（ICP）源，放電器（或較低能量的發(fā)光放電）電離樣品。在萬億分之一（ppt）水平使用專用儀器檢測較為常見。
