「SCIEX质谱档案」揭开高分辨质谱的秘密

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2021.5.26

作者 SCIEX

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100多年前人类发明了质谱分析技术，现已成为许多实验室和各种应用中不可或缺的前沿分析技术；多年来，质谱分析仪器以多种不同的形式出现，新的质谱技术平台提供了不同性能并得到了很大进步；质量准度是衡量质谱系统测量性能的最基本要求，质量准度是测量一种化合物的质量差值，即是与其准确质量之间的差值，这是由化合物已知的元素、同位素组成和电荷状态计算出来的。

什么是质谱？

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质谱系统具有高质量精度(mass accuracy)，质谱系统可通过缩小可能的范围，就能明确确定未知化合物的元素组成，因此，“精确质量”(accurate mass)这一术语通常指的是通过质量准度就可以确定一个化合物的元素组成的仪器或测量仪器；对于分子量低于200 Da的化合物，5 ppm的质量精度通常足以唯一确定化合物的元素组成, 对于高质量的化合物，通常需要更高的准确性，因为这会提供更多的选择性，并会出现更多元素组成可能性。

虽然，质谱系统的质量准度从根本上是取决于仪器的设计和校准，但质量精度也会受到被测质荷比的分辨率的影响，因此，质谱分辨率与准确质量测量有着错综复杂的关系。例如，弗朗西斯·威廉·阿斯顿(Francis William Aston)在1919年发明的第一台聚焦质谱仪，实际上是采用一种扇型磁场装置，其分辨率只有130，质量测量精度为0.1%^[1]。到了1937年，阿斯顿(Aston)将分辨率提高了20倍，质量精度提高了100倍。1936年，发明了第一台双聚焦磁式质谱仪，其目的是在更高的分辨率下可以提供更准确的测量峰的质量。在20世纪50到 60年代期间，商品化的扇型磁场式质谱仪其质谱分辨率已可以达到约10,000(用10%峰谷定义)，而在今天，如果用半峰高处的半峰宽定义(FWHM)分辨率，其分辨率约为20,000。但是，扇型磁场式质谱仪结构非常复杂性，以及采集速度相对缓慢的特点，最终激发了科学家和工程师们继续研究和开发新的质谱分析平台。

从那时起，人们开发了许多不同类型的质量分析器，不仅试图提高质谱的分辨率和质量准度，而且也提高质谱性能的其他特性，如采集速度、灵敏度和动态范围。例如，四极杆质量分析器能够实现高灵敏度的目标采集，而四极离子阱提供了特殊的全扫描灵敏度；然而这两种分析器都有相对较低的质谱分辨率和质量准度。相比之下，基于傅里叶变换离子回旋共振(FT-ICR)的质量分析器提供了超高的质谱分辨率和质量准度，它是以牺牲采集速度来实现这些高性能的，而且操作和维护也更加复杂；轨道阱捕获傅里叶变换质谱分析器的发明，尽管简化了系统的操作和维护，但仍然以牺牲采集速度为代价。

多年来，飞行时间质谱(TOF-MS)一直是一种很有吸引力的技术选择。现代TOF-MS技术非常具有潜力，理论上讲，它有无限大的质荷比(m/z)、高速采集、准确质量检测能力和高灵敏度；实际上，TOF-MS技术诞生于1946年，当时威廉·斯蒂芬斯(William Stephens)提出了在真空条件下的无场区域内，通过“飞行时间”来测量离子的质荷比(m/z)的概念^[2]。经过随后40多年的发展，包括反射加速器和正交加速度技术的应用，极大地提高了TOF-MS的质量准度和分辨能力；然而，该TOF-MS技术仍然缺乏获取高质量质谱数据的能力。

20世纪90年代中期，随着串联四极杆飞行时间(QTOF)质谱技术的发明。从而使液相色谱与飞行时间质谱兼容，并使液质联用系统具有了高分辨率准确质量质谱和串联质谱(MS/MS)能力。相对于磁式质谱或FT-ICR质谱，QTOF质谱系统更容易使用，这意味着现在任何人都可以获得高分辨率、准确质量质谱和MS/MS数据，质谱学界与所有的主要仪器供应商很快接受了这个新发现的平台，并很快将QTOF质谱仪器推向市场，除了三重四极杆质谱仪之外，没有其他仪器平台能如此清晰、全面地满足质谱学界的需求。

至那时起，QTOF质谱仪得到了持续不断的快速发展^[3]，现在的QTOF质谱仪能提供如下性能：

优异的质量准度：

小于等于0.5 ppm的绝对误差

快速采集数据：

飞行时间质谱是拥有超级快速采集数据能力的质量分析器

快速扫描条件下的高分辨率：

一级扫描和二级扫描模式下可达到超过三万的分辨率，即使在系统最高速扫描速度条件下也可以实现

宽的动态范围：

超过5个数量级的线性动态扫描范围，且不降低信号强度

优异的灵敏度：

检出限达到飞克级灵敏度。

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参考文献

1) F.W. Aston M.A. D.Sc. (1919) LXXIV. A positive ray spectrograph, The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 38:228, 707-714, DOI:

10.1080/14786441208636004

2) Stephens W.E., inventor. Mass Spectrometer. United States Patent 2,612,607. 1952 Sept 30. https://patents.google.com/patent/US2612607A/en

3) Bristow, T. Evolution and revolution in time-of-flight mass spectrometry and its impact on research within the pharmaceutical industry. European Pharmaceutical Review, June 20, 2011. https://www.europeanpharmaceuticalreview.com/article/7678/evolution-and-revolution-in-time-of-flight-mass-spectrometry-and-its-impact-on-research-within-the-pharmaceutical-industry/