干货分享丨一文带您了解质谱技术原理

大v

文章来源：干货分享丨一文带您了解质谱技术原理
在科技飞速发展的当下，质谱技术在现代科学研究领域中占据着举足轻重的地位。从有机化学里对复杂化合物结构的精准剖析，助力新药研发与材料创新；到生物医学中作为疾病早期诊断、蛋白质组学和代谢组学研究的关键手段，为人类健康保驾护航；再到环境科学领域，对各类污染物进行高灵敏度检测，守护地球家园的生态平衡，质谱技术的身影无处不在。
质谱仪的基本原理
质谱仪是一种测定物质质量的仪器，其基本原理是将分析样品（气体、液体、固相）电离为带电离子，带电离子在电场或磁场的作用下可以在空间或时间上分离：
M→M+或M-
这些离子被检测器检测后即可得到其质荷比与相对强度的质谱图，进而推算出分析物中分子的质量。透过质谱图或精确的分子量测量可以对分析物做定性分析，利用检测到的离子强度可做准确的定量分析。
质谱仪的基本结构
质谱仪的基本构造主要分为五个部分：样品导入系统、离子源、质量分析器、检测器以及数据分析系统。
对于纯物质与成分简单的样品可直接经接口导入质谱仪；对于复杂的混合物样品，可先由液相或气相色谱仪分离样品组分，再导入质谱仪。
当分析样品进入质谱仪后，首先在离子源对分析样品进行电离，以电子、离子、分子或光子将样品转换为气相的带电离子，分析物依其性质成为带正电的阳离子或带负电的阴离子，产生的气相离子进入质量分析器进行质荷比的测量，在电场、磁场等物理作用下，离子运动的轨迹会受场力的影响而产生差异，检测器则可将离子转换成电子信号，处理并存储于计算机中，再以各种方式转换成质谱图。此方法可以测得不同离子的质荷比，进而从电荷推算出分析物中分子的质量。此外，质谱仪还需要一个高真空系统，维持在10-4torr至10-10torr的低压环境中，让样品离子不会因碰撞而损失或测量到的m/z值有偏差。


除了质量的测量，质谱仪还可以利用串联质谱技术，有效鉴定化合物的分子结构。所谓串联质谱仪，就是由两个以上的质量分析器连接在一起所组成的质谱仪，当分析物经过离子源电离后，第一个质量分析器可以从混合物中选择及分离特定的离子，以外力（碰撞气体、光子、电子等）使该离子解离，并产生碎片离子，再由第二个质量分析器进行碎片离子的质量分析，这些碎片信息可以用来鉴定小分子及蛋白质、核酸等生物分子的结构；当样品复杂度很高时，可在样品进样区前串联一个液相色谱或气相色谱系统，帮助样品预分离以提高质谱分析的效率。
质谱仪的分类
质谱仪有多种分类标准，可以按照质量分析器（四极杆质谱仪、离子阱质谱仪、飞行时间质谱仪等）、离子源类型（电子轰击质谱仪、电子喷雾质谱仪、场解吸附质谱仪等）、仪器分辨率（高分辨率质谱仪、中分辨率质谱仪、低分辨率质谱仪）等条件进行分类，分别以适用于不同的分析。


质谱技术的应用
质谱技术在代谢组中的应用
在代谢组学研究中，样品前处理后进行质谱分析，针对不同类型的代谢物，选择匹配的离子源和质量分析器。例如，电喷雾离子化适用于极性、热不稳定的代谢物，能将溶液中的分子转化为气态离子；基质辅助激光解吸电离常用于分析大分子代谢物，如多糖。质量分析器方面，四极杆质谱仪操作简便，适合定量分析常见代谢物；飞行时间质谱仪分辨率高，可精确测定代谢物的质量数，用于未知代谢物的鉴定。
由于质谱仪具有高灵敏度、高分辨率、高通量分析的优势，能够检测到极低浓度的代谢物；可以精确区分质量数相近的代谢物，例如能够区分同分异构体，避免因代谢物结构误判导致的研究偏差；同时结合自动化进样系统和高效的数据处理软件，一次实验可同时分析大量代谢物，大幅提高研究效率，满足大规模代谢组学研究的需求，如在疾病队列研究、药物筛选等方面发挥重要作用。
质谱技术在蛋白组中的应用
质谱技术在定性蛋白质组学、定量蛋白质组学和蛋白翻译后修饰中都有所应用，例如，在研究复杂生物样品（细胞裂解液、组织匀浆）中，基于质谱的鸟枪法成为解决这一问题的有力策略。首先，将蛋白质用特定的酶酶解为肽段，随后利用质谱仪分析肽段的质量和序列信息，以高分辨率的质谱仪（如 Orbitrap 质谱仪）能够精确测定肽段的质荷比，获得高精度的质谱图；通过将这些质谱数据与蛋白质数据库进行比对，从而确定蛋白质的种类。
定量蛋白质组学分为标记和非标记技术，同位素标记定量技术（如iTRAQ和TMT）通过在不同样本的肽段上引入不同质量的同位素标签，当进行质谱检测时，不同样本中带有同位素标签的相同肽段会在质谱图中产生不同强度的信号峰，研究人员根据这些信号强度的差异，就能实现蛋白质的相对定量；而Label-free非标记定量方法，则是基于质谱峰强度或谱图计数进行定量分析，无需对样本进行复杂的标记操作，直接根据质谱检测到的肽段信号进行定量，适用于样本量有限或对标记有特殊要求的研究。
蛋白质翻译后修饰是指蛋白质在翻译完成后，通过共价键结合各种化学基团，从而改变其结构和功能的过程。质谱技术在鉴定和分析蛋白质翻译后修饰方面发挥着关键作用。以磷酸化、乙酰化、甲基化等常见修饰为例，修饰后的肽段在质量和色谱行为上与未修饰肽段存在明显差异，质谱仪可以通过精确测量肽段的质量变化，识别出可能存在修饰的位点。当蛋白质发生磷酸化修饰时，磷酸基团的添加会使肽段的质量增加特定的数值，质谱仪能够敏锐地捕捉到这种质量变化。同时，结合多级质谱技术，对修饰肽段进行进一步的裂解和分析，从而确定修饰类型和修饰程度。
质谱技术在环境科学中的应用
在环境科学领域，质谱技术凭借其高灵敏度、高分辨率以及能够对复杂混合物进行精准分析的优势，发挥着极为关键的作用。
环境中存在着各种各样的污染物，包括有机污染物（如多环芳烃、农药、持久性有机污染物等）和无机污染物（如重金属离子）。质谱技术能够对这些污染物进行高灵敏度检测。例如，在检测水体中的多环芳烃时，首先通过固相萃取等前处理技术将水样中的多环芳烃富集提取出来，然后采用气相色谱 - 质谱联用仪（GC - MS）进行分析，气相色谱负责将不同的多环芳烃组分分离，质谱则对分离后的各组分进行定性和定量分析，通过精确测量离子的质荷比，与标准谱库比对，从而准确识别出多环芳烃的种类和含量。对于土壤中的重金属污染物，电感耦合等离子体质谱仪（ICP - MS）发挥着重要作用，它可以同时测定多种重金属元素，如铅、汞、镉、铬等，检测限可低至微克每升甚至更低，精确分析土壤中重金属的含量和形态，评估土壤污染程度。
质谱技术可以通过分析污染物的特征离子和同位素组成来追溯其来源。例如，对于大气颗粒物中的有机污染物，通过高分辨质谱分析其分子组成和结构特征，结合污染源排放清单和源谱数据库，能够判断这些污染物是来自于机动车尾气排放、工业源排放还是生物质燃烧等。在研究水体中硝酸盐污染来源时，利用氮、氧同位素比值质谱分析技术，测定硝酸盐中氮、氧同位素的组成，根据不同来源硝酸盐的同位素特征差异，区分硝酸盐是来自于化肥施用、生活污水排放还是工业废水排放，为水污染治理提供科学依据。

下期介绍质谱仪的不同质量分析器，下期再见哦！

及因生物秉持“快人一步，创新不止”的服务理念，在基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、微生物组学等多组学领域持续创新。同时提供多组学联合分析，为客户实现“一站式”技术服务，全方位解决您的技术难题。

原文地址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/25015475122