质谱联用技术及应用

质谱联用技术及应用

摘要：色谱质谱联用是最具发展和应用前景的技术之一，克服了色谱难以获得结构信息和质谱需要预处理的缺点。本文主要讲述了气相色谱-质谱联用、液相色谱-质谱联用及质谱-质谱联用技术的优点，以及质谱联用技术在生物、医药、化工、农业等领域的应用。

关键词：气相色谱-质谱联用、液相色谱-质谱联用、质谱-质谱联用

质谱分析是一种测量离子荷质比（电荷-质量比）的分析方法，其基本原理是使试样中各组分在离子源中发生电离，生成不同荷质比的带正电荷的离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器。在质量分析器中，再利用电场和磁场使发生相反的速度色散，将它们分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量。色谱-质谱联用技术是当代最重要的分离和鉴定的分析方法之一。色谱的优势在于分离，色谱的分离能力为混合物分离提供了最有效的选择，但色谱方法难以得到结构信息，其主要靠与标样对比达到对未知物结构的推定；在对复杂混合未知物的结构分析方面显得薄弱；在常规的紫外检测器上对于无紫外吸收化合物的检测和大量未知化合物的定性分析还需依赖于其他手段。质谱法能提供丰富的结构信息，用样量又是几种谱学方法中用量最少的，但其样品需经预处理（纯化、分离），程序复杂、耗时长。长期以来，人们为解决这两种技术的弱点发展了许多技术，其中色谱. 质谱联用技术是最具发展和应用前景的技术之一。目前应用较多的是气相色谱-质谱（GC-MS）联用。但是GC要求样品具有一定的蒸气压，只有20%的药品可不经过预先的化学处理而能满意地用气相色谱分离，多种情况下所研究的药物需要经过适当的预处理和衍生化，以使之成为易汽化的样品才能进行GC-MS分析。而HPLC可分离极性的、离子化的、不易挥发的高分子质量和热不稳定的化合物，同时LC-MS联机弥补了传统LC检测器的不足，具有高分离能力，高灵敏度，应用范围更广和具有极强的专属性等特点，越来越受到人们的重视。据估计已知化合物中约80%的化合物均为亲水性强、挥发性低的有机

物，热不稳定化合物及生物大分子，这些化合物广泛存在于当前应用和发展最广泛、最有潜力的领域，包括生物、医药、化工和环境等方面，它们需要用LC分离。因此，LC与MS的联用可以解决GC-MS无法解决的问题。

1．液相色谱-质谱联用技术

色谱与质谱的联用集高效分离、多组分同时定性和定量为一体，是分析混合物最为有效的工具。但是，由于许多有机化合物的高极性、热不稳定性、高分子量和低挥发度等原因，需要用液相色谱来分离，因此，LC和MS的联用在有机混合物分离分析中具有重要意义。

液相色谱-质谱联用技术的关键是接口技术[1]，首先是如何解决高压液相和低压气相间的矛盾。质谱离子源的真空度常在1.33×10-2~10-5Pa,真空泵抽去液体的速度一般在10~20μl/min, 这与通常使用的高压液相色谱每分钟0.5毫升的流速相差甚远。因此，去掉LC的流动相是LC-MS的主要问题之一。另一个重要的问题是分析物的电离。用LC分离的化合物大多是极性高，挥发度低，易热分解或大分子量的化合物。经典的电子轰击电离（EI）并不适用于这些化合物。

自LC-MS研究以来，前后至少提出过27种以上接口技术，但是直到热喷雾电离（TSI）[2]、大气压化学电离（APCI）[3]、特别是电喷雾电离（ESI）[4]方法出现后，LC-MS的研究才有突破性的进展。当前有成效的LC-MS技术多是集接口和电离于一身。在去除大量LC溶剂的同时解决分析物的电离问题。

ESI方法的特点：（1）ESI对质谱分析的重要贡献之一是产生大量的多电荷离子。质谱是测定质荷比。在ESI以前的电离技术主要是产生单电荷离子，所测得的值即是离子的质量。普遍使用的四极矩质谱的质荷比测量范围一般在3000以下。磁质谱的测量范围一般在5000以下。由于产生多电荷离子，离子的质量数落在一般的四极矩的测量范围之内，因此对于分子量在几万以上的生物大分子，传统的质谱是不可企及的。ESI技术的出现使质谱在这方面的应用有了根本的改观。（2）在ESI过程，几乎没有任何外能输给化合物，因此ESI是迄今为止最为柔和的电离方法。ESI-MS谱图主要给出与准分子离子有关的信息，例如（在单电荷离子的情况下）MH+，MNa+，（M）nH+，[M-H]-，[M-Na]-，[（M）n-H]-等，很少给出化合物碎片。这不利于化合物结构推导。为了克服此不足，ESI常与MS-MS联用。

LC-ESI-MS当前应用最多的是测定多肽和蛋白质类化合物的分子量、氨基酸序列、肽谱以及蛋白质翻译后的修饰[5]。这些化合物带有大量酸性或碱性中心，很容易带上多个电荷。在溶液和pH值适当的情况下，电离效率可接近100%，因此特别适于LC-ESI-MS分析。目前测量的蛋白质分子量已达108Da，测量精度可达0.01%或更高。例如：中国中医科学院西苑医院实验中心的苗兰、孙明谦等人在双酶双碎裂条件下,建立了针对非标记液相色谱-质谱联用蛋白质组学的并行分析策略[6]。

2.气相色谱法-质谱联用技术

气相色谱法–质谱法联用（英语：Gas chromatography–mass spectrometry，简称气质联用，英文缩写GC-MS)是一种结合气相色谱和质谱的特性，在试样中鉴别不同物质的方法。气质联用色谱[7]是由两个主要部分组成：即气相色谱部分和质谱部分。气相色谱使用毛细管柱，其关键参数是柱的尺寸（长度、直径、液膜厚度）以及固定相性质（例如，5％苯基聚硅氧烷）。当试样流经柱子时，根据组分分子的化学性质的差异而得到分离。分子被柱子所保留，然后，在不同时间（叫做保留时间）流出柱子。流出柱子的分子被下游的质谱分析器做俘获，离子化、加速、偏向、最终分别测定离子化的分子。质谱仪是通过把每个分子断裂成离子化碎片并通过其质荷比来进行测定的。GC-MS把气相色谱和质谱这两部分放在一起使用要比单独使用那一部分对物质的识别都会精细很多很多倍。单用气相色谱或质谱是不可能精确地识别一种特定的分子的。通常，经质谱仪处理的需要是非常纯的样品，而使用传统的检测器的气相色谱（如，火焰离子化检测器）当有多种分子通过色谱柱的时间一样时（即具有相同的保留时间）不能予以区分，这样会导致两种或多种分子在同一时间流出柱子。在单独使用质谱检测器时，也会出现样式相似的离子化碎片。将这两种方法结合起来则能减少误差的可能性，因为两种分子同时具有相同的色谱行为和质谱行为实属非常罕见。因而，当一张分子识别质谱图出现在某一特定的GC-MS分析的保留时间时，将典型地增高了对样品种感兴趣的被分析物的确定性。

GC-MS的使用包括药物检测[8]（主要用于监督药物的滥用）、火灾调查、环境分析、爆炸调查和未知样品的测定。GC-MS也用于为保障机场安全测定行李和人体中的物质。另外，GC-MS还可以用于识别物质中以前认为在未被识别前