生物质谱分析技术+生物信息学专业

G: 离子化的试剂气体分子, CH4, NH3 等 M: 被分析物
离子束
电子束
试剂分子 气体分子
3). 快原子轰击(Fast atom bombardment, FAB)离子 化技术-可分析分子量达数千的多肽, 极性分子.
4). 电喷雾离子化(Electrospray ionization, ESI)技术

该系统在检测低丰度、低分子量蛋白方面有独 特优势。
质量分析器


磁分析器 四极杆质量分析器 (Quadrupole analyzer) 离子阱质量分析器 (Ion trap analyzer) 飞行时间质量分析器(Time of flight analyzer) 傅立叶变换离子回旋共振分析器 （Fourier transform ion cyclotron resonance analyzer ）
生物质谱分析技术
主讲： 胡 水 旺 南方医科大学病生教研室
质谱技术特点



质谱仪是一个用来测量单个分子质量的仪器，实际上 质谱仪提供的是分子的质量与电荷比(m/z or m/e). 质谱法是一强有力的分析技术。它可用于未知化合物 的鉴定、定量分析、分子结构及化学特性的确定等方 面； 所需化合物的量非常低：10-12g, 或10-15 mole； 应用范围广: (1) 有机质谱法：生物、医药、聚合物、 法医和环境等方面；(2) 无机质谱法： 地球化学，地 质矿产和无机元素分析鉴定等方面。
应用:
a). 多数台式质谱仪, GC/MS 和 LC/MS 系统; b). 串联三级四极杆质谱仪,MS/MS; c). 磁分析器与四极杆分析器组成混合型串联质谱仪,MS/MS.
3). 离子阱质谱仪 (Ion trap mass spectrometer )
离子阱质量分析器
离子阱的主体是一个环电极和上下两端盖 电极，环电极和上下两端盖电极都是绕Z轴旋 转的双曲面，并满足r0 2=2Z02（ r0 为环形电极 的最小半径，Z0为两个端盖电极间的最短距 离）。直流电压U和射频电压Vrf加在环电极和 端盖电极之间，两端盖电极都处于地电位。 简单说：用高频交流电把离子限制在离子 阱里，然后用离子的特征电压分别将其推出离 子阱，到检测器检测。
b). 最好定性分析工具; c). 可以实现高分辨; d). 高灵敏度; e). 宽的动态范围; f). 可以实现多级质谱的串联; g). 高能collision-induced dissociation (CID) 谱重现性好.
缺点: a). 不能较好的与脉冲离子化技术联用(如: MALDI);
b). 造价高, 体积大; c). 联动扫描MS/MS谱的分辨率低.
a). 常规电喷雾源(<mL/min) b). 微升喷雾源 (µL/min) c). 毫微喷雾源( nL/min)
电喷雾离子化（Electrospray Ionizsation， ESI）是在毛细管的出口处施加一高电压，所 产生的高电场使从毛细管流出的液体雾化成细 小的带电液滴，随着溶剂蒸发，液滴表面的电 荷强度逐渐增大，最后液滴崩解为大量带一个 或多个电荷的离子，致使分析物以单电荷或多 电荷离子的形式进入气相。


电喷雾离子化的特点是产生高电荷离子而不是 碎片离子，使质量电荷比（m/z）降低到多数 质量分析仪器都可以检测的范围，因而大大扩 展了分子量的分析范围，离子的真实分子质量 也可以根据质荷比及电荷数算出 可以方便地与多种分离技术联合使用，如液质 联用（LC－MS）是将液相色谱与质谱联合而 达到检测大分子物质的目的。
生物质谱的发展
来自百度文库

20世纪80年代：快原子轰击电离，基质 辅助激光解吸电离，电喷雾电离，大气 压化学电离 20世纪90年代以来：生物质谱仪如雨后 春笋，发展迅速，成为蛋白质组学的支 撑技术。
质谱技术因解决科学前沿难题屡次获得诺贝尔 奖： 1.1906年，Thompson .J.J（发明质谱技术）； 2.1922年，Aston F.W（利用质谱仪发现非放射性 同位素）； 3.1980年，Paul W.（发明离子阱原理与技术）； 4.1996年，Curl R.F/Sroalley R.E.等（用质谱仪观 测到激光轰击下产生的碳60）；
质谱分析原理
质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷 比的测定来进行分析的一种分析方法。被分析 的样品首先要离子化，然后利用不同离子在电 场或磁场的运动行为的不同，把离子按质荷比 （m/z）分开而得到质量图谱，通过样品的质 量图谱和相关信息，可以得到样品的定性定量 结果。
质谱发展史



1911年: 世界第一台质谱装置 （J.J. Thomson） 40年代: 用于同位素测定和无机元素分 析 50年代： 开始有机物分析（分析石油） 60年代： 研究GC-MS联用技术 70年代： 计算机引入
应用:
5). 飞行时间质谱仪(Time-of-flight mass spectrometer)
1 mv 2 qV 2 v 2qV / m t L L v 2qV / m
2t 2 V m / q m / ze 2 L 2t 2 V m/z eL2
m为离子的质量，q为离子所带的电荷，L为离子飞行的距离，v为离子的飞 行速度，V为离子的加速电压，z为离子所带的电荷数，e微电子的电量。
1).电子轰击(Electron impact, EI)电离
M + eM+. + 2eFi+ , i=1, 2, 3, ………. 电子束
气体分子
离子束
2). 化学电离(chemical ionization, CI)
正离子模式：GH+ 负离子模式：[G-H]+ + M M [M + H]+ [M - H]+ + G G
5. 2002年，美国科学家约翰.芬恩（电喷雾 电离）与日本科学家田中耕一（基质辅 助激光解吸电离）由于发明了对生物大 分子的质谱分析方法而获得了诺贝尔化 学奖。因为该方法解决了生物大分子“ 是什么”的问题。
质谱仪的示意图
离子源 产生离子 按离子的质量与 电荷比分离离子 控制整个质谱仪 离子转换成电信号 质量分析器 离子检测器
优点:
a) b) c) d) e) f) g) 可获得高分辨质谱； 可实现快速的离子传输； 可以较好地与脉冲离子化电离技术联用，如：MALDI等； 高的离子传输效率； 利用post-source decay (PSD) 技术可以快速实现MS/MS技术； 具有较宽的质量范围; 利用ToF-ToF可以实现MS/MS.
优点: a). 可获得经典的质谱图;
b). 重现性好;
c). 以其体积较小, 造价较低;
d). 在三级四极杆串联质谱分析器上或四极杆分析器与磁质谱(飞行时间)分 析器组成的混合串联分析器上可获得低能CID谱;
缺点:
a). 峰强度与峰的质荷比有关;
b). 分辨率低; c). 不能较好地与脉冲离子化技术结合(如:MALDI); d). collision-induced dissociation (CID) MS/MS spectra 与collision energy, collision gas, pressure 有关.
缺点:
a). 有限的动态范围; b). 存在空间电荷效应和离子-分子反应; c). 存在Artifact 峰; d). 多个仪器参数影响质谱图的分布, 如: 活化能, 捕获时间, 检测条 件等; e). CID谱与碰撞能，碰撞气及其他仪器参数有关． a). 生物大分子的分析； b). 有机小分子分析； c). 离子化学研究； e). 可以和各种电离技术联用。

表面增强激光解吸离子化-蛋白质芯片系统是 最新发展起来的蛋白质组平台，可分析飞摩尔 级的蛋白质。 样品首先要经过某种化学或生化方式处理(表 面增强)，使之具备与某一类蛋白特异结合的 能力。血清和蛋白抽提物直接加到芯片表面， 孵育后洗涤。特异的蛋白因化学或生化的特性 与芯片结合，从而从蛋白混合中分离。然后通 过芯片读码器得到与芯片结合的蛋白质质谱图 。以此鉴定生物标记物或疾病相关靶分子。
c). 气相离子化学研究.
d). 肽序列测定
4).傅里叶变换离子回旋共振质谱仪(Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometer, FTICR MS )
优点: a). 是目前分辨率最高的质谱仪, 1000,000;
b). 可实现多级串联质谱分析, msn; c). 可以与脉冲离子化电离技术联用, 如:MALDI; d). 是目前蛋白质和肽测序中顶端质谱仪; e). 质量稳定性好; f). 可实现气相离子-分子反应.
1). 磁质谱仪 (magnetic-sector mass spectrometer)
• 经典质量分析器：带电粒子在磁场中运动受到洛伦兹力的作用
MS
r
m Br z 2V
2 2
m: 离子的质量 z: 离子所带电量 V: 离子飞行速度
B: 磁场强度
MS/MS
空间串联质谱仪
优点：a). 高重现性(稳定性);
5). 基质辅助激光解吸电离技术 (Matrix-assisted laser desorption/ionization, MALDI)
离子化过程
MALDI的原理是用激光照射样品与 基质形成的共结晶薄膜，基质从激光中 吸收能量传递给生物分子，而电离过程 中将质子转移到生物分子或从生物分子 得到质子，而使生物分子电离的过程。 因此它是一种软电离技术，适用于混合 物及生物大分子的测定
应用: a). 所有的有机质谱分析方法;
b). 精确质量测量; c). 定量分析; d). 同位素丰度比的测量.
2). 四极质量过滤器质谱仪(quadrupole mass filter mass spectrometer)
Mathieu 方程
quadrupole
四级杆质量分析器
四极杆分析器由四根棒状电极组成。 电极材料是镀金陶瓷或钼合金。相对两 根电极间加有电压（Vdc+Vrf），另外两 根电极间加有-（Vdc+Vrf）。其中Vdc为 直流电压，Vrf为射频电压。四个棒状电 极形成一个四极电场。通过改变扫描电 压让不同质荷比的离子分离开。
优点：a). 可以实现多级串联质谱技术；
b). 结构紧凑。
缺点：a). 动态范围窄，不适合用于定量分析；
b). 存在空间电荷效应和离子-分子反应；
c). CID过程中的碰撞能量大小不能确定； d). 多个仪器参数影响质谱中离子的分布， 如：活化能、
捕获时间、检测器条件等。
应用:
a). 台式的GC/MS, LC/MS/MS; b). 目标化合物的筛选;
数据处理系统
棒状峰
高斯状峰
蛋白质
质谱工作流程
进样系统 离子源
离子检测器
质量分析器
1.间歇式进样 2.直接进样 3.色谱进样
1.电子轰击 2.化学电离 3.场致电离 4.激光 5.快原子轰击
1.单聚焦
2.双聚焦 3.飞行时间 4.四极杆
质谱的构造（4大核心组成部件）




进样系统：按电离方式的需要，将样品送入 离子源的适当部位，分为加热进样和直接进样， 也可以分为气体进样、液体进样和固体进样。 离子源：用来使样品分子电离生成离子。 质量分析器：利用电磁场的作用将来自离子源 的离子束中不同质荷比的离子按空间位置、时 间先后或运动轨道稳定与否等形式进行分离。 离子检测器：用来接受、检测和记录被分离后 的离子信号 。
进样系统

间歇式进样：气体和易挥发液体
直接进样 ：高沸点液体、固体 色谱进样 ：色谱质谱联用仪


离子源



电子轰击电离（EI） 气相离子源 化学电离（CI） 快原子轰击（FAB） 电喷雾电离（ESI） 基质辅助激光解吸电离（MALDI） 表面增强激光解吸电离(SELDI)技术
解吸离子源
6). 表面增强激光解吸电离(Surface-enhanced laser desorption/ionization, SELDI)技术
adding the protein sample, washing, adding the energy adsorbing molecule (EAM)