第六部分
质谱基础与应用
什么是MS?
 MS = Mass Spectrometry
2
质谱的种类
 GCMS 液相色谱质谱联用仪
Gas Chromatography Mass Spectrometry
 LCMS 液相色谱质谱联用仪
Liquid Chromatography Mass Spectrometry
 飞行时间质谱仪
Time of Flight Mass Spectrometry
 磁质谱
Magnetic Sector Mass Spectrometry
 二次离子质谱 SIMS
Second Ion Mass Spectrometry
GCMS
新生儿先天性代谢失调的普查
LCMS应用实例
克伦特罗
三聚氰胺
LCMSMS在医药上的用途
- ADMET DMPK 定量分析
血液
尿液
组织等
新药研发流程
药物发现
工
艺
开
发
优
化
临床研究
药
理
药
效
，
一
期
二
期
三
期
申请/生产
申
请
注
册
QA/QC
7
合先
成导
、药
筛物
选发
现
、
/
TK/
ADME/DMPK
确
定
研
究
目
标
临床前研究
质
量
控
制
：
新药研发涉及分析仪器
LC/GC/MS/Spc/
TA/SALD
LC/LCMS/ITTOF/Prep-LC
LC/GC/MS/CoSense/Spc/ITTOF
LC/GC/MS/ITTOF/Spc/CoSense
LC/GC/MS
8
LC/GC/MS/Spc/
UHPLC/UFLC
LC/MS/TOF/2DLC/Nano-LC
NMR、UV、IR、AA、ICP、DSC、TGA、XRD、
TOC、Particle Sizer…
申请/生产
临床研究
临床前研究
药物发现
Biomarker Discovery and Metabolite Game
© 2010 SHIMADZU
9
Concept of MS/MS comparison (1)
Parent drug
Metabolite A
Metabolized
This part is
not modified.
MS/MS
Analysis
Int.
Parent Drug
MS/MS spectrum
m/z
The part that not
modified could be
observed as common
peaks between MS/MS
spectra of parent drug
and metabolites.
MS/MS
Analysis
Int.
Metabolite A
MS/MS spectrum
m/z
10
TOF MS在蛋白质组学等上的应用
Prediction
Diagnosis
Therapy
Ｒ＆Ｄ
Medical Fields
Human
Medical
Clinical diagnosis
Dedicated PET scanner
NIRS Imaging
Cellome
Integration
Cell
Preclinical research Tools
Metabolome
Marker discovery
2D/LC
Protein
Proteome
Drug Discovery
Gene test
SNPs
DNA
Genome
Life Science Fields
Gene Diagnosis/
Therapy
Analytical
Mass
Spectrometer
二级质谱用于蛋白鉴定
肽序列标
签
AXIMA-Performance
(MALDI-TOF-TOF)
多肽，核酸等的质量控制（QA/QC）
微生物鉴定系统
AXIMA@SARAM
IS™
MALDI MS Imaging
Frozen brain tissue is sectioned.
Tissue placed on MALDI target plate.
Matrix deposited
MALDI analysis
DART
美钞上的 Cocaine
质谱仪器的发展
1. 1911年: 世界第一台质谱装置（J.J. Thomson）
2. 40年代:
用于同位素测定和无机元素分析
3. 50年代： 开始有机物分析（分析石油）
4. 60年代： 研究GC-MS联用技术
5. 70年代： 计算机引入
6. 80年代： 新的质谱技术出现：快原子轰击电离子源，基
质辅助激光解吸电离源，电喷雾电离源，大气压化学电
离源；LC-MS联用仪，感应耦合等离子体质谱仪，富立叶
17
变换质谱仪等
分析科学技术
年份
18
名字
研究
1948
蒂赛利乌
斯
电泳
1952
马丁，辛
格
色层分析
1964
霍奇金
衍射分析
1991
R.R.Ernst
高分辨核磁共振波谱学
2002
Joh. B. Fen
对生物大分子进行确认和结构分
析的质谱方法
2002
Kuthrich
溶液中生物大分子的三维结构的
新方法
为什么要使用MS？

高选择性 (Selectivity)
 SIM

高灵敏度(Sensitivity)
快速(speed）
 ppb/pg 级别或更低

高可靠性 (Stoichiometric)
 分子量和结构信息
理想的定性定量工具
19
质谱？
样品
离子或离子碎片
离子化
质量分析
质谱图
定性定量分析
20
MS流程图
样品
进样系统
GC进样
LC进样
直接进样
离子源
真空系统
质量分析器
检测器
数据处理
为什麽MS需要高真空
 提供足够的平均自由程
 提供无碰撞的离子轨道
 减少离子-分子反应
 减少背景干扰
 延长灯丝寿命
 消除放电
 增加灵敏度
为什麽MS需要高真空
真空系统确保离子由离子源转移至检测器
高真空
+
ion
+
23
air, water etc.
低真空
排气系统
压力 10-3-10-4 Pa(平均自由路径 5m-50m)
Ion source
主泵
Lens
system
Rod
system
Detector
副泵
通常的离子化方法
EI
电子轰击电离
CI
化学电离
FAB
MALDI
25
灯丝
样
品
快原子轰击电离
分
基质辅助激光解吸电离
子
Laser
matrix +
ESI
电喷雾电离
APCI
大气压化学电离
analyte
eeee-e--
++
+ + QP
碎片离子
m+a m a+
mm
+ ma+ m
m am
+mma a
气质联用使用的电离技术
26

电子轰击电离（EI）

正化学电离（CI）
电子轰击电离（EI）
灯丝
e
样品分子
e
e
e e-
+ +
+
QP
+
碎片离子
27
电子轰击电离（EI）
 热电子（70eV）轰击分子，使其电离
 丰富的碎片离子=丰富的结构信息
“指纹”
e-
¯
俵
M
m2
m3
m1
EI spectrum
硬酯酸甲酯 M.W. 298
28
化学电离（CI）
QP
灯丝
反应气
CH4
e
e e
e e-
CH5+
+
C2H5
-CH4
-C2H4
样品分子
29
+
H
[M+1]
CI 谱图
 软电离得到少的破碎
 分子量测定
 产生“理论”的谱图
 高灵敏度(低至pg级水平)
30
正化学电离（PCI）
 首先电离反应气分子—》样品分子主要
由质子转移电离
 容易产生准分子离子—》用于确定分子量
+
e¯
CH4
C2H4
31
+
MH
C2H5
M
PCI spectrum
硬酯酸甲酯 M.W. 298
EI和 PCI的比较
EI 模式
碎片
分子量
PCI 模式
负化学电离(NCI)
灯丝
e -e- ee
反应气
样品
33
样品
负化学电离(NCI)
捕获电子形成负离子
 MX+e¯(0~15eV)-->MX¯
e¯
H
CH4
CH4
CH4
+
CH4
+
CH3
CH4
e¯
MX
_
MX
X: 电负性强元素
34
负化学电离(NCI)
 NCI 质谱图
六氯苯
M.W.
284
离子化和破碎
API
软
无碎片
36
CI
EI
离子化
硬
有碎片
液质联用使用的电离技术
37

电喷雾电离（ESI）

大气压化学电离（APCI）

大气压光子电离 （APPI）
LC与大气压离子化质谱仪的接口技术
电喷雾(Electrospray Ionization ESI)
+
++- - + -+ +- + - +
Liquid Samples
Nebulizing gas
High Voltage
+
+
+-+-++
+
+
+-+-+++
+
+
+

Flow rate permitted: 0.001~1 ml/ml
 Room temperature

N2 nebulizing gas: 4.5 L/min
高压放电针
大气压化学离子化(Atmospheric
Pressure
Chemical
Ionization APCI)
Liquid Samples
Nebulizing gas
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加热器

Flow rate allowed: 0.05 ~ 2 ml/ml

Heater: 400oC

N2 nebulizing gas: 2.5 L/min
MALDI-TOF质谱的原理
 MALDI-Matrix-Assisted
LaserDesorption/Ionization
（基质辅助激光解吸电离）
 分析物如核酸或多肽，在
MALDI 靶上与基质共结晶激光
能量间接传递给离子化的分析
物
Sample target
High voltage
MALDI-TOF质谱工作原理
Time-of-Flight (TOF) Analyzer
detector
high voltage
v3
m3
MALDI
v2
m2
v1
m1
sample
laser
MALDI-TOF检测分子量多为单电荷
无需做去卷积化等工作
分子量检测简单直观
drift region
m1
m2
m3
MS 的分类(质量分析器)
 四极杆质谱
 离子阱质谱
 飞行时间质谱 (TOF)
 磁质谱
 傅立叶变换离子回旋共振质谱(FT-MS）
四极质量分析器
+
+
+
+
离子通过改变四极杆的DC/RF电压而被扫描
42
离子阱
 原理与四极杆的非
常相似
 离子被存储在RF
和DC场中
43
飞行时间质量分析器
+
+
+
+
所有离子同时启动
小的离子移动速度快
测量已知距离下的速度(
飞行时间)
44
扇形磁场质量分析器
+
+
离子通过变化的磁场和电场被传
输
45
傅立叶变换-离子回旋共振
46
多级质谱技术
串级质谱
S
MS1
Activation
Region
MS2
D
vacuum system
Tandem mass spectrometers have…
a mass analyzer (MS1) that separates ions by mass and
selects ions of a single mass …. mass filter
an activation region for fragmenting mass-selected
ions … generally by collision-induced dissociation
a mass analyzer (MS2) for recording the mass spectrum
of the fragments of the selected mass …. mass
spectrometer
串级质谱
Mass analyzers (MS):
Time-of-flight (TOF)
Quadrupole (Q)
Quadrupole ion trap (GCQ or LCQ)
Linear quadrupole (LTQ)
Fourier transform mass spectrometer
Orbitrap
Tandem mass spectrometers (MS/MS):
Triple Quadrupole (QqQ)
Quadrupole/time-of-flight (QTOF and QSTAR)
Tandem time-of-flight (TOF-TOF or TOF2)
LTQ/orbitrap
49
串级质谱的各种方式
Tandem-in-space:
triple quadrupoles
quadrupole/time-of-flight (QTOF/QSTAR)
TOF/TOFs
Tandem-in-time:
Quadrupole ion trap (GCQ/LCQ)
Linear ion trap (LTQ)
Fourier transform mass spectrometer
Both space and time:
ion trap/TOF (Qit/TOF)
LTQ/FTMS
LTQ/orbitrap
离子源的多种选择
Matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI)
Atmospheric Pressure MALDI (APMALDI)
Electrospray ionization (ESI)
Nanospray
离子碎裂机理的选择
Collision-induced dissociation (CID)
Low energy CID: 10-50 eV multiple collisions
High energy CID: 1-20 keV single collision
Infrared multiphoton dissociation (IRMPD)
Electron capture dissociation (ECD)
Electron transfer dissociation (ETD)
多级质谱技术比较
Bruno Domon and Ruedi Aebersold, Science, 312, 212 (2006)
岛津质谱仪的发展历史
1970
53
GCMS-9000
1988
LAMS-50K
全系列质谱产品
GCMS-QP2010 Ultra
LCMS-8030
54
MALDI-TOF MS
LC-IT-TOF MS
LCMS-2010
岛津飞行时间质谱系列全方位服务于尖端科学研究
AXIMA-Resonance
(MALDI-QIT-TOF)
AXIMA-Performance
AXIMA-Confidence
AXIMA-Assurance
LCMS-IT-TOF
(ESI-IT-TOF)
Thank you for your attention!
56