干货 | 一文了解代谢组学中常见质谱仪

2021-05-19 18:05:20, 小迈武汉迈维代谢生物科技股份有限公司

质谱仪是通过对被测样品离子的质荷比（m/z）的测定来进行分离和检测的仪器。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中的运动行为不同，把离子按质荷比分开而得到质量谱图，通过样品的质量谱图和相关信息，可以得到样品的定性定量结果[1]。

在代谢组学研究中，质谱技术作为最重要的研究手段在疾病发生发展、药物治疗、环境暴露等各领域中发挥着重要作用。面对代谢组学研究中五花八门的质谱仪型号，Q-TOF、Q-TRAP、QE、QQQ……，初入代谢组学的你是否一脸迷茫。今天，小迈就带大家来盘点一下代谢组学研究中常用的质谱仪及其原理。

●●●

质谱仪种类

质谱仪的种类非常多，根据质量分析器的不同，可将质谱分为离子阱质谱，四级杆质谱，轨道阱质谱，飞行时间质谱，傅里叶变换离子回旋共振质谱，磁质谱等等[6]（傅里叶变换离子回旋共振质谱，磁质谱这两种质谱在代谢组学领域应用较少）。目前代谢组学领域常见的质谱多为它们的串联形式，如四级杆串联飞行时间(Q-TOF)，四级杆串联轨道阱(QE)，三重四级杆(QQQ)，三重四级杆复合线性离子阱(Q-TRAP)。如果按分辨率划分，前两者属于高分辨质谱，后两者属于低分辨质谱 [2]。。

离子阱质谱（Ion trap）

P��u�u

离子阱由一对环形电极（ring electrode）和两个呈双曲面形的端盖电极（end-cap electrode）组成，在环形电极上加射频电压或再加直流电压，上下两个端盖电极接地，逐渐增大射频电压的最高值，离子进入不稳定区，由端盖电极的小孔排出。当射频电压的最高值逐渐增高时，质荷比从小到大的离子逐次排出并被记录而获得质谱图。离子阱的优点就是它们能够分离出某种离子，把其他的离子排出离子阱，被分离的离子能够通过碰撞诱导解离的方式变成碎片然后被测定；其允许对碎片离子和碎片片段进行多重MS/MS实验，以获得更多的结构信息；另外它们能够富集离子，以提供更好的离子信号 [3]。

离子阱的缺点[4]是缺乏三重四级杆质谱的母离子扫描和中性丢失扫描的高灵敏度；另外由于空间电荷效应的影响，离子阱的动态范围有限，因为如果过多的离子积累在阱里，它们的电荷相斥会对仪器的分辨率和定量分析造成有害的影响。

2、

四级杆质谱(Quadrupole)

�。<��_�u

四级杆由四根带有直流电压（DC）和叠加的射频电压（RF）的准确平行杆构成，相对的一对电极是等电位的，两对电极之间电位相反。当一组质荷比不同的离子进入由DC和RF组成的电场时，只有满足特定条件的离子作稳定振荡通过四极杆，到达监测器而被检测，通过扫描RF场可以获得质谱图。

四极杆成本低，价格便宜，虽然目前日常分析的质荷比的范围只能达到3000，但由于分析器内部可容许较高压力，很适合在大气压条件下产生离子的ESI离子化方式，并且ESI电离最突出的特点是产生多电荷，常见的生物分子电喷雾电离（ESI）所产生的电荷分布一般在3000以下，所以四极杆广泛地与ESI联用。

3、

轨道阱质谱（Orbitrap）[11]

�产�y��D�u

轨道阱质谱的质量分析器形状如同仿棰体，由仿棰形中心内电极和左右2个外仿棰半电极组成。仪器工作时，在中心电极逐渐加上直流高压，在Orbitrap内产生特殊几何结构的静电场。离子进入到Orbitrap室内后，受到中心电场的引力，即开始围绕中心电极作圆周轨道运动，同时离子受到垂直方向的离心力和水平方向的推力，而沿中心内电极作水平和垂直方向的震荡。通过离子的旋转振荡产生的镜像电流，经微分放大后由变换器测定各离子的振荡频率，最后计算出分子离子的质荷比(m/z)。

Orbitrap技术是为Thermo公司独有，被用于高分辨的质谱分析平台，其 Q Exactive系列质谱仪将四级杆的母离子高选择性与高分辨、精确质量的Orbitrap检测相结合，可以实现化合物的鉴定、定量和确证。

4、

飞行时间质谱（Time of Flight Mass Spectrometer，TOF ）

msoc�ڢ�u

飞行时间质谱的质量分析器是一个离子漂移管(ion drift tube), 由离子源产生的离子首先被收集，在收集器中所有离子速度变为零，使用一个脉冲电场加速后进入无场漂移管，并以恒定速度飞向离子接收器。离子质量越大，到达接收器所用时间越长；离子质量越小，到达接收器所用时间越短，根据这一原理，可以把不同质量的离子按m/z值大小进行分离，为提升飞行时间质谱仪的分辨率，在线性检测器前面加上一组静电场反射镜，将自由飞行中的离子反推回去，初始能量大的离子由于初始速度快，进入静电场反射镜的距离长，返回时的路程也就长，初始能量小的离子返回时的路程短，这样就会在返回路程的一定位置聚焦，从而改善了仪器的分辨能力，这种带有静电场反射镜的飞行时间质谱仪被称为反射式飞行时间质谱仪(Reflectron time-of-flight mass spectrometer)[8]，与传统的四级杆和磁质谱检测器相比，TOF-MS质量范围宽，分析速度快，能够在几微秒时间内实现全谱分析。

其中Q-TOF类型质谱可能是目前使用最多的高分辨质谱，该类仪器将四级杆-飞行时间两种分析器联用，通常以四级杆为质量过滤器，以TOF作为质量分析器，能够提供高分辨的二级谱图，定性能力优于QQQ，如安捷伦Q-TOF 6545。

5、

三重四级杆质谱( Triple quadrupole ，QQQ)

�� }�u

三重四级杆质谱是由三个四级杆分析器串联的多级质谱，每个分析器有以下单独的作用。第一个四级杆(Q1)根据设定的质荷比范围扫描和选择所需的离子；第二个四级杆(Q2)，也称碰撞池，其形式多样，主要用于聚集和传送离子，在所选择离子的飞行途中，引入碰撞气体，例如氮气、氩气等；第三个四级杆(Q3)用于分析在碰撞池中产生的碎片离子。

QQQ具有多种扫描模式：子离子扫描，母离子扫描，中性丢失扫描，单离子反应监测，多反应监测（MRM），其中MRM模式应用最为广泛，特别是需要精确定量时。MRM模式具有以下特点：①灵敏度高：通过两级离子选择，排除大量干扰离子，使质谱的化学背景降低，目标检测物的信噪比显著提高，从而实现检测的高灵敏度。②重现性好：在选择性的质谱信号采集中，避免了待测分子离子化、质谱信号的抑制及源内裂解的影响，因此重现性也相应提高。③准确度高：利用MRM的特异性，进行连续的离子扫描分析，得到串联质谱碎片数据，与全扫描和中性丢失质谱扫描模式相比降低了分析过程中定性结果的假阳性率，保证了分析的准确度。④通量高：最新的MRM技术每个循环时间内能处理多达300对母离子-子离子对。由于三重四级杆质谱是进行单一质荷比扫描最灵敏的质谱系统，因此也是最适合MRM分析的质谱仪器[7]。

虽然在质谱应用领域里三重四极杆是最灵敏和重现性最好的定量仪器，但在定性方面，它不如离子阱质谱仪灵敏（TRAP能够富集离子），也不如飞行时间质谱仪所获取的质谱图那么有说服力（TOF分辨率高）。

三重四级杆复合线性离子阱质谱仪（Q-TRAP）是以QQQ的离子路径为基础，第三个四级杆（Q3）即可以做三重四级杆也可以做线性离子阱，其不但具有三重四级杆的所有扫描功能，还兼具线性离子阱的高灵敏度定性扫描和多级扫描功能以及同时三重四级杆和线性离子阱结合在一起的扫描功能。其中独特的“杆-阱扫描”(MRM-IDA-EPI)模式，可以在MRM定量的同时，获得高灵敏度的增强子离子扫描（Enhanced Product ion scans, EPI）的质谱图，进行定性分析。

迈维广泛靶向代谢组使用的仪器即为AB Sciex QTRAP® 6500+，是目前灵敏度最高的定量质谱。

迈维代谢

武汉迈特维尔生物科技有限公司（简称“迈维代谢”）位于武汉国家生物产业基地--光谷生物城，专注于提供领先的代谢组学技术开发及服务。迈维代谢创新了“广泛靶向代谢组”技术，基于“代谢组+基因组+转录组”的技术路线，近年来以通讯作者身份在Cell、Nature Genetics、Nature Communications、PNAS、Plant Cell、Current Opinion in Plant Biology等国际学术期刊发表多篇论文，引领基因组时代的代谢生物学研究新方向。