主题：【第七届原创】质谱应用之分子量的测量

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liufeilzu

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发表于：2014/12/05 19:48:02 楼主管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

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质谱应用之分子量测量

最近10年质谱技术的飞速发展，耐用的离子源，高性能的质量分析器和多种有效的扫描方式推动了质谱仪器走进各个单位，质谱成为功能强大的生物化学分析平台。目前基于质谱的物质定量定性实验应用广泛，从普通色谱-质谱（GC-LC&LC-MS）连用技术的定量分析实验（药理药代、农残筛查、环境污染物分析……），到大规模发现鉴定的组学实验（蛋白质组学和代谢组学）。抛开这些酷炫的方法和技术，我们今天讨论一下质谱的基本应用——测定分子量，通过一些测定分子量的实验我们可以看到分子量代表的更多意义。

质谱分析是一种测量离子质荷比（质量-电荷比）的分析方法，质谱法(Mass Spectrometry, MS)即用电场和磁场将运动的离子（带电荷的原子、分子或分子碎片，有分子离子、同位素离子、碎片离子、重排离子、多电荷离子、亚稳离子、负离子和离子－分子相互作用产生的离子）按它们的质荷比分离后进行检测的方法。测出离子准确质量即可确定离子的化合物组成。这是由于核素的准确质量是一多位小数，决不会有两个核素的质量是一样的，而且决不会有一种核素的质量恰好是另一核素质量的整数倍。分析这些离子可获得化合物的分子量、化学结构、裂解规律和由单分子分解形成的某些离子间存在的某种相互关系等信息（以上内容来自百度百科和高中教科书）。从定义我们看出，测定分子量是质谱的基本技能，一台质谱仪我们首先问的是它测量的分子量范围是多少，测量的准确度怎么样。

1小分子的测定

质谱的首先发展是测定元素的相对分子量，比如我们一般说到元素C的分子量是12，其实说的是C在自然界的最高丰度¹²C的相对原子量，考虑自然界只有¹²C相对含量1.082%的¹³C，C准确平均分子量是12.011。化合物一般有C、H、O……多种元素组成，这些元素的同位素互相组合，如果我们的质谱可以区分相邻的同位素的相对分子量，质谱图上会显示的一簇峰，每个质谱峰对应相同的分子式下不同的同位素组成的化合物响应。因为化合物组形成元素的不同，他们的质谱簇峰分子量（momoisotopic mass）组成独特的质谱峰模式（pattern），如果质谱区分不了相邻的同位素峰，这一簇峰变成一个质谱峰所对应的是平均分子量（average mass）。

如果我们测定一个化合物分子量，如果通过质谱可以得到精细的元素分子量（momoisotopicmass）及其相对丰强度（在质谱上表现为簇峰的强度）的信息，可以通过谱图推测化合物的组成写出分子式。图1 A是测的城市污水提取物的分子量，三个主要质谱峰为同一个化合物的同位素质谱峰，推测分子式为C₂HO₂Br₂，采用软件（很多软件都可以进行，最简单的是chem office）模拟此分子式的精确分子量，图2 B即为模拟所得的质谱图。可以看出所测得的质量偏差很小，最高元素峰216.8331-216.8328=0.0003Da，质谱峰分布模式（分子量和相对强度）实际测量图和模拟图几乎一致，可以确定该化合物的分子式是C₂HO₂Br₂。

图1 污水提取物质谱图。A测量图，B模拟图。质谱Thermo LTQ-orbit，HESI源。

对于有特殊的元素的化合物，测量准确的分子量及其同位素质谱模式可以准确的判定特殊元素的存在，图2是测得某配位化合物的质谱图，通过其特殊的质谱图可以确定此化合物为Os金属配合物。

图2 Os配合物质谱图。质谱Thermo LTQ-orbit，HESI源。

上述测量过程简单实用，但是这个实验要求质谱有足够的质量准确度，所测的分子量与实际值最好在小数点最后一位有波动，不然预测分子式会有很大的偏差。

2更高分子量的测量

对于同位素峰的测量，需要质谱区分相邻的同位素峰。在图1中两个同位素峰相差越2个道尔顿，在测量217分子量时候，只要质谱可以区分2个道尔顿的质谱峰就可以了，在图2中，同位素峰相差1道尔顿，区分度只有1个道尔顿。当分子量达到5K以上的时候，如果化合物仅仅由CHON等简单同位素组成，因为组成原子个数的增多，同位素峰越来越复杂，两个同位素峰之间的区分度越来越小，当质谱区分不开这些同位素峰的时候，测得是平均分子量（average mass）。图3 A测量的是一个分子量为10380Da的多肽，B和C是带10个电荷和11电荷同位素峰的局部方法图。在B中，同位素质谱峰间距（区分度）为0.1001Da。随着分子量的增加，需要质谱对相近同位素峰区分能力更强。评价质谱这种能力的指标是分辨率，我们一般用单位分辨率R=m/Δm来表示（该论述与严格定义有区别），图1需要的分辨率217/2=108，图2的分辨率780/1=780，而图三需要的分辨率1100/0.1=11000。所以说准确测分子量尤其是大分子量需要质谱具有高的分辨率。

图3多肽质谱测定。 A,质谱图B,,+10电荷质谱放大图C,+11电荷质谱放大图。Thermo LTQ-orbit，HESI源。

3不同离子源的测定大分子的策略

目前测定大分子的主要离子源有基质辅助激光解吸（MALDI）和电喷雾（ESI）。图4是采用不同离子源测定聚乙二醇修饰药物分子量，A是MALDI质谱测得，几乎为所有分子的都带一个电荷，质谱间距为聚乙二醇重复单元-CH2-CH2-O-44Da；B为ESI质谱所测谱图，Z为分子所带电荷数，z=4质谱间距为44/4=11，z=3质谱间距为44/3=14.67。

图4聚乙二醇化药物质谱图。A AB MALDI-TOF谱图，基质DHB反射模式；B Thermo ESI-LTQ-Orbit谱图。

MALDI电离的离子一般带一个电荷（随着分子量增加，会出现带多个电荷的情况），图5是测得8478和11675多肽质谱图，5737为11675多肽带双电荷所得。采用MALDI测量分子量谱图测量结果直观方便，图6是测量分子量6万的蛋白质被小分子药物的修饰反应情况。

图5 AB4800 MALDI-TOF测定多肽质谱图，基质SA，线性模式。

图6 AB4800MALDI-TOF监测药物修饰蛋白质反应质谱图，基质SA,线性模式。

ESI产生的离子主要是多电荷离子，对于ESI如果要检测分子量6万，10万甚至40万的分子，如果让这些分子带上10个电荷，表观分子量是6000，10000和40000，如果带20个电荷分子量，表观分子量分别是3000，5000，20000，如果分子带上50个电荷……如果没有聚合物单元而质谱的分子量检测范围又有限制，如何区分分子所带的电荷数？这还需要质谱的高分辨率能力。回到图3的B和C,检查相邻的同位素分子量只差，带10个电荷的质谱峰分子量之差为0.1，而带11个电荷的分子量只差为0.0909，1/0.1=10，1/0.909=11，ESI质谱图就是靠区分同位素质量峰之间间距来判定所带电荷数的。测定15万分子量的蛋白质，需要分子带150个电荷才可以把表观分子量1000落在质量检测器（离子阱，Orbit，FTICR）较好的检测检测范围内，质谱区分度需要1/150=0.0067，分辨率需要150万。如此高的分辨率很少质谱可以做到，对分子量10万以上的蛋白质我们可以采用电荷去去卷积(Charge Deconvolution)的方法,图7是EIS-LTQrbit质谱采集的Igg谱图用软件（Thermo是独立软件，AB在自家软件上就有这个功能，第三方的以ProMass为代表）去卷积后获得真实分子量的过程。

图7 protein deconvolution软件处理数据获得实际分子量。

离子源对质谱测定大分子量分子影响主要是形成的带电粒子质荷比(m/z)，一般来说结合质量分析器的扫描范围,TOF理论上测量范围是无限的，实际上18万是极限，文献上有报道检测到40万（佩服一下，但是谱图质量差的惨不忍睹）的,MALDI一般作为TOF的离子源。四级杆、离子阱、Orbit等扫描可以到4000，常用的是到2000，它们一般和ESI配合使用。

从小分子到生物大分子，质量测定是质谱的基本功能，其他功能都由此功能衍生而来。想要精确的测定分子量，质谱的准确度，分辨率和合适的扫描范围是质谱实验要考虑的影响因素，这些因素也是购买评价质谱仪器的关键指标。用分子测量的应用来直观展现质谱准确度，分辨率等关键指标如何影响质谱性能，希望对初步接触质谱的人有一定的帮助。