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如何自建方法测试Orbitrap整机灵敏度

上一篇 / 下一篇  2010-08-25 08:20:17 / 个人分类:我的经验

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  • 文章来源:原创

——LC-LTQ Orbitrap XL整机灵敏度的测试

一、测试目的及标准物质确定

  LC-LTQ Orbitrap为一台液相色谱-组合质谱联用仪,其中,LTQ为线性离子阱质谱,Orbitrap为静电场轨道阱质谱,是一高分辨质谱。由于Orbitrap也是利用傅立叶变换技术将离子的振幅转换成m/z,因此,现在也将该仪器划在傅立叶质谱仪类。

  仪器公司所给Orbitrap灵敏度验收指标,是用仪器测试液中3个化合物特征离子的信噪比(S/N)判定是否通过验收,即:

  咖啡因 m/z 195.0876 S/N > 40

  MRFA m/z 524.2649 S/N > 40

  Ultramark 1621 m/z 1121.9970 S/N > 40

  测试条件:注射泵进样,进样速度为5µL/min。测试液中咖啡因含量为20µg/mL,MRFA含量为13µg/mL,Ultramark为一混合聚合物(就某一个组分而言没有准确的量)。

  而整机的灵敏度(即:使用液相色谱,过色谱柱,也称on column灵敏度),公司没有验收指标,目前国内对这类型仪器也还没有相关的灵敏度计量规程。但是,我们实验室主要做食品中残留物的分析,对灵敏度非常关注。而且在日常使用时仪器肯定是要连LC整机使用的,所以,测定仪器的整机灵敏度对实验室而言更具有实际意义。

  选择标准物质

  通常仪器公司提供的液相色谱-质谱联用仪(LC-MS)灵敏度指标多是用利血平作为标准物质,使用Loop环、流动相进样某一定量(如1 pg)的标准物质,测定获得的信噪比,如:1pg利血平S/N > 100。但现在也有公司用磺胺二甲嘧啶作为衡量仪器灵敏度的标准物质。在实际工作中磺胺二甲嘧啶是我们实验室的一个检测项目,而且在日常实验中也发现该物质的化学性质比较稳定。因此,作为实验室仪器自检规程的一个测试指标,确定了磺胺二甲嘧啶为衡量仪器整机灵敏度的标准物质。

 

二、测试方法

1.标准品

  标准品:磺胺二甲嘧啶(SIGMA-ALDRICH公司,美国)。

  标准储备液:准确称取10mg磺胺二甲嘧啶标准品用甲醇定容置10mL容量瓶中,配成1mg/mL储备液。-18℃冰箱保存。

  仪器测定标准液:取标准储备液,用水逐级稀释至200pg/mL测试液。现用现配。

 

2.仪器条件

(1) 液相色谱条件

  色谱柱:Xterra MS C18 2.1mm×150mm,3.5µm(Waters公司,美国);

  流动相:组分 A相 0.1%甲酸水,组分 B相 0.1%甲酸乙腈;

  梯度程序:

 时间(min)

 A相

 B相

 0

95 

 5

 8

 5

 95

 8.1

 5

 95

 8.2

 95

 5

 13

 95

 5

 流动相流量(µL/min):200;

 进样量(µL):10。

 

(2) Orbitrap条件

  离子化方式:ESI+;

  扫描范围:m/z 220 ~ 320;

  分辨率:60000;

  毛细管温度(℃):300

  (以下参数为仪器自动Tune优化得到的)

  壳气(Sheath Gas Flow):40.00

  辅助气(Aux Gas Flow):5.00

  毛细管电压(V):25.00

  聚焦电压(Tube Lens V):60.00

 

3.测试步骤

  (1) 仪器Tune优化:开启LC,打开Scan查看液相本底较强离子,选择与磺胺二甲嘧啶准分子离子(M+1,m/z 279.0904)接近的离子作为优化的目标离子(本实验选择的优化离子 m/z 279.2);

  (2) 设定仪器LC、Orbitrap参数以及序列表,进样;

  (3) 采集、处理数据。

 

三、测试结果及评价

  按照上述实验得到最终结果如图1,数据经过平滑(5次)最终得到的S/N=43(RMS)。由于基线太平直,无法得到峰-峰比的S/N。  

图1 柱上2.0pg磺胺二甲嘧啶选择离子(m/z 279.0904)色谱图(登录状态下点击图,会看到更大的图)

  由图可以看出,LTQ Orbitrap的绝对检测灵敏度与三重四极(QqQ)质谱的MRM检测方式相比要差几十倍,但与四极-飞行时间质谱(Q TOF)相比还是要高些,Q TOF的绝对检测量起码要几十个pg以上。但当采用高质量精度离子提取时,由于高选择性较好地滤去了基质干扰,所以可以采用加大取样量方法来提高方法的检测灵敏度。实验证明,加大取样量5-10倍,用精确质量数提取离子后本底依然很干净,且定量重现性也比较好。因此,最终的检测灵敏度与QqQ比相差应该在一个数量级以内,基本上可以满足1ppb以上检测限的项目,能否再往下做还有待在今后的工作中挖掘。

 

四、对灵敏度的新认识

  通过对Orbitrap仪器检测灵敏度的测试,对现在仪器标称的S/N越来越高又有了一些新认识。从仪器S/N的表示式可知,提高分子(S)的值,或是降低分母(N)的值都可以提高S/N值。

  提高分子(S)的值就是增加到达检测器的离子数量。仪器公司为提高检测离子的数量主要对离子源离子化和离子导入做了改进。如前些年AB Sciex公司的离子源采用Turbo V设计,加了两路加热的氮气,提高了离子化效率,见图2。后来其他公司也都对离子源的设计进行了改进。但不管那家公司的那种设计,目前离子源的离子化效率仍不超过30%。在这方面还有工作可做。  

图2 Turbo V离子源(登录状态下点击图,会看到更大的图)

  另一个提高S的办法是加大离子导入锥孔的孔径。这个非常好理解,孔径大了进去的离子自然多。但这种设计对仪器的真空系统提出了更高要求,为保证仪器的真空度,就需要更大的分子涡轮泵,从而提高了仪器的制造和使用成本。所以,这个孔径也不可能无限加大。

  现在仪器厂商更喜欢做的是降低分母(N)的值——降低背景噪声。相对提高S要做的硬件改进,降低N时仪器所做电路改进增加的成本要低些。现在各仪器公司陆续推出的离轴离子传输、双离子漏斗,以及分析器的90°、180°偏转,都是为了达到这个目的。其结果是检测灵敏度值标称的越来越高,但实际达到检测器的被测离子的数量并没有增加。所以,当仪器标称100fg 利血平S/N≥500时,你若推测 10fg 应能够得到S/N≥50,那可能会让你失望。因为检测器已经检测不到足够的离子数而只能得到一条基线了。比如用Orbitrap的精确质量数提取色谱图,由于高分辨而几乎没有噪声,2pg磺胺二甲嘧啶可以得到的S/N无穷大,见图3,然而你进样量降到200fg,你只能看到一条笔直的基线。

  

图3 柱上2.0pg磺胺二甲嘧啶选择离子(m/z 279.0904)色谱图。(登录状态下点击图,会看到更大的图)

  数据未经过平滑。

  所以,我认为现在仪器的检测灵敏度指标可以这样理解,如100fg 利血平S/N≥500,基本上仪器的绝对检测量就是100fg。因而,建议大家在选择仪器时不要只盯着灵敏度这一个指标,稳定性、重现性、线性、抗污染性、易操作、软件界面友好等都应该考虑。有条件的话,最好用一个实际样品到各家仪器上做一下,除了抗污染性当时看不出来以外,其它的还是可以得到的,对比后再做定夺。此外,对用户(直接操作者)调研也是一个很好的信息通道。

 

注:还有几个概念稍微啰嗦几句,希望大家可以更好地理解:

“加大取样量”是指加大被测样品的称取量。分析测试百科网#] koyO:O NU%|
这里有一个概念要区分清楚,

“仪器灵敏度”,这是一般仪器公司所给。分析测试百科网%U}8x:k,y
这个灵敏度是注入仪器标准品绝对量得到的。

“方法灵敏度”,这是一个分析方法所能获得的最低检出限。
;_PB,F/G(v?#IG(^)h0这个灵敏度是要考虑方法所称取样品量的。

举个例子:

仪器灵敏度所得磺胺二甲嘧啶灵敏度2pg S/N=43。
1E?Z5A0E!M,Z'd02pg可以视为仪器能够检测的绝对量。

当实验室时取1g样品,最后定容到1mL,则1mL就相当1g样品。分析测试百科网Ks{:d3J;Yw
若进样10uL,0.2ng/mL(0.2pg/uL)的含量即可检出,
*P:@ E-j1u!{9o0折算到样品里,就是0.2ng/g,可以说方法检出限0.2ppb。

若开始取5g样品,最后定容到1mL,则1mL就相当5g样品。分析测试百科网?'zeGq pd
定容后还是 0.2ng/mL(0.2pg/uL),分析测试百科网$H5F?#F3pQr
但这时折算到样品里,就是0.2ng/5g=0.04ng/g,
D(bO;H9aZ l7yx7U0那方法检出限就是0.04ppb。

上文中所说的“加大取样量5-10倍”,
&B#?]A St0就是指比正常分析时多称取5-10倍的检测样品量。


TAG: orbitrap 灵敏度

mark_zhong 引用 删除 mark_zhong   /   2010-09-08 11:14:23
原帖由xhcb2007于2010-08-27 09:06:33发表
我觉得楼主应该不是这篇文章的原创。
因为文中的几点楼主认识还有些不够。
1,Orbitrap的真空度比三重四级高5

因为认识不够,所以就不是原创?这逻辑……看得我真是翻江倒海……
强忍着看完xhcb的高论,只提一点,标称检测灵敏度与实际检测应用还有距离。所以检测到一个离子的信号是不是有实际意义,还需要商榷。
博主的文章也是基于实际检测应用的角度出发来评价设备。单纯讨论orbi的极限值没有意义。
mark_zhong 引用 删除 mark_zhong   /   2010-09-08 10:49:14
5
NVIDIA 引用 删除 NVIDIA   /   2010-09-03 10:59:24
3
fsciq 引用 删除 fsciq   /   2010-08-30 12:44:28
其实写这篇文章主要是工作的需要。
食品中残留物分析最关注的就是灵敏度。
前几年食品安全屡屡出现问题,政府和消费者都开始关注这个问题了。与此同时政府也加大了这方面的投入。色质联用仪一下从高端分析仪器变成了常规分析仪器。而多数分析工作者对MS的认识还很有限。所以这时就听仪器公司宣传了。经过这些年使用色质联用仪,并且不断与专家、使用者、仪器公司人接触交流,对灵敏度认识也逐步清楚了。其实有些深层次的东西仪器公司的人是不会和你讲透的。
我们实验室对外出具报告,仪器必须要计量。而Orbitrap国内还无法计量。为此我们建立自检规程对其进行计量。而灵敏度又是关键指标。在做的时候发现用高质量精度提取后基线常常是一条直线,S/N无穷大。有感写了这篇文章。没有像两位专家那样考虑更深层次的原理问题。
17级 引用 删除 xhcb2007   /   2010-08-29 20:53:23
我知道hoggy大哥自己能造MS,所以总是从某个元件的功能上来理解这个仪器,比如说你说的灵敏度都是有个离子就能测。而大家或者说用户的概念都是我想要的那个才算!
国产仪器要牛是最好了!至少能把价钱降下来!但是性能一定要好啊!电子元件之类的不也都是买的么?咋会有什么差别呢?自己攒电脑也是这样吧。



原帖由hoggy于2010-08-28 15:43:48发表
Chemist! 简直是鸡同鸭讲。
17级 引用 删除 xhcb2007   /   2010-08-29 20:33:53
对不起FSCIQ,我以为这篇文章是hoggy写的呢。看hoggy的观点我不是很赞同。这是我的错!

我的帖子hoggy估计都没看。所以跟他讨论一下而已。他完全混淆了全扫的灵敏度和SIM的灵敏度,都说了所有的阱的灵敏度不能抛开扫描范围,因为与空间电荷效应有关。就这么大一块地方A多了,B就少了,太少就看不见这个没什么不好理解的。

而且hoggy所谓的全组的实验完全没有说服力,因为你根本就不知道你到底要的是什么,有可能根本就不是你要的东西。所谓的灵敏度实际上无从谈起!换句话说,咱们做蛋白质组学,能做出几次两针一样的结果?这么什么好说的?

TOF类的仪器由于不是#,所以无所谓总离子数量,但是由于他要控制时差的分离度它的灵敏度跟分辨率又是个矛盾--矛盾总是无所不在啊。
FT-ICR这个也是个#,情况跟OB差不多,这玩意就看谁装的离子多灵敏度就高。原因还是上面的--你总得找个离子当代表进去吧,要不然你总不能凭空给出信息吧?

所以要敲打厂商,应该这样敲打,才能敲到痛处。



原帖由fsciq于2010-08-28 16:12:33发表
看了soso的留言,我也产生了疑问,难道xhcb2007发过类似的文章?若真有雷同那也是巧合。发上来让大家看看,也可以进

楼主,还是没回答那些问题

原帖由xhcb2007于2010-08-27 18:36:15发表
首先我认为原文写的比博主内容好,博主并没有完全理解原文思路才指出这篇文章不是原创的。如果博主能够上传原


原帖由hoggy于2010-08-29 10:36:29发表
唉,还是瞎捣浆糊。本来就是LTQ灵敏度高,Orb除了高分辨,速度又慢,灵敏度又不高,没有5600这类QTOF强。我们做过全Or
徐好狗的高级玩具 引用 删除 hoggy   /   2010-08-29 10:44:04
http://www.labx.com/v2/adsearch/detail3.cfm?adnumb=421153

这个才3万5!
徐好狗的高级玩具 引用 删除 hoggy   /   2010-08-29 10:36:29
唉,还是瞎捣浆糊。本来就是LTQ灵敏度高,Orb除了高分辨,速度又慢,灵敏度又不高,没有5600这类QTOF强。我们做过全Orbi谱图的组学实验,还没有单独LTQ做得好,现在都是LTQ为主,Orbi做二级。

一般应用的话还是买台LTQ比较好用,加Orbi就太贵了。

而且从二手市场来看,二手的LTQ要7~15万美元,而LTQ-Orbi在20万USD左右,说明加Orbi没有多多少钱。二手的5973还要4万,4000要10万USD呢。
njuswjsw 引用 删除 njuswjsw   /   2010-08-29 10:33:39
5
fsciq 引用 删除 fsciq   /   2010-08-28 16:12:33
看了soso的留言,我也产生了疑问,难道xhcb2007发过类似的文章?若真有雷同那也是巧合。发上来让大家看看,也可以进一步提高大家对质谱的认识。
fsciq 引用 删除 fsciq   /   2010-08-28 16:03:47
答复xhcb2007
文中附的谱图就是我们自己做的,不知你还想要什么原始文件。
你可以点击看放大谱图,右上角有实验日期、时间:100813110419,是仪器自动生成的。你是个专家,应该能看明白吧。
你说我没有理解原文的思路,看来你是看过类似的文章,不妨发上来,也让我学习学习。
soso 引用 删除 soso   /   2010-08-28 15:57:51
看得好晕!

这篇文章不就是fsciq写的么?什么原文啊?这都什么呀?

文章不谁都可以写么?楼上的xhcb2007说的我都晕了。难不成这个xhcb2007是文章的原创?

从上几篇文章判断,fsciq不就是个Orbi的用户么?他自己做了几个实验,写了一篇文章,讲讲自己的看法而已嘛。本来大家讨论一下观点,怎么变成讨论什么原创不原创了。好奇怪。

Orbi还是不错滴。Orbi检测时,比QTOF灵敏度高,比串联四极杆的MRM灵敏度低,这不本来就是事实么?反正Orbi的好处是不用内标的高分辨嘛。

上面的讨论实在是看不懂,用王志文在《手机》里的说法,是“搞拧巴”了......
徐好狗的高级玩具 引用 删除 hoggy   /   2010-08-28 15:43:48
Chemist! 简直是鸡同鸭讲。
17级 引用 删除 xhcb2007   /   2010-08-27 18:36:15
首先我认为原文写的比博主内容好,博主并没有完全理解原文思路才指出这篇文章不是原创的。如果博主能够上传原始文件,我肯定赔礼道歉。
其次,OB并不需要特别的除噪音的手段,因为他的离子通路本身就不是线性的;而且高分辨质谱本身就排除了绝大多数的噪音。这个可以参看原文的谱图。
第三,再来说这个增益带宽的问题。现在FT的增益带宽是多少不知道楼主有没有概念,如果没有的话你可以去算,首先设定腔体总电荷,然后用总信号去除,你会发现每个离子应该能产生50左右的信号。假设你的有效信号阈值为1000,那么200个左右的离子就能达到。
还有,空间电荷效应不会影响你SIM的灵敏度,但是必然影响你的全扫的灵敏度--试想如果你做全扫的离子只占总离子的百万分之一,你的回旋腔体里面都是其他的离子,如何不会影响你的灵敏度呢?


原帖由xhcb2007于2010-08-27 09:10:06发表
bhnchnuo 引用 删除 bhnchnuo   /   2010-08-27 17:36:24
好资料,一起学习了。
徐好狗的高级玩具 引用 删除 hoggy   /   2010-08-27 16:25:33
给你补个5分吧,别愤忿。

干什么事都是分层次的,和过去老祖宗的讲法很像:
是人第一还是机器第一,抑或是人机合一?

也许push button的确是个趋势,不过那是个初中生的活,用不着研究生,这就是机器第一。

一旦有竞争,机器是没有太大用,厂家总是超级多赢,剩下用户,用么被维护费一次几万的宰,要么抱着LTQ做不过LCQ招人嘲笑。用户怎么能追求自身利益最大化?就是要好好敲打厂家,把他们搞的团团转。

不是有人问1000万可以买什么车么?有人答,可以买250台QQ,再雇250个司机,开到高速上,排个S形,再排个。。。
徐好狗的高级玩具 引用 删除 hoggy   /   2010-08-27 16:10:10
5
徐好狗的高级玩具 引用 删除 hoggy   /   2010-08-27 16:06:16
离子阱是真空耐受力最强的,所以它的工作气压是最高的。这导致离子阱的真空是最简单的,离子的进入损失最小,相对而言灵敏度就最高。坏处是气压高,容易放电,离子阱的背景噪音大。——这就是为什么DESI都是用LTQ做的,其他质谱检测很差的。

如果做1fg的RES,在某些水平很高的美国实验室的LTQ机器上还是能做出来5:1的,国内的LTQ没见过,只见过少数容易离子化的肽段能做到-15这个数量级,Orbi直接就是空白。

验收指标是“只要是台机器就应该99%的可能性能达到”的意思,甚至用了5年还能达到。我们水平还欠一点,目前只有当年的1/3了。

电子倍增器有可能检测到1个离子,而FT类的大概是200个电荷。放大器也很难做的,这里有个GBw的问题。

质谱上的机械和电子分别在机械和电子领域都是非常尖端的小众技术,要不然国产的质谱只要随便搞搞就有信号了。国内这5年投入质谱的经费差不多有1个亿,不照样被老外鄙视个稀烂。

空间电荷效应影响的动态范围,比如LTQ的容量是1M个电荷,那么ABC三个峰的强度是100万、1万,和100,那么100这个峰平均每次只有100个离子能够进入离子阱,噪音稍微大一点,e.g.20,SN就5以下了。所以还是四极杆好。
fsciq 引用 删除 fsciq   /   2010-08-27 16:01:43
与xhcb2007商榷
首先这篇文章肯定是原创。你若说不是原创,是否能将与本文类似文章告知读者?
你说我对一些问题的认识不够,这点我承认。因为作为一个分析工作者,实际上很难对仪器的设计原理有比较深层的认识。虽然使用各种MS多年,其认识仍然有限。现有的一点认识也是在不断的探讨和在工作中总结出来的。不足之处还望多多指教。

关于降低本底噪音,文中已提到的“离轴离子传输、双离子漏斗,以及分析器的90°、180°偏转”都是QqQ仪器的设计,并没有说只有OB的设计是降低噪音,只是用我们的实验举个例子。

关于离子检测,仪器公司的人都是“有一个离子就能检测到”。但是我认为还是要有一定数量的离子被检测到才能有一个有定量意义上的响应。
17级 引用 删除 xhcb2007   /   2010-08-27 09:10:06
-5
 

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