质谱沙龙第二十三期活动报道
2009年10月31日下午，质谱沙龙第二十三期活动在北京大学分析测试中心举行。本次活动的报告题目非常吸引人，又在条件极佳的北京大学分析测试中心会议室举行，所以吸引了30余位老师来参加。除了来自中国食品发酵研究院、二炮总医院、北京大学分析测试中心、AB公司、中科院、中国医学科学院、北京安贞医院、中国计量院化学所的老朋友外，还有来自中科院植物所、北京科技大学、中国CDC、西苑医院、首都师范大学等新朋友。
第二十三期质谱沙龙活动现场
第二炮兵总医院药剂科 李鹏飞 老师主持会议
北京大学分析测试中心简介以及Bruker傅里叶变换高分辨率质谱的应用实例
北京大学分析测试中心 周江 博士
首先，北京大学分析测试中心的周江博士向大家介绍了北京大学分析测试中心的基本情况以及Bruker傅里叶变换高分辨率质谱的应用实例。
北京大学分析测试中心简介
北京大学分析测试中心成立于1983 年，前不久搬入了北大化学学院的新楼，占地面积约1,600平方米。中心拥有光谱、质谱、色谱、XRD/能谱、显微镜、核磁、元素分析、热分析等检测实验室及总价值约3,000万元的先进大中型分析测试仪器32台/套，在化学成分与结构分析方面仪器配套齐全。中心在1993年首次通过计量认证，目前有12台仪器参与计量认证工作，可向社会相关单位提供公证数据。中心技术力量雄厚，主要测试和服务项目包括无机物和有机物成份与结构分析、表面分析、热分析和物性测定分析等分析测试服务。2008年，中心为校内测试的样品比例为92.7%，所有仪器均参加了北京大学校内分析测试基金开放服务，完成基金、校内外测试收入都已经满足了仪器日常维护运转的要求。另外，2008年中心技术人员合作研究发表科技论文58篇。中心在对外服务方面，参加了北京地区协作共用网、并加入了首都科技条件平台开放实验室，为各兄弟院校、科研院所、冶金、医药卫生、材料和食品等部门和行业提供大量可靠的分析测试数据，并获得了好评。中心在前不久刚刚改版了网站，服务目标是实现网络化管理，日前，通过登录北京大学分析测试中心网站，用户可以网上送样预约和查询测试结果。
FTMS的基本原理和使用技巧
周博士本人目前在中心负责傅里叶变换高分辨率质谱(FTMS)，他介绍了FTMS的构造和基本原理、Bruker Data Analysis 软件的实用功能，总结了使用FTMS的一些技巧，并用5个应用实例举例了FTMS的强大功能。
Bruker 7.0T APEX Ⅳ型傅里叶变换高分辨率质谱仪
FTMS仪器的基本原理为：离子经过离子传输系统进入离子回旋池，由于受磁场的作用，离子在回旋池中做旋转运动。旋转频率与离子的质荷比成反比，检测由于离子旋转而产生的镜像电流信号，再进行傅立叶变换，就可获得离子的质谱。由于FTMS的高灵敏度、高精度、高分辨率，再加上Bruker Data Analysis软件中的Smart Formula功能，在测定化合物时可以准确生成分子式，提供可靠的鉴定结果，质量分析精度可达1.7ppm。
接下来，周博士介绍了自己总结的FTMS的一些使用技巧。比如在溶液条件方面，要选择合适的溶剂，样品要获得很好的溶解度，在很多情况下，都可以适当甲酸帮助离子化。而在仪器条件方面，要对离子源的各项参数(比如离子源温度)进行优化，并选择合适的校准溶液，使其可涵盖对应的质量范围。
FTMS应用实例1)：未知物及产物的鉴定
对于未知物/产物的鉴定，周博士举了四个实例：a) 利用SmartFormula功能分析质量数小于400且组成元素仅为C、H、N的化合物，分析结果为C21H25N8；b) 对于EI 204且未知物化学式为CxH11-12F0-1NxO2-3，SmartFormula的分析结果为C11H13N2O2 或C8H14FN2O3；c) 对于产物C9D6Cl4O3的分析结果为C9H Cl4D5NaO3或C9 Cl4D6NaO3；d) ESI测定非极性小分子。
FTMS应用实例2)：非共价相互作用
周博士举了ESI检测非共价相互作用的实例，并对质量轴范围不同的检测结果做了比较，选择窄的质量范围可得到高分辨率的谱图，但是质量范围过窄，校准物质不好找到，因此，应在有合适校准物的前提下选择窄的质量范围。
FTMS应用实例3)：金属配合物的确认
对于一个金属配合物，可以通过ESI检测到该金属配合物是否有配位、是几配位以及具体配位情况。
FTMS应用实例4)：药物代谢产物的结构鉴定
周博士讲到，药物代谢产物的结构鉴定主要包括三个实验，一是标样，接着是control，再与苷立体一起incubation后做单针，比较和苷立体一起代谢看产生了什么新物质。
最后，周博士为大家展示了北京大学分析测试中心工作人员的风貌和部分实验室的先进设备。
本网站收录前沿Lab：北京大学分析测试中心
报告下载：北京大学分析测试中心简介以及Bruker傅里叶变换高分辨率质谱的应用实例
LC-MS使用心得及离子化方法最新研究进展
中国医学科学院中国协和医科大学药物研究所 贺玖明 老师
来自中国医学科学院中国协和医科大学药物研究所的贺玖明老师为大家带来了报告《LC-MS使用心得及离子化方法最新研究进展》。贺玖明老师使用MS已有近十年，经验非常丰富，他无私地把多年的心得和经验总结奉献给大家，对在座的所有质谱使用者都有极大的帮助。
LC-MS的使用经验
贺老师首先讲到：灵敏度是质谱仪的生命，因为高灵敏度是质谱仪的最大优势，所以使用过程中要保护质谱仪不受污染，需要做到以下几点：a) 在能获得很好信噪比的情况下尽可能减少进样量；b) 进样遵循先稀后浓的原则；c) 避免使用不挥发性的盐；d) 严禁对ORIFICE直接喷雾(针对AB公司离子源，对其它仪器也有借鉴意义)，喷雾后液体在气帘档板上的溅开线外延应离Curtain Plate孔边3～5mm，流量越大，喷雾针应离Orifice越远。
在LC-MS的使用过程中出现的故障及排除方法，贺老师总结了以下几点并详细介绍了自己的经验：
1) 看仪器提示(以AB仪器为例)：屏幕右下角质谱仪状态变红
2) 电脑与质谱仪不能通讯
3) 无信号
4) TIC基线不稳定或灵敏度低
在判断是否需要提高检测器电压方面，贺老师总结了自己的绝招：比如对于AB的质谱，将检测器电压调高100 v左右，如果灵敏度能提高10倍，证明提高检测器电压有意义;而如果灵敏度提高很少(比如2倍)，灵敏度的问题就不是由于检测器电压过低引起的，调整电压的意义就不大。
5) 背景过高或梯度洗脱不进样也出峰
贺老师还专门总结出一张片子强调，要非常注意维护计算机工作站，因为如果注意的话，仪器会变得运行越来越慢，影响分析。比如：要少装与仪器无关的软件，及时备份数据，定期清理临时文件和进行磁盘碎片整理等。
此外，贺老师还分享了自己使用LC-MS过程中的两条宝贵经验：1)TOF数据校正失败后不能打开的挽救方法;2)给出几种常见加合离子，帮助大家判断分子离子峰。
MSE方法探讨——适合于无特定对象的复杂混合物的全分析
对目前非常活跃的一个研究领域——药物的复杂代谢物分析，贺老师还向大家介绍了由Waters提出的MSE方法——无需选择母离子进行MS/MS分析的方法，并在非Waters的仪器(AB 公司的QTRAP和 QTOF)上，实现了该方法。这种方法的提出，是由于有时仪器自己判断的data dependent MS/MS(自动MS/MS，比如AB的IDA模式)功能，并不能保证对真正的、感兴趣的母离子进行MS/MS，所以可能会丢失数据。所以，可以在实验中设置低/高碰撞能切换的数据采集模式，低碰撞能时仅获得母离子，高碰撞能时获得该母离子的碎片离子;整个实验后，再通过数据的比对分析来获得更多潜在的、全息信息。这种方法适合于无特定对象的复杂混合物的全分析，如对天然产物的母离子和子离子的分析。贺老师采用新建立RRLC-MSE方法的进行分析，共获得并发现了58个化合物的质谱数据，推断其结构主要为槲皮素和山柰酚母核的单糖苷和双糖苷类成分。
MSE方法原理示意图
贺老师也在复杂混合物分析方面，对MSE与IDA方法进行了比较，并建议：RRLC-MSE方法对复杂混合物的分析将发挥重要作用，对于完全未知的复杂混合物分析，可以采用RRLC-MSE方法对其进行快速分析，获得全面整体的信息，再针对部分疑惑的数据进行RRLC-IDA-MS分析。
敞开式质谱离子化技术进展
敞开式质谱(Ambient Mass Spectrometry)离子化方式以2004年后出现的DESI为代表，目前是学术届研究的一个热点，贺老师所在课题组也做了大量的工作。他首先对离子化技术的发展作了简单回顾。质谱技术是提供物质结构信息的最重要科学仪器之一，离子化技术是质谱仪的关键及核心技术，ESI、MALDI的成功研发，极大地推动了生命科学等重要研究领域的发展。离子源经历从高灵敏度的EI到高灵敏度且可以分析生物大分子的ESI，再到环境开放、敞开结构、无需样品前处理并可进行表面实时分析的DESI的发展历程。“敞开式”质谱可应用于生物学/医学、制药/食品工业、国家安全/法医学领域的结构解析和标志物的鉴定。
贺老师特别介绍了实时直接分析离子化方法(DART)，并介绍了其它敞开式离子化研究的几个里程碑。其中包括2007年，由清华大学张新荣教授提出的介质阻挡放电解吸离子化(DBDI)方法。
在常压离子化技术的分类方面，目前可分为电喷雾离子化(ESI)为主要机理的常压离子化技术和大气压化学电离(APCI)为主要机理的常压离子化技术。
贺老师所在课题组目前在研究空气动力传输离子化界面，该方法主要用于气体泄露的快速检测，不仅是原位分析，而且可使质谱仪器比较远离待测物表面，在快速安检和对易挥发性物质的检测方面有广阔的应用前景。
矩形离子阱核心技术
中国计量科学研究院 黄泽建 老师
来自中国计量科学研究院的黄泽建老师，为大家带来了《矩形离子阱核心技术》的报告，对于在座的大部分质谱使用者来说，听听质谱仪器研发人员的报告，对仪器尤其是离子阱质谱的工作原理、构造方面的知识有一个了解，是非常新鲜和有趣味的。
黄老师的报告分为几个部分：质谱峰是怎么扫出来的;选择离子是怎么实现的;MS/MS是怎么做的;线性离子阱有什么优点;以及离子阱与四极杆的区别。
在具体谈离子阱之前，黄老师先对比了常见的三种小型台式质谱仪：四极杆、离子阱和飞行时间质谱仪。飞行时间质谱的质量范围最宽、质量精度和分辨率都很好，不过要想做串联质谱，不管是四极杆还是飞行时间，都必须串联第二个分析器。在质量范围方面，离子阱相比四极杆会有更好表现，目前已有报道用数码离子阱可以测到140多万质量数。另外，离子阱的质量分辨率也可以做得很高，比如黄老师所在的课题组就可以做到8000的质量分辨;而最突出的是它的串联能力，仅靠自身就能实现多级质谱，同时离子阱本身的体积也很小。从技术含量方面来说，四极杆相对成熟，TOF也相对简单，而离子阱的技术含量最高，也是目前非常活跃的研究领域。
在仪器结构方面，通常的质谱都有几部分构成：离子源、质量分析器、检测器、配合外围的电路以及软件工作站。黄老师特别强调了样品采集装置/分离装置的重要性，因为质谱只是一个检测器，如果特别复杂的样品不经过分离直接进入质谱，单靠质谱来识别是非常困难的、需要在软件上做大量的工作，所以通常质谱前端要接分离装置。黄老师谈到他们在开发仪器时目前遇到的困难，也多来源于样品采集和前处理这一部分。
离子阱的基本原理：
离子阱的发展历史：最早是三维离子阱，它模拟了理想的四极场，但其内表面是双曲面的，加工非常困难。慢慢有人做了简化，比如柱形离子阱(有商用的仪器)，这还是三维离子阱。后来发展的线性离子阱是在四极杆轴向上加一个直流，比如商用的LTQ。但LTQ这样的线性阱里面的结构也是双曲面的，加工也非常困难，要求精度很高。线性离子阱经过简化后，可以变成矩形离子阱，加工比较简单，加工成本也不高，我国国内也可以加工。
当然，所有离子阱的核心都是从双曲面的离子阱来的，所以先介绍一下传统的双曲面三维离子阱。它由一个环形电极和上下两个端盖电极组成，加上前端的离子源入射和检测器。它的内表面是双曲面的，加工很困难。
离子阱能够储存(捕获)离子，根据马修方程，当离子在r径向和z轴向两个方向都稳定时，离子就能够被离子阱稳定地捕获。根据离子稳定图，当离子在两个方向都稳定时就被捕获了，通常利用的是第一稳定区(如图)。当离子处于稳定位置时，根据马修方程中a和q的关系式，a和q同离子的质荷比m/z、所加射频场的频率、场半径、射频电压、直流电压有关。商用仪器通常不加直流(即a=0)，离子在一条线上运行，如图所示，质量数越小，越靠近右侧。当扫描射频电压时，每个离子的q逐渐由小变大，直到离子脱离稳定区，跑出离子阱，即可被检测。
离子阱是怎样被选择的、如何作SIM和MS/MS：
当然稳定区是假想的状态，是通过理论模拟的反映离子运动的一种方式，离子在阱里处于各种各样的状态。当射频电压固定在某一个值时，每个不同m/z的离子在其中有一个振动频率ω，ω=1/2 βΩ，其中Ω是射频的频率，而一台离子阱仪器的振动频率是固定的，所以离子的振动频率仅与β(beta)有关。β和q有个关系式，所以只要知道q的值，就可以知道离子的振动频率。在稳定图上可看到q从0到0.908(0.908是其稳定区的边界)，每一个q值对应的点，都有一个对应的离子振动频率;也就是说，离子的振动频率和离子的 m/z没有关系，而只和q有关系。第10张幻灯片讲的是β的q的关系式，有3种估值方法：当q<0.4时，用Dehmelt法估值;当q从0.4到0.7/0.8左右时，用Carrico法估值;还有一种连续估值的办法。估值的算法比较复杂，第13张幻灯片用列表的方式来计算对应q的β值，所以通过q值就可以知道离子的共振频率了。
简而言之，当q是一定时扫描射频电压，通常是固定一个电压值，而射频频率是固定的，比如对m/z 150的离子，场半径是固定的、射频频率是固定的，当射频电压在某一个值时可计算一个q值，比如150在q=0.5这个位置，对应的射频频率w假设是200KHz，这时用200 KHz加上去，150在q=0.5这个位置就会共振，当共振幅度足够大的时候，离子就会振出去了。
振动跟振动幅度和时间都有关系，其实大家在商用仪器上都可以调，振动幅度大时时间可以短些，振动幅度小时时间要长些，都可以把离子振出去。注：以前的文献上谈离子的引出检测时，常介绍离子在达到0.908边界值时自然从阱内的边缘场引出检测;而现在的商用仪器，已经都采用共振逐出离子来检测，因为这样的分辨率可以更高。
那么怎么做选择离子呢?因为在电压固定时，不同的m/z的振动频率是不一样的，所以理论上给每一个离子不同的振动频率，可以选择性地让某一个离子跑出去，让其它的离子留下，这就实现了选择离子SIM检测。
当在阱中仅保存某个离子时，可把所有其它离子的振动频率加上，只缺一个该离子的频率，这样，其它的离子都被振出去了，只剩下一个离子被保存下来。比如第15张ppt里，就是一个swift的信号，凹槽是这个离子的振动频率，射频包括了所有其它离子的共振频率，仅仅不加该离子的共振频率，这样别的离子就都共振逐出阱了，仅留下和贮存了被选择的离子。
选择完后，这个离子还是有一个振动频率，这时加一个小一点的振动频率，就把它打碎了。这时就可以引出MS/MS二级离子检测。
整个离子工作的扫描时序图如图所示：
首先，射频给一个恒定的值，这时m/z不同的离子，q值就恒定了。这时候开始离子化，即给一个时间(比如几百ms)，让离子跑到阱里，通过门透镜(gate lense)来控制。当阱内离子达到一定浓度后，就关掉门透镜，离子即被囚禁，外面的离子进不来。这时用缓冲气(通常是)氦气对离子进行冷却(cooling)，让其能量降低。冷却后，加一个swift信号，凹槽就是欲选择的母离子的振动频率。选择后把这个母离子再次cooling一段时间，再加上一个频率，母离子即被打碎，对碎片离子进行射频扫描，离子就从小到大地出来被检测。
值得一提的是，离子阱通常说的扫描速度只是后面这一段，而不是整个周期(duty cycle)的。计量院的研发团队目前扫描速度也可以做到>10,000amu/sec。
介绍矩形离子阱，及线性离子阱的优点
矩形离子阱和双曲离子阱内部的场是接近的，只不过有一个修正值A2。双曲离子阱是一个完美的四极场，A2=1;而矩形离子阱做了结构简化，并不是一个完美的四极场，而叠加了多极场(如四极场、六极场、八极场等)，这时A2就不为1，可能为0.6、0.8等，但这不影响它的分析。因为离子通常在轴心位置，叠加的场都在外围，而轴心(某个场半径以内)都近似是一个完美的四极场。
相对于三维离子阱，线性离子阱的好处是：离子捕获(trap)效率更高、质量歧视效应很小。三维离子阱做到600多，是分段做的，如直接从m/z 50~600扫描，质量歧视会很严重。
如图所示，三维离子阱很难找到一个电压来让每个质量的离子都被很好捕获，忽高忽低，所以三维离子阱的谱图和NIST谱库偏离较大。而线性离子阱的质量歧视很小的，图示中基本上所有>150amu的离子都能被很好地捕获。虽然对于<150amu的离子也存在质量歧视，但可以通过一些方法来修正，比如用分段的trap技术来修正质量歧视效应。
所以线性离子阱相对三维离子阱是非常有优势的。从trap容量上来说，线性离子阱比三维离子阱要高很多，前者可以在整个一条轴上稳定离子，而三维离子阱仅能在中心一点上。黄老师也用动画模拟了离子从进入阱到MS/MS碎片检测的过程。
另外，离子阱体积小，容易做串联，所以方便实现仪器的小型化。黄老师也谈到了其所在课题组将要推出的重量仅10 kg左右的小型离子阱仪器。
离子阱与四极杆的区别
两者都是利用了四极场，用四极杆时，当离子过去的时候，只有一个符合稳定图的质量数能够通过检测，其它都打在四极杆上不能通过。而离子阱是让所有离子从小到大都存贮在离子阱中，然后加共振频率让离子按照m/z依次从离子阱中引出检测，因此离子阱对离子可以更多地有效利用。
黄老师的精彩报告后，大家饶有兴趣地提了很多问题，最后大家参观了北京大学的分析测试中心。
本网站收率前沿Lab：中国计量科学研究院化学计量与分析科学研究所
报告下载：矩形离子阱核心技术
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