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制药工业系统中质谱仪配置的参考建议

2015.1.23

　　随着科学技术的发展近十几年来各种类型的有机质谱仪得到飞速发展。有机质谱仪正被广泛地应用于新药开发、食品分析、环境科学、农残分析、司法鉴定等各种不同领域。由于质谱仪的超高灵敏度，所以它已成为这些领域中不可或缺的分析仪器之一。近年来，我国每年花费大量的资金向国外采购各种不同用途的有机质谱仪，从几万美元的低端质谱仪到上百万美元的高端质谱仪。为了便于大家更好地采购仪器，下面将简单介绍一下在采购中必须注意到的一些事项。

　　一、关于仪器类型的选择

　　仪器类型的选择完全取决于分析工作的需要，并不是越贵越高端的仪器就一定最适合你的工作要求，这是一个最基本的原则。为此，先介绍一下有机质谱仪的类型。

　　磁式高分辨质谱仪：该仪器主要配置电子轰击电离源(EI)，以实施样品的直接进样的高分辨测试(一般要求样品纯度较高)，可获得样品的准确分子量并计算出分子式，其产生的裂解碎片信息有助于化合物的结构推导。另外该仪器也可与气相色谱联用实现高分辨的GC/MS分析，这种联用技术的典型使用领域便是用于二恶英的分析。

　　四极杆质谱仪：有单四极和三级四极杆之分。可分别与气相色谱仪(GC/MS)、(GC/MS/MS)、液相色谱仪(LC/MS)(LC/MS/MS)串联使用。此类仪器的优势是定量分析，其定量分析的准确性和精密性以及它的较宽的线性动态范围(最高可达5x106)是其他类型仪器达不到的，目前这类仪器由于其特有的MRM(Multiple-Recaction Monitoring)功能可实施对样品中可能存在的目标化合物进行快速筛查而被广泛应用于环境、食品、农残、司法等领域。GC/MS、GC/MS/MS时常用电子轰击EI源，LC/MS、LC/MS/MS时用大气压电离源(API),API源包括了电喷雾源(ESI)和大气压化学电离源(APCI)。

　　离子阱质谱仪：此类仪器最大特点就是能进行多级质谱/质谱分析(MSn)。利用其多级质谱的子离子信息，可帮助推导化合物的结构。主要用于定性分析，如药物中杂质的定性分析、代谢产物的结构分析等。它可以实现LC/MS或直接进样二种方式，并进行多级质谱/质谱分析(MSn)有助于推出未知化合物的结构。

　　飞行时间质谱仪：此类仪器有单级飞行时间质谱(TOF)、与四极杆串联的Q-TOF及TOF-TOF。电离源可采用电喷雾(ESI)或基质辅助激光电离源(MALDI)。单级的TOF可配置电子轰击源(EI)或与气相色谱联用，实现直接进样或气质联用的高分辨测试。此类仪器的特点是实现高分辨、高灵敏度分析。主要用于定性分析如代谢组学、蛋白质组学、脂组学等。市场上大多数这类仪器是与液相色谱联用或直接进样方式进行相关测试。

　　轨道离子阱质谱仪(orbitrap)：此类仪器特点是超高分辨率、高灵敏度及质量测定的高准确性，能真正实现高分辨LC/MSn。这类仪器目前有二种类型，一种是线性离子阱(LTQ)和轨道离子阱串联，另一种是四级杆和轨道离子阱串联。这类仪器主要用于蛋白质组学等分析，目前这类仪器是Thermo Fisher公司ZL，独家经营。

　　基于上述五种类型仪器的性能和特点，在此需要再次强调采购前必须明确仪器将承担的主要工作任务的性质是定量还是定性，还是兼而有之。结合市场调研及单位资金、科研等具体情况再决定采购何种类型的质谱仪，以适合你工作要求。建议初学者先从低端质谱仪着手，逐步积累经验。

　　二、质谱仪的主要参数

　　质谱仪的主要参数包括分辨率、灵敏度、扫描速度及质量范围等。目前不同类型的质谱仪其分辨率的定义不同。如磁式质谱分辨率是以10%谷定义的，而四极杆质谱是以半峰宽来定义的(FWHM -full width at half maximum)。目前市场上的质谱仪绝大部分的分辨率是以半峰宽来定义的如1u、0.7u、0,5u、0.2u等，数值越小表示其分辨率越高。

　　灵敏度指标一般用利血平(其分子式C33H40N2O9 ，分子量为608)配置一定的浓度后测试，仪器不同该指标也不同，一般是1pg绝对量的利血平，以其准分子离子[M+H]+(m/z 609)进行MS/MS测定并以其子离子m/z 195的信噪比来表示。目前市场上能提供的产品此指标可从10000:1到80000:1不等。装机验收各家厂商都有具体的验收指标。质谱仪的灵敏度和分辨率是一对矛盾，要提高仪器灵敏度就得牺牲分辨率，反之一样，所以在评价灵敏度指标时必须要知道是在什么分辨率下测定的。

　　三级四极杆质谱仪具有一个很重要的功能即多个反应离子检测(MRM)。为在一定时间内能检测更多的组分所以被选择离子之间切换速度的快慢即类似于MRM扫描速度就很重要，切换速度越快可检测的组份就越多。故此指标不可忽视。

　　仪器能够工作的质量范围也是选购仪器时需要考虑的一个重要参数，用户要根据工作需要是利用四极杆质谱GC/MS，还是LC/MS，是用于有机小分子分析，还是生物大分子分析来确定仪器应能工作的质量范围。

　　除了上述仪器技术参数外，对Q-TOF仪器质量标尺的稳定性特别重要。由于此类仪器飞行管道是用金属材料制成，环境温度的变化会造成金属材料的热胀冷缩因而影响仪器的质量标尺的稳定性。为此各制造厂商采用不同的办法来解决这个问题。用户在选择时可比较一下，仪器质量标尺是否稳定。

　　此外，仪器控制软件和数据处理及应用软件(如定量分析软件、搜索软件、谱库等)的方便性和可操作性也很重要。易上手的软件能让初学者更快地掌握仪器的操作。

　　三、仪器安装前的准备工作

　　仪器公司在仪器采购合同签约后会给每个用户提供有关仪器实验室按装要求。其中仪器的供电和接地电阻很重要，尤其是采购中高端质谱仪的用户务必须注意。供电应由专线提供并配置UPS电源，以去除瞬时尖脉冲以及瞬间的停电-供电可能对仪器中电子线路板造成损害。接地电阻一定要达到仪器按装要求，不能马虎。其次南方地区要注意实验室去湿，配备去湿机。北方地区要注意实验室防尘。

　　气相色谱-质谱联用仪(GC/MS、GC/MS/MS仪器)需要准备氦气钢瓶。液相色谱-质谱联用仪(LC/MS、LC/MS/MS仪器)需准备高纯氮气(用杜瓦瓶或氮气发生器)或氩气钢瓶(根据仪器对碰撞气的要求决定)。如采用氮气发生器供气则先期投入较大，另外建议不要与质谱仪放在同一实验室，以免噪音污染严重。氮气发生器的电源要采取稳压措施并放置于有空调的房间。如果采用杜瓦瓶供气，则建议采购160-180升的杜瓦瓶。

　　四、制药工业系统中质谱仪配置的参考建议

　　新药的硏究和开发一般要经历以下几个研发阶段，即先导化合物的发现和结构表征、药物作用靶点的发现和验证、药效学研究、药物质量控制研究(杂质的定性定量分析)、药物代谢过程硏究(代谢产物结构鉴定及药代动力学)及药物的毒性硏究等。

　　质谱仪作为一个既可以定性又可以定量分析的高灵敏度的仪器将贯穿整个药物研究的全过程，所以仪器的配置既要考虑有机小分子又要考虑到生物大分子的分析测试(靶蛋白的分析、生物药的分析测定如Antibody-Drug-Conjugates)，同时还要考虑到它们对定性与定量分析的不同需求，为此我们建议应配备一台三级四极杆质谱仪用于杂质的定性和定量分析以及药代动力学研究，另外配备一台高分辨质谱仪如Q-TOF或轨道离子阱质谱用于先导化合物的结构表征、杂质和代谢产物的结构鉴定以及生物大分子的定性定量分析，这样的配置可基本满足药物研发的要求。