美分析化学封面文章:MassWorks谱图准确度

2010-10-11 08:06 来源: 分析测试百科编译
22929 收藏到BLOG

   思路生科公司(Cerno Bioscience) 的创始人王永东博士,于2006年发明MassWorks软件,并获得当年Pittcon创新产品大奖。MassWorks运用专利的校正方法,首次在单位质量分辨率质谱(如四极杆GC/MS、LC/MS)上实现了精确质量测定的功能,并可提高各种高分辨质谱(如TOF、FTMS、Orbitrap)的质量测定准确度。此后,MassWorks又引入“谱图准确度”的概念,结合质量准确度,可在以上各种质谱上排除更多候选化学式,获得更确定的元素组成、并实现精确的化合物分析。

   最近,王永东博士撰文“The Concept of Spectral Accuracy for Mass Spectrometry"(质谱的谱图准确度概念),发表于全球分析化学领域影响因子最高的刊物Analytical Chemistry, 2010, 82, 7055–7062,并成为2010年9月号Anal.Chem.的封面文章。原文下载链接

       有理由相信,谱图准确度的概念必将得到更广泛的重视,并将对今后的质谱应用产生更深远的影响。

美国《分析化学》(Anal. Chem.)封面文章:The Concept of Spectral Accuracy for Mass Spectrometry

  在引文中作者谈到:“虽然质谱显示得跟光谱不同,但对分析化学家来说,两者是相似的。我们从历史和理论蕴藏的角度进行仔细审视,发现两者具有惊人的相似性。这里,我们引入“谱图准确度”(Spectral Accuracy)的概念——一个为了更好理解已知的质量准确度(Mass Accuracy)的伴生概念,它可以让质谱拥有我们以前认为质谱不可能获得的能力。”

  在引入谱图准确度概念之前,作者首先介绍了质谱数据采集方式的历史。在质谱仪器发展的早期,由于当时的数据系统和存贮能力有限,质谱的数据量和数据采集的速度对人们来说是巨大的。因此,早期的质谱为减少原始质谱数据,均采用棒状图(centroid)。至今,现代的质谱仍然使用这种算法,即使数据通讯速度和存贮能力对大多数系统已经不再是障碍。棒状图的确将数据量减少了10~100倍,但代价却是——丢失了大量的信息,包括噪音特性、离子信号线性、质谱干扰离子、和同位素的精细特征。因为棒状图的数据离散性,相关的信息损失和非线性,以及质量的定位误差,质谱棒状数据不容易应用分子光谱中常用的那些化学计量学方法,比如:差分,导数分析,多元回归或任何定性地鉴定或定量分析。

  在质谱准确度和元素组成测定的小节里,作者回顾了质量准确度测定的意义。早期报道认为5ppm质量准确度对于获得确信的化学式是足够的。J. Organic Chemistry期刊要求投稿人用同样水平(即<5 ppm)的精确质量测定结果才能表征新合成的化合物,这成了一个准则,并已成了使用高分辨质谱研发者的工业标准,和制药及其它工业最终用户的工业标准。然而也有不同的观点。比如最近,质谱分辨率在一些新型FTMS中已达到1,000,000:1,质量准确度甚至可达100 ppb。但对于一个真实样品(C25H23N2OS+)的ESI谱,在100 ppb范围内将会有7个候选化学式,即使排除掉2个超过一个Na的(因为认为带的是单电荷,但即使这样还是存在排除掉正确分子式的风险),还有5个候选。这告诉我们,单纯的质量准确度是不够的。

  此后,作者提出用Profile模式采集原始质谱数据,并提出系统的谱图准确度计算的算法。

图示:在单位分辨率质谱上运用综合的质量校正方法和谱图准确度计算

  在应用部分,作者举例了谱图准确度的神奇应用。比如在用单四极杆质谱测试400 Da的某已知样品时,如果仅按照质量准确度(17 ppm)来预测,将获得4110个候选化学式,但当引入谱图准确度计算后,正确的分子式C25H23N2OS+在4110个候选化学式中排名是第二位 ,谱图误差仅为1.0%,理论计算和获得的质谱图几乎完美重叠。应注意的是,即使用5 ppm(2 mDa)质量准确度去筛选,仍有411个候选物。该例子不仅展示了使用单四极杆质谱做未知物测定的可能性(即使单四极杆质谱永远无法精细地区分开那些同位素的特征),同时也说明在区分大量的候选化学式时,谱图准确度比质量准确度重要得多,而不用去管质谱的分辨率。最近系统的研究表明,使用高质量准确度的Orbitrap FTMS,用中等的15,000 分辨率,基于MassWorks谱图准确度算法,>99%的不正确的候选化合物能被有效去除。

  一些较高分辨率的TOFMS仪器对时间相关的波动比较敏感,比如温度波动,因此有必要引入内标确保质量准确度。然而据报道,单四极杆质谱却有很高的质量准确度校正稳定性;而且更重要的是,使用外标时的谱图准确度仍可保持一周或更长时间。这使得在传统质谱上可以做很多有趣的应用,比如,正确地识别在EI电子轰击源中产生的分子内部的离子碎片。

  另一种应用是混合物的精确分析,包括定性和定量。在质谱实验中缺少谱图准确度,可能会引入质谱干扰,在谱图准确度计算时可考虑,以容纳增加的离子并完成离子混合物的精确分析。一种独特的功能是使用全面的质谱校正过程。先前报道的精确混合物分析的例子包括:对尼古丁(M-H)+和分子离子M+的EI碎片质谱重叠进行评价。放射性C标记的药物代谢物研究,这里天然和14C标记的母离子质谱重叠,研究由于丢失氢气分子产生的共流出的氧化产物。在石化应用中分析更多复杂混合物等。在所有这些例子中,作为谱图准确度计算的结果,能够同时获得组分的相对浓度,从而同时完成定性和定量分析。

  谱图准确度还可评价仪器、诊断仪器的状态。比如,质谱检测器饱和会影响TOF类质谱,计算后发现缺少谱图准确度可以体现和证实这一点。相似的,其它仪器或硬件相关的问题也可以通过谱图准确度计算被诊断出来。例如,标样Cyclosporin A的TOF谱,经过零离子阈值( zero ion threshold)测定,用制造商建议的饱和限,结果却是较差的谱图准确度(9.4%),这揭示了系统误差。文中图4B的谱图重叠显示:A+1同位素簇显示比预期较低的丰度,而A+2、A+3有更严重的强度降低,这和TOF检测器饱和是相反的,因此可提供给质谱用户一个重要的工具来诊断仪器,并进一步改善TOF的操作条件。这也可以为将来下一代TOF仪器的研发提供建设性的反馈。

  其它的谱图准确度应用的例子还有,有些化学品元素的同位素丰度和从地球化学、石油产品中衍生出来的丰度不同。在此情况下,对于给定的元素组成缺少谱图准确度,反映出同位素丰度的变化,可能是一个或多个元素,它提供了另一种用于同位素比测量的方法,而无需使用高度专门的质谱硬件如同位素比值质谱或加速器质谱和/或燃烧过程。

  在质谱和分子光谱间有一种有趣的相似性。对大多数红外光谱的应用来说,由于中红外谱区域的指纹可解释各种振动带,中红外区域(类似于高分辨的质谱)被认为具有独特的重要性,可以可靠地鉴定有机化合物。然而近红外(类似于单位质量分辨的质谱),有许多重叠的二级和三级频谱(overtone),具有较低的光学分辨率,被认为不适于定性分析。直到20年前更多先进的化学计量学方法发展起来,近红外光谱才有了越来越广泛的应用。就像近红外光谱发展一样,单位质量分辨率的质谱,虽然不能在谱图上精细分辨质谱的特性,但在高的谱图准确度时可以更稳定、更容易地获得较宽的线性范围,从而可以弥补较低的分辨率,帮助解决甚至是非常难的分析难题。


  结论

  虽然质谱是独特的,但当使用了Profile采集模式、更全面的质谱校正方法,获得更高的谱图准确度时,质谱和其它的分析技术显示出惊人的相似性。这种过程使质谱可以大大受益于许多已被研究者在其它领域证实的方法。不仅能在传统单四极杆质谱上获得合理的质量准确度、进行化学式测定;谱图准确度的概念还能被用于诊断质谱仪器,并可在高分辨率仪器上进一步提高化学式测定的能力。其它更多挑战性的应用包括:从石化分析到蛋白质组应用的复杂混合物的定性和定量分析,都可受益于谱图准确度。最后别忘了,在谱图准确度的层面上来认识质谱和其它谱学,发现在各种分析测试技术之间获得了惊人的一致,这种发现是非常令人振奋的!

      MassWorks软件由北京绿绵科技有限公司代理,如您有兴趣获取更多信息,可致电010-82676061/2/3/4/5/6,或发邮件info@lumtech.com.cn


关于北京绿绵科技有限公司

        北京绿绵科技有限公司以体现客户服务最高价值为宗旨,以专业精神和技能为广大实验室分析工作者提供样品前处理、样品制备及分析、实验数据精确分析和管理的全面解决方案,致力于协助客户提高分析检测的效率和水平。

        北京绿绵科技有限公司自2001年成为全球最大科学仪器和试剂公司——Thermo Fisher公司的色谱质谱产品线(原Finnigan产品线)的中国产品总代理。9年来,绿绵员工本着诚信服务,追求卓越的宗旨,发扬勤奋自强,团结协 作,不断进步的企业精神,使Finnigan产品线销售额飞速增长,成功地将700余套Finnigan高质量质谱及联用技术推广到国内各级实验室中。 Finnigan的品牌家喻户晓,绿绵科技的名字也深入人心。

        2005年,为更好地为广大分析领域的客户服务,绿绵科技引进德国Knauer公司40余年精密制造的HPLC系统硬件,开发自主知识产权的全中文色谱工作站,推出LUMTECH制备型高效液相色谱仪系统,成为可靠性和易用性完美结合的典范。

        2007年,绿绵科技推广代理美国Pittcon获奖产品MassWorks,为中国广大质谱用户提供进一步的增值服务,让质谱解析变得更轻松,让质谱发挥更大的潜力。

        2009年,推出全新德国ECO GPC凝胶净化系统,为广大色谱、质谱工作者提供更优化样品前处理解决方案。

        2010年,推出全新德国ECO SPE全自动在线固相萃取-液相联用系统,为环境、生物医药、食品和饮料行业提供快速分析解决方案。

        绿绵科技作为分析测试行业先进理念技术和服务的传播者,视客户的需要为企业发展的动力。绿绵科技希望同越来越多的分析检测实验室成为合作伙伴,共同走向成功。

本文中提到的仪器产品

延伸阅读