未知物鉴定:1ppm不够,谱图准确度帮大忙

2010-11-02 19:17 来源: 分析测试百科
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——访MassWorks软件发明人思路生科公司总裁王永东博士

   【导语】美国分析化学(Anal. Chem.)期刊封面,在9月号刚发表了题为“The Concept of Spectral Accuracy for Mass Spectrometry"的文章,这本有着分析化学风向标美誉的期刊,第一次在学术上公开表示了对“质谱谱图准确度”的认可。最近,我们有幸通过越洋电话,采访到此概念的发明人王永东博士和他的同事顾鸣博士,他们将为我们展开介绍谱图准确度给每位质谱工作者带来的好处……

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  什么是“质谱谱图准确度”?

  首先,顾鸣博士为我们介绍了什么是“质谱谱图准确度”(Spectral Accuracy for Mass Spectrometry)。

  我们所讨论的质谱谱图就像紫外/可见光和傅里叶红外光谱一样是连续曲线,它的纵轴是信号强度,横轴是质荷比。但质谱与其它分析技术相比的不同之处是质谱的理论图谱可以非常准确地计算出来。所以我们可以很有效地比较理论谱图与试验谱图。简而言之,谱图准确度的定义是试验谱图与理论谱图相比之下的差距。 比如说,试验测量的谱图与理论谱图(在去掉关系试验谱图强度的常数后)一模一样,这个实际测量的质谱谱图准确度就是100%。

  在此之前,很多质谱工作者都了解“质量准确度”(Mass Accuracy),目前TOF、Orbitrap、FT MS等仪器都在强化人们的“质量准确度”意识,比较公认的说法是:当质量测定得足够准时,可以直接获得化合物的化学式,或者把候选物质的数目尽量减少,帮助人们快速对化合物进行定性。

  当笔者问道“谱图准确度”和“质量准确度”的区别时,顾博士用一个比喻形象作答:“质量准确度是一维单点的测量;而谱图准确度是二维多点的测量。打个比方说,质量准确度是看见了树木没看见森林。”

  说到这里,顾博士举了一个例子。应用CHONF五种元素在质量准确度1 ppm的条件下搜索一个测出质荷比等于823.4130的未知物,会得到共计58个不同的分子式(事先我们知道其分子式是C43H59N4O12)。仅仅根据质量准确度来鉴定这个未知物几近大海捞针、是完全不可能的。但有了谱图准确度的帮助,未知化合物谱图可以与58个在1 ppm质量准确度范围内分子式的谱图进行一一比较,正确的未知物分子式(C43H59N4O12)获得高达99%谱图准确度名列第一,所以可以轻而易举地被确定。恰恰相反的是,如根据质量准确度来鉴定, 正确的分子式仅排列第五;而排列第一到第四的分子式都是错误的。比如其中C35H51N12O2F8的质量准确度高达0.02 ppm,排在仅凭质量准确度搜索的第一位,却因谱图准确度只有95%而排在依据谱图准确度搜索结果的第13位。此例充分说明,没有谱图准确度,仅依赖质量准确度去鉴定未知化合物不仅难度大、而且会导致错误的结果,因为它“只看见了单点质量准确度这一棵树”,而“没有看到谱图的整片森林”。

谱图准确度和质量准确度的区别:
图中红色是按照谱图准确度搜索谱图匹配最好的、正确的分子式结果;
而蓝色是错误的分子式,即使它的质量准确度非常高,但谱图准确度却不高

   “质谱谱图准确度”为什么很重要?

  王永东博士任总裁的思路生科(Cerno Bioscience)公司研发的MassWorks软件中,集中应用了谱图准确度的专利技术。对于记者提出的“谱图准确度为什么很重要?”的问题,王博士谈到了下列几点:

  (1)由于质谱谱图上所有的点 都用于谱图准确度的计算,所以它是更为完善和全面的指标。

  (2)谱图准确度不仅有很大的学术价值,而且有重要的实用价值。

  (3)应用谱图准确度可以解决许多先前难以想象的问题。

  (4)谱图准确度既适合低分辨又适合高分辨质谱仪。所有质谱厂家仪器都可以应用谱图准确度来帮助确定未知物的分子式。

  总结来说,MassWorks软件可用于任何质谱的定性工作,特别适用于未知物的定性,而不论质谱图库中是否包含这个未知物。如果有质谱图库,这套软件可用作图库查找时完全独立的验证;如果没有质谱图库可查,则非用这套软件不可,不然在低分辨的质谱仪上没法定分子式,在高分辨的有精确质量的仪器上常会定错分子式而全然不知。

  王博士还特别谈到:由于《分析化学》上的这篇专门介绍谱图准确度的文章发表,标志着学术界对谱图准确度概念的正式接受;过往的学术争论也因此结束。这对于希望以谱图准确度发表文章的用户来说,是个很好的消息。


  “质谱谱图准确度”的用途和好处

  谈到质谱谱图准确度的应用,王永东博士更是如数家珍地举了若干个代表性的应用:

  (1)用低分辨四极杆质谱确定未知化合物元素组成:

  用质谱确定分子式由来已久都是由傅里叶变换(FT MS)和时间飞行(TOF)这些高分辨仪器垄断;但这样的仪器购买维持的费用很高,操作也不简单。用低分辨四极杆质谱确定未知化合物元素组成曾经被认为是不可思议的;有了谱图准确度后,这样的分析正如一位用户所说的便成了“举手之劳。”

  (2)复杂质谱的分析:

  无论是高分辨或低分辨质谱,不同离子的质谱峰会相互重叠。利用谱图准确度可以将这样重叠的质谱峰以数学的方法分开。这对石油化工中碳氢化合物或生化领域复杂质谱的分析具有十分重要的意义。

  值得一提的是,对质谱图相互重叠的离子,MassWorks已提供可在定性时同时进行定量的功能。

  (3)质谱仪问题的诊断:

  谱图准确度完整地描述了质谱曲线上所有点的测量准确性,因此,如果质谱仪出了问题,谱图准确度可提供仪器诊断信息,帮助用户有所警觉。比如,检测器也许有线性范围的问题,或者质谱图上有干扰峰的出现。对于质谱仪的研发人员来说,谱图准确度还会给仪器工程师准确的反馈,从而设计和制造出具有最好质量准确度和谱图准确度的下一代仪器。


  具体到谱图准确度为中国用户提供的好处,王博士还特别强调了几点内容:

  中国有很多现有或即将购买四极杆质谱(如四极杆气质联用仪、串联四极杆气质联用仪、四极杆液质联用仪、串联四极杆液质联用仪)的用户。在这种仪器上应用谱图准确度来确定分子式是经济实惠切实可行的途径。因为它投入少,维护容易,对操作人员要求不高。

  MassWorks是个极其环保的绿色产品;对于很多需要更多了解质谱原理的科技人员来说,MassWorks还是质谱教学/教育的好工具。

  中国在食品安全、环境安全、生物医药研发外包(CRO)、中药/天然产物鉴定等方面有全球特色的应用,这些应用都涉及未知物的鉴定,因此MassWorks软件是不可或缺的有力工具,不论是对低分辨还是高分辨质谱用户。

  “我们在向世界各地推广的过程中发现,工业愈发达的地方,对分析的要求愈高愈仔细,用户对MassWorks的认可愈高。举例来说,我们在海外有不少酒业方面的用户;中国是个很大的酒业生产和消费国,MassWorks软件对这些酒业用户将会提供强有力的帮助,帮助它们更好地鉴别和区分各种层次、各种级别的产品。”

  王博士还特别指出,MassWorks产品兼容于全球所有的各大质谱厂商,而且操作简便、容易:“它是一套专门用来后处理质谱数据的定分子式的软件,不需要控制质谱仪;由在分析界极富经验的软件开发人员设计制作,所以对分析人员来说,它的应用和操作非常简单。”

  刚才王博士曾提到“MassWorks软件是不可或缺的有力工具,不论是对低分辨还是高分辨质谱用户。”记者忍不住问道:“目前,全球和中国的很多客户都在购买TOF类、Orbitrap类的高分辨率质谱,TOF、Orbitrap上能用这套软件么?用了会有什么好处?”

  王博士回答道:“我们现在有许多TOF 和Orbitrap 用户,他们的确需要谱图准确度来帮助他们进一步减少鉴定未知物时的假阳性。 比如说, 用这些仪器得到了 5ppm 质量准确度, 但检索分子式时往往还有一大堆(比如十个到几十个),没有谱图准确度的帮忙是无法准确地鉴定未知物的。另外,我们在软件的推广中遇到很多因为一味依靠高分辨仪器上的质量精确度而将分子式定错的例子(包括好些个FTMS的用户)。这种错误通常会给研究或企业的产品带来不可估量的损失。这些错误中的绝大部分都可通过MassWorks的谱图准确度来消除。”

本文中提到的仪器产品

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