高分辨率是进行化合物检测的可靠保证
前言
分析实验室始终面对着这样的挑战，就是既要保证最高水准准确度，也要在数据充分可靠的基础上不断提高检测效率。此类实验室大多采用气相色谱、液相色谱和三重四极杆质谱仪（MS）联用来实现目标化合物检测。以上分析技术可在一定的灵敏度水平和选择性要求范围内检测性质差异较大的多种化合物，但是，其局限性在于需要确定的目标化合物列表并要求对每个化合物进行针对性的质谱实验参数的优化。而使用静电场轨道阱（Orbitrap）技术分析样本，得到高分辨全扫描数据可轻松解决以下挑战：
• 针对数量迅速增长的化合物同时定性和定量分析的需求
• 针对过去采集的数据进行有目的的回顾性分析
• 针对化学元素组成及结构未知化合物进行定性鉴定分析的需求
迄今为止，静电场轨道阱技术通过与液相色谱联用的成功，充分证明了它作为一种高效分析手段存在的重要价值。 1 现在，全新发布的 Thermo Scientific TM Q Exactive TM 气相色谱四极杆-静电场轨道阱联用质谱仪（GC hybrid quadrupole-Obitrap MS system）系统真正实现了 Orbitrap 技术与气相色谱联用。这台全新的台式四极杆-轨道阱质谱仪开启了适合气相色谱分析的化合物的全新分析时代。以下分析实例将着重展示气相色谱联用高分辨质谱的强大分析优势。
质量分辨率对于目标化合物检测选择性的重要性
高分辨精确质量数（HR/AM）检测对样品进行质量数全扫描分析，对于小分子化合物分析来说，扫描范围一般设为 50-1000 Da。 Orbitrap 技术的高分辨能力可将目标化合物与具有相近质量数的其他化合物以及基质干扰物进行有效区别。在针对目标化合物的检测中，目标离子在较窄的质量窗口内进行提取分析（通常 < 5 ppm）。高分辨质谱仪可以在保证高质量分辨率的状态下，同时提供高质量准确度的数据，只有两者同时具备才能够在如此窄的质量窗口内实现目标化合物离子的精确提取。当分辨率不够高，两个化合物离子的质谱峰就有可能发生交叠，而实测质谱峰为两个化合物离子质量数的合并。而这种质量数的交叠可直接导致目标化合物的的质量数检测结果产生较大偏差。此类问题如图 1 所示，通过 QuEChERS 法提取的韭菜提取物溶解于丙酮溶液，分辨率在15K、 30K、 60K 以及 120K（m/z 200）质量分辨率条件下检测四次的结果。
以上质谱图表明农药氯苯胺灵（m/z 127.01833）与基质中的一个具有相似质荷比的背景离子发生干扰。在 60K 和 120K 分辨率条件下，氯苯胺灵与干扰离子质谱峰基本实现基线分离，从而获得偏差极小的精确质量数。而在 15K 和 30K 分辨率条件下，由于无法将氯苯胺灵和干扰离子有效分辨，使得实测质量数与理论值偏差较大。在 15K 分辨率下，质量偏差达到18.4 ppm。通常筛查实验中，设定质量误差范围为 < 5 ppm，最高可将范围提高至 10 ppm，而上述质量偏差可造成该农药筛查结果假阴性（未被检测到）。这个例子明确展示了筛查实验对于设定质量分辨率是有最低要求的。最低质量分辨率的限定值取决于待测样本的复杂程度以及目标化合物、干扰物质的浓度。
在高分辨率条件下仍可保持良好灵敏度
其他类型的气相-质谱（GC-MS）联用技术，在提高质谱分辨率的情况下均可导致离子传输效率的下降。从而对检测的灵敏度和精确度造成影响。对于复杂基质中的低含量水平目标化合物筛查、定量分析来说，在实现高质量分辨率的同时，必须保证仪器足够的灵敏度。在图 1 中，明确展示了高分辨率的必要性。那么，在质量分辨率非常重要的前提下，在 60K 和 120K高分辨率条件下保证灵敏度显得尤其必要。不同于其他类型质谱仪， Q Exactive 气相色谱联用系统可在提高质量分辨率的情况下，信号灵敏度不发生显著降低。图 2 展示了 QuEChERS法提取的胡萝卜提取样本中三种浓度为 10 ng/g 的农药（氯苯胺灵、氟虫腈和二甲戊乐灵）在 15K、 60K 和 120K 分辨率模式下分析的峰面积。上述提取物样本分析在三种分辨率模式下均采用一级全扫描模式进行数据采集。其稳定的表现使得仪器可以不牺牲灵敏度的情况下，通过提高质量分辨率获取准确度极高的精确质量数。
应用高分辨质谱鉴定未知化合物
采用全扫描模式获取精确质量数是 Orbitrap 技术的优势之一，该优势允许随时对过去的数据进行回顾分析，从而发现并鉴定未知峰。在保证精确质量数准确的条件下，可通过实测得到的精确质量数以及同位素比例推测未知化合物的元素组成。所推测的化学元素组成可能结果的数量取决于计算模块中选定的化学元素种类及质谱分析数据质量。在高分辨模式下，保证小于 1 ppm 质量偏差的分析数据可将目标未知化合物可能的化学元素组成控制在最小数量内。元素组成推测结果见图 3，通过元素组成计算模块计算一个实测为 m/z 304.10058 的离子可能的元素组成结果数量，其中各化学元素的个数范围为：碳（C） 1–50，氢（H） 1–50、氧（O） 1–20、氮（N）1–20、磷（P） 1–10、硫（S） 1–10。
质量偏差范围由 0.5 到 10 ppm 范围内变化，分别推测出的可能化学式数量见图 3。正如所料，质量偏差范围越宽，推测可能的化学式数量越多。在设定偏差范围为 10 ppm 情况下，推测出 60 种可能的元素组成。即使将质量偏差范围缩小到相对低的 3 ppm，仍列出 20 种可能的元素组成。然而在将质量偏差缩小至 Q Exactive GC 系统通常容许的小于 1 ppm 范围时，推测结果仅剩下两个偏差小于 0.5 ppm 的化学元素组成。其中，第一个推测结果为偏差为 0.3 ppm 的 C12H21N2O3PS，将该结果提交至 ChemSpider 在线数据库检索，返回结果排在第一位为农药二嗪农（diazinon）。后续结构鉴定可通过将电子轰击（EI）所获得的碎片离子与标准谱库进行匹配分析。
结论
• 具备无可比拟的常规高质量分辨能力和稳定的亚 ppm 级质量精确度的Thermo Scientific Q Exactive GC 质谱仪是实现化合物检测、筛查、定量以及未知化合物鉴定、结构解析的独一无二的强大工具。
• 将氯苯胺灵与背景干扰离子有效区别，要求质谱分辨率不低于 60,000 FWHM（m/z 200）。这个分辨率要求对
于检测其他化合物同样必要。
• Q Exactive GC 质谱系统可为复杂基质样本中目标化合物检测提供高灵敏度分析结果，更重要的是，在不同质谱分辨率（在 m/z 200，标准质量分辨率为 15–120KFWHM）模式下，仪器始终保持高灵敏度。
• 卓越的亚 ppm 级质量准确度可通过缩小质量偏差范围有效加快未知物的鉴定进程。
参考文献
1.Thermo Scientific Application Note 617: Quantitative and Qualitative Confirmation of Pesticides in Beet Extract Using a Hybrid Quadrupole-Orbitrap Mass Spectrometer. San Jose, California, USA and Bremen,Germany. [Online] http://www.thermoscientific.com/content/dam/tfs/ATG/CMD/cmd-documents/sci-res/app/ms/lc-ms/Orbitraps/AN-617-LC-MSMS-PesticidesBeets-AN64284-EN.pdf (accessed May 1, 2015).
