质谱的原理和应用（一）

生命科学产业观察 · 公众号 · · 2024-07-21 09:56

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这是生命科学产业观察公众号的第 1077-4 期文章

来源：医药学术

前言

质谱分析的特性使其在分析方法中占据了杰出的地位：无与伦比的灵敏度、检测限、速度以及应用的多样性。在分析化学中，最新的应用主要针对生化问题，如 蛋白质组、代谢组、药物发现中的高通量筛选和代谢 等。其他常规的分析应用包括在污染控制、食品检测、法医科学、天然产品或过程监控中的应用。

为了帮助大家更好的理解质谱原理和应用，将给大家带来一系列的质谱的推文，希望每一个人都能学懂质谱！

质谱分析化合物的第一步是产生化合物的 气相离子 ，例如通过电子电离方式。

这种 分子离子 通常会发生 裂解。由于它是一个具有奇数电子的自由基阳离子，它可以 裂解为一个自由基和一个具有偶数电子的离子 ，或者一 个分子和一个新的自由基阳离 子。我们强调这两种离子之间的重要区别，并指出需要正确书写它们的必要性：

这两种类型的离子具有不同的化学性质。每个从分子离子衍生出来的 初级产物离子都可以依次发生裂解 ，依此类推。 所有这些离子都根据它们的质荷比在质谱仪中被分离，并按照它们的丰度比例被检测 。因此，生成了分子的质谱图 。它将这个结果以 离子丰度对质荷比的图表形式呈现 。如图1所示，质谱可以表示为条形图或表格。在任何一种展示形式中， 最强烈的峰被称为基 峰，其 相对丰度任意赋值为100%。所有其他峰的丰度按基峰的百分比给出相应的值 。许多现有的出版物将质谱的y轴标记为离子数、离子计数或相对强度。但是，“相对丰度”（relative abundance）这个术语更适合用来指代质谱中的离子数量。

图1 甲醇的电子电离质谱，分别以图表和表格形式呈现。

大多数正离子的电荷对应于仅失去一个电子的情况 。对于大分子，也可以得到多重电荷的离子 。离子根据质荷比被分离和检测。离子的总电荷用 q 表示，电子电荷用 e 表示，离子的电荷数用 z 表示。

质谱图中代表质荷比的x轴通常标记为 m/z。当 m 表示相对质量，z 表示电荷数时，这两者都是无单位的，m/z 用来表示一个无量纲的数量。

在质谱分析中，电荷通常以基本电荷的倍数表示，基本电荷即一个电子的绝对电荷量（1 e = 1.602 177 × 10^-19 C），而质量则以原子质量单位表示（1 u = 1.660 540 × 10^-27 kg）。如前所述，质谱测量的物理属性是质荷比。当质量以原子质量单位（u）表示，电荷以基本电荷单位（e）表示时， 质荷比的单位就是 u/e。为了简化，已经提出了一个新的单位，即汤姆逊（符号为 Th ）。这个单位的基本定义是：

离子提供了有关其前体分子的性质和结构的信息。在纯化合物的光谱中，如果存在， 分子离子会出现在 m/z 的最高值（其后是含有较重同位素的离子） ，并给出该化合物的分子质量。化学中的“分子离子（molecular ion）”一词指的是一个对应于完整分子的离子，考虑到占据的价态。在甲醇的光谱中，这种分子离子出现在 m/z 32，而 m/z 33 的峰是由于 13C 同位素的存在，其强度为 m/z 32 峰的1.1%。在同一光谱中，m/z 15 的峰表明有甲基的存在。32与15之间的差异，即17，是分子离子失去一个17 Da的中性质量的特征，典型的是羟基。在同一光谱中，m/z 16 的峰可能正对应于离子 CH4•+、O+ 或甚至是 CH3OH2+，因为它们在低分辨率下的 m/z 值都等于16。然而，O+的出现不太可能，对于这样一个小分子，一个双电荷离子不够稳定，无法观察到。

原子质量单位 u（unified atomic mass unit）或 Da（道尔顿）具有相同的基本定义：一单位的原子质量单位等于碳-12原子质量的1/12。这是原子和分子质量的通用标准，并用于在化学和物理学中精确表示原子或分子的质量。

然而，它们传统上用于不同的上下文：在处理平均同位素质量时，通常用于化学计量计算中，更倾向于使用 Da（道尔顿）；在质谱分析中，则使用并表达每个元素的主同位素的质量，通常以 u（原子质量单位）表示。这样的区分有助于在不同的科学领域中保持测量和计算的清晰和一致性。

定义并计算原子、分子或离子的质量有不同的方式。在进行化学计量计算时，化学家使用原子量来计算平均质量，原子量是分子中每个元素不同同位素的原子质量的加权平均值。在质谱分析中，通常使用名义质量或单同位素质量。 名义质量是使用每个元素的主要同位素的质量计算的，该质量四舍五入到最接近的整数值，对应于质量数，也称为核子数。 但是，同位素的确切质量并非精确的整数。它们与其组成粒子（即质子、中子和电子）的总和质量值略有不同。这些差异，称为质量缺陷，等同于维持这些粒子结合的结合能。因此，每个同位素都有独特和特征性的质量缺陷。 单同位素质量考虑了这些质量缺陷，通过使用每个组成元素最丰富同位素的确切质量来计算。

对于分子质量非常高的分子，不同质量之间的差异可能会变得明显。我们考虑两个例子。

第一个例子是人类胰岛素，一种具有分子式 C257H383N65O77S6 的蛋白质。使用最丰富同位素的整数质量计算， 胰岛素的名义质量是 5801 u

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