电喷雾四级杆飞行时间质谱
（ESI-Q-TOF-MS）
仪器型号：Bruker公司maXis
仪器负责人：赵化冰（022-60578418, huabingzhao@yahoo.com.cn） 仪器组成员：李雅潇（022-60578419）
胡 骁（022-60578419） 杨爽风（022-60578419）
应用领域：?分子式测定和分子结构鉴定：
如：化学合成产品，天然产物，代谢物，残留农药，配位化合物等
?大分子研究
如：蛋白质/多肽，多糖，多聚物等 ?复杂混合物分析
一、 基本原理
质谱分析是一种测量离子荷质比（电荷-质量比）的分析方法，其基本原理是使试样中各组分在离子源中发生电离，生成不同荷质比的带正电荷的离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器。在质量分析器中，再利用电场和磁场使发生相反的速度色散，将它们分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量。
质谱仪器一般由样品导入系统、离子源、质量分析器、检测器、数据处理系统等部分组成。其中最核心的部分是离子源和质量分析器。所以整个质谱仪器的名称常用这两部分的名称来描述。
电喷雾电离（ESI）是质谱方法中的一种“软电离”方式，它的原理是：在强电场的作用，引发正、负离子的分离，从而生成带高电荷的液滴。在加热气体（干燥气体）的作用下，液滴中的溶剂被汽化，随着液滴体积逐渐缩小，液滴的电荷密度超过表面张力极限时，引起液滴自发的分裂，即\库仑爆炸\。分裂的带电液滴随着溶剂的进一步变小，最终导致离子从带电液滴中蒸发出来，产生单
电荷或多电荷离子，进入质谱仪。由于ESI 的电离方式可以产生多电荷离子，大大拓宽了测定物质的分子量的范围。
气相离子能够被适当的电场或磁场在空间或时间上按照质荷比的大小进行分离有赖于质量分析器。与其他质量分析器相比，飞行时间质量分析器（即 TOF）具有结构简单、灵敏度高和质量范围宽等优点（因为大分子离子的速度慢，更易于测量），分辨率也可达到万分之一。对大分子的质量测量精度则可达到0.01%，比传统生物化学方法（如离心、电泳、尺寸筛析色谱等）的精度好的多。
串联质谱是用质谱作质量分离的质谱方法，它通过诱导第一级质谱产生的分子离子裂解，有利于研究子离子和母离子的关系，从而得出该分子离子的结构信息。它可以从干扰严重的质谱信息中抽提有用数据，提高质谱检测的选择性，从而测定混合物中的痕量物质。
质谱法在一次分析中可提供丰富的结构信息，在众多的分析测试方法中，质谱学方法被认为是一种同时具备高特异性和高灵敏度且得到了广泛应用的普适性方法。将分离技术与质谱法相结合是分离科学方法中的一项突破性进展，其中液相色谱-质谱联用方法，对于测定难挥发，热稳定性差的大分子物质，特别是多肽、蛋白等生物样本有着显著的优势。
蛋白质组学的研究方法有三条主要策略：一是一维凝胶电泳-毛细管液相色谱-串联质谱策略，二是蛋白全酶解-二维毛细管液相色谱-串联质谱策略，三是二维凝胶电泳-MALDI TOF/TOF技术。其中，前两条策略都是基于液相色谱-串联质谱联用技术的。结合生物信息学技术手段，可以从微量复杂的多肽或蛋白等大分子样本中，得到蛋白种类和氨基酸序列等相关的结构信息。
二、 仪器简介
UHR-TOF maXis超高分辨飞行时间质谱是Bruker公司的新一代高分辨串联质谱。该质谱仪是由离子产生、离子传输与聚焦以及离子分辨三大部分组成。在离子产生部分，该仪器的离子源是ESI源，这种软电离方式，可以最大限度的保留分子离子信息。在离子传输与聚焦系统中，该仪器采用的双重离子漏斗技术是Bruker公司的一项专利，可以大幅度提高离子的传输效率，同时可避免溶剂等杂质的污染；四级杆（Quadrupole）主要起选择离子的作用；其后的碰撞池可以将通过四级杆选择的母离子碎裂成子离子，从而获得更多的结构信息。离子分辨部分由为飞行时间质谱(TOF）组成，是该仪器的主要质量分析器，飞行管内的反射模式可以通过增加飞行距离补偿飞行时间差异，从而聚焦离子，提高分辨率。
为满足不同样本的检测需要，该质谱仪配备了三种电喷雾离子源，分别是Appolo Ⅱ电喷雾离子源（简称普通ESI源）、On-line Nano源和Off-Line-Nano源。其中ESI源可与常规液相和流动注射泵联用，可用于小分子物质的分子量测定。On-line Nano源可与纳升流速的液相色谱联用，主要用于分析痕量的多肽、蛋白等大分子物质；Off-Line-Nano源提供了一种离线分离方式，可用于极微量纯品物质的离线检测，从而避免了柱上的损耗及污染。
maXis在提供可充分利用超高压液相色谱分析的高扫描速度的同时，提供极其精确的质量数、极高的分辨率和灵敏度，这一创新性的超高分辨技术是布鲁克公司最新的研发成果。maXis 能满足下列应用领域的未来需求：小分子鉴定；代谢组学；定量蛋白质组学及生物标志物的发现；现代科学研究和应用需要可靠的串联质谱数据以满足越来越复杂的样品分析要求。迄今为止， maXis是唯一能在满足最快分析速度的色谱分析（如现代超高压液相色谱和毛细管电泳）的同时，提供最优秀的性能指标的质谱仪。
Dionex Ultimate 3000二维纳升液相色谱是戴安公司专为满足蛋白质组学分析而设计的，唯一一台可以快速调整为微量、毛细管或纳升分析柱的液相色谱。纳升电喷雾串联质谱（nanoESI-MS/MS）是指离子源喷雾速度为20-40nl/min和喷雾形成的雾滴直径在纳米水平的电喷雾质谱，已经发展成为鉴定分析微量蛋白质的重要工具。Ultimate 3000二维纳升液相色谱的SmartFlow技术可以校正由于溶剂、压力和温度的改变对流速精度和梯度精度的影响，使每个泵与其他的模块相匹配都可以确保样品的完整、进样恒定、最佳的分离效能和对痕量或高含量组分的精确检测；双梯度系统可以无需手工改变柱子和流动相，通过十通阀在不同应用之间进行切换在线样品制备富集脱盐及反冲分析
（将富集部分冲入分析柱），可达到更好的净化效果，减少分析时间和样品丢失，提高检测限，降低溶剂的消耗；多维分离，可通过使用不同且选择性互补的柱子，增加分离能力，增强质谱响应信号。
三、 特色应用
maXis是高性能的串联质谱仪，可在每秒30幅全谱谱图的采集速度下，分辨率达60000FWHM，灵敏度达到600ppb，质量误差长期可保持在小于1ppm，具有一般的质谱无可比拟的优越性。
目前可开展的检测工作：
小分子化合物的分子量测定、元素组成分析和结构信息： 由于该质谱的检测器是具有高分辨率的TOF，化合物分子量的测定精度可以达到小数点后4位，结合SmartFormula分析，可以预测化合物的分子式和元素组成，通过串联质谱，可以得到碎片离子的结构信息。特别是由于ESI是最软的电离技术，在一定的电压下不会使样品分子发生碎裂，产生碎片，因此易于得到不稳定化合物的分子离子峰，在不稳定化合物的分子量测定方面有突出优势。
大分子多肽、蛋白混合物的分析鉴定：
Q-TOF可在大分子的分析鉴定方面大有用武之地，最主要是在蛋白质组学研究中的应用。蛋白质组学的研究方法有三条主要策略：一是一维凝胶电泳-毛细管液相色谱-串联质谱策略，二是蛋白全酶解-二维毛细管液相色谱-串联质谱策略，三是二维凝胶电泳-MALDI TOF/TOF技术。蛋白质组学研究中鉴定蛋白质一般分两步，首先是用MALDI-TOF-MS的PMF方法进行高通量鉴定，对于
MALDI-TOF-MS不能鉴定的蛋白质就需要用nanoESI-MS/MS进行鉴定。对于一些重要蛋白质往往需要这两种方法共同确证。也就是说，nanoESI-MS/MS 是鉴定蛋白质的最强大的工具，一个蛋白质是已知蛋白还是新蛋白，是纯蛋白还是混合蛋白质，经其鉴定可得到十分肯定的答案。
由于纳升液相的引入以及Q-TOF本身一级质谱四极杆的离子选择作用，nanoESI-MS/MS的一个最大优点是可以对混合蛋白质进行鉴定，对样品纯度的要求不高，而它的高灵敏度保证了痕量样品
的检出，所以对样品量的要求也不高，一般ng级即可被检出。
但由于目前条件尚未完全具备，蛋白质组学分析现只能进行一维凝胶电泳-毛细管液相色谱-串联质谱的工作，蛋白全酶解-二维毛细管液相色谱-串联质谱策略的蛋白质组学策略尚无法实现。
iTRAQ蛋白定量功能：
iTRAQ技术是AB公司于2004年开发的同位素标记相对和绝对定量(isobaric tags for relative and absolute quantitation，iTRAQ)技术。它的定量原理是基于iTRAQ试剂的。iTRAQ试剂为可与氨基酸N端及赖氨酸侧链反应而使氨基酸带上同位素标签(isobaric tag)。在一级质谱图中，被iTRAQ试剂标记的不同样本中的同一蛋白质表现为相同的质荷比，而在二级质谱中，信号离子表现为不同质荷比(114～117)的报告基团峰，因此，根据波峰的高度及面积，可以间接得到蛋白质的定量信息。
此外， nanoESI-MS/MS还可以对蛋白质的翻译后修饰、不同剪切形式及氨基酸序列变异进行分析。另外还可进行小分子和蛋白质非共价复合物的研究、中药化学组学等研究。