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液质联用

液质联用

分类: 仪器仪表
属性: 技术
最后修改时间: 2017年06月22日
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液质联用(HPLC-MS)又叫液相色谱-质谱联用技术,它以液相色谱作为分离系统,质谱为检测系统。样品在质谱部分和流动相分离,被离子化后,经质谱的质量分析器将离子碎片按质量数分开,经检测器得到质谱图。液质联用体现了色谱和质谱优势的互补,将色谱对复杂样品的高分离能力,与MS具有高选择性、高灵敏度及能够提供相对分子质量与结构信息的优点结合起来,在药物分析、食品分析和环境分析等许多领域得到了广泛的应用。

  简介

  色谱的优势在于分离,为混合物的分离提供了最有效的选择,但其难以得到物质的结构信息,主要依靠与标准品对比来判断未知物,对无紫外吸收化合物的检测还要通过其它途径进行分析。质谱能够提供物质的结构信息,用样量也非常少,但其分析的样品需要进行纯化,具有一定的纯度之后才可以直接进行分析。

  因此,人们期望将色谱与质谱联接起来使用以弥补这两种仪器各自的缺点。

  HPLC-MS除了可以分析气相色谱-质谱(GC-MS)所不能分析的强极性、难挥发、热不稳定性的化合物之外,还具有以下几个方面的优点:

  ①分析范围广,MS几乎可以检测所有的化合物,比较容易地解决了分析热不稳定化合物的难题;

  ②分离能力强,即使被分析混合物在色谱上没有完全分离开,但通过MS的特征离子质量色谱图也能分别给出它们各自的色谱图来进行定性定量;

  ③定性分析结果可靠,可以同时给出每一个组分的分子量和丰富的结构信息;

  ④检测限低,MS具备高灵敏度,通过选择离子检测(SIM)方式,其检测能力还可以提高一个数量级以上;

  ⑤分析时间快,HPLC-MS使用的液相色谱柱为窄径柱,缩短了分析时间,提高了分离效果;

  ⑥自动化程度高,HPLC-MS具有高度的自动化。

  原理

  液质联用( HPLC-MS) 又叫液相色谱-质谱联用技术,它以液相色谱作为分离系统,质谱为检测系统。样品在质谱部分和流动相分离,被离子化后, 经质谱的质量分析器将离子碎片按质量数分开,经检测器得到质谱图。

  发展

  接口技术

  自20 世纪70 年代初,人们开始致力于液-质联用接口技术的研究。在开始的20 年中处于缓慢的发展阶段,研制出了许多种联用接口,但均没有应用于商业化生产[1]  。直到大气压离子化(atmospheric-pressure ionization, API)接口技术的问世,液-质联用才得到迅猛发展,广泛应用于实验室内分析和应用领域。

  液-质联用接口技术主要是沿着三个分支发展的:

  (1)流动相进入质谱直接离子化,形成了连续流动快原子轰击(continuous-flow fast atom bombarment, CFFAB)技术等;(2)流动相雾化后除去溶剂,分析物蒸发后再离子化,形成了“传送带式”接口(moving-belt interface)和离子束接口(particle-beam interface)等;(3)流动相雾化后形成的小液滴解溶剂化,气相离子化或者离子蒸发后再离子化,形成了热喷雾接口(thermo spray interface)、大气压化学离子化(atmospheric pressure chemical ionization,APCI)和电喷雾离子化(electrospray ionization, ESI)技术等。有关液相质谱的接口技术和LC-MS 技术的发展,Niessen 曾经进行了较为详细的综述。

  目前应用最广泛的离子源有电喷雾电离源和大气压化学电离源。其显著优势有:可将质荷比降低到各种不同类型的质量分析器都能检测的程度,在带电状态进行检测从而计算离子的真实分子量,可以生成高度带电且不发生碎裂的离子,同时,对于分子离子的同位素峰也可确定其分子量和带电数。大气压化学离子化(APCI)技术与ESI源的发展基本上是同步的,其离子化过程主要是借助于电晕放电启动一系列气相反应来完成,整个电离过程是在大气压条件下完成的。ESI和APCI的共同点是离子化效率高,从而显著增强分析的灵敏度和稳定性,大多与离子阱质谱仪和三重四极杆质量分析器联用。

  电喷雾离子化技术

  电喷雾(ESI)技术作为质谱的一种进样方法起源于20 世纪60 年代末Dole等人的研究,直到1984 年Fenn实验组对这一技术的研究取得了突破性进展。1985 年,将电喷雾进样与大气压离子源成功连

  接。1987 年,Bruins 等人发展了空气压辅助电喷雾接口,解决了流量限制问题,随后第一台商业化生产的带有API 源的液-质联用仪问世。ESI 的大发展主要源自于使用电喷雾离子化蛋白质的多电荷离子在四极杆仪器上分析大分子蛋白质,大大拓宽了分析化合物的分子量范围。

  ESI 源主要由五部分组成:(1)流动相导入装置;(2)真正的大气压离子化区域,通过大气压离子化产生离子;(3)离子取样孔;(4)大气压到真空的界面;(5)离子光学系统,该区域的离子随后进入质量分析器。在ESI 中,离子的形成是分析物分子在带电液滴的不断收缩过程中喷射出来的,即离子化过程是在液态下完成的。液相色谱的流动相流入离子源,在氮气流下汽化后进入强电场区域,强电场形成的库仑力使小液滴样品离子化,离子表面的液体借助于逆流加热的氮气分子进一步蒸发,使分子离子相互排斥形成微小分子离子颗粒。这些离子可能是单电荷或多电荷,取决于分子中酸性或碱性基团的体积和数量。

  电喷雾离子化技术的优点:可以生成高度带电的离子而不发生碎裂,可将质荷比降低到各种不同类型的质量分析器都能检测的程度,通过检测带电状态可计算离子的真实分子量,同时,解析分子离子的同位素峰也可确定带电数和分子量。另外,ESI 可以很方便地与其它分离技术联接,如液相色谱、毛细管电泳等,可方便地纯化样品用于质谱分析。因此在药残、药物代谢、蛋白质分析、分子生物学研究等诸多方面得到广泛的应用。其主要优点是:离子化效率高;离子化模式多,正负离子模式均可以分析;对蛋白质的分析分子量测定范围高达105 以上;对热不稳定化合物能够产生高丰度的分子离子峰;可与大流量的液相联机使用;通过调节离子源电压可以控制离子的断裂,给出结构信息。

  大气压化学离子化技术

  大气压化学离子化(APCI)技术应用于液-质联用仪是由Horning 等人于20 世纪70 年代初发明的,直到20 世纪80 年代末才真正得到突飞猛进的发展,与ESI 源的发展基本上是同步的。但是APCI 技术不同于传统的化学电离接口,它是借助于电晕放电启动一系列气相反应以完成离子化过程,因此也称为放电电离或等离子电离。从液相色谱流出的流动相进入一具有雾化气套管的毛细管,被氮气流雾化,通过加热管时被汽化。在加热管端进行电晕尖端放电,溶剂分子被电离,充当反应气,与样品气态分子碰撞,经过复杂的反应后生

  成准分子离子。然后经筛选狭缝进入质谱计。整个电离过程是在大气压条件下完成的。

  APCI 的优点:形成的是单电荷的准分子离子,不会发生ESI 过程中因形成多电荷离子而发生信号重叠、降低图谱清晰度的问题;适应高流量的梯度洗脱的流动相;采用电晕放电使流动相离子化,能大大增加离子与样品分子的碰撞频率,比化学电离的灵敏度高3 个数量级;液相色谱-大气压化学电离串联质谱成为精确、细致分析混合物结构信息的有效技术。

  分类

  伴随着液-质联用接口技术的发展,质谱仪器本身也在不断发展,出现了多种类型的质谱检测器。目前比较常用的质谱仪器有:四极杆质谱仪、四极杆离子阱质谱仪、飞行时间质谱仪和离子回旋共振质谱仪等。

  四极杆质谱

  目前,四极杆质量滤器的应用仍然最为广泛。三级四极杆质谱仪的选择反应监测(selected-reaction monitoring, SRM)模式适于进行常规的和高通量的生物分析。四极杆工艺的改进和强

  稳定性的射频(RF)大大提高了质谱的分辨率,分辨质量数的宽度达到0.1Da,提高了分析化合物的选择性。随着对三级四极杆质谱中碰撞池的改进,出现了高压线形加速碰撞池,提高了对传送离子的能力,降低了物质间的干扰,大大提高了对多组分生物化合物的分析能力。在所有的质谱分析仪中,四极杆质谱仪的定量分析结果的准确度和精密度最好。

  四极杆离子阱质谱

  在阐明化合物的结构方面,三维的四极杆离子阱得到广泛的应用。与此相关的革新主要有基质辅助激光解吸离子化源、大气压基质辅助激光解吸离子化源、红外光子光离解技术的发展,以及使

  用离子阱分析碱性加合离子与金属配位产物的研究。近些年,线形二维离子阱的生产,取得了突破性的进展。这种线形二维离子阱与三维离子阱一样可以对化合物做多级质谱分析,此外还可以积累更多的离子,提高了检测的灵敏度。在与线形加速碰撞池离子化源连接后,可大大提高灵敏度,避免小分子量碎片的干扰,得到更整洁、美观的色谱峰。

  飞行时间质谱

  随着基质辅助激光解吸离子化技术的出现和计算机的发展,飞行时间质谱仪在20 世纪90 年代得到快速发展。目前,最好的飞行时间质谱分析仪分辨率能够达到20,000 Da,测得分子的质量数准确度非常高。飞行时间质谱仪在很大程度上取代了高分辨双聚焦磁扇分析仪,但其不能有效地利用选择离子监测模式进行分析。在高分辨质谱的选择离子监测模式分析中仍然主要使用双聚焦质谱仪。为了使用分辨率高的质谱分析化合物的二级质谱图,人们尝试将飞行时间质谱与其它质谱串联使用,目前使用比较多的是具有突破性技术的新一代四极杆飞行时间质谱系统(AB SCIEX TripleTOF 5600+),确保系统能获得高准确度的质谱数据和定量检出限。

  傅立叶变换离子回旋共振质谱

  许多年以来,傅立叶变换离子回旋共振质谱(Fourier-transform ion-cyclotron resonance mass spectrometry, FT-ICR-MS)在气相离子-分子反应的基础研究中成为有效的手段。该质谱与ESI离子源联接后被广泛地应用于生物大分子的研究,能够充分发挥其高分辨率和准确度的优势。基于傅立叶变换离子回旋共振池内离子的四极激发,该质谱可以选择地累积非共价键复杂化合物的离子,使其能够分析分子量非常大的生物大分子化合物,如分析分子量高达108Da 的大肠杆菌噬菌体的T4DNA,成为该质谱仪发展的重要里程碑。该质谱仪通过射频脉冲消除其它离子的干扰选择性地捕获目标离子到离子回旋共振池内,也能够进行多级质谱分析。当前又有许多新的离子裂解方法应用到傅立叶变换离子回旋共振质谱仪,如碰撞诱导裂解、激光致光裂解或红外多光子光裂解、表面诱导裂解、黑体红外辐射裂解、电子捕获裂解等,又进一步改善了这种质谱仪分析的性能。

  除上面描述的常见的几种接口技术和质谱仪之外,还有其它的一些产品不断问世。近十年来,人们在液-质联用技术的研究方面已经将研究的重点转移到研制适合某种分析领域的强优势的技术,并加速产品的商业化。总之,液-质联用分析技术的发展取决于液-质联用接口技术和质谱分析仪技术的共同发展。通过合适的接口将液相色谱与质谱仪联接,会获得具有特殊分析性能的液-质联用仪器,另外通过接口将质谱与质谱进行串联,可以弥补各种质谱仪的不足,达到取长补短,协同提高的效果。

  应用

  随着联用技术的日趋完善,HPLC-MS逐渐成为最热门的分析手段之一。特别是在分子水平上可以进行蛋白质、多肽、核酸的分子量确认,氨基酸和碱基对的序列测定及翻译后的修饰工作等,这在HPLC-MS联用之前都是难以实现的。HPLC-MS作为已经比较成熟的技术,目前己在生化分析、天然产物分析、药物和保健食品分析以及环境污染物分析等许多领域得到了广泛的应用。

  生化分析

  生物体内的化合物具有强极性、难挥发性,并且具有显著的热不稳定性,同时,这些化合物往往以蛋白质、肽和核酸的混合物状态出现,而液相色谱对于不易挥发、强极性、对热不稳定及高分子量化合物的分离能力高;质谱可以对复杂混合物中的化合物进行准确定性,所以液质联用作为生化分析的一个有力工具,日益得到重视。

  Henry等对液质联用技术在单克隆抗体结构表征上的应用进行了研究,先采用液质联用对曲妥珠单抗完整蛋白及其亚基(轻链和重链)的相对分子质量进行测定;然后用多种酶(胰蛋白酶和 Asp N)酶解蛋白并用液质联用肽图分析法对曲妥珠单抗的氨基酸全序列进行解析和确定,同时对可能发生的翻译后修饰(PTMs)进行定性和定量分析;再通过PNGase F酶来释放抗体上的糖链并应用液相色谱荧光检测与质谱联用方法对其糖基化修饰进行结构分析及确认,建立了一套单克隆抗体结构表征的平台化方案。

  天然产物分析

  利用HPLC-MS分析混合样品,和其他方法相比具有高效快速,灵敏度高,样品只需进行简单预处理或衍生化,尤其适用于含量少、不易分离得到或在分离过程中易的组分。因此HPLC-MS技术为天然产物研究提供了一个高效、切实可行的分析途国内利用该技术在天然产物研究中已经有很多报道。如李丽等利用高效液相色质谱联用技术研究了朝鲜淫羊蕾中的黄酮类化合物。

  药物分析

  在药物分析研究领域中,大部分药物是极性较大的化合物,而在诸多分析仪器中,液相色谱分析范围广,包括不挥发性化合物、极性化合物、热不稳定化合物和大分子化合物(包括蛋白、多肽、多糖、多聚物等)。质谱特异性强,可以提高较多的结构定性信息,而且检测灵敏度很高。液质联用技术能够对准分子离子进行多级裂解,从而提供化合物的相对分子量以及丰富的碎片信息。在药物研发中的杂质研究和药物动力学研究阶段,通常杂质和药代动力学样品的血药浓度的含量很低,分析难度大且干扰多,液质联用技术由于其选择性强和灵敏度高,可以快速准确地测定药物分析中的痕量物质。

  任雪等采用液质联用对国产鲑降钙素注射液中的主要降解杂质进行结构鉴定。贾薇采用液质联用法分析生物样品中四环素类药物和金刚乙胺的代谢物,结果显示,牛奶中四环素,土霉素及美他环素浓度在0.05 μg/mL,金霉素在0.1 μg/mL时可以准确可靠地被检出。贾连群等采用液质联用技术研究脾虚大鼠血清代谢物谱群特征,对大鼠进行血清代谢组学检测,应用正交偏最小二乘判别分析研究组间代谢物谱图差异,并通过变量重要性投(OPLS-DA)选取血清中与证型相关的生物标志物。结果显示,脾气虚及脾阳虚模型大鼠血清中多种代谢物的相对含量发生了显著变化,并初步获得了一些可能与脾虚证候相关的潜在小分子生物标志物。曹文利利用液质联用技术对白芍总苷、芍药内酯苷和芍药苷在大鼠体内的代谢物进行了分析。结果发现,代谢位点主要为糖苷键、酯键、苯环,胆汁中白芍总苷的代谢物明显多于单体状态。

  食品安全分析

  各种抗生素,抗菌药, 激素及农药等对畜禽和农作物防病治病,促进生长有显著作用, 是发展畜牧业和农业的行之有效的措施,同时这些物质在动植物体中的残留会通过食物链的富集作用转移到人体,危害人类健康。能否准确的检测这些有害物质,是保证食品安全的关键。

  常用的检测技术, 如 ELISA法、 CHAR MII 法、生物传感器等由于不能提供分子结构,难以同时检测分析多种药物而且不能有效的排除假阳性,具有一定的局限性。而液质联用技术不但能够定性定量的检测禽畜肉和农作物等食品中的药物残留,提供检测物质的结构信息而且精密度高, 重现性好,能够排除假阳性检测结果。液质联用技术能够快速简便的检测肉制品中的氯霉素、 氟苯尼考、雪卡毒素等有害物质,特别是在检测农药残留方面,快捷有效。如于维森等应用液质联用技术,可一次性检测 33 中农药, 快速精确, 且达到了残留量检测中所要求的检测浓度水平。裴燕采用液质联用技术对肉鸡肌肉和肝脏中金霉素及其代谢物的残留量和排泄量进行了检测,结果表明,服用金霉素后,肉鸡的肌肉、肝脏和排泄物中均有金霉素及其代谢物均被检出。刘栋采用液质联用对多种贝类毒素进行研究,为我国贝类及其产品中贝毒的检测分析提供了具体的方法和技术规范。

  环境分析

  当今环境的污染主要有工厂排出的污水和废气电池等携带的重金属对河流和土壤造成的污染,农田中的杀虫剂和化肥残留造成的污染,环境激素的污染及多环芳烃类化合物的污染等。为了适应可持续发展的要求,做好防治环境污染的工作,实现绿色发展, 找到有效的污染物分析手段势在必行。

  液质联用技术是一种功能强大的分析技术,在多环芳烃及其硝基衍生物的分析能达到令人满意的效果是分析其的理想方法,可用来准确定量分析 AS 的各种化合物及硒化合物,还能应用于苯脲, 三嗪, 氨基甲酸酯, 氯苯氧酸和硝基酚等的分析 。液质联用技术适用于复杂基质样品的分析,样品处理简单,对样品限制性小, 且检测灵敏度高, 分离能力强 ,灵活性大,是有效分析检测环境污染物的重要手段,在环境污染分析方向有着显著优势。

  前景

  液质联用技术以其高效快速的分离能力、超高的灵敏度在很多领域得到的广泛的应用。随着科技软件的发展,检测技术在液相色谱及液质联用技术的支持下开始了很广泛的应用 ,准确度也变得高了很多,检测技术也在随之发生着不断的改进与发展。此外,随着现代化高新技术的不断发展,液质联用技术将液相色谱和质谱结合起来,既体现了液相色谱的高分离性能, 又体现了质谱强大的鉴别能力, 在分析检测方面有着不可磨灭的优势,对多数物质的检测灵敏度超过了其他方法,在化工, 医药, 食品, 生物等各个领域的应用有着重要的地位,真正的体现了现代各类物质分析中高通量和高精度的要求。

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