测试干货 | 一文读懂高分辨质谱（HRMS）测试原理及应用

病理医师

高分辨质谱（High-Resolution Mass Spectrometry, HRMS）是一种能够对质量数极为接近的离子进行区分的先进质谱分析技术，其分辨能力通常可以达到万分之一甚至更高。这种技术不仅能够提供精确的质量测量值，还能够解析复杂混合物的分子组成，因此在科研和工业领域均有着广泛的应用。
1.基本原理

高分辨质谱（High-Resolution Mass Spectrometry, HRMS）是一种通过将被测物质离子化并按照质荷比（m/z）分离的分析方法，能够以极高的分辨率和精度对样品进行定性和定量分析。它主要包括以下几个关键过程：电离、分离、检测。
（1）电离过程

电离是高分辨质谱的核心步骤之一，其目的是将样品分子转化为气相离子，便于后续的质量分析。以常用的电喷雾电离（Electrospray Ionization, ESI）为例，电喷雾质谱仪由电喷雾部分和质谱分析部分组成：

• 电喷雾过程：样品溶液通过毛细管在高电压和辅助气流的作用下形成带电液滴，这些液滴在高温下挥发，溶剂逐渐蒸发，导致液滴缩小。随着液滴表面电荷密度增加，当达到雷利极限（Coulombic Limit）时，液滴发生库伦爆炸，分裂成更小的带电液滴，最终产生气相离子。
  
• 电离效率：该过程尤其适合分析非挥发性、热不稳定的生物大分子（如蛋白质和肽）。
  

（2）分离过程

电离后的气相离子根据质荷比（m/z）在质量分析器中被分离。高分辨质谱仪采用高精度的质量分析器，如傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）或轨道阱质谱（Orbitrap）。这些仪器通过精确测量离子的振荡频率或飞行时间来分离不同质荷比的离子，分辨率通常可达百万分之一（ppm级），使得质量极为接近的离子峰得以区分。
（3）检测过程

分离后的离子通过检测器被记录。检测器测量每个离子信号的强度和出峰时间，并生成质谱图。通过质谱图，研究人员可以确定离子的质荷比、相对丰度以及其他重要信息。结合高分辨质谱的高精度数据，能够精确计算样品的分子式和推测结构。


2.样品要求

1.样品状态：提供的样品可以是液体或粉末形式。如果样品已溶解，请注明溶解后的浓度。
2.溶解性与样品量：样品需在指定的常规溶剂中具有较好的溶解性。测试所需样品量为约20 mg。
3.请提供以下详细信息：

• 样品的具体成分
  
• 所用测试溶剂
  
• 预期分析量
  
• 待测成分的分子式（注意：须提供分子式，而非分子量或结构式）
  

3.测试目的

1.分子式确认
高分辨质谱通过精准测定分子离子的质荷比（m/z），帮助研究者推导和确认目标化合物的分子式。此技术特别适用于复杂混合物中成分的分离与鉴定，为精确分子式提供有力支持。
2.结构分析
结合碎片离子的详细分析，HRMS可推测化合物的可能结构，为化学物质的结构鉴定、分子特征分析和分子改性研究提供数据依据。
3.定性与定量分析
高分辨质谱具有极高的灵敏度与分辨率，能够对样品中微量甚至痕量化合物进行精准的定性和定量分析，广泛应用于药物研发、代谢研究等领域。
4.样品纯度检测
HRMS可通过分析样品中杂质的成分及其相对丰度分布，为样品的纯度评估提供科学数据支持，特别适用于药物研发、食品安全以及高精度化学品生产中的质量控制环节。
5.化学反应监控
在合成化学与催化研究中，高分辨质谱可动态监测化学反应过程，识别中间体并表征最终产物，为化学反应机制和条件优化提供实时信息。
4.常见问题

1. 为什么需要提供预期分子量和待测成分分子式？

答：在测试前，测试人员会将待测成分的分子式输入系统，以便测试结果与预期值自动比对。如果初次测试结果匹配成功，测试即可结束；若未匹配成功，测试人员通常会再次测试以确认结果。
2. 为什么测试结果没有显示预期分子量的质荷比峰？

答：可能原因如下：
（1）离子源选择不当：离子化效率低，导致目标化合物未能成功电离。
（2）样品纯度不足：杂质过多可能掩盖目标物信号，影响检测。
3. 为什么质谱仪显示了很多质荷比峰值，但报告中只标出一部分？

答：报告中的质荷比峰值是仪器自动生成的结果，其中标注的峰值为随机选择。测试报告中通常包含原始数据，可通过软件（如Origin）绘图，手动标注感兴趣的峰值。
4. 不同离子源的区别是什么？如何选择适合的离子源？

答：

• ESI（电喷雾电离）：适用于极性分子，离子在液滴收缩过程中形成，适合液态样品。
  
• APCI（大气压化学电离）：适用于低极性化合物，离子化效率高。
  
• EI（电子轰击电离）：离子化效率极高，适合气化样品，但不适用于难挥发或热不稳定样品，可能导致样品碎裂。
  
• MALDI（基质辅助激光解析电离）：适合大分子化合物，尤其是生物大分子，可生成完整的电离产物，碎片少。
  

选择离子源时需根据样品的化学性质（如极性、挥发性和稳定性）确定。
5. 如何选择正负离子模式？

答：

• 正离子模式：适合碱性化合物，如含氮化合物（R-NH3⁺，R2-NH2⁺等）。
  
• 负离子模式：适合酸性化合物，如含羧基或磺酸基的分子（R-COO⁻，R-SO3⁻）。
  

建议在不确定样品性质或优化条件时，分别测试正负离子模式。绝大多数样品采用正谱，含羟基或羧基的样品可选择负谱。
6. 谱图中峰值特别杂乱是什么原因？

答：

• 默认测试结果未抠除背景信号，建议在数据处理中进行背景扣除。
  
• 目标物未充分电离，可能需要调整离子源和优化测试条件。
  

7. 为什么HRMS更适合检测纯物质？

答：混合物在电离过程中，各成分之间可能产生竞争效应，导致带电荷的几率降低，信号变弱，从而影响检测结果。为获得最佳分析效果，建议尽可能纯化样品。
8. 样品电离过程中正离子或负离子的来源是什么？

答：正负离子可能来源于以下方面：

• 添加到溶剂中的挥发性试剂（如甲酸铵、乙酸铵）。
  
• 仪器内部残留的背景离子。
  
• 外部环境带入的杂质。
  

9. 核磁能检测到的物质为什么质谱未能检测到？

答：质谱无法检测到目标化合物的原因可能是：

• 样品电离效率低，未成功生成离子。
  
• 样品纯度不足，导致信号被掩盖。
  值得注意的是，质谱未能检测到某一物质，并不意味着样品中完全不存在该物质。
  

10. 纯度高的样品为什么仍会出现杂峰？

答：高分辨质谱的灵敏度极高，能够检测到ppb级别的杂质信号。即使样品纯度较高，微量杂质仍可能被检测到。因此，进一步纯化样品可以减少杂峰干扰。
5.应用领域

1. 药物研发

• 代谢物与杂质鉴定：HRMS能够检测药物代谢产物，明确其代谢路径，并鉴定药物中的杂质和掺假物。
  
• 新药研发与疾病研究：HRMS支持研究与疾病相关的生物标志物，分析新药的分子式与结构。
  
• 天然产物分析：用于天然产物的结构分析和药材质量标志物的鉴定，为中药复杂成分的研究提供重要技术支持。
  

2. 生物分析

• 蛋白质组学：HRMS可用于蛋白质鉴定、翻译后修饰的检测及蛋白质间相互作用的研究。
  
• 代谢组学与脂质组学：通过分析生物体内的代谢产物和脂质，揭示其与健康和疾病的关系。
  
• 小分子与生物大分子的相互作用：HRMS能够解析分子间相互作用，为药物靶点研究提供重要依据。
  

3. 环境科学

• 有机污染物与化学物质监测：在水、土壤和空气中检测痕量有害物质，例如农药、重金属和气态污染物。
  
• 快速筛查与定量检测：适用于对复杂环境样品中的污染物进行高通量筛查和准确定量。
  

4. 食品安全

• 食品中有害物质检测：能够快速筛查和确证食品中的农兽药残留、非法添加物、重金属等。
  
• 营养成分分析：帮助分析食品中的微量营养元素和添加剂，为食品成分标注提供技术支持。
  

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