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质谱分析术语最全解读……


质谱分析是一种测量离子荷质比(电荷-质量比)的分析方法,其基本原理是使样品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,从而确定其质量。

质谱分析具有灵敏度高、样品用量少、分析速度块、分离和鉴定同时进行等优点,因此,其广泛地应用于化学化工、环境、能源、医药、运动医学、生命科学等各个领域。

今天我们对质谱在应用过程中涉及到的一些概念进行简单的介绍,以期能够帮助大家对质谱有一个基本的了解。

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质荷比
(Mass to charge ratio,m/z)

质荷比,是描述一个离子或者峰的质量与电荷比值的符号。(m为标准的质子质量,单位为u (amu为不规范表达)或Da;z为粒子所带电荷数,数值为离子所带电量与单位电荷量之间的比值)。在国际单位制下,其单位为kg/C,实际中常用单位为Th(即Thomson)。m/q或m/e都是不规范的表达方式。

2
质谱图
(Mass Spectrum)

质谱图是由检测到的离子强度作为m / z函数绘制而成的图。在质谱图中,横坐标表示离子的质荷比(m/z)值,从左到右质荷比的值增大。对于带有单电荷的离子,横坐标表示的数值即为离子的质量;纵坐标表示离子流的强度,通常用相对强度来表示,即把最强的离子流强度定为100%,其它离子流的强度以其百分数表示,有时也以所有被记录离子的总离子流强度作为100%,各种离子以其所占的百分数来表示。


图1. 质谱图(使用相对强度表示)

3
质量精度
(Mass accuracy)

质量精度是指某种离子的测量质荷比与实际(理论)质荷比的偏离程度。常用ppm来表示。通常用已知的单一同位素峰来衡量。假设某已知离子的真实质荷比为M,实际测量质荷比为M’,则该仪器的质量精度可表示为:

(单位为ppm)

质量精度不是IUPAC认可的质谱专业术语,但是它是评价质谱定性能力的一个重要参数。

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分辨率
(Resolution)

分辨率,用于定义质谱仪分辨两个不同离子质荷比的能力,通常用R来表示。质谱的分辨能力被定义为R=M/ΔM,为一个无量纲的数字。其中M是单电荷离子的质荷比,ΔM是和M紧挨着的有最高质荷比值离子值的差值。

(a)10%峰谷定义(Ten Percent Valley Definition)。 峰间距∆m定义为当它们之间的谷底为其高度的10%时两个相等高度的峰的中心之间的距离。 如果峰是对称的,那么理论上峰间距也可以指对应于峰高5%处的峰宽。此时的“分辨率”定义(10%峰谷定义)是m / ∆m。 这是真实峰分离的定义,但由于难以在质谱中找到适当分离的两个相等高度的峰,因此该种定义方法的计算通常会存在一些问题。 

(b)峰宽定义(Peak Width Definition)。 对于由质谱中质量为m的单电荷离子组成的单峰,“分辨率”可表示为m / ∆m,其中∆m是指最大峰高的一定比例的距离,一般使用50%,5%或0.5%三个值中的一个。该图中峰宽度∆m由峰值高度的50%确定(即半全峰宽,FWHM),这个数值很容易获得,因为只需要一个明显分离的峰,但它不能直接阐明峰分离的能力。 对于高斯峰形的峰,FWHM定义产生的质量分辨率大约是10%谷值定义的两倍。


图2.(a)分辨率的10%峰谷定义;(b)分辨率的峰宽定义

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信噪比
(Signal to noise ratio, S/N或SNR)

信噪比是指质谱谱峰(信号响应强度)S与噪音水平N的比值。如果某离子的信号响应强度值为X,噪音水平为Y,则信噪比为:S/N=X/Y。


图3. 信噪比示意图

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总离子流色谱图及提取离子色谱图
(TIC & EIC)

(a)总离子流色谱图(Total Ion Current Chromatogram)

经色谱分离流出的组分不断进入质谱,质谱连续扫描进行数据采集,每一次扫描得到一张质谱图,将每一张质谱图中所有离子强度相加,得到一个总的离子流强度。然后以离子强度为纵坐标,时间为横坐标绘制的图为总离子色谱图。

(b)提取离子色谱图(Extracted Ion Chromatogram,EIC)

在一系列质谱数据中选择特定的一个或几个m/z,绘制其信号强度随保留时间变化的色谱图。


图4.(a)总离子流色谱图;(b)提取离子色谱图

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峰强度
(Peak Intensity)

峰强度指的是质谱中峰的高度(height)或面积(area),它们都是用于判断质谱信号的强弱程度的。

峰高指待测组分从柱后洗脱出最大浓度时检测器输出的信号值,单位一般为mAU、AU或mV,也可代表相对含量,但不如峰面积准确。

峰面积指峰高与保留时间的积分值,单位一般相应为mAU*min、AU*min或mV*min,代表相对含量比较准确。

另外,强度还可表示为相对丰度,将每一张质谱图都质谱归一化,这样有利于分析一个分析体系中物质之间相对的量的差别,相对强度通常以百分数表示。

注意:峰高和峰面积不是可互换的数值。高度与面积的关系取决于质量分析器的分辨能力或检测器的响应时间。

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前体离子与产物离子

(Precursor Ion & Parent ion)

(a)前体离子

也称母离子(parent ion),是反应形成特定的产物离子的离子,反应可以是单分子解离、离子/分子反应、异构化或电荷状态的变化。

(b)产物离子

也称碎片离子和子离子(fragment ion and daughter ion),是参与某特定前体离子反应形成的产物离子,反应可以是单分子解离,形成碎片离子、离子/分子反应、或简单地涉及电荷数的变化。


图5. 前体离子与产物离子质谱图

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灵敏度
(Sensitivity)

灵敏度(sensitivity)是在规定的条件下,对选定化合物产生的某一质谱峰,仪器对单位样品所产生的响应值。IUPAC将灵敏度定义为仪器校正曲线的斜率。然而,很多仪器产商误将仪器能够检测到的物质的最小的量称为仪器灵敏度,这实际上是把灵敏度和检测限的概念混淆了。


图6. 浓度与响应强度曲线

在实际应用中,我们常常将能够观察到的最小强度变化量(3σ)对应的进样量变化作为仪器的灵敏度。

灵敏度的指标实际上是仪器综合性能的反映,因为它与样品、分辨率、扫描速度、进样方式以及电离方式密切相关,所以,在提供仪器的灵敏度指标时,都需具体指定上述的各项条件。

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检测限和定量限
(LOD and LOQ)

LOD(Limit of detection)定义为样品中可检测到的最低分析物浓度,分析物浓度的S / N≥3。LOQ(Limit of quantitation)是可以在可接受的准确度和精确度下确定的最低分析物浓度,通常分析物浓度的S / N = 10。

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线性范围
(Linear range)

线性范围定义为分析物响应与浓度成正比的浓度范围。为了确定该范围,可通过分析50至150%目标分析物的五个标准溶液浓度来制备校准曲线,对于可接受的线性范围,相关系数(r2)应大于0.999且y截距小于目标浓度响应的2%。


图7. 检测限、定量限、线性范围及动态范围

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准确度
(Accuracy)

准确度对测量值与真实值的接近程度的度量,通过将测试结果与标准参考物质的测试结果进行比较或与现有的得到充分表征的方法进行比较来确定准确度。

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精密度
(Precision)

方法的精密度是指对样本多次采样得到的测量值之间的相互一致程度。应验证该方法的短期重复性、日间重现性、仪器与仪器的重现性以及实验室与实验室的重现性,精度表示为方差、标准偏差或变异系数。

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特异性
(Specificity)

方法的特异性是指在样品基质中存在其他化合物的情况下能够精确测量目标分析物的能力。

参考书籍:
1.Kenzo Hiraoka. Fundamentals of Mass Spectrometry,2013.

2.Rolf Ekman, Jerzy Silberring. Mass Spectrometry Instrumentation, Interpretation, and Applications,2008.


代谢组学