LC/MS/MS 技术与应用

概述

南方医科大学卫生检测中心的 LC/MS/MS 技术培训资料,系统介绍液相色谱-串联质谱技术原理及其在临床检测、法医鉴定、食品安全等领域的应用。

第一部分:质谱基本知识

1.1 质谱的产生

化合物的离子化方式:

  • 电子轰击 EI:M + e⁻ → M⁺· + 2e⁻
  • 化学电离 CI:M + H⁺ → [MH]⁺
  • 电喷雾 ESI:M + H⁺ → [MH]⁺ 或 M + Na⁺ → [MNa]⁺
  • 基质辅助激光解吸 MALDI

1.2 质谱图信息

  • 质荷比 m/z
  • 相对丰度 %
  • 化合物分子量信息
  • 结构信息(化学指纹图谱)

1.3 质谱仪器类型

分类方式类型
按质量分析器磁质谱、四极杆质谱、飞行时间质谱、离子阱质谱、ICR-MS
按联用方式GC/MS、LC/MS、CE/MS
按应用领域同位素质谱、无机质谱、有机质谱

1.4 有机质谱关键组成

进样系统 → 接口 → 离子源 → 质量分析器 → 检测器 → 数据系统

第二部分:离子源技术

2.1 电喷雾电离 ESI

  • 软电离技术
  • 可产生多电荷离子
  • 适合大分子(蛋白质、多肽)
  • 1984年 J.Fenn 首次发表

2.2 大气压化学电离 APCI

  • 适用于弱极性化合物
  • 离子化过程:放电针产生试剂离子 → 与样品分子反应

2.3 基质辅助激光解吸 MALDI

  • 基质与样品混合
  • 激光照射产生离子
  • 适合大分子分子量测定

第三部分:质量分析器

3.1 飞行时间 TOF

  • 原理:m/z ∝ t²
  • 两级加速或反射式提高分辨率
  • 量程宽(可达 400,000 m/z)

3.2 四极杆 Q

  • 四根平行金属棒
  • DC + RF 电压筛选特定 m/z
  • 三级四极杆 QQQ 用于串联质谱

3.3 离子阱 IT

  • 环形电极 + 端盖电极
  • 存储离子、扫描检测
  • 可进行多级 MSⁿ

3.4 线性离子阱

  • Q1 质量选择
  • Q2 碰撞池碎裂
  • Q3 线性离子阱扫描

第四部分:LC/MS 接口技术

4.1 接口种类(20余种)

  • 直接导入界面
  • 传送带界面
  • 渗透薄膜界面
  • 热喷雾 TSP
  • 离子束 PBI
  • 大气压电离 API

4.2 LC/MS 联用问题

  1. 难挥发/热不稳定化合物离子化
  2. 流速不兼容(LC 1ml/min vs MS 高真空)
  3. 流动相不兼容(非挥发性缓冲液)

4.3 解决方案

  • 使用挥发性流动相
  • 柱上液-液萃取
  • 双柱相切换
  • 微膜离子抑制
  • 小内径 LC 柱降低流速

第五部分:LC/MS/MS 应用

5.1 新生儿疾病筛查

可检测 30+ 种遗传性代谢失常疾病:

  • 氨基酸代谢失常(PKU、酪氨酸血症等)
  • 有机酸代谢失常(甲基丙二酸血症、戊二酸血症等)
  • 脂肪酸氧化失常(SCAD、LCAD 缺乏症)

筛查流程:取样 → 甲醇沉淀 → 衍生化 → LC/MS/MS 分析

5.2 药物代谢结合物测定

  • 葡萄糖苷酸结合物
  • 硫酸盐结合物

5.3 天然产物分析

  • 植物组织培养物中 Taxol 分析

5.4 生物技术-分子量测定

  • 牛胰岛素 M=5731.68
  • 胸腺五肽 M=1209.8
  • 生长抑素 M=1638
  • 人生长激素 M=22,256.32

5.5 药物合成监测

电喷雾质谱实时监测反应进程,识别中间体和产物。

5.6 司法鉴定应用

检测物质:

  • 毒品:甲基苯丙胺(冰毒)、吗啡、K粉(氯胺酮)
  • 毒物:鼠药、农药、蛇毒、河豚毒素
  • 爆炸物:硝化甘油、RDX、PETN
  • 其他:二甘醇、芬氟拉明、西布曲明

5.7 食品安全应用

  • 孔雀石绿及其代谢物
  • 硝基呋喃类抗生素代谢物
  • 氯霉素残留
  • 多种抗生素同时检测
  • 丙烯酰胺

第六部分:ESI 质谱图解析

6.1 正离子模式

  • [M+H]⁺ 准分子离子
  • [M+Na]⁺、[M+K]⁺ 金属加合离子
  • [M+NH₄]⁺ 铵加合离子
  • [2M+H]⁺ 二聚体离子
  • [M+H+S]⁺ 溶剂加成离子

6.2 负离子模式

  • [M-H]⁻ 去质子离子
  • [M+OH]⁻ 氢氧根加合
  • [2M-H]⁻ 二聚去质子
  • [M+Cl]⁻ 氯离子加合

6.3 多电荷离子

蛋白质可带多个电荷,降低 m/z 便于检测:

  • (M+nH)ⁿ⁺ 系列峰
  • 通过 deconvolution 计算真实分子量

第七部分:影响因素与优化

7.1 pH 影响

  • 正离子检测:酸化样品(pH 比 pKa 低 2 单位)
  • 负离子检测:碱化样品(pH 比 pKa 高 2 单位)

7.2 溶剂选择

  • ESI 推荐:甲醇、乙腈
  • APCI 可选范围更宽

7.3 添加剂

  • 常用:甲酸、乙酸、氨水、乙酸铵
  • 避免:磷酸、三氟乙酸(抑制电离)

7.4 流速匹配

电离方式推荐流速
ESI1-1000 μl/min
APCI400-2000 μl/min
毛细管电泳<1 μl/min

第八部分:样品前处理

8.1 常用方法

  • 过滤(0.45μm 膜)
  • 溶剂萃取
  • 高速离心
  • 透析
  • 固相萃取 SPE
  • 灌注净化
  • 色谱分离

8.2 目的

  • 防止堵塞进样管道
  • 去除不挥发性盐
  • 去除表面活性剂
  • 浓缩目标物
  • 去除基质干扰

第九部分:串联质谱原理

9.1 MS/MS 类型

  • 空间串联:双聚焦、QQQ、Q-TOF
  • 时间串联:离子阱、FTICR-TOF

9.2 扫描模式

  1. 子离子扫描:Q1 固定母离子,Q3 扫描碎片
  2. 母离子扫描:Q1 扫描母离子,Q3 固定碎片
  3. 中性丢失扫描:Q1 和 Q3 差值固定
  4. 多反应监测 MRM:Q1 固定母离子,Q3 固定碎片(定量)

9.3 MRM 优势

  • 抗化学干扰能力强
  • 信噪比高
  • 定量准确
  • 可同时检测多个目标物

第十部分:蛋白质组学应用

10.1 分子量测定

  • 调整 pH 使 m/z 在 500-1800 范围
  • 使用已知蛋白校正

10.2 氨基酸序列测定

流程:蛋白酶解 → LC 分离 → MS 检测分子量 → MS/MS 测子离子谱 → 序列分析

10.3 ICAT 同位素标记

  • 比较正常与肿瘤组织蛋白表达差异
  • 亲和标签纯化含巯基肽段
  • MALDI-TOF 或 LC/MS/MS 定量

10.4 磷酸化位点确定

  • 中性丢失 H₃PO₄(97.977 Da)
  • 负离子检测 PO₃⁻(79 Da)
  • 正离子检测酪氨酸磷酸化离子 m/z 216.043

附录:常见化合物质谱参数

甲基苯丙胺(冰毒)

  • 分子式:C₁₀H₁₅N,M=149
  • MRM:150/119,150/91

K粉(氯胺酮)

  • 分子式:C₁₃H₁₆ClNO,M=237
  • MRM:238/125,238/220

吗啡

  • 分子式:C₁₇H₁₉NO₃,M=285
  • MRM:286/165,286/201

氯霉素

  • MRM:320.9/151.9,320.9/259.9

硝基呋喃代谢物

  • AOZ:LOQ=0.02 ng/mL
  • AMOZ:LOQ=0.01 ng/mL
  • SEM:LOQ=0.1 ng/mL
  • AHD:LOQ=0.02 ng/mL