生物质谱分析综述
串联质谱技术的应用综述
《有机结构分析II》串联质谱技术的应用液相色谱-质谱法(LC/MS)将应用范围极广的分离方法与灵敏、专属、能提供相对分子质量和结构信息的质谱法结合起来, 因此已成为一种重要的现代分离分析技术。
虽然与LC相连的单极质谱仪也能够提供相对分子质量的信息, 但不足之处在于基质对待测组分的干扰难以排除及待测组分的结构信息不能充分利用。
液相色谱与串联质谱联用可在一级质谱MS条件下获得很强的待测组分的准分子离子峰, 几乎不产生碎片离子, 并可对准分子离子进行多级裂解, 进而获得丰富的化合物碎片信息, 可用来推断化合物结构, 确认目标化合物, 辨认重叠色谱峰以及在高背景或干扰物存在的情况下对目标化合物定量, 因而成为药物代谢过程和产物研究, 复杂组分中某一组分的鉴定和定量测定, 以及药用植物成分研究中更为强有力的工具。
本文对液相色谱-串联质谱法(LC-MSn)的原理及其在药物代谢方面的应用作简要介绍。
1 串联质谱(MS/MS)基本原理1.1 离子源离子源的种类包括:电子轰击电离(EI)、化学电离(CI)、快原子轰击(FAB)、场电离(FI)和场解吸(FD)、大气压电离源(API)、基质辅助激光解吸离子化(MALDI)和电感耦合等离子体离子化(ICP)等。
现在主要采用大气压离子化技术(API), 包括电喷雾离子化(ESI)、大气压化学离子化(APCI)和大气压光电离化(APPI)。
API 是软电离技术, 通常只产生分子离子峰, 因此可直接测定混合物。
其中,ESI应用十分广泛, 适用于极性、热不稳定、难气化的成分分离分析, 小到无机离子, 大到蛋白质、核酸。
ESI-MS中可以容易地控制碎片的裂解程度。
用串联质谱可以选择特定的离子, 通过碰撞诱导解离(CID)使其碎裂成碎片离子;另一种方法是通过改变锥孔(取样口)电压(源内CID)的方式, 无选择地将源内所有的离子击碎。
1.2 质量分析器及其特点质量分析器是质谱计的核心, 不同类型的质量计其功能、应用范围、原理和实验方法均有所不同。
浅谈蛋白质质谱分析
浅谈蛋白质质谱分析方法及应用董义龙(单位：毕节学院，化学与化学工程学院，2009级化学教育本科三班,学号:06320904031）摘要：随着科学的不断发展，运用质谱法进行蛋白质的分析日益增多，本文简要的综述了肽和蛋白质等生物大分子质谱分析的特点，方法及蛋白质质谱分析的原理，方式和应用，并对其发展前景着出展望。
关键词：蛋白质质谱分析原理与方法蛋白质是生物体中含量最高，功能最重要的生物大分子，存在于所有生物细胞，约占细胞干质量的50%以上。
作为生命的物质基础之一，蛋白质在催化生命体内各种反应进行，调节代谢，抵御外来物质入侵及控制遗传信息等方面都起着至关重要的作用，因此，蛋白质也是生命科学中极为重要的研究对象。
关于蛋白质的分析研究，一直是化学家及生物学家极为关注的问题，其研究的内容主要包括分子量测定，氨基酸鉴定，蛋白质序列分析及立体化学分析等。
随着生命科学的发展，仪器分析手段的更新，尤其是质谱分析技术的不断成熟，使这一领域的研究发展迅速。
1 蛋白质组学研究的背景和意义1．1蛋白质组学的产生20世纪90年代开始的人类基因组计划(}Iuman Genome Project，HGP)是人类有史以来最伟大的认识自身的世纪工程，旨在阐明人类基因组DNA3×109核苷酸序列，希望在分子水平上破译人类所有的遗传信息。
经过各国科学家十几年的努力，HGP已取得了巨大的成绩。
在揭示基因组精细结构的同时，也凸现了基因数量有限性和基因结构的相对稳定性，这与生命现象的复杂和多交性之间存在着巨大的反差。
这种反差促使人们认识到：基因只是遗传信息的载体。
要研究生命现象，阐释生命活动的规律，只了解基因组的结构是远远不够的。
对于生命活动的主要体现者——蛋白质进行更全面和深入的研究是目前生命科学研究的迫切需要和重要任务。
后因组时代中功能基因组(Functional Genomics)的研究采用一些新的技术，如微阵列，DNA芯片对成千上万的基因表达进行分析比较，并从基因整体水平上对基因的活动规律进行阐述。
(5)质谱法测定分子结构(大分子化合物鉴定)综述
GPC法和 MALD/TOF MS法测得的分子量比较
Mn
Mw
PD
共聚物
GPC
3577
3756
1.05
No.1
MALDI/TOF
3207
3560
C10H21
S
N
N
]n
聚合物的MALDI-TOF质谱 (a) IAA为基质, (b) IAA为基质。并加入细AgTFA
11
第五章：质谱法测定分子结构
高分子化合物3(n=5)，环状寡聚物的实验结果(左)和理论同位素分布(右)
(a): [(C28H32N2S)5+H]+
(b): [(C28H32N2S)5+Ag]+
MALDI-TOF
11843
12320
1.04
GPC
PEG230200
22115
22105
1.01
MALDI-TOF
20240
21228
1.06
GPC
10
2、末端基分析
含有联吡啶 的共轭高分子结构
R
[
S
N
N
R = C6H13 1 C8H17 2
S
[
]n
C10H21 3 C10H21
第五章：质谱法测定分子结构
选取2142.1u的单同位素峰来计算端基的质量。重复单元的质量是428.2, 代入2142.1/428.2＝5，即428.2 5＝2141。这个峰的质荷比等于5个重复单 元加1个质子比时带上的氢原子的质量，因此可以椎测这个系列的高分子为 环状高分子．没有端基。
色谱文献综述
第1章文献综述1.1.引言高效液相色谱（HPLC）作为分析化学中复杂体系分离分析的重要手段之一，在许多领域都有着广泛的应用。
蛋白质组学[1-4]、中药[1-3]、聚合物[4-6]、环境[7]和药物[8]等复杂体系的分离分析为各种色谱技术的发展带来了机遇和挑战。
蛋白质组学和中药等研究中样品体系极其复杂，采用传统的一维分离模式所能提供的分辨率和峰容量难以满足高效分离与高灵敏检测的要求[9, 10]。
Gidding等[11]指出，当样品中的组份数超过系统峰容量的时，样品在系统中便得不到良好的分离。
对于随机分布的样品，完全分离其中98%的组份，系统的峰容量需要是样品中组份数的100倍以上[12]，采用一维液相色谱进行分离时，分离500个峰需200万理论塔板/m（分离度1.5）的柱效[13]。
显然，我们不能寄希望于一维色谱分离能力能提高几个数量级[14]，因此，只能采取其他方法，如多维色谱分离系统。
多维色谱技术的历史可以追溯到1944年，Martin和同事利用纸色谱法[15]，在两次分析中，将流动相以直角的方式洗脱样品，第一次实现了二维的高效分离。
近年来，色谱工作者把主要的精力放在使用现代柱色谱技术代替薄层技术上。
柱色谱技术的优点包括重现性、速度、选择性和易用性，重要的是，柱色谱易于与其他检测技术相连，如质谱。
1978年，Erni和Frei[16]设计出了阀切换系统，构建了GPC/RPLC模式的二维色谱。
由于采样不足（切阀时间长达75 min），分离度有限，同时没有自动化的阀配置和数据转换过程，没有给出二维色谱图，因此并没有引起重视。
1987年，J. W. Jorgenson受J. C. Giddings的启发，开始研究复杂样品分析实用的多维色谱方法。
1990年[17]，Bushey和Jorgenson改进了Erni 和Frei的装置，构建了IEX/SEC二维系统，通过降低采样时间到6 min，以及协调两维间的流动相梯度和流量，实现了较高的正交性分离，并第一次以3D图的方式展现出来，实现了蛋白质的全二维分析，第一次展现了多维色谱的巨大优势。
蛋白质质谱的分析
蛋白质质谱的分析蛋白质是生物体中含量最高，功能最重要的生物大分子，存在于所有生物细胞，约占细胞干重质量的50%以上。
随着生命科学及生物技术的迅速发展，生物质谱目前已成为有机质谱中最活跃，最富生命力的前沿研究领域之一。
本文简要综述了肽和蛋白质等生物大分子质谱分析的特点，方法及蛋白质质谱分析的原理，方式和应用，并对其发展前景作出展望。
1 质谱分析的特点与方法1.1 质谱分析具有很高的灵敏度，能为亚微克级试样提供信息，能最有效地与色谱联用，适用于复杂体系中痕量物质的鉴定或结构测定，同时具有准确性、易操作性、快速性及很好的普适性。
1.2 质谱分析的方法质谱分析的软电离技术主要有下列几种：（1）电喷雾电离质谱；（2）基质辅助激光解吸电离质谱；（3）快原子轰击质谱；（4）离子喷雾电离质谱；（5）大气压电离质谱。
以前三种近年来研究最多，应用也最广泛。
2 蛋白质的质谱分析2.1 蛋白质的质谱分析原理原理是通过电离源将蛋白质分子转化为气相离子，然后利用质谱分析仪的电场、磁场将具有特定质量与电荷比值（M/Z值）的蛋白质离子分开来，经过离子检测器收集分离的离子，确定离子的M/Z值，分析鉴定未知蛋白质。
2.2 蛋白质和肽的序列分析现有的肽和蛋白质测序方法包括N末端序列测定的化学方法Edman法、C末端酶解方法、C末端化学降解法等，这些方法都存在一些缺陷。
在这种背景下，质谱由于很高的灵敏度、准确性、易操作性、快速性及很好的普适性而倍受科学家的广泛注意。
在质谱测序中，灵敏度及准确性随分子量增大有明显降低，所以肽的序列分析比蛋白质容易很多。
近年来随着电喷雾电离质谱（ESI）及基质辅助激光解吸质谱（MALDI）等质谱软电离技术的发展与完善，极性肽分子的分析成为可能，检测限下降到fmol级别，可测定分子量范围则高达100000Da，目前基质辅助的激光解吸电离飞行时间质谱法（MALDI TOP MS）已成为测定生物大分子尤其是蛋白质．多肽分子量和一级结构的有效工具，也是当今生命科学领域中重大课题――蛋白质研究所必不可缺的关键技术之一，目前在欧洲分子生物实验室（EMBL）及美国、瑞士等国的一些高校已建立了MALDI TOP MS蛋白质一级结构（序列）谱库，能为解析FAST谱图提供极大的帮助，并为确证分析结果提供可靠的依据。
质谱分析综述
质谱分析的研究引言本学期在仪器分析课堂上接触了质谱分析，质谱分析已经成为了现代物理化学领域内使用的一个极为重要的工具，至今已有近百年历史。
本文将就质谱原理、仪器、发展方向三个方面，对质谱分析进行综合性的阐述。
一、概述早期的质谱分析主要用于测定原子质量、同位素的相对丰度，以及研究电子碰撞等物理领域，第二次世界大战时期为了适应原子能工业和石油化学工业的需要，质谱法在化学分析中的应用受到了重视。
出现了高分辨率质谱仪，这种一起对复杂有机分子所得的谱图，分辨率高，重视性好，因而成为了测定有机化合物结构的一种重要手段。
今年来各种类型的质谱仪器相继问世，而质谱仪器的心脏——离子源，也是多种多样的，因此质谱法已经日益广泛的应用于原子能、化学、电子、冶金、医药、食品、陶瓷等工业生产部门，农业科学研究部门，以及物理、电子与离子物理、同位素地质学、有机化学等科学技术领域。
二、原理（一）、质谱仪原理的示意图：进样系统离子源(电离和加速，形成各种离子) 质量分析器(把不同质荷比的离子分开) 检测器(检测各种质荷比的离子) 数据处理系统。
（二）、主要过程：（1）在极高的真空度下(10-5～10-8Torr ), 高能电子束(10-70 eV) 在离子源内激发样品的气态分子，离子源内分子由电子束作用失掉一个电子形成分子离子[M]+。
（2）由电子束获得的能量还能使分子离子进一步裂解，生成较小质量的碎片离子和一些中性碎片。
（3）离开离子源的所有离子都被静电压V 加速，然后进入与运动方向相垂直,强度为H 的磁场。
将离子按质荷比(m/e) 分开并按质荷比大小排列成谱图形式。
（三）离子飞行方向依m/e 的大小而偏转(曲率半径为r)，其关系为：r2=km/e VH2质谱方程式设计质谱仪器的主要依据其中k 是比例常数。
也就是具有相同m/e 的离子偏转程度相同二、质谱仪1.进样系统a.探头进样系统一般最常用的探头有电子轰击源直接进样杆,快原子轰击源直接进样杆等。
串联质谱的蛋白质序列鉴定技术综述_乔彦涛
QIAO Yantao1，3+，MIAO Jiazheng2，SUN Shiwei3，LIU Jingang1，BU Dongbo3
1. Join Faculty of Computer Scientific Research，Capital Normal University，Beijing 100048，China 2. School of Food Science and Technology，Zhejiang Gongshang University，Hangzhou 310018，China 3. Bioinformatics Group，Institute of Computing Technology，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China + Corresponding author：E-mail：qiaoyantao@
当然，这种方法也有其局限性，比如只适用于母 离子电荷数为 1 和 2 的情况；模型较为复杂，导致速 度较慢等。
2.2 理论Байду номын сангаас谱预测的简化模型：断裂事件模型
在理论质谱预测中，有一个难以解决的障碍— b/y puzzle，即肽段发生断裂时，到底会产生 b 离子， 还是会产生 y 离子；其决定因素是什么？到目前为止， 对此问题还缺乏深刻的认识。一种简单的解决方法是 假定 b 离子和 y 离子的产生概率相同，然而这与实际情 况有相当大的差异：实际上通常 y 离子比 b 离子要多。
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蛋白质综述
生物医学工程导论学院：电子信息学院班级：生物医学工程101班姓名：潘浩学号：1011082021关于蛋白质的综述摘要：蛋白质组学是后基因组时代的新兴学科，是当今生命科学领域新的增长点，本文根据所查阅的资料就蛋白质组学中的分离和鉴定技术包括双向凝胶电泳、色谱和质谱等技术近几年的发展状况及最新研究进展进行综述。
关键词：蛋白质组学；色谱；质谱；生物信息学1、概念及相关内容随着人类基因组测序计划的完成,生命科学的重心开始转移到对基因的功能性产物即蛋白质的研究,并产生了一门新的学科———蛋白质组学。
“蛋白质组”一词是1995 年由澳大利亚科学家Marc Wilkins 和Keith Wil2liams最早提出的,是由蛋白质和基因组派生而来。
被定义为“一个细胞或组织所表达的所有蛋白质产物或某一特定时期内所表达的所有蛋白质产物”。
蛋白质组研究与以往的蛋白质化学研究不同,它着重于全面性和整体性,研究的对象不是单一或少数的蛋白质,而是从细胞整体水平上对蛋白质的结构和功能进行研究,包括蛋白质在细胞内的表达水平、位置、功能和调节以及翻译后的修饰、剪接等加工信息。
蛋白质组研究使人们对生命系统与活动分子机制的认识由间接的基因、核酸层次深入到生命的直接执行者———蛋白质水平。
蛋白质组研究已成为后基因组时代的主要任务。
2、蛋白质组研究的主要技术相对于基因组的研究,蛋白质组的研究相对滞后,主要原因是缺乏像基因组研究那样成熟的技术。
当前蛋白质组研究的主要技术可分为两大类,一类是蛋白质组的分离技术,包括双向电泳、双向高效柱层析等;另一类是蛋白质组的鉴定技术,包括质谱技术、生物信息技术等。
蛋白质组的分离技术双向凝胶电泳技术(2-DE)：双向凝胶电泳技术是目前应用最为广泛的研究蛋白质组学的方法之一。
这项技术是O′far2rell 、Klose 和Scheele 等于1975发明的。
双向凝胶电泳技术利用蛋白质的等电点和分子量差别将各种蛋白质区分开来。
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样品板
EI源 FAB源 MALDI源 ESI源
Quadruopole Ion trap Time-of-flight
电子倍增器 闪烁计数器
LC或GC
化合物分子在高真空条件下，受高速电子流 “轰击”或强电场其他作用，失去电子生成离子 或发生化学键断裂成为碎片离子，离子经加速器 进入磁场，其动能与加速电压及电荷遵循： zU=(1/2)m2 m/z=2U/ 2
生物分析技术
第5讲 生物质谱分析
2011年10月
主要内容
第一节 概述
第二节
第三节
质谱仪
生物质谱的应用
第一节
概述
质谱分析法 (Mass Spectroscope,MS) 是将 化合物形成离子或碎片离子，按质荷比 (m/z)的 不同进行测定，从而进行成分分析和结构分析 的一种方法。根据质谱分析法的结果（质谱图 ）所提供的信息可以进行有机物、无机物的定 性和定量分析，生物大分子的结构分析，同位 素的测定及固体表面的结构和组成分析。 生物质谱就是用于生物分子分析的质谱技 术。由于生物分子大多数以其高相对分子质量 区别于分子质量在几十到几千的无机或有机小 分子，因而，生物质谱要求测定上万甚至几十 万的分子质量。
通常将试样放入小杯中，通过真空闭锁装置 将其引入离子源，可以对无法变成气 体的固体、热敏性固体及非挥发性液体试样，可 直接引入到离子源。
这种进样方式不必使样品充满整个储存器，
因此，可适用样品量较小和蒸汽压较低的物质。
直接进样法扩大了质谱法的应用范围。
2002年诺贝尔化学奖获得者
瑞士科学家库尔特· 维特里希 1938年生于瑞士阿尔贝格， 1964年获瑞士巴塞尔大学无 机化学博士学位，从1980年 起担任瑞士苏黎世联邦高等 理工学校的分子生物物理学 教授，还任美国加利福尼亚 州拉霍亚市斯克里普斯研究 所客座教授。他因“发明了 利用核磁共振技术测定溶液 中生物大分子三维结构的方 法”而获得2002年诺贝尔化 学奖一半的奖金。 日本科学家田中耕一(Koichi Tanaka)1959年出生于日本富山 县首府富山市，1983年获日本 东北大学学士学位，现任职于 京都市岛津制作所，为该公司 研发工程师，分析测量事业部 生命科学商务中心、生命科学 研究所主任。他对化学的贡献 类似于约翰· 芬恩，因此也得到 了1／4的奖金。
具有速度 的带电离子进入质谱分析器的 电磁场中，根据所选择的分离方式，最终各种 离子按质荷比的不同实现分离。
质谱仪的分类
二、质谱仪的基本结构
1. 真空系统 2. 进样系统 3. 离子源 4. 质量分析器 5. 检测与记录
计算机控制与数 据处理
质谱仪的构造和功能
1. 真空系统
• 质谱仪的离子源、质量分析器和检测器必须在 高真空状态下工作，一般应在10-5～10-6Pa。 (1) 真空度差，过多的氧气将损耗或烧毁离子源 的灯丝； (2)高本低气压将干扰质谱图; (3)电离空气压过高，会发生离子-分子反应，改 变碎片谱图； (4)离子源内的高气压将干扰电子束的调节； (5) 电离气或离子源内的高气压，可能引起高达 数千伏的离子加速电压放电。
质谱仪的发展历史
1906年 在 J.JThomson在实验中发现带电荷离子 电磁场中的运动轨迹与它的质荷比有关 并于1912年制造出第一台质谱仪 飞行时间质量分析器 四极杆质量分析器 质谱仪首次用于多肽测序 离子共振质谱 电喷雾离子源 傅里叶变换离子回旋共振分析器 基质辅助激光解吸电离质谱
1946年 1953年 1959年 1965年 1968年 1974年 1987年
• 一般质谱仪由机械真空泵(低真空泵)，扩散泵或 分子泵(高真空泵)组成真空机组，使离子源和分 析器部分的达到真空。 • 只有在足够高的真空下，离子才能从离子源到 达接收器，真空度不够则灵敏度低。
2. 进样系统
要求： 高效重复的将样品引入到离子源中并且不能 造成真空度的降低，而样品导入离子源的方式决 定于样品的物理性质。 方式： (1)间歇式进样系统 (2)直接探针进样 (3)毛细管进样（从HPLC、GC及CE）
(1)间歇式进样系统
可用于气体、液体和中等蒸汽压的固体样品 进样，通过可拆卸式的试样管将少量固体或液体 试样引入试样储存器中。 由于进样系统的低压强及储存器的加热装置， 使试样保持气态。加之进样系统的压强比离子源 的压强大，样品分子或离子可以通过分子漏隙以 分子流的形式渗透进高真空的离子源。
(2)直接探针进样
美国科学家约翰· 芬恩1917年出 生于美国纽约市，1940年获耶鲁 大学化学博士学位，1967年到 1987年间任该大学教授，1987年 起被聘为该大学名誉教授，自 1994年起任弗吉尼亚联邦大学教 授。他因为“发明了对生物大分 子进行确认和结构分析的方法” 和“发明了对生物大分子的质谱 分析法”而获得今年诺贝尔化学 奖1／4的奖金。
(3)毛细管进样 气相色谱-质谱联用仪
从毛细管气相色谱柱流出的成分可直接引 入质谱仪的离子化室。
第二节
质谱仪
一、质谱仪的工作原理
二、质谱仪的基本结构 1. 真空系统 2. 进样系统 3. 离子源 4. 质量分析器 5. 检测与记录
一、质谱仪的工作原理
样品导 入系统
离子源
质量过滤/分析器
检测器
+ + +
+++ + + + + +++ + ++ + + + + + + + + + + + + + ++ +++ +++
早期，质谱分析法仅限于小分子和中等分子 的研究，因为要将质谱应用于生物大分子需要将 其制备成气相带电分子，然后在真空中物理分解 成离子。如何使蛋白分子经受住离子化过程而又 不丧失其结构形态是个难题。 20世纪70年代，解 吸技术的出现成功地将蛋白分子转化成气相离子 ，而后快原子轰击与其紧密相关的溶液基质使得 具有极性、热不稳定的蛋白分子可经受住电离过 程。但这些方法仅限于10kD以下蛋白分子的研究 。80年代电喷雾电离(ESI)和基质辅助激光解吸电 离 (MAILDI) 技术的发展则使得质谱方法成功应 用于高分子量蛋白分子的研究。