质谱、LC-MS技术的基础

质谱、LC-MS技术的基础及其
在天然产物和药物分析中的应用
再帕尔• 阿不力孜
中国医学科学院 药物研究所 北京协和医学院
2008年4月15日
质谱技术的主要特点及功能
★（高）灵敏度是质谱的“生命” ★离子化（技术）是质谱的“心脏”
如， 2002年度化学诺贝尔奖授予给了J.B. Fenn和田中耕 一等三人；其中他们二人“发明了可分析生物大分子的 质 谱分析法”，即电喷雾电离质谱(ESI-MS)和基质辅助激 光解吸电离质谱(MALDI-MS)。
质谱分析的主要电离技术及其应用范围：
EI-MS: 高挥发性、一般分子量≤1,000 Da的化合物
CI-MS: 高挥发性、一般分子量≤1,000 Da的化合物 ……
FAB-MS: 热不稳定、难挥发性、中等极性，分子量 ≤ 3,000 Da的化合物 ESI-MS: 热不稳定、中至高极性，可检测到数十 万Da分子量 的化合物，混合物，此外（包括APCIMS，相对弱极性分子）真正实现了LC-MS技术。
FT-ICRMS 、ITMS (3D离子阱)、LTQ ……
最新技术
2000年提出冷喷雾质谱（Coldspray Ionization）技术。 2004年以来开放环境下实现离子化的新型技术—敞开 （常压）式质谱方法（Ambient Mass Spectrometry）的 出现尤为关注。代表性的有DESI（解吸电喷雾）和 DART（直接实时检测）等电离技术。其主要特点是不 需要在真空环境下实施电离、不需要样品的前处理，且 适用于气体、液体和固体样品等。在爆炸物、毒品，药 代动力学、高通量药物筛选、药物及药品和癌症诊断的 快速检测等方面得到了成功的应用。 2006年，LTQ-Orbitrap型质谱仪的研发成功，改变了离 子阱和高分辨的发展模式。2007年最新推出的HDMS仪 增加了质谱技术的分离能力。
-CH4 CH4 （主要反应）
CH3O CH3O CH - · 33 CH O O H C H O H CH3O
N O C
N
- ·H H
N
O O
H
H H CH3
丢失CH4的特征裂解反应 (AutoSpec Ultima-Tof)
H3CO cl
N H3CO OCH3
-CH4
ESI-MS/MS spectrum of B1
RDA
N _ N OH HO OMe
[M+H-87]+ RDA
CH3O
+H
+ CH3O CH3O N OH
N CH3O OCH3 OH CH3O OCH3
+ N OH CH3O OCH3
+
[M+H-86]+
菲骈吲哚里西啶类生物碱ESI-MSn质谱裂解行为
三分丹提取物的成分分析
1. 菲骈吲哚里西啶类生物碱的质谱裂解规律研究
2. 三分丹植物中活性提取部位的微量成分质谱 分析方法研究
(1) Yun Xiang, A. Zeper, et al. Rapid Commun. Mass spectrum. 2002，16: 1668-1674
(2) Cui LJ, A. Zeper, et al. Rapid Commun. Mass Spectrom. 2004, 18: 184-190
碰撞信息增多
360.2 301.0 316.1 287.1
280 290 300 310 320 m/z, amu 330
MS3 spectrum of [M-CH3]+▪ at m/z 345 for B1
345.1
340 350 360 370 380
中性丢失扫描谱分析
+NL (16.00): 0.084 to 0.637 min from Sample 8 (B1-NL16) of B1.wi... 100% 90%
母离子扫描谱Biblioteka 析(QTRAP)+Prec (345.00): 0.101 to 0.352 min from Sample 10 (B1-PREC345) ...
Max. 4.4e5 cps.
PRES of m/z 344 for B1
R e l. In t. (% )
100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 330 335 340 Max. 2.1e6 cps.
N
HO OCH3
菲骈吲哚里西啶类生物碱的特征裂解反应（1）
+H +
MeO - CH4 N O CH3 H MeO - CH3 N HO OMe O
+H +
MeO N O O
+H
+
[M+H-H2O-CH3]
+
[M+H-H2O]+
B1中丢失CH4的裂解反应机理
结合MS3、中性丢失扫描、母离子扫描谱等分析
本项研究成果不仅在质谱学、结构分析和天然药物化学上 具有重要学术意义和应用价值，也为中草药物质基础中结构
新颖活性组分（群）的高效、快速发现体系的建立提供了新
的分析思路和有效的技术平台。 这些系统性研究得到了国内外质谱及分析化学界的公认。
其相关成果先后两次被引用到英国皇家化学学会出版的著名
刊物 ‘Natural Product Reports’ ( 2004, 21: 625-649; 2005, 22 (5): 603-626)的Review里，同时作者评价这种由结构差异导致 的裂解方式的特征多样性可作为新化合物结构确证的有力手 段；获得的信息为在线鉴定植物粗提物中微量组分提供了可 靠的分析依据。
(QTRAP)
M+
NLS16 for B1
Max. 1.2e6 cps.
360.3
R e l. In t. (% )
80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 300 310 320 330 340 350 360 m/z, amu 370 380 390 400
361.3
100% 90%
R e l. In t. (% )
317.3 302.3
300 305 310
20%Max. 2.0e6 cps.
344.1
10% 0% 290 295
316.3
315 320 325 m/z, amu 330 335 340 345 350 355
80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 250 260 270
361.3
M+
+Prec (344.00): 0.151 to 0.268 min from Sample 9 (B1-PREC344) o... 100% 90%
M+
360.4 345.3 346.3
345 350 355 360 m/z, amu 365 370 375 380
360.4
R e l. In t. (% )
验证
混合物的HRMS测定 组分的NMR或LC-NMR谱分析
主要研究成果
1. 运用多种不同电离技术及其正负离子检测方式相结合的 MS/MS 等质谱手段，系统地开展了不同类型天然产物的离 子化特征、质谱行为及其与结构特征之间的相关性等研究。 2. 发现了一系列新颖独特的特征裂解反应和鉴别结构细微差异 或特点的质谱变化规律。 3. 在分子结构鉴别、确定取代基种类及其位置、糖链的连接位 置及其顺序等关键和具有难度的鉴别方面取得了进展。 4. 在上述基础上，结合LC-MS/MS等联用技术，建立了运用不 同质谱手段及谱学信息相结合的‘互补性’分析思路，开展 药用植物有效部位（含中草药物质基础）中组分群分析的高 效、快速、微量的质谱分析方法。从而使复杂混合物体系中 相关成分的快速分析实现了快捷化和简便化。
MALDI-(Tof)MS : 主要用于蛋白质等生物大分子的 测定（可检测到近百万Da分子量 ）。
研究思路
单体化合物的(±)离子化探讨； (±)ESI-MS及ESI-MSn谱； 另选用(±)FAB-MS, 或EI/CI-MS等
分析
混合物的(±) ESI-MS及ESI-MSn谱； (±)FAB-MS谱（Na+离子的作用） 混合物的GC-MS, 或LC-UV, LC-MS 及LC-MSn谱
R e l. In t. (% )
(QTRAP)
+MS3 (360.20),(345.00): 0.066 to 0.715 min from Sample 7 (B1-MS... 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30%
Max. 1.3e7 cps.
344.3
345.2
MS2 +MS2 (360.00) CE (43): 0.151 to 0.754 min from Sample 5 (B1-MS2...
MS/MS的类型
目前已经发展成为具有多种类型的MS/MS仪。如：
1. 两台质谱仪串联组成（空间序列， MS/MS）
磁质谱—磁质谱、磁质谱—Q 、磁质谱—Tof 、磁 质谱—Trap、 QqQ、 Q—Tof、Tof—Tof、 QTRAP、LTQ Orbitrap（组合型）、HDMS .……
2. 储存离子的分析器组成（时间序列，MS n ）
菲骈吲哚里西啶类生物碱的结构类型 结构 类型 化合物
14 N
OH 14 N
B4, B5
OH 14 N O
B1, B2, B3
结构
类型 化合物
N
B6, B7
B8
phe-1中[M+H]+离子的FAB-MS/MS谱
CH3O OH
N
CH3O OCH3