1、质谱发展历史-基础知识质谱发展历史-基础知识什么是质谱仪?v质谱仪是按照离子的质荷比(m/z)不同,来分离不同分子量的分子.测定分子量进行成分和结构分析.v离子的生成方式有失去或捕获电荷(如:电子发射,质子化或去质子化)v主要组成部分:v1.进样部分v2.离子源v3.质量过滤器(分析器)v4.离子检测器离子源质量过滤/分析器检测器进样部分样品板LC或GCEI源FAB源MALDI源ESI源QuadruopoleIon trapTime-of-flight电子倍增器闪烁计数器 第二章 质谱仪的组成+第二节离子源 A:EI源 Electron Ionization 是1980年以前的主要离子化方式,
2、只能用于远远小于生物有机分子的小分子(400Da以下)的检测,样品需经过汽化(通常热解吸附)进入电离区,与电子流撞击.电子流传递部分能量(多小于6ev)形成离子及部分碎片.EI的优缺点 优点1.级的灵敏度2.有达10万个化合物的数据库可快速检索3.可根据碎片方式鉴定未知物4.从碎片离子判定结构 缺点1.质量范围小2.有可能汽化前发生解离3.碎片过多有时看不到分子离子B.FBI快速原子/离子轰击离子源Fast Atom/Ion Bombardment 使用高能量的氙原子Cs+离子或甘油-NH4+集团喷射样品靶上的样品和基质表面,基质是溶解样品的非挥发性溶剂,样品从基质中解吸附并汽化,离子化.基质
3、的作用是溶解样品;吸收大部分能量,有助于样品离子化并保护样品不被高能量撞击破坏.FBI优缺点v 优点v1、质量数可以做到7000Da。v2、快速。v3、软电离方式，碎片离子少。v4、容易引入阳离子形成M+Na,M+K型的正离子。v5、分辨率高。基质可作为参照离子进行精确质量测定。v6、大质量的甘油团形成多电荷可测生物大分子。v缺点v1、质量数高时灵敏度下降严重。v2、灵敏度比MALDI,ESI低。v3、碎片少，结构信息少。v4、基质多峰，干扰结果分析。v5、样品必须能溶于基质。v6、非极性物质难以离子化。C:MALDI 激光解吸附离子源 Matrix-Assisted laser Desorp
4、tion/IonizationwMALDI源的出现解决了生物大分子的离子化难题，离子化过程与FBI有相似之处。w1、使用基质，但基质为固体。w2、MALDI用脉冲激光束轰击样品和基质的共结晶。w对基质的要求是能吸收337nm紫外光并气化，能量由基质传给样品使样品一起气化并离子化。常用基质1、氰基4羟基肉桂酸 CCA 多肽2、3,5二甲氧基4羟基肉桂酸 SA 蛋白3、龙胆酸（2,5二羟基苯甲酸 DHB 聚合物4、吡啶甲酸 PA5、3羟基吡啶甲酸 3HPAMALDI源由氮激光器产生短周期脉冲激光，产生的多为单电荷离子，效率很高，即使只有极少的样品也可分析常用基质结构DHBDHBSASACCACCA
5、 MALDI的优缺点n优点n1、质量数可达300,000Da。n2、attomole 至femtomole级灵敏度。n3、软电离方式，无或极少碎片离子。n4、耐盐（样品含盐可达毫摩尔浓度）。n5、适于分析复杂混合物。n缺点n1、分辨率低。n2、1000Da以下基质峰干扰。n3、激光解吸附离子化有可能使样品光降解。n4、串联质谱功能较弱，除非接反射装置进行源后衰变测量。n5、不能分析非共价键相互作用。n6、定量时需要内校准。n7、如没有反射飞行装置，不能分析多肽修饰。n8、对各种赋形剂的容忍度低（如n含磷酸缓冲液，大于150mM的盐等。D:ESI离子源Electrospray Ionizatio
6、n4000v强电场中，样品溶液通过毛细管喷嘴喷出，带电液滴被静电场吸向质谱人口，同时伴随干燥或加热干燥气体吹送，使液滴表面溶剂挥发,液滴体积变小，表面电荷密度变大，当同种电荷之间的库仑斥力达到雷利极限时，突破表面张力，液滴爆裂为更小的带电液滴，这一过程不断重复，使最终的液滴非常细小，呈喷雾状，此时液滴表面电场非常强大，使分析物离子化，带单电荷或多电荷。一般分析物分子量 2000Da带多电荷NANO-ESI喷雾照片ESI特点1、ESI产生的生物大分子离子如多肽蛋白等常常带10个以上电荷，使得m/z大大减小，弥补了四极杆质量分析器等质量范围窄的缺点。2、质谱图显示的是离子带不同电荷数的一系列质荷比
7、峰，根据峰位置换算成质量数和电荷数。电荷数和质量数的计算已知 mj=(m+nj)/nj mk=(m+nk)/nk nj=nk+1 推算出 nj=(mk-1)/(mk-mj)nk=(mj-1)/(mk-mj)m=mjnj-nj =mknk-nkm/z相相对对丰丰度度mjmkESI优缺点优点1、质量数可达70，000Da2、灵敏度高达femtomole级。3、软电离，可观察生物分子非共价反应。4、易于和LC串联，直接分析流速为1ml/min的LC洗脱液。5、没有基质干扰。6、适于联四极杆质量分析器、离子阱质量分析器做结构分析。7、带多电荷，允许质量范围窄的设备检测高质量数的离子。8、带多电荷，通过
8、计算平均值给出更精确的质量数。9、特别适于测多肽的修饰。10、样品前处理简单可直接分析RP-HPLC脱盐处理的溶液。缺点1、耐盐能力低。2、对某些化合物特别敏感，污染难清洗。3、样品需先气化，混合物不适用。4、带多电荷，在分析混合物时，产生混乱。5、定量时需内校准。nD、分辨率 质谱分辨不同质荷比离子的能力 分辨率R=M/a =M/(M M)b a 公式定义为单峰的质荷比与其半峰宽之比 b公式定义为相邻的相交10的两个峰M M 按a 式计算的分辨率约为b式计算的两倍。不同分辨率谱图效果E：分子量的表述方式1、单同位素质量monoisotopic mass 最轻的稳定同位素的质量（也有说自然界中
9、丰度最大的同位素的质量）。只有高分辨率的质量分析器才能分离出单同位素峰。2、化学平均分子量M 根据同位素质量及丰度计算出平均质量，所有元素的平均质量给出分子的平均质量。3、最高峰质量 即未分辨开质谱峰最高处的质量数。表述方式要看分子量及分辨率而定，当m/z高时单同位素峰已不是丰度最大的峰，m/z 8000时与最高峰质量趋于一至。第二节 质量分析器的种类A、四极杆质量分析器Quadrupole Analyzer A、B极性相反，加上一个直流电压DC，叠加一个射频电场RF，扫描时固定RF频率，DC：RF保持比率不变，数值递增，使m/z小到大的离子依次通过，取得一张完整的质谱图。DC+RF四极杆质量
10、分析器的 优点四极杆质量分析器通常与EI、ESI源联接1、能容忍相对低的真空度（约10 x10Torr）2、m/z可达3000，ESI离子源产生的多电荷生物分子离子m/z正好多在3000以内。3、开销低廉。B、离子阱质量分析器 三维的四极杆，RF加在环形电极上。环形电极环形电极 三维的四极杆，RF加在环形电极上。C、飞行时间质量分析器 Time-of-Flight Analyzer 离子的E=UZ=mv 飞行时间t=t=constLvmz反射飞行时间质量分析器(RETOF-MS)UrefTOF对真空度的要求非常高10TorrMALDI源一般同时联接Time-of-Flight Analyzer
11、和RETOFD、傅立叶回旋共振质量分析器fourier Transform-Ion Cyclotron Resonance质量精度最高，达0。001几种质量分析器的比较第三节：质量分析器的串联目的：碰撞诱导产生碎片离子，进行结构解析 Collision-induced dissociation(CID)Ion source ion daughter ion granddaughter ion选择离子 MSCIDMS/MSCIDMS/MS/MS空间串联质谱仪A、串联四极杆（三级四极杆）triple-Quadrupole AnalyzerQ为过滤单元Q为碰撞单元Q为分析单元几种检测方式1、MS方式
12、：所有离子通过QQQ到达检测器。2、MS/MS方式：Q作为分析器选择母离子(前体离子），Q作为碰撞室产生子离子，子离子由Q分析。3、MS方式：三级四极杆的几种扫描模式1、子离子扫描模式：即MS/MS。2、前体离子扫描模式：Q依次将所有离子输入Q碰撞解离，Q设定一个特定子离子值，只检测此特定子离子，Q与Q联接，当检测器检测到子离子时，质谱仪记录的是Q中的子离子值，质谱图显示的是所有产生相同子离子的母离子。3、中性丢失扫描：Q扫描与Q有一特定质量差异的子离子，谱图显示的是所有特定中性分子丢失的母离子。B、三级四极杆飞行时间质谱仪Quadrupole time of flightC、飞行时间飞行时间
13、质谱仪Time-of-flight/time-of-flight时间串联质谱仪A、离子阱质谱仪：B、傅立叶回旋共振质谱仪Fourier transform-ion cyclotron resonance 离子进入共振腔后，通过调控RF，选择特定的母离子留在腔内，再引入惰性碰撞气体碰撞,产生碎片,并检测碎片离子，这一过程不断重复至MS。几种串联质谱优缺点对比优点缺点三级四极杆质量精度高，分辨率好碰撞能量低，碎片不完全。RTOF价廉前体离子选择困难子离子分辨率低。FTMS质量精度最高，子离子分辨率好，非常适合多级质谱低能量碰撞，需超导磁体，价高。离子阱相对价廉，质量精度高，分辨率好，适合多级质谱低
14、能量碰撞QTOF质量精度高，分辨率好，前体离子选择性好，ESI、MALDI均可接。需高真空，价高。第四章 检测器一、电子倍增检测器：真空度低，表面易污染，寿命一般12年。电子发射撞击荧光屏，荧光屏发射光子由光子放大器检测。光子放大器密封在容器中，光子可穿过密封玻璃，避免表面污染，寿命为5年。三、HED(High-Energy Dynode Detector)在离子倍增器前加一个加速静电场，离子加速 后产生更多的二级电子引发电子雪崩，灵敏度更高。四、FT-MSnFT-MS本身就是一个检测器，因为离子诱导产生的可检测电流与m/z有关。CCH2NHR1NHOCHR2CONHCHRn-1CONHCHR
15、nCOOHZn-1Yn-1Xn-1Y2Z2X1Y1Z1Cn-1Bn-1An-1Cn-2A1B1C1A2B2Xn-2CHCOR1H2NB1H3NCHRn-1CONHCHRnCOOHY2ONNH2OHRH2N-PeptidePeptide-COOHNHH2N-PeptideNH-Peptide-COOHOHOOHNNHOHRH2N-PeptidePeptide-COOHONNH2OHRRONNH2ORRHONOHRH2N-peptide+H2NPeptide-COOHONORH2N-peptideH3NPeptide-COOH+(bm)+(yn)+四、O标记从头测序技术 蛋白酶解时，酶解液中H2
16、O和H2 O各占50，酶解后肽段的羧基端上的羟基氧 O/O丰度比1：1，使Y型离子系列的M+2/M同位素峰的丰度高于正常未标记 O的离子的同位素丰度比。1818181616181816161818A：MA结合磷酸酶水解磷酸化蛋白MS蛋白酶水解MS磷酸酶脱HPO3MS通过比较几级质谱图，比较质量数少80Da或80倍数的肽段。B、串联质谱进行母离子、中性丢失 扫描，分析含HPO3的肽段产生的特征离子，直接从混合肽段中找出磷酸化肽段。C C、PRD-MALDI-MS用源后衰变技术寻找质量数少80Da或98Da的肽段来判断磷酸肽。D、用IMAC技术分离/富集磷酸肽对比前后质谱变化寻找磷酸肽。IMAC
17、immobilized metal affinity固相金属亲和色谱。IMAC 对磷酸肽有高选择结合能力，富集后用高PH或磷酸盐洗脱后测质谱。1、N稳定同位素标记法：N培养基1415N培养基142、同位素亲和标记法细胞池1细胞池2混合消除氘消除氢亲和纯化酶解MS磷酸肽或磷酸化蛋白在缄性环境下发生消除，同时用亲核试剂攻击形成的双键并发生加成反应，亲核试剂一种为氘原子、一种为氢原子，再接上一个亲和标签（如生物素biotin），混合酶解，提取含biotin的肽段进行MS检测。六、糖基化蛋白的鉴定nA、用糖甙内切酶切断糖链与蛋白链间的糖甘键，将反应前后的质谱图比较，可知糖链的平均质量。B、糖基化位点的
18、确定n先用蛋白酶酶解成含糖链和不含糖链的肽段，获得其肽质量指纹谱，再用糖苷内切酶切除糖链，其肽质量指纹谱将发生变化，含糖肽段发生丢失位移，通过网上数据库检索其序列，找到位点。七、质谱在蛋白质组学中的应用七、质谱在蛋白质组学中的应用lA、稳定同位素代谢标记技术。前面已介绍lB、同位素亲和标签技术ICATICAT专一与专一与CysCys共价结合共价结合优缺点 优点1、兼容分析任何条件下的体液、细胞、组织中的绝大部分蛋白。2、烷化反应在盐、去垢剂/稳定剂（如SDS、尿素盐酸胍等）存在下都可进行。3、只分析含Cys残基的肽段，降低分析复杂性。缺点ICAT本身分子量较大（500Da左右）增加数据检索复杂
19、性。无法分析不含Cys的蛋白。Why 2D LC/MS?可鉴定极端具有pI、疏水性、分子量的蛋白质适合膜蛋白重复性好容易自动化上样量大高灵敏度（溶液酶切）可根据样品灵活配置（但最后一维一般为RP）Then why SCX/RP/MS?nSCX和RP的分离原理是互补的nSCX按荷电情况，PR按疏水性n流动相是兼容的npH3，ACN/water/saltnSCX流动相中的盐可以在RP时有效去除nTryptic peptides 在SCX柱上可以有效保留nTryptic peptides在SCX条件下是稳定的Separation powerPeak capacitiesv2DE 500-10,000
20、 protein spotsvAffinity Chromatography 2vIon exchange Chromatography 10protein levelvGelfiltration 10vReversed Phase Chromatography50vIon Exchange Chromatography 25vReversed Phase Chromatography 100peptide levelv2DLC(IEX/RPC)2,500vLinear IT MSn18,000 mph*measurements per hour Positive Ion Mode Analy
21、te=(M+H)+Negative Ion Mode Analyte=(M-H)Basic Compound Sensitive in Positive Ion Mode Acidic Compound Sensitive in Negative Ion ModeMS/MSMSGelGel spotProteolyticpeptidesMixture of ProteinsDigestionProteolyticpeptidesDigestionLCProtein Identification WorkflowsPeak FindingPeak listSearch of a Sequence
22、 CollectionIdentified and ProteinsProtein CandidatesSignificance TestingProtein Function?Sequence Similarity SearchRPCIEXRPC trapRPC trapon-line elution by salt plugs to trap columnIEXoff-line gradient elutionwith“classical”fraction collectionRPC2D LC的三种配置形式IEXRPCin-line MudPITon-line 2D-LC优点优点全自动全自
23、动样品体积可根据后续样品体积可根据后续RPC调整调整在线脱盐、浓缩在线脱盐、浓缩自由选择缓冲盐自由选择缓冲盐缺点缺点SCX峰容量有限峰容量有限ACN浓度在浓度在IEX和和RPC得一致得一致两相分离都没能在最两相分离都没能在最佳状态下进行佳状态下进行RPCIEXRPC trapRPC trapoff-line SCX with fraction collection优点优点两维分离都有可能在最佳两维分离都有可能在最佳状态下进行，得到最好分状态下进行，得到最好分辨率和峰容量辨率和峰容量可自由选择缓冲体系可自由选择缓冲体系样品体积可根据后续样品体积可根据后续RPC调整调整速度快（只需一个速度快（只需
24、一个SCX操操作）作）SCX馏份可留待以后分析馏份可留待以后分析(ESI和和MALDI均可）均可）缺点缺点自动化程度低自动化程度低IEXGradient elutionwith“classical”fraction collectionRPCThe secret behind sensitivityReducing column dimensions75 m I.D.columns and 200 nl/min are the standard today scalecolumn I.D.column volumetypical flow rategain in m(100 mm length
25、)ll/minsensitivity analytical4.6001.7001.0001 narrow2.1003502005 micro1.000804021 capillary30074237 nano750.50.23.322 75 m I.D.columns and 200 nl/min are the standard todayData dependent MS/MS 基本原则 先做一次全扫描（full MS)，记录个丰度最高的离子 然后依次对这X个离子进行CID,做MS/MS(full MS2)然后再做全扫描,下一个data dependent MS/MS开始 Dynamic
26、exclusion 某个离子在做了一定次数（比如2次）的MS/MS后，将在一定时间内（比如3min）不再作为侯选离子。碎片离子的命名 Residue name(A-Z)monoisotopic mass average massA71.03711 71.0788B114.53493114.59625C103.00919103.1388D115.02694115.0886E129.04259129.1155F147.06841147.1766G57.02146 57.0520H137.05891137.1412I113.08406113.1595J0.00.0K128.09496128.1742
27、L113.08406113.1595M131.04049131.1925N114.04293114.1039O0.00.0P97.05276 97.1167Q128.05858128.1308R156.10111156.1876S87.0320387.0782T101.04768101.1051U150.95364150.034V99.06841 99.1326W186.07931186.2133X111.0111.0Y163.06333163.1760Z128.55059128.62315氨基酸残基质量氨基酸残基质量ESI-MS/MS vs MALDI-MS/MS why LTQ/LCQ t
28、ype instrument so popular in proteomics?主要特点主要特点 1 能做高通量、复杂体系的蛋白质鉴定，通量约为每小能做高通量、复杂体系的蛋白质鉴定，通量约为每小时鉴定时鉴定100200个蛋白。个蛋白。2 动态范围宽，能在混有大量高丰度蛋白的体系中，鉴动态范围宽，能在混有大量高丰度蛋白的体系中，鉴定出痕量的低丰度蛋白。定出痕量的低丰度蛋白。3如数据库中检索不到结果，可自动进行如数据库中检索不到结果，可自动进行de novo的测的测序。序。4集成集成ICAT或其它同位素标记的蛋白定量方法。或其它同位素标记的蛋白定量方法。5 能测定多种翻译后修饰（如：磷酸化、糖基化等）的能测定多种翻译后修饰（如：磷酸化、糖基化等）的个数和位点。个数和位点。6 能够测定寡核苷酸序列。能够测定寡核苷酸序列。7 能够解析蛋白的一些共价和非共价的相互作用。能够解析蛋白的一些共价和非共价的相互作用。8能够表征药物、天然产物等的结构，推测其断裂机理，能够表征药物、天然产物等的结构，推测其断裂机理，进行药物代谢研究。进行药物代谢研究。9对化合物进行精确定量分析。对化合物进行精确定量分析。10灵敏度高达灵敏度高达fmol级，分辨率高，可进行超高分辨扫级，分辨率高，可进行超高分辨扫描。描。
