质谱技术的新进展及其在药物研究中的应用

程纯儒，丁 杰，杨 义，杨 敏，周振星，李再新

(1.四川理工学院a.化学与制药工程学院;b.制药工程技术与应用研究所，四川 自贡 643000;2.中国科学院上海药物研究所，上海 201203;3.四川省食品药品检验所，成都 610097)

自从J.J.Thomson发明第一台质谱仪以来，质谱技术获得了巨大的发展，先后有数位科学家因对质谱仪的杰出贡献而获得了诺贝尔奖。特别是田中耕一和Fenn发明软电离技术后的近二十年来，质谱技术的发展突飞猛进，各种商业质谱大量涌现。在现代药物研究中，分析样品往往具有样品量大、样品成分复杂、样品含量低的特点。质谱以其快速、准确、灵敏等优点而受到科研人员的青睐，在药物分析、药物代谢等领域获得了广泛的应用，逐渐成为分析人员手中不可或缺的工具。

1 质谱仪概述

质谱仪的结构主要由样品接口、离子源、质量分析器和检测器构成。

样品接口是将样品引入仪器的重要部件。最常见的方法是通过液相或气相色谱将样品引入质谱的离子源部分。常用的软电离接口放置模式主要有两种，一种是垂直正交转移模式，另外一种是同轴转移模式。在垂直转移模式中，喷雾的方向与质谱仪入口轴成垂直正交。同轴转移模式中，喷雾方向与质谱入口共轴或偏一小角度。

离子源多种多样，有的要求在真空环境下工作，有的要求在低压下工作，而有的则可以在大气压下工作。在真空状态下工作的离子源主要有电子轰击源(EI)、化学电离源(CI)等;低压下工作的有辉光放电离子源(GDI);大气压下工作的有电喷雾源(ESI)、大气压化学电离源(APCI)等。在气质联用仪中，离子源通常为电子轰击源［1］或化学电离源［2］。而在液质联用仪中，常用的离子源为电喷雾离子源［3-4］、大气压化学电离源［5］、大气压光电离源(APPI)［6-7］、基体辅助激光解析电离源(MALDI)［8-9］等。近几年还开发了电喷雾解析电离源(DESI)［10］、实时直接分析电离源［11-13］、纳流电喷雾离子源(NSI)［14-15］，使得药物样品的分析更方便和快捷。

质量分析器是质谱仪中最核心最重要的部分。常见的分析器基本类型有磁偏转、四级杆、离子阱、飞行时间和离子回旋共振。不同的质量分析器之间相互杂交形成不同的组合，不同的分析器和离子源也有不同的组合，而不同组合的仪器有不同的功能，这样就构成了质谱仪器庞大的家族。

检测器是质谱的最后部分，它用于检测离子的存在和强度。通常使用的是电子倍增器，而飞行时间质谱使用的是微通道板(由一组电子倍增器组成)。

2 质谱仪及其应用

四级杆质谱是目前最常用的质谱仪。它具有体积小、质量轻、性能好等优点［16］。但普通的单四级杆质谱在药物分析，特别是药物的定性分析中的应用有限，因为其灵敏度和分辨率都相对较差，且不能进行二级质谱的测定，提供不了更多关于化合物结构的信息。三重四极杆质谱的开发大大改善了选择性和信噪比，使得这种质谱在药物分析、药物代谢领域广泛使用。目前，它在药物研究中最常见的应用是对药物样品进行含量测定，特别是对一些含量较低的药物代谢样品的测定，其含量测定的线性范围最低点很容易达到纳克级甚至更低，完全可以满足低浓度样品的测定要求。关于这方面的研究报道非常多，例如Cui等运用液相串联三重四级杆质谱测定了药物匹卡米隆(picamilon)在人体中的血药浓度［17］;Deng等运用液相串联三重四级杆质谱测定了药物寡核苷酸在大鼠体内的血药浓度［18］。

三重四级杆质谱非常有利于定向寻找低含量或结构相似的物质，适合药物的定量分析研究。但在进行全扫描和二级质谱分析时，它的灵敏度就相对较低，而离子阱质谱在这方面却具有高的灵敏度。因此，离子阱质谱特别适合于药物的定性分析，例如Cheng等运用液相色谱串联多级离子阱质谱，从灵芝药材的甲醇提取物中鉴定了73个三萜类成分［19］。传统的三维离子阱只有一个部件——阱，所有操作都在其中进行，做二级质谱的过程为时间上连续的过程。其缺点是具有“1/3丢失效应”，即在二级质谱测定时，质量数为母离子质量数1/3的碎片离子不易被检测到。因此，经常需要做三级质谱来观测低质量数的碎片离子。最近，为了改善离子丢失效应，科研人员开发了二维线性离子阱质谱，它的优点是能增大气相离子的储量，减少空间电荷效应［20-21］。

在分析药物代谢样品时，由于待测物处于基质中，微量的代谢物往往难以检测到。离子阱质谱如果还能具有选择性扫描，如子离子扫描或中性丢失扫描(即既有三重四级杆质谱的功能，又有离子阱质谱的功能)，那么定性能力就会进一步加强。最近，科研人员开发了四级杆和线性离子阱的杂交质谱(Q-trap)。这种质谱既具有三重四级杆质谱的高选择性和高灵敏度，又具有离子阱强大的全扫描能力。因此Q-trap质谱被称作是“既可以做定量，又可以做定性”的质谱［22］。关于Qtrap在药物分析中的定性定量应用研究非常多，例如Le Blanc等将Q-trap技术运用到药物蛋白质组学的研究中，显示了卓越的定性功能［23］;Yang等运用Q-trap技术对药材北沙参中的香豆素类成分进行定性分析，从中鉴定了41个化学成分［24］。

飞行时间质谱(TOF)是常见的高分辨质谱，它能准确测定样品的精确分子量。飞行时间质谱可检测的分子量范围大，扫描速度快，仪器结构简单。在飞行时间质谱的系列商业机器中，近期开发的质谱仪有四级杆串联飞行时间质谱(Q-TOF)、离子阱串联飞行时间质谱(IT-TOF)和飞行时间串联飞行时间质谱(TOF-TOF)等。Q-TOF仪器在全扫描和二级质谱分析过程中具有非常高的灵敏度。另外，由于它可以测得母离子和子离子的精确质量数，这样就非常有利于鉴定未知化合物的结构。Q-TOF质谱仪常常与超高效液相色谱仪(UPLC)串联，通过UPLC的高分离效率和Q-TOF的高灵敏度和高检测速度相结合，一次进样分析，同时获得待测化合物的母离子和碎片离子信息。近年，Q-TOF质谱仪逐渐成为药物分析研究中的重要仪器，特别是应用于药物质量控制和药物代谢产物的鉴定。例如Xiang等运用液相色谱串联四极杆飞行时间质谱，从灌胃给药甘草水提液后的大鼠体内鉴定了104个代谢产物［25］;Cheng等运用超高效液相色谱串联四级杆飞行时间质谱从灌胃给药灵芝酸D的大鼠体内鉴定了27个代谢产物［26］。另外，也有报道将Q-TOF质谱运用到药物的定量分析研究中，例如Van Nieuwerburgh等运用液相串联四级杆飞行时间质谱对青蒿中的青蒿素及其生物合成前体进行定量分析［27］。IT-TOF质谱也是性能非常好的高端杂交质谱，也经常用于药物分析中。例如Liang等运用液相色谱串联离子阱飞行时间质谱对中草药复方进行了定性和定量分析［28］。TOF-TOF质谱也是功能强大的高分辨高端质谱，主要用于蛋白质大分子的定性分析，也有一些在药物研究应用方面的报道，例如，Notari等运用TOF-TOF测定了抗艾滋病药物在人体中的血药浓度［29］。

高分辨质谱的基本类型除前述的飞行时间质谱外，还有磁质谱、傅立叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR)和傅立叶变换静电场轨道阱质谱(Orbitrap)。在这些高分辨质谱仪器中，由于质量分析器结构和检测器的不同，性能上有很大差异。磁质谱经典、稳定性好，但扫描速度慢;飞行时间质谱分辨率相对较低，且测量数据的准确性受操作条件影响大。而傅立叶回旋共振质谱具有超高分辨率和高质量精度。FT-ICR在药物分析中也有一些应用，例如Huang等运用FT-ICR对中药材五味子中的木质素类成分进行定性分析，总结了木质素类成分的质谱裂解规律［30］。但该仪器价格昂贵、体积庞大、运转费用高、操作复杂，这些缺点限制了它的推广和使用。Orbitrap的操作性能低于FT-ICR，但优于TOF。由于采用了静电场轨道阱作为离子的旋转振荡，没有FT-ICR所需的超高磁场，因而没有FT-ICR质谱维持超导磁体工作所需的大量液氦和液氮的消耗，使维持仪器运转相对简化，显著降低了使用成本。现在商业化的Orbitrap为杂交质谱，即LTQ-Orbitrap。它由两种不同类型的质谱杂交构成，前级为二维线性离子阱质谱，提供结构碎片信息;后面为Orbitrap高分辨质谱，提供元素组成。和其它杂交质谱相比，前端的二维线性离子阱是可独立工作的低分辨质谱，可完成所有离子阱质谱的一级、二级甚至多级分析。在进行高分辨质谱分析时，二维线性离子阱的作用是富集离子和产生多级碎片。在高分辨扫描时，二维线性离子阱可同时进行多个数据关联的二级质谱或多级质谱扫描，是真正的高低分辨双质谱同时分析。LTQ-Orbitrap已经逐步运用到药物分析中，例如，Su等运用液相色谱串联LTQ-Orbitrap对中药复方制剂——柴胡舒肝散中抗氧化成分进行定性分析，从中鉴定了33个化学成分［31］。

也有一些正处于研发阶段的质量分析器，如飞行距离质谱。飞行距离质谱是一种高分辨质谱，它的基本原理与飞行时间质谱类似，是通过在固定时间内测定待测物离子飞行的距离来测定其质量数［32］。这种质量分析器目前仍处于开发阶段，暂无商业化机器出现。

3 展望

近年，质谱技术的发展越来越快。随着它在各个领域的应用，特别是医药研究领域的应用，人们逐步认识到它的强大功能。反过来，各个行业的应用也推动了该仪器的进一步开发和改进。随着技术的进步，质谱仪会越来越完美，功能会越来越完善，为药物研究的分析工作提供强大的技术支持。

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