程純?nèi)?，?杰，楊 義，楊 敏，周振星，李再新

(1.四川理工學(xué)院a.化學(xué)與制藥工程學(xué)院;b.制藥工程技術(shù)與應(yīng)用研究所，四川 自貢 643000;2.中國(guó)科學(xué)院上海藥物研究所，上海 201203;3.四川省食品藥品檢驗(yàn)所，成都 610097)

自從J.J.Thomson發(fā)明第一臺(tái)質(zhì)譜儀以來(lái)，質(zhì)譜技術(shù)獲得了巨大的發(fā)展，先后有數(shù)位科學(xué)家因?qū)|(zhì)譜儀的杰出貢獻(xiàn)而獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。特別是田中耕一和Fenn發(fā)明軟電離技術(shù)后的近二十年來(lái)，質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，各種商業(yè)質(zhì)譜大量涌現(xiàn)。在現(xiàn)代藥物研究中，分析樣品往往具有樣品量大、樣品成分復(fù)雜、樣品含量低的特點(diǎn)。質(zhì)譜以其快速、準(zhǔn)確、靈敏等優(yōu)點(diǎn)而受到科研人員的青睞，在藥物分析、藥物代謝等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，逐漸成為分析人員手中不可或缺的工具。

1 質(zhì)譜儀概述

質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)主要由樣品接口、離子源、質(zhì)量分析器和檢測(cè)器構(gòu)成。

樣品接口是將樣品引入儀器的重要部件。最常見(jiàn)的方法是通過(guò)液相或氣相色譜將樣品引入質(zhì)譜的離子源部分。常用的軟電離接口放置模式主要有兩種，一種是垂直正交轉(zhuǎn)移模式，另外一種是同軸轉(zhuǎn)移模式。在垂直轉(zhuǎn)移模式中，噴霧的方向與質(zhì)譜儀入口軸成垂直正交。同軸轉(zhuǎn)移模式中，噴霧方向與質(zhì)譜入口共軸或偏一小角度。

離子源多種多樣，有的要求在真空環(huán)境下工作，有的要求在低壓下工作，而有的則可以在大氣壓下工作。在真空狀態(tài)下工作的離子源主要有電子轟擊源(EI)、化學(xué)電離源(CI)等;低壓下工作的有輝光放電離子源(GDI);大氣壓下工作的有電噴霧源(ESI)、大氣壓化學(xué)電離源(APCI)等。在氣質(zhì)聯(lián)用儀中，離子源通常為電子轟擊源［1］或化學(xué)電離源［2］。而在液質(zhì)聯(lián)用儀中，常用的離子源為電噴霧離子源［3-4］、大氣壓化學(xué)電離源［5］、大氣壓光電離源(APPI)［6-7］、基體輔助激光解析電離源(MALDI)［8-9］等。近幾年還開(kāi)發(fā)了電噴霧解析電離源(DESI)［10］、實(shí)時(shí)直接分析電離源［11-13］、納流電噴霧離子源(NSI)［14-15］，使得藥物樣品的分析更方便和快捷。

質(zhì)量分析器是質(zhì)譜儀中最核心最重要的部分。常見(jiàn)的分析器基本類型有磁偏轉(zhuǎn)、四級(jí)桿、離子阱、飛行時(shí)間和離子回旋共振。不同的質(zhì)量分析器之間相互雜交形成不同的組合，不同的分析器和離子源也有不同的組合，而不同組合的儀器有不同的功能，這樣就構(gòu)成了質(zhì)譜儀器龐大的家族。

檢測(cè)器是質(zhì)譜的最后部分，它用于檢測(cè)離子的存在和強(qiáng)度。通常使用的是電子倍增器，而飛行時(shí)間質(zhì)譜使用的是微通道板(由一組電子倍增器組成)。

2 質(zhì)譜儀及其應(yīng)用

四級(jí)桿質(zhì)譜是目前最常用的質(zhì)譜儀。它具有體積小、質(zhì)量輕、性能好等優(yōu)點(diǎn)［16］。但普通的單四級(jí)桿質(zhì)譜在藥物分析，特別是藥物的定性分析中的應(yīng)用有限，因?yàn)槠潇`敏度和分辨率都相對(duì)較差，且不能進(jìn)行二級(jí)質(zhì)譜的測(cè)定，提供不了更多關(guān)于化合物結(jié)構(gòu)的信息。三重四極桿質(zhì)譜的開(kāi)發(fā)大大改善了選擇性和信噪比，使得這種質(zhì)譜在藥物分析、藥物代謝領(lǐng)域廣泛使用。目前，它在藥物研究中最常見(jiàn)的應(yīng)用是對(duì)藥物樣品進(jìn)行含量測(cè)定，特別是對(duì)一些含量較低的藥物代謝樣品的測(cè)定，其含量測(cè)定的線性范圍最低點(diǎn)很容易達(dá)到納克級(jí)甚至更低，完全可以滿足低濃度樣品的測(cè)定要求。關(guān)于這方面的研究報(bào)道非常多，例如Cui等運(yùn)用液相串聯(lián)三重四級(jí)桿質(zhì)譜測(cè)定了藥物匹卡米隆(picamilon)在人體中的血藥濃度［17］;Deng等運(yùn)用液相串聯(lián)三重四級(jí)桿質(zhì)譜測(cè)定了藥物寡核苷酸在大鼠體內(nèi)的血藥濃度［18］。

三重四級(jí)桿質(zhì)譜非常有利于定向?qū)ふ业秃炕蚪Y(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)，適合藥物的定量分析研究。但在進(jìn)行全掃描和二級(jí)質(zhì)譜分析時(shí)，它的靈敏度就相對(duì)較低，而離子阱質(zhì)譜在這方面卻具有高的靈敏度。因此，離子阱質(zhì)譜特別適合于藥物的定性分析，例如Cheng等運(yùn)用液相色譜串聯(lián)多級(jí)離子阱質(zhì)譜，從靈芝藥材的甲醇提取物中鑒定了73個(gè)三萜類成分［19］。傳統(tǒng)的三維離子阱只有一個(gè)部件——阱，所有操作都在其中進(jìn)行，做二級(jí)質(zhì)譜的過(guò)程為時(shí)間上連續(xù)的過(guò)程。其缺點(diǎn)是具有“1/3丟失效應(yīng)”，即在二級(jí)質(zhì)譜測(cè)定時(shí)，質(zhì)量數(shù)為母離子質(zhì)量數(shù)1/3的碎片離子不易被檢測(cè)到。因此，經(jīng)常需要做三級(jí)質(zhì)譜來(lái)觀測(cè)低質(zhì)量數(shù)的碎片離子。最近，為了改善離子丟失效應(yīng)，科研人員開(kāi)發(fā)了二維線性離子阱質(zhì)譜，它的優(yōu)點(diǎn)是能增大氣相離子的儲(chǔ)量，減少空間電荷效應(yīng)［20-21］。

在分析藥物代謝樣品時(shí)，由于待測(cè)物處于基質(zhì)中，微量的代謝物往往難以檢測(cè)到。離子阱質(zhì)譜如果還能具有選擇性掃描，如子離子掃描或中性丟失掃描(即既有三重四級(jí)桿質(zhì)譜的功能，又有離子阱質(zhì)譜的功能)，那么定性能力就會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)。最近，科研人員開(kāi)發(fā)了四級(jí)桿和線性離子阱的雜交質(zhì)譜(Q-trap)。這種質(zhì)譜既具有三重四級(jí)桿質(zhì)譜的高選擇性和高靈敏度，又具有離子阱強(qiáng)大的全掃描能力。因此Q-trap質(zhì)譜被稱作是“既可以做定量，又可以做定性”的質(zhì)譜［22］。關(guān)于Qtrap在藥物分析中的定性定量應(yīng)用研究非常多，例如Le Blanc等將Q-trap技術(shù)運(yùn)用到藥物蛋白質(zhì)組學(xué)的研究中，顯示了卓越的定性功能［23］;Yang等運(yùn)用Q-trap技術(shù)對(duì)藥材北沙參中的香豆素類成分進(jìn)行定性分析，從中鑒定了41個(gè)化學(xué)成分［24］。

飛行時(shí)間質(zhì)譜(TOF)是常見(jiàn)的高分辨質(zhì)譜，它能準(zhǔn)確測(cè)定樣品的精確分子量。飛行時(shí)間質(zhì)譜可檢測(cè)的分子量范圍大，掃描速度快，儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。在飛行時(shí)間質(zhì)譜的系列商業(yè)機(jī)器中，近期開(kāi)發(fā)的質(zhì)譜儀有四級(jí)桿串聯(lián)飛行時(shí)間質(zhì)譜(Q-TOF)、離子阱串聯(lián)飛行時(shí)間質(zhì)譜(IT-TOF)和飛行時(shí)間串聯(lián)飛行時(shí)間質(zhì)譜(TOF-TOF)等。Q-TOF儀器在全掃描和二級(jí)質(zhì)譜分析過(guò)程中具有非常高的靈敏度。另外，由于它可以測(cè)得母離子和子離子的精確質(zhì)量數(shù)，這樣就非常有利于鑒定未知化合物的結(jié)構(gòu)。Q-TOF質(zhì)譜儀常常與超高效液相色譜儀(UPLC)串聯(lián)，通過(guò)UPLC的高分離效率和Q-TOF的高靈敏度和高檢測(cè)速度相結(jié)合，一次進(jìn)樣分析，同時(shí)獲得待測(cè)化合物的母離子和碎片離子信息。近年，Q-TOF質(zhì)譜儀逐漸成為藥物分析研究中的重要儀器，特別是應(yīng)用于藥物質(zhì)量控制和藥物代謝產(chǎn)物的鑒定。例如Xiang等運(yùn)用液相色譜串聯(lián)四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜，從灌胃給藥甘草水提液后的大鼠體內(nèi)鑒定了104個(gè)代謝產(chǎn)物［25］;Cheng等運(yùn)用超高效液相色譜串聯(lián)四級(jí)桿飛行時(shí)間質(zhì)譜從灌胃給藥?kù)`芝酸D的大鼠體內(nèi)鑒定了27個(gè)代謝產(chǎn)物［26］。另外，也有報(bào)道將Q-TOF質(zhì)譜運(yùn)用到藥物的定量分析研究中，例如Van Nieuwerburgh等運(yùn)用液相串聯(lián)四級(jí)桿飛行時(shí)間質(zhì)譜對(duì)青蒿中的青蒿素及其生物合成前體進(jìn)行定量分析［27］。IT-TOF質(zhì)譜也是性能非常好的高端雜交質(zhì)譜，也經(jīng)常用于藥物分析中。例如Liang等運(yùn)用液相色譜串聯(lián)離子阱飛行時(shí)間質(zhì)譜對(duì)中草藥復(fù)方進(jìn)行了定性和定量分析［28］。TOF-TOF質(zhì)譜也是功能強(qiáng)大的高分辨高端質(zhì)譜，主要用于蛋白質(zhì)大分子的定性分析，也有一些在藥物研究應(yīng)用方面的報(bào)道，例如，Notari等運(yùn)用TOF-TOF測(cè)定了抗艾滋病藥物在人體中的血藥濃度［29］。

高分辨質(zhì)譜的基本類型除前述的飛行時(shí)間質(zhì)譜外，還有磁質(zhì)譜、傅立葉變換離子回旋共振質(zhì)譜(FT-ICR)和傅立葉變換靜電場(chǎng)軌道阱質(zhì)譜(Orbitrap)。在這些高分辨質(zhì)譜儀器中，由于質(zhì)量分析器結(jié)構(gòu)和檢測(cè)器的不同，性能上有很大差異。磁質(zhì)譜經(jīng)典、穩(wěn)定性好，但掃描速度慢;飛行時(shí)間質(zhì)譜分辨率相對(duì)較低，且測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性受操作條件影響大。而傅立葉回旋共振質(zhì)譜具有超高分辨率和高質(zhì)量精度。FT-ICR在藥物分析中也有一些應(yīng)用，例如Huang等運(yùn)用FT-ICR對(duì)中藥材五味子中的木質(zhì)素類成分進(jìn)行定性分析，總結(jié)了木質(zhì)素類成分的質(zhì)譜裂解規(guī)律［30］。但該儀器價(jià)格昂貴、體積龐大、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用高、操作復(fù)雜，這些缺點(diǎn)限制了它的推廣和使用。Orbitrap的操作性能低于FT-ICR，但優(yōu)于TOF。由于采用了靜電場(chǎng)軌道阱作為離子的旋轉(zhuǎn)振蕩，沒(méi)有FT-ICR所需的超高磁場(chǎng)，因而沒(méi)有FT-ICR質(zhì)譜維持超導(dǎo)磁體工作所需的大量液氦和液氮的消耗，使維持儀器運(yùn)轉(zhuǎn)相對(duì)簡(jiǎn)化，顯著降低了使用成本。現(xiàn)在商業(yè)化的Orbitrap為雜交質(zhì)譜，即LTQ-Orbitrap。它由兩種不同類型的質(zhì)譜雜交構(gòu)成，前級(jí)為二維線性離子阱質(zhì)譜，提供結(jié)構(gòu)碎片信息;后面為Orbitrap高分辨質(zhì)譜，提供元素組成。和其它雜交質(zhì)譜相比，前端的二維線性離子阱是可獨(dú)立工作的低分辨質(zhì)譜，可完成所有離子阱質(zhì)譜的一級(jí)、二級(jí)甚至多級(jí)分析。在進(jìn)行高分辨質(zhì)譜分析時(shí)，二維線性離子阱的作用是富集離子和產(chǎn)生多級(jí)碎片。在高分辨掃描時(shí)，二維線性離子阱可同時(shí)進(jìn)行多個(gè)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的二級(jí)質(zhì)譜或多級(jí)質(zhì)譜掃描，是真正的高低分辨雙質(zhì)譜同時(shí)分析。LTQ-Orbitrap已經(jīng)逐步運(yùn)用到藥物分析中，例如，Su等運(yùn)用液相色譜串聯(lián)LTQ-Orbitrap對(duì)中藥復(fù)方制劑——柴胡舒肝散中抗氧化成分進(jìn)行定性分析，從中鑒定了33個(gè)化學(xué)成分［31］。

也有一些正處于研發(fā)階段的質(zhì)量分析器，如飛行距離質(zhì)譜。飛行距離質(zhì)譜是一種高分辨質(zhì)譜，它的基本原理與飛行時(shí)間質(zhì)譜類似，是通過(guò)在固定時(shí)間內(nèi)測(cè)定待測(cè)物離子飛行的距離來(lái)測(cè)定其質(zhì)量數(shù)［32］。這種質(zhì)量分析器目前仍處于開(kāi)發(fā)階段，暫無(wú)商業(yè)化機(jī)器出現(xiàn)。

3 展望

近年，質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越快。隨著它在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，特別是醫(yī)藥研究領(lǐng)域的應(yīng)用，人們逐步認(rèn)識(shí)到它的強(qiáng)大功能。反過(guò)來(lái)，各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用也推動(dòng)了該儀器的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和改進(jìn)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，質(zhì)譜儀會(huì)越來(lái)越完美，功能會(huì)越來(lái)越完善，為藥物研究的分析工作提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。

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