质谱专业参数解析

质谱专业参数解析 前言 150200250300 0 150 300 450 600 750 900 215.6215.8216.0216.2216.4 0 150 300 450 600 响应强度响应强度 m/z 216.053 M+H + 响应强度响应强度 m/z 216 M+H +质谱仪 样品 定性结果 定量结果 目 录 质荷比质荷比 响应强度响应强度 信噪比信噪比 基本概念基本概念 分辨率分辨率 质量精度质量精度 质量范围质量范围 定性参数定性参数 灵敏度灵敏度 检测限检测限 动态范围动态范围 定量参数定量参数 目 录 质荷比质荷比 响应强度响应强度 信噪比信噪比 基本概念基本概念 分辨率分辨率 质量精度质量精度 质量范围质量范围 定性参数定性参数 灵敏度灵敏度 检测限检测限 动态范围动态范围 定量参数定量参数 100200300400 0 200 400 600 800 1000 Intensity (count) m/z m/z271 m/z198 质荷比 定义 质荷比 （mass to charge ratio ，符号m/z），是描述一个离子或 者峰的质量与电荷比值的符号。（m 为标准的质子质量单位， 单位为u(amu为不规范表达)或Da；z 为粒子所带电荷数，数值 为离子所带电量与单位电荷量之间的比值）。在国际单位制下， 其单位为kg/C，实际中常用单位为Th(即即Thomson)。 m/q或m/e都是不规范的表达方式。 质量单位 Da为Dalton，质量单位，等于一个碳原子（12C）的十二分之一， 国际协议赋予12C确切的质量数为12Da，约为1.6610-24 g；1g 61023 Da amu : atomic mass unit，原子质量单位u 1 u = 1Da = 1.660 538 921 (73) 10-27 kg 1 Th = 1Da/z = 1amu/z = 1.036426 10-8 kg/C 质荷比 常见原子及同位素丰度比 原子符号原子符号 质量（质量（amu） 天然丰度（天然丰度（%） 氢氢 1H 1.0078 99.99 碳碳 12C 12.0000 98.89 13C 13.0033 1.11 氮氮 14N 14.0031 99.64 15N 15.0001 0.36 氧氧 16O 15.9949 99.76 18O 17.9992 0.2 硫硫 32S 31.9721 95.00 33S 32.9715 0.76 34S 33.9679 4.22 质荷比 几个概念 名义质量数 采用元素相对质量数的整数部分表示的质量数。 如H=1，C=12，N=14，O=16。 单同位素质量数或准确质量数 用丰度最大的同位素准确质量数计算。 如12C=12,1H=1.0078，16O=15.9948 平均质量数或化学质量数MW 所有天然同位素按照丰度加权平均计算出的质量数。 如H=1.0079，C=12.0010，O=15.9994 质荷比 药品说明：药品说明： CAS号：号：50-55-5 分子式：分子式：C33H40N2O9 分子量：分子量：608.67900 使用单一同位素质量： H： 401.0078 = 40.3132 C： 3312.0000 = 396.0000 N： 214.0031 = 28.0061 O： 915.9949 =143.9542 质量数质量数 608.2735 质荷比 质量数计算 使用原子量： H： 401.0079 = 40.3160 C： 3312.0110 = 396.363 N： 214.0067 = 28.013 O： 915.9994 =143.995 MW 608.687 质量数与质荷比关系 利血平 M+H+的离子 短杆菌肽S M+2H2+的离子 质荷比 600602604606608610612614 0 400 800 1200 1600 信 号 强 度 m/z 609.2814 610.298 611.300 566568570572574576 0 300 600 900 1200 1500 572.366 571.863 信 号 强 度 m/z 571.349 572.869 利血平分子： 608.2735Da 利血平M+H+离子： 609.2814Th = (608.2735+1.0078)/1 短杆菌肽S分子： 1140.7063Da 短杆菌肽SM+2H2+离子： 571.3610Th = (1140.7073+21.0078)/2 响应强度 定义 质谱响应（response）的大小表示为强度(intensity)或丰度 (abundance)。它们都是用于判断质谱信号的强弱程度的。 不同仪器的绝对强度是由仪器自身确定的，但是对于同一实验 体系，信号的强度主要由分析物的浓度决定，其单位通常为 counts，代表离子计数。对于确定的检测系统，质谱响应也可表 示为mV、V等单位。 另外，强度还可表示为相对丰度。将每一张质谱图都质谱归一 化，这样有利于分析一个分析体系中物质之间相对的量的差别。 相对强度通常以百分数表示。 响应强度 几个概念 总离子流图（Total ion current，TIC）： 在选定的质量范围内，所有离子强度的 总和相对分析时间或者扫描次数所作出 的图。色谱质谱联用时，TIC即为色谱图。 离子色谱图（ion chromatograph，IC）： 指定的某一质荷比离子的强度相对分析时 间或者扫描次数所作出的图。IC图对我们 判断仪器的稳定性和了解离子的变化特征 很有帮助。 050010001500 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 m/z179 m/z331 m/z229 counts 保留时间 （s） Counts 保留时间 （s） 050010001500 0 5000 10000 15000 TIC 响应强度 几个概念 总离子流图（Total ion current，TIC）： 在选定的质量范围内，所有离子强度的 总和相对分析时间或者扫描次数所作出 的图。色谱质谱联用时，TIC即为色谱图。 离子色谱图（ion chromatograph，IC）： 指定的某一质荷比离子的强度相对分析时 间或者扫描次数所作出的图。IC图对我们 判断仪器的稳定性和了解离子的变化特征 很有帮助。 01234567 0 1x106 2x106 3x106 4x106 5x106 6x106 7x106 Intensity (counts) Time (min) TIC MIC=153 1（原料） MIC=177 1（未知产物） MIC=251 1（目标产物） TIC&MIC 100150200250300 0 1x105 2x105 3x105 4x105 5x105 6x105 7x105 原料M+ACN+ 194.0 153.0 Intensity (counts) m/z (Da) MASS-Rt=0.67min 原料M+H+ 100150200250300 0 1x105 2x105 3x105 4x105 5x105 6x105 目标产物M+H+ MASS-Rt=1.93min 223.0 205.0 191.0 150.0 177.0 251.1 Intensity (counts) m/z (Da) 20170406-lsn062-m11 1 2 3 3 100150200250300 0.0 5.0 x104 1.0 x105 1.5x105 2.0 x105 2.5x105 3.0 x105 3.5x105 4.0 x105 未知产物M+H+ MASS-Rt=0.80min 205.0 Intensity (counts) m/z (Da) 177.0 1 2 信噪比 定义 信噪比（signal to noise ratio, S/N或SNR）质谱谱峰（信号响应强度） S与噪音水平N的比值。 如果某离子的信号响应 强度值为X，噪音水平 为Y，则信噪比为： S/N X Y 信噪比 信噪比的测量 Npp：峰峰噪音值，选 取一段基线噪音的最 大值，光谱法常用 NRMS: 均方根噪音值， 选取一段极限噪音 的 均方根值 610.6610.8611.0611.2611.4611.6611.8612.0612.2 0 20 40 60 80 100 强度 m/z a b c 610.6610.8611.0611.2611.4611.6611.8612.0612.2 0 20 40 60 80 100 强度 m/z 270280290300 0 20 40 60 80 100 强度 m/z 274.269 301.149 目 录 质荷比质荷比 响应强度响应强度 信噪比信噪比 基本概念基本概念 分辨率分辨率 质量精度质量精度 质量范围质量范围 定性参数定性参数 灵敏度灵敏度 检测限检测限 动态范围动态范围 定量参数定量参数 定义 分辨率 分辨率（resolution，准确地应该叫分辨本领resolving power）用 于定义质谱仪分辨两个不同离子质荷比的能力。通常用R来表示。 质谱的分辨能力被定义为R=M/M，为一个无量纲的数字。其中 M是单电荷离子的质荷比，M是M和紧挨着的有最高质荷比值 离子值的差值。 IUPAC 将质谱分辨率resolution也表示为 m/m的取值,其中 m 为 所研究离子的质量，m 峰宽或相邻的两个峰之间的间隔。而将 质谱的分辨本领 Resolving power in mass spectrometry定义为仪器 区分两个m/z十分相近的峰的能力，表示为质量单位下的峰宽 m。实际使用中也经常将分辨率和分辨本领混淆，一般场合下， 提到的分辨率就是分辨本领。 分辨率 数学定义 21 M R MM M R M (1) M1和M2代表两个相邻峰的质量数 (2) M代表某一峰的质量，M代表某种条 件下定义的峰宽 M1 M2 10%valley 5%Max. M 50%Max. M1 M2 M M50% M5% 半峰分辨 分辨率 不同类型的质谱仪，其分辨率定义也不尽相同。以飞行时间质谱为 代表的多种质谱仪，其分辨率如前所述，表示为R = M/M，其中 M为单一质谱峰的半峰宽（Full Width at Half Maximum）。是一 个无量纲的数值。特别地，对于飞行时间质谱，谱图在横坐标为飞 行时间时，其分辨率可表示为 R = M/M = T/2T。 608.0608.5609.0609.5610.0610.5611.0611.5612.0 0 500 1000 1500 2000 响应强度 m/z 609.285 M=609.285 M = 0.419 R= M/M = 14541 5750057600 0 500 1000 1500 2000 响应强度 飞行时间 (ns) 57509.6 T=57509.6 T = 1.98 R= T/T = 14522 理论上来说，飞行时间质 谱在全质量范围的分辨率 是不变的，也就是说，峰 的宽度会随质量数的增加 而增大。 单位分辨 分辨率 四极杆质谱和离子阱质谱均属 于低分辨仪器，一般能分开质 荷比相差1的两个带电离子，即 通常所谓单位分辨，其单位为 Th。 表达方式： 通常取峰的半高宽来定义分辨 率。 R0.6Th R0.3Th 峰宽在全质量范围不变，不随质量 数的增加而增大，因此，如果以 R=M/M计算分辨率，在高质量范 围的分辨率高于低质量范围的分辨 率。 分辨本领重要性 分辨率 低分辨率质谱仪： R 10000 高分辨率质谱仪： R 10000 （FT-ICR MS：R可达 1 106） 仪器的分辨率越高，可分 辨的物质种类越多。结合 高质量精度，可以确定物 质的分子式。 CO: 28 N2: 28 C2H4: 28 CO: 27.9949 N2: 28.0062 C2H4: 28.0313 低分辨 高分辨 R = 700 R = 1200 R = 7000 质量精度 定义 质量精度（mass accuracy）某种离子的测量质荷比与实际（理论） 质荷比的偏离程度。常用ppm来表示。通常用已知的单一同位素峰 来衡量。 假设某已知离子的真实质荷比为M，实际测量质荷比为M，则该 仪器的质量精度可表示为： （单位为ppm） 质量精度不是IUPAC认可的质谱专业术语，但是它是评价质谱定性 能力的一个重要参数。 有些场合，也直接将质荷比测量值的偏差当成质量精度，此时，单 位为Th。 6 M M A10 M 质量精度 辨析 质量稳定度（mass stability）是只仪器对离子测量的稳定度。常用 质荷比多次测量的相对标准偏差表示，单位ppm。 假设某离子质荷比多次测量只的平均值为M，标准偏差SD，则该 仪器的质量稳定度可表示为： （单位为ppm） 由于质量稳定度的单位和质量精度一致，因此某些开发者或应用者 经常将两者混淆。质量精度和质量稳定度是离子质荷比测量的两个 不同的属性，前者反应了测量值与理论值的偏离程度；后者反应了 测量值的离散程度。因此，不能将两者混为一谈。 6 SD S10 M 123.36123.38123.40123.42123.44 0 30 60 90 120 150 强度 m/z 质量精度 测试与计算 实际测量中，选取质荷比在质量范围内一种物质进行测量，从质谱 图中选取一个已知质荷比的峰测定其重心，得到峰对应的测量质荷 比M。 以利血平C33H40N2O9为例，测量M+H+峰质荷比为609.2809，而 理论质荷比为609.2814，因此，质量精度为： 特别要注意，在选取离子峰时，要选择单一同位素峰，而不要选择 由多种元素同位素构成的峰。 6 609.287609.281 10 =9.85ppm 609.281 A 606608610612 0 400 800 1200 1600 2000 强度 m/z 609.2870 理论值 609.2814 质量精度 质量精度的意义 当设置误差为5ppm时： 可能的分子式有171种 当设置误差为3ppm时： 可能的分子式有16种 质量范围 定义 质量范围（mass range）是质谱仪器能检测到的最低和最高质荷比 范围，取决于质量分析器的类型。 因为质谱检测的是质荷比（m/z），而不是质量，所以仅当离子所 带电荷数z=1时，才将质量上下限看成是能检测化合物的最高最低 相对分子质量。 若相对分子质量为10000的化合物，带10个电荷，其 m/z=10000/10=1000，所以质量上限为1000的质量分析器也能检测 到相对分子质量为10000的化合物。 表达方式：m/z1000；m/z501200等 质量范围 示例 不同仪器： 四极杆： m/z4000 离子阱质谱： m/z4000 磁质谱： m/z10000 FTICR-MS： m/z50000 飞行时间质谱： 无上限 不同要求： 气相色谱质谱： m/z800 液相色谱质谱： m/z2000 生物质谱： m/z10000或更大 目 录 质荷比质荷比 响应强度响应强度 信噪比信噪比 基本概念基本概念 分辨率分辨率 质量精度质量精度 质量范围质量范围 定性参数定性参数 灵敏度灵敏度 检测限检测限 动态范围动态范围 定量参数定量参数 标准曲线 标准曲线（Calibration curve）也叫作工作曲线（Working curve）是 某种被测物质的浓度或含量与仪器的响应信号之间的关系曲线。 线性范围线性范围 浓度浓度x 响响 应应 强强 度度 S2 S0 x1 x0 x3 x2 S1 xn xi x4 S3 S4 Si Sn 灵敏度 定义 灵敏度（sensitivity）是在规定的条件下，对选定化合物产生的某 一质谱峰，仪器对单位样品所产生的响应值。IUPAC将灵敏度定义 为仪器校正曲线的斜率。 然而，很多仪器产商误将仪器能够检测到的物质的最小的量称为仪 器灵敏度，这实际上是把灵敏度和检测限的概念混淆了。 在实际应用中，我们常常将能够观察到 的最小强度变化量（3）对应的进样量 变化作为仪器的灵敏度。 S dI dc 灵敏度 强度变化量 浓度变化量 灵敏度 灵敏度的意义 灵敏度的指标实际上是仪器综合性能的反映，因为它与样品、分辨 率、扫描速度、进样方式以及电离方式密切相关，所以，在提供仪 器的灵敏度指标时，都需具体指定上述的各项条件。 实际工作中，仪器灵敏度的表示方式为： 10ppb利血平样品，在5uL/min的流速条件下，利血平m/z609的信 噪比为50:1。如果以信噪比3:1定义灵敏度，则仪器灵敏度为 10/17ppb。 很多场合，仅仅简单地描述为“仪器灵敏度可达fmol量级、pg/uL， ppb量级”都是不正确的说法。 检测限 定义 检测限（Limit of detection，LOD）是在一定的置信水平范围，使 误差的可能性在接受范围内，高于分析过程产生的噪声的最小可检 测量。也写作detection limits。通常按照以物质的浓度、含量来表 示。 特别地，这里的 “被检测到”必须是 确定的条件，例如信 号强度高于3倍测量 标准偏差等。 检测限 表示单位 常用物质含量不同表示方式： 表达方式表达方式 适用场合适用场合 绝对量绝对量 质量质量 g, , ng, pg, 固体，溶液 物质的量物质的量 mol, , pmol, fmol, 固体，溶液 相对量相对量 质量浓度质量浓度 kg/L, , mg/L(ppm) , g/L(ppb) , 溶液 kg/m3, , mg/m3, g/m3, 气体 物质的量浓度物质的量浓度 mol/L(M), , mmol/L(mM), mol/L(M), 溶液 质量分数质量分数 kg/kg, , mg/kg(ppm), g/kg(ppb), 固体 体积分数体积分数 m3/m3, , mL/m3 (ppm), L/m3 (ppb), nL/m3 (ppt), 液体，气体 检测限 单位换算 常用物质含量单位之间的转换： 对于配置成溶液的样品， 计算示例： 以利血平为例，物质的量M = 628g/mol，样品浓度为1mg/L，于是 M为物质的量，单位为物质的量，单位 为为g/mol。 mg/L=ppm, g/L=ppb mmol/L=mM, mol= M 11 mg/L=mmol/L, g/L=mol/L MM 1mg/L=1ppm 1mg/L=1.57 mol/L=1.57 M 检测限 单位换算 常用物质含量单位之间的转换： 对存在于土壤或动物肉类等固态基质中的物质的 计算示例： 以猪肉中的呋喃唑酮为例，假设呋喃唑酮的浓度为1ppb，于是 mg/kg=ppm, g/kg=ppb 1ppb=1 g/kg 检测限 单位换算 质谱在与色谱联用时，通常每次分析只注入一定体积的样品。 例如LC-MS，首先将利血平配制为1g/L（1ppb），），可以通过定量 环或者自动进样器，注入10L标准样品。此时，利血平的绝对量 为 1 g/L 10 L=10pg 检测限 单位换算 以GC-MS为例，对于液体样品（如八氟萘），可先将配制为1g/L 的标准样品，然后通过进样针定量注入5 L样品，此时八氟萘的绝 对量就是 此外，对于气体样品（如50ppb甲苯），还可以通过注射器抽取 50mL样品，通入GC-MS，于是，甲苯的绝对量为 1 g/L 5 L=5pg 10 150 92/2.05 10205 22.4/ ppbmL g molgpg L mol 动态范围 定义 动态范围（dynamic range）是仪器能够响应的最大浓度（或含量） 与最小浓度（或含量）也就是检测限之间的范