高分辨率是進行化合物檢測的可靠保證

前言

分析實驗室始終面對著這樣的挑戰，就是既要保證最高水準準確度，也要在數據充分可靠的基礎上不斷提高檢測效率。此類實驗室大多采用氣相色譜、液相色譜和三重四極桿質譜儀（MS）聯用來實現目標化合物檢測。以上分析技術可在一定的靈敏度水平和選擇性要求范圍內檢測性質差異較大的多種化合物，但是，其局限性在于需要確定的目標化合物列表并要求對每個化合物進行針對性的質譜實驗參數的優化。而使用靜電場軌道阱（Orbitrap）技術分析樣本，得到高分辨全掃描數據可輕松解決以下挑戰：

? 針對數量迅速增長的化合物同時定性和定量分析的需求

? 針對過去采集的數據進行有目的的回顧性分析

? 針對化學元素組成及結構未知化合物進行定性鑒定分析的需求

迄今為止，靜電場軌道阱技術通過與液相色譜聯用的成功，充分證明了它作為一種高效分析手段存在的重要價值。 1 現在，全新發布的 Thermo Scientific TM Q Exactive TM 氣相色譜四極桿-靜電場軌道阱聯用質譜儀（GC hybrid quadrupole-Obitrap MS system）系統真正實現了 Orbitrap 技術與氣相色譜聯用。這臺全新的臺式四極桿-軌道阱質譜儀開啟了適合氣相色譜分析的化合物的全新分析時代。以下分析實例將著重展示氣相色譜聯用高分辨質譜的強大分析優勢。

質量分辨率對于目標化合物檢測選擇性的重要性

高分辨精確質量數（HR/AM）檢測對樣品進行質量數全掃描分析，對于小分子化合物分析來說，掃描范圍一般設為 50-1000 Da。 Orbitrap 技術的高分辨能力可將目標化合物與具有相近質量數的其他化合物以及基質干擾物進行有效區別。在針對目標化合物的檢測中，目標離子在較窄的質量窗口內進行提取分析（通常 < 5 ppm）。高分辨質譜儀可以在保證高質量分辨率的狀態下，同時提供高質量準確度的數據，只有兩者同時具備才能夠在如此窄的質量窗口內實現目標化合物離子的精確提取。當分辨率不夠高，兩個化合物離子的質譜峰就有可能發生交疊，而實測質譜峰為兩個化合物離子質量數的合并。而這種質量數的交疊可直接導致目標化合物的的質量數檢測結果產生較大偏差。此類問題如圖 1 所示，通過 QuEChERS 法提取的韭菜提取物溶解于丙酮溶液，分辨率在15K、 30K、 60K 以及 120K（m/z 200）質量分辨率條件下檢測四次的結果。

以上質譜圖表明農藥氯苯胺靈（m/z 127.01833）與基質中的一個具有相似質荷比的背景離子發生干擾。在 60K 和 120K 分辨率條件下，氯苯胺靈與干擾離子質譜峰基本實現基線分離，從而獲得偏差極小的精確質量數。而在 15K 和 30K 分辨率條件下，由于無法將氯苯胺靈和干擾離子有效分辨，使得實測質量數與理論值偏差較大。在 15K 分辨率下，質量偏差達到18.4 ppm。通常篩查實驗中，設定質量誤差范圍為 < 5 ppm，最高可將范圍提高至 10 ppm，而上述質量偏差可造成該農藥篩查結果假陰性（未被檢測到）。這個例子明確展示了篩查實驗對于設定質量分辨率是有最低要求的。最低質量分辨率的限定值取決于待測樣本的復雜程度以及目標化合物、干擾物質的濃度。

在高分辨率條件下仍可保持良好靈敏度

其他類型的氣相-質譜（GC-MS）聯用技術，在提高質譜分辨率的情況下均可導致離子傳輸效率的下降。從而對檢測的靈敏度和精確度造成影響。對于復雜基質中的低含量水平目標化合物篩查、定量分析來說，在實現高質量分辨率的同時，必須保證儀器足夠的靈敏度。在圖 1 中，明確展示了高分辨率的必要性。那么，在質量分辨率非常重要的前提下，在 60K 和 120K高分辨率條件下保證靈敏度顯得尤其必要。不同于其他類型質譜儀， Q Exactive 氣相色譜聯用系統可在提高質量分辨率的情況下，信號靈敏度不發生顯著降低。圖 2 展示了 QuEChERS法提取的胡蘿卜提取樣本中三種濃度為 10 ng/g 的農藥（氯苯胺靈、氟蟲腈和二甲戊樂靈）在 15K、 60K 和 120K 分辨率模式下分析的峰面積。上述提取物樣本分析在三種分辨率模式下均采用一級全掃描模式進行數據采集。其穩定的表現使得儀器可以不犧牲靈敏度的情況下，通過提高質量分辨率獲取準確度極高的精確質量數。

應用高分辨質譜鑒定未知化合物

采用全掃描模式獲取精確質量數是 Orbitrap 技術的優勢之一，該優勢允許隨時對過去的數據進行回顧分析，從而發現并鑒定未知峰。在保證精確質量數準確的條件下，可通過實測得到的精確質量數以及同位素比例推測未知化合物的元素組成。所推測的化學元素組成可能結果的數量取決于計算模塊中選定的化學元素種類及質譜分析數據質量。在高分辨模式下，保證小于 1 ppm 質量偏差的分析數據可將目標未知化合物可能的化學元素組成控制在最小數量內。元素組成推測結果見圖 3，通過元素組成計算模塊計算一個實測為 m/z 304.10058 的離子可能的元素組成結果數量，其中各化學元素的個數范圍為：碳（C） 1–50，氫（H） 1–50、氧（O） 1–20、氮（N）1–20、磷（P） 1–10、硫（S） 1–10。

質量偏差范圍由 0.5 到 10 ppm 范圍內變化，分別推測出的可能化學式數量見圖 3。正如所料，質量偏差范圍越寬，推測可能的化學式數量越多。在設定偏差范圍為 10 ppm 情況下，推測出 60 種可能的元素組成。即使將質量偏差范圍縮小到相對低的 3 ppm，仍列出 20 種可能的元素組成。然而在將質量偏差縮小至 Q Exactive GC 系統通常容許的小于 1 ppm 范圍時，推測結果僅剩下兩個偏差小于 0.5 ppm 的化學元素組成。其中，第一個推測結果為偏差為 0.3 ppm 的 C12H21N2O3PS，將該結果提交至 ChemSpider 在線數據庫檢索，返回結果排在第一位為農藥二嗪農（diazinon）。后續結構鑒定可通過將電子轟擊（EI）所獲得的碎片離子與標準譜庫進行匹配分析。

結論

? 具備無可比擬的常規高質量分辨能力和穩定的亞 ppm 級質量精確度的Thermo Scientific Q Exactive GC 質譜儀是實現化合物檢測、篩查、定量以及未知化合物鑒定、結構解析的獨一無二的強大工具。

? 將氯苯胺靈與背景干擾離子有效區別，要求質譜分辨率不低于 60,000 FWHM（m/z 200）。這個分辨率要求對
于檢測其他化合物同樣必要。

? Q Exactive GC 質譜系統可為復雜基質樣本中目標化合物檢測提供高靈敏度分析結果，更重要的是，在不同質譜分辨率（在 m/z 200，標準質量分辨率為 15–120KFWHM）模式下，儀器始終保持高靈敏度。

? 卓越的亞 ppm 級質量準確度可通過縮小質量偏差范圍有效加快未知物的鑒定進程。

參考文獻

1.Thermo Scientific Application Note 617: Quantitative and Qualitative Confirmation of Pesticides in Beet Extract Using a Hybrid Quadrupole-Orbitrap Mass Spectrometer. San Jose, California, USA and Bremen,Germany. [Online] http://www.thermoscientific.com/content/dam/tfs/ATG/CMD/cmd-documents/sci-res/app/ms/lc-ms/Orbitraps/AN-617-LC-MSMS-PesticidesBeets-AN64284-EN.pdf (accessed May 1, 2015).