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本书是作者在美国多年来对质谱技术实际应用的相关经验的总结，重点是介绍了近10年来有机质谱分析的最新技术进展及其在生命科学领域的应用，是一本质谱工作者必备的参考书。
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| 內容簡介： |
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有机质谱是一门高速发展的学科，进入21世纪后的发展更是日新月异。质谱新技术、新概念的纷纷问世推动了其他学科，特别是生命科学的发展。《现代质谱技术与生命科学研究》结合作者在美国多年来对质谱技术实际应用的相关经验，系统介绍了质谱的发展过程。不同于其他同类书籍将大量篇幅用于介绍有机物的裂解反应规律，有机质谱谱图解析及收集，作者除对必要的基础知识进行简要介绍外，将重点置于近10年来有机质谱分析的最新技术进展及其应用，并结合对这些新技术的讨论给出了许多实例，其范围涵盖药用天然产物和药物筛选，组合化学，药物代谢和质谱成像，寡核苷酸和核酸分析，多肽和蛋白质的分析（包括蛋白质定量，基因全貌比较，翻译后调控的解释，蛋白质?蛋白质交互作用以及以质谱为核心的蛋白质组学在临床上的应用）等方面。书中给出的大量参考文献也为读者提供了进一步深入研究的空间。
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| 關於作者： |
赖聪
2002-2012 国家癌症研究所年度工作奖（NCI Annual Performance
Award）
2007第30届国际毛细管色谱学术报告会杰出分析化学报告一等奖
1987中国科学院科技进步一等奖（获奖项目：京津地区生态系统特征与污染防治）
1986中国科学院国家六五科技攻关项目工作奖
1986中国科普记协全国科学小品文征文三等奖
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| 目錄：
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目录序
前言
第1章质谱的发展沿革与基本概念
1?1质谱的发展沿革
1?2质量分析
1?3质谱数据的采集和处理
1?4一些有关质谱及质谱图的基本名词及概念
1?4?1元素的同位素及同位素质量
1?4?2化合物的离子及同位素离子
1?4?3质谱峰
1?5准确质量测定
1?5?1分辨率和解析能力
1?5?2离子的准确质量测定
1?5?3准确质量测量与测量误差
1?5?4质谱仪的质量校正
1?6生物大分子的准确质量测定
参考文献
第2章质谱离子源及实验技术
2?1电子电离源
2?2化学电离源
2?3大气压化学电离源
2?4电喷雾电离源
2?4?1从生物大分子多电荷离子计算其分子质量
2?4?2电喷雾电离源中的离子形成机理
2?5大气压光致电离离子源
2?6快原子轰击电离子源
2?6?1快原子轰击离子生成机理
2?6?2FAB液体基质
2?7基质辅助激光解吸电离源
2?7?1MALDI电离源中的离子形成机理
2?7?2MALDI靶板及样品制备
参考文献
第3章质谱质量分析器
3?1电磁扇形质量分析器
3?2飞行时间质量分析器
3?3四极杆质量分析器
3?4离子阱质量分析器
3?4?1三维四极杆离子阱
3?4?2线性四极杆离子阱
3?5傅里叶变换离子回旋共振
3?6轨道离子阱质量分析器
参考文献
第4章检测器与真空系统
4?1质谱仪的检测系统
4?1?1法拉第杯
4?1?2电子倍增器
4?1?3电?光离子检测器
4?1?4深冷检测器
4?2真空系统
4?2?1旋片真空泵
4?2?2涡旋真空泵
4?2?3罗茨真空泵
4?2?4涡轮分子泵
4?2?5油扩散泵
参考文献
·vi·第5章质谱联用技术
5?1气相色谱?质谱联用
5?1?1开口分流型接口
5?1?2分子分离型接口
5?1?3直接导入型接口
5?2液相色谱?质谱联用仪
5?2?1液体直接导入接口
5?2?2连续流动快原子轰击
5?2?3传送带式接口
5?2?4离子束接口
5?2?5热喷雾接口
5?3色谱?质谱联用的质谱的数据采集
5?4串联质谱法
5?4?1空间串联质谱
5?4?2时间串联质谱
5?5串联质谱的离子活化方法
5?5?1离子源后衰变
5?5?2碰撞活化裂解
5?5?3高能碰撞分解
5?5?4电子捕获裂解
5?5?5电子转移裂解
参考文献
第6章质谱在生命科学研究中的应用
6?1药用天然产物和药物筛选
6?1?1电离离子源
6?1?2质量分析器及其采样速度
6?1?3质谱?质谱及离子激发
6?1?4质谱数据处理
·vii·6?2组合化学
6?2?1流动注射进样分析
6?2?2快速HPLC
6?2?3超临界色谱质谱
6?3药物代谢和质谱成像
6?3?1药物代谢
6?3?2质谱成像
6?4寡核苷酸和核酸分析
6?4?1寡核苷酸
6?4?2聚核苷酸
6?5多肽和蛋白质的分析
6?5?1多肽及肽链的断裂
6?5?2多肽及蛋白质的氨基酸序列测定
6?5?3以质谱技术为核心的蛋白质组技术
6?6以质谱技术为核心的蛋白质组技术临床应用
参考文献
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第1章质谱的发展沿革与基本概念第1章质谱的发展沿革与基本概念
从1910年英国物理学家汤姆孙爵士（Sir J. J.
Thomson）以质谱仪获得第一张分子质谱图起，质谱仪发展至今已逾百年。质谱技术从研究一个简单的物理现象（带电离子的运动轨迹在磁场和电场影响下会发生偏转）开始，为化学和原子物理学的发展作出了不可磨灭的贡献。除了为原子结构提供了可靠证据之外，质谱还验证了元素周期表，揭示了原子核中核子的结构。
1?1质谱的发展沿革
1886年，德国物理学家戈尔德施泰因（E?
Goldstein）首次观察到的低压气体放电管中由阳极发出的正离子经电场加速后形成正离子流的现象［1］。这个现象由德国物理学家维恩（F?
F?
Wien）于1898年予以证实［2］，维恩据此发明了一个在带电粒子束运动的垂直方向加有可控电场和磁场，利用正交电磁场产生速度色散作用，只允许一定速度的离子通过的用于调节粒子束速度的粒子过滤装置——维恩速度过滤器（Wien
velocity
filter）。在此基础上，英国物理学家汤姆孙爵士研究了一个可用于区分电子和氢原子（核子，nucleus）的装置［3］。它通过磁场使阳极射线的粒子发生偏转，并通过电场使具有不同电荷和质量的离子分隔开，使用这个被称为“抛物线摄谱仪（parabola
machine）” 的装置可以同时测量em和e值，由此测出了电子的质量。汤姆孙的学生，英国化学家、物理学家阿斯顿（F? W?
Aston）对此装置的进一步改进使他们获得了残留气体包括一系列正离子如H+、 H+2、 N+、 N+2、O+、O+2、C+、
C+2、CO+2以及复合离子N+2CO+和Hg+2Hg+的质谱图［4,5］。这成为了第一张分子质谱图。他们进而发现了Ne的两个稳定的同位素20Ne和22Ne［6,
7］。在此基础上阿斯顿发现了稳定元素具有同位素［6?8］，并证实自然界中的某元素实际上是该元素的几种同位素的混合体，而该元素的原子质量也是依据这些同位素在自然界占据不同比例而得到的平均原子质量。
因为仪器使用的电磁场聚焦过程与光学棱镜消光仪聚焦过程类似，只是将光学透镜换成了电磁透镜。而仪器产生的谱图也与光谱类似，1920年，阿斯顿将他的仪器命名为“质谱仪”（mass
spectrograph）,而将这个学科称为“质谱学”（mass
spectroscopy）。如今，质谱学的这个定义已因涉及离子研究方面太多的不同领域而显得含混而不再使用。大部分人倾向使用的现代“质谱学”（mass
spectrometry， MS）的定义是：一个借助于电子测量技术来对离子的mz值及其丰度进行测量的技术［9］。
1918年，芝加哥大学的物理学家戴姆培斯特（A?J?Dempster）基于维恩速度过滤器原理也独立设计了第一台180°磁场偏转加上定向聚焦的同位素质谱仪，使仪器的质量测量精度提高了100倍［10］，实现了质谱从实验室仪器向实用仪器的转化。
早期的质谱仪器为磁场偏转加上定向聚焦，以及基于方向和速度同时聚焦的马?赫（J? Mattauch ? R?
Herzog）型双聚焦质谱［11,12］。但由于这种高分辨的双聚焦的质谱仪普遍比较笨重，提供磁场所需电力消耗太高，明尼苏达大学的尼尔（A?
O? C?
Nier）将电、磁质量分析单元整合成一个单元，设计了一种新型的、只有一个60°扇区的静态磁场的磁质谱［13］，促成了第一台商用质谱仪CEC
21?101的问世，并投入实际运用［14, 15］。
工业化的化学分析中快速检测的需要快速增长，而磁质谱仪由于笨重、电磁铁的磁滞效应以及制造成本等因素，无法满足市场快速增长的需求。因此，使用四极杆质量分析器的无磁质谱仪应运而生［16］。然而这种技术需要以更快的速度采集和处理数据，当时却缺乏这种技术，因此四极杆质谱技术就被搁置了下来。除了四极杆和磁场两种质量分析器以外，另外一个非常重要的质量分析器——飞行时间（time?of?flight，TOF）质量分析器也于此时被发展了出来。1946年，W?E?
Stephens在麻省剑桥的美国物理学会会议上首次提出了线性飞行质谱仪的概念［17］。1955年，在飞机制造公司本迪克斯（Bendix
Corporation）位于底特律的研究室的W? C? Wiley 和I? H?
Mclaren又再次报道了飞行时间质谱［18］。本迪克斯公司并生产了第一台飞行时间质谱仪。
到20世纪60年代中期，气相色谱gas chromatography,
GC技术出现。对于有机质谱，气相色谱的优点是显而易见的：首先它能将具有热稳定性的挥发性有机混合物分离并逐个将其送入质谱仪，更重要的是这些化合物以气态进入质谱离子源。而所测样品必须气化是当时质谱仪对有机样品进行分析的必要条件。但一个重要问题是气相色谱所用的载气（氦、氢或氮）使得待测物的浓度大大降低。为解决这个问题，瑞典科学家E?
Stenhagen发明了喷嘴射流及膜分离技术以富集待测物。这种富集技术后来分别得到同是瑞典科学家的R?
Ryhage［19］，麻省理工学院的J? T? Watson［20, 21］，及Varian研究中心的P?
M?Llewellyn、D?
P?Littlejohn的改进［22］。经过改进的气相色谱?质谱（GCMS）仅用少量样品即可获得比其他任何分析仪器更多的信息，其应用范围迅速扩大，涵盖了环境分析、医学分析、食品分析、食品添加剂及法医学等领域。从此成为有机分析化学中一个重要的可靠分析仪器。
此时的质谱对样品的离子化技术仅限于电子电离（electron
ionization，EI）。EI为使用高能电子束（50~70eV）轰击气化后的样品而形成分子离子（M+·）。其中一部分分子离子会由于自身携带的能量较高而进一步裂解，形成一系列质量不同的携带单电荷的离子，从而在质谱图上形成一个具不同mz的谱系。对这些特征裂解的正确解析使人们能推断出一个待测有机化合物的结构。然而，有些化合物用EI形成的分子离子由于自身能量过高而极不稳定，导致其分子离子峰从质谱图上消失，从而无法对其分子质量进行测定。这导致人们开始尝试减少离子化过程中的能量传递。B?
Munson和 F?H? Field因此共同开发了一种“化学电离”（chemical
ionization，CI）的方法［23?27］。化学电离产生的是质子化的待测物分子（MH+）。与分子离子（M+·）相比，这种质子化的分子自身携带的能量要低得多，因此能够在质谱仪中稳定存在并被检测到。
20世纪60年代计算机技术的出现使由波恩莱茵弗里德里希·威廉大学（简称波恩大学的W?Paul及其同事于1950年推出的四极杆质量分析器［16］重新得到应用，导致GCMS又提升了一个台阶。利用微型计算机控制，四极杆质量分析器能以更快的速度对色谱峰进行扫描。由于它具有更小的体积、线性的mz范围，加速电压相对较低，且操作更为简便，因而备受使用者青睐。而气相色谱仪配用毛细管色谱柱后，待测物峰宽更窄，其在色谱峰中所含浓度也更高，与四极杆质量分析器组合后，各自的优势得以最大化。现在，气相色谱四极杆质谱联用仪已成为有机质谱市场上无处不在的易于使用和维护的可靠产品。
EI与CI和GCMS的组合一直是有机质谱的主流。这个现象一直延续到解吸离子（desorption
ionization，DI）源出现，解吸离子源能从凝聚相的样品中直接产生气态离子，形成次级离子质谱（secondary ion
mass spectrometry,
SIMS）。最早的次级离子质谱是曼彻斯特大学科技研究所化学部的M.Barber于20世纪70年代中期在SIMS基础上发展起来的快原子轰击（fast
atom bombardment,
FAB）离子化技术［28］。这种技术使得用质谱对具非挥发性和热不稳定的化合物如多肽进行分析成为可能。它不但扩展了质谱分析的对象，还打开了用液相色谱与质谱结合对混合物样品进行分离、纯化和分析的大门。将这种方法与LCMS结合，使质谱得以对具非挥发性和热不稳定性的生物聚合物如DNA、多肽和蛋白质进行分析，是有机质谱分析中的一场革命。解吸离子源的进一步发展是使用放射性元素锎作为离子源中提供高能离子束的初级能源。252Cf解吸方法（252Cf
desorption ionization）也称等离子解吸离子化（plasma
desorption，PD），是由得克萨斯农工大学的R?D?
Macfarlane于1974年提出的［29］。正是等离子解吸离子化开启了F? Hillenkamp和M?
Karas的思路，使他们试图发展其他质谱解吸离子源而最终于1987年发展出基质辅助激光解吸（matrix?assisted laser
desorption ionization， MALDI）技术［30］。
与此同时，耶鲁大学的费恩（J?B?
Fenn）发展了电喷雾电离离子化方法［31］。这种方法产生的多电荷离子使得在低质量范围内也可以分析高质量分子。采用这种离子化技术，即使正常mz范围仅为1000~4000的四极杆质谱仪，也可以分析质量超过数万道尔顿的蛋白质。
这段时间中出现的另一个重要的新离子化技术是20世纪70年代由E.C.Horning推出的主要产生质子化分子MH+的大气压化学电离（atmospheric
pressure chemical ionization,
APCI）［32］。不幸的是，从20世纪60年代到90年代早期，在质谱界一直通行一个“谜思”，即一个实用的新离子源产生的初级离子必须碎裂，以便从其产生的次级离子中获得化合物的结构信息。正是由于这个原因，很少产生碎片离子的大气压化学电离技术自问世后就被束之高阁，在实验室中被搁置了多年。直到90年代中期，人们意识到次级碎片离子可以通过质谱?质谱技术产生，而有控制的质谱?质谱技术产生的次级离子可以提供更多、更准确的结构信息后，这个“谜思”才被打破，大气压化学电离技术也因此而获得新生，迅速得到推广使用。
在电喷雾电离源electron spray
ionization,ESI与串联质谱，MALDI与TOF结合都获得成功之际，其他一度不被看好的质量分析技术如三维四极杆（three?dimensional
quadrupole, 3D?QIT）、线性四极杆（linear quadrupole）、离子回旋共振（ion cyclotron
resonance，ICR）等也因为计算机技术的使用和用傅里叶变换对离子检测结果进行处理而获得了新生［33,
34］。所有这些仪器都具有时间串联（tandem?in?time）的特点，即其MSMS功能的所有基本行为（前体离子的选择、裂解，产物离子的分析）都是在同一台仪器上在不同的时间段完成的。另一种新的离子分离技术，轨道离子阱（orbitrap）技术也于2005年正式上市,
它作为时间串联仪器的第二级，在LCMS中扮演着越来越重要的作用。
传统上，几乎所有的有机质谱分析都离不开样品前处理。在对有机物样品进行质谱分析前，样品或多或少地都需要进行不同的前处理如萃取、浓缩，对样品进行衍生化以提高其热稳定性并使之易于气化，以GC或LC进行分离等。质谱离子化技术演变至今，上述样品制备过程已不再是质谱分析的必要条件。在2004~2005年，已有若干可以将待测物从样品表面直接解吸出来并进行离子化的新技术被发展出来。使用这些技术，样品的采集、分析和对离子的检测可以在数秒钟内完成。这就意味着，对果皮上的农药进行分析时，不必再进行样品前处理程序。在对有嫌疑的吸毒后驾驶者进行检查时，不必进行尿样萃取浓缩并等候漫长的色谱分离。在对可能含有微量神经毒剂VX的一块多孔水泥进行法医鉴定时，没有必要担心待测物会在GC、LC的过程中分解。这些技术是：实时直接分析［35］（direct
analysis in real time, DART）、解析电喷雾离子化［36］（desorption electrospray
ionization， DESI
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