高分辨质谱仪 HRMS

基本原理

高分辨质谱（High Resolution Mass Spectrometry, HRMS）通过测量离子的精确质荷比（m/z）实现有机物定性定量分析。Q Exactive UHMR 采用四极杆-静电场轨道阱（Quadrupole-Orbitrap）串联结构：样品经离子源（H-ESI 加热电喷雾等）电离后，由四极杆质量过滤器选择目标母离子，经 C-Trap 注入 Orbitrap 静电场轨道阱质量分析器；离子在轨道阱中绕中心纺锤形电极做轴向振荡，外电极感应出图像电流，经傅里叶变换得到高分辨质谱。\n\nUHMR（Ultra-High Mass Range）版本针对高 m/z 大分子分析优化：配置源内捕集（in-source trapping）增强高 m/z 离子传输效率、5 kV 中心电极电压、低噪声图像电流前置放大器与 16-bit 信号数字化，质量范围扩展至 m/z 80,000，四极杆选择范围最高 m/z 25,000，分辨率最高 200,000 FWHM（m/z 400 处）。\n\n仪器配置 HCD 高能碰撞解离池，支持多级质谱（MS/MS）碎片分析；配合在线 mzCloud 谱库与离线 mzVault 谱库（Compound Discoverer 软件），可实现有机物的全面筛查、精确质量数确证与未知物结构鉴定。全扫描模式下灵敏度可达 1 μg/L 以下，适用于微量有机污染物的筛查测试。

设备参数范围

典型应用场景

▎环境监测

1. 地表水、地下水中农药、抗生素等微量有机污染物筛查，检出限可达 μg/L 级以下

2. 废水处理前后有机组分剖析，识别未知污染物与转化产物

3. 环境样品中内分泌干扰物（EDCs）、全氟化合物（PFAS）的痕量检测

▎食品安全

1. 果蔬、肉类中多农药/兽药残留同步筛查与确证，覆盖数百种化合物

2. 食品中非法添加物、掺假物质的未知物鉴定

3. 食品包装材料迁移物（可萃取物和浸出物）的筛查剖析

▎药物分析

1. 原料药及制剂中杂质、降解产物的结构鉴定与定量

2. 代谢物剖析与药代动力学研究（代谢组学）

3. 药物一致性评价中的痕量杂质控制（μg/L 级灵敏度）

▎生物大分子（UHMR 特色）

1. 完整单抗、抗体偶联药物（ADC）的天然质谱表征与 DAR 值测定

2. 蛋白质复合物、病毒样颗粒等 >800 kDa 超大分子的电荷态分布解析

3. 非共价相互作用（蛋白-蛋白、蛋白-配体）结合状态确认

▎代谢组学与生命科学

1. 生物样本（血清、尿液）中代谢物的全面筛查与差异分析

2. 脂质组学：复杂脂质混合物高分辨定性定量

3. 临床样本中生物标志物的发现与验证

1 样品准备和前处理

· 液体样品经 0.22 μm 滤膜过滤，必要时 SPE 固相萃取净化，去除盐类与基质干扰

· 固体/半固体样品经溶剂提取（如 QuEChERS、液液萃取）后浓缩定容

· 按目标物浓度调整至 0.1～1000 μg/L 范围，加入内标（同位素标记物）校正基质效应

· 生物样品需蛋白沉淀 + 净化处理，避免高盐（<10 mM）与去污剂进入离子源

2 测试条件和设置

· 选择离子源（H-ESI 默认）与电离极性：含胺基用正模式 [M+H]⁺，含羧基/酚羟基用负模式 [M-H]⁻

· 设置离子源参数：喷雾电压 2.5～4.5 kV、离子传输管温度 250～350°C、鞘气与辅助气流速

· 选择采集模式：筛查用 Full Scan（分辨率 70,000～140,000 FWHM），靶向定量用 PRM

· 设定质量范围：小分子 m/z 50～1000，大分子按需扩展至 m/z 80,000；设置 HCD 碰撞能量（NCE 20～40%）

3 数据采集

· 上机前用校正液（如 Pierce ESI 校正液）进行质量轴校准，确认质量偏差 <1 ppm

· 依次进样：空白、溶剂空白、标曲系列（5～8 点）、QC 样品、待测样品

· LC 进样量 2～20 μL，运行时间按方法设定（如 20 min 分离数百种化合物）

· 实时监控总离子流图（TIC）与目标离子提取流（XIC），确认峰型与信噪比 S/N ≥ 10

4 数据处理和结果

· 用 Compound Discoverer 软件进行峰提取、对齐、去卷积，批量处理筛查数据

· 精确质量数匹配（容差 3～5 ppm）+ 同位素分布 + 保留时间 + 二级碎片四项联合鉴定

· 谱库检索：在线 mzCloud / 离线 mzVault 比对，报告匹配因子与得分

· 定量结果按内标/外标法计算浓度，输出筛查报告（检出物、置信度、定量值）

Q1:Q Exactive UHMR 与标准 Q Exactive 有什么区别？

A1:核心差异在质量范围与分析对象：UHMR 版质量范围扩展至 m/z 80,000（标准版为 m/z 50～4000），并针对高 m/z 大分子优化——源内捕集、四极杆选择最高 m/z 25,000、5 kV 中心电极、16-bit 数字化，适用于蛋白质复合物、ADC 等生物大分子；小分子筛查（农药、兽药、代谢物）两者均可胜任，UHMR 在 m/z 50～1000 区间性能与标准版相当。

Q2:HRMS 与三重四极杆（QQQ）质谱怎么选？

A2:按分析目的选型：未知物筛查、结构鉴定、多组分全覆盖分析选 HRMS（全扫描+精确质量+谱库检索，一次进样获全部信息）；已知目标物的超高灵敏度常规定量选 QQQ（MRM 模式灵敏度/线性范围更优，成本更低）。HRMS 全扫描灵敏度已可达 μg/L 级以下，可兼顾筛查与定量；QQQ 在 pg/L 级痕量靶标定量上仍具优势。

Q3:Q Exactive（Orbitrap）与 Q-TOF 高分辨质谱怎么选？

A3:两者均属 HRMS，差异在分析器：Orbitrap 分辨率更高（最高 200,000 vs Q-TOF 典型 40,000～60,000）、质量精度长期稳定（内标 &lt;1 ppm）、动态范围宽，适合复杂基质中低含量未知物鉴定；Q-TOF 扫描速度更快（适合超快色谱窄峰）、价格相对低。追求最高鉴定置信度与长期稳定性选 Orbitrap，高通量快速筛查选 Q-TOF。

Q4:灵敏度 1 μg/L 以下具体指什么？

A4:指全扫描模式下对特定化合物（如农药、抗生素）的检出限可达 1 μg/L（1 ppb）以下。实际检出限与化合物离子化效率、基质、色谱富集倍数强相关，不同化合物可相差 10～100 倍；靶向模式（tSIM/PRM）灵敏度通常比全扫描高 5～10 倍。报告检出限须注明化合物与基质条件。

Q5:谱库检索不到目标物怎么办？

A5:四级递进处理：① 用精确质量+同位素分布做分子式预测，缩小候选范围；② 人工解析 HCD 碎片，结合中性丢失推断结构；③ 查阅文献比对已知化合物精确质量与碎片；④ 将确认谱图存入 mzVault 自建库，供后续同类样品检索比对。

Q6:质量精度 0.0001 m/z 与 ppm 如何换算？

A6:换算关系：ppm = (Δm / m) × 10⁶。0.0001 m/z 在 m/z 100 处约 1 ppm，在 m/z 1000 处约 0.1 ppm。Orbitrap 内标校正典型 &lt;1 ppm（m/z 100～1000 区间对应 0.0001～0.001 m/z），外标校正 &lt;3 ppm。报告分子式结论时须注明校准方式（内标/外标）。

Q7:正负离子模式如何选择？

A7:根据目标物官能团：含碱性基团（胺类、含氮杂环）用正模式，常见 [M+H]⁺、[M+Na]⁺ 加合离子；含酸性基团（羧酸、酚类、磺酸）用负模式，常见 [M-H]⁻。未知物筛查建议正负模式分别采集或极性切换（如 1.2 s 切换周期），避免漏检中性或弱极性化合物——但极性切换会牺牲部分扫描速度。

Q8:样品含盐量高对测试有何影响？

A8:高盐（&gt;10 mM）会导致离子源污染、信号抑制、质量轴漂移，降低灵敏度与精度，严重时堵塞离子传输管。应对措施：SPE 脱盐、蛋白沉淀、稀释后进样（浓度允许时），或改用耐盐离子源（如 H-ESI 对挥发性盐耐受较好）；测试后及时清洗离子源。

案例一：大肠杆菌 GroEL 分子伴侣复合物的天然质谱分析

【背景】

GroEL 是由 14 个相同亚基组成的中空圆柱形分子伴侣复合物，完整分子量约 800 kDa，是验证高 m/z 质谱性能的标准模型系统。Thermo Fisher 官方技术笔记（TN-65379）以 GroEL 等模型系统验证 Q Exactive UHMR 的 native top-down MS 能力。

【测试条件】

• 仪器：Thermo Fisher Q Exactive UHMR（Native MS 模式）

• 离子源：H-ESI，非变性条件（挥发性缓冲液）

• 采集模式：高 m/z 全扫描 + 源内捕集

• 样品：E. coli GroEL 复合物，完整 14 聚体

【分析结果】

在非变性条件下可检测完整 GroEL 14 聚体的电荷态分布，高 m/z 区（>10,000 m/z）信号清晰，去卷积得到与理论分子量一致的完整复合物质量，并可进一步做 top-down 碎裂，将复合物解离为亚基进行鉴定。

【结论】

UHMR 的超高质量范围与源内捕集技术使 >800 kDa 蛋白质复合物的完整表征成为可能，无需解聚即可直接测定化学计量与亚基组成，是 native MS 研究大分子复合物的关键能力。

案例二：兔 20S 蛋白酶体（约 700 kDa）的 top-down 亚基鉴定

【背景】

20S 蛋白酶体是真核细胞中负责蛋白降解的核心复合物，由 α 和 β 亚基组装而成，完整分子量约 700 kDa。TN-65379 以兔 20S 蛋白酶体为模型系统，验证 UHMR 在杂合多亚基复合物上的 native top-down MS 能力。

【测试条件】

• 仪器：Thermo Fisher Q Exactive UHMR（Native MS 模式）

• 离子源：H-ESI，非变性缓冲液

• 采集模式：高 m/z 全扫描 + HCD top-down 碎裂

• 样品：兔 20S 蛋白酶体完整复合物

【分析结果】

完整 20S 蛋白酶体的电荷态分布可清晰分辨；top-down 碎裂将完整复合物逐级解离为亚基，结合精确质量可鉴定 α、β 亚基组成及翻译后修饰状态，一次实验同时获得完整质量与亚基水平的结构信息。

【结论】

对杂合多亚基复合物，UHMR 的 native top-down MS 可同时提供完整复合物质量与亚基组成信息，为蛋白质复合物结构表征和修饰分析提供了传统变性方法无法获得的分析维度。