基本介紹
- 中文名：液質聯用
- 外文名：High Performance Liquid Chromatography-Mass Spectrometry，HPLC-MS
- 又叫：液相色譜-質譜聯用技術
- 原理：離子化分離與解析
- 組成：分離系統與檢測系統
- 套用：天然產物分析，食品安全分析等
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介紹
色譜的優勢在於分離，為混合物的分離提供了最有效的選擇，但其難以得到物質的結構信息，主要依靠與標準品對比來判斷未知物，對無紫外吸收化合物的檢測還要通過其它途徑進行分析。質譜能夠提供物質的結構信息，用樣量也非常少，但其分析的樣品需要進行純化，具有一定的純度之後才可以直接進行分析。因此，人們期望將色譜與質譜聯接起來使用以彌補這兩種儀器各自的缺點。
液質聯用儀器
液質聯用儀器HPLC-MS除了可以分析氣相色譜-質譜（GC-MS）所不能分析的強極性、難揮發、熱不穩定性的化合物之外，還具有以下幾個方面的優點：
①分析範圍廣，MS幾乎可以檢測所有的化合物，比較容易地解決了分析熱不穩定化合物的難題；
②分離能力強，即使被分析混合物在色譜上沒有完全分離開，但通過MS的特徵離子質量色譜圖也能分別給出它們各自的色譜圖來進行定性定量；
③定性分析結果可靠，可以同時給出每一個組分的分子量和豐富的結構信息；
⑤分析時間快，HPLC-MS使用的液相色譜柱為窄徑柱，縮短了分析時間，提高了分離效果；
⑥自動化程度高，HPLC-MS具有高度的自動化。
原理
液質聯用( HPLC-MS) 又叫液相色譜-質譜聯用技術，它以液相色譜作為分離系統，質譜為檢測系統。樣品在質譜部分和流動相分離，被離子化後， 經質譜的質量分析器將離子碎片按質量數分開，經檢測器得到質譜圖。
發展
接口技術
自20 世紀70 年代初，人們開始致力於液-質聯用接口技術的研究。在開始的20 年中處於緩慢的發展階段，研製出了許多種聯用接口，但均沒有套用於商業化生產。直到大氣壓離子化（atmospheric-pressure ionization, API）接口技術的問世，液-質聯用才得到迅猛發展，廣泛套用於實驗室內分析和套用領域。
液-質聯用接口技術主要是沿著三個分支發展的：
（1）流動相進入質譜直接離子化，形成了連續流動快原子轟擊（continuous-flow fast atom bombarment, CFFAB）技術等；（2）流動相霧化後除去溶劑，分析物蒸發後再離子化，形成了“傳送帶式”接口（moving-belt interface）和離子束接口（particle-beam interface）等；（3）流動相霧化後形成的小液滴解溶劑化，氣相離子化或者離子蒸發後再離子化，形成了熱噴霧接口（thermo spray interface）、大氣壓化學離子化（atmospheric pressure chemical ionization,APCI）和電噴霧離子化（electrospray ionization, ESI）技術等。有關液相質譜的接口技術和LC-MS 技術的發展，Niessen 曾經進行了較為詳細的綜述。
目前套用最廣泛的離子源有電噴霧電離源和大氣壓化學電離源。其顯著優勢有：可將質荷比降低到各種不同類型的質量分析器都能檢測的程度，在帶電狀態進行檢測從而計算離子的真實分子量，可以生成高度帶電且不發生碎裂的離子，同時，對於分子離子的同位素峰也可確定其分子量和帶電數。大氣壓化學離子化（APCI）技術與ESI源的發展基本上是同步的，其離子化過程主要是藉助於電暈放電啟動一系列氣相反應來完成，整個電離過程是在大氣壓條件下完成的。ESI和APCI的共同點是離子化效率高，從而顯著增強分析的靈敏度和穩定性，大多與離子阱質譜儀和三重四極桿質量分析器聯用。
電噴霧離子化技術
電噴霧（ESI）技術作為質譜的一種進樣方法起源於20 世紀60 年代末Dole等人的研究，直到1984 年Fenn實驗組對這一技術的研究取得了突破性進展。1985 年，將電噴霧進樣與大氣壓離子源成功連線。1987 年，Bruins 等人發展了空氣壓輔助電噴霧接口，解決了流量限制問題，隨後第一台商業化生產的帶有API 源的液-質聯用儀問世。ESI 的大發展主要源自於使用電噴霧離子化蛋白質的多電荷離子在四極桿儀器上分析大分子蛋白質，大大拓寬了分析化合物的分子量範圍。
ESI 源主要由五部分組成：（1）流動相導入裝置；（2）真正的大氣壓離子化區域，通過大氣壓離子化產生離子；（3）離子取樣孔；（4）大氣壓到真空的界面；（5）離子光學系統，該區域的離子隨後進入質量分析器。在ESI 中，離子的形成是分析物分子在帶電液滴的不斷收縮過程中噴射出來的，即離子化過程是在液態下完成的。液相色譜的流動相流入離子源，在氮氣流下汽化後進入強電場區域，強電場形成的庫侖力使小液滴樣品離子化，離子表面的液體藉助於逆流加熱的氮氣分子進一步蒸發，使分子離子相互排斥形成微小分子離子顆粒。這些離子可能是單電荷或多電荷，取決於分子中酸性或鹼性基團的體積和數量。
電噴霧離子化技術的優點：可以生成高度帶電的離子而不發生碎裂，可將質荷比降低到各種不同類型的質量分析器都能檢測的程度，通過檢測帶電狀態可計算離子的真實分子量，同時，解析分子離子的同位素峰也可確定帶電數和分子量。另外，ESI 可以很方便地與其它分離技術聯接，如液相色譜、毛細管電泳等，可方便地純化樣品用於質譜分析。因此在藥殘、藥物代謝、蛋白質分析、分子生物學研究等諸多方面得到廣泛的套用。其主要優點是：離子化效率高；離子化模式多，正負離子模式均可以分析；對蛋白質的分析分子量測定範圍高達105 以上；對熱不穩定化合物能夠產生高豐度的分子離子峰；可與大流量的液相在線上使用；通過調節離子源電壓可以控制離子的斷裂，給出結構信息。
大氣壓化學離子化技術
大氣壓化學離子化（APCI）技術套用於液-質聯用儀是由Horning 等人於20 世紀70 年代初發明的，直到20 世紀80 年代末才真正得到突飛猛進的發展，與ESI 源的發展基本上是同步的。但是APCI 技術不同於傳統的化學電離接口，它是藉助於電暈放電啟動一系列氣相反應以完成離子化過程，因此也稱為放電電離或等離子電離。從液相色譜流出的流動相進入一具有霧化氣套管的毛細管，被氮氣流霧化，通過加熱管時被汽化。在加熱管端進行電暈尖端放電，溶劑分子被電離，充當反應氣，與樣品氣態分子碰撞，經過複雜的反應後生成準分子離子。然後經篩選狹縫進入質譜計。整個電離過程是在大氣壓條件下完成的。
APCI 的優點：形成的是單電荷的準分子離子，不會發生ESI 過程中因形成多電荷離子而發生信號重疊、降低圖譜清晰度的問題；適應高流量的梯度洗脫的流動相；採用電暈放電使流動相離子化，能大大增加離子與樣品分子的碰撞頻率，比化學電離的靈敏度高3 個數量級；液相色譜-大氣壓化學電離串聯質譜成為精確、細緻分析混合物結構信息的有效技術。
分類
四極桿質譜
目前，四極桿質量濾器的套用仍然最為廣泛。三級四極桿質譜儀的選擇反應監測（selected-reaction monitoring, SRM）模式適於進行常規的和高通量的生物分析。四極桿工藝的改進和強穩定性的射頻（RF）大大提高了質譜的解析度，分辨質量數的寬度達到0.1Da，提高了分析化合物的選擇性。隨著對三級四極桿質譜中碰撞池的改進，出現了高壓線形加速碰撞池，提高了對傳送離子的能力，降低了物質間的干擾，大大提高了對多組分生物化合物的分析能力。在所有的質譜分析儀中，四極桿質譜儀的定量分析結果的準確度和精密度最好。
四極桿離子阱質譜
在闡明化合物的結構方面，三維的四極桿離子阱得到廣泛的套用。與此相關的革新主要有基質輔助雷射解吸離子化源、大氣壓基質輔助雷射解吸離子化源、紅外多光子光離解技術的發展，以及使用離子阱分析鹼性加合離子與金屬配位產物的研究。近些年，線形二維離子阱的生產，取得了突破性的進展。這種線形二維離子阱與三維離子阱一樣可以對化合物做多級質譜分析，此外還可以積累更多的離子，提高了檢測的靈敏度。在與線形加速碰撞池離子化源連線後，可大大提高靈敏度，避免小分子量碎片的干擾，得到更整潔、美觀的色譜峰。
飛行時間質譜
隨著基質輔助雷射解吸離子化技術的出現和計算機的發展，飛行時間質譜儀在20 世紀90 年代得到快速發展。目前，最好的飛行時間質譜分析儀解析度能夠達到20,000 Da，測得分子的質量數準確度非常高。飛行時間質譜儀在很大程度上取代了高分辨雙聚焦磁扇分析儀，但其不能有效地利用選擇離子監測模式進行分析。在高分辨質譜的選擇離子監測模式分析中仍然主要使用雙聚焦質譜儀。為了使用解析度高的質譜分析化合物的二級質譜圖，人們嘗試將飛行時間質譜與其它質譜串聯使用，目前使用比較多的是具有突破性技術的新一代四極桿飛行時間質譜系統(AB SCIEX TripleTOF 5600+)，確保系統能獲得高準確度的質譜數據和定量檢出限。
AB SCIEX TripleTOF® 5600+ 系統
AB SCIEX TripleTOF® 5600+ 系統傅立葉變換離子迴旋共振質譜
許多年以來，傅立葉變換離子迴旋共振質譜（Fourier-transform ion-cyclotron resonance mass spectrometry, FT-ICR-MS）在氣相離子-分子反應的基礎研究中成為有效的手段。該質譜與ESI離子源聯接後被廣泛地套用於生物大分子的研究，能夠充分發揮其高解析度和準確度的優勢。基於傅立葉變換離子迴旋共振池內離子的四極激發，該質譜可以選擇地累積非共價鍵複雜化合物的離子，使其能夠分析分子量非常大的生物大分子化合物，如分析分子量高達108Da 的大腸桿菌噬菌體的T4DNA，成為該質譜儀發展的重要里程碑。該質譜儀通過射頻脈衝消除其它離子的干擾選擇性地捕獲目標離子到離子迴旋共振池內，也能夠進行多級質譜分析。當前又有許多新的離子裂解方法套用到傅立葉變換離子迴旋共振質譜儀，如碰撞誘導裂解、雷射致光裂解或紅外多光子光裂解、表面誘導裂解、黑體紅外輻射裂解、電子捕獲裂解等，又進一步改善了這種質譜儀分析的性能。
質譜分析原理
質譜分析原理除上面描述的常見的幾種接口技術和質譜儀之外，還有其它的一些產品不斷問世。近十年來，人們在液-質聯用技術的研究方面已經將研究的重點轉移到研製適合某種分析領域的強優勢的技術，並加速產品的商業化。總之，液-質聯用分析技術的發展取決於液-質聯用接口技術和質譜分析儀技術的共同發展。通過合適的接口將液相色譜與質譜儀聯接，會獲得具有特殊分析性能的液-質聯用儀器，另外通過接口將質譜與質譜進行串聯，可以彌補各種質譜儀的不足，達到取長補短，協同提高的效果。
套用
隨著聯用技術的日趨完善，HPLC-MS逐漸成為最熱門的分析手段之一。特別是在分子水平上可以進行蛋白質、多肽、核酸的分子量確認，胺基酸和鹼基對的序列測定及翻譯後的修飾工作等，這在HPLC-MS聯用之前都是難以實現的。HPLC-MS作為已經比較成熟的技術，目前己在生化分析、天然產物分析、藥物和保健食品分析以及環境污染物分析等許多領域得到了廣泛的套用。
生化分析
生物體內的化合物具有強極性、難揮發性，並且具有顯著的熱不穩定性，同時，這些化合物往往以蛋白質、肽和核酸的混合物狀態出現，而液相色譜對於不易揮發、強極性、對熱不穩定及高分子量化合物的分離能力高；質譜可以對複雜混合物中的化合物進行準確定性，所以液質聯用作為生化分析的一個有力工具，日益得到重視。
Henry等對液質聯用技術在單克隆抗體結構表征上的套用進行了研究，先採用液質聯用對曲妥珠單抗完整蛋白及其亞基（輕鏈和重鏈）的相對分子質量進行測定；然後用多種酶（胰蛋白酶和 Asp N）酶解蛋白並用液質聯用肽圖分析法對曲妥珠單抗的胺基酸全序列進行解析和確定，同時對可能發生的翻譯後修飾（PTMs）進行定性和定量分析；再通過PNGase F酶來釋放抗體上的糖鏈並套用液相色譜螢光檢測與質譜聯用方法對其糖基化修飾進行結構分析及確認，建立了一套單克隆抗體結構表征的平台化方案。
天然產物分析
利用HPLC-MS分析混合樣品，和其他方法相比具有高效快速，靈敏度高，樣品只需進行簡單預處理或衍生化，尤其適用於含量少、不易分離得到或在分離過程中易的組分。因此HPLC-MS技術為天然產物研究提供了一個高效、切實可行的分析途國內利用該技術在天然產物研究中已經有很多報導。如李麗等利用高效液相色質譜聯用技術研究了朝鮮淫羊蕾中的黃酮類化合物。
藥物分析
在藥物分析研究領域中，大部分藥物是極性較大的化合物，而在諸多分析儀器中，液相色譜分析範圍廣，包括不揮發性化合物、極性化合物、熱不穩定化合物和大分子化合物（包括蛋白、多肽、多糖、多聚物等）。質譜特異性強，可以提高較多的結構定性信息，而且檢測靈敏度很高。液質聯用技術能夠對準分子離子進行多級裂解，從而提供化合物的相對分子量以及豐富的碎片信息。在藥物研發中的雜質研究和藥物動力學研究階段，通常雜質和藥代動力學樣品的血藥濃度的含量很低，分析難度大且干擾多，液質聯用技術由於其選擇性強和靈敏度高，可以快速準確地測定藥物分析中的痕量物質。
任雪等採用液質聯用對國產鮭降鈣素注射液中的主要降解雜質進行結構鑑定。賈薇採用液質聯用法分析生物樣品中四環素類藥物和金剛乙胺的代謝物，結果顯示，牛奶中四環素，土黴素及美他環素濃度在0.05 μg/mL，金黴素在0.1 μg/mL時可以準確可靠地被檢出。賈連群等採用液質聯用技術研究脾虛大鼠血清代謝物譜群特徵，對大鼠進行血清代謝組學檢測，套用正交偏最小二乘判別分析研究組間代謝物譜圖差異，並通過變數重要性投（OPLS-DA）選取血清中與證型相關的生物標誌物。結果顯示，脾氣虛及脾陽虛模型大鼠血清中多種代謝物的相對含量發生了顯著變化，並初步獲得了一些可能與脾虛證候相關的潛在小分子生物標誌物。曹文利利用液質聯用技術對白芍總苷、芍藥內酯苷和芍藥苷在大鼠體內的代謝物進行了分析。結果發現，代謝位點主要為糖苷鍵、酯鍵、苯環，膽汁中白芍總苷的代謝物明顯多於單體狀態。
食品安全分析
各種抗生素，抗菌藥， 激素及農藥等對畜禽和農作物防病治病，促進生長有顯著作用， 是發展畜牧業和農業的行之有效的措施，同時這些物質在動植物體中的殘留會通過食物鏈的富集作用轉移到人體，危害人類健康。能否準確的檢測這些有害物質，是保證食品安全的關鍵。
常用的檢測技術， 如 ELISA法、 CHAR MII 法、生物感測器等由於不能提供分子結構，難以同時檢測分析多種藥物而且不能有效的排除假陽性，具有一定的局限性。而液質聯用技術不但能夠定性定量的檢測禽畜肉和農作物等食品中的藥物殘留，提供檢測物質的結構信息而且精密度高， 重現性好，能夠排除假陽性檢測結果。液質聯用技術能夠快速簡便的檢測肉製品中的氯黴素、 氟苯尼考、雪卡毒素等有害物質，特別是在檢測農藥殘留方面，快捷有效。如於維森等套用液質聯用技術，可一次性檢測 33 中農藥， 快速精確， 且達到了殘留量檢測中所要求的檢測濃度水平。裴燕採用液質聯用技術對肉雞肌肉和肝臟中金黴素及其代謝物的殘留量和排泄量進行了檢測，結果表明，服用金黴素後，肉雞的肌肉、肝臟和排泄物中均有金黴素及其代謝物均被檢出。劉棟採用液質聯用對多種貝類毒素進行研究，為我國貝類及其產品中貝毒的檢測分析提供了具體的方法和技術規範。
環境分析
當今環境的污染主要有工廠排出的污水和廢氣電池等攜帶的重金屬對河流和土壤造成的污染，農田中的殺蟲劑和化肥殘留造成的污染，環境激素的污染及多環芳烴類化合物的污染等。為了適應可持續發展的要求，做好防治環境污染的工作，實現綠色發展， 找到有效的污染物分析手段勢在必行。
液質聯用技術是一種功能強大的分析技術，在多環芳烴及其硝基衍生物的分析能達到令人滿意的效果是分析其的理想方法，可用來準確定量分析 AS 的各種化合物及硒化合物，還能套用於苯脲， 三嗪， 氨基甲酸酯， 氯苯氧酸和硝基酚等的分析 。液質聯用技術適用於複雜基質樣品的分析，樣品處理簡單，對樣品限制性小， 且檢測靈敏度高， 分離能力強 ，靈活性大，是有效分析檢測環境污染物的重要手段，在環境污染分析方向有著顯著優勢。
前景
液質聯用技術以其高效快速的分離能力、超高的靈敏度在很多領域得到的廣泛的套用。隨著科技軟體的發展，檢測技術在液相色譜及液質聯用技術的支持下開始了很廣泛的套用 ，準確度也變得高了很多，檢測技術也在隨之發生著不斷的改進與發展。此外，隨著現代化高新技術的不斷發展，液質聯用技術將液相色譜和質譜結合起來，既體現了液相色譜的高分離性能， 又體現了質譜強大的鑑別能力， 在分析檢測方面有著不可磨滅的優勢，對多數物質的檢測靈敏度超過了其他方法，在化工， 醫藥， 食品， 生物等各個領域的套用有著重要的地位，真正的體現了現代各類物質分析中高通量和高精度的要求。
