蛋白质组学基础：不同类型的质谱质量分析器介绍
2026-02-05 来源:本站 点击次数:88
在质谱分析技术中，质量分析器是核心部件，它的作用是将离子按照质荷比(m/z)的不同进行分离并检测，从而得到样品的质谱图，为后续的定性和定量分析提供依据。不同类型的质谱质量分析器具有各自独特的工作原理、性能特点和适用范围。本文将对几种常见的质谱质量分析器进行介绍。
01--飞行时间质量分析器
TOF (Time of flight) 是最常见的质量分析器之一，其工作原理基于离子在无场飞行管中的飞行时间与质荷比相关（图1）。离子在电场中被加速后，进入飞行管，由于不同质荷比的离子具有不同的速度，质荷比越小的离子飞行速度越快，飞行时间越短，通过测量离子到达检测器的飞行时间，就可以计算出离子的质荷比。这种质量分析器的突出优点是质量范围宽，可以检测相对分子量较大的离子，且理论上分辨率不受质量范围的限制。同时，它的扫描速度极快，能够实现高速的数据采集。但它对离子初始能量的分散较为敏感，需要精确控制离子的加速过程，以保证测量的准确性。常用于生物大分子分析，如蛋白质、核酸等的分子量测定和结构分析，以及在材料科学中分析高分子聚合物的分子量分布等。
02-四级杆质量分析器（Quadrupole）
03-离子阱质量分析器（ion trap）
离子阱质量分析器主要由一个环形电极和上下两个端盖电极组成。通过调节电极上的电压，在阱内形成特定的电场，离子被捕获在阱内。当施加特定频率的射频电压时，离子会发生共振，特定质荷比的离子会从阱中射出，被检测器检测到(图3)。离子阱质量分析器具有较高的灵敏度，能够进行多级质谱 (MSn) 分析，对于化合物的结构解析具有很大优势。它可以对离子进行多次裂解，获取更多的结构信息。然而，离子阱存在空间电荷效应，当离子数量过多时，会影响分析性能，且质量精度相对不是很高。在药物代谢研究、蛋白质组学研究等领域应用广泛，用于研究药物在体内的代谢产物结构以及蛋白质的序列测定等。
图3 Ion trap工作原理(Credit :ThermoFisher)
04-轨道阱质量分析器（Orbitrap）
Orbitrap 轨道阱质量分析器自2000年问世以来，在质谱领域迅速获得广泛关注。它的核心部件是一个纺锤形的中心电极和环绕其外的两个同轴端盖电极。离子在电场作用下，被引入到轨道阱中，围绕中心电极做复杂的螺旋运动。这种运动可以分解为轴向振荡和圆周运动，离子的轴向振荡频率与质荷比成反比，通过检测离子的轴向振荡频率，就能够计算出离子的质荷比。该分析器具有出色的分辨率，可达到极高的水平，在高分辨率下仍能保持良好的灵敏度，这使得它能够准确地区分质量数相近的离子，对于复杂样品的分析极为有利。同时，它的质量精度高，能够精确测定离子的质量，为化合物的结构鉴定提供可靠的数据支持。此外，Orbitrap 轨道阱质量分析器还具备较宽的动态范围，能够同时检测样品中不同含量的成分。
图4 Orbitrap工作原理（Credit DOI:10.1002/pmic.201600113）
05-傅里叶变换离子回旋共振质量分析器（FT-ICR）
傅里叶变换离子回旋共振质量分析器利用离子在均匀磁场中的回旋运动来进行质量分析。离子被注入到充满强磁场的分析室中，在磁场作用下，离子做圆周运动，其回旋频率与质荷比成反比。通过检测离子的回旋频率，经过傅里叶变换处理，得到离子的质荷比 (图5)。它具有超高的分辨率和质量精度，能够精确测定离子的质量，对于复杂混合物中化合物的鉴定和结构解析具有独特优势。但设备成本高、维护复杂，分析速度相对较慢。主要应用于高端科研领域，如天然产物的结构鉴定、代谢组学研究中对生物样品中微量成分的精确分析等。
图5 FT-ICR工作原理
作为生物信息学的领军企业，BSI专注于蛋白质组学和生物药领域，通过机器学习和先进算法提供世界领先的质谱数据分析软件和蛋白质组学服务解决方案，以推进生物学研究和药物发现。我们通过基于AI的计算方案，为您提供对蛋白质组学、基因组学和医学的卓越洞见。旗下著名的PEAKS®️系列软件在全世界拥有数千家学术和工业用户，包括：PEAKS®️ Studio，PEAKS®️ Online，PEAKS®️ GlycanFinder, PEAKS®️ AB，ProteoformXTM,DeepImmu®️ 免疫肽组发现服务和抗体综合表征服务等。联系方式：021-60919891；sales-china@bioinfor.com
01--飞行时间质量分析器
TOF (Time of flight) 是最常见的质量分析器之一，其工作原理基于离子在无场飞行管中的飞行时间与质荷比相关（图1）。离子在电场中被加速后，进入飞行管，由于不同质荷比的离子具有不同的速度，质荷比越小的离子飞行速度越快，飞行时间越短，通过测量离子到达检测器的飞行时间，就可以计算出离子的质荷比。这种质量分析器的突出优点是质量范围宽，可以检测相对分子量较大的离子，且理论上分辨率不受质量范围的限制。同时，它的扫描速度极快，能够实现高速的数据采集。但它对离子初始能量的分散较为敏感，需要精确控制离子的加速过程，以保证测量的准确性。常用于生物大分子分析，如蛋白质、核酸等的分子量测定和结构分析，以及在材料科学中分析高分子聚合物的分子量分布等。
图1 TOF原理示意图(Credit: Abigail Koss, TOFWERK)
02-四级杆质量分析器（Quadrupole）
四极杆质量分析器是一种应用广泛的质量分析器。它由四根平行的金属杆组成，相对的两根杆连接在一起，施加直流电压 (DC) 和射频电压 (RF)。离子在四极杆之间的电场中运动，只有特定质荷比的离子能够稳定通过四极杆，到达检测器，其他质荷比的离子则会撞到四极杆上而被滤除（原理如图2）。其优点是结构简单、成本较低、扫描速度快，能够实现快速的全扫描分析，适用于常规的定性和定量分析。缺点是质量范围相对较窄，分辨率一般在单位质量分辨水平，对于复杂样品中相近质量数离子的区分能力有限。常用于环境监测、食品安全检测、药物分析等领域，例如检测食品中的农药残留、分析药物中的杂质成分等。
图2 四级杆质量分析器（Credit: Abigail Koss, TOFWERK.）
03-离子阱质量分析器（ion trap）
离子阱质量分析器主要由一个环形电极和上下两个端盖电极组成。通过调节电极上的电压，在阱内形成特定的电场，离子被捕获在阱内。当施加特定频率的射频电压时，离子会发生共振，特定质荷比的离子会从阱中射出，被检测器检测到(图3)。离子阱质量分析器具有较高的灵敏度，能够进行多级质谱 (MSn) 分析，对于化合物的结构解析具有很大优势。它可以对离子进行多次裂解，获取更多的结构信息。然而，离子阱存在空间电荷效应，当离子数量过多时，会影响分析性能，且质量精度相对不是很高。在药物代谢研究、蛋白质组学研究等领域应用广泛，用于研究药物在体内的代谢产物结构以及蛋白质的序列测定等。
图3 Ion trap工作原理(Credit :ThermoFisher)
04-轨道阱质量分析器（Orbitrap）
Orbitrap 轨道阱质量分析器自2000年问世以来，在质谱领域迅速获得广泛关注。它的核心部件是一个纺锤形的中心电极和环绕其外的两个同轴端盖电极。离子在电场作用下，被引入到轨道阱中，围绕中心电极做复杂的螺旋运动。这种运动可以分解为轴向振荡和圆周运动，离子的轴向振荡频率与质荷比成反比，通过检测离子的轴向振荡频率，就能够计算出离子的质荷比。该分析器具有出色的分辨率，可达到极高的水平，在高分辨率下仍能保持良好的灵敏度，这使得它能够准确地区分质量数相近的离子，对于复杂样品的分析极为有利。同时，它的质量精度高，能够精确测定离子的质量，为化合物的结构鉴定提供可靠的数据支持。此外，Orbitrap 轨道阱质量分析器还具备较宽的动态范围，能够同时检测样品中不同含量的成分。
在实际应用中，Orbitrap 轨道阱质量分析器在蛋白质组学研究中发挥着重要作用，能够实现对蛋白质的高通量鉴定和定量分析；在代谢组学领域，可用于对生物体内代谢物的全面分析，挖掘潜在的生物标志物；在药物研发中，能助力药物杂质分析、药物代谢产物鉴定以及药物与靶点相互作用研究等。
图4 Orbitrap工作原理（Credit DOI:10.1002/pmic.201600113）
05-傅里叶变换离子回旋共振质量分析器（FT-ICR）
傅里叶变换离子回旋共振质量分析器利用离子在均匀磁场中的回旋运动来进行质量分析。离子被注入到充满强磁场的分析室中，在磁场作用下，离子做圆周运动，其回旋频率与质荷比成反比。通过检测离子的回旋频率，经过傅里叶变换处理，得到离子的质荷比 (图5)。它具有超高的分辨率和质量精度，能够精确测定离子的质量，对于复杂混合物中化合物的鉴定和结构解析具有独特优势。但设备成本高、维护复杂，分析速度相对较慢。主要应用于高端科研领域，如天然产物的结构鉴定、代谢组学研究中对生物样品中微量成分的精确分析等。
图5 FT-ICR工作原理
作为生物信息学的领军企业，BSI专注于蛋白质组学和生物药领域，通过机器学习和先进算法提供世界领先的质谱数据分析软件和蛋白质组学服务解决方案，以推进生物学研究和药物发现。我们通过基于AI的计算方案，为您提供对蛋白质组学、基因组学和医学的卓越洞见。旗下著名的PEAKS®️系列软件在全世界拥有数千家学术和工业用户，包括：PEAKS®️ Studio，PEAKS®️ Online，PEAKS®️ GlycanFinder, PEAKS®️ AB，ProteoformXTM,DeepImmu®️ 免疫肽组发现服务和抗体综合表征服务等。联系方式：021-60919891；sales-china@bioinfor.com
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