質(zhì)譜同位素輪廓分布信息幫助確定化合物的分子式
質(zhì)譜法是鑒定未知化合物的重要手段。在有譜庫輔助的前提下,我們可以通過譜庫檢索來快速確定目標物可能的幾個疑似候選物,然后在標準品對照的情況下,通過保留時間信息、質(zhì)譜圖來對疑似物進行驗證以確定真正的目標。在沒有譜庫時,就需要測定目標化合物的精確質(zhì)量數(shù),然后對可能的分子式進行預測(見圖1),再通過二級或多級質(zhì)譜的碎片信息來探索可能的結(jié)構(gòu)。
圖1: 精確質(zhì)量數(shù)推導可能的元素組成(分子式)
雖然高分辨質(zhì)譜在高質(zhì)量精度下已經(jīng)將精確質(zhì)量數(shù)測定得盡可能準確,但是還是不足以幫助我們解決分子式的鑒定問題。因為當未知化合物的分子量很大時,匹配在測定精確質(zhì)量誤差范圍內(nèi)的可能元素組成數(shù)量也會增加;盡管高分辨質(zhì)譜擁有極高的質(zhì)量精度,但是仍然會存在很多不能排除的可能元素組成。Tobias Kind和Oliver Fiehn在2006年發(fā)表的一篇文章中,總結(jié)了在僅考慮C、H、N、O、S五種元素的情況,不同分子量大小的化合物在不同質(zhì)量精度下的可能元素組成的個數(shù),如圖2所示,即使質(zhì)量精度達到FT-MS的0.1 ppm以內(nèi),隨著分子量的增大,元素組成的可能性越來越多。因此,僅靠質(zhì)譜的高質(zhì)量精度,往往并不能確定一個唯一的元素組成,尤其是當要考慮到更多的元素時。
圖2: 不同質(zhì)量精度下的元素組成個數(shù)
(數(shù)據(jù)來源:Tobias Kind and Oliver Fiehn, BMC Bioinformatics 2006, 7:234)
高分辨質(zhì)譜上的同位素信息與分子式鑒定
質(zhì)譜圖上的信息,除了質(zhì)量數(shù)外,還有同位素的豐度信息。Tobias Kind和Oliver Fiehn在2006年的文章中還證明了同位素比例結(jié)合精確質(zhì)量數(shù)在減少可能的元素組成方面比單純依靠更高的分辨率和質(zhì)量精度更占優(yōu)勢。圖3顯示了C25H23N2OS+在0.1ppm質(zhì)量精度下,共有7個可能的分子式,排除掉2個Na元素個數(shù)不對的分子式,仍然有5個分子式,對比這5個分子式的理論同位素輪廓分布,我們可以看到它們同位素輪廓分布存在顯著差異(見圖4),因此只要將理論的同位素輪廓與測試譜圖的同位素輪廓進行比對,就能確定出真正的分子式。
圖3:FT-MS在0.1ppm質(zhì)量精度下得到的C25H23N2OS+可能分子式
(數(shù)據(jù)來源:Yongdong Wang and Ming Gu. Anal. Chem. 2010, 82, 7055–7062)
圖4:五個候選分子式在A+1處的理論同位素輪廓分布(MS分辨率=80萬)
(數(shù)據(jù)來源:Yongdong Wang and Ming Gu. Anal. Chem. 2010, 82, 7055–7062)
但實際的質(zhì)譜譜圖由于儀器本身等因素的影響,導致實驗譜圖的峰型發(fā)生了變形,從而會使得同位素輪廓的比對會產(chǎn)生5%以上的譜圖誤差,這對于區(qū)分一些同位素豐度比差異接近的分子式并不容易。在MassWorks軟件中,不只是簡單地將實驗譜圖和理論譜圖進行對比,而是用獨特的峰形校正技術(shù)去除噪音等畸變因素,以得到跟理論譜圖一樣的對稱分布的輪廓曲線。用這種校正譜圖跟理論譜圖做對比,可以將同位素分布的譜圖誤差縮小至2%以內(nèi),進一步提升利用同位素輪廓區(qū)分分子式差異的準確度。如圖5所示,m/z=844.5067的化合物在TOF儀器上,在4ppp的質(zhì)量精度下共有75個可能的分子式,盡管排名第一的分子式的質(zhì)量誤差并不是最小的,但是它的校正譜圖和理論譜圖的同位素譜圖準確度(Spectral Accuracy)最佳,證明了該分子式為正確的分子式;而排名第2的分子式可以明顯觀察到由于S元素的影響使得理論譜圖比樣品的校正譜圖在A+2處的豐度要高,譜圖的誤差為2.6%左右。
John C. L. Erve在2009年和2011年發(fā)表的文章中,分別驗證了在LTQ/Orbitrap和Q-TOF上利用MassWorks的峰形校正技術(shù)確定分子式的優(yōu)越性,尤其是在Orbitrap上,分子量大于900的化合物,譜圖準確度可以幫助消除99%以上的分子式。
圖5:TOF在4ppm誤差內(nèi),Top 2分子式的理論譜圖和校正譜圖的譜圖準確度對比
高分辨質(zhì)譜可以通過精確質(zhì)量數(shù)據(jù)和同位素分布信息來確定未知化合物的分子式,那么低分辨質(zhì)譜,如四極桿質(zhì)譜,是不是也可以這樣做呢?
可以!
四極桿質(zhì)譜上的分子式測定
MassWorks軟件的TrueCal?校正技術(shù)可以將四極桿質(zhì)譜的質(zhì)量精度提高100倍以上,從而使其獲得精確質(zhì)量數(shù)的測定能力,再借助CLIPs技術(shù)就能準確測定未知化合物的元素組成,這一技術(shù)已經(jīng)在數(shù)千個客戶處得到了驗證。
四極桿質(zhì)譜的分辨率盡管不如高分辨質(zhì)譜,但是它測定同位素豐度的穩(wěn)定性是優(yōu)于高分辨質(zhì)譜的,而且更寬的線性范圍,可以保證高、低豐度的同位素都能被準確檢測。圖4中的高度分離的不同元素的同位素,在四極桿質(zhì)譜上表現(xiàn)為這幾個元素的疊加,我們依然能清晰的區(qū)分出這5個分子式的同位素輪廓分布的差異,因此,在四極桿質(zhì)譜上通過精確質(zhì)量數(shù)結(jié)合同位素分布一樣能鑒定出未知物的分子式。
圖6:五個候選分子式在四極桿質(zhì)譜上的理論同位素輪廓分布(MS分辨率=800)
(數(shù)據(jù)來源:Yongdong Wang and Ming Gu. Anal. Chem. 2010, 82, 7055–7062)
圖7(上)顯示GC/MS測定的m/z=164的化合物,在10mDa的誤差內(nèi),共有6個分子式,但它們的同位素分布的譜圖準確度存在明顯差異,圖7(下)清晰顯示了前3個分子式的理論同位素與實測校正譜圖的對比,結(jié)果表明正確的分子式即為第一個分子式C10H12O2。
圖7:GC/MS上測定精確質(zhì)量數(shù)和分子式
(數(shù)據(jù)來源:Wei Zhou and Yaheng Zhang,Rapid Commun. Mass Spectrom. 2011, 25, 3097–3102)
關(guān)于MassWorks 軟件
MassWorks軟件是由 Cerno Bioscience 公司開發(fā)的一款革命性的MS數(shù)據(jù)定性分析軟件,能幫助我們在低分辨率的四極桿GC/MS、LC/MS直接測定化合物的精確質(zhì)量,并通過獨有的譜圖準確度概念確定出準確的分子式。MassWorks軟件同樣適用于高分率質(zhì)譜(TOF、Orbitrap)的定性分析。
關(guān)于綠綿科技
綠綿科技是Cerno Bioscience公司在中國區(qū)的總代理商,負責Cerno公司旗下的MassWorks、GC/ID 等產(chǎn)品市場推廣、銷售、售前/售后技術(shù)支持、應用支持。
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北京綠綿科技有限公司(簡稱:綠綿科技)以體現(xiàn)客戶服務價值為宗旨,以專業(yè)精神和技能為廣大實驗室分析工作者提供樣品前處理、樣品制備及分析、實驗數(shù)據(jù)精確分析和管理的全面解決方案,致力于協(xié)助客戶提高分析檢測的效率和水平。主要代理產(chǎn)品聯(lián)系電話:010-82676061/2/3/4/5/6/7/8
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