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分享 | 液质联用仪基本参数解释及如何衡量好坏

2017-12-07 精艺兴业


仪器的好坏经常会用一些基本参数衡量,如下:


m/z范围10~2000 amu
分辨率单位质量分辨,R=2M
扫描速度最高6000amu/sec
灵敏度ESI正离子 利血平 10pg S/N> 500(RMS)
扫描功能多顺序方式功能 扫描/SIM/正离子/负离子/CID切换,最多可64种方式同时采集数据

有些地方不是很明白,“单位质量分辨,R=2M ”是如何计算的,扫描速度指得是什么,“最高6,000amu/sec ”,是什么意思,灵敏度说“利血平 10pg S/N> 500(RMS) ”  中10pg,是说的质量么,怎么灵敏度不用浓度来衡量的么。


判断仪器“好坏”,并不是只靠参数就可以了。目前,中国流行招标体制,所以,指标变相地成为一个很重的衡量标准,其实,指标在初期,对于不守规则的厂家来说,是个规范,比如大家都得达到一个指标,才能卖给用户。而过分强调指标,对用户也没什么好处。因为两大原因:

(一)、仪器公司声称的指标,在验收时很多都不进行测定。比如,某些质谱公司说灵敏度有多高,标书上是一种说法,验收时并不是这种做法。气质联用这个现象还好一些,液质联用就完全没有规范。中国的很多仪器公司声称的指标,验收时是不做的。

(二)、指标的测量都是纯品,在一定的苛刻条件下,而实际作样不是这样的。

有种意见是:因为指标能做到这种程度,也就证明了它潜在有这种能力,比如,有家灵敏度比别人高,就证明了他潜在有这种能力。

但还有种意见是:很多原则不能滥用。有些公司为了过分追求每一个指标,把仪器专门设置一种极限状态来测量某一种指标(比如灵敏度),而这时的分辨率、扫描速度都非常差(实际应用根本不可能)。这时,指标是上来了,过分地上来了,但对用户就一点用都没有了。

在仪器中,质量范围、灵敏度、分辨率、扫描速度有些是相互冲突的指标,所以,片面强调某种指标,对用户没有什么意义。可中国的招标制度,招标时只看指标,仪器到货后,招标公司和政府就完全不管了。严格的用户还想对着指标验收一下,不严格的用户就也甩手掌柜,任凭仪器公司宰割。

我个人对于质谱写指标,验收,建议有几个是比较重要的:

(1)灵敏度,必须在单位质量分辨率下

(2)分辨率,必须指明在哪个具体的质量处

(3)单位质量分辨下的m/z范围



1、关于m/z范围


刚才说过一条,必须是单位质量分辨以内的m/z范围

m/z范围跟质量分析器有关

一、四极杆型

最高的极限大约在3000~4000 amu,但同时,四极杆对大质量数有歧视,所以,过分强调m/z范围没有特别意义,因为这不是四极杆的擅长。

那么,四极杆最擅长做什么呢?就是定量!(关于四极杆,会再贴一帖)

二、离子阱型

最高的极限大约在4000(单位质量分辨下),有些公司说到6,000,甚至说到20,000 amu,其实也是瞎掰,因为这时分辨率极差,m/z 500 和503 都分不开。

离子阱普遍对小质量有歧视(1/3效应),但对大质量(比如1000 amu以上的)反而比四极杆的响应好。

三、飞行时间TOF

这是它的强项!单独的TOF做个十几万没什么问题,但在串联了前端的四极杆、离子阱后,二级质谱(MS/MS)的m/z范围就会受到四极杆、离子阱的限制。但如果一定要测定大分子,TOF(或者串联TOF)还是迟早要买一台的。

单从液质联用来说,能做串联质谱(tandam mass)是非常重要的,因为液质的背景干扰比气质大得多,串联质谱就是要去除背景。作为前端的质量选择器,大部分都采用四极杆或者离子阱,所以,现在看来,对于液质联用,m/z范围就不是一个特别重要的指标。最新的AB 5500 Qtrap,m/z上限仅做到1000 amu。因为这类仪器,够用了。



2、分辨率


分辨率好像总是个永远讨论不清的话题。

可参见:有机质谱的分辨率

谈谈有机质谱的分辨率

需要强调的是:

1)对于磁质谱,我们如果说分辨率为10000,比常规有机质谱10000的分辨率,要好很多很多。

2)对于四极杆、离子阱,分辨率用10000表示是不科学的,因为它总在变,所以用FWHM或R=nM表示比较好,因为它在基本m/z范围内是不变的。或者,说明是在哪个质量数下测定的,比如在500 m/z时,分辨率优于5000。

3)对于TOF/FT/Orbitrap等,必须指明在哪个质量数下面测定的,也用10000、20000 之类的数字来表示。



3、谈扫描速度有没有用?


首先必须声明,扫描速度不是非常重要的一个指标。因为实际获得一种谱图,我们考虑的是duty cycle的时间,也就是采集一张谱图需要多少时间。所以,考察仪器“快”、“慢” 的主要衡量标准,应该是duty cycle时间,而不是扫描速度。

扫描速度指的是:把规定m/z范围内的离子一个一个“扫描”出质量分析器的能力,表示为:amu/sec。这仅仅指从分析器出来的一段时间,质量分析器不同、工作模式不同,差别就很大。

一、四极杆:

duty cycle时间=扫描时间+扫描之间的间隔时间

对于全扫描,比如 扫描m/z 50~550 amu,扫描速度1000 amu/sec,可知道扫描时间为:

500/1000=0.5秒=500 毫秒,间隔时间为几个毫秒,所以,大约每秒可以采集2张全扫描谱图

对于SIM,比如扫描 m/z 499.5~500.5 amu,扫描速度1000 amu/sec,可知道扫描时间为:

1/1000=0.001秒。间隔时间就比较重要了,为几个毫秒,所以,用SIM,每秒可采集几百张谱图

二、三重四极杆

参见:三重四极杆的扫描速度和谱图采集速率

三、离子阱

参见:为什么离子阱质谱的采集速度不由扫描速度决定?

四、TOF

TOF是最快的质量分析器,如果只求快,不要求分辨率,可以快到每秒采集几万张全扫描谱图。

如果还要求高分辨率,可以每秒采集1~20张全扫描谱图

就我看来,大家谈到TOF,是比较注重用正确的duty cycle时间来表达仪器快、慢的,这是对的。

其它在讨论四极杆、离子阱时都不注重

谈到四极杆,对定性倒还无所谓,因为转换时间一般都在几个毫秒量级,比如这两年,仪器公司已经把转换时间从20个毫秒,提高到1毫秒的水平。

但对定量,用duty cycle表示,要科学得多,因为在定量时,分析器的扫描速度用的时间已经不是决定duty cycle的时间,MRM通道间的转换时间,已经变成了决定时间。

比如:在MRM单位分辨下(即扫描质量范围为1 amu),扫描速度是1000 amu/sec,扫描时间是1/1000=1 毫秒,如果MRM通道转换时间是20毫秒,那么每秒可采集的谱图数是:1000/21=47.6张;

如果MRM通道转换时间是1毫秒,那么每秒可采集的谱图数是:1000/2=500张

将会有数量级的巨大提升。

再比如谈到离子阱,上面引用的讲得明白,离子阱duty cycle时间,扫描速度关系很小,主要是注入离子、稳定到阱中的时间。

对离子阱,谈扫描速度有多大,没有啥意思;倒是谈谈把扫描速度降低,分辨率能到达多高有意思。因为在离子阱里,扫描速度一放慢,分辨率就可以大幅提高,甚至可以分辨0.05 amu的质量;

离子阱所谓27,000 amu/sec(或60,000 amu/sec)的扫描速度,不仅对duty cycle 没什么贡献,而且没有人会这么做,因为这时的分辨率差到了3~5个 amu。



4、关于灵敏度


QUOTE:

灵敏度说“利血平 10pg S/N> 500(RMS) ”  中10pg,是说的质量么,怎么灵敏度不用浓度来衡量的么。

灵敏度是用信噪比来表示的,S/N,信噪比的计算又有峰-峰比和RMS之分(RMS计算的信噪比一般要比峰-峰比计算的高5~10倍)

RMS是在待测峰周围,找一段质量范围,然后做均方根平均,作为噪音高度(强度)。再拿待测峰的高度除以平均高度,即为RMS。

我自己想来,仪器厂家一般都倾向于用RMS来表示,因为验收时各家实验室的气体、水、溶剂都不是很确定,所以,用RMS更合理些,可以尽可能地平均掉(消除掉)这种差别。

而峰-峰比,是寻找待测峰周围一个最高的噪音峰,拿待测峰的高度去比上最强的那个噪音峰。可能药物残留检测时要求如何判定时会用到(o(∩_∩)o...,因为这是法规判定啊,要排除掉任何一种假象)。仪器验收时,不会做这事,因为即使做,也是一针好一针坏,每个实验室的结果都不一样。

质谱的一大特色,就是它是一个质量检测器,峰面积跟质量成正比(记得好像UV紫外是浓度型检测器)。也就是说,我拿1 pg/uL,进样10 uL;跟拿5 pg/uL,进样2 uL相比,如果其它条件都一样,峰面积应该是一样的。

我个人的感觉,从实验人员来说,稀释样品可能比较容易,很容易比较准确;而进样器的定量环一般为20 uL,所以进样10 uL,一定比进样2 uL来得准确一些。



5、关于扫描功能


个人觉得,扫描功能是跟各个分析器原理有关的,就不用一一解释了,有些也是厂家新造出来的词儿。

看扫描功能时,主要是:

(1)如果是同一类型仪器,可以几家不同的厂家比,看差别;看这个差别是不是真正的差别(还是只是各个厂家的叫法不同)。

看看这个差别对自己现在和将来的工作是不是有用?有用就再看看,没用就可以忽略不计。

(2)有些指标是相互冲突的,不同的分析器适用的工作范围也是不同的。

只是就目前趋势来讲,据说国际上正在流行一种同时满足几项高指标,一次实验多做几种扫描的观点,比如:一次实验同时定性定量,在高速度时还可以高分辨等等。

个人想过了很多遍,质谱区别于其它谱的特点是:

可以和色谱很好联用,红外、核磁不行吧?

可以获得丰富的信息量,紫外不行吧?

是分子水平上的测定,而不是仅仅测定物质的表面,显微镜不行吧?

至于灵敏度、分辨率、测量范围(m/z范围)等,都是其它谱学也关心的东西。

跟色谱联用是为了什么呢?——我需要重申一遍

色谱是分析工作的基础。

我们要分析任何东西,都得打破平衡,把东西取出来,然后把它分出来,这就是色谱。

分出来以后,我们才能用各种谱去检测。

估计每个红外专家、核磁专家,都在梦想着把色谱跟红外、核磁很好地联用,但目前做不到。而做到了液相和质谱很好联用的专家们,就获得了Nobel奖(指发明了ESI)。

质谱的信息量是巨大的,这是很多分析手段都不能比的,后面的就不多讲了。

所以,回到主题,判断扫描功能有没有用。就是看它是不是让我们跟色谱联用时,工作的效率提高了?比如以前两次甚至三次实验做的事,现在一次实验就搞定。




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