質(zhì)譜技術(shù)的新進展及其在藥物研究中的應用

程純?nèi)澹?杰，楊 義，楊 敏，周振星，李再新

(1.四川理工學院a.化學與制藥工程學院;b.制藥工程技術(shù)與應用研究所，四川 自貢 643000;2.中國科學院上海藥物研究所，上海 201203;3.四川省食品藥品檢驗所，成都 610097)

自從J.J.Thomson發(fā)明第一臺質(zhì)譜儀以來，質(zhì)譜技術(shù)獲得了巨大的發(fā)展，先后有數(shù)位科學家因?qū)|(zhì)譜儀的杰出貢獻而獲得了諾貝爾獎。特別是田中耕一和Fenn發(fā)明軟電離技術(shù)后的近二十年來，質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展突飛猛進，各種商業(yè)質(zhì)譜大量涌現(xiàn)。在現(xiàn)代藥物研究中，分析樣品往往具有樣品量大、樣品成分復雜、樣品含量低的特點。質(zhì)譜以其快速、準確、靈敏等優(yōu)點而受到科研人員的青睞，在藥物分析、藥物代謝等領域獲得了廣泛的應用，逐漸成為分析人員手中不可或缺的工具。

1 質(zhì)譜儀概述

質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)主要由樣品接口、離子源、質(zhì)量分析器和檢測器構(gòu)成。

樣品接口是將樣品引入儀器的重要部件。最常見的方法是通過液相或氣相色譜將樣品引入質(zhì)譜的離子源部分。常用的軟電離接口放置模式主要有兩種，一種是垂直正交轉(zhuǎn)移模式，另外一種是同軸轉(zhuǎn)移模式。在垂直轉(zhuǎn)移模式中，噴霧的方向與質(zhì)譜儀入口軸成垂直正交。同軸轉(zhuǎn)移模式中，噴霧方向與質(zhì)譜入口共軸或偏一小角度。

離子源多種多樣，有的要求在真空環(huán)境下工作，有的要求在低壓下工作，而有的則可以在大氣壓下工作。在真空狀態(tài)下工作的離子源主要有電子轟擊源(EI)、化學電離源(CI)等;低壓下工作的有輝光放電離子源(GDI);大氣壓下工作的有電噴霧源(ESI)、大氣壓化學電離源(APCI)等。在氣質(zhì)聯(lián)用儀中，離子源通常為電子轟擊源［1］或化學電離源［2］。而在液質(zhì)聯(lián)用儀中，常用的離子源為電噴霧離子源［3-4］、大氣壓化學電離源［5］、大氣壓光電離源(APPI)［6-7］、基體輔助激光解析電離源(MALDI)［8-9］等。近幾年還開發(fā)了電噴霧解析電離源(DESI)［10］、實時直接分析電離源［11-13］、納流電噴霧離子源(NSI)［14-15］，使得藥物樣品的分析更方便和快捷。

質(zhì)量分析器是質(zhì)譜儀中最核心最重要的部分。常見的分析器基本類型有磁偏轉(zhuǎn)、四級桿、離子阱、飛行時間和離子回旋共振。不同的質(zhì)量分析器之間相互雜交形成不同的組合，不同的分析器和離子源也有不同的組合，而不同組合的儀器有不同的功能，這樣就構(gòu)成了質(zhì)譜儀器龐大的家族。

檢測器是質(zhì)譜的最后部分，它用于檢測離子的存在和強度。通常使用的是電子倍增器，而飛行時間質(zhì)譜使用的是微通道板(由一組電子倍增器組成)。

2 質(zhì)譜儀及其應用

四級桿質(zhì)譜是目前最常用的質(zhì)譜儀。它具有體積小、質(zhì)量輕、性能好等優(yōu)點［16］。但普通的單四級桿質(zhì)譜在藥物分析，特別是藥物的定性分析中的應用有限，因為其靈敏度和分辨率都相對較差，且不能進行二級質(zhì)譜的測定，提供不了更多關于化合物結(jié)構(gòu)的信息。三重四極桿質(zhì)譜的開發(fā)大大改善了選擇性和信噪比，使得這種質(zhì)譜在藥物分析、藥物代謝領域廣泛使用。目前，它在藥物研究中最常見的應用是對藥物樣品進行含量測定，特別是對一些含量較低的藥物代謝樣品的測定，其含量測定的線性范圍最低點很容易達到納克級甚至更低，完全可以滿足低濃度樣品的測定要求。關于這方面的研究報道非常多，例如Cui等運用液相串聯(lián)三重四級桿質(zhì)譜測定了藥物匹卡米隆(picamilon)在人體中的血藥濃度［17］;Deng等運用液相串聯(lián)三重四級桿質(zhì)譜測定了藥物寡核苷酸在大鼠體內(nèi)的血藥濃度［18］。

三重四級桿質(zhì)譜非常有利于定向?qū)ふ业秃炕蚪Y(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)，適合藥物的定量分析研究。但在進行全掃描和二級質(zhì)譜分析時，它的靈敏度就相對較低，而離子阱質(zhì)譜在這方面卻具有高的靈敏度。因此，離子阱質(zhì)譜特別適合于藥物的定性分析，例如Cheng等運用液相色譜串聯(lián)多級離子阱質(zhì)譜，從靈芝藥材的甲醇提取物中鑒定了73個三萜類成分［19］。傳統(tǒng)的三維離子阱只有一個部件——阱，所有操作都在其中進行，做二級質(zhì)譜的過程為時間上連續(xù)的過程。其缺點是具有“1/3丟失效應”，即在二級質(zhì)譜測定時，質(zhì)量數(shù)為母離子質(zhì)量數(shù)1/3的碎片離子不易被檢測到。因此，經(jīng)常需要做三級質(zhì)譜來觀測低質(zhì)量數(shù)的碎片離子。最近，為了改善離子丟失效應，科研人員開發(fā)了二維線性離子阱質(zhì)譜，它的優(yōu)點是能增大氣相離子的儲量，減少空間電荷效應［20-21］。

在分析藥物代謝樣品時，由于待測物處于基質(zhì)中，微量的代謝物往往難以檢測到。離子阱質(zhì)譜如果還能具有選擇性掃描，如子離子掃描或中性丟失掃描(即既有三重四級桿質(zhì)譜的功能，又有離子阱質(zhì)譜的功能)，那么定性能力就會進一步加強。最近，科研人員開發(fā)了四級桿和線性離子阱的雜交質(zhì)譜(Q-trap)。這種質(zhì)譜既具有三重四級桿質(zhì)譜的高選擇性和高靈敏度，又具有離子阱強大的全掃描能力。因此Q-trap質(zhì)譜被稱作是“既可以做定量，又可以做定性”的質(zhì)譜［22］。關于Qtrap在藥物分析中的定性定量應用研究非常多，例如Le Blanc等將Q-trap技術(shù)運用到藥物蛋白質(zhì)組學的研究中，顯示了卓越的定性功能［23］;Yang等運用Q-trap技術(shù)對藥材北沙參中的香豆素類成分進行定性分析，從中鑒定了41個化學成分［24］。

飛行時間質(zhì)譜(TOF)是常見的高分辨質(zhì)譜，它能準確測定樣品的精確分子量。飛行時間質(zhì)譜可檢測的分子量范圍大，掃描速度快，儀器結(jié)構(gòu)簡單。在飛行時間質(zhì)譜的系列商業(yè)機器中，近期開發(fā)的質(zhì)譜儀有四級桿串聯(lián)飛行時間質(zhì)譜(Q-TOF)、離子阱串聯(lián)飛行時間質(zhì)譜(IT-TOF)和飛行時間串聯(lián)飛行時間質(zhì)譜(TOF-TOF)等。Q-TOF儀器在全掃描和二級質(zhì)譜分析過程中具有非常高的靈敏度。另外，由于它可以測得母離子和子離子的精確質(zhì)量數(shù)，這樣就非常有利于鑒定未知化合物的結(jié)構(gòu)。Q-TOF質(zhì)譜儀常常與超高效液相色譜儀(UPLC)串聯(lián)，通過UPLC的高分離效率和Q-TOF的高靈敏度和高檢測速度相結(jié)合，一次進樣分析，同時獲得待測化合物的母離子和碎片離子信息。近年，Q-TOF質(zhì)譜儀逐漸成為藥物分析研究中的重要儀器，特別是應用于藥物質(zhì)量控制和藥物代謝產(chǎn)物的鑒定。例如Xiang等運用液相色譜串聯(lián)四極桿飛行時間質(zhì)譜，從灌胃給藥甘草水提液后的大鼠體內(nèi)鑒定了104個代謝產(chǎn)物［25］;Cheng等運用超高效液相色譜串聯(lián)四級桿飛行時間質(zhì)譜從灌胃給藥靈芝酸D的大鼠體內(nèi)鑒定了27個代謝產(chǎn)物［26］。另外，也有報道將Q-TOF質(zhì)譜運用到藥物的定量分析研究中，例如Van Nieuwerburgh等運用液相串聯(lián)四級桿飛行時間質(zhì)譜對青蒿中的青蒿素及其生物合成前體進行定量分析［27］。IT-TOF質(zhì)譜也是性能非常好的高端雜交質(zhì)譜，也經(jīng)常用于藥物分析中。例如Liang等運用液相色譜串聯(lián)離子阱飛行時間質(zhì)譜對中草藥復方進行了定性和定量分析［28］。TOF-TOF質(zhì)譜也是功能強大的高分辨高端質(zhì)譜，主要用于蛋白質(zhì)大分子的定性分析，也有一些在藥物研究應用方面的報道，例如，Notari等運用TOF-TOF測定了抗艾滋病藥物在人體中的血藥濃度［29］。

高分辨質(zhì)譜的基本類型除前述的飛行時間質(zhì)譜外，還有磁質(zhì)譜、傅立葉變換離子回旋共振質(zhì)譜(FT-ICR)和傅立葉變換靜電場軌道阱質(zhì)譜(Orbitrap)。在這些高分辨質(zhì)譜儀器中，由于質(zhì)量分析器結(jié)構(gòu)和檢測器的不同，性能上有很大差異。磁質(zhì)譜經(jīng)典、穩(wěn)定性好，但掃描速度慢;飛行時間質(zhì)譜分辨率相對較低，且測量數(shù)據(jù)的準確性受操作條件影響大。而傅立葉回旋共振質(zhì)譜具有超高分辨率和高質(zhì)量精度。FT-ICR在藥物分析中也有一些應用，例如Huang等運用FT-ICR對中藥材五味子中的木質(zhì)素類成分進行定性分析，總結(jié)了木質(zhì)素類成分的質(zhì)譜裂解規(guī)律［30］。但該儀器價格昂貴、體積龐大、運轉(zhuǎn)費用高、操作復雜，這些缺點限制了它的推廣和使用。Orbitrap的操作性能低于FT-ICR，但優(yōu)于TOF。由于采用了靜電場軌道阱作為離子的旋轉(zhuǎn)振蕩，沒有FT-ICR所需的超高磁場，因而沒有FT-ICR質(zhì)譜維持超導磁體工作所需的大量液氦和液氮的消耗，使維持儀器運轉(zhuǎn)相對簡化，顯著降低了使用成本?，F(xiàn)在商業(yè)化的Orbitrap為雜交質(zhì)譜，即LTQ-Orbitrap。它由兩種不同類型的質(zhì)譜雜交構(gòu)成，前級為二維線性離子阱質(zhì)譜，提供結(jié)構(gòu)碎片信息;后面為Orbitrap高分辨質(zhì)譜，提供元素組成。和其它雜交質(zhì)譜相比，前端的二維線性離子阱是可獨立工作的低分辨質(zhì)譜，可完成所有離子阱質(zhì)譜的一級、二級甚至多級分析。在進行高分辨質(zhì)譜分析時，二維線性離子阱的作用是富集離子和產(chǎn)生多級碎片。在高分辨掃描時，二維線性離子阱可同時進行多個數(shù)據(jù)關聯(lián)的二級質(zhì)譜或多級質(zhì)譜掃描，是真正的高低分辨雙質(zhì)譜同時分析。LTQ-Orbitrap已經(jīng)逐步運用到藥物分析中，例如，Su等運用液相色譜串聯(lián)LTQ-Orbitrap對中藥復方制劑——柴胡舒肝散中抗氧化成分進行定性分析，從中鑒定了33個化學成分［31］。

也有一些正處于研發(fā)階段的質(zhì)量分析器，如飛行距離質(zhì)譜。飛行距離質(zhì)譜是一種高分辨質(zhì)譜，它的基本原理與飛行時間質(zhì)譜類似，是通過在固定時間內(nèi)測定待測物離子飛行的距離來測定其質(zhì)量數(shù)［32］。這種質(zhì)量分析器目前仍處于開發(fā)階段，暫無商業(yè)化機器出現(xiàn)。

3 展望

近年，質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展越來越快。隨著它在各個領域的應用，特別是醫(yī)藥研究領域的應用，人們逐步認識到它的強大功能。反過來，各個行業(yè)的應用也推動了該儀器的進一步開發(fā)和改進。隨著技術(shù)的進步，質(zhì)譜儀會越來越完美，功能會越來越完善，為藥物研究的分析工作提供強大的技術(shù)支持。

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