超高分辨飞行时间质谱的发展和应用
二十世纪初，J.Dempster和F.W.Aston成功研制了世界上第一台质谱仪。一个多世纪来，质谱技术的发展经历了从物理领域到化学领域，再从化学领域到生物领域的过程。在新型离子化技术、以“色谱和质谱联用”为主导的联用技术以及计算机的广泛应用等关键技术因素的综合推动下，质谱理论和技术产生了飞跃发展。美国科学家J.B.Fenn和日本科学家K.Tanaka因“发明了用于生物大分子的电喷雾离子化（Electrospray Ionization，ESI)和基质辅助激光解吸离子化（Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionzation，MALDI）质谱分析法”而共享了2002年的诺贝尔化学奖，质谱发展进入了一个崭新的生物质谱时代。
超高分辨飞行时间质谱（Ultra High Resolution Time of Flight Mass Spectrometry，UHR-TOF）因其高灵敏度、高分辨率、分析速度快、质量检测上限只受离子检测器限制等优点而成为目前应用最广的生物质谱分析技术之一。在解决基因及基因组学、蛋白质及蛋白质组学、病毒学等国际最前沿的热点问题上发挥了不可替代的作用。飞行时间质谱仪（TOF）由离子源产生的离子经加速后进入无场漂移管，以恒定的速度飞向离子接收器，离子到达接收器所用的飞行时间和离子的质荷比(m/z)相关，通过测量各种离子到达飞行管的飞行时间，就可以得到离子的m/z值（图1）。TOF质谱仪器结构一般由电喷雾离子源、离子传输和聚焦以及飞行时间质量分析器三部分组成。
图1 飞行时间质谱原理图
上世纪40年代中期宾夕法尼亚大学的W.E.Stephens首先提出了TOF的基本原理。到50年代中期，美国Bendix公司的Wiley和McClaren完成了第一个实用型飞行时间质谱仪的设计，并研制出了第一台采用正交90度技术的商用TOF质谱。当时这项技术被普遍认为是离子特性基础研究的一种奢侈品，并没有被广泛应用。直到上世纪70年起，等离子体解吸电离、二次离子质谱，特别是基质辅助激光解吸电离等新型离子源的出现，TOF才重新引起大家关注。1999年A.Dodonov和H.Wollnik综合了离子源、离子垂直引入、射频四极杆碰撞冷却聚焦、双场加速、二级反射场和高速时间数字转换器等技术，使其分辨率超过20,000(FWHM)，TOF开始展现它极大的应用价值。现在市场上分辨率超过40,000 (FWHM)，质量准确度小于1ppm的商品化的TOF质谱技术已经非常成熟，可实现真正意义上的发现、鉴定和定量分析于一体，是实验室进行高通量分析的良好选择。我国TOF技术经过多年的发展，已有一定的经验积累。自80年代中期开始，厦门大学、天津大学、中山大学、中国科学院大连化学物理研究所、清华大学、中国科学技术大学、中国科学院科学仪器厂、中国科学院安徽光学精密机械研究所、中国科学院广州地球化学研究所等科研单位先后对TOF质谱仪进行了研究，虽已经成功研制出多款样机，但仍道阻且长。
UHR-TOF具有亚ppm级的质量准确度，真实同位素峰形和高分辨MRM特征碎片离子检测，跨越全质量范围（从小分子到整蛋白）的极限灵敏度和超高分辨率，高达每秒几十Hz的图谱采集速度。特别是其与超高效液相色谱（U-HPLC）完美兼容后，能同时满足准确定性和定量的需求，可广泛应用于化合物的表征和定性、痕量多目标物质的快速筛查和定量以及生物组学等研究。UHR-TOF将在生命科学、环境检测、药物分析、食品安全等诸多研究领域发挥越来越大的作用。
撰稿人 彭全材
编辑 张倩
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