如何称量微观粒子的体重

小时候，我们都听过曹冲称象的故事，曹冲“置象大船之上，而刻其水痕所至，称物以载之，则校可知矣”，利用阿基米德定律测定了大象的质量，对于一个庞然大物，目前有很多种方法来获取它的质量信息，那么我们该如何测定一个肉眼不可见的化学分子或原子的质量呢？

顾名思义，质谱（Mass Spectrometry，MS）是指质量的谱，是一种呈现有关化合物分子量信息的谱图。通过质谱，我们可以在较短时间内快速、准确的分析鉴定多种类样品，对分子进行表征。一个质谱系统通常由样品导入系统、离子源、质量分析器、检测器、计算机控制与数据处理系统五部分组成。一个化合物分子进入质谱仪器最终变为谱图信息就通常需要经历这五个环节的冒险。样品导入系统就好比是整台质谱仪器的“大门”， 样品只有通过特定的方法和途径才能被引入到离子源。离子源就像是一个魔法屋，在这里，通常为电中性的样品分子经历一系列物理化学过程成为带有电荷的粒子。带电粒子可以是阴离子也可以是阳离子，其中阳离子可以是分子M失去一个电子的阳离子自由基M+·、也可以是结合一个质子的[M+H]+、加合其他阳离子的[M+Na]+、[M+K]+、[M+NH4]+、或者是失去一个带负电的基团如[M-Cl]-等。离子源可以说是整个质谱仪器的核心“大功臣”，我们都知道电场和磁场无法调控中性粒子的运动，中性粒子只有经由离子源带上电荷才能在质量分析器中利用质荷比m/Z区别开来，在检测器中得到不同的质谱响应信号，通过质荷比的大小、离子丰度和相应信号峰的峰面积来实现对化合物的定性与定量分析。

质谱装置示意图

通过一张质谱图我们通常可以获得化合物分子对应的带电粒子的质荷比m/Z信号（横轴）以及这些信号的相对强度（纵轴）。如下图所示，我们可以得到替格瑞洛（MW= 522）分子的加质子[M+H+]信号（m/z 523），总信号强度为2.01*106。（替格瑞洛，分子式为C23H28F2N6O4S，是一种血小板聚集抑制剂，可以应用于急性冠脉综合征患者，包括接受药物治疗和经皮冠状动脉介入（PCI）治疗的患者，降低血栓性心血管事件的发生率。）

10 ppm替格瑞洛的质谱信号图

那么获得了化合物的质量信息后我们可以做些什么呢？首先当然是能够快速对化合物进行定性分析，将质量信息与一个个化合物分子一一对应起来。就像老师上课点名一样，一个姓名就会对应一位同学，一个质荷比信号通常也对应一个带电粒子、借助一个或多个带电粒子我们可以指认对应的化合物，借此我们能够快速分辨混合物中的不同分子。如下图所示的甘油三酯混合物的大气压辉光放电（Atmospheric Pressure Glow Discharge，APGD）质谱图，我们可以通过对比理论质量和实际测得的质量来指认图中各个信号峰。

甘油三酯混合物的APGD质谱图

甘油三酯混合物APGD质谱图中观测到的信号峰的质量信息

除了简单的定性分析，我们还可以借助质谱成像软件，绘制质谱成像图像。相比棒状图，质谱成像图像可以更加直观鲜明的展现目标分子在样本表面的二维空间分布图。那么这一过程是如何实现的呢？首先我们可以把一张组织切片看成由很多面积相等且极小的小格子组成，就像缩小版的拼图一样，然后对“拼图小块”进行质谱数据的采集，在这些数据中搜寻任意指定质荷比离子的质谱峰（通常为目标分子的信号），结合其对应离子的信号强度（图像中用颜色深浅表示）和其在样本表面的位置，利用软件就可以绘制出来啦。借此我们可以发现细胞代谢的奥秘、总结电化学沉积的规律、进行生物标志物的发现和化合物的监控……如下图所示为药物acriflavine的质谱谱图和其培养的单细胞的光学图像、MS图像、放大MS图像。

acriflavine培养的单细胞的纳米级质谱成像

看到这里，不知道你是否对质谱有了一个简单的认识呢？质谱作为一项新兴的分析技术在最近几十年内取得了飞速的发展，质谱的奥秘还有待我们更一步去了解、去发现。

作者介绍：柏家辉，中国科学院上海有机化学研究所金属有机化学国家重点实验室在读硕士研究生，导师：郭寅龙研究员。从事有机质谱学研究，专注于新型敞开式离子源的开发工作。

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