彭興，朱曼潔   賽默飛世爾科技（中國）有限公司

摘 要
本研究基于氣相色譜-四極桿-靜電場軌道阱高分辨質譜（Thermo Scientific TM Q Exactive-GC），并結合相應的數據處理軟件，研究精確質量數據庫建立以及利用數據庫進行目標化合物快速篩查的流程。實驗中的數據，均在60,000 FWHM（200m/z）及以上的分辨率下采集，且數據的質量準確度保證在2ppm范圍內，所以，其超高的性能特點保證了數據的準確性和可靠性。快速篩查方法同時對精確質量數偏差、保留時間窗口、同位素分布與同位素豐度信息等參數進行了優化，最大程度的降低假陽性以及假陰性結果的干擾，從而獲得最準確的篩查結果。

關鍵詞 Q Exactive-GC；高分辨精確質量數據庫；目標化合物篩查

1.引言
隨著檢測技術的發展，在食品安全、環境監測、司法等領域，對于快速篩查方法的需求越來越迫切。少量化合物檢測以及大量特定目標性化合物的篩查方法已無法滿足高通量、快速篩查的要求。三重四極桿作為常見的檢測手段，一般采用多反應監測（MRM）的掃描模式，由于其需要固定目標化合物的數據庫，所以其對于高通量快速篩查方面仍有一定的局限性。高分辨質譜由于其分析速度快、質量精度高和分辨率高等特點，使其在快速篩查方面具有較大的優勢。但是常規的高分辨質譜如飛行時間質譜又通常受限于靈敏度低、定量范圍窄以及穩定性不好等方面的問題，無法真正滿足用戶的需求。
靜電場軌道阱（Orbitrap）在具備常規高分辨質譜特性的同時，其分辨率更高，質量穩定性更強，同時具有高靈敏度，滿足痕量檢測需求；具有寬的動態定量范圍，利于低濃度和高濃度化合物的同時定量；儀器穩定性高，可保證長期檢測的可靠性。
Q Exactive-GC 采用先進的靜電場軌道阱（Orbitrap）檢測技術，分辨率高達 120,000 FWHM（200  m/z ），同時保持良好的靈敏度。Q Exactive-GC 可進行高分辨數據全掃描采集，同時保證了數據的可溯源性，最大限度地對樣品特性進行相關挖掘，分析。利用 Q Exactive-GC 進行目標化合物快速篩查，通常需要結合相關的高分辨精確質量數據庫。當分辨率高于 50,000 FWHM（200  m/z ）時，高分辨全掃描方式的選擇性會優于三重四極桿質譜 MRM 的掃描模式，即交叉點 [1] 。因此，Q Exactive GC 高分辨質譜參數選擇了 60,000 到 120,000（200  m/z ）的分辨率進行目標化合物快速篩查。
本研究基于 Thermo Fisher Scientific 最新氣質高分辨產品Q Exactive-GC，探索了精確質量數據庫建立以及結合數據庫進行篩查的相關流程。

2.實驗部分

2.1 質譜條件
儀器型號：Thermo Scientific TM Q Exactive-GC 質譜儀
離子化類型：EI（電子轟擊）
離子源溫度：280 ℃
電子能量：70 eV
采集模式：高分辨全掃描（FullScan）
質量分辨率：60,000 FWHM（200  m/z ）；120,000
FWHM（200  m/z ）
掃描范圍：50-700  m/z

2.2 數據采集及數據庫建立流程
1) 配置化合物標準溶液，濃度為 2.0 mg/L（溶劑正己烷）；
2) 全掃描模式進樣分析，分辨率 60,000 FWHM（200  m/z ）
或 120,000 FWHM（200  m/z ）；
3) 數據文件經解卷積軟件處理；
4) 獲得各個化合物離子碎片理論精確質量；
5) 編入數據庫。

3.實驗與結果
3.1 數據文件處理
數據文件采用新一代解卷積軟件進行處理。經解卷積后，可從多個疊加圖譜中快速分離、提取單一化合物譜圖信息，去除干擾及背景離子，從而獲得相對純凈的質譜圖。同時，解卷積軟件還可結合 NIST 譜庫進行離子匹配及碎片離子理論質量數計算，得到更加準確的定性信息。
解卷積及譜庫檢索流程主要包括：① 數據文件解卷積；② 計算精確質量數；③ 譜庫檢索。如圖 1 所示。

3.2 數據庫建立
Q Exactive-GC 采用電子轟擊（EI）離子源，其電離效率高，可將化合物打碎產生多個碎片離子，提供了豐富的譜圖信息。Q Exactive-GC 采用全掃描采集模式，結合自身高分辨率及高質量精度，獲得的數據更為精確、可靠。在建立 Database 時，通常選取響應較高的碎片離子作為定量離子和定性離子。
EI 質譜圖可提供豐富了譜圖信息。建立 Database 時，通常選取 2-5 個碎片離子錄入數據庫。以基峰離子做為定量離子，其余的離子為定性離子。同時提供了基峰離子的化學式，軟件可根據化學式自動進行同位素擬合，對比各個同位素的精確質量數及豐度，提供更為確切的篩查信息。Database 主要包含化合物名稱、CAS 登記號、碎片離子信息（精確質量、化學式）、保留時間等信息。
按照歐盟方法學標準，質譜方法必須達到 4 個定性點的確證要求 [2] ，對于三重四極桿串接質譜，通常只檢測 2 對離子對，因此其定性點往往只有 4-5 個；而對于高分辨質譜，由于其對精確質量數進行全掃描測定，因此其每個離子被定義為 2 個定性點，相對豐度在基峰強度 10% 以上的離子均可作為定性離子。
按照以上規則，Q Exactive-GC 所采集數據的定性點均在 4 個以上，并可以實現全掃描圖譜的庫檢索工作。利用 TraceFinder 3.3可快速建立精確質量數據庫（Database），并且可利用數據庫進行相關檢索。數據庫如圖 2 所示。

3.3 快速篩查流程
3.3.1 目標化合物篩查流程
利用 Q Exactive-GC 高分辨率、高質量精度、高靈敏度等優異性能，結合高分辨精確質量數據庫進行快速篩查，不受目標化合物數量的限制，從而達到高通量、快速篩查的目的，并滿足低濃度化合物檢測和數據回溯性研究。
利用化合物的精確質量數據庫和保留時間，同時結合同位素強度、同位素分布等信息，建立了目標化合物篩查流程。如圖 3 所示。

3.3.2 篩查參數設置
Q Exactive-GC 篩查方法主要涉及精確質量數據庫的選擇、保留時間參數設置、精確質量數據參數設計、同位素模型參數設置等方面。通過參數的設置，達到快速、準確篩查的目的，如圖 4 所示。


采用固定的色譜柱、氣相色譜方法，可以保證化合物統一的保留時間。通過保留時間的限制，盡可能的將化合物在色譜上進行分離，再結合精確質量數據庫可達到更可靠的篩查效果。
Q Exactive-GC 超高分辨率以及高質量精度，使測定的數據可信度更高。在篩查過程中，準確、穩定的數據保證了篩查結果的確定性、唯一性。實驗中，通過對400余種農藥化合物選取的1345個碎片離子精確質量數的研究，其實測值與理論值的質量偏差均在1ppm范圍內[3]，如圖4所示。Q Exactive-GC在大量的數據采集過程中能保持良好的質量偏差，進而實現了通過盡可能低地限制質量偏差以減少假陽性結果。

除了保留時間、精確質量、質量偏差等標準參數，目標化合物篩查流程還引入了同位素擬合的概念，將實際值和理論同位素值進行對比，增加、完善了判斷條件。這主要是因為化合物具備的同位素簇信息對于定性具有重要意義。例如 Cl 和 Br，其同位素貢獻占到了 32.0% 和 97.3%，并且隨著化合物中元素個數的增加，同位素貢獻呈現上升的趨勢。
TraceFinder 3.3 可根據離子的化學式自動生成相應的同位素峰理論信息，自動與測定值相比較。化合物的同位素分布與同位素豐度信息在檢索中的得分作為篩查的一項重要參數和判斷依據。如圖 5 所示。


3.5 篩查結果瀏覽及導出報告
TraceFinder 3.3 篩查結果的瀏覽采用了簡單、直觀的“交通信號燈”模式，結果展示更清楚直觀。如圖 8 所示，符合篩查結果中參數設置的項目可清晰顯示，便于使用者查看。


同時，篩查結果可快速轉化成常見數據格式（XLS, PDF, CSV 等）快速預覽、生成、導出。用戶也可根據不同的檢測需要選擇默認模板和自定義報告模板，快速生成相關的實驗結果。

4.結論
目標化合物篩查是 Q Exactive-GC 在食品安全、環境監測、毒物檢測等領域的主要應用。利用儀器超高分辨率、穩定的質量精度以及高靈敏度與 TraceFinder 軟件結合，可以快速建立化合物精確質量數據庫，利用化合物的精確質量數與保留時間，同位素強度，同位素分布等信息結合，對樣品進行快速篩查。

參考文獻
[1]. Comprehensive comparison of liquid chromatography selectivity as provided by two types of liquid chromatography detectors (high resolution mass spectrometry and tandem mass spectrometry): “Where is the crossover point?” A.Kaufmann et al. / Analytica Chimica Acta 673 (2010) 60-72
[2]. 《EC 657-2002》
[3]. 彭興，朱曼潔，李春麗，蘆苓. 基于 Q Exactive-GC 精確質量數據庫篩查及確證食品中 435 種農藥多殘留. 賽默飛世爾科技.