高端质谱在中药分析中有哪些新技术和新策略？
高端质谱
随着科学技术的飞速发展 ，探索新分析技术 ，建立中药成分分析新策略 ，是以推动中药复杂成分的分析研究的重要手段 。特别是色谱‐质谱分析技术和数据处理策略的发展 ，可以极大地促进了中药复杂成分的快速 、高通量定性和准确定量 ，本文将就中药成分质谱分析新技术和新策略进展。
色谱‐质谱联用分析技术具有快速 、高效 、高灵敏和选择性好的特点 ，可以提供丰富的结构信息 ，提高复杂体系中微量成分的识别和鉴定效率 ，现已广泛应用于中药成分分析和鉴定 。特别是液相色谱‐质谱联用技术（LC‐MS） ，其液相色谱部分由高效液相色谱（HPLC）发展到超高效液相色谱 （UPLC）／超高压液相色谱 （U HPLC） ，由一维液相色谱（１D‐LC）发展到二维液相色谱（２D‐LC） 。
质谱部分多为高分辨质谱 ，如飞行时间质谱（TOF） 、四极杆‐飞行时间质谱（Q‐TOF） 、傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT‐ICR）和轨道离子阱质谱（Orbitrap ） 。超高效液相色谱与高效液相色谱相比 ，分离效率更高 、分析速度更快 ，与高分辨质谱联用后 ，在中药成分分析和鉴定方面优势明显 。
二维液相色谱因峰容量高（理论峰容量可达10000），特别适合复杂样本的分析 。通过尽量提高第一维和第二维液相色谱之间的正交性 ，扩大色谱峰分布 ，从而分析和鉴定更多成分 。二维液相色谱有全二维（LC × LC）和多中心切割（multiple heart‐cutting ，HMC）２ 种分析模式 。随着超高效／超高压液相系统的耐压能力不断提升 ，以及精密流速和多通道进样阀切换自动化技术的成熟 ，超高效／超高压二维液相色谱开始普及 ，并与高分辨质谱联用进行中药成分分析和鉴定 。
气相色谱‐质谱联用技术（GC‐MS ）是中药挥发油成分分析和鉴定的重要手段 ，并有NIST 和 Wiley 标准谱库提供化合物的质谱信息 ，可实现快速 、准确鉴定 。气相色谱由一维（GC）发展到二维 （GC × GC） ，峰容量显著提高 ，增强了成分的分离能力 。气相色谱‐质谱联用技术由气相色谱‐四极杆质谱联用 （GC‐MS）发展到气相色谱‐三重四极杆质谱联用（GC‐MS ／MS）和气相色谱‐飞行时间质谱联用（GC‐TOF／MS） ，提高了质谱数据的质量精度和准确性 ，以及检测灵敏度 。
与气相色谱‐质谱联用技术相适应的样本前处理技术也在不断发展 ，从普通的样品直接进样 、顶空进样等发展到顶空固相微萃取技术（HS‐SPME） 、单滴液液微萃取技术 （SDME ）等 。这些新型的前处理技术整合了萃取 、富集和进样步骤 ，提高了分析效率 ，也扩展了气相色谱‐质谱联用技术的应用领域 。
色谱‐质谱联用技术是中药成分分析和鉴定中不可缺少的技术之一 ，只有针对中药成分的结构特点和理化性质 ，选择合适的分析技术 ，才能准确 、高效地实现中药复杂成分的分析和鉴定 。
质谱分析技术在分辨率 、准确性和灵敏度方面不断提高 ，特别是多功能杂化质谱新技术为复杂成分的分析和鉴定提供了多样的扫描模式和碎裂方式 ，同时能够获得分辨率高 、准确性好 、覆盖度广的质谱数据 ，为成分鉴定提供高质量的数据支持 。但同时 ，这些多维度数据的分析和利用成为新的掣肘问题 。因此 ，针对中药成分鉴定的质谱新技术和新策略成为研究热点 。
离子淌度质谱（IM‐MS ）是离子淌度光谱与质谱联用的一种技术 。离子淌度依据化合物的碰撞截面（collision cross section ，CCS）进行分离 ，能够识别形状与大小相似的组分，特别适合同分异构体 、结构类似成分的分析 。色谱分离后联用离子淌度 ，能够极大地提高对成分的分析和鉴定能力 。
中药成分的识别和鉴定依赖于高质量的质谱数据 。高分辨质谱 ，如飞行时间质谱（TOF） 、 四极杆‐飞行时间质谱（Q‐TOF） 、傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT‐ICR）和静电场轨道离子阱质谱（Orbitrap）是主流仪器 ，在中药成分的识别和鉴定中各具优势 。除仪器软硬件差异外 ，使用过程中的采集速率 、分辨率 、前体离子质量窗口 、碎裂电压和碰撞能量等参数的设置也会直接影响质谱数据 ，进而影响中药成分的识别和鉴定。
采集速率用以表示质谱仪单位时间内采集谱图的数量 ，中药未知成分鉴定需要选择非靶向模式 ，因此 ，尽可能多地采集谱图从而获得完整的质谱信息对于成分鉴定至关重要 。飞行时间质谱是采集速率最快的质谱仪 ，与超高效液相色谱联用后 ，适合发现复杂体系中的中药成分 。一般 QTOF 每秒可获得2～100 张高分辨 全扫描谱图 ，基本满足中药成分的分析需要 ，但 TOF 技术自身无法提供二级质谱信息 ，难以实现中药成分的准确鉴定 ，因此常与四极杆质谱联用 ，即 Q‐TOF ，它可同时提供高分辨的一级和二级质谱数据 。
对于 TOF 这类质量分析器来说 ，仪器采集速 率基本不影响分辨率 ，但会影响灵敏度 。因此 ， 一些大型仪器制造商致力于设计和改进 TOF的硬件或软件配置 ，使其在具有高采集速率时兼具高灵敏度和宽动态范围 。例如 ，Waters 推出的 Xevo G２‐S QTOF 在离子源处使用专利的堆叠环组件进行离子聚焦和导向 ，显著提高了离子传输效率 ，使质谱仪灵敏度提高 25倍以上 ；TOF 的劣势在于不具备串级功能 ，即使与四极杆联用也只能提供二级质谱数据 。因此 ，当需要多级质谱数据来推断或 确证中药成分结构时 ，TOF 应用有限 ，必须与其他串级质谱联用 。
高分辨质谱仪的分辨率多介于 1～ 25 万（FWHM ） 。对于中药成分鉴定 ，几万至十万的分辨率基本能够满足分析要求 。近年来 ，大型仪器制造商也推出了一些超高分辨率的质谱仪 ，如 Thermo 推出的 Orbitrap Fusion 质谱仪分辨率可达45 万（FWHM ） ，Bruker 的傅里叶变换离子回旋共振质谱仪（FT‐ICR）分辨率可达到100万（FWHM ） 。FT‐ICR 技术以其高灵敏度 、超高分辨率 、超高质量精确度以及多级质谱功能 ，在中药复杂成分识别和鉴定中具有独特优势 。
前体离子质量窗口设置的宽窄关系到数据采集的灵敏度和选择性 ，较窄的质量窗口能够提高分辨率和选择性 ，但会过滤掉大部分前体 离子 ，可能造成信息丢失 。因此 ，选择较宽的前体离子质量窗口（1～3 u）更适合中药成分分析和鉴定 。碎裂电压和碰撞能量的选择会直接影响二级质谱的碎片信息 ，设置多个碰撞能量碎裂，获得分析对象在各碰撞能量下的碎片信息 ，并与其质谱数据库匹配 ，有助于尽可能多地 鉴定中药成分 。
另外 ，目前许多质谱仪支持快速正负极性切换 ，中药成分结构和性质差异较大 ，电荷分布和电离特点不同 ，应用正负极性快速切换扫描模式可以获得未知成分高质量的质谱数据和碎裂信息 ，提高中药成分的鉴定效率和覆盖度。
全扫描模式（full scan ）是质谱仪最常用 、 最简单的一级质谱数据采集模式 ，能够获得准分子离子和分子质量信息 。二级质谱数据的获得通常需要选择采集模式 ，不同仪器制造商的高分辨质谱仪具有各自不同的专利技术 。
目前 ，高分辨质谱的二级质谱数据采集模式主要包括数据依赖扫描模式（data‐dependent acquisition ，DDA ）和数据非依赖扫描模式 （data‐ independent acquisition ，DIA） 。在 DDA 过程中 ，质谱仪先进行全扫描 ，随后选择满足一定条件的前体离子触发二级碎裂 ，选择原则包括丰度 、电荷 、动态排除和背景扣除等 。DDA 模式通过预筛选前体离子减少了干扰离子的存在 ， 可以获得碎片离子的高质量数据 ，也是目前最 常用的采集模式 。
但 DDA作为一种有选择的采集方式覆盖率低 ，一般来 说 ，强度较高的离子更容易被选择成为目标离子进行二级质谱信息获取 ，因此当一些关键成分的有价值离子不满足筛选条件或与很多强度较高的离子共流出时有丢失风险 。这意味着中药中很多微量成分往往难以获得高质量的碎片离子信息 ，难以被鉴定 。
DIA 模式不预先筛选母离子 ，理论上能够全面地获取所有离子的碎片信息 。已开发出一些 DIA 的策略 ，比如全信息串联质谱（MSE ）技术（由 Waters 公司开发）和 SWAT H 技术（由 AB SCIEX 公司与苏黎世联邦理工学院合作开发） 。
DIA 采集数据相对全 面 ，但数据量大 、谱图复杂 、数据解卷积困难 ，即使是采用母离子分段传输 （25 u）的 SWATH技术 ，也只是在一定程度上缓解了后期数据处理的压力 ，并且与 DDA 具备的大量成熟的分析工具相比 ，DIA 数据处理软件还处于发展阶段 。
就中药复杂成分的分析和鉴定而言 ，DDA 与 DIA 模式各有利弊 ，两者结合取得了较好的效果 。
质谱数据蕴含着丰富的结构信息 ，通过对 化合物结构相关规律的总结 ，建立数据库 ，应用 于中药成分鉴定 ，已被证明行之有效 ，克服了标准品缺乏 、数据库标准图谱有限对中药成分分析和鉴定的掣肘瓶颈 。研究者们探索和总结化合物的质谱裂解规律 ，整合多种数据处理与分 析方式 ，形成了多种商业化的质谱数据处理 策略。
常用的质谱数据处理策略有 ：背景扣除 （BS） 、质量亏损过滤（MDF） 、子离子过滤（PIL） 、 中性丢失过滤（NLF）和主成分分析（PCA）等 。
整合多种质谱数据的鉴定模式能够充分挖掘同类未知成分 ，具有全面 、系统的优势 。不足之处在于 ，识别的大量质谱数据需要逐一分析用于鉴定 ，速度较慢 。因此 ，上述质谱数据处理策略与化学信息学和计算科学相结合 ，诞生了一些具有更好选择性和高效性的中药复杂成分数据处理策略 ，包括 ：基于模板化合物的质谱树状图相似度过滤技术（mass spectral tree similarity filter technique ，MTSF）、基于碎片指纹特征从头鉴定未知化合物的“碎片树” （fragmentation trees ，FTs ）策略 、基于二级碎片相似度评分的分子网络 （molecular networ‐ king ，MN）和基于分子描述符（molecular descriptor ）的化合物预测策略 。
质谱树状图相似度过滤技术（M TSF）以化合物的一级高分辨质谱数据为“树干” ，多级质 谱数据为“分支” ，计算未知化合物与模板（已知）化合物的相似度 。
碎片树（FTs）策略通过拼合碎片离子合理地重建母离子结构 ，自下而上地表征未知成分结构 。基于碎片树策略设计的代表性化合物鉴定软件为 SIRIUS ，目 前 已 更 新 至4.0版 本 （SIRIUS ４） ，能够广泛地对药物 、天然产物 、代谢物等小分子化合物进行结构预测 。全球自然产品社交分子网络（GNPS ）平台基于二级碎片相似度建立分子网络 （MN ） ，挖掘未知成分 ，自 2014年建立以来 ，颇受关注 。
现代分析测试技术的蓬勃发展以及研究策略的不断涌现 ，为突破中药物质基础和作用机 制研究的瓶颈提供了强有力的技术支撑 。多维 色谱分析 、离子淌度质谱和质谱成像等新兴技 术为中药研究提供了广阔的探索空间 ，不拘一格的研究手段 、思路和方案将形成更加科学 、可行 、有效的中药研究体系。
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