高分辨质谱

为了积极响应国家支持科学仪器自主创新政策，详细了解我国高分辨质谱的应用现状与发展瓶颈，探讨我国高分辨质谱研发攻关的可行性及相关对策，中国仪器仪表学会分析仪器分会、中国科学仪器自主创新应用示范基地及中科院生物物理研究所等特别组织举办了第十五期科学仪器发展高层沙龙—— “加快高分辨质谱攻关与布局”，近20位政、产、学、研、用方面的相关代表出席活动。活动现场当前高分辨质谱的技术概况与需求01目前高分辨质谱的技术发展概况业内通常把分辨率在10000（FWHM）以上的质谱称为高分辨质谱，主要包括双聚焦磁质谱、飞行时间质谱、轨道阱质谱及傅里叶变换离子回旋共振质谱。用于高分辨质谱的四种质量分析器①双聚焦磁质谱同位素定量能力最准。正向双聚焦磁质谱最高分辨率可以达到40,000（FWHM），反向双聚焦磁质谱最高分辨率可达到100,000（FWHM）。②飞行时间质谱检测速度最快。随着多次/圈离子反射技术的引入，飞行时间质谱的最高分辨率已经突破600,000（FWHM）。③傅里叶变换离子回旋共振质谱质量测量精度最高。分辨率可达数百万甚至更高，价格昂贵，同时傅里叶变换离子回旋共振质谱需要在液氦低温环境中运行，液氦价格高昂，操作维护成本高。④轨道阱质谱 静电场轨道阱是一种全新商品化的质量分析器，最高分辨率可达1,000,000（FWHM），比FTICR稍逊一些，但无需复杂的冷却装置。02我国高分辨质谱的应用需求情况月球研究、地质科学、生命科学、核工业、材料科学等领域对高分辨质谱的需求日益旺盛，并且还在不断提出更多的新要求。嫦娥五号月球样品研究揭示月球演化奥秘①月球研究我国规划2030年前建立国际月球科研站，需要把质谱仪送到月球上探测地外生命，希望质谱仪的分辨率更高、灵敏度更高、体积更小、质量更轻。月球样品中元素含量与地球的不一样，某些元素含量变高，干扰峰变强，希望二次离子质谱的分辨率进一步提升。②地质矿产地质矿产中的伴生元素比较复杂，而且含量比较低，伴生元素及痕量元素的检测特别需要高分辨质谱。③生命科学目前生命科学研究已经发展到了干细胞范畴，轨道阱质谱也成为了蛋白质组学、代谢组学、脂质组学研究的必备利器，生命科学、药物开发、临床质谱的未来发展，必然离不开高分辨质谱。④核工业 核工业必需的磁质谱一直遭受国外禁运和技术封锁，而核工业的高质量发展急需发展自主高分辨磁质谱。⑤材料科学 “上天入地”科技的飞速发展，地矿、半导体、高温合金等领域对材料纯净度的高精度检测需求增多，因材料基体比较复杂，某些痕量或超痕量元素的测量需要高分辨质谱。03当前高分辨质谱的市场垄断格局近年来，我国质谱仪器市场需求日渐旺盛，同时，多个国产质谱机种实现了商品化，并有了小批量生产和销售。然而，国产高端质谱仪的发展仍处于起步期，特别是高技术含量的高分辨质谱产品至今空白，国内市场长期依赖进口。2020年中国质谱仪器市场需求情况①全球最大质谱市场在中国我国是全球最大的质谱市场，却也是国产占比最低的分析仪器市场。2020年我国进口质谱仪器13889台/套，销售总额约105亿元，占比92%，国产质谱销售额仅占8%。②磁质谱受国外禁运严重 磁质谱市场规模不大，但受国外禁运最为严重，就目前数据来看，国外禁运的80%高分辨质谱都是磁质谱。③FTICR独家供应商：布鲁克 傅里叶变换离子回旋共振质谱（FTICR MS）的最高售价超过1000万，是目前最贵的高分辨质谱，并且全球只有一家生产商——美国布鲁克道尔顿。④赛默飞独家专利：Orbitrap静电场轨道阱技术是美国赛默飞世尔的独家专利，并推出了商品化的高分辨质谱Orbitrap。目前Orbitrap几乎成了轨道阱质谱的代名词，并对FTICR、TOF等高分辨质谱产生了替代或刺激作用，市场存在一定垄断态势。⑤二次离子质谱开启国产化之路原来全球只有法国CAMECA和澳大利亚ASI生产大型二次离子质谱。后来美国AMETEK收购了法国CAMECA，仪器售价从原来2000万元涨到4500万元，形成了技术垄断。ASI是澳大利亚国立大学的校办企业，2018年刘敦一教授创办的敦仪科技与澳大利亚国立大学及ASI签署技术转让协议，因此获得部分核心技术。目前全球大型二次离子质谱装机量约50台，今年我国预计安装3-4台，还有2-3台在咨询阶段。

HIGH RESOLUTION MASS SPEC2022.09TOFWERK PTR-TOF 2R高分辨质谱一般包括飞行时间质谱（TOF）、轨道阱质谱（Orbitrap）、磁质谱和傅里叶变换-离子回旋共振质谱（FT-ICR）。然而，并不是所有飞行时间质谱（TOF）都能被称为高分辨质谱。Q&A什么是FDA定义的“高分辨质谱”？根据美国食品药品监督管理局（FDA）食品和兽药项目（Foods and Veterinary Medicine Program）2015年发布的《利用精确质量数鉴定确认化学残留的接受标准》一文中，明确将目标m/z 分辨率（半高峰宽FWHM）≥10,000的质谱定义为“高分辨质谱high resolution mass spectrometry (HRMS)”。欧盟在EU 2002/657/EC指南中将高分辨质谱定义为（双峰法）10%峰谷处分辨率≥10,000，转换成FWHM定义相当于20,000左右，但此标准未定义质量准确度。2013年欧洲食品与健康总局（SANTE）的SANCO/12571/2013中，将高分辨质谱定义为具有高分辨力的质谱，通常分辨率超过20,000。然而在最新的SANTE/11312/2021中，取消了“高分辨质谱”这一词条，改为明确要求质量准确度≤5 ppm。目前我国在《质谱方法通则》（GB T 6041-2020）中，未明确定义高分辨质谱标准，而在《禽畜血液和尿液中150种兽药及其他化合物鉴别与确认》（农业农村部公告第197号-9-2019）中，鉴别法要求母离子质量准确度≤5 ppm。Q&A如何定义分辨率（FWHM）？*图1 FDA标准对FWHM定义分辨率=M/△M，M为目标m/z，△M为目标m/z峰高一半时的宽度（如上图所示）Q&A如何定义准确度（Accuracy）？质量准确度（ppm）=（实测质量数-理论质量数）/理论质量数x106。Q&AFDA和SANTE高分辨质谱全扫描模式（Full Scan）鉴别和确认要求？FDA要求至少两个具有结构特征（structurally significant）的母离子，且准确度均≤5 ppm。SANTE要求两个离子的质量准确度均≤5 ppm，其中至少有1个碎片离子（例：不能两个为同位素母离子），两个离子中最好有分子离子（M+或M-）、得质子分子离子（M+H或M-H）或加合离子（如M+NH4+）。（SANTE认为如果两个离子间仅相差水分子，对鉴别意义不大）m/z＜200时准确度＜1 mDa，离子比吻合。Q&A在高分辨质谱方法中，空白样中目标m/z完全没有噪音时（即无法计算信噪比S/N）时，确定样品中有效信号（即阳性）的方法？例：芬太尼理论精确质量数336.2202，即[M+H]+为337.2274，三重四级杆受分辨率限制，只能输出337.2±0.2 Da段的总信号，空白样品不含芬太尼，因此337.2±0.2 Da总信号记作噪音（N），国标中绝大多数都以信噪比（S/N）≥3为检出限。但高分辨质谱可以精确解析这些无关信号，空白样品中可能完全没有m/z 337.2274（±5 ppm）信号，即噪音为零。对此FDA和SANTE作出以下解释：FDA：可以设定样品与对比标准品的相对信号强度阈值，来识别信号。SANTE：样品中必须连续5张图都存在该m/z才能确定为信号。Q&AFDA和SANTE对筛查检测（定性或半定量检测）质谱的要求？FDA和SANTE均未对用于筛查检测的质谱提出分辨率要求，甚至不要求色谱分离，但筛查结果需要与数据库作对比，并要求假阴性＜5%，假阳性＜10-15%，因此实际多用高分辨质谱。FDA提出即使在鉴定确认实验前，先进行广谱筛查作为预实验，能够有效提高检测效率。对于非靶向方法（Non-targeted analysis），FDA和SANTE均认同可以先运用适当的方法去除背景噪音并提取峰（质谱软件一般都提供这些简便的功能）来解读这些离子峰。高分辨质谱提供的准确分子式准确度应在3 ppm以内。同位素峰的分布比例也是也是关键的筛查标准，同位素比例偏差应在5%以内，比如氯-35和氯-37的比例应接近3：1；含碳化合物的碳-12，碳-13，碳-14也应符合其分布比例（质谱软件可提供分子式的模拟分布）。TOFWERK Vocus 2R CI-/PTR-TOF 在高灵敏度**同时，具有≥10,000高分辨率，轻松满足从环境大气、风味物质，到农残兽残、营养物质的高分辨标准需求。多种电离形式、原位电离源，可供选择，提升分析物覆盖度，增强检测选择性。 “阅读原文” 《高分辨PTR-TOF测定芬太尼》*FDA标准中将Resolving Power（分辨力）定义为M/△M，Mass Resolution（分辨率）定义为△M/M，即两者互为倒数。根据质谱仪器的显示习惯和国内习惯说法，此处用分辨率代替原文分辨力。SANTE标准指出两者经常混用，按一般规律理解即可。**二甲苯灵敏度≥30,000 cps/ppb请留言索取下列参考文献：[1] Food and Drug Administration, “Acceptance Criteria for Confirmation of Identity of Chemical Residues using Exact Mass Data within the Office of Foods and Veterinary Medicine ”https://www.fda.gov/downloads/ScienceResearch/FieldScience/UCM491328.pdf[2] European Commission, Health & Consumer Protection Directorate-General, “Guidance Document on Analytical Quality Control and Method Validation Procedures for Pesticide Residues and Analysis in Food and Feed”, SANCO/12571/2013https://ec.europa.eu/food/sites/food/files/plant/docs/pesticides_mrl_guidelines_wrkdoc_2017-11813.pdf[3] European Commission, Health and Food Safety, “Analytical Quality Control and Method Validation Procedures for Pesticide Residues and Analysis in Food and Feed”, SANTE/11312/2021[4] U.S. Food and Drug Administration Foods Program, “Guidelines for the Validation of Chemical Methods in Food, Feed, Cosmetics, and Veterinary Products (3rd Edition)”, October 2019[5] 农业农村部，《禽畜血液和尿液中150种兽药及其他化合物鉴别与确认》（农业农村部公告第197号-9-2019）[6] 国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会，《质谱方法通则 GB/T 6041-2020》，2020-03-31

项目编号：NBMC-20236004G 项目名称：浙江省宁波生态环境监测中心高分辨气相色谱高分辨质谱联用仪及配套设备采购项目 预算金额（元）：5000000 最高限价（元）：5000000 采购需求： 标项名称: 高分辨气相色谱高分辨质谱联用仪及配套设备 数量: 1 预算金额（元）: 5000000 简要规格描述或项目基本概况介绍、用途：详见《第四部分 项目要求》 备注：无 合同履约期限：标项 1，详见《第四部分 项目要求》 本项目（否）接受联合体投标。对本次采购提出询问、质疑、投诉，请按以下方式联系 1.采购人信息 名 称：浙江省宁波生态环境监测中心 地 址：宁波市北明程路789号 传 真：/ 项目联系人（询问）：魏老师 项目联系方式（询问）：0574-87086865 质疑联系人：郭老师 质疑联系方式：0574-87086867 2.采购代理机构信息 名 称：宁波名诚招标代理有限公司 地 址：宁波市海曙区青石巷5号 传 真：/ 项目联系人（询问）：陈老师 项目联系方式（询问）：0574-87101283 质疑联系人：董初林 质疑联系方式：0574-87101260 3.同级政府采购监督管理部门 名 称：宁波市政府采购管理办公室 地 址：宁波市中山西路19号 传 真：/ 联系人 ：李老师 监督投诉电话：0574-89388042 高分辨气相色谱质谱仪标书（政采云定稿）.docx