質譜儀技術

質譜儀主要有五個元件組成，分別為進樣區(Sample inlet)、游離源(Ion source)、質量分析器(Mass analyzer)、偵測器(Detector)、資料處理系統(Data analysis)。圖 9 質譜儀常見的各元件儀器示意圖箭頭為樣品依序進入各元 件順序，進入儀器內部偵測器皆需於真空環境下操作，下方各項目標示為 常見的例子，由於本實驗目的在於分析胜肽樣品，軟體部分為使用生物相 關資訊軟體搜尋蛋白質。

12 圖 9 質譜儀常見的各元件儀器示意圖

為了不讓樣品被外界雜質干擾，離開進樣區後進入儀器內需保持真空，

之後利用電場導引將樣品導入至質譜儀，游離源開始將樣品游離化，轉換 成有不同電荷大小和質量的質荷比(Mass-to-charge ratio, m/z)帶電離子，利 用電位差的不同將帶電離子吸引到質量分析器中，由於電場和磁場作用力 的影響下，將帶有不同質荷比的離子於空間或時間上進行分離，將分離的 離子送到偵測器偵測，得到圖譜，經由電腦統計資料處理系統比對，便可 知道其鑑定結果。

對於蛋白質、胜肽大分子樣品，若接收高能量或高溫下游離，容易造 成生物樣品降解損壞，通常分子量大沸點高樣品較不適用傳統電子游離法 (Electron ionization, EI)[29]和化學游離法(Chemical ionization, CI)[30]。在 2002 年諾貝爾化學獎頒給發展軟式游離法的兩位專家，一位是 Koichi Tanaka ， 發 明 的 基 質 輔 助 雷 射 脫 附 游 離 法 (Matrix-assisted laser desorption/ionization, MALDI)[31]，在樣品中加入基質，可輔助大分子能夠 被完整游離出來，保持完整結構進入儀器內分析，另一位學者是 John Bennett Fenn 發明的電噴灑游離法(Electrospray ionization, ESI)[32]，此次實 驗中使用 ESI 的方法，優點是同為液態溶液與 HPLC 結合使用便利，奈米 級液相層析儀因管徑較小，較不易擴散以利提升靈敏度，此兩項游離法使

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生化大分子能夠藉由質譜儀被鑑定出來。

壹、 電噴灑游離法(Electrospray Ionization, ESI)

溶液分析物於 HPLC 毛細管內，經由毛細管噴灑的那一端施加高電壓，與外 界產生電位差，溶液內部因電場產生電荷分離，電荷之間的排斥力抵消液 體的表面張力，使得液滴拉長達成平衡，形成泰勒錐(Taylor cone)[33]，當 電荷斥力大於表面張力時，就會噴灑出帶電的為小液滴，這些小液滴會在 飛行過程中揮發，過程中部份脫附出小液滴，分裂為更小的液滴，又或者 體積變小但內部電荷不變，電荷斥力越來越大，當電荷斥力大於液滴表面 張力時就會生成庫倫爆炸(Coulomb explosion)[34]，它會不斷重複上述的原 理最終成為帶有多價電的氣體分子離子利用壓力及電場不同進入質量分 析器中，圖 10 電噴灑游離過程示意圖。

圖 10 電噴灑游離過程示意圖

貳、 線性離子阱(Linear ion trap, LIT)

傳統三維離子阱為了有較好的解析度，會限制捕捉離子的數量，只能抓到 百萬個離子，只為了突破此限制，在四極柱水平方向 Q1和 Q3加入電場將 離子束縛起來，增加離子被捕捉的機會可捉到千萬個離子，不僅維持住解

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析能力，還大大的提升效率[35]。但此離子阱無法與三段四極桿柱相連接，

Hager 等人改良原本的離子阱，將三段四極桿柱原理和融入到離子阱中，

二維線性離子阱誕生[36]。

本次實驗用到是時間上串聯式質譜儀 LTQ XL (Thermo Fisher, San Jose, CA) 利用在同一空間中不同時間點進行全掃描、前驅離子篩選、誘導解離和產 物離子掃描，由於離子阱可以累積特定質荷比的前驅離子數量，儲存在離 子阱內進行碰撞解離，上述步驟不斷重覆動作即為 MSⁿ。圖 11 LTQ XL 儀 器裝置構造圖如下所示，

圖 11 LTQ XL 儀器裝置構造圖

首先經過游離源游離化的帶電樣品由離子轉移管進入到儀器內部，來到四 極桿柱 Q0與八極桿柱 Q1離子導管去除中性物質和雜質，將帶電離子導入 到離子阱，離子阱主要結構由一對蓋電極(End cap electrode)和一對環電極 (Ring electrode)組成，兩電極相互垂直於 X、Y 軸，分別施加射頻電壓(RP) 和直流電壓(DC)，形成交互作用的電場，延著 Z 軸方向，離子阱又分為三 個區塊，主要由第二個區塊進行分析，經由兩垂直的電壓形成的電場被束 縛在離子阱內，調控 RF 值大小，產生特定頻率的振動軌跡，捕捉特定質 荷比的前驅離子(Precursor ions)與惰性氣體氦氣進行碰撞生成產物離子 (Product ions)，最後調控射頻電壓與交流電壓(AC)，使產物離子經由電壓

15 dissociation, PQD)[38]前者為了使前驅離子能有更大的動能與離子阱內的 氦氣發生碰撞，給予前驅離子施加交流電壓，誘導解離碎裂成產物離子。

然而在使用 CID 進行撞碎後，所有前驅離子小於三分之一分子量所產生的 產物離子(1/3 low mass cut-off)，無法穩定的儲存在離子阱中，也就無法被 偵測到，為了補足此限制，而開發出後者 PQD。PQD 可分為三個步驟: (1)