迅速发展中的生物质谱仪及相关高新技术

　　1　生物质谱概况与进展

　　80年代后期有机质谱获得突破性进展,1987年F.Hillenkamp和M.Karas共同发明了基质辅助激光解吸电离( Matrix Assisted Laser DesorptionIonization,简称MALDI),1988年J.Fenn发明了电喷雾电离(Electronspray Ionization,简称ESI),从而开创了有机质谱分析研究生物大分子的新领域并派生生物质谱学。随着2000年人类基因组计划的完成,生命科学进 入以蛋白质组研究为代表的后基因组时代。蛋白质组研究中所必须的高通、大规模筛选分析方法,又为生物质谱施展才华提供一个舞台,由于生物质谱具有高通、灵 敏、准确、简单可靠和易于自动化等特点,与双向电泳、图像处理和生物信息学等一并成为蛋白质组研究的支柱技术。蛋白质质谱两步快速鉴定法中首选是 MALDI-TOF-MS(time-of flight, TOF),其次是ESI-MS/MS串联质谱,目前最常用的是ESI-QqTOF-MS(基于ESI源的四极杆和飞行时间质量分析器串联质谱仪),特别适 合精细研究,测序是ESI-QqTOF-MS的一个重要功能。生物质谱技术仍在快速发展之中,方法、试剂、仪器和性能指标等主要方面不断发展与创新,目前 生物质谱仪在离子化方法上基本定型为ESI和MALDI两种,主要发展集中在质量分析器、系统整合和局部技术创新等方面,如MALDI-Qq-TOF- MS、MALDI-TOF/TOF-MS。2001年为迎接蛋白质组学研究的高潮,我中心率先引进英国Micromass公司的Q-TOF2-MS、M@LDI RTMMALDI-TOF-MS和德国　Bruker REFLEXⅢMALDI-TOF-MS等国际顶尖的生物质谱仪,建立健全包括2-D凝胶电泳、凝胶图像分析、生物信息学和massPREP自动制样机械 手等蛋白质组研究所需的全套技术平台。目前国内关心和应用生物质谱技术的人越来越多,但国内介绍生物质谱仪构造的文章还不多,我国生物质谱仪产业几乎空 白,这里结合工作实践,主要介绍MALDI-TOF-MS和ESI-　QqTOF-MS两种主要生物质谱仪的结构原理和相关高新技术,希望能起到抛砖引玉 的作用。

　　2　ESI-QqTOF串联质谱仪

　　任何一种质谱仪基本上都由离子源、质量分析器、离子检测器、真空系统、电子控制和数据检测处理等几部分组成。图1是英国Micromass公司 ESI-QqTOF-MS Q-Tof2型串联质谱仪的系统结构图。ESI-QqTOF-MS中ESI指电喷雾离子源,Q代表四极杆质量分析器,q代表碰撞室,TOF(time- of-flight)代表时间质量分析器。ESI-QqTOF-MS是在ESI-TOF-MS和三级四极杆质谱仪基础上发展起来的,所以可以认为是在 ESI-TOF-MS的基础上加一个四极杆或三级四极杆质谱仪最后一个四极杆换成一个TOF。

　　ESI-QqTOF-MS具有所有串联质谱的工作模式如图2所示,其中最重要和常用的是质谱(MS)和子离子扫描(product-ion scan)模式。在MS模式,四极杆质量分析器相当一个质量宽带过滤器,碰撞室一般工作在低能状态,不产生离子碎片。样品经ESI离子化,通过六极杆离子 透镜、四极杆质量分析器和低能态碰撞室,达到TOF的推斥极(pusher),经推斥极高压脉冲加速,进入TOF的无场区进行分离,再经TOF反射,指向 离子检测器并被接收,离子在飞行管中的飞行时间与m/z-1/2成正比,因而很容易从离子在飞行管到检测器的飞行时间计算出m/z值。由于TOF采用并行 扫描,灵敏度并不受分辨率和扫速的影响,可以在很高的分辨率下,快速扫描,这一特点非常适合与LC联用在线分析。子离子扫描的一个重要功能就是测序,因为 碎片离子浓度低,所以仪器灵敏度更显重要,由于TOF的全扫描灵敏度(比triple quadrupole大100倍)、分辨率(>20,000)和质量准确性(<5ppm)等方面的优势,因而在测序和结构分析方面具有三级四 极质谱仪不可比拟的优越性。