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这些你不知道的质谱新技术,iCMS2016娓娓道来
作者:河北奥博 上传时间:2016-11-26 11:42:17

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       仪器信息网讯 仪器信息网网络讲堂与中国化学会质谱分析专业委员会合作举办的"第七届质谱网络会议(iConference on Mass Spectrometry,iCMS2016)于2016年11月22日正式开幕。
       会议邀请到20余位质谱研发与应用专家以及10余位厂商技术研究人员做出报告并与参会者进行现场和在线沟通。来自高校、科研院所、医院、质检机构、企业分析测试中心、质谱仪器厂商等单位的专家和一线用户参加了本次网络会议。截止目前为止,本次会议报名人数已突破5500人次,为历届网络质谱大会之最
       会议为期四天(11月22日-25日),共设六大主题会场

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        质谱新技术主题会场(上)、(中)、(下)分别已于11月22日、23日顺利进行,让我们一起来回顾质谱大师们在网络会议上分享的精彩报告内容。
质谱新技术主题会场(上)

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        研究团队自2010年起一直从事微流控芯片与质谱联用的细胞分析方法技术与装置开发,已在国际期刊发表了一系列文章,全自动9通道微流控-质谱联用细胞分析平台设备也将于明年推出。研究团队通过解决多通道微流控芯片-质谱联用进行细胞分析的质谱接口、非接触检测离子源、在线富集等关键问题,逐步研发和改进了相应技术。
       起初的“手动式”联接方法,将细胞水平的药物代谢与固相萃取技术相结合,集成多平行单元的高通量分析。该方法能够研究药物在细胞内的代谢情况,对感兴趣的细胞代谢物实现半定量检测。在“手动式”接口的基础上,团队继续研发了以纸基电喷雾质谱检测接口为主要设计的多通道微流控芯片质谱联用装置。其中的液滴质谱技术能够对血清、尿液等人体液进行喷雾检测,实现简单快速的定性分析。研究组又通过毛细管电场控制优化了液滴形成的准确与同一性。
       研究组开发了该技术应用于植物成长过程的研究,并结合微透析技术用于细胞培养体系的实时监控。团队构建的微流控芯片-质谱分析平台已经取得国家发明专利。由于在微流控芯片上可进行细胞培养,所以该平台可实现在线细胞代谢研究,这对进一步了解动态细胞代谢非常有帮助。另外,林金明还介绍了该平台在细胞通讯模型、金雀异黄酮抗癌作用的代谢物研究等方面的应用。

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       罗继介绍了SWATH技术的特点和Microflow技术与搭载SWATH的质谱平台联用的研究应用。SWATH技术是能够在一次分析中得到所有蛋白质定性定量数据的蛋白质组学研究技术。罗继介绍说,SWATH采集的特点是在Q1能够将母离子根据质核比连续分段,经分段传输、打碎和TOF检测,实现所有质核比母离子和碎片的信息采集。现阶段的2.0 版本能够实现可变窗口的采集,根据肽段出峰区域调整窗口大小,使得每个窗口上肽段分布数量均匀,从而降低干扰。
       SWATH技术在蛋白覆盖范围、LOQ、样品通量等方面都比Shotgun表现优异,相比MRM技术,SWATH具有更宽的蛋白覆盖范围。SWATH可以帮助实现样品间的差异表达研究,分析蛋白相互作用;也可以在大量样本中实现生物标记物的差异分析。在样本量大的精准医学研究领域,SWATH能够支持其所需的大数据采集与分析。
       通过比较Nanoflow LC和Microflow LC的特点,罗继介绍了Microflow LC技术。其稳定性高于Nanoflow LC,且分析时间短。通过优化微升进样量和SWATH窗口范围等参数,在很短时间内实现对大量样本进行高通量分析,90%的肽段在5次重复中CV小于20%。目前,Microflow SWATH已经应用于国内外精准医学实验室的前沿研究中。 

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        检测应用的发展对高分辨质谱的分辨率和灵敏度都提出了更高要求。据陈伟介绍,Orbitrap分析在M/Z越小时分辨率越高,与其它高分辨质谱相比,其在小分子分析方面有更大优势。据介绍,Orbitrap在不同M/Z范围内均提供稳定的质量精度,在不同待测物浓度相差很大时,质量精度也能够保证在正常范围,即使在基峰与分子离子峰强度差1000多倍时也如此。例如,团队在进行奶粉中农残检测方法研究时,向基质添加了差异浓度的19种农药,在14次进样分析中待测物的质量误差均在0.7ppm之内。

       在分析优势方面,陈伟介绍说Orbitrap的真空度高,故分析中离子损耗少,这也是灵敏度优于其它高分辨质谱的原因之一。另外,赛默飞世尔科技质谱工程师将Orbitrap分辨率60K全扫描模式与三重四极杆质谱的MRM进行比较,发现二者灵敏度相当。Orbitrap最初是在蛋白分析领域取得了广泛的应用和信任,目前也在环境、食品、药品研究等小分子领域发挥其应用特点。
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       贺玖明首先介绍了团队与王晓浩教授团队共同开发的空气动力辅助离子化技术(AFAI),以及以此技术为基础的AFAI-MSI质谱成像3D平台。该技术能够在常压环境电离,其传输管约为0.5米,非常适合大体积远距离样品的检测,并且与目前主流厂商的多类质谱兼容。研究团队还根据质谱成像原理和特点开发了综合数据处理软件,将质谱图与成像图像重构与结合分析。
       在该技术的典型应用方面,贺玖明介绍了用AFAI-MSI做整体动物体内药物分析的例子。此应用无需同位素或荧光等化学标记显影,可同时针对多个未知化合物进行成像分析,反应药物药代产物在体内分布。为药物或候选新药的靶向、药效与毒理机理研究提供了新的直观方法。研究团队以AFAI-MSI分析药物给药后的体内分布以及代谢物变化。贺玖明介绍了利用该技术进行的镇静催眠药物NHBA给药后的内源性代谢物分析。通过研究NHBA与差异代谢物的动态变化,发现NHBA有可能通过调控GABA、胆碱、腺苷等分子的含量变化而产生镇静催眠效果。

        另外,研究团队利用成像代谢组学方法在肿瘤分子病理诊断领域也开展了一系列研究应用。通过AFAI-MSI内源性小分子生物标志物的分析能够区分肿瘤与癌旁组织,以及对肺癌不同病理学类型分型。AFAI-MSI除了在新药研发、成像代谢组学和肿瘤诊断方面发挥了独特的作用,还在化学指纹识别、新药研发、物证鉴别等方面有了进一步的应用发展。
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       脂质结构的鉴定能够需要从6个层级的结构信息获取依据,同时需要考虑同分异构体和同重素的影响。在已有商业质谱上已经能够获得很多脂质鉴定相关信息,但是无法获得C=C位置信息。瑕瑜在报告中介绍了在脂质C=C位置研究中两个团队的研究进展。由于臭氧裂解对C=C有选择性,澳大利亚科学家Blanksby团队通过臭氧触发裂解来判断C=C位置。适合用于复杂混合物分析,但是只能使用离子阱质谱并且需要对质谱分析器进行一定改造。
        瑕瑜介绍了本团队研究的脂质C=C位置分析Paternò-Büchi反应(PB反应),该反应采用丙酮进行反应试剂,采用254nm汞灯进行光化反应。PB反应能够进行各类脂质的C=C位置分析。团队对该方法进行了优化,采用Micro-Flow反应器在10秒钟实现可控微升流速反应,目前已经能够与LCMS联用。团队还采用PB-MS/MS进行了兔脑样本的Shotgun脂质分析,得到了样本中不饱和脂肪酸和甘油酸脂的C=C位置情况,并实现了多种磷酸脂的同分异构体定性定量分析。目前,该课题组也在发展PB反应与小型质谱的直接分析联用。PB反应进行C=C确定具有很多优势,但是瑕瑜表示该技术存在反应产率低等不足,研究组还在进行优化研究。
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        李莉介绍了LECO小型飞行时间气质QTOF 产品Pegasus BT的技术特点和应用。据介绍,Pegasus BT其具有开放式离子化方式Stay Clean EI源,是开放式设计,能够免洗长期保持清洁,即使在复杂样品(油品)的3000次连续进样后仍能够保持性能稳定。在全谱采集时,分析灵敏度为50fg OFN。与LECO其他GC-TOF MS系统一样Pegasu BT无需在SIM和MS/MS中切换,就能在一针进样分析中得到更多信息;力可的专利解卷积技术能够确保分析不受到共流出和基质干扰的影响,生成高质量的质谱图;分析中的每个样品的全谱信息都得到有效记录。

        在农残快速分析的应用中,QTOF Pegasus BT能够实现203种农残混标的快速分析,在5S内鉴定出8个化合物。另外,李莉还介绍了Pegasu BT在代谢组学和石油分析中的应用。其配备软件中的Target Analyte Finding能够帮助实现全谱数据快速分析,适用于大批量数据处理、痕量化合物分析与定量。
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        代谢组学研究正在走向基于通路的精准研究。冉小蓉在报告中介绍,定性代谢流分析能够提供细胞组成的静态信息、揭示体内通路的活性,并追踪代谢物在通路中的流向及规律。一般代谢流实验利用稳定同位素标记监测稳定同位素的取代,分析同位素异数体和同位素异构体。目前手动定性代谢流的分析繁琐、耗时且受到化合物数目限制。安捷伦VistaFlux定性代谢流解决方案将整个数据的分析时间降低至数分钟。冉小蓉以研究示例介绍了定性代谢流分析实验的步骤。在提取同位素异数体并校正天然丰度同位素方面采用VistaFlux定性代谢流提取17个化合物只需要2分钟,而手动提取5个代谢物就需要2周

       冉小蓉还介绍了以QQQ平台为基础的定量代谢组dMRM数据库及方法包,该方法包提供超过215个中心碳代谢物的优化和耐用的常规靶向定量分析。另外,冉小蓉还展示了安捷伦代谢组学代谢流分析与Seahorse细胞能量代谢结合,该技术能够提供新的代谢组学精准研究方案。
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        在提高质谱耐盐能力的研究中,周燕团队发现了探针电喷雾技术(PESI)。这一技术在解决高盐和复杂生物样品的分析上极具潜力。研究团队在两年的时间里设计研发了液相联用的探针电喷雾离子源。探针电喷雾离子源的特点是耐盐、抗基质干扰、可用于活体组织分析(如桔皮穿刺分析)。研究团队将该装置应用于微量天然产物同分异构体的区分研究,成功区分了木质素同分异构体的裂解曲线。
       另外,周燕还介绍了团队据PESI研发的圆珠笔尖电喷雾(BPESI)离子化技术。该技术采用废弃圆珠笔尖,可选用刮擦、接触、吸入、填充等多种采样方法进行高压电喷雾离子化。该方法快速、灵敏、无复杂样品前处理,能够分析液体、固体和半固体样品,也可进行表面分析。对于低极性溶剂的常压离子化方法,团队开展了纳米材料在PESI中的应用研究。碳纳米管作为电喷雾基底具有导电性质和比表面积大的优势。团队对不同溶剂中碳纳米材料进行电喷雾研究,并优化了喷雾尖端与质谱入口之间的最佳距离。该技术目前也已经展开了丰富的应用研究。
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        二次离子质谱分为NanoSIMS和ToF-SIMS,汪福意在报告中首先介绍了二者的区别和特点。在价格方面,ToF-SIMS更便宜,目前应用更为广泛。在SIMS的生物研究方面,起初,研究组采用ToF-SIMS研究有机金属钌配合物的细胞分析。通过SIMS细胞表面分析检测到细胞表面的钌分子离子峰分布,而得到的相关质谱信息还不足以说明钌在细胞核中的分布。后来研究组将激光共聚焦显微与ToF-SIMS联用(COIM),通过可寻址硅片样品板将两部分数据结合比对,成功定位了细胞核和金属在细胞核的分布。
       汪福意介绍其研究团队开始通过COIM( confocal和ToF-SIMS联用)的组合成像技术研究单细胞内金属抗肿瘤药物的分子作用机制。此前铂药物损伤DNA和蛋白相互识别的研究还没有到单细胞水平,而细胞内也可能存在这样的特异识别。顺铂与DNA形成交联复合物铂损伤DNA,再经蛋白HMGB1识别形成三元复合物,从而阻止铂损伤的细胞修复,最终能导致细胞凋亡。研究组首先用光学方法定位HMGB1,再用SIMS定位铂结合离子在细胞的位置,观察二者的重叠情况以及与DNA的结合情况。研究表明,CIOM成像是研究单细胞内铂损伤DNA-蛋白质之间相互识别的有效方法。
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       周旭升介绍,目前定量用分析质谱仪90%以上依赖进口,包括TOF在内的国产质谱仪在环保、精准医疗等特殊应用市场具有发展优势。滨松的微通道板以及组件探测器、真空紫外电离光源、电子倍增器三类产品支持国内的质谱研发。在报告中周旭升首先介绍了滨松微通道板(MCP),通过MCP离子有10000倍左右的增益。如果说MCP是具备探测功能的器件,那么MCP组件(MCP Assembly)就是有独立功能的探测器,其集成了阳极、电压接线、电容等功能器件,直接安装到仪器上就能工作。
        MCP Assembly可以用于TOF,测量不同质核比的离子飞过飞行管到达MCP位置的飞行时间,从而定性和定量。不同离子的到达时间信号连续描点就是质谱图。高分辨质谱需要MCP组件的快速响应。滨松的MCP组件HPK加入了Mesh栅网具有三级结构Troid,非常适合用于医疗和药物研究的定性高响应速度。针对TOF的特点,滨松有一些列微通道板产品,除了快速时间响应的HPK也有紧凑型和较低成本的产品,适合不同定位的厂商选择。滨松目前的MCP通过改造漏斗型结构增加了MCP的开口率,使得OAR从60%增到90%,显著增加了CCD像素点。除了MCP和MCP Assembly,周旭升也详细介绍了滨松真空紫外(VUV)电离源和电子倍增器(EM)的产品特点
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       面对目前现场实时环境检测和突发应急检测市场的需求,便携式GCMS的应用需求在逐渐增大。周向东介绍说,PerkinElmer Torion T-9是当前世界上最快的便携气质产品,曾在2007年获得R&D创新奖。
       据介绍,Torion T-9电池可持续供电2.5h,按照每个样品检测5分钟可完成20-30次检测。其主要部件微型低热质(LTM)气相约为手掌大小,与普通GC结构类似,LTM色谱柱具迅速降温能力,GCMS运行时间小于5min。在保证分离性能的情况下,其比常规GCMS分析速度大幅提升。Torion T-9另一主要结构特点是其环状离子阱设计,据介绍,环状离子阱比常规离子阱的离子容量高400倍,从而提高了定性和定量能力
        据介绍,除了GC和MS方面的特点,Torion T-9也从适合便携应用的采样技术增强了仪器的易用性。其专用的SPME能够实现快速现场样品采集,操作简单方便。针式捕集阱进样系统非常适合气体样品和顶空定量分析。为了让现场检测更方面,Torion T-9的操作软件也选择了清晰明了的界面设计,能够自动进行化合物判定,也可以外联计算机。另外,周向东也展示了Torion T-9在环境水VOCs、土壤苯系物、爆炸现场、公共安检方面的应用案例。
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        目前世界上至少已有几十种质谱电离技术,丁传凡在报告中详细介绍了离子化技术的基本原理。产生离子的物理学原理是质谱的基本原理,即通过离子在电场、磁场中的运动轨迹与其M/Z的物理学相关性原理来分析和测量不同质核比的离子。离子源是产生样品离子的部件,从基础理论上讲,离子源能够从中性分子中“拿走”电荷或“给予”中性分子电荷,使得中性分子成为离子
        分子的电离电势是质谱仪器中电子轰击电离(EI源)的基础,分子的电离电势一般在10-15eV左右,几乎所有商业质谱EI源的电子能量都设为70eV,EI源是基于分子电离电势的离子源。分子的亲和势(PA)反应了它获得质子生成质子化离子的能力。在含有大量质子的等离子体中,具有较大PA的分子较易生成质子化离子,因此显示较强的质谱信号
        电喷雾电离源(ESI)、DESI、质子转移反应离子源、MALDI、EESI、化学电离等是基于质子亲和势的离子源。通过加上质子而产生样品分子离子的过程都是利用了分子质子亲和势的性质。凡是通过加上电子而产生样品分子离子的过程都是利用了分子电子亲和势大于0的性质。ESI、DESI、MALDI、EESI、电子俘获离子源都是基于电子亲和势的离子源。总之,所有电离方式的离子产生都需要以电离电势、质子亲和势、电子亲和势、电子亲和势或离子亲和势中的一种为基础。