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生物质谱结构和技术介绍

质谱(Mass spectrometry,MS)——样品在离子源中电离、碎裂,形成不同质荷比(m/z)的离子,不同的质荷比在电场和磁场的作用下,按大小不同具有不同的运动方向,从而分离开,通过收集检测离子来得到相应的质谱图。质谱可用于蛋白质的鉴定,蛋白修饰鉴定,蛋白定量和蛋白定位,大规模应用于蛋白质组学中研究。

质谱结构

质谱主要包括以下基本结构:1. 进样系统;2. 离子源;3. 质量分析器;4. 检测器。将样品置于进样系统,随后进入离子源,样品电离碎裂而离子化,再通过质量分析器。在质量分析器中,不同质荷比m/z的离子实现时空分离,最终在检测器中检测和记录数据。

 质谱仪器结构

图1 质谱仪器结构

离子化技术

蛋白质和肽是极性,非易失性和热不稳定的物质,需要电离技术才能将分析物转移到气相中而不会发生大量降解。目前,有多种离子化技术已趋于成熟,包括电子轰击离子化(electron bomb ionization,EI)、化学电离(chemical ionization,CI)、场电离(field ionization,FI)、场解吸(field desorption,FD)、快原子轰击(fast atom bombandment,FAB)、大气压化学离子化(atmospheric pressure chemical ionization,APCI)、基质辅助激光解吸电离(matrix-assisted laser desorption ionization,MALDI)和电喷雾电离(electrosprayionization,ESI)。MALDI和ESI属于软电离方式,此类技术为现代台式MS蛋白质组学铺平了道路。下面将主要介绍这两种软电离方式。

  • MALDI

MALDI基质吸收激光能量并将其转移至酸化的分析物,而快速的激光加热会导致基质和分析物的[M+H]+解吸电离到气相中。MALDI电离需要数百次激光照射才能达到可接受的离子检测信噪比。MALDI产生的离子主要是单电荷。这使得MALDI适用于脉冲分析仪器对高分子量蛋白质的自顶向下分析。缺点是每次重复的重复性低,并且对样品制备方法的依赖性强。

 基质辅助激光解吸电离

图2 基质辅助激光解吸电离

  • ESI

与MALDI不同,ESI源从溶液中产生离子。电喷雾电离是由分离管线末端的发射器和分离管末端之间施加的高电压(2–6 kV)驱动的。样品形成雾状的带电微液滴,然后在加热气体的作用下去溶剂化,从而使得样品离子在此过程中不断碎裂。ESI技术的一项重要发展包括微米级和纳米级ESI,流速降低至每分钟纳升,用以提高方法的灵敏度。纳米级ESI能与毛细管反相(RP)色谱柱兼容,具有更高的灵敏度。ESI源通常与连续分析仪器耦合。

 电喷雾电离

图3 电喷雾电离

质量分析器

  • 磁分析器(Magnetic Sector)(包括单聚焦和双聚焦)

  • 利用不同质量的离子在磁场中的运动轨迹不同而将其分离开。双聚焦是在单聚焦基础上的优化版本,据有能量聚焦、方向聚焦、分辨率高,但体积大的特点。

  • 四极杆分析器(Quadrupole, Q)

  • 由四根棒状电极形成四极场,当碎片离子的共振频率与四支电极的频率相同时,才能通过电极孔隙到达检测器。通过改变扫描频率即可使不同质荷比的离子分离开来。该分析器结构简单、体积小,分析速度快,分辨率较高,可与其他的质量分析器串联使用。

  • 离子阱分析器(Ion Trap, IT)

  • 由一个双曲面表面的中心圆环电极和上下两个端电极构成的三维四极场。离子储存在离子阱里,当改变端电极电压时,不同质荷比的离子就能在其对应电压条件下飞出阱到达检测器,从而将离子分离开。该分析器性价比高,灵敏度高,质量范围大,也可与其他的质量分析器串联使用。

  • 飞行时间分析器(Time-of-Flight, TOF)

  • 核心部分是一个无场的离子漂移管,在加速电压作用下,不同质荷比的离子在真空室的漂移时间不同,因此依照不同顺序到达检测器。该分析器灵敏度高,扫描速度快,结构简单,但其分辨率会随着随质荷比的增大而降低。也可与其他分析器串联使用。

  • 傅立叶变换离子回旋共振分析器(Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance, FT-ICR)

  • 由超导磁体组成强磁场和置于磁场中的ICR分析室组成。进入分析室的离子,在快速扫频电压下,若离子的回旋频率与电压的频率相同,则会发生共振。离子吸收射频能量,运动轨道逐渐增大作回旋运动,产生可检出信号。该分析器超高分辨率和质量准确度,灵敏度高,扫描速度快,可与分析器串联使用。

质谱仪

常用的仪器可简单分为两类:单级质谱计和串联质谱系统。

单级质谱仪,常用的是基质辅助激光解吸电离(MALDI)飞行时间(TOF)仪器,在许多项目中使用肽质谱技术进行大规模的蛋白质鉴定。该方法对于基因组较小且完整测序的物种中蛋白质的鉴定特别成功。

串联MS仪器,例如三重四极杆,离子阱和混合四极杆飞行时间(Q-TOF)等,通常用于LC-MS / MS或电喷雾电离(ESI)的纳米喷雾实验中,适用于通过序列数据库搜索进行蛋白质鉴定的肽片段离子光谱。

参考文献:

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  • Aebersold R, Mann M. Mass spectrometry-based proteomics[J]. Nature, 2003, 422(6928): 198.

  • 陈耀祖, 涂亚平, 分析化学. 有机质谱原理及应用[M]. 科学出版社, 2001.

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