1、Q-Tof Ultima G lobal質(zhì)譜儀的簡介及應(yīng)用鐘麗君萬樂人彭嘉柔(北京大學(xué)醫(yī)藥衛(wèi)生分析中心北京100083摘要簡要介紹Waters公司Q-T of Ultima G lobal質(zhì)譜儀的工作原理及性能特點(diǎn),并從使用的角度介紹該儀器的軟件及離子源特點(diǎn)。關(guān)鍵詞Q-T of質(zhì)譜蛋白質(zhì)組學(xué)生命科學(xué)被譽(yù)為21世紀(jì)的最前沿科學(xué)之一,隨著人類第一張基因序列草圖的完成和發(fā)展,生命科學(xué)的研究也進(jìn)入一個(gè)嶄新的后基因組學(xué)時(shí)代,即蛋白質(zhì)組學(xué)時(shí)代。正如基因草圖的提前繪制得益于大規(guī)模全自動(dòng)毛細(xì)管測序技術(shù)一樣,后基因組研究也正在借助于現(xiàn)代生物質(zhì)譜等技術(shù)得到迅猛發(fā)展。質(zhì)譜的開發(fā)歷史要追溯到20世紀(jì)初J1J1Thom

2、s on創(chuàng)制的拋物線質(zhì)譜裝置,1919年Aston制成第一臺(tái)速度聚焦型質(zhì)譜儀,成為質(zhì)譜發(fā)展史上的里程碑。現(xiàn)今,質(zhì)譜分析的足跡已遍布各個(gè)學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域,在固體物理、冶金、電子、航天、原子能、地球和宇宙化學(xué)、生物化學(xué)及生命科學(xué)等領(lǐng)域均有著廣闊的應(yīng)用。質(zhì)譜技術(shù)在生命科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用,更為質(zhì)譜的發(fā)展注入新的活力,形成獨(dú)特的生物質(zhì)譜技術(shù)。電噴霧質(zhì)譜技術(shù)和基質(zhì)輔助激光解吸附質(zhì)譜技術(shù)是誕生于20世紀(jì)80年代末期的兩種電離技術(shù)。這兩項(xiàng)技術(shù)的出現(xiàn)使傳統(tǒng)的主要用于小分子物質(zhì)研究的質(zhì)譜技術(shù)發(fā)生革命性的變革。它們具有高靈敏度和高質(zhì)量檢測范圍,使得在pm ol(10-12至fm ol(10-15水平上準(zhǔn)確地分析分子量高達(dá)

3、幾萬到幾十萬的生物大分子成為可能,從而使質(zhì)譜技術(shù)真正走入生命科學(xué)的研究領(lǐng)域,并得到迅速的發(fā)展。2003年9月北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部引進(jìn)美國Waters 公司2002年最新推出的Q-T of Ultima G lobal質(zhì)譜儀。該儀器將電噴霧(ESI質(zhì)譜技術(shù)和基質(zhì)輔助激光解吸附(M A LDI質(zhì)譜技術(shù)整合在一臺(tái)儀器上,而且ESI和M A LDI兩種模式之間可以快速切換,因此給生物化學(xué)研究提供一個(gè)靈活的空間。為敘述方便以下用Q-T of代表該質(zhì)譜儀。1Q2Tof質(zhì)譜儀簡介Q2T of是由四極桿質(zhì)譜和飛行時(shí)間質(zhì)譜組成的串聯(lián)型質(zhì)譜儀(結(jié)構(gòu)見圖1。四極桿在MS模式下有離子導(dǎo)向作用,在MS/MS狀態(tài)下有質(zhì)量分選功

4、能。裝有反射器的飛行時(shí)間(T OF分析裝置與四極圖1質(zhì)譜儀V模式工作原理示意圖桿垂直配置,在MS和MS/MS狀態(tài)下均有質(zhì)量分析功能。在四極桿和T OF分析器之間是碰撞活化室(HEX APO LE C O LLISI ON CE LL,能夠?qū)崿F(xiàn)碰撞誘導(dǎo)解離(CI D,在進(jìn)行MS/MS質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)時(shí),第一級(jí)四極桿質(zhì)譜選取單一離子并將它送入碰撞活化室與惰性氣體(氬氣發(fā)生碰撞并使母離子發(fā)生誘導(dǎo)裂解,碰撞活化室由六極桿組成,在工作狀態(tài)下極桿上僅有射頻電位, 因而所有離子均能通過碰撞活化室,到達(dá)垂直飛行時(shí)間質(zhì)譜的加速器中,在推斥極的作用下,離子進(jìn)入T OF2MS進(jìn)行質(zhì)量分離,儀器的最終檢測器為高敏感性的微通道

5、板。由于此儀器配以電子噴霧電離源(ESI和基質(zhì)輔助激光電離源(M A LDI,可以分別實(shí)現(xiàn)與高效液相色譜聯(lián)用或直接進(jìn)樣。為適應(yīng)研究的需要進(jìn)一步提高分辨率,此儀器裝有多級(jí)反射器(W型,由于多級(jí)反射,其分辨率可達(dá)20000 (FWH M左右(見圖2。ESI源由電噴霧探針和Z2 spray源組成,Z2spray技術(shù)是Waters的專利技術(shù)(見圖2裝有多級(jí)反射器質(zhì)譜儀W模式工作原理示意圖23現(xiàn)代儀器二五年第一期圖5送檢樣品的T OF MS 譜圖圖中箭頭為雙電荷峰圖3,可以有效防止離子源和儀器污染,防止熱裂解,廣泛適合HP LC 各種分離條件并提高靈敏度,源隔斷閥可有效保護(hù)真空系統(tǒng)和檢測器易于清洗離子源

6、而無需放空儀器 1 。圖3使用Z -spray 技術(shù)工作原理示意圖樣品噴入后其溶劑被錐孔氣體(C one gas 吹散,中性分子和離子在一級(jí)真空泵負(fù)壓的作用下被吸入離子盒(I onblock 并推出,在電場的作用下只有離子發(fā)生偏轉(zhuǎn)進(jìn)入離子傳輸通路(T rans fer optics 。2Q -Tof 的工作模式Q -T of 可以進(jìn)行多種模式的質(zhì)量檢測,主要包括MS Scan 、T OF MS 和T OF MS MS ,這些模式同樣可以用于負(fù)離子的檢測。MS Scan 不用于樣品的測定,只用于對四極桿部分進(jìn)行校對。T OF MS 是Q -T of 的主要工作模式之一,用以獲得肽指紋圖譜及蛋白質(zhì)

7、的圖譜,該儀器裝有的MaxEntl 軟件可將多電荷圖譜轉(zhuǎn)化為單電荷圖譜(見圖4。圖所示為BS A 的多電荷譜圖,經(jīng)軟件轉(zhuǎn)化后能體現(xiàn)出其含有的多種成分的分子量,有助于對樣品的組分進(jìn)行分析和測定。T OF MS MS 模式則可以進(jìn)一步選擇肽指紋圖譜中的肽段來進(jìn)行二級(jí)質(zhì)譜 (見圖5。二級(jí)質(zhì)譜得到的圖譜經(jīng)MaxEnt3軟件處理后可以對該肽段氨基酸的序列進(jìn)行鑒定(見圖6。從而得到更大量的信息,增加鑒定結(jié)果的準(zhǔn)確性,有利于對未知蛋白的研究。3與Q -T OF 匹配的離子源Q -T OF 可接的離子源有APCI 源、ESI 源、M A LDI源,本實(shí)驗(yàn)室以蛋白質(zhì)組學(xué)研究為首要目標(biāo),依據(jù)生物質(zhì)譜的特點(diǎn)配有ES

8、I 源、M A LDI 源。311ESI 源31111N ormal Flow E lectrospray 與注射器相連可以離線檢測蛋白質(zhì)樣品,但其要求樣品量較大。31112Nan oflow E lectrospray 3111211Nan o -LC Option 與注射器相連可以離線圖4圖A 為BS A 的多電荷譜圖圖B 為轉(zhuǎn)化后的BS A 的單電荷譜圖33二五年第一期儀器評(píng)介 圖6選擇任意雙電荷峰得到二級(jí)質(zhì)譜后進(jìn)行氨基酸序列標(biāo)識(shí)本圖得到的氨基酸序列經(jīng)網(wǎng)上檢索為Creatine kinase (肌氨酸激酶。檢測蛋白質(zhì)樣品,也可以在線檢測LC 分離樣品。液相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)發(fā)展迅速,使之

9、已經(jīng)成為蛋白質(zhì)組學(xué)研究的重要手段,目前液質(zhì)聯(lián)用已經(jīng)做到自動(dòng)化,可以高效的分析混合的蛋白質(zhì)樣品2。液質(zhì)聯(lián)用后可以應(yīng)用W aters 公司特有的專利軟件DDA (Date Directed Analysis ,DDA ,其功能適合于復(fù)雜化合物的分析、酶解蛋白質(zhì)氨基酸序列和翻譯后修飾分析。DDA 步驟為(1MS Survey ,第一級(jí)四極桿、碰撞室僅聚焦傳輸離子流至T OF 區(qū)域,獲得單極高分辨T OF 質(zhì)譜圖。(2自動(dòng)切換至MS/MS 分析,根據(jù)單極T OF 質(zhì)譜圖分子離子峰值、電荷數(shù)、域值、相對或絕對強(qiáng)度設(shè)置,第一級(jí)四極桿依次選擇單一分子離子峰完成碰撞誘導(dǎo)解離,T OF 分離檢測后獲得高分辨質(zhì)譜

10、數(shù)據(jù)。(3自動(dòng)網(wǎng)上檢索。DDA 可自動(dòng)切換分別采用高、低能量碰撞或根據(jù)分子離子峰通過程序掃描自動(dòng)優(yōu)化碰撞能量。3111212G lass Capillary Option 用于離線質(zhì)譜檢測110L 的蛋白樣品。其特有的設(shè)計(jì)可以使1L 的樣品連續(xù)工作30min ,對微量樣品的研究極為有利。為確保質(zhì)量測量精度該儀器采用Lockspray 雙噴霧針設(shè)計(jì),它是waters 公司的專利,它使Q -T OF 系列高分辨精確質(zhì)量數(shù)測定準(zhǔn)確(<5ppm ,其操作軟件masslynx 自動(dòng)控制Lockspray 雙噴霧通道,最小切換時(shí)間降低離子源內(nèi)校正參考物與分析物之間相互離子抑制效應(yīng),以達(dá)到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分析

11、。液相色譜與Q -T OF 聯(lián)機(jī)分析時(shí)Lockspray 消除液相色譜流速、梯度影響,確保聯(lián)機(jī)后的高分辨分析。312MA LDI 源誕生于20世紀(jì)80年代末期的M A LDI -T OF MS 技術(shù),極大地推動(dòng)傳統(tǒng)的主要用于小分子物質(zhì)研究的質(zhì)譜技術(shù)發(fā)生革命性的變革,從而生物質(zhì)譜技術(shù)發(fā)展邁入新的時(shí)代。M A LDI -T OF MS 以其高靈敏度、極高的質(zhì)量上限,分離效率高、分析速度快、信息直觀等特點(diǎn)在分析多肽、蛋白質(zhì)和高分子聚合物方面具有無法比擬的作用3。本儀器配有waters 公司獨(dú)特的lock m ass 功能,保證每個(gè)樣品在臨近點(diǎn)獲得校正,并動(dòng)態(tài)校正儀器漂移和偏差以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。4結(jié)

12、語自1996年第一代Micromass 公司高分辨高靈敏度Q -T of 儀器推出后,經(jīng)不斷的發(fā)展,目前Q -T of Ultima G lobal 型串聯(lián)質(zhì)譜儀結(jié)合電噴霧源(ESI 、基質(zhì)輔助激光解離源(M A LDI 、質(zhì)量鎖定(LOCK 2SPRAY 、四極桿選擇離子傳輸方式、T OF 高分辨高靈敏度優(yōu)點(diǎn)于一體,必將在蛋白質(zhì)組研究,氨基酸序列快速測定,未知物結(jié)構(gòu)測定,藥物開發(fā)和藥物代謝分析等領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。參考文獻(xiàn)Q -Tof ultima global mass spectrometry and its use in proteomicsZhong Lijun Wan Leren Peng Jiaorou(Peking University ,Medical Health Analitical lentre Beijing 100083Abstract This thesis gives a brief introduction to Q -T of Ultima G lobal Mass S pectrometer from Waters C