質譜技術發展以及在生物學研究中的應用

瀏覽次數：752　發布日期：2023-3-6　來源：百泰派克生物科技-原創

質譜作為現今在生物研究中的普遍運用的技術，借助快速高效測定復雜生物大分子和小分子的優勢，在生物研究中的重要性越來越凸顯。這期我們講一下質譜技術發展以及在生物學研究中的應用。

質譜的原理
質譜分析技術是通過測定并分析樣品離子的質荷比來分析鑒定樣品的一種方法。質譜儀大體分為三個部分：離子源，質量分析器，檢測器。質量分析器是質譜儀的核心部件，它決定著質譜儀分析的靈敏度，分辨率，生成離子碎片的能力，和準確度等。樣品在被分析前，首先要經過電離離子化，使樣品分子帶上一定的電荷。接下來，帶電的離子首先經過一段加速電場的驅動，飛行進入分析電場或磁場。由于樣品本身的質量和離子化的帶電量不同，樣品離子在分析電場中的運動軌跡也不同，也因此能通過分析離子的運動軌跡將不同的離子區分開，并且對樣品的信息，純度等特征進行定性和定量的測定。

質譜的發展歷史
第一臺質譜儀距今已經有90多年的歷史了，由J. J. Thomson發明制成，主要用于化學實驗中無機元素的測定。隨著質譜技術的拓展，隨著計算機技術的發展，也逐漸被應用于分析更復雜的生物分子，包括氨基酸，蛋白質，脂質，糖類等。雖然相比顯微鏡等儀器，質譜的發展歷史，和被應用到生物研究的時間短了不少，但是作為一種精準分析鑒定生物分子的手段，質譜在生物研究的重要性是不可取代的。

常用質譜的類別
生物學研究的對象普遍是復雜大分子，包括了蛋白質，核酸，糖類，脂質，以及各類小分子。各類生物分子的性質也有著很大的差別。因而，應用于生物領域研究的質譜儀的種類也有不少，常見的用于生物研究的質譜儀有一下幾種：

1. 四級桿質譜儀

四級桿質譜儀的質量分析器是由四根棒狀的電極組成，在兩對電極中間施加交變頻場，設定的頻場只允許一定質量的離子通過四級桿到達檢測器，進而對這一區間的離子進行快速分析。它的特點是儀器結構簡單，掃描速度快，但是分辨率相對較低。
2. 飛行時間質譜儀（TOF）

此類型的質譜儀測定的離子的質核比是通過分析離子在真空飛行管中的飛行時間所推算出的。經過不斷改進，TOF質譜儀在分辨率和精準度上有很大的提升，準確度在經歷后期校正程序后可達到PPM級，檢測的離子質量范圍可達到幾十萬。
3. 離子阱質譜儀

離子阱質譜儀是一種串聯質譜儀，離子阱是質譜儀的核心部分，既是碰撞室，又是質量分析器。在分析前先將離子聚集儲存，因而離子阱質譜儀的優勢就在于離子儲存和選擇。
4. 離子回旋共振（ICR）質譜儀

離子回旋共振質譜儀是根據離子在磁場中進行回旋運動的特性而設計的。離子回旋共振質譜儀是這幾類質譜儀中分辨率，準確率較高的儀器，其中Obitrap 便是高精準度質譜儀的典型代表。

質譜在生物研究的應用

1. 生物代謝小分子的檢測

質譜技術在檢測小分子上有著長久的發展，小分子的測定和分析方法也很成熟。目前質譜技術能夠準確的測定多種生物小分子，包括氨基酸、脂肪酸、有機酸及其衍生物、單糖類、前列腺素、甲狀腺素、膽汁酸、膽固醇和類固醇、生物胺、脂類、碳水化合物、維生素、微量元素等。
2. 生物大分子的檢測

蛋白質，糖類，核酸，以及脂質是構成生物體的主要組成部分和生命活動的功能的行駛者。絕大多數生物研究說到底都是圍繞著這幾類生物大分子展開的。雖然較小分子而言，大分子的質譜分析更為復雜，隨著質譜技術的快速發展，這些生物大分子的分析也變的準確和快速。
3. 藥物分析檢測

藥物的成分千差萬別，例如抗體類藥物某個關鍵位點的修飾就可能對藥物的療效造成很大的影響，因此傳統技術的藥物分析在分析生物藥物方面十分困難。得益于質譜技術的高效準確，質譜技術常用于分析生物肽和蛋白質類等藥物(包括糖蛋白)的氨基酸序列分析。另外，質譜也可用于天然藥物，藥物代謝研究和中藥成分分析等。
4. 微生物的鑒定

微生物的物種繁多，由于不同種的微生物遺傳序列的差異，導致細菌蛋白序列也不盡相同。質譜正是測定微生物的肽指紋圖譜，再與數據庫信息進行比對，從而鑒定微生物的身份。另外，質譜也可對某些微生物產生的特定糖類或酯類進行分析，進而鑒定目標微生物。