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质谱技术发展以及在生物学研究中的应用

质谱作为现今在生物研究中的普遍运用的技术,借助快速高效测定复杂生物大分子和小分子的优势,在生物研究中的重要性越来越凸显。这期我们讲一下质谱技术发展以及在生物学研究中的应用。

质谱的原理

质谱分析技术是通过测定并分析样品离子的质荷比来分析鉴定样品的一种方法。质谱仪大体分为三个部分:离子源,质量分析器,检测器。质量分析器是质谱仪的核心部件,它决定着质谱仪分析的灵敏度,分辨率,生成离子碎片的能力,和准确度等。样品在被分析前,首先要经过电离离子化,使样品分子带上一定的电荷。接下来,带电的离子首先经过一段加速电场的驱动,飞行进入分析电场或磁场。由于样品本身的质量和离子化的带电量不同,样品离子在分析电场中的运动轨迹也不同,也因此能通过分析离子的运动轨迹将不同的离子区分开,并且对样品的信息,纯度等特征进行定性和定量的测定。

质谱的发展历史

第一台质谱仪距今已经有90多年的历史了,由J. J. Thomson发明制成,主要用于化学实验中无机元素的测定。随着质谱技术的拓展,随着计算机技术的发展,也逐渐被应用于分析更复杂的生物分子,包括氨基酸,蛋白质,脂质,糖类等。虽然相比显微镜等仪器,质谱的发展历史,和被应用到生物研究的时间短了不少,但是作为一种精准分析鉴定生物分子的手段,质谱在生物研究的重要性是不可取代的。

常用质谱的类别

生物学研究的对象普遍是复杂大分子,包括了蛋白质,核酸,糖类,脂质,以及各类小分子。各类生物分子的性质也有着很大的差别。因而,应用于生物领域研究的质谱仪的种类也有不少,常见的用于生物研究的质谱仪有一下几种:

1. 四级杆质谱仪
四级杆质谱仪的质量分析器是由四根棒状的电极组成,在两对电极中间施加交变频场,设定的频场只允许一定质量的离子通过四级杆到达检测器,进而对这一区间的离子进行快速分析。它的特点是仪器结构简单,扫描速度快,但是分辨率相对较低。

2. 飞行时间质谱仪(TOF)
此类型的质谱仪测定的离子的质核比是通过分析离子在真空飞行管中的飞行时间所推算出的。经过不断改进,TOF质谱仪在分辨率和精准度上有很大的提升,准确度在经历后期校正程序后可达到PPM级,检测的离子质量范围可达到几十万。

3. 离子阱质谱仪
离子阱质谱仪是一种串联质谱仪,离子阱是质谱仪的核心部分,既是碰撞室,又是质量分析器。在分析前先将离子聚集储存,因而离子阱质谱仪的优势就在于离子储存和选择。

4. 离子回旋共振(ICR)质谱仪
离子回旋共振质谱仪是根据离子在磁场中进行回旋运动的特性而设计的。离子回旋共振质谱仪是这几类质谱仪中分辨率,准确率较高的仪器,其中Obitrap 便是高精准度质谱仪的典型代表。

质谱在生物研究的应用

1. 生物代谢小分子的检测
质谱技术在检测小分子上有着长久的发展,小分子的测定和分析方法也很成熟。目前质谱技术能够准确的测定多种生物小分子,包括氨基酸、脂肪酸、有机酸及其衍生物、单糖类、前列腺素、甲状腺素、胆汁酸、胆固醇和类固醇、生物胺、脂类、碳水化合物、维生素、微量元素等。

2. 生物大分子的检测
蛋白质,糖类,核酸,以及脂质是构成生物体的主要组成部分和生命活动的功能的行驶者。绝大多数生物研究说到底都是围绕着这几类生物大分子展开的。虽然较小分子而言,大分子的质谱分析更为复杂,随着质谱技术的快速发展,这些生物大分子的分析也变的准确和快速。

3. 药物分析检测
药物的成分千差万别,例如抗体类药物某个关键位点的修饰就可能对药物的疗效造成很大的影响,因此传统技术的药物分析在分析生物药物方面十分困难。 得益于质谱技术的高效准确,质谱技术常用于分析生物肽和蛋白质类等药物(包括糖蛋白)的氨基酸序列分析。另外,质谱也可用于天然药物,药物代谢研究和中药成分分析等。

4. 微生物的鉴定
微生物的物种繁多,由于不同种的微生物遗传序列的差异,导致细菌蛋白序列也不尽相同。质谱正是测定微生物的肽指纹图谱,再与数据库信息进行比对,从而鉴定微生物的身份。另外,质谱也可对某些微生物产生的特定糖类或酯类进行分析,进而鉴定目标微生物。


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