視點(diǎn)

第57屆匹茲堡會(huì )議及分析儀器發(fā)展趨勢評述

一、質(zhì)譜儀器及其應用方面的發(fā)展趨勢

    質(zhì)譜學(xué)及其儀器的發(fā)展是近年來(lái)分析化學(xué)、生命科學(xué)等諸多領(lǐng)域所關(guān)注的焦點(diǎn)，因此我們也對此給予特別關(guān)注。獲得了 2006 Pittcon 金獎的 LTQ Orbitrap 在同一臺儀器上接合了先進(jìn)的線(xiàn)性離子阱技術(shù)（ LTQ ） [830-3 ， 1090-6 ， 1130-2] 和軌道阱（ Orbitrap ）技術(shù)，是二十多年來(lái)質(zhì)譜分析領(lǐng)域的重大突破，被認為是一種全新的質(zhì)量分析器。 LTQ Orbitrap 多級串聯(lián)組合高分辨質(zhì)譜儀憑借其出眾的質(zhì)量分辨率、質(zhì)量精密度和動(dòng)態(tài)檢測范圍等性能，*超越了現有的飛行時(shí)間（ TOF ）質(zhì)譜系統，并廣泛應用于小分子研究、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)和藥物開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域。由于將軌道阱分析器和 Finnigan 的線(xiàn)性離子阱分析器融合在一起，與傳統的質(zhì)譜儀相比，它能夠對復雜的化合物提供快速而靈敏的檢測。因具有的很高的準確度、分辨率和靈敏度使它無(wú)疑成為現有的 TOF 分析器的強勁競爭者。普度大學(xué)的 Cooks[10-2 ， 520-1 ，2100-21p] 評價(jià)說(shuō)， LTQ Orbitrap 的性能與 FT-ICR[1140-1] 相當，但 LTQ Orbitrap 卻更易于維護；與四極桿 TOF 相比，價(jià)格便宜還可以獲得更高的分辨率和較好的準確度。熱電公司的 PQD （ Pulsed-Q Dissociation ，脈沖 Q 解離 ) 和 Agilent 的 ETD （ electron transfer dissociation ，電子轉移解離）裂解裝置也引起了人們的關(guān)注。 PQD 是可以用于蛋白質(zhì)分析的新的裂解技術(shù)，它消除了離子阱分析器中的質(zhì)量歧視效應。采用該技術(shù)，可以在離子阱質(zhì)譜中觀(guān)察到 m/z 小于母體離子 m/z 的三分之一的碎片，而采用傳統的離子阱儀器卻觀(guān)察不到。 Cooks 認為，利用 PQD 可以獲得高能量的激發(fā)環(huán)境，提高碎片的強度，因此能夠實(shí)現對多肽的更好鑒別。一年前被提出的 ETD 裂解也是針對蛋白質(zhì)分析而設計的 [500-3] ，現在已經(jīng)由 Agilent 和 Bruker 用于商業(yè)的離子阱儀器中。 ETD 是一種*的裂解技術(shù)，它可以產(chǎn)生很強的特征碎片，使得肽和蛋白質(zhì)的分析更加簡(jiǎn)單。 Varian 推出的 810-MS 和 820-MS 的 ICP-MS 具有新的碰撞反應界面（ CRI ） [1450-3] ，可以將碰撞或反應氣體直接引入等離子體中，而傳統儀器的碰撞或反應器卻是處于 ICP-MS 的質(zhì)量分析器之前。 CRI 的性能與傳統的反應器相當，但干擾粒子的影響卻更小。對于復雜樣品中難測定的元素采用該儀器可以獲得更低的檢測限和更準確的測定結果。 New Wave Research 的 LIBS-Elite 具備激光溶損技術(shù) [120-4] ，使各種樣品的元素分析更為方便。該儀器在常壓下采用了敞開(kāi)的樣品池，簡(jiǎn)化了樣品的處理。 Cetac Technologies 展示的 Aridus Ⅱ霧化系統可用于 ICP-AES 和 ICP-MS 中，采用該體系可以獲得較好的靈敏度，降低 ICP-MS 中氧化物的量，克服了氧化物譜圖與待測物譜圖相互迭加的缺點(diǎn)。

    常規質(zhì)譜儀一般體積和重量都較大，某種程度上限制了它在現場(chǎng)的應用。過(guò)去十幾年人們一直致力于儀器的小型化研究，當然也包括質(zhì)譜的小型化研究。在本屆的 Pittcon 上，至少出現了三種手提MS[2260-1 ， 2260-5 ， 2260-6] 系統，其中之一是 Microsaic System 采用 MEMS[260-2 ， 681-1] 技術(shù)將離子源、四極桿質(zhì)量分析器和檢測器集成后離子芯片 [200-85p] 。這種質(zhì)譜的離子芯片可用于固體、液體或氣體樣品的分析。普度大學(xué)演示了一種手提式的質(zhì)譜儀 [200-81p ， 2260-8] ，它僅有一個(gè)鞋盒大小，重約 10kg ，具有快速準確的特點(diǎn)，可以用于航空安全方面以及環(huán)境方面。其他它有關(guān)質(zhì)譜方面的重要進(jìn)展有熱電公司的雙聚焦分析器和 Varian 的用于 ICP-MS 的新的 CRI 界面 [1450-3] 。

    如果能用一個(gè)高分辨率的顯微鏡觀(guān)察樣品并獲得其化學(xué)組成信息， 這樣的分析技術(shù)將具有廣闊的前景。目前，已有實(shí)驗室正在進(jìn)行有關(guān)將顯微技術(shù)和光譜技術(shù)結合起來(lái)的研究 [1340-5] ，而且采用 MS 成像的方法來(lái)收集和解釋樣品的化學(xué)信息，能準確描述整個(gè)樣品中特定分子的分布。 與其它的影像技術(shù)相比，以 MS 為基礎的影像方法具有更多的優(yōu)點(diǎn) [1340-1] ，如不需要對待測物進(jìn)行標記，分析物可以其zui初的形態(tài)被檢測，適用于研究生物分子的反應等。

    大多數的研究小組都采用了 SIMS （二級離子質(zhì)譜） [120-3 ， 1340-5 ， 200- 51p] 和 MALDI （基體輔助激光解吸電離） [890-8 ， 180-7 ， 1290-1p ， 730-7] 兩種技術(shù)。在 SIMS 法中，采用高能離子轟擊樣品，逐出分析物離子（二級離子），離子再進(jìn)入質(zhì)量分析器。與之類(lèi)似， MALDI 也涉及到在化學(xué)基體中制備樣品，不同之處是在 MALDI 中是用激光輻射樣品使之離子化。這兩種方法中，都使用 TOF 檢測離子 [180-6 ， 1200-3] 。這些技術(shù)都是互補的， SIMS 探針可以探測到 100nm 的深度，能提供納米級的分辨率。 MALDI 可以探測更深，但空間分辨率較低，這兩種方法在解析完整的生物分子時(shí)都是有效的。但就能探測到的分子質(zhì)量范圍來(lái)說(shuō)， SIMS 比 MALDI 更有限。例如， SIMS 可用于分析大的完整的蛋白質(zhì)，用脈沖光束掃描樣品，可以得到化學(xué)影像；通過(guò)一系列相關(guān)位置的譜圖可以構建二維圖象，或者用脈沖光束照射大量的樣品可以得到影像，但需要使用能保持離子空間分布的方法如陣列檢測器收集檢測離子。在 ME-SIMS( M atrix-enhanced SIMS ) 的應用中， Heeren 和同事對淡水蝸牛的大腦組織樣品進(jìn)行了影像研究 [1340-1] ，發(fā)現組織影像與傳統的顯微圖片很相似， MS 影像是來(lái)自于樣品某一區域的斑紋，圖象顯示了細胞中肽的位置。將 SIMS 改進(jìn)后的另一方法是用一薄層金或其它物質(zhì)包裹樣品以提高離子化效率和分析信號。金屬輔助的 SIMS 方法與其它的與基體有關(guān)的方法相似。 Heeren 的研究小組認為這種新方法可用于制備 MS 顯微圖片，具有很好的空間和化學(xué)分辨率。

    影像技術(shù)也吸引著(zhù)進(jìn)行臨床應用的研究者們， R ichard M. Caprioli 認為 MS 影像技術(shù)對于臨床化學(xué)具有潛在的意義，并zui終應用于醫生對病人的診斷方式中 [1340-3] 。 Caprioli 認為實(shí)現其潛力的關(guān)鍵在于將影像技術(shù)應用于病人疾病的病程確定和疾病發(fā)展的預測。 Caprioli 的課題組建立了以 MALDI 為基礎的方法，從人體乳腺腫瘤樣品的相同微區得到分子特征，而早期病理學(xué)家是通過(guò)組織學(xué)的方法來(lái)診斷其良性或惡性的。類(lèi)似地，在研究軟組織腫瘤樣品時(shí)，化學(xué)影像表明，在某些情況下疾病已經(jīng)滲透到腫瘤周?chē)蠓秶慕M織，而傳統的病理學(xué)方法卻檢測不到。

    Pennsylvania State 大學(xué)化學(xué)教授 Nicholas Winograd ，zui近進(jìn)行 SIMS 實(shí)驗 [1340-5] ，采用了高能 C60離子束 [430-28p] 轟擊樣品表面，結果表明方法具有良好的空間分辨率，能夠獲得巨噬細胞和星型細胞的細胞特征和分析物的分布情況。 C 60 的能量與其它的離子束相當 [1340-5] ，卻不能到達樣品表面以下，這樣樣品可以連續地被逐層剝離，研究人員就可以得到縱面圖形，zui終獲得三維的分子影像。該研究小組用含有肽的糖溶液將硅的薄片包裹起來(lái)并進(jìn)行 SIMS 實(shí)驗，隨著(zhù)薄膜逐漸被 C 60 剝蝕，可以獲得糖和肽的穩態(tài)信號。zui終，薄膜*剝離后就可以獲得硅的信號。如果用其它的 射線(xiàn) 或原子離子代替 C 60 ，粒子束會(huì )快速穿過(guò)肽膜而無(wú)法提供有關(guān)生物分子的信息?？傊?，生物樣品很復雜，對它們進(jìn)行高分辨率的影像研究和化學(xué)成分分析是很有意義的事情，這方面的研究已經(jīng)獲得了令人欣喜的突破。

文章出自“北京分析儀器研究所”