质谱技术及其应用

先导篇

21 世纪的最前沿科学之一，随着人类第一张基因序列草图的完成和发展，生命科学的研究也将进入一个崭新的后基因组学，在基因组-转录组-蛋白组-代谢组的系统生物学框架内（图 1），代谢组是生物动态调控系统中最接近于表型的阶段，是生命的本质特征和物质基础。代谢组学一方面由于与健康疾病、营养科学、药物毒性、环境科学等密切相关，未来广阔；另一方面，由于代谢物结构迥异、种类众多，在技术开发和应用方面也面临巨大挑战。

图 1 | 组织/细胞的系统生物学框架，涵盖了基因组、转录组、蛋白组、代谢组，脂质组等【1】

（图片来源：Wu RQ, J Dent Res. 2011）

 

1.质谱技术

 质谱（ Mass SPectrometry）是带电原子、分子或分子碎片按质荷比（或质量）的大小顺序排列的图谱。质谱仪是一类能使物质粒子高化成离子并通过适当的电场、磁场将它们按空间位置、时间先后或者轨道稳定与否实现质荷比分离，并检测强度后进行物质分析的仪器。质谱仪主要由分析系统、电学系统和真空系统组成。

 

1.1 质谱分析的基本原理

用于分析的样品分子（或原子）在离子源中离化成具有不同质量的单电行分子离子和碎片离子，这些单电荷离子在加速电场中获得相同的动能并形成一束离子，进入由电场和磁场组成的分析器，离子束中速度较慢的离子通过电场后编转大，速度快的偏转小；在磁场中离子发生角速度矢量相反的偏转，即速度慢的离子依然偏转大，速度快的偏转小；当两个场的偏转作用彼此补偿时，它们的轨道便相交于一点。与此同时，在磁场中还能发生质量的分离，这样就使具有同一质荷比而速度不同的离子聚焦在同一点上，不同质荷比的离子聚焦在不同的点上，其焦面接近于平面，在此处用检测系统进行检测即可得到不同质荷比的谱线，即质谱。通过质谱分析，我们可以获得分析样品的分子量、分子式、分子中同位素构成和分子结构等多方面的信息。

 

1.2 质谱技术的发展

质谱的开发历史要追溯到 20 世纪初 J.J.Thomson 创制的抛物线质谱装置，1919 年 Aston 制成了第一台速度聚焦型质谱仪，成为了质谱发展史上的里程碑。

最初的质谱仪主要用来测定元素或同位素的原子量，随着离子光学理论的发展，质谱仪不断改进，其应用范围也在不断扩大，到 20 世纪 50 年代后期已广泛地应用于无机化合物和有机化合物的测定。

现今，质谱分析的足迹已遍布各个学科的技术领域，在固体物理、冶金、电子、航天、原子能、地球和宇宙化学、生物化学及生命科学等领域均有着广阔的应用。质谱技术在生命科学领域的应用，更为质谱的发展注入了新的活力，形成了独特的生物质谱技术。

 

2.生物质谱技术

电喷雾质谱技术和基质辅助激光解吸附质谱技术是诞生于 80 年代末期的两项轨电离技术。这两项技术的出现使传统的主要用于小分子物质研究的质谱技术发生了革命性的变革。它们具有高灵敏度和高质量检测范围，电喷雾质谱技术（Electrospray Ionizsation MassSpectrometry,ESI-MS）是在毛细管的出口处施加一高电压，所产生的高电场使从毛细管流出的液体雾化成细小的带电液滴，随着溶剂蒸发，液滴表面的电荷强度逐渐增大，最后液滴崩解为大量带一个或多个电荷的离子，致使分析物以单电荷或多电荷离子的形式进入气相。电喷雾离子化的特点是产生高电荷离子而不是碎片离子，使质量电荷比（m/z）降低到多数质量分析仪器都可以检测的范围，因而大大扩展了分子量的分析范围，离子的真实分子质量也可以根据质荷比及电行数算出。

 电喷雾质谱的优势就是它可以方便地与多种分离技术联合使用，如液一质联用（LC－MS）是将液相色谱与质谱联合而达到检测大分子物质的目的。

 

3.代谢组学发展趋势

代谢组学是定量描述生物内源性代谢物对内外因变化应答规律的科学，能够直接反映生命体的终端和表型信息，近年来在疾病诊断和分型、生物标志物发现、药物研发、基因功能解析、代谢途径及调控机理等领域发挥着重要作用。从代谢组学和脂质组学逐年发表的 SCI 文章（图 2）可以看出，代谢组学发展迅猛。

图 2 | 代谢组学在“Web of Science 核心合集”逐年发表的文章统计图

检索日期：2020 年 5 月 3 日，检索关键词：(metabonomics) OR metabolomics OR ("metabolic profiling") OR (lipidomics) OR lipidome OR ("lipid profiling"))。

小图：中美发表的与质谱相关的代谢组学文章数比较。

 

4.代谢组学的核心

代谢组学的核心任务为：

1）对生物体系中的内源性代谢物及其变化规律进行表征；

2）以差异代谢物作为核心对生命奥秘进行解析。

 

其精髓是对小分子代谢物的定量分析并发现差异代谢物，其中基于色谱/质谱联用的分离分析技术是研究的关键。

 

与核磁共振等技术相比，色谱/质谱联用技术具有灵敏度高、选择性好、动态范围宽、信息丰富等优点，已成为代谢组学研究的主流技术平台。具体应用而言，对于非靶向分析：色谱与高分辨质谱的联用必不可少；而对于靶向分析：基于多反应监测模式的三重四极杆质谱被认为是质谱定量的 “金标准”，也是靶向分析使用较多的方法；综合了两种技术优势的拟靶向代谢组技术是代谢组研究的新方向（图 3）。

图 3 |  拟靶向代谢组学的建立【2】（Zheng F.J. et al., Nature Protocols, 2020）

 

拟靶向代谢组学的核心是通过非靶向方法的“拟”靶向化来实现的，包括三个步骤：1)基于四极杆飞行时间质谱的非靶向分析；2)母离子/产物离子对的选择；3）使用三重四极杆或 QTRAP 质谱系统采用 MRM 方式基于上述离子对样品进行分析。该技术由于结合了非靶向和靶向分析技术的双重优势，在代谢物分析的覆盖度上与非靶向方法接近，在灵敏度上与靶向分析一样，应用日益广泛。

在仪器平台的选择上，由于 GC-MS 和 LC-MS 在分离对象上的差别，使得其在代谢物的分离分析上具有各自的独特优势。两类仪器的联合使用可以实现对更多物质类型的检测分析，具备较强的应用价值（Xuan QH, et al., Advanced Science, 2020）【3】。

 

5.代谢组学研究难点及前景解析

 代谢组学尚存在以下待解决的问题：

（1）大样本的代谢组学研究对代谢物检测的准确度和重复性有更高要求，需要开发更加快速、稳健的分析方法，保证实验室内各批次的分析重复性和实验室间数据的可比性；

（2）针对微量样本甚至单细胞代谢组分析，发展小体积超高灵敏的痕量代谢物检测方法势在必行；

（3）高分辨质谱信号中，仅仅小部分可以定性，大量未知代谢物的结构阐明方法需要发展；

（4）为了促进代谢组学解决实际问题和研究成果的转化，需要与生物化学和分子生物学紧密结合，阐明代谢物的功能。

 

代谢组学是系统生物学的重要组成部分，与基因组、转录组、蛋白组等其他组学数据的整合，可以提供更全面的分子特征，获得病理生理状态、药物作用或应激扰动的变化信息，揭示分子机制。多组学整合的研究已广泛应用到基础医学、临床诊断、药物研发、农业育种以及抗逆研究等领域的各个方面。目前，多组学信息的有效整合仍然是难点，需要系统生物学和计算机技术的共同进步。

 

方法学的创新是代谢组学在各领域广泛应用的重要前提。我们相信，随着科研的进步，代谢组学必将深入发展，在生命科学中发挥重要的作用。我们可进一步预期，我国的代谢组学会与其他学科一起蓬勃发展。具体有哪些创新、如何应用、如何与其他学科结合发挥更大价值，我相信一定会有研究者给出更好的答案。

 

6.组合性的代谢组学解决方案

在技术飞速发展的代谢组学研究领域，精准和高通量正成为引领发展的方向。鹿明生物的非靶向双平台代谢组（GC-MS+LC-MS）、拟靶向功能脂质组检测分析以及拟靶向脂质组、拟靶向代谢组和黄酮-酚类、神经递质、胆汁酸等精准靶向代谢常规检测分析，具有多重平台、更大容量、精准解读等优势，也为揭示隐藏在大数据背后的生物学机理提供更好的支持。

 

除了单一的代谢组学技术之外，不同组学技术的组合搭配在科学研究中也扮演着越来越重要的角色，逐渐成为热点方向。鹿明生物在多组学联合检测分析中也有着独特优势：蛋白组学+代谢组学、代谢组学+微生物 16S 等多组学研究方案助力各大科研院所的科学家们多出成果、出好成果。

图 4 |  鹿明生物多组学检测与分析平台

 

 

参考文献：

【1】Wu R Q , Zhao X F , Wang Z Y , et al. Novel molecular events in oral carcinogenesis

via integrative approaches.[J]. Journal of Dental Research, 2011, 90(5):561.

【2】 Zheng F , Zhao X , Zeng Z , et al. Development of a plasma pseudotargeted

metabolomics method based on ultra-high-performance liquid chromatography–mass spectrometry[J]. Nature Protocols, 2020, 15(8):1-19.

【3】Xuan Q , Ouyang Y , Wang Y , et al. Multiplatform metabolomics reveals novel

serum metabolite biomarkers in diabetic retinopathy subjects[J]. Advanced Science, 2020, 2001714. DOI:10.1002/advs.202001714.