质谱串联质量分析器

2013年6月10日，赛默飞世尔科技公司在正在美国召开的ASMS 2013上推出融合三种类型质量分析器的创新&ldquo 三合一(Tribird)&rdquo 质谱系统Orbitrap Fusion LC-MS。该质谱系统集成了四极杆、轨道阱(Orbitrap)及线性离子阱(LIT)，其可以为复杂生物样品分析提供前所未有的深度。Orbitrap Fusion LC-MS系统　　&ldquo 我们的使命是创造最高性能的商业化质谱仪&rdquo ，赛默飞世尔科技色谱质谱部首席技术官Ian Jardine博士如是说，&ldquo 此外，我们希望这一有力工具能够广泛应用到科学界且确保该仪器易于使用。在设计Orbitrap Fusion时，我们在一个灵活的研究级质谱系统中组合了四极杆、线性离子阱和Orbitrap技术并提高了其性能&mdash 以获得可能革新客户研究的新一代质谱仪。&rdquo 　　&ldquo 我们最大的挑战是灵敏度和分析通量，&rdquo 哈佛医学院细胞生物学教授Steven Gygi博士如是说，&ldquo Orbitrap Fusion仪器的革新性，允许我们以大大超过以往的定量准确度获得更宽广的蛋白质组学覆盖范围。&rdquo 　　Orbitrap Fusion系统解决通量问题的一个方法是通过串联质量标签(TMT)。该技术能够使质谱仪同时对多个样品中的蛋白质进行相对定量研究。与先前的工具相比，Orbitrap Fusion仪器显著改善了数据的深度和质量，从而获得更为出色的TMT结果。新平台借助 MS3 选择性的优势提高定量准确度，而且较之以往的分析系统,在单位时间内可获取两倍的MS3扫描次数,且灵敏度也获得显著提升。用户也可以从赛默飞世尔科技处订购全新TMT试剂，最多可同时对10个样品进行全面分析。　　Orbitrap Fusion LC-MS的核心是配置三个不同的质量分析器，这些分析器共同协作，将分析性能提升至全新的高度，从而实现全新的实验方法：　　(1)四极杆用于进行母离子选择，分辨率最低可达0.4amu，具有出色的灵敏度和选择性 　　(2) 超高场Orbitrap提供超过450,000的分辨率和高达15 Hz的扫描速率，具有无法逾越的分析选择性和速度 　　(3)多级杆离子回旋通道及双压线性离子阱提供 MSn HCD、CID 和 ETD 裂解，可在最高达20 Hz的扫描速度下进行快速、灵敏的质量数分析。同步的母离子选择增强了仪器的信噪比。　　三合一配置使用户能够以比现有的商业化仪器更快的速度识别更多的低丰度蛋白质。其独特的结构能够在Orbitrap和线性离子阱质量分析器中实现同时的母离子隔离、裂解和数据采集。与已有仪器相比，所采集得到的数据质量更高，扩展了可能的实验范围。　　可在任意MSn分析阶段选择不同裂解模式并以Orbitrap或线性离子阱分析器检测的能力使得一系列新型实验成为可能，从而能够获取来自代谢物、多聚糖、翻译后修饰和序列多态性方面的全新水平的结构信息。　　在典型代谢组学实验中，科研人员经常会面临未知物和目标化合物。为了识别未知物，必须在LC-线性离子阱仪器上重新运行样品以获取MSn数据，但在第二次运行时匹配色谱保留时间会比较困难，进而导致了不确定性。利用其独特的三合一质量分析器配置，新型Orbitrap Fusion Tribrid LC-MS克服了这一问题，通过确凿的未知物鉴定结果为用户提供革新众多小分子实验方法的能力。　　性能易于实现　　Orbitrap Fusion LC-MS的新型智能软件提供了动态扫描管理(Dynamic Scan Management，DSM)，具有随实验自动调整扫描参数以获得最佳结果的能力。　　Orbitrap Fusion系统集成了一个新型、易于使用的拖放式方法编辑器，避免在创建复杂方法过程中需要花费大量时间进行参数的猜测和尝试。该编辑器是MS软件套件中的一部分，支持该平台无可比拟的适用性。其包括：　　(1) Thermo Scientific Freestyle软件，一个新型数据可视化工具，也有助于进行快速方法开发和数据质量评估。　　(2) Thermo Scientific Proteome Discoverer，一个用于蛋白质识别的综合性软件程序。　　(3)Thermo Scientific Compound Discoverer软件，用于在大量应用中执行小分子结构识别。　　(4) Thermo Scientific SIEVE软件用于蛋白质组学和小分子样品的差异定量分析。　　(5)mzCloud软件，一个支持未知物识别和结构解析的新型质谱库。(编译：杨娟)

p　　质量分析器的进展主要来自国外科研院所，由其合作质谱厂家协同大力开发完成，是目前质谱仪器竞争力的最热点。各种技术名称很多，但技术背后的根本离不开偏转与聚焦之类的离子轨迹控制。/pp　　“轨道阱(Orbitrap)”无疑是突破性质谱分析器技术，该类质谱仪器在生命科学领域取得了巨大的成就，尽管它的原理在数10年前就已经被发明，但真正成为商品化产品，还是近些年才完成的，主要得益于与之相配套的离子传输系统(尤其是C-Trap)、电源稳定性、超高真空系统的研发取得了实质性进展。/pp　　多次反射、曲线型或螺旋型分析器显著提高了分辨率，但与多次反射线型分析器一样(如W模式)，灵敏度损失也比较明显，通过延长离子路径来提高分辨率，并非一个理想化方案，或许聚焦才是根本，因此，分析器改进的方向是分辨率和灵敏度同步提高，许多宣传实现了这项要求的质谱仪器其实并未在应用中得到良好验证。/pp　　多种分析器的杂交技术是分析器重要进展，QQQ、Q-TOF、TOF/TOF、IT-TOF、Q-LIT已被证明是质谱最关键的技术进展，市场获益巨大。近期“分析器三重杂交(TriHybrid)”广受关注，在鉴定结果可靠性方面得到了大幅度改善，在功能蛋白质组学、修饰蛋白质组学、复合物蛋白质组学等生命科学等领域得到了良好的应用。目前，TriHybrid系统的三个主机布局还有改进的地方(本人亲自跟发明人进行过讨论)，这个观点得到了仪器发明人的认可，具体方案和措施有待深入研究。/pp　　移动式小型IT-IT质谱已速度快、体积小、高可靠鉴定小分子和肽等方面超过了其它同类质谱产品，结合专利化的样品导入系统，预期在临床标志物快速筛查、食品安全、国防与军事等领域具有良好的前景。当国产QQQ质谱艰难推进的时候，是不是可以进攻IT-IT体系呢?/pp　　离子回旋共振(ICR)分析器的重要进展是在磁场和液氦循环方面，调制系统有些局部改进。/pp　　离子淌度技术应用于质谱有了近30年历史，离子淌度部件由早期的单一型分析器转变为辅助型分析器，具体部位几经改变：“离子源内”-- “四极杆前”-- “离子源与四极杆间相对独立”，最近几年在技术缺陷改进方面取得了重要进展，如由于真空变低导致的灵敏度降低等，当然离子淌度技术最重要进展还是在软件和应用方面，已经不仅仅局限在大分子体系，也可以用于复杂混合物小分子体系了，增加了新的分离维度，检出容量比非离子淌度分离体系提高非常大，而且与质谱成像技术结合，很好的拓展了质谱的基础研究与应用的范围。/pp　　总体上来说，质量分析器虽然没有离子源那么花样繁多，但人们依然在不断努力和创新，企图实现技术上的突破，这些年来取得了一些进展，有些还是重大惊人的进展。从商业角度看，质谱分析器的价格占整机的比例与技术程度密切相关，但一般比离子源的价格比例大不少。可以预测，谁拥有核心技术的质量分析器，谁就拥有质谱发言权。/pp style="TEXT-ALIGN: center"img title="微信图片_20180627104039.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201806/insimg/6fe1a4e2-5900-428e-9fd1-345b3f5e4dcd.jpg"//pp style="TEXT-ALIGN: right"（本文作者为蛋白质药物国家工程研究中心魏开华研究员/pp style="TEXT-ALIGN: right"微信公众号：药网堂）/p

科学仪器被称作科学家的“眼睛”。质谱仪作为国际上最尖端的科学仪器之一，是直接测量物质原子量、分子量的唯一手段，被誉称为“科学仪器皇冠上的明珠”。 十多年前，质谱技术在国内基本还是一片空白。海归博士周振把“做中国人的质谱仪器”作为自己的终身奋斗目标。他创办了广州禾信仪器股份有限公司，并带领公司建成了我国第一个质谱仪器正向研发平台，实现了我国高性能飞行时间质谱仪国产化和产业化，使我国成为世界上少数几个掌握飞行时间质谱核心技术的国家之一。 2021年11月，在同一梦想与追求的驱动下，放射化学家、中国科学院院士柴之芳把院士专家工作站设立在禾信仪器。禾信仪器正联合院士团队向质谱仪的关键核心技术发起攻关。他们的目标是自主研制一款超高分辨率、快速分析的EIT质量分析器，质量分析器正是质谱仪的关键核心零部件。打响国产质谱仪“突围战”科学发现往往离不开新工具的发明与使用。相比于天文望远镜与显微镜，大众对于质谱仪却是陌生的。质谱仪便是最精密、最灵敏的科学分析仪器之一，可以准确测定物质的分子量以及根据碎片特征进行化合物的结构分析。 诺贝尔化学奖得主弗朗西斯威廉阿斯顿曾有一句名言：“要做更多仪器，要多加测量。” 阿斯顿便是质谱仪的发明者。质谱仪让阿斯顿在同位素的研究如虎添翼，他先后发现天然存在的287种核素中的212种，提出同位素的普遍存在性，证实“自然界中某元素实际上是该元素的几种同位素的混合体，因此元素的原子量是依据同位素在自然界的占比而得到的平均原子量。” 鉴于质谱技术对引领科学发展的巨大作用，不仅是弗朗西斯威廉阿斯顿，欧内斯特劳伦斯、沃尔夫冈保罗等多位科学家都曾因对质谱技术作出贡献而获得过诺贝尔奖。 高端科研仪器的创新、制造和应用水平，往往考验着国家科技实力和工业实力。质谱仪涉及精密电子、精密机械、高真空、软件工程、自动化控制、电子离子光学等多项技术及学科，研发难度大、周期长、投入大。而中国每年对质谱仪进口额达到上百亿元，这已成为制约我国自主创新能力提升的一个重要因素。 怀抱着质谱强国梦，海归博士周振2004年来到广州创办了中国第一家专业质谱仪器公司一一禾信仪器。“质谱仪是一项对国家科学水平具有标志性意义的尖端技术，中国发展自己质谱仪刻不容缓，这就是我创办禾信的原因。” 周振说。 禾信创立之时，基本没有人相信中国人能造出质谱仪。但是周振带领团队逐步攻克了单颗粒气溶胶在线电离源、双极飞行时间质谱技术、真空紫外光电离源、膜进样系统等核心技术，研发出单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪、VOCs在线监测飞行时间质谱仪、微生物鉴定质谱仪等多款产品。禾信已经成为少数掌握高分辨飞行时间质谱核心技术的企业之一。继续向关键核心技术发起冲击经过十余年的研发积累，禾信仪器已经构建了质谱研发、生产、测试、售后服务、品质控制及应用开发的整套技术创新链条，形成了从基础研究成果向产业化应用转化的技术创新能力体系，包括技术顶层设计能力、产品规划设计能力、产品创新优化能力等。质谱强国梦正逐渐照入现实，但是禾信仪器也面临着挑战。目前国内质谱行业上下游产业发展不成熟，精密电子、精密机械、特殊材料等上游产业的支撑能力还不足。沃特世、丹纳赫、布鲁克、安捷伦、赛默飞、岛津、生物梅里埃等巨头依然合计占据了全球质谱仪市场约90%的份额。“我头脑从来没有发热膨胀的时候。” 周振心里深知，禾信仪器只是打破了完全依赖进口的局面，要发展自己的民族品牌，推动国内质谱仪器行业良性发展，还要靠几代人的努力。为了在这场长跑中实现“反超”，周振正带领团队培育与发展整个质谱产业链，打造质谱生态圈。在2019年于广州举办的首届粤港澳大湾区高端科学仪器产业发展论坛上，禾信及国内科学仪器行业有关单位联合发起的广东粤港澳大湾区高端科学仪器产业促进会进入筹备阶段，禾信更宏大的愿景是推动粤港澳大湾区高端科学仪器创新中心的建立。“我们希望创新中心十年内实现每年培育四五十家仪器制造企业，二三十家核心零部件企业。”周振说，这是一条覆盖“政产学研用金”的完整链条。同样是在这场论坛上，包括柴之芳院士在内的一批行业专家与禾信等产业链企业代表一同发起《关于支持高端科学仪器产业发展的建议书》，共同呼吁将高端科学仪器研发列入广东省各级政府“十四五”和中长期科技发展规划的重点发展领域，培育建立完整的高端科学仪器产业链，制定切实有效的国产科学仪器政府采购政策，支持高端科学仪器创新中心建设。2021年8月广东省政府印发了《广东省制造业高质量发展“十四五”规划》，明确提出，支持广州加快建设粤港澳大湾区高端科学仪器创新中心，以质谱仪器开发为主线，重点攻克相关关键核心技术。攻克高端科学仪器关键核心技术同样一直是柴之芳院士的梦想。在2011年和2017年，禾信曾牵头承担2项国家专项，柴之芳院士担任项目总体组、技术专家组及用户委员会专家，为项目的应用研究及管理提供技术支持。在柴之芳院士看来，没有先进的仪器和方法，是无法做出重大原创性成果的。我国的科学研究高度依赖国外仪器的情况现在虽然正在改变，但仍十分严重，已成为制约我国攀登科学顶峰的一个瓶颈。自主研发EIT质量分析器柴之芳是著名的放射化学和核分析研究专家，曾在2005年摘得国际放射分析化学和核化学领域的最高奖一一乔治冯海维希奖。他将核技术、核分析和放射化学方法应用于一些交叉学科中，在若干重要元素的分子-中子活化分析、铂族元素丰度特征、金属组学、环境毒理学和纳米安全性、核试验快中子谱等方面取得了一批成果。质谱技术起源于同位素的发现，发展初期主要是为了满足核工业领域同位素丰度比值的测定要求，并伴随着物质组分分析技术的发展而逐渐得到完善。随着核工业的兴起和快速发展，质谱技术被应用于核燃料与核材料中杂质分析、核燃料燃耗的测定以及核反应过程中的裂变产额测定等。质谱测量技术的进步推动了核工业的可持续发展，核工业的发展也对质谱技术提出了更新的要求。铀资源勘查、铀矿治、铀同位素分离、同位素应用、核医学、乏燃料后处理和长寿命核素分离嬗变、核保障监督等都离不开先进的质谱测量技术。柴之芳院士专家工作站的研究项目是《超高分辨率、快速分析的静电离子阱质量分析器的研制》。质量分析器是质谱仪的核心，是决定质谱仪检测精度和准度的关键，但高端质量分析器仍被海外龙头企业垄断。而院士专家工作站要自主研发的静电离子阱质量分析器 (EIT质量分析器) 便是一种具备超高质量分辨率、高质量精度、高灵敏度、快速分析等特点的通用型质量分析器。该项目结合柴之芳院士在放射化学、核化学等研究方向中丰富的质谱应用经验，实现EIT质量分析器性能指标达到国际先进水平，并在核物理、放射化学、环境科学等领域的应用。基于该项目的研究成果，可以进一步开发以EIT质量分析器为核心的有超高分辨率、高精度质量分析需求领域的定制产品，也可以开发用于环境监测、食品检测、生物医疗等领域的通用在线超高分辨率大气压电离质谱产品。目前，院士专家工作站已完成EIT质量分析器的原理研究、质谱整机各模块的设计与制造，研制出原理样机，申请发明专利3项，与院士团队联合发表论文1篇。柴之芳院士常教导弟子，有志于科学研究的人要安心，要清净，要踏实。周振率领的禾信同样是一家愿意“十年磨一剑”的科技企业。如今两支有共同梦想的团队聚在一起，正在以共同步调向质谱强国梦继续进发。