环境中分析仪

样品前处理技术近年来越来越重要，大部分仪器在进行测定之前都要进行样品前处理，在分析测试中，样品前处理占大部分时间。与其他技术相比，新型样品前处理技术有以下几个优点：能同时定量分析多种有害组分，而不是单一组分 对环境不造成二次污染，符合绿色化学 能处理海量样本，高通量分析 准确、重复性好，不同实验室数据可比 成本合理。　　在2009年4月9日召开的“2009中国科学仪器发展年会”上，中国科学院大连化学物理研究所关亚风研究员在本次报告中详细介绍了一种新型样品前处理技术——萃取技术，并从固相萃取、固相微萃取、液相微萃取、加压溶剂萃取等几个方面介绍了萃取技术的最新进展以及其在环境和食品中分析中的应用。　　1、固相萃取(SPE)：主要介绍了分子印迹固相萃取技术( M I-SPE )和基质固相分散技术(MSPD)等萃取技术。其中，分子印迹技术( MIT)源于生物学上抗原与抗体的作用机理，利用此技术所制得的MIPs 除了具有强大的分子识别功能外，还具有机械强度好、耐高温、耐酸碱、耐溶剂性好、稳定性好、能够反复使用等优点。分子印迹固相微萃取的形式包括“管内M I-SPME”和“萃取纤维”。　　2、固相微萃取(SPME)：介绍了纤维针(Fiber-SPME)、吸附搅拌棒 (SBSE)、样品萃取瓶(Vial-SPME)、膜萃取(MSPME)等几种固相微萃取技术。　　3、液相微萃取(LPME)：介绍了分散液相微萃取(DLLME)、悬滴式( drop-based, LPME) 、中空纤维式( hollow fiber based,LPME)等几种液相微萃取技术。　　4、加压溶剂萃取：介绍了加压流体萃取(PLE) 、加速溶剂萃取(ASE)、超临界流体萃取(SFE)、亚临界流体萃取(SCFE)等加压溶剂萃取技术。　　最后，亚风研究员还简要介绍了微波辅助萃取技术和凝胶渗透色谱(GPC) 萃取技术。

大家好，本周为大家分享一篇发表在Anal Chem上的文章，Native Ambient Mass Spectrometry Enables Analysis of Intact Endogenous Protein Assemblies up to 145 kDa Directly from Tissue [1]。该文章的通讯作者是来自英国伯明翰大学的Helen J. Cooper教授。非变性原位质谱（native ambient mass spectrometry, NAMS）是一种新型的自上而下质谱分析方法。它结合非变性质谱和原位质谱的优势，可直接在蛋白质及其复合物的生理环境中进行对其进行无标记表征。NAMS可提供蛋白质结构、空间及瞬时相互作用的信息，具有直接从组织中分析内源性蛋白质组装体的巨大潜力。但是，目前，NAMS仅成功应用于直接检测低分子量 (20kDa) 或高丰度的蛋白，如血红蛋白四聚体或RidA 同源三聚体。目前应用于组织中蛋白质NAMS分析的技术有液体萃取表面分析（LESA）与纳喷雾解析电喷雾电离 (nano-DESI) [2]。LESA需要对组织底物进行自动微液节点采样，然后进行纳喷雾电离（nanoESI）进行MS分析。nano-DESI则通过探针与流动相形成流动溶剂桥，与样品直接接触，之后进行质谱分析成像。在本研究中，作者采用NAMS对大鼠脑、肾、肝组织切片中的蛋白质组装体进行全面分析。主要通过调整质谱仪中的离子光学和气体压力以改善m/z传输与纳喷雾性能，来实现对较大蛋白质组装体的分析。结果鉴定出八种蛋白质组装体，证明了NAMS的可及分子量高达145kDa，并通过nano-DESI质谱成像在大脑和肾脏中绘制了高达94kDa的蛋白质组装体的空间分布。在脑组织中，作者通过nano-DESI NAMS绘制了大鼠大脑切片中分子量为37.0–66.4kDa的完整蛋白质复合物的空间分布以及对应的质谱图（图1a,b）。实验成功鉴定并成像出大鼠脑组织中三种蛋白质组装体，包括同源三聚体细胞因子巨噬细胞迁移抑制因子 (MIF, 37.0kDa)、同源二聚体磷酸甘油酸变位酶1 (PGAM1, 57.6kDa)和苹果酸脱氢酶2 (MDH2, 66.4kDa)。结果发现，MIF在整个脑组织区域是均匀分布（图1c）。作者通过nano-DESI-HCD MS2分析产生的单体 (5+、4+) 和二聚体 (5+) 亚基和序列离子的谱图，识别出MIF（图1d）。作者还利用nano-DESI-HCD MS2成功识别出PGAM1，并发现PGAM1在大脑皮层区域中显示出高丰度，而在中脑和胼胝体中的丰度较低（图1e，f）。相比之下，MDH2在脑组织中的空间分布基本均匀（图1g，h）。检测到的结果与蛋白在大鼠脑中的实际分布相符合，可信度较高。图 1. 离子图像和 HCD MS2光谱表明大鼠脑中蛋白质复合物的亚基解离。(a) H&E染色的连续组织切片的光学图像。标签：Ce,小脑；C，大脑皮层；CC，胼胝体；F，穹窿；V，侧脑室区；Mb，中脑；Me，髓质和脑桥；H，海马；Th，丘脑；Ht，下丘脑；BG，基底神经节；OR，嗅觉区域。(b) Nano-DESI 全扫描质谱，代表光学图像中标记为“(b)”的像素。（c，d）巨噬细胞抑制因子同源三聚体显示均匀分布。（e，f）PGAM1同型二聚体分布。（g，h）MDH2同型二聚体分布。此外，作者在大鼠肾脏中鉴定了四种同源二聚体蛋白组件（61.2-94.2kDa），包括ω-酰胺酶 (61.2kDa)、MDH2 (66.4kDa)、苹果酸脱氢酶1 (MDH1, 72.8kDa) 和α-烯醇化酶 (94.2kDa)，并将其成像（图2）。其中观察到的α-烯醇化酶为金属结合形式，每个亚基上结合了2个Mg 2+离子。图 2. (a)大鼠肾脏的H&E染色连续切片显示皮质(C)和髓质(M)组织。(b)在MSI期间获得的大鼠肾皮质组织中单个nano-DESI 像素的示例全扫描质谱。(c, d)α-烯醇化酶同型二聚体。(e, f)苹果酸脱氢酶1。(g, h) MDH2同型二聚体。(i, j) ω-酰胺酶。研究还从大鼠肝组织中鉴定出同型三聚体鸟氨酸转氨甲酰酶（OTC，108.8kDa）和同型四聚体乳酸脱氢酶A（LDHA，145.4kDa）（图3）。其中，在全扫描模式下，nano-DESI可以检测到145.4kDa的LDHA的较弱信号。通过nano-DESI-PTCR MS2的进一步确认，检测到的物质确实为LDHA。图3. (a) 直接来自大鼠肝组织的完整OTC同源三聚体的nano-DESI-PTCR MS 2。(b) 完整OTC同源三聚体的nano-DESI-HCD MS 2显示亚基质量为36.2kDa。(c)完整LDHA同源四聚体 (145.4kDa)的nanoESI-PTCR MS2。(d)完整LDHA 同源四聚体的nanoESI-HCD MS2。在此研究中，作者成功利用NAMS质谱分析方法，直接从组织中检测并鉴定出内源性蛋白质组装体，分子范围为37.0-145.4kDa，包括二聚体、三聚体以及四聚体。其中检测到的上限（145.4kDa）超出LESA MS报道的质量上限的两倍，比nano-DESI 报道过的质量上限高出100kDa。通过调整离子光学和高m /z的气体压力，或者后续仪器和方法的开发，NAMS有可能进一步突破145.4kDa的上限，检测到分子量更大的蛋白组装体。[1]Hale OJ, Hughes JW, Sisley EK, Cooper HJ. Native Ambient Mass Spectrometry Enables Analysis of Intact Endogenous Protein Assemblies up to 145 kDa Directly from Tissue. Anal Chem. 2022 Apr 12 94(14):5608-5614.[2]Hale OJ, Cooper HJ. Native Mass Spectrometry Imaging and In Situ Top-Down Identification of Intact Proteins Directly from Tissue. J Am Soc Mass Spectrom. 2020 Dec 2 31(12):2531-2537.

随着双碳政策的逐步推进，从碳达峰碳中和目标的提出，再到“十四五”生态环境监测规划、碳监测评估试点工作方案的发布，国家政策明确提出开展温室气体监测和评估，推进碳排放实测技术发展和信息化水平提升等内容。习总书记讲话中提出，中国二氧化碳的碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取到2060年前实现“碳中和”。在双碳战略下，温室气体监测将成为未来一段时期环境监测的重点，也将为整个环境监测市场带来新的增长点。但是，这个新的增长点如何把控？立足当下，各个企业又有怎样全新的布局？仪器信息网今天就机遇、市场、技术、产品、销售、发展六大模块采访了江苏海兰达尔环境科技有限公司（以下简称“海兰达尔”），海兰达尔环境是否会在将来有全新的布局呢——仪器信息网：当前双碳等一系列政策出台将给环境监测市场带来哪些热点机遇？这对温室气体监测仪器有怎样新的要求？海兰达尔：自《碳监测评估试点工作方案》发布以来，碳监测工作已在重点行业、城市、区域三个层面如火如荼地开展，旨在探索建立碳监测评估技术方法体系，形成业务化运行模式，总结经验做法，发挥示范效应，为应对气候变化工作成效评估提供数据支撑。当下的市场条件，对于环境监测行业来说是重要的机遇。碳监测工作的有效开展，离不开高性能环境监测仪器提供的保障。对于各个重点行业（火电，钢铁，石油天然气开采，煤炭开采和废弃物处理），需要分别开展CO2和CH4的监测；对于试点城市，则需要根据情况，开展高精度CO2，N2O，CH4浓度，CO2/H2O通量，碳同位素（13CO2，14CO2）等要素的监测。这些监测需求除了要求温室气体分析仪能满足高精度地面原位测量，还对监测方法的适应性提出了很高的要求。当下的碳监测朝着 “天空地一体化”的方向发展，地面、船舶、走航、无人机都是很好的监测手段。同时，原位和移动测量的数据还可与卫星遥感监测的结果相互验证，从而评估监测手段的科学性。高精度温室气体分析仪未来会成为环境监测市场的下一个刚需，与环境大气污染物分析仪形成协同观测，发挥重要的监测作用。另一方面，温室气体不断升高是全球面临的问题，国际社会的协作也是非常重要的一环。因此国内外监测网络数据的兼容性就非常重要，这就要求在监测技术和方法上、质量控制以及质量保证方面尽可能一致或相近。为了满足野外站点长期无人值守的监测需求，这要求温室气体分析仪在保证高精度，低漂移，长期稳定性的基础上，更加注重坚固耐用，简单便携，易于安装，便于维护的特性。仪器信息网：关于温室气体监测，目前国内外市场发展态势如何？目前主流市场有怎样的竞争格局？海兰达尔：目前高精度的温室气体监测仪器仍以进口为主，进口仪器技术已经相当成熟，在国际上多个重要的温室气体监测网络（如中国气象局温室气体观测网，世界气象组织（WMO）GAW，欧洲综合碳观测系统（ICOS）等）都有广泛的应用和部署。国产化的温室气体监测设备还在发展中，仪器的性能（包括精度，漂移等）和稳定性还需要有效地验证。当前的主流技术和品牌有：光腔衰荡光谱法（美国Picarro品牌），离轴积分腔输出光谱法，以及传统的非分散红外光谱法和傅里叶变换红外光谱法等。其中首屈一指的技术就是Picarro的CRDS光谱技术，仪器测量的性能和稳定性均为最佳，是高精度监测的首选设备，被誉为温室气体监测的黄金标准，也已经被广泛应用在多个试点城市，占据了高精度温室气体监测的主要市场。仪器信息网：贵公司销售的温室气体监测仪与市场上同类品牌相比有什么优势？海兰达尔：海兰达尔是美国Picarro公司在国内的授权销售和售后服务商，所提供的Picarro分析仪是世界上最顶尖的高精度温室气体监测设备。Picarro的所有产品均基于其核心技术-光腔衰荡光谱（CRDS）技术，拥有超过45个光腔衰荡光谱专利。不同于其它光谱技术，CRDS 技术并不通过测量光强经样品后的变化来测得样品的吸收度，而是测量光强在光腔内的衰荡时间，这样可以使其不像传统光谱技术那样受到光源干扰而造成的测量偏差。同时Picarro仪器光腔内部进行精确的温度和压强控制，保证光腔内环境的稳定性，从而最大程度地减小测量中分析仪对环境的依赖效应。高精度的温室气体分析仪会自动进行水汽校正，排除掉水汽对CO2，CH4浓度测量的影响，这也是其如此高精度的最重要保证和Picarro产品区别于同类产品的最大特点。Picarro产品与同类品牌相比的优势有以下这些：高精度（满足WMO和ICOS以及国内环境监测部门对于数据质量的要求）低漂移，长期稳定性好；专利技术，已被众多国际监测网络认可并大量应用操作简单，无耗材，维护频率低；具有独特的水汽校正，精确报告待测气体的干气摩尔分数。简单便携，易于安装，便于维护，可在野外或实验室部署；仪器信息网：贵公司在温室气体检测产品线方面是如何布局的？目前有哪些产品或者成果？海兰达尔：我司销售的温室气体分析仪以Picarro高精度温室气体浓度和同位素产品为主，主要有：高精度温室气体浓度分析仪：G2301（CO2，CH4），G2401（CO2，CH4和CO）,G5310（N2O，CO）,G4301（便携式测量CO2，CH4）。温室气体稳定碳同位素和浓度分析仪：G2131-i（CO2，CH4浓度，δ13C-CO2）, G2201-i（CO2，CH4浓度，δ13C-CO2，δ13C-CH4）。同时我司配合Picarro产品自主研发了配套的温室气体监测预处理系统，包括多通道进样系统（GHG-PRE系列）和样气冷凝除湿系统（GHG-CT系列冷阱），GHG-CT系列冷阱能将样气降低至-50℃甚至-70℃条件下进行除水，使其符合国标和WMO对于温室气体样气除水效率的要求。GHG-PRE系列除实现样气和标气的自动切换以外，还能对冷阱进行控制，包括制冷温度、切换温度、除霜温度、除霜时间、A/B双通道冷阱切换等，这使得样气除水通道的A和B分别处于冷凝除水和加热除霜状态，并定时进行状态切换，以实现冷阱的免维护。此外，除水通道状态切换能配合前端的多路选择阀进行设置，这保证了冷阱的无盲点运行，使得样气始终处于冷凝除湿状态。目前这套预处理系统通过了国内第三方检测机构多项测试和检验，配合Picarro高精度温室气体分析仪，已在多个高精度温室气体监测站点实现安装运行，突破性的设计和鲜明的技术特点使其非常适合高精度温室气体监测对于样气除水的要求。高精度温室气体监测系统安装应用案例海兰达尔预处理系统通过检测报告仪器信息网：目前，贵公司温室气体监测仪的销售情况如何？有哪些典型的应用单位？从对未来的预期来说，哪些单位会是仪器使用大户？海兰达尔：目前我司销售的高精度温室气体分析仪在全国多个环境监测部门、气象部门和科研机构都有广泛应用。典型应用单位有：无锡市生态环境局，江苏省环境监测中心，中国环境监测总站，广州市环境监测中心站，深圳市环境监测中心站，中国气象局，浙江省气象局，安徽省气象局，山西省气象局，中国科学院青藏高原研究所，北京大学，集美大学，西北大学等。对于中国市场，我司除了在现有的环境监测和气象行业继续深耕以外，会更加拓展其它行业的业务机会，如石油石化等重点行业和生态监测行业等，这些行业都有潜在的温室气体监测需求。在未来，气象行业、生态环境监测行业等相关领域会是使用大户。仪器信息网：贵公司将来重点关注和拓展的方向是什么？目前已经在开展或将开展哪些气体监测创新仪器/应用的研究？ 海兰达尔：我司未来会更加关注温室气体稳定碳同位素的应用，寻求利用稳定碳同位素进行碳源汇监测的市场机会，另外关注生态监测中碳通量监测。同时，拓展温室气体分析仪移动监测业务，比如车载，船载和无人机等方式，形成立体化监测的网络。