分析測試百科網 > 行業資訊 > 產品技術

發明人解密：Nobel獲獎技術ESI和AxION新質譜

2011.11.10

　　　　——PerkinElmer質譜資深科學家沈世達博士訪談

　　【導語】如果您關注LC/MS，一定會熟悉ESI（電噴霧）這個詞匯，不僅由于 ESI發明者John Fenn教授獲了Nobel獎，還因為當今世界上幾乎每臺LC/MS都在使用它。可您真的了解ESI么？了解在ESI以后衍生發展的各種離子化技術么？

　　為什么PerkinElmer要收購AoB公司？AxION為什么還沒推出就已經接了80多臺的訂單？

　　最好的機會，莫過于聽世界上第一臺商品化ESI源的發明人、John Fenn教授在耶魯大學的關門弟子、原AoB公司的沈世達博士本人為我們解密。隨著AoB被收購，沈博士也成為PerkinElmer公司LC/MS研發團隊的項目領導人。BCEIA期間，我們有幸采訪到沈博士，他不僅為我們詳解LC/MS離子源的變遷和發展，還介紹了他本人帶領的團隊向業界奉獻的力作AxION 2 TOF MS、及DSA直接分析離子源，希望對所有關注LC/MS技術的讀者們有幫助……

世界上第一個商品化ESI源的發明人、諾貝爾獎獲得者John Fenn的關門弟子、美國華人質譜協會董事會副主席、PerkinElmer質譜研發中心項目領導人沈世達博士

　　歷史簡要回顧

　　AoB/PerkinElmer/沈世達博士和 LC/MS

　　在采訪前的報告中，沈博士對AoB公司、PerkinElmer公司的質譜研發團隊、以及他本人都有簡短的介紹。

　　PerkinElmer公司1963年生產了第一臺商用的GC/MS，慢慢發展成為今日的Claurs 600 GC/MS。在LC/MS上，PerkinElmer最早于1988年和Sciex成立合資公司生產LC/MS和ICP-MS，雖然兩者都取得巨大的商業成功，但ICP-MS這部分屬于今日的PerkinElmer，而LC/MS的那支花落今日的AB SCIEX公司。

　　AoB（Analytica of Branford）公司由John B. Fenn教授和其學生Craig Whitehouse于1987年創建，AoB在MS領域開發了超過65項ZL技術，包括離子源技術、離子傳輸技術、ESI-TOF聯用技術等，擁有ESI和多分子電荷等技術的獨家知識產權。1987年AoB就開始成為Finnigan、Agilent、Bruker、JEOL、IonSpec、Extrel等多家公司的OEM（設計制造）ESI離子源。1991年AoB開發最早的ESI-TOF MS （時間飛行質譜型號為Corsair），并成功地用于半導體行業。AoB高端的ESI-TOF MS（AxION）最早見于2009年的介紹，成功地用于鑒定如病毒、細菌等微生物/病原體，已被雅培（Abbott）訂購80余套，雅培將脫鹽富集系統、數據處理軟件和AxION集成為Plex-ID系統并已在全球安裝70余套。另一類型四極質譜Flexar SQ 300 LC/MS系統，已和美國一家主要的自動化設備公司合資開發LC/MS的應用。

　　談到自己，沈世達博士說：“我在質譜領域雖已做了20多年，但還是每天要學習要創新才能趕上質譜技術的飛快發展。回顧歷史唯一值得慶幸的是自己趕上了好時機，質譜技術大發展的好時機，榮幸地成為世界上第一個商品化電噴霧源的制造者, 也是第一個在實驗室里把LC和MS聯機并實現LC/MS on line的科研工作者。

　　John Fenn獲得Nobel獎和AoB公司

　　沈博士回顧了John Fenn先生獲Nobel獎的歷史。

　　1980年，耶魯大學的John Fenn教授開始研究 ESI源， 22年后，John Fenn獲得了2002年Nobel化學獎。但早在60年代初，美國西北大學的Malcolm Dole教授做了完全同樣的工作，他隨后發表了文章及實驗數據，但最后卻否定了自己。他說：也不知道什么原因，我放進去的東西和后面測定出來的結果對不起來，而且毫無規律。因此Dole認為：這個方法雖然可行，但沒有實用價值。說到此，沈博士調侃地說：“實際上Dole應該拿Nobel獎，而不是我的導師John Fenn。”

　　“但Dole有一個失誤，這個失誤被我的教授John Fenn發現了。1980年，他選了一個日本去的一個博士后Gado Yamashita，跟他講Dole的工作有什么問題。事實上，當時John Fenn在質譜界沒有名，但在稀薄氣體動力學界及molecular beam很有名。而電噴霧有一個很重要的過程叫Free jet expansion（自由射流膨脹），即從大氣壓跑到真空里的一個物理過程。這其中，很重要的是需要考慮氣體分子的冷凝Condensation，而Dole沒有考慮，溶劑又回到溶質上、并且數量上跟著實驗條件隨機變化，所以他得到的結果是沒有規律的。John Fenn提出了反吹干燥氣體CCDG（Counter current drying gas）防止氣化溶劑再冷凝，有效地解決了這個難題。”

　　“1987年，John Fenn成立了AoB公司。這家公司不大，人最多時僅有40~50人，但所有做質譜的都知道這家公司。AoB當時主要做OEM：全世界的ESI有90％都跟我們有關——不是我們制作的，就是申請我們的ZL而制作的。”

　　“我們在90年代開始發展自己的質譜，當時公司高層共同決策認為‘我們不能靠ESI吃一輩子。’我們在ESI上很強，但質譜上人家不見得信得過，可是良好的財政保證我們可以做質譜順利實現產品轉型。我們從90年代開始，放慢做、細致地做，爭取每一個環節上都有改進或創新因此LC-MS中我們擁有很多ZL。90年代中期我們的Corsair用在半導體芯片制造業獲得成功；后來又做高端的TOF，已被雅培買了80多臺。今年ASMS發布后，散戶也賣了十幾臺。”

　　ESI技術為什么能獲得Nobel獎？

　　離子源在質譜中的作用：必要條件最關鍵的部件

　　首先，沈博士談到離子源在質譜中的作用。

　　當今質譜按分析器分雖有6大類（四極桿、磁質譜、離子阱、飛行時間、FT-ICR MS、Orbitrap），但所有的質譜儀只對離子發生作用。所有樣品要檢測，第一步就是要離子化，這是必要條件；然后離子經過分析器（上述6種分析器之一或其組合），按照不同的物理方法分離開；最后到檢測系統并經數據處理系統獲得結果。所以離子源在質譜三大組成部分中是最關鍵的部件——離子源的重要性不言而喻。

　　John Fenn的貢獻和電噴霧原理

　　關于ESI的基本原理，沈博士在采訪前的發布會上剛剛介紹過。

　　電噴霧離子化過程

　　在幾千伏高壓電源的作用下，液體溶液從噴口噴出并霧化，由于電場作用，霧化的液體帶電，這種帶電液滴在飛行過程中，干燥氣體作用下，溶劑不斷被蒸發，液滴體積逐漸變小，電荷數量不變，在體積縮小到一定程度，電荷密度太大，靜電排斥力大于表面張力，液滴就發生爆炸了，這個過程繼續進行下去，最后就解析出離子進入質譜的真空區。整個過程很快，只有幾個微秒（μs）。

　　ESI為什么重要？沈博士具體談到以下幾點：

　　（1）ESI是“軟”電離。傳統的方法是用高能電子或原子直接轟擊分子的“硬”電離，分子會被打碎，分析的不是物質的原來的東西。而從ESI的原理可知，液滴里面有樣品和電荷，溶劑揮發，最后只剩下分析物質和電荷。ESI“軟“電離保證：你要測的樣品是什么，你測出來就是什么。

　　（2）第二點關鍵技術是ESI可產生多電荷。

　　質譜儀測定的是質荷比m/z，同樣是得到m/z=100，但如其分別帶1個電荷、10個電荷、100個電荷，那么實際測的分子量就是100、1,000、10,000。80年代時最先進的質譜，分子量m/z范圍最寬為1000-2000，沒人可以測到上萬的大分子。而利用電噴霧原理，使分子帶上多電荷，拓寬了質譜儀可測定的分子量范圍，現在最高可到幾億道爾頓。

　　說到此處，沈博士興奮地談到當年的趣事，“發明ESI后，利用多電荷測定大分子量的記錄不斷被打破。我們在耶魯用一種PEG做到500萬道爾頓時，John Fenn很激動，還專門申請了ZL，。可Dick Smith不到2個月，就做到了1,500萬，后來又有人做到2500萬……”

　　在這里，筆者還追問了TOF可測定的分子量范圍。沈博士說：“理論上TOF是沒有m/z上限限制的，離子進入TOF后飛行的時間越長，可測的分子量就越大。實際卻沒有這么高，因為太長時間后，靈敏度降低、測不到了。真正的限制不是源于TOF分析器，而是由檢測器系統引起的，因為檢測的原理是離子打到檢測器上引起二次電子發射，它要求離子的動量足夠大。我們可以加更高電壓來給離子很大動能（1/2 mv2），但因離子速度太低、動量（mv）很小，打到檢測器上撞不出電子了。不過電壓若加得太高也不行，里面可能要放電。所以，一般TOF設計到10,000－20,000 m/z就足夠了。”

　　ESI的貢獻還有（3）是一種靈敏度極高的電離源，（4）與LC能直接聯機和（5）為生命科學帶來革命。

　　ESI使人類首次可以完整無損地測定蛋白質大分子；可進而測定大分子的結構、序列、變異并建立蛋白質分子數據庫；對人類自身認識新陳代謝、疾病起源等起到一個革命性的變化；并導致一門嶄新的學科——蛋白組學的誕生和發展。