生物質譜技術及其應用

上一篇 / 下一篇 2013-01-29 15:04:39

21世紀的最前沿科學之一，隨著人類第一張基因序列草圖的完成和發展，生命科學的研究也將進入一個嶄新的后基因組學，即蛋白質組學時代。正如基因草圖的提前繪制得益于大規模全自動毛細管測序技術一樣，后基因組研究也將會借助于現代生物質譜技術等得到迅猛發展。本文擬簡述生物質譜技術及其在生命科學領域研究中的應用。

　　1 質譜技術

　　質譜( Mass SPectrometry)是帶電原子、分子或分子碎片按質荷比(或質量)的大小順序排列的圖譜。質譜儀是一類能使物質粒子高化成離子并通過適當的電場、磁場將它們按空間位置、時間先后或者軌道穩定與否實現質荷比分離，并檢測強度后進行物質分析的儀器。質譜儀主要由分析系統、電學系統和真空系統組成。

　　質譜分析的基本原理

　　用于分析的樣品分子(或原子)在離子源中離化成具有不同質量的單電行分子離子和碎片離子，這些單電荷離子在加速電場中獲得相同的動能并形成一束離子，進入由電場和磁場組成的分析器，離子束中速度較慢的離子通過電場后編轉大，速度快的偏轉小;在磁場中離子發生角速度矢量相反的偏轉，即速度慢的離子依然偏轉大，速度快的偏轉小;當兩個場的偏轉作用彼此補償時，它們的軌道便相交于一點。與此同時，在磁場中還能發生質量的分離，這樣就使具有同一質荷比而速度不同的離子聚焦在同一點上，不同質荷比的離子聚焦在不同的點上，其焦面接近于平面，在此處用檢測系統進行檢測即可得到不同質荷比的譜線，即質譜。通過質譜分析，我們可以獲得分析樣品的分子量、分子式、分子中同位素構成和分子結構等多方面的信息。

　　質譜技術的發展

　　質譜的開發歷史要追溯到20世紀初J.J.Thomson創制的拋物線質譜裝置，1919年Aston制成了第一臺速度聚焦型質譜儀，成為了質譜發展史上的里程碑。

　　最初的質譜儀主要用來測定元素或同位素的原子量，隨著離子光學理論的發展，質譜儀不斷改進，其應用范圍也在不斷擴大，到20世紀50年代后期已廣泛地應用于無機化合物和有機化合物的測定。

　　現今，質譜分析的足跡已遍布各個學科的技術領域，在固體物理、冶金、電子、航天、原子能、地球和宇宙化學、生物化學及生命科學等領域均有著廣闊的應用。質譜技術在生命科學領域的應用，更為質譜的發展注入了新的活力，形成了獨特的生物質譜技術。

　　2 生物質譜技術

　　電噴霧質譜技術和基質輔助激光解吸附質譜技術是誕生于80年代末期的兩項軌電離技術。這兩項技術的出現使傳統的主要用于小分子物質研究的質譜技術發生了革命性的變革。它們具有高靈敏度和高質量檢測范圍，使得在pmol(10-12甚至fmol(10-15的水平上準確地分析分子量高達幾萬到幾十萬的生物大分子成為可能，從而使質譜技術真正走入了生命科學的研究領域，并得到迅速的發展。以下主要介紹與生物醫學有關的幾項質譜技術。

　　電噴霧質譜技術

　　電噴霧質譜技術(Electrospray Ionizsation MassSpectrometry,ESI-MS)是在毛細管的出口處施加一高電壓，所產生的高電場使從毛細管流出的液體霧化成細小的帶電液滴，隨著溶劑蒸發，液滴表面的電荷強度逐漸增大，最后液滴崩解為大量帶一個或多個電荷的離子，致使分析物以單電荷或多電荷離子的形式進入氣相。電噴霧離子化的特點是產生高電荷離子而不是碎片離子，使質量電荷比(m/z)降低到多數質量分析儀器都可以檢測的范圍，因而大大擴展了分子量的分析范圍，離子的真實分子質量也可以根據質荷比及電行數算出。

　　電噴霧質譜的優勢就是它可以方便地與多種分離技術聯合使用，如液一質聯用(LC-MS)是將液相色譜與質譜聯合而達到檢測大分子物質的目的。

　　基質輔助激光解吸附質譜技術

　　基質輔助激光解吸附質譜技術(MatriX AssistedLaser Desorption /Ionization,MALDI)的基本原理是將分析物分散在基質分子中并形成晶體，當用激光照射晶體時，由于基質分子經輻射所吸收的能量，導致能量蓄積并迅速產熱，從而使基質晶體升華，致使基質和分析物膨脹并進入氣相。MALDAI所產生的質譜圖多為單電荷離子，因而質譜圖中的離子與多肽和蛋白質的質量有—一對應關系。

　　MALDI產生的離子常用飛行時間(Time-of-Flight,TOF)檢測器來檢測，理論上講，只要飛行管的長度足夠，TOF檢測器可檢測分子的質量數是沒有上限的，因此MALDI-TOF質譜很適合對蛋白質、多肽、核酸和多糖等生物大分子的研究。