|
质谱仪技术，例如Maldi、TOF、CFR和杂化四极质量分析器等的大力推进，满足了药物发明中新型蛋白质和其他生物分子的鉴定、表征所需要的高选择性和高灵敏度。 （图片） 在新药的研究、诊断学的改进和治疗方法个人化的过程中，表征和鉴定新的药物对象的能力是一个基本的必备要求。在过去的10多年里，质谱分析（MS）成为了分析技术的一个选择。电离技术的进步和质量分析器件的发展，使得研究高分子量的物质，例如蛋白质、碳水化合物和DNA等成为可能。在本文中，我们将通过个案分析的方式，来审查这些决定性的进展中的一些部分；我们还将举例说明质谱仪如何能够不仅识别、区分同一个2维凝胶斑点中的两个孤立的蛋白质，而且也能识别这些蛋白质中的特异变种。作为质谱分析用软电离技术的先驱，正如瑞典皇家科学院所描述的那样“hovering through blasting”，日本岛津公司的田中耕一的工作，是质谱分析发展的一个主动力。 1987年，在第二届中－日质谱分析联合讨论会上，田中耕一论述了软激光解吸附技术可以使蛋白质分子离子化。一年之后，他的这篇创造性的论文发表在Rapid Communications in Mass Spectrometry上。田中耕一的工作为激光解吸附技术——例如基质辅助的激光解吸电离技术（Maldi）打下了基础。2002年，他和弗吉尼亚联邦大学的John B Fenn，由于他们对软吸附电离方法上的贡献一起被授予了该年度诺贝尔化学奖，他的工作得到了诺贝尔基金会的认可。
具有革命性的样品电离
Maldi使得对生物大分子的电离成为了可能。这是因为Maldi可以使不具挥发性的生物样品汽化、电离，直接进入气态。要分析的样品和基质——通常是丙三醇和钴粉混合在一起。这种基质可以吸收来自氮气激光的337nm 波长的紫外激光并将其转化为热能，同时一小部分基质包括最上表面的分析物被迅速加热，从样品中气化。由于基质吸收了大多数的瞬时激光的能量，分子量高达1000000道尔顿的分子也能被成功地分解。在Maldi发明之前，蛋白质分子由于其较高的分子量实际上被排除在质谱分析之外，而且使用传统的技术也难以对蛋白质进行研究。早期的激光解吸附质谱分析，将研究局限在相对分子量大约为5000～10000的范围内，这个限制就排除了对大多数蛋白质的研究，因为大多数的蛋白质分子在电离过程中容易散射而分解掉。与一些更早建立的电离技术，例如快速原子轰击、等离子解吸附技术不同的是，Maldi技术带来了一些好处，它对诸如缓冲盐、碱金属盐、清洁剂和丙三醇等杂质的存在相对要宽容一些。
Madil 和Tof质量分析器的联用
Maldi大多数情况下是和Tof（飞行时间）质量分析器联用的。在Maldi－Tof装置中，离子的形成、分离和检测都是在高真空环境中完成的。当从离子源加速之后，由于势能的差别，就在飞行管中以不同的速度进行飞行。离子的质量越小，就以越快的速度穿过飞行管到达检测器。因此，各不相同的离子质量，也就对应了不同的飞行时间，这就是离子分离的原理。Maldi－Tof质谱分析既可以用于生物大分子的质量分析，例如低聚核苷酸、低聚糖、糖蛋白等；又可以用来生成附加的信息，例如从胰蛋白酶消化液中识别蛋白质、监测生物分子反应的动力学、表征蛋白质的结合和阐明蛋白质更高级的结构等。
与Tof质量分析器联用的Maldi技术提供了一种非常温和的电离方法，得到的谱图几乎完全没有碎片。这些谱图很容易解读，但是在有些情况下显得信息匮乏。额外的结构信息可以通过使用串联的质谱分析（MS/MS）或者源后衰减技术（PSD）的受控分裂得到。
串联的质谱分析意味着使用两套完整的质谱仪。第一级用来从混合物中挑选一种离子，使用气体碰撞将其裂碎，碎片随后被导入第二级，用来推导序列的信息。要得到PSD谱图，则要求Tof分析器安装有离子反射镜。PSD使用的方法是增加激光的功率，使其超过产生一般Maldi谱图所需功率的阈值。过剩的能量会使分子分裂。Tof 仪器的常规反射设计包括时间消耗和样品消耗，以此来得到源后衰减（PSD），在变化的反射电压下进行多重分析。最后需要将谱图合并在一起形成完整的图谱。
Maldi-Tof CFR MS
将曲线场反射（Curved Field Reflectron，CFR）整合到Maldi-Tof质谱仪器中，增加了测试速度和灵敏度，这就提出了诸如组合化学、微卫星和SNP（单核苷酸多态性）分析这样高通量的应用中无缝合线的PSD（sPSD）的想法。反射的电压梯度沿着圆弧在飞行管中将离子碎片聚焦（如图）。增加1个电子门就可以选择特定的缩氨酸质量，于是可以从混合物中得到个别缩氨酸的氨基酸序列离子。在曲线场下，碎片离子会直接出现，和它的母体分子仪器一起形成序列谱图。
Maldi-Tof QIT MS
Maldi-Tof也用和四极离子阱（QIT）联用。这种联用仪器可以对复杂混合物进行分析，对于转译后修饰的表征采用MS 分裂（多重的序列分析）模式，对于蛋白质指认则采用大质量的MS/MS模式。Maldi-Tof QIT MS提供飞行时间的分辨率和稳定的质量精确度，这些性质与激光的能量和样品表面形貌无关。不需要在灵敏度上进行妥协，使用较低的加速电压就能实现对非导电性目标材料的兼容。这些联用的仪器对于研究缩氨酸、碳水化合物的结构以及其他的生物学样品包括蛋白质表达中的序列重排和定量测定，都是非常有价值的。
Maldi的商品化
作为田中耕一工作的直接结果，岛津生物技术公司得以将Maldi 质谱仪充分的商业化，使之成为在细胞水平上研究蛋白质的强有力的工具。该公司的Axima-CFR提供灵敏的、高通量的蛋白质检验，帮助研究者理解这些蛋白质在疾病中的作用，为诊断学标记和新药治疗铺平了道路。Axima 系列现在已经扩展成为包括Axima-CFR-Plus和Axima-QIT在内的系列产品。
1/12/2005
|
