蛋白質組學基礎：不同類型的質譜質量分析器介紹
在質譜分析技術中，質量分析器是核心部件，它的作用是將離子按照質荷比(m/z)的不同進行分離并檢測，從而得到樣品的質譜圖，為后續(xù)的定性和定量分析提供依據。不同類型的質譜質量分析器具有各自獨特的工作原理、性能特點和適用范圍。本文將對幾種常見的質譜質量分析器進行介紹。
01--飛行時間質量分析器
TOF (Time of flight) 是最常見的質量分析器之一，其工作原理基于離子在無場飛行管中的飛行時間與質荷比相關（圖1）。離子在電場中被加速后，進入飛行管，由于不同質荷比的離子具有不同的速度，質荷比越小的離子飛行速度越快，飛行時間越短，通過測量離子到達檢測器的飛行時間，就可以計算出離子的質荷比。這種質量分析器的突出優(yōu)點是質量范圍寬，可以檢測相對分子量較大的離子，且理論上分辨率不受質量范圍的限制。同時，它的掃描速度極快，能夠實現(xiàn)高速的數(shù)據采集。但它對離子初始能量的分散較為敏感，需要精確控制離子的加速過程，以保證測量的準確性。常用于生物大分子分析，如蛋白質、核酸等的分子量測定和結構分析，以及在材料科學中分析高分子聚合物的分子量分布等。
02-四級桿質量分析器（Quadrupole）
03-離子阱質量分析器（ion trap）
離子阱質量分析器主要由一個環(huán)形電極和上下兩個端蓋電極組成。通過調節(jié)電極上的電壓，在阱內形成特定的電場，離子被捕獲在阱內。當施加特定頻率的射頻電壓時，離子會發(fā)生共振，特定質荷比的離子會從阱中射出，被檢測器檢測到(圖3)。離子阱質量分析器具有較高的靈敏度，能夠進行多級質譜 (MSn) 分析，對于化合物的結構解析具有很大優(yōu)勢。它可以對離子進行多次裂解，獲取更多的結構信息。然而，離子阱存在空間電荷效應，當離子數(shù)量過多時，會影響分析性能，且質量精度相對不是很高。在藥物代謝研究、蛋白質組學研究等領域應用廣泛，用于研究藥物在體內的代謝產物結構以及蛋白質的序列測定等。
圖3 Ion trap工作原理(Credit :ThermoFisher)
04-軌道阱質量分析器（Orbitrap）
Orbitrap 軌道阱質量分析器自2000年問世以來，在質譜領域迅速獲得廣泛關注。它的核心部件是一個紡錘形的中心電極和環(huán)繞其外的兩個同軸端蓋電極。離子在電場作用下，被引入到軌道阱中，圍繞中心電極做復雜的螺旋運動。這種運動可以分解為軸向振蕩和圓周運動，離子的軸向振蕩頻率與質荷比成反比，通過檢測離子的軸向振蕩頻率，就能夠計算出離子的質荷比。該分析器具有出色的分辨率，可達到極高的水平，在高分辨率下仍能保持良好的靈敏度，這使得它能夠準確地區(qū)分質量數(shù)相近的離子，對于復雜樣品的分析極為有利。同時，它的質量精度高，能夠精確測定離子的質量，為化合物的結構鑒定提供可靠的數(shù)據支持。此外，Orbitrap 軌道阱質量分析器還具備較寬的動態(tài)范圍，能夠同時檢測樣品中不同含量的成分。
圖4 Orbitrap工作原理（Credit DOI:10.1002/pmic.201600113）
05-傅里葉變換離子回旋共振質量分析器（FT-ICR）
傅里葉變換離子回旋共振質量分析器利用離子在均勻磁場中的回旋運動來進行質量分析。離子被注入到充滿強磁場的分析室中，在磁場作用下，離子做圓周運動，其回旋頻率與質荷比成反比。通過檢測離子的回旋頻率，經過傅里葉變換處理，得到離子的質荷比 (圖5)。它具有超高的分辨率和質量精度，能夠精確測定離子的質量，對于復雜混合物中化合物的鑒定和結構解析具有獨特優(yōu)勢。但設備成本高、維護復雜，分析速度相對較慢。主要應用于高端科研領域，如天然產物的結構鑒定、代謝組學研究中對生物樣品中微量成分的精確分析等。
圖5 FT-ICR工作原理
作為生物信息學的領軍企業(yè)，BSI專注于蛋白質組學和生物藥領域，通過機器學習和先進算法提供世界領先的質譜數(shù)據分析軟件和蛋白質組學服務解決方案，以推進生物學研究和藥物發(fā)現(xiàn)。我們通過基于AI的計算方案，為您提供對蛋白質組學、基因組學和醫(yī)學的卓越洞見。旗下著名的PEAKS®️系列軟件在全世界擁有數(shù)千家學術和工業(yè)用戶，包括：PEAKS®️ Studio，PEAKS®️ Online，PEAKS®️ GlycanFinder, PEAKS®️ AB，ProteoformXTM,DeepImmu®️ 免疫肽組發(fā)現(xiàn)服務和抗體綜合表征服務等。聯(lián)系方式：021-60919891；sales-china@bioinfor.com
01--飛行時間質量分析器
TOF (Time of flight) 是最常見的質量分析器之一，其工作原理基于離子在無場飛行管中的飛行時間與質荷比相關（圖1）。離子在電場中被加速后，進入飛行管，由于不同質荷比的離子具有不同的速度，質荷比越小的離子飛行速度越快，飛行時間越短，通過測量離子到達檢測器的飛行時間，就可以計算出離子的質荷比。這種質量分析器的突出優(yōu)點是質量范圍寬，可以檢測相對分子量較大的離子，且理論上分辨率不受質量范圍的限制。同時，它的掃描速度極快，能夠實現(xiàn)高速的數(shù)據采集。但它對離子初始能量的分散較為敏感，需要精確控制離子的加速過程，以保證測量的準確性。常用于生物大分子分析，如蛋白質、核酸等的分子量測定和結構分析，以及在材料科學中分析高分子聚合物的分子量分布等。
圖1 TOF原理示意圖(Credit: Abigail Koss, TOFWERK)
02-四級桿質量分析器（Quadrupole）
四極桿質量分析器是一種應用廣泛的質量分析器。它由四根平行的金屬桿組成，相對的兩根桿連接在一起，施加直流電壓 (DC) 和射頻電壓 (RF)。離子在四極桿之間的電場中運動，只有特定質荷比的離子能夠穩(wěn)定通過四極桿，到達檢測器，其他質荷比的離子則會撞到四極桿上而被濾除（原理如圖2）。其優(yōu)點是結構簡單、成本較低、掃描速度快，能夠實現(xiàn)快速的全掃描分析，適用于常規(guī)的定性和定量分析。缺點是質量范圍相對較窄，分辨率一般在單位質量分辨水平，對于復雜樣品中相近質量數(shù)離子的區(qū)分能力有限。常用于環(huán)境監(jiān)測、食品安全檢測、藥物分析等領域，例如檢測食品中的農藥殘留、分析藥物中的雜質成分等。
圖2 四級桿質量分析器（Credit: Abigail Koss, TOFWERK.）
03-離子阱質量分析器（ion trap）
離子阱質量分析器主要由一個環(huán)形電極和上下兩個端蓋電極組成。通過調節(jié)電極上的電壓，在阱內形成特定的電場，離子被捕獲在阱內。當施加特定頻率的射頻電壓時，離子會發(fā)生共振，特定質荷比的離子會從阱中射出，被檢測器檢測到(圖3)。離子阱質量分析器具有較高的靈敏度，能夠進行多級質譜 (MSn) 分析，對于化合物的結構解析具有很大優(yōu)勢。它可以對離子進行多次裂解，獲取更多的結構信息。然而，離子阱存在空間電荷效應，當離子數(shù)量過多時，會影響分析性能，且質量精度相對不是很高。在藥物代謝研究、蛋白質組學研究等領域應用廣泛，用于研究藥物在體內的代謝產物結構以及蛋白質的序列測定等。
圖3 Ion trap工作原理(Credit :ThermoFisher)
04-軌道阱質量分析器（Orbitrap）
Orbitrap 軌道阱質量分析器自2000年問世以來，在質譜領域迅速獲得廣泛關注。它的核心部件是一個紡錘形的中心電極和環(huán)繞其外的兩個同軸端蓋電極。離子在電場作用下，被引入到軌道阱中，圍繞中心電極做復雜的螺旋運動。這種運動可以分解為軸向振蕩和圓周運動，離子的軸向振蕩頻率與質荷比成反比，通過檢測離子的軸向振蕩頻率，就能夠計算出離子的質荷比。該分析器具有出色的分辨率，可達到極高的水平，在高分辨率下仍能保持良好的靈敏度，這使得它能夠準確地區(qū)分質量數(shù)相近的離子，對于復雜樣品的分析極為有利。同時，它的質量精度高，能夠精確測定離子的質量，為化合物的結構鑒定提供可靠的數(shù)據支持。此外，Orbitrap 軌道阱質量分析器還具備較寬的動態(tài)范圍，能夠同時檢測樣品中不同含量的成分。
在實際應用中，Orbitrap 軌道阱質量分析器在蛋白質組學研究中發(fā)揮著重要作用，能夠實現(xiàn)對蛋白質的高通量鑒定和定量分析；在代謝組學領域，可用于對生物體內代謝物的全面分析，挖掘潛在的生物標志物；在藥物研發(fā)中，能助力藥物雜質分析、藥物代謝產物鑒定以及藥物與靶點相互作用研究等。
圖4 Orbitrap工作原理（Credit DOI:10.1002/pmic.201600113）
05-傅里葉變換離子回旋共振質量分析器（FT-ICR）
傅里葉變換離子回旋共振質量分析器利用離子在均勻磁場中的回旋運動來進行質量分析。離子被注入到充滿強磁場的分析室中，在磁場作用下，離子做圓周運動，其回旋頻率與質荷比成反比。通過檢測離子的回旋頻率，經過傅里葉變換處理，得到離子的質荷比 (圖5)。它具有超高的分辨率和質量精度，能夠精確測定離子的質量，對于復雜混合物中化合物的鑒定和結構解析具有獨特優(yōu)勢。但設備成本高、維護復雜，分析速度相對較慢。主要應用于高端科研領域，如天然產物的結構鑒定、代謝組學研究中對生物樣品中微量成分的精確分析等。
圖5 FT-ICR工作原理
作為生物信息學的領軍企業(yè)，BSI專注于蛋白質組學和生物藥領域，通過機器學習和先進算法提供世界領先的質譜數(shù)據分析軟件和蛋白質組學服務解決方案，以推進生物學研究和藥物發(fā)現(xiàn)。我們通過基于AI的計算方案，為您提供對蛋白質組學、基因組學和醫(yī)學的卓越洞見。旗下著名的PEAKS®️系列軟件在全世界擁有數(shù)千家學術和工業(yè)用戶，包括：PEAKS®️ Studio，PEAKS®️ Online，PEAKS®️ GlycanFinder, PEAKS®️ AB，ProteoformXTM,DeepImmu®️ 免疫肽組發(fā)現(xiàn)服務和抗體綜合表征服務等。聯(lián)系方式：021-60919891；sales-china@bioinfor.com
