蛋白質(zhì)組學(xué)基礎(chǔ)：不同類型的質(zhì)譜質(zhì)量分析器介紹
在質(zhì)譜分析技術(shù)中，質(zhì)量分析器是核心部件，它的作用是將離子按照質(zhì)荷比(m/z)的不同進(jìn)行分離并檢測(cè)，從而得到樣品的質(zhì)譜圖，為后續(xù)的定性和定量分析提供依據(jù)。不同類型的質(zhì)譜質(zhì)量分析器具有各自獨(dú)特的工作原理、性能特點(diǎn)和適用范圍。本文將對(duì)幾種常見的質(zhì)譜質(zhì)量分析器進(jìn)行介紹。
01--飛行時(shí)間質(zhì)量分析器
TOF (Time of flight) 是最常見的質(zhì)量分析器之一，其工作原理基于離子在無場(chǎng)飛行管中的飛行時(shí)間與質(zhì)荷比相關(guān)（圖1）。離子在電場(chǎng)中被加速后，進(jìn)入飛行管，由于不同質(zhì)荷比的離子具有不同的速度，質(zhì)荷比越小的離子飛行速度越快，飛行時(shí)間越短，通過測(cè)量離子到達(dá)檢測(cè)器的飛行時(shí)間，就可以計(jì)算出離子的質(zhì)荷比。這種質(zhì)量分析器的突出優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量范圍寬，可以檢測(cè)相對(duì)分子量較大的離子，且理論上分辨率不受質(zhì)量范圍的限制。同時(shí)，它的掃描速度極快，能夠?qū)崿F(xiàn)高速的數(shù)據(jù)采集。但它對(duì)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(cè)量的準(zhǔn)確性。常用于生物大分子分析，如蛋白質(zhì)、核酸等的分子量測(cè)定和結(jié)構(gòu)分析，以及在材料科學(xué)中分析高分子聚合物的分子量分布等。
02-四級(jí)桿質(zhì)量分析器（Quadrupole）
03-離子阱質(zhì)量分析器（ion trap）
離子阱質(zhì)量分析器主要由一個(gè)環(huán)形電極和上下兩個(gè)端蓋電極組成。通過調(diào)節(jié)電極上的電壓，在阱內(nèi)形成特定的電場(chǎng)，離子被捕獲在阱內(nèi)。當(dāng)施加特定頻率的射頻電壓時(shí)，離子會(huì)發(fā)生共振，特定質(zhì)荷比的離子會(huì)從阱中射出，被檢測(cè)器檢測(cè)到(圖3)。離子阱質(zhì)量分析器具有較高的靈敏度，能夠進(jìn)行多級(jí)質(zhì)譜 (MSn) 分析，對(duì)于化合物的結(jié)構(gòu)解析具有很大優(yōu)勢(shì)。它可以對(duì)離子進(jìn)行多次裂解，獲取更多的結(jié)構(gòu)信息。然而，離子阱存在空間電荷效應(yīng)，當(dāng)離子數(shù)量過多時(shí)，會(huì)影響分析性能，且質(zhì)量精度相對(duì)不是很高。在藥物代謝研究、蛋白質(zhì)組學(xué)研究等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，用于研究藥物在體內(nèi)的代謝產(chǎn)物結(jié)構(gòu)以及蛋白質(zhì)的序列測(cè)定等。
圖3 Ion trap工作原理(Credit :ThermoFisher)
04-軌道阱質(zhì)量分析器（Orbitrap）
Orbitrap 軌道阱質(zhì)量分析器自2000年問世以來，在質(zhì)譜領(lǐng)域迅速獲得廣泛關(guān)注。它的核心部件是一個(gè)紡錘形的中心電極和環(huán)繞其外的兩個(gè)同軸端蓋電極。離子在電場(chǎng)作用下，被引入到軌道阱中，圍繞中心電極做復(fù)雜的螺旋運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)可以分解為軸向振蕩和圓周運(yùn)動(dòng)，離子的軸向振蕩頻率與質(zhì)荷比成反比，通過檢測(cè)離子的軸向振蕩頻率，就能夠計(jì)算出離子的質(zhì)荷比。該分析器具有出色的分辨率，可達(dá)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(zhǔn)確地區(qū)分質(zhì)量數(shù)相近的離子，對(duì)于復(fù)雜樣品的分析極為有利。同時(shí)，它的質(zhì)量精度高，能夠精確測(cè)定離子的質(zhì)量，為化合物的結(jié)構(gòu)鑒定提供可靠的數(shù)據(jù)支持。此外，Orbitrap 軌道阱質(zhì)量分析器還具備較寬的動(dòng)態(tài)范圍，能夠同時(shí)檢測(cè)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(zhì)量分析器（FT-ICR）
傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)量分析器利用離子在均勻磁場(chǎng)中的回旋運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行質(zhì)量分析。離子被注入到充滿強(qiáng)磁場(chǎng)的分析室中，在磁場(chǎng)作用下，離子做圓周運(yùn)動(dòng)，其回旋頻率與質(zhì)荷比成反比。通過檢測(cè)離子的回旋頻率，經(jīng)過傅里葉變換處理，得到離子的質(zhì)荷比 (圖5)。它具有超高的分辨率和質(zhì)量精度，能夠精確測(cè)定離子的質(zhì)量，對(duì)于復(fù)雜混合物中化合物的鑒定和結(jié)構(gòu)解析具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。但設(shè)備成本高、維護(hù)復(fù)雜，分析速度相對(duì)較慢。主要應(yīng)用于高端科研領(lǐng)域，如天然產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)鑒定、代謝組學(xué)研究中對(duì)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(xué)的領(lǐng)軍企業(yè)，BSI專注于蛋白質(zhì)組學(xué)和生物藥領(lǐng)域，通過機(jī)器學(xué)習(xí)和先進(jìn)算法提供世界領(lǐng)先的質(zhì)譜數(shù)據(jù)分析軟件和蛋白質(zhì)組學(xué)服務(wù)解決方案，以推進(jìn)生物學(xué)研究和藥物發(fā)現(xiàn)。我們通過基于AI的計(jì)算方案，為您提供對(duì)蛋白質(zhì)組學(xué)、基因組學(xué)和醫(yī)學(xué)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(xué)術(shù)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(wù)和抗體綜合表征服務(wù)等。聯(lián)系方式：021-60919891；sales-china@bioinfor.com
01--飛行時(shí)間質(zhì)量分析器
TOF (Time of flight) 是最常見的質(zhì)量分析器之一，其工作原理基于離子在無場(chǎng)飛行管中的飛行時(shí)間與質(zhì)荷比相關(guān)（圖1）。離子在電場(chǎng)中被加速后，進(jìn)入飛行管，由于不同質(zhì)荷比的離子具有不同的速度，質(zhì)荷比越小的離子飛行速度越快，飛行時(shí)間越短，通過測(cè)量離子到達(dá)檢測(cè)器的飛行時(shí)間，就可以計(jì)算出離子的質(zhì)荷比。這種質(zhì)量分析器的突出優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量范圍寬，可以檢測(cè)相對(duì)分子量較大的離子，且理論上分辨率不受質(zhì)量范圍的限制。同時(shí)，它的掃描速度極快，能夠?qū)崿F(xiàn)高速的數(shù)據(jù)采集。但它對(duì)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(cè)量的準(zhǔn)確性。常用于生物大分子分析，如蛋白質(zhì)、核酸等的分子量測(cè)定和結(jié)構(gòu)分析，以及在材料科學(xué)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(jí)桿質(zhì)量分析器（Quadrupole）
四極桿質(zhì)量分析器是一種應(yīng)用廣泛的質(zhì)量分析器。它由四根平行的金屬桿組成，相對(duì)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(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，只有特定質(zhì)荷比的離子能夠穩(wěn)定通過四極桿，到達(dá)檢測(cè)器，其他質(zhì)荷比的離子則會(huì)撞到四極桿上而被濾除（原理如圖2）。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、掃描速度快，能夠?qū)崿F(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(diǎn)是質(zhì)量范圍相對(duì)較窄，分辨率一般在單位質(zhì)量分辨水平，對(duì)于復(fù)雜樣品中相近質(zhì)量數(shù)離子的區(qū)分能力有限。常用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全檢測(cè)、藥物分析等領(lǐng)域，例如檢測(cè)食品中的農(nóng)藥殘留、分析藥物中的雜質(zhì)成分等。
圖2 四級(jí)桿質(zhì)量分析器（Credit: Abigail Koss, TOFWERK.）
03-離子阱質(zhì)量分析器（ion trap）
離子阱質(zhì)量分析器主要由一個(gè)環(huán)形電極和上下兩個(gè)端蓋電極組成。通過調(diào)節(jié)電極上的電壓，在阱內(nèi)形成特定的電場(chǎng)，離子被捕獲在阱內(nèi)。當(dāng)施加特定頻率的射頻電壓時(shí)，離子會(huì)發(fā)生共振，特定質(zhì)荷比的離子會(huì)從阱中射出，被檢測(cè)器檢測(cè)到(圖3)。離子阱質(zhì)量分析器具有較高的靈敏度，能夠進(jìn)行多級(jí)質(zhì)譜 (MSn) 分析，對(duì)于化合物的結(jié)構(gòu)解析具有很大優(yōu)勢(shì)。它可以對(duì)離子進(jìn)行多次裂解，獲取更多的結(jié)構(gòu)信息。然而，離子阱存在空間電荷效應(yīng)，當(dāng)離子數(shù)量過多時(shí)，會(huì)影響分析性能，且質(zhì)量精度相對(duì)不是很高。在藥物代謝研究、蛋白質(zhì)組學(xué)研究等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，用于研究藥物在體內(nèi)的代謝產(chǎn)物結(jié)構(gòu)以及蛋白質(zhì)的序列測(cè)定等。
圖3 Ion trap工作原理(Credit :ThermoFisher)
04-軌道阱質(zhì)量分析器（Orbitrap）
Orbitrap 軌道阱質(zhì)量分析器自2000年問世以來，在質(zhì)譜領(lǐng)域迅速獲得廣泛關(guān)注。它的核心部件是一個(gè)紡錘形的中心電極和環(huán)繞其外的兩個(gè)同軸端蓋電極。離子在電場(chǎng)作用下，被引入到軌道阱中，圍繞中心電極做復(fù)雜的螺旋運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)可以分解為軸向振蕩和圓周運(yùn)動(dòng)，離子的軸向振蕩頻率與質(zhì)荷比成反比，通過檢測(cè)離子的軸向振蕩頻率，就能夠計(jì)算出離子的質(zhì)荷比。該分析器具有出色的分辨率，可達(dá)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(zhǔn)確地區(qū)分質(zhì)量數(shù)相近的離子，對(duì)于復(fù)雜樣品的分析極為有利。同時(shí)，它的質(zhì)量精度高，能夠精確測(cè)定離子的質(zhì)量，為化合物的結(jié)構(gòu)鑒定提供可靠的數(shù)據(jù)支持。此外，Orbitrap 軌道阱質(zhì)量分析器還具備較寬的動(dòng)態(tài)范圍，能夠同時(shí)檢測(cè)樣品中不同含量的成分。
在實(shí)際應(yīng)用中，Orbitrap 軌道阱質(zhì)量分析器在蛋白質(zhì)組學(xué)研究中發(fā)揮著重要作用，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)蛋白質(zhì)的高通量鑒定和定量分析；在代謝組學(xué)領(lǐng)域，可用于對(duì)生物體內(nèi)代謝物的全面分析，挖掘潛在的生物標(biāo)志物；在藥物研發(fā)中，能助力藥物雜質(zhì)分析、藥物代謝產(chǎn)物鑒定以及藥物與靶點(diǎn)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(zhì)量分析器（FT-ICR）
傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)量分析器利用離子在均勻磁場(chǎng)中的回旋運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行質(zhì)量分析。離子被注入到充滿強(qiáng)磁場(chǎng)的分析室中，在磁場(chǎng)作用下，離子做圓周運(yùn)動(dòng)，其回旋頻率與質(zhì)荷比成反比。通過檢測(cè)離子的回旋頻率，經(jīng)過傅里葉變換處理，得到離子的質(zhì)荷比 (圖5)。它具有超高的分辨率和質(zhì)量精度，能夠精確測(cè)定離子的質(zhì)量，對(duì)于復(fù)雜混合物中化合物的鑒定和結(jié)構(gòu)解析具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。但設(shè)備成本高、維護(hù)復(fù)雜，分析速度相對(duì)較慢。主要應(yīng)用于高端科研領(lǐng)域，如天然產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)鑒定、代謝組學(xué)研究中對(duì)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(xué)的領(lǐng)軍企業(yè)，BSI專注于蛋白質(zhì)組學(xué)和生物藥領(lǐng)域，通過機(jī)器學(xué)習(xí)和先進(jìn)算法提供世界領(lǐng)先的質(zhì)譜數(shù)據(jù)分析軟件和蛋白質(zhì)組學(xué)服務(wù)解決方案，以推進(jìn)生物學(xué)研究和藥物發(fā)現(xiàn)。我們通過基于AI的計(jì)算方案，為您提供對(duì)蛋白質(zhì)組學(xué)、基因組學(xué)和醫(yī)學(xué)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(xué)術(shù)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(wù)和抗體綜合表征服務(wù)等。聯(lián)系方式：021-60919891；sales-china@bioinfor.com
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