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一文看全!质谱技术产业发展史及人类如何称量万物

2022-8-4 16:54| 编辑: 归去来兮| 查看: 482| 评论: 0|来源: 尹哥聊基因

摘要: 如果说测序是一把尺,可以用来测量生命的密码;那么质谱就是一杆秤,可以用来称量生命的重量。


数百万年来,人类从未停止对未知世界的探索,但即便科技日新月异,在很长一段时间里,人类对世界的理解仍停留在宏观层面,只知道石头是石头、黄金是黄金,而对于万物内在的物质构成却知之甚少。人类需要一双双“眼睛”,带我们去看清微观世界背后的复杂现象。

古人称量物品的重量(尹哥拍摄于中国计量大学计量博物馆)

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什么样的秤可以称量世间万物

如果说测序是一把尺,可以用来测量生命的密码;那么质谱就是一杆秤,可以用来称量生命的重量。世间万物皆有重量,质量是一切物质最基本的物理性质之一。为了称重,古代出现过楚“王”字青铜衡、宋代戥秤等,近代有了电子秤,而想要称量微观世界物质,从蛋白质大分子到代谢物组成,甚至小到某种化学元素、一个碱基位点,都可以通过质谱技术来解决。

楚“王”字青铜衡(来源:中华法制文明虚拟博物馆)

那究竟什么是质谱(MASS spectrum)?我们可以理解质谱即是根据质量称量出的谱线。不同的物质具有不同的分子量,在电场的作用下带电,可以表现出不同的运动轨迹,最后通过计算质荷比可得到待测物的质谱峰。质谱不但可以对被测物进行定性分析(包括分子质量及结构信息),还可以通过质谱峰强度与被测物含量相关,进行定量分析

宋代熙宁铜坨(尹哥拍摄于中国计量大学计量博物馆)

质谱技术是结合物理化学等基础科学的发展而走到今天的,这杆“质谱秤”可谓是整个20世纪最高端的“秤“,它的发展历经多次科学突破,现如今已是医学、科研、工业等众多领域所需要的、最重要的复杂仪器之一。

明清时期的砝码(尹哥拍摄于中国计量大学计量博物馆)

世界第一台质谱仪最初被命名为“拋物线摄谱仪”,是1912年由英国物理学家、剑桥大学教授Joseph John Thomson研制的。Thomson早在1897年就因发现电子而闻名,并于1906年获得诺贝尔奖。世界第一台质谱仪是根据不同质荷比离子在磁场中回旋半径不同,来进行离子的质量分离和排序,可以提供精确质量数信息。Thomson利用质谱仪发现了第一个非放射性同位素存在的证据。

国际千克、米原器复制品(尹哥拍摄于中国计量大学计量博物馆)

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从简陋到精密,不为平民百姓所知的质谱

曼哈顿计划提炼铀原料所使用的质谱仪(Calutron)

质谱仪通常被定义为在操作过程中会产生某种质谱的任一装置,其应用促进了同位素的发现、原子量的精确测定、元素和分子结构特性的确立。目前,质谱仪在天文研究、非侵入性国际核能设施监测、化学药学的物质分析和制程监测、生物和生物医学方面都已广泛应用,但因其复杂性和精密性,仍鲜为平民百姓所知。

一台质谱仪的基本结构包括进样系统、离子源、质量分析器、检测器和真空系统。

质谱仪的基本组成结构

最开始,科学家们聚焦于质量分析器的改进研发,最早使用的质量分析器是扇形磁场式,它通过改变磁场强度,控制轨道路径,按照离子流出离子源的动能,采用扇形电场聚焦离子。双聚焦质谱仪就是当时结合扇形磁场质量分析器而诞生的。1935年,马陶赫(Marttauch)和赫佐格(R. Herzog)首先研制出双聚焦质谱仪,1940年,尼尔(Nier)设计出单聚焦磁质谱仪。而如今磁质谱在所有质谱产品中属于比较小众的一类,主要应用在无机质谱和同位素质谱领域。

为什么磁质谱不再是主流呢?看下图感受便知。大,不一定就是好,精密小型化才是科技的发展趋势。

磁质谱占地面积大

紧接着,1953年诞生了两种不同类型的质量分析器,也是今天仍在广泛使用的主流仪器,即四极杆质量分析器飞行时间质量分析器

鲍尔(Paul)和斯坦威德尔(Steinwedel)率先提出四极滤质器[4],其结构就是在平面上垂直放置的四根等间距的棒状电极。四极杆质量分析器的加工和使用都相对容易,因其尺寸小、检测速度快,特别适合与色谱技术联用。四极杆也可以与其他质谱进行杂交,形成串接质谱,如两个四极杆质量分析器加一个碰撞池就可以衍生出三重四极杆质量分析器(QQQ)。

日本岛津公司GC-MS产品所使用的四极杆质量分析器

随后美国公司班迪克斯(Bendix Corporation)的威雷(Wiley)和麦克劳伦斯(Mclarens)于1955年研制出飞行时间质谱仪(Time of Flight Mass Analyzer,TOF)[3],并最先将此仪器商业化。

飞行时间质谱仪的主要组成部分是一个没有磁场和电场的离子漂移管,被加速的离子在漂移管中做无场飞行,由于质量数不同,在漂移管中飞行的时间也会有所不同。就好比不同体型的人在同一条跑道上跑步,到达终点的时间不同,这种质量分析器就是按照离子飞行到漂移管收集极上所用时间不同,而进行质量数的分析。飞行时间质谱结构更加简单、无需任何外加电场、扫描速度快,对于测定生物大分子有明显优势,因为质量数高的离子速度慢,更容易测量准确。

飞行时间质量分析器的原理

Wolfgang Paul和Hans Georg Dehmelt在此基础上,又发明出离子阱技术,并于1989年获诺贝尔物理学奖。离子阱质量分析器与四极杆质量分析器的工作原理类似,很多人认为它们的不同之处是:四极杆是二维的,离子阱是三维的。

离子阱因其拥有结构小巧、质量轻、灵敏度高等特点,并能将离子长期捕获,可以实现多级质谱的功能,既可用于GC-MS、也可用于LC-MS。由于可以做得很小,还可以用作便携式质谱的质量分析器,离子阱在质谱仪的小型化进程中发挥了十分重要的作用。但它也存在一定缺点,由于容纳离子的数量有限,会产生空间电荷效应,分子电离成离子后发生再次碰撞,形成M+1峰。

离子阱质量分析器的工作原理

使精密小型质谱仪成为可能后,人类便不再满足于当前质谱分辨率。因为在天然有机物、复杂地质化合物的研究中,科学家们发现超高分辨率质谱仪将是分析复杂化学混合物不可或缺的工具。

在Ernest Orlando Lawrence因为发明回旋加速器而获得1939年的诺贝尔物理学奖后,人们又利用测量离子的回旋共振频率,发明了世界上最高分辨率的傅里叶变换离子回旋共振质量分析器(FTICR)质谱[5]。其工作原理是,离子进入磁场中,将进行圆周运动,如果没有能量的损失,当离心力和磁场力相互平衡时,该离子将在这个磁场空间中永不停歇地做圆周运动。

傅里叶变换离子回旋共振质谱的理论分辨率极高,商业化的FTICR-MS分辨率高达1×106以上,这一点是其它质量分析器望尘莫及的。但是,这种质量分析器需要用到超导磁体,需要大量的液氦消耗,仪器售价和运行费用都非常昂贵,不能很好地普及。

时间来到二十一世纪,2000年俄罗斯科学家Makarov发明了轨道阱质量分析器(Orbitrap Mass Analyzer),其形状如同仿棰体,由仿棰形中心内电极和左右2个外仿棰半电极组成。仪器工作时,在中心电极逐渐加上直流高压,在Orbitrap内产生特殊几何结构的静电场。离子进入到Orbitrap室内后,受到中心电场的引力,即开始围绕中心电极作圆周轨道运动,同时离子受到垂直方向的离心力和水平方向的推力,而沿中心内电极作水平和垂直方向的震荡。通过离子旋转振荡产生的镜像电流,经微分放大后由变换器测定各离子的振荡频率,最后计算出分子离子的质荷比。

Orbitrap技术专利被美国公司赛默飞世尔收购,被用于高分辨的质谱分析平台,其Q Exactive系列质谱仪将四级杆的母离子高选择性与高分辨、精确质量的Orbitrap检测相结合,可以实现化合物的鉴定、定量和确证。

Orbitrap的示意图

质量分析器的发展带动着质谱仪的发展,而质谱仪另一核心部分——离子源(即如何让我们获得有效带电离子)随着现代物理学及电力学的发展,离子源技术也产生了多样的变化。

多样的质量分析器加深了质谱分析研究的深度,高通量/高分辨分析,各取所需;多样的离子源扩展了质谱应用的范围,比如气体、液体,甚至固体和组织不需要经过前处理,可以直接质谱分析。主要离子源变化进程如下:

· 1918年:电子轰击源(EI)

· 1964年:电感耦合等离子体离子源(ICP)

· 1966年:化学电离源(CI)

· 1968年:电喷雾源(ESI)

· 1973年:大气压化学电离源(APCI)

· 1987年:基质辅助激光解析电离源(MALDI)

· 2000年:大气压光学电离源(APPI)

· 2003年:实时直接电离源(DART)

· 2009年:快速蒸发电离源(REIMS)

1965年以前,人类开发的主要是无机质谱的应用,用于元素分析,现在常见的有ICPMS、MS类型,最常见是四极杆;1965-1980年期间,有机质谱飞速发展,离子源主要是离子化有机小分子,比如GC-MS,这里的MS类型就非常多样了;1980-2000年期间,生命大分子的研究逐渐兴起,离子源的方向是让大分子带上电荷,比如MALDI-TOF;2000年以来,离子源技术的使命是让质谱分析更方便、更有效率、应用更广泛,比如DART和REIMS。

因在质谱技术创新应用获得诺贝尔奖的10位科学

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华丽转身,备受青睐的临床质谱

质谱仪一直作为高端定量检测分析仪器被应用于化学分析、地质分析甚至是天文学研究中,随着质谱仪的更新发展,其具有特异性高、准确度高及多指标可同时检测的优点,已成为医学领域、尤其是临床生化检验中非常有效的工具,可实现对部分传统检测方法的技术替代。

目前临床质谱分析技术可以应用于生化检验、免疫学检验、微生物检验以及分子生物诊断等多个方面。因为质谱分析技术灵敏度高、特异性好,检测人员可以直接看到物质的分子本质,所以常常作为参考方法或者检验金标准。此外,质谱技术能够按照实验室的需要定制检验项目(LDT),满足一些特色临床需求,因此在欧美医疗系统中广泛使用。

目前临床质谱仪应用最为广泛的有两种类型。一是随着基质辅助激光解析电离源的发展,将MALDI与飞行时间质量分析器联合的MALDI-TOF。因为质量数高的离子速度慢,更容易测量准确,MALDI离子化技术与TOF联用技术已成为分析生物大分子的好搭配,被广泛应用于微生物鉴定和核酸分析。

另外一种质谱仪为液相色谱串联质谱(LC-MS/MS),在过去几十年中LC-MS/MS已成为小分子量化合物检测最有效的方面,LC-MS/MS比常规的免疫分析法或高效液相法(HPLC)更具有特异性,比气相色谱法(GC-MS)更高效,已广泛应用于包括治疗药物浓度监测(TDM)、代谢组学、维生素、新生儿筛查、激素、微生物以及蛋白质组学等新兴领域。除此之外,还有用于检测尿液中代谢产物和毒物筛查的GC-MS(气相色谱质谱技术)、用于检测微量元素含量的ICP-MS(电感耦合等离子体质谱技术)。

商品化的质谱仪主要由全球各家分析仪器公司制造。产业链包括上游的核心零部件、中游的仪器和试剂以及下游基于质谱的检测服务。美国、日本、德国等发达国家拥有先进的工业制造水平,常常掌握产业链上游端。中国的质谱仪生产能力与头部玩家存在一定差距,但国内已有多家企业在微生物质谱仪(MALDI-TOF)完成布局,如华大的GBIMToF-1000,这也是国际少有的集微生物鉴定、核酸质谱于一体的检测平台,有望反超进口品牌。

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势如破竹,质谱未来大有可为

近年全球范围内质谱仪器销售增速迅猛,相关行业进入快速发展期。有研究报告显示,全球质谱市场2018-2026年平均增速为7.6%,超过全球实验分析仪器行业4%的平均增速。其中临床质谱仪器发展迅猛,国内品牌的起步虽晚于欧美,但也纷纷在质谱仪的研发与制造上集中发力。华大自2009年起已布局临床质谱相关研发工作,从最初新生儿疾病的筛查到目前涵盖维生素、激素、氨基酸、药物以及各类疾病诊断等,更是在飞行时间质谱这条新赛道上研制出集微生物鉴定与核酸分析于一体的MALDI-TOF系统。华大也与其他国产品牌共同见证了国家临床质谱的快速发展。

质谱技术一方面将随着生物医学、生命科学等领域应用研究的深入得到进一步完善,另一方面也将从高灵敏度、高准确性、自动化、专用化等方面进行技术提升。未来质谱将会发展成为更快、更小型、更精确的精密仪器,成为人类探索世界最有力的工具。

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国外主要制造商

岛津

国籍:日本

成立:1875年

网站:https://www.shimadzu.com.cn/

简介:是著名的测试仪器、医疗器械及工业设备的制造厂商,近年来连续推出四级杆飞行时间质谱LCMS-9030、高灵敏度三重四极杆型GCMS-TQ8050、电感耦合等离子质谱ICPMS-2030等多款UFMS系列质谱新品。

三重四极杆液质联用仪LCMS-8040

赛默飞世尔(Thermo Fisher Scientific)

国籍:美国

成立:1956年

网站:http://www.thermofisher.com/

简介:前身为热电公司,近几年处于分析仪器行业领导者的地位。赛默飞世尔的质谱产品线非常丰富,包含有机质谱和无机质谱的绝大多数产品,如GC-MS、LC-MS、ICP-MS等,另外,因其拥有专利的Orbitrap质量分析器,特别适合生物大分子的测定,在生命科学等前沿研究领域的应用方面颇有建树。

orbitrap Q Exactive Plus

沃特世(Waters)

国籍:美国

成立:1958年

网站:https://www.waters.com/

简介:进驻行业50余年,目前凭借在色谱、质谱和热分析技术上的创新,已成为分析仪器行业规模最大的公司之一。

Xevo TQ-S cronos三重四极杆质谱仪

布鲁克(Bruker)

国籍:德国

成立:1960年

网站:https://www.bruker.com/

简介:全球领先的分析仪器公司之一,1992年推出第一台商用MALDI-TOF质谱仪。布鲁克最新推出的MALDI-TOF and TOF/TOF MS质谱仪,是为蛋白质深度分析而建立的一款强大的串联质谱,以其超高性能、稳定性和创新设计享誉业界。

autoflex maX MALDI-TOF(TOF)质谱

梅里埃(bioMérieux)

国籍:美国

成立:1963年

网站:https://www.biomerieux.com/

简介:诊断系统由试剂、仪器和软件组成,主要围绕传染病、工业微生物控制、心血管病和肿瘤等四个战略领域来设计。梅里埃的VITEK MS全自动微生物质谱检测系统,是与岛津合作开发的,由岛津提供仪器技术,梅里埃提供微生物菌种库,形成资源共享。该系统利用MALDI-TOF技术能够在几分钟内实现对细菌准确到种水平的鉴定,包含15,000株菌株的数据库和高级图谱分类算法,能为临床提供准确的诊断级报告。

VITEK® MS

SCIEX

国籍:美国

成立:1970年

网站:https://sciex.com/

简介:专注于尖端仪器、工作流程解决方案和支持创新,在串联质谱领域处于领导地位。从1973年到2013年,质谱产品推陈出新,从成立之初的移动TAGA6000,到后来享有盛名的API 2000、3000、3200,以及MALDI TOF,再到后来的QTRAP系列质谱等。其明星产品4500MD系列属于LC-MS/MS平台的三重四级杆质谱仪,具有更出色的灵敏度和更快的数据采集速度,可实现高置信度的定量分析。SCIEX于2010年被丹纳赫收购。

AB SCIEX Triple Quad™ 4500MD液相色谱串联质谱检测系统

安捷伦(Agilent)

国籍:美国

成立:1999年从惠普研发有限合伙公司中分离出来

网站:https://www.agilent.com/

简介:化学分析业务主要提供气相色谱、气相色谱-单四级杆质谱、串联四级杆质谱、四级杆飞行时间质谱等高端设备,2009年收购瓦里安后,安捷伦整合了光谱产品线、化学分析业务及其真空设备,并在无机领域中提供ICP、ICP-MS等产品。

Infinity LC Clinical Edition/K6460液相色谱串联质谱系统

Agena Bioscience

国籍:美国

成立:2014年

网站:https://agenabio.com/

简介:总部位于加利福尼亚州圣地亚哥,主要专注于MassARRAY® DNA质谱遗传分析系统及配套试剂的开发和生产,该系统可应用于多个领域,如实体瘤和液体活组织标本的癌症分析、遗传病检测、药物遗传学、农业基因组学和临床研究。

MassARRAY®系统

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国内主要制造商

东西分析

成立:1988年

网站:http://www.ewai-group.com/

简介:前身是北京东西电子技术研究所,在国内仪器生产商中拥有较为悠久的历史,其气相色谱仪比较有名,许多地市级检测单位都在使用。2006年,东西电子生产了具有完全自主知识产权的国内第一台商品化的单四极杆型气质联用仪GC-MS3100。

东西分析GC-MS3100型气相色谱-质谱联用仪

复星诊断

成立:1989年

网站:http://www.lm-diagnostics.com.cn/

简介:2018年4月推出MicroIDSys微生物质谱鉴定系统,数据库涵盖2600多种微生物。

ASTA MicrolDSys全自动微生物质谱检测系统

普析通用

成立:1991年

网站:http://www.bjpersee.com/

简介:产品线包括质谱仪、光谱仪、色谱仪,还拥有前处理设备、医疗仪器、移动监测车等几大系列,共计50余种型号。

M7系列气相色谱单四极杆质谱联用仪

天瑞仪器

成立:1992年

网站:http://www.skyray-instrument.com/

简介:以生产和研制X荧光光谱仪起家。近几年,除了对优势的光谱仪投入外,还开始了色谱仪和质谱仪的研究,现研究拥有快速气相色谱——飞行时间质谱联用仪、液相色谱系统、气相色谱质谱联用仪等。

iTOFMS-1G快速气相色谱——飞行时间质谱联用仪

华大

成立:1999年

网站:https://www.genomics.cn/

简介:华大质谱平台始建于2010年,经过十余年的建设和发展,已形成基于高通量质谱检测技术为基础的蛋白质组学、多肽组学和代谢组学科学研究及高质量科技服务平台。目前已拥有液相色谱串联质谱平台多款检测试剂盒,自主研发创新前处理方法解决LC-MS/MS临床应用难点。此外,华大也积极布局飞行时间质谱平台,已研发生产有双功能飞行时间质谱仪GBI-MToF 1000,可用于微生鉴定与核酸质谱两大方向;前处理质谱点样仪MSP-96、质谱数据分析软件NuTyper,为MALDI-TOF平台提供全流程解决方案。

GBI-MToF 1000飞行时间质谱仪

丰华生物

成立:1999年

网站:http://www.bio-fenghua.com/

简介:目前获批的三重四级杆质谱分析系统FH-6000MD是与美国赛默飞世尔合作生产的。

FH-6000MD串联质谱分析系统

聚光科技

成立:2002年

网站:http://www.sk-kosmos.com/

简介:在环境保护和安全监测领域颇有建树,2015年成立其子公司谱育科技,布局气相、液相色谱质谱联用平台,拥有ICP-MS、三重四极杆ICP-MS、ICP-TOF等系列创新产品。

EXPEC 5210 液相色谱-三重四极杆质谱联用仪(LC-MS/MS)

迪尔生物

成立:2003年

网站:https://www.medicaldl.com/

简介:2018年4月推出自家第一款MALDI-TOF MS——DL SMART MS微生物快速鉴定质谱仪。

Smart MS全自动生物质谱检测系统

禾信仪器

成立:2004年

网站:http://www.tofms.net/

简介:成立于2004年,具备研制分辨率从100至10,000的各等级飞行时间质谱质量分析器的能力,目前有单颗粒气溶胶在线电离源、双极飞行时间质谱技术、真空紫外光电离源、膜进样系统等核心技术,研发出单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪、VOCs在线监测飞行时间质谱仪、微生物鉴定质谱仪等多款产品。

NucMass 2000全自动核酸质谱检测系统

英盛生物

成立:2009年

网站:http://www.ivdys.com/

简介:2019年与赛默飞世尔正式签署新一代液质联用及售后服务战略合作协议;2020年发布与赛默飞合作生产的电感耦合等离子体质谱仪ICP-MS(YS EXT 8600MD ICP-MS)。目前产品线包括:高效液相色谱串联质谱检测系统、电感耦合等离子体质谱仪、质谱全自动智能处理平台等。

YS EXT 9900 MD高效液相色谱串联质谱检测系统

毅新博创

成立:2011年

网站:http://www.bioyong.com/

简介:主要有PacBio RS II三代测序平台、MassARRAY核酸质谱平台、Q Exactive蛋白组鉴定质谱平台以及Clin-TOF多肽指纹图谱鉴定平台等。其中Clin-TOFⅠ飞行时间质谱主要关注临床菌株的检测,建立了超过3,500种临床菌种。

Clin-ICP-QMS-ll微量元素分析仪

金诺花科学仪器

成立:2017年

网站:

简介:推出CP-Light 1000 全自动微生物鉴定质谱系统,搭载自主研制长寿命固体激光器Biolite-355-PQ-50。目前微生物数据库覆盖550多个属、3,600多个种、60,000多个菌株图谱。并且CP-Light 1000具备微生物鉴定/核酸检测双模式一键切换功能,同时兼容不锈钢靶板和高灵敏硅芯片靶板。

CP-Light 1000 全自动微生物鉴定质谱系统

 参考文献:

[1] Ding, C., Konenkov, N. V., & Douglas, D. J. (2003). Quadrupole mass filters with octopole fields. Rapid Communications in Mass Spectrometry, 17(22), 2495-2502.

[2] Sheretov, E. P. (2000). Opportunities for optimization of the rf signal applied to electrodes of quadrupole mass spectrometers.: Part I. General theory. International Journal of Mass Spectrometry, 198(1-2), 83-96.

[3] 刘念, 刘锋, 许彬, 高亚兵, 李向红, 魏开华, ... & 杨松成. (2008). 生物组织质谱成像方法的建立及其在微波辐射后大鼠海马组织的蛋白组分析中的应用. 分析化学, 36(4), 421-425.

[4] 方向, 覃莉莉, & 白岗. (2005). 四极杆质量分析器的研究现状及进展. 质谱学报, (4), 234-242.

[5] 吴萍, 田晓旭, 殷跃, 苏晨, & 彭超. (2019). 生物质谱技术在蛋白质研究中的应用. In 中国生物化学与分子生物学会 2019 年全国学术会议暨学会成立四十周年论文集.


— THE END —


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