視點

第57屆匹茲堡會議及分析儀器發展趨勢評述

一、質譜儀器及其應用方面的發展趨勢

    質譜學及其儀器的發展是近年來分析化學、生命科學等諸多領域所關注的焦點，因此我們也對此給予特別關注。獲得了 2006 Pittcon 金獎的 LTQ Orbitrap 在同一臺儀器上接合了先進的線性離子阱技術（ LTQ ） [830-3 ， 1090-6 ， 1130-2] 和軌道阱（ Orbitrap ）技術，是二十多年來質譜分析領域的重大突破，被認為是一種全新的質量分析器。 LTQ Orbitrap 多級串聯組合高分辨質譜儀憑借其出眾的質量分辨率、質量精密度和動態檢測范圍等性能，*超越了現有的飛行時間（ TOF ）質譜系統，并廣泛應用于小分子研究、蛋白質組學、代謝組學和藥物開發等領域。由于將軌道阱分析器和 Finnigan 的線性離子阱分析器融合在一起，與傳統的質譜儀相比，它能夠對復雜的化合物提供快速而靈敏的檢測。因具有的很高的準確度、分辨率和靈敏度使它無疑成為現有的 TOF 分析器的強勁競爭者。普度大學的 Cooks[10-2 ， 520-1 ，2100-21p] 評價說， LTQ Orbitrap 的性能與 FT-ICR[1140-1] 相當，但 LTQ Orbitrap 卻更易于維護；與四極桿 TOF 相比，價格便宜還可以獲得更高的分辨率和較好的準確度。熱電公司的 PQD （ Pulsed-Q Dissociation ，脈沖 Q 解離 ) 和 Agilent 的 ETD （ electron transfer dissociation ，電子轉移解離）裂解裝置也引起了人們的關注。 PQD 是可以用于蛋白質分析的新的裂解技術，它消除了離子阱分析器中的質量歧視效應。采用該技術，可以在離子阱質譜中觀察到 m/z 小于母體離子 m/z 的三分之一的碎片，而采用傳統的離子阱儀器卻觀察不到。 Cooks 認為，利用 PQD 可以獲得高能量的激發環境，提高碎片的強度，因此能夠實現對多肽的更好鑒別。一年前被提出的 ETD 裂解也是針對蛋白質分析而設計的 [500-3] ，現在已經由 Agilent 和 Bruker 用于商業的離子阱儀器中。 ETD 是一種*的裂解技術，它可以產生很強的特征碎片，使得肽和蛋白質的分析更加簡單。 Varian 推出的 810-MS 和 820-MS 的 ICP-MS 具有新的碰撞反應界面（ CRI ） [1450-3] ，可以將碰撞或反應氣體直接引入等離子體中，而傳統儀器的碰撞或反應器卻是處于 ICP-MS 的質量分析器之前。 CRI 的性能與傳統的反應器相當，但干擾粒子的影響卻更小。對于復雜樣品中難測定的元素采用該儀器可以獲得更低的檢測限和更準確的測定結果。 New Wave Research 的 LIBS-Elite 具備激光溶損技術 [120-4] ，使各種樣品的元素分析更為方便。該儀器在常壓下采用了敞開的樣品池，簡化了樣品的處理。 Cetac Technologies 展示的 Aridus Ⅱ霧化系統可用于 ICP-AES 和 ICP-MS 中，采用該體系可以獲得較好的靈敏度，降低 ICP-MS 中氧化物的量，克服了氧化物譜圖與待測物譜圖相互迭加的缺點。

    常規質譜儀一般體積和重量都較大，某種程度上限制了它在現場的應用。過去十幾年人們一直致力于儀器的小型化研究，當然也包括質譜的小型化研究。在本屆的 Pittcon 上，至少出現了三種手提MS[2260-1 ， 2260-5 ， 2260-6] 系統，其中之一是 Microsaic System 采用 MEMS[260-2 ， 681-1] 技術將離子源、四極桿質量分析器和檢測器集成后離子芯片 [200-85p] 。這種質譜的離子芯片可用于固體、液體或氣體樣品的分析。普度大學演示了一種手提式的質譜儀 [200-81p ， 2260-8] ，它僅有一個鞋盒大小，重約 10kg ，具有快速準確的特點，可以用于航空安全方面以及環境方面。其他它有關質譜方面的重要進展有熱電公司的雙聚焦分析器和 Varian 的用于 ICP-MS 的新的 CRI 界面 [1450-3] 。

    如果能用一個高分辨率的顯微鏡觀察樣品并獲得其化學組成信息， 這樣的分析技術將具有廣闊的前景。目前，已有實驗室正在進行有關將顯微技術和光譜技術結合起來的研究 [1340-5] ，而且采用 MS 成像的方法來收集和解釋樣品的化學信息，能準確描述整個樣品中特定分子的分布。 與其它的影像技術相比，以 MS 為基礎的影像方法具有更多的優點 [1340-1] ，如不需要對待測物進行標記，分析物可以其zui初的形態被檢測，適用于研究生物分子的反應等。

    大多數的研究小組都采用了 SIMS （二級離子質譜） [120-3 ， 1340-5 ， 200- 51p] 和 MALDI （基體輔助激光解吸電離） [890-8 ， 180-7 ， 1290-1p ， 730-7] 兩種技術。在 SIMS 法中，采用高能離子轟擊樣品，逐出分析物離子（二級離子），離子再進入質量分析器。與之類似， MALDI 也涉及到在化學基體中制備樣品，不同之處是在 MALDI 中是用激光輻射樣品使之離子化。這兩種方法中，都使用 TOF 檢測離子 [180-6 ， 1200-3] 。這些技術都是互補的， SIMS 探針可以探測到 100nm 的深度，能提供納米級的分辨率。 MALDI 可以探測更深，但空間分辨率較低，這兩種方法在解析完整的生物分子時都是有效的。但就能探測到的分子質量范圍來說， SIMS 比 MALDI 更有限。例如， SIMS 可用于分析大的完整的蛋白質，用脈沖光束掃描樣品，可以得到化學影像；通過一系列相關位置的譜圖可以構建二維圖象，或者用脈沖光束照射大量的樣品可以得到影像，但需要使用能保持離子空間分布的方法如陣列檢測器收集檢測離子。在 ME-SIMS( M atrix-enhanced SIMS ) 的應用中， Heeren 和同事對淡水蝸牛的大腦組織樣品進行了影像研究 [1340-1] ，發現組織影像與傳統的顯微圖片很相似， MS 影像是來自于樣品某一區域的斑紋，圖象顯示了細胞中肽的位置。將 SIMS 改進后的另一方法是用一薄層金或其它物質包裹樣品以提高離子化效率和分析信號。金屬輔助的 SIMS 方法與其它的與基體有關的方法相似。 Heeren 的研究小組認為這種新方法可用于制備 MS 顯微圖片，具有很好的空間和化學分辨率。

    影像技術也吸引著進行臨床應用的研究者們， R ichard M. Caprioli 認為 MS 影像技術對于臨床化學具有潛在的意義，并zui終應用于醫生對病人的診斷方式中 [1340-3] 。 Caprioli 認為實現其潛力的關鍵在于將影像技術應用于病人疾病的病程確定和疾病發展的預測。 Caprioli 的課題組建立了以 MALDI 為基礎的方法，從人體乳腺腫瘤樣品的相同微區得到分子特征，而早期病理學家是通過組織學的方法來診斷其良性或惡性的。類似地，在研究軟組織腫瘤樣品時，化學影像表明，在某些情況下疾病已經滲透到腫瘤周圍更大范圍的組織，而傳統的病理學方法卻檢測不到。

    Pennsylvania State 大學化學教授 Nicholas Winograd ，zui近進行 SIMS 實驗 [1340-5] ，采用了高能 C60離子束 [430-28p] 轟擊樣品表面，結果表明方法具有良好的空間分辨率，能夠獲得巨噬細胞和星型細胞的細胞特征和分析物的分布情況。 C 60 的能量與其它的離子束相當 [1340-5] ，卻不能到達樣品表面以下，這樣樣品可以連續地被逐層剝離，研究人員就可以得到縱面圖形，zui終獲得三維的分子影像。該研究小組用含有肽的糖溶液將硅的薄片包裹起來并進行 SIMS 實驗，隨著薄膜逐漸被 C 60 剝蝕，可以獲得糖和肽的穩態信號。zui終，薄膜*剝離后就可以獲得硅的信號。如果用其它的 射線 或原子離子代替 C 60 ，粒子束會快速穿過肽膜而無法提供有關生物分子的信息。總之，生物樣品很復雜，對它們進行高分辨率的影像研究和化學成分分析是很有意義的事情，這方面的研究已經獲得了令人欣喜的突破。

文章出自“北京分析儀器研究所”