蛋白质质谱测序技术和仪器国产化

2015-10-19 18:38 来源: 本站原创
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  2015年10月17日,第二届全国质谱分析学术报告会在浙江大学紫荆港校区体育馆盛大开幕,在5位院士的精彩报告后,多位学者做了高水平的大会报告。

  

复旦大学杨芃原教授:蛋白质质谱测序技术和仪器国产化

  复旦大学教授杨芃原教授做题为《蛋白质质谱测序技术和仪器国产化》的报告。蛋白质质谱测序技术原理是根据DNA对应的氨基酸序列模块(或肽模块)测序,需要考虑特异的N端序列,蛋白非特异序列,蛋白特异序列。在质谱方面可考虑综合使用多种质量分析器,首先就是实现各种分析器和器件的技术突破。杨教授接下来回顾了课题组研制的TOF、线性离子阱、IT-TOF联用、以及静电轨道离子阱等核心分析器,以及配套的器件。

   现代飞行时间质量分析器(TOF)的理论和技术由Alexander Dodonov等人建立,关键技术是:控制垂直引入离子束的最小始飞动能和位置,以及最佳的反射器补偿结构和电压。四极杆、线性离子阱和TOF的联用也获得了成功,是国际蛋白质质谱测序技术和仪器的主流。

   Dodonov教授的几大贡献,也就是ESI-TOF的关键几大技术。(1)如何将ESI产生的高离子动能从大于1500eV降到0EV。杨教授介绍了课题组研发的离子透镜,可以成功降低离子动能。(2)如何将离子束垂直引入推斥区,课题组研发了自主知识产权的离子光学技术。(3)如何设计和制作离子束垂直引入发射型TOF。课题组在自主技术的822系列中实现了各种技术,1999年已获得16,000的分辨率,并研发出国内首台高分辨ESI-TOFMS(见2002年照片资料)。随后,课题组发明高精度的圆环电极反射器技术,进一步研制了分辨率达20000的TOF分析器。

   接下来,杨教授介绍课题组研制的四极杆和线性离子阱,这两种质量分析器的现代理论和制作技术由Dan Douglas等人创建。四极杆和离子阱源于相同的四极场束缚离子束的理论,因此以四极杆为硬件基础的线性离子阱,兼顾了四极杆高通量选择离子和离子阱储存离子的优点,在近十年来得到迅速发展,典型的仪器是LTQ。Doglas曾提出,可以用圆杆代替双曲面杆,课题组也自主研制了四极杆核心分析器,并采用自主技术的模块化电子部件。又研制出自主技术的四极杆方式的高精度线性离子阱,并发展了在线性离子阱模式时离子累积的关键技术,用自主技术的选择性离子富集(SAIT)技术,大大提升了串级灵敏度和高响应信号区域,甚至优于商用仪器。其余自主技术还包括:双重四极杆系统,离子累加器/反应器,离子阱系统控制器。

   在多项技术积累之后,课题组设计了高精度QLIT-TOFMS(四极线性离子阱-飞行时间质谱),重点研制了可控的离子累加器/反应器(SAIT),可有效提高阱容量10-1000倍,获得更高质量的质谱图。在蛋白质测序专用QTOF系统方面,课题组之前已研制出821型TOFMS,并实现了大量电子学部件的国产化;近期研究成功LIT-TOF2样机,具有:线性离子阱-飞行时间联用,多级串联,和高分辨定性等综合性能。该系统实现了创新的Trap-pulse接口,在离子阱后给予离子能量,达到TOF的离子能量初始化要求。课题组还正在研制三重四极杆/线性离子阱质量分析器(类QTrap)。

   在追赶和创新最新的静电轨道离子阱(Orbitrap)技术方面,课题组也进行了大量工作。现代Orbitrap的理论和技术由Alexander Makarov等人提出,已经推演为今天的纺锤体筒加中心纺锤状实体电极,离子阱沿中心电极的周期运动和离子的m/z有关,且可以通过复数形式的傅立叶变换获得分辨率高于50万的质谱。而超导磁场离子回旋共振质谱(FTICR-MS),根据Enjene Nikolaev等的现代理论和技术,改进了离子阱的电学结构和参数,目前已经实现了分辨率达1千万的顶尖水平。Orbitrap的结构和原理中,离子具有3个(轴旋转、径向振荡、轴向振荡)特征频率,离子的相位差可以用傅立叶变换补偿,因此分辨率得到极大的提高。而目前的商品化仪器极其昂贵,如QE达60万美元,Fusion达100-150万美元。在此意义上,中国人一定要掌握静电轨道离子阱技术。课题组已研制出自主技术的静电离子阱分析器,和静电分析器耦合接口,并在将离子束高效引入轨道离子阱方面,推导出离子入射最佳的切线方向,并用复数傅立叶变换技术消除离子初始动能的影响,目标是实现50万的分辨率。