发明人解密:Nobel获奖技术ESI和AxION新质谱

2011-11-10 11:59 来源: 分析测试百科
收藏到BLOG

    ——PerkinElmer质谱资深科学家沈世达博士访谈

  【导语】如果您关注LC/MS,一定会熟悉ESI(电喷雾)这个词汇,不仅由于 ESI发明者John Fenn教授获了Nobel奖,还因为当今世界上几乎每台LC/MS都在使用它。可您真的了解ESI么?了解在ESI以后衍生发展的各种离子化技术么?

  为什么PerkinElmer要收购AoB公司?AxION为什么还没推出就已经接了80多台的订单?

  最好的机会,莫过于听世界上第一台商品化ESI源的发明人、John Fenn教授在耶鲁大学的关门弟子、原AoB公司的沈世达博士本人为我们解密。随着AoB被收购,沈博士也成为PerkinElmer公司LC/MS研发团队的项目领导人。BCEIA期间,我们有幸采访到沈博士,他不仅为我们详解LC/MS离子源的变迁和发展,还介绍了他本人带领的团队向业界奉献的力作AxION 2 TOF MS、及DSA直接分析离子源,希望对所有关注LC/MS技术的读者们有帮助……

  

世界上第一个商品化ESI源的发明人、诺贝尔奖获得者John Fenn的关门弟子、美国华人质谱协会董事会副主席、PerkinElmer质谱研发中心项目领导人沈世达博士

  历史简要回顾

  AoB/PerkinElmer/沈世达博士 和 LC/MS

  在采访前的报告中,沈博士对AoB公司、PerkinElmer公司的质谱研发团队、以及他本人都有简短的介绍。

  PerkinElmer公司1963年生产了第一台商用的GC/MS,慢慢发展成为今日的Claurs 600 GC/MS。在LC/MS上,PerkinElmer最早于1988年和Sciex成立合资公司生产LC/MS和ICP-MS,虽然两者都取得巨大的商业成功,但ICP-MS这部分属于今日的PerkinElmer,而LC/MS的那支花落今日的AB SCIEX公司。

  AoB(Analytica of Branford)公司由John B. Fenn教授和其学生Craig Whitehouse于1987年创建,AoB在MS领域开发了超过65项专利技术,包括离子源技术、离子传输技术、ESI-TOF联用技术等,拥有ESI和多分子电荷等技术的独家知识产权。1987年AoB就开始成为Finnigan、Agilent、Bruker、JEOL、IonSpec、Extrel等多家公司的OEM(设计制造)ESI离子源。1991年AoB开发最早的ESI-TOF MS (时间飞行质谱型号为Corsair),并成功地用于半导体行业。AoB高端的ESI-TOF MS(AxION)最早见于2009年的介绍,成功地用于鉴定如病毒、细菌等微生物/病原体,已被雅培(Abbott)订购80余套,雅培将脱盐富集系统、数据处理软件和AxION集成为Plex-ID系统并已在全球安装70余套。另一类型四极质谱Flexar SQ 300 LC/MS系统,已和美国一家主要的自动化设备公司合资开发LC/MS的应用。

  谈到自己,沈世达博士说:“我在质谱领域虽已做了20多年,但还是每天要学习要创新才能赶上质谱技术的飞快发展。回顾历史唯一值得庆幸的是自己赶上了好时机,质谱技术大发展的好时机,荣幸地成为世界上第一个商品化电喷雾源的制造者, 也是第一个在实验室里把LC和MS联机并实现LC/MS on line的科研工作者。

  John Fenn获得Nobel奖 和AoB公司

  沈博士回顾了John Fenn先生获Nobel奖的历史。

  1980年,耶鲁大学的John Fenn教授开始研究 ESI源, 22年后,John Fenn获得了2002年Nobel化学奖。但早在60年代初,美国西北大学的Malcolm Dole教授做了完全同样的工作,他随后发表了文章及实验数据,但最后却否定了自己。他说:也不知道什么原因,我放进去的东西和后面测定出来的结果对不起来,而且毫无规律。因此Dole认为:这个方法虽然可行,但没有实用价值。说到此,沈博士调侃地说:“实际上Dole应该拿Nobel奖,而不是我的导师John Fenn。”

  “但Dole有一个失误,这个失误被我的教授John Fenn发现了。1980年,他选了一个日本去的一个博士后Gado Yamashita,跟他讲Dole的工作有什么问题。事实上,当时John Fenn在质谱界没有名,但在稀薄气体动力学界及molecular beam很有名。而电喷雾有一个很重要的过程叫Free jet expansion(自由射流膨胀),即从大气压跑到真空里的一个物理过程。这其中,很重要的是需要考虑气体分子的冷凝Condensation,而Dole没有考虑,溶剂又回到溶质上、并且数量上跟着实验条件随机变化,所以他得到的结果是没有规律的。John Fenn提出了反吹干燥气体CCDG(Counter current drying gas)防止气化溶剂再冷凝,有效地解决了这个难题。”

  “1987年,John Fenn成立了AoB公司。这家公司不大,人最多时仅有40~50人,但所有做质谱的都知道这家公司。AoB当时主要做OEM:全世界的ESI有90%都跟我们有关——不是我们制作的,就是申请我们的专利而制作的。

  “我们在90年代开始发展自己的质谱,当时公司高层共同决策认为‘我们不能靠ESI吃一辈子。’我们在ESI上很强,但质谱上人家不见得信得过,可是良好的财政保证我们可以做质谱顺利实现产品转型。我们从90年代开始,放慢做、细致地做,争取每一个环节上都有改进或创新因此LC-MS中我们拥有很多专利。90年代中期我们的Corsair用在半导体芯片制造业获得成功;后来又做高端的TOF,已被雅培买了80多台。今年ASMS发布后,散户也卖了十几台。”

 

  ESI技术为什么能获得Nobel奖?

  离子源在质谱中的作用:必要条件 最关键的部件

  首先,沈博士谈到离子源在质谱中的作用。

  当今质谱按分析器分虽有6大类(四极杆、磁质谱、离子阱、飞行时间、FT-ICR MS、Orbitrap),但所有的质谱仪只对离子发生作用。所有样品要检测,第一步就是要离子化,这是必要条件;然后离子经过分析器(上述6种分析器之一或其组合),按照不同的物理方法分离开;最后到检测系统并经数据处理系统获得结果。所以离子源在质谱三大组成部分中是最关键的部件——离子源的重要性不言而喻。

  John Fenn的贡献 和 电喷雾原理

  关于ESI的基本原理,沈博士在采访前的发布会上刚刚介绍过。

  

  电喷雾离子化过程

  在几千伏高压电源的作用下,液体溶液从喷口喷出并雾化,由于电场作用,雾化的液体带电,这种带电液滴在飞行过程中,干燥气体作用下,溶剂不断被蒸发,液滴体积逐渐变小,电荷数量不变,在体积缩小到一定程度,电荷密度太大,静电排斥力大于表面张力,液滴就发生爆炸了,这个过程继续进行下去,最后就解析出离子进入质谱的真空区。整个过程很快,只有几个微秒(μs)。

  ESI为什么重要?沈博士具体谈到以下几点:

  (1)ESI是“软”电离。传统的方法是用高能电子或原子直接轰击分子的“硬”电离,分子会被打碎,分析的不是物质的原来的东西。而从ESI的原理可知,液滴里面有样品和电荷,溶剂挥发,最后只剩下分析物质和电荷。ESI“软“电离保证:你要测的样品是什么,你测出来就是什么。

  (2)第二点关键技术是ESI可产生多电荷。

  质谱仪测定的是质荷比m/z,同样是得到m/z=100,但如其分别带1个电荷、10个电荷、100个电荷,那么实际测的分子量就是100、1,000、10,000。80年代时最先进的质谱,分子量m/z范围最宽为1000-2000,没人可以测到上万的大分子。而利用电喷雾原理,使分子带上多电荷,拓宽了质谱仪可测定的分子量范围,现在最高可到几亿道尔顿。

  说到此处,沈博士兴奋地谈到当年的趣事,“发明ESI后,利用多电荷测定大分子量的记录不断被打破。我们在耶鲁用一种PEG做到500万道尔顿时,John Fenn很激动,还专门申请了专利,。可Dick Smith不到2个月,就做到了1,500万,后来又有人做到2500万……”

  在这里,笔者还追问了TOF可测定的分子量范围。沈博士说:“理论上TOF是没有m/z上限限制的,离子进入TOF后飞行的时间越长,可测的分子量就越大。实际却没有这么高,因为太长时间后,灵敏度降低、测不到了。真正的限制不是源于TOF分析器,而是由检测器系统引起的,因为检测的原理是离子打到检测器上引起二次电子发射,它要求离子的动量足够大。我们可以加更高电压来给离子很大动能(1/2 mv2),但因离子速度太低、动量(mv)很小,打到检测器上撞不出电子了。不过电压若加得太高也不行,里面可能要放电。所以,一般TOF设计到10,000-20,000 m/z就足够了。”

  ESI的贡献还有(3)是一种灵敏度极高的电离源,(4) 与LC能直接联机(5)为生命科学带来革命

  ESI使人类首次可以完整无损地测定蛋白质大分子;可进而测定大分子的结构、序列、变异并建立蛋白质分子数据库;对人类自身认识新陈代谢、疾病起源等起到一个革命性的变化;并导致一门崭新的学科——蛋白组学的诞生和发展。

本文中提到的仪器产品

延伸阅读