生物质谱技术原理及其应用与展望

　　生命科学被誉为21世纪的最前沿科学之一，随着人类第一张基因序列草图的完成和发展，生命科学的研究也将进入一个崭新的后基因组学，即蛋白质组学时代。正如基因草图的提前绘制得益于大规模全自动毛细管测序技术一样，后基因组研究也将会借助于现代生物质谱技术等得到迅猛发展。本文拟简述生物质谱技术及其在生命科学领域研究中的应用。

　　1. 质谱技术

　　质谱(Mass SPectrometry)是带电原子、分子或分子碎片按质荷比(或质量)的大小顺序排列的图谱。质谱仪是一类能使物质粒子高化成离子并通过适当的电场、磁场将它们按空间位置、时间先后或者轨道稳定与否实现质荷比分离，并检测强度后进行物质分析的仪器。质谱仪主要由分析系统、电学系统和真空系统组成。

　　质谱分析的基本原理

　　用于分析的样品分子(或原子)在离子源中离化成具有不同质量的单电行分子离子和碎片离子，这些单电荷离子在加速电场中获得相同的动能并形成一束离子，进入由电场和磁场组成的分析器，离子束中速度较慢的离子通过电场后偏转大，速度快的偏转小;在磁场中离子发生角速度矢量相反的偏转，即速度慢的离子依然偏转大，速度快的偏转小;当两个场的偏转作用彼此补偿时，它们的轨道便相交于一点。与此同时，在磁场中还能发生质量的分离，这样就使具有同一质荷比而速度不同的离子聚焦在同一点上，不同质荷比的离子聚焦在不同的点上，其焦面接近于平面，在此处用检测系统进行检测即可得到不同质荷比的谱线，即质谱。通过质谱分析，我们可以获得分析样品的分子量、分子式、分子中同位素构成和分子结构等多方面的信息。

　　质谱技术的发展

　　质谱的开发历史要追溯到20世纪初J.J.Thomson创制的抛物线质谱装置，1919年Aston制成了第一台速度聚焦型质谱仪，成为了质谱发展史上的里程碑。

　　最初的质谱仪主要用来测定元素或同位素的原子量，随着离子光学理论的发展，质谱仪不断改进，其应用范围也在不断扩大，到20世纪50年代后期已广泛地应用于无机化合物和有机化合物的测定。

　　现今，质谱分析的足迹已遍布各个学科的技术领域，在固体物理、冶金、电子、航天、原子能、地球和宇宙化学、生物化学及生命科学等领域均有着广阔的应用。质谱技术在生命科学领域的应用，更为质谱的发展注入了新的活力，形成了独特的生物质谱技术。

　　2. 生物质谱技术

　　电喷雾质谱技术和基质辅助激光解吸附质谱技术是诞生于80年代末期的两项轨电离技术。这两项技术的出现使传统的主要用于小分子物质研究的质谱技术发生了革命性的变革。它们具有高灵敏度和高质量检测范围，使得在pmol(10-12)甚至fmol(10-15)的水平上准确地分析分子量高达几万到几十万的生物大分子成为可能，从而使质谱技术真正走入了生命科学的研究领域，并得到迅速的发展。以下主要介绍与生物医学有关的几项质谱技术。

　　电喷雾质谱技术

　　电喷雾质谱技术(Electrospray Ionizsation MassSpectrometry，ESI-MS)是在毛细管的出口处施加一高电压，所产生的高电场使从毛细管流出的液体雾化成细小的带电液滴，随着溶剂蒸发，液滴表面的电荷强度逐渐增大，最后液滴崩解为大量带一个或多个电荷的离子，致使分析物以单电荷或多电荷离子的形式进入气相。电喷雾离子化的特点是产生高电荷离子而不是碎片离子，使质量电荷比(m/z)降低到多数质量分析仪器都可以检测的范围，因而大大扩展了分子量的分析范围，离子的真实分子质量也可以根据质荷比及电行数算出。

　　电喷雾质谱的优势就是它可以方便地与多种分离技术联合使用，如液一质联用(LC-MS)是将液相色谱与质谱联合而达到检测大分子物质的目的。

　　生命科学被誉为21世纪的最前沿科学之一，随着人类第一张基因序列草图的完成和发展，生命科学的研究也将进入一个崭新的后基因组学，即蛋白质组学时代。正如基因草图的提前绘制得益于大规模全自动毛细管测序技术一样，后基因组研究也将会借助于现代生物质谱技术等得到迅猛发展。本文拟简述生物质谱技术及其在生命科学领域研究中的应用。

　　1. 质谱技术

　　质谱(Mass SPectrometry)是带电原子、分子或分子碎片按质荷比(或质量)的大小顺序排列的图谱。质谱仪是一类能使物质粒子高化成离子并通过适当的电场、磁场将它们按空间位置、时间先后或者轨道稳定与否实现质荷比分离，并检测强度后进行物质分析的仪器。质谱仪主要由分析系统、电学系统和真空系统组成。

　　质谱分析的基本原理

　　用于分析的样品分子(或原子)在离子源中离化成具有不同质量的单电行分子离子和碎片离子，这些单电荷离子在加速电场中获得相同的动能并形成一束离子，进入由电场和磁场组成的分析器，离子束中速度较慢的离子通过电场后偏转大，速度快的偏转小;在磁场中离子发生角速度矢量相反的偏转，即速度慢的离子依然偏转大，速度快的偏转小;当两个场的偏转作用彼此补偿时，它们的轨道便相交于一点。与此同时，在磁场中还能发生质量的分离，这样就使具有同一质荷比而速度不同的离子聚焦在同一点上，不同质荷比的离子聚焦在不同的点上，其焦面接近于平面，在此处用检测系统进行检测即可得到不同质荷比的谱线，即质谱。通过质谱分析，我们可以获得分析样品的分子量、分子式、分子中同位素构成和分子结构等多方面的信息。

　　质谱技术的发展

　　质谱的开发历史要追溯到20世纪初J.J.Thomson创制的抛物线质谱装置，1919年Aston制成了第一台速度聚焦型质谱仪，成为了质谱发展史上的里程碑。

　　最初的质谱仪主要用来测定元素或同位素的原子量，随着离子光学理论的发展，质谱仪不断改进，其应用范围也在不断扩大，到20世纪50年代后期已广泛地应用于无机化合物和有机化合物的测定。

　　现今，质谱分析的足迹已遍布各个学科的技术领域，在固体物理、冶金、电子、航天、原子能、地球和宇宙化学、生物化学及生命科学等领域均有着广阔的应用。质谱技术在生命科学领域的应用，更为质谱的发展注入了新的活力，形成了独特的生物质谱技术。

　　2. 生物质谱技术

　　电喷雾质谱技术和基质辅助激光解吸附质谱技术是诞生于80年代末期的两项轨电离技术。这两项技术的出现使传统的主要用于小分子物质研究的质谱技术发生了革命性的变革。它们具有高灵敏度和高质量检测范围，使得在pmol(10-12)甚至fmol(10-15)的水平上准确地分析分子量高达几万到几十万的生物大分子成为可能，从而使质谱技术真正走入了生命科学的研究领域，并得到迅速的发展。以下主要介绍与生物医学有关的几项质谱技术。

　　电喷雾质谱技术

　　电喷雾质谱技术(Electrospray Ionizsation MassSpectrometry，ESI-MS)是在毛细管的出口处施加一高电压，所产生的高电场使从毛细管流出的液体雾化成细小的带电液滴，随着溶剂蒸发，液滴表面的电荷强度逐渐增大，最后液滴崩解为大量带一个或多个电荷的离子，致使分析物以单电荷或多电荷离子的形式进入气相。电喷雾离子化的特点是产生高电荷离子而不是碎片离子，使质量电荷比(m/z)降低到多数质量分析仪器都可以检测的范围，因而大大扩展了分子量的分析范围，离子的真实分子质量也可以根据质荷比及电行数算出。

　　电喷雾质谱的优势就是它可以方便地与多种分离技术联合使用，如液一质联用(LC-MS)是将液相色谱与质谱联合而达到检测大分子物质的目的。

　　肽指纹图谱(PePtide Mass Fingerprinting，PMF)测定是对蛋白酶解或降解后所得多肽混合物进行质谱分析的方法，对质谱分析所得肽片与多肽蛋白数据库中蛋白质的理论肽片进行比较，从而判别所测蛋白是已知还是未知。由于不同的蛋白质具有不同的氨基酸序列，因而不同蛋白质所得肽片具有指纹的特征。

　　采用肽指纹谱的方法已对酵母、大肠杆菌、人心肌等多种蛋白质组进行了研究。对大肠杆菌经PVDF膜转印的蛋白质的研究表明，三个肽片即可达到对蛋白质的正确识别。而采用原位酶解的方法对酵母蛋白质组研究的结果显示，约90%的蛋白质被识别，其中三十多种新蛋白质被发现，而这些蛋白质是酵母基因组研究中未能识别的开放阅读框架。研究显示，肽指纹谱的方法比氨基酸组成分析更为可靠，这是因为MALDI测定肽质量的准确度为99.9%，而氨基酸组成分析的准确度仅为90%。另外MALDI可以耐受少量杂质的存在，对于纯度不是很高的样品也能得到理想的结果。

　　对肽序列的测定往往要通过串联质谱技术才能达到分析目的，它采用不同的质谱技术选择具有特定质荷比的离子，并对其进行碰撞诱导解高，通过推断肽片的断裂，即可导出肽序列。

　　质谱与核酸研究

　　现代质谱技术自诞生以来在多肽及蛋白质的研究中获得了极大的成功，于是人们开始偿试着特质谱技术用于核酸的研究工作，近年来合成寡核苷酸及其类似物作为反义治疗剂在病毒感染和一些癌症的治疗方面有着良好的前景，寡核苷酸作为药物其结构特征必须进行确证。常规的色谱或电泳技术只能对其浓度和纯度进行分析，而对其碱基组成、序列等结构信息却无能为力。

　　ESI和MALDI质谱技术的出现为寡核苷酸及其类似物的结构和序列分析提供了强有力的方法，它是将被测寡核苷酸样品先用外切酶从3'或5'端进行部分降解，在不同时间内分别取样进行质谱分析，获得寡核苷酸部分降解的分子离子峰信号，通过对相邻两个碎片分子质量进行比较，可以计算出被切割的核苷酸单体分子质量，将其与四个脱氧苷酸的标准分子量进行对照，就可以读出寡核苷酸的序列。由于MALDI技术分辨率的问题，使得其更适合于减基数较少的短链核酸的分析。

　　如何获得高分辨率的DNA质谱图一时间成为了研究的热点问题，由于DNA的化学结构存在着不同于蛋白质的结构特征，使得DNA样品存在某些特殊性，一是其结构中存在着磷酸基因，有形成钠磷化合离子的趋势;二是在激光解吸离子化过程中它的结构不如蛋白质稳定，易形成碎片，这导致峰宽和分子离子的强度变弱，从而使得分辨率下降。

　　1995年，M.L.Vestal等把离子延迟引出(lonDelayed Extraction，DE)技术应用于MALDI-MS中，不但提高了MALDI-MS的分辨率，而且也开创了质谱应用于DNA研究领域的新局面。国内邓慧敏等也应用DE-MALDI-MS法测定了混合碱基DNA，获得了高分辨率的DNA质谱图。

　　质谱与临床医学

　　除了应用于蛋白质和核酸研究以外，质谱还以其灵敏度和高分辨率在临床医学检测中得到了广泛的应用，如对药物代谢产物的动态分析，癌细胞蛋白质的鉴定，同位素标记物的检测等。其中用同位素14C标记的14C-尿素呼吸试验和15N标记的15N-排泄试验已成为临床检测胃幽门螺杆菌(HP)的有效手段。

　　质谱与检测

　　随着生物工程技术的发展，大量的生物工程产品不断出现，传统的测定分子量及纯度的方法已不能担当此重任，现在人们把MALDI-TOF-MS应用于此领域，得到了很好的效果。

　　4. 展 望

　　随着科学技术的进步，质谱也得到了快速的发展，特别是与生物技术的结合，开创了质谱应用的新领域，质谱已成为生命科学研究中非常重要的工具。其研究成果也将大大丰富人类基因组的研究，并将使人类对生命的本质，其发生发展过程的认识达到一个前所未有的新高度。