洞察 | 龙争虎斗！赛默飞推出新款Orbitrap质谱仪，但依旧难挡TOF对蛋白组学市场的侵蚀

2022年，在上个月荷兰马斯特里赫特举行的国际质谱会议上，赛默飞世尔推出了Orbitrap Ascend Tribrid，这是一款针对蛋白质组学和生物制药应用的高端仪器。

利用离子阱作为分析器的质谱仪称为离子阱质谱仪。使用最多的是由高频率电场进行离子封闭的保罗阱（Paul trap）。由一个双曲面截面的环形电极和上下一对端电极构成。封闭在真空池内的离子，通过高频电压扫描，将离子按m/z从池中引出进行检测。离子阱质谱仪是一种低分辨时间串联质谱仪。可以进行msⁿ的测定（通常n=2-6）。而且价格比其它类型的串联质谱仪便宜。在有机物定性方面得到了很广泛的应用。

这次赛默飞新质谱仪的发布时间点选择的非常巧妙，刚好处于飞行时间质谱仪（TOF），尤其是布鲁克公司的TIMSTOF系列正在对赛默飞世尔的Orbitrap技术提出了严峻的挑战的当下。虽然在过去的十年里，Orbitrap技术在大部分时间里一直是蛋白质组学研究的主导者。

飞行时间质谱仪 Time of Flight Mass Spectrometer (TOF) 是一种很常用的质谱仪。这种质谱仪的质量分析器是一个离子漂移管。由离子源产生的离子加速后进入无场漂移管，并以恒定速度飞向离子接收器。离子质量越大，到达接收器所用时间越长，离子质量越小，到达接收器所用时间越短，根据这一原理，可以把不同质量的离子按m/z值大小进行分离。

Ascend拥有多种功能，包括一个经过优化的新离子漏斗，以提高蛋白质翻译后修饰的覆盖率，一个具有两个独立碰撞池的新架构，以提高测定的灵活性和周期时间，以及Orbitrap扫描速度高达45赫兹。

威斯康星大学麦迪逊分校化学和生物分子化学教授Josh Coon说，在使用该仪器的早期工作中，他的团队观察到，与他们使用以前的Tribrid仪器的工作相比，他们能够识别的磷酸肽的数量增加了20%到30%。

在Coon看来，增加第二个碰撞池是新系统中最重要的进步，他指出这一功能将提高仪器的速度，并使研究人员能够分析更多引入机器的离子。

传统上，碰撞池一直是质谱运行的一个障碍点，特别是在使用电子转移解离等较慢的碎片化方法时。现在有了两个碰撞池，研究人员可以同时向两个碰撞池注入离子，这应该会改善仪器的工作周期。

赛默飞世尔的产品管理高级总监Jim Yano说，双碰撞单元架构也提供了灵敏度的提升。

“当你在Orbitrap或离子阱中进行分析时，你实际上可以[在碰撞池中]积累离子，因此你的灵敏度得到提高。这对我们的合作者来说是一个关键，能够捕获这些离子并提高对低水平蛋白质的敏感性。”

西北大学生命过程化学研究所所长Neil Kelleher说，该仪器还可以为自上而下的蛋白质组学研究提供改进。

在他使用该系统的早期工作中，与以前的Tribrid系统相比，他已经能够将每个自上而下的实验的扫描次数增加一倍。这些额外的扫描应该能让研究人员改善他们正在研究的蛋白酶的特征，并在每次实验中描述更多的蛋白酶。

赛默飞世尔还针对蛋白质组学以外的领域发布了新产品，也许最突出的是生物制药，它希望仪器的扩展质量范围选项，使分子分析达到16,000 m/z，将证明是有用的。

Orbitrap VS TOF，蛋白组学市场的龙争虎斗

不过在蛋白质组学领域，新平台似乎不太可能阻碍TOF仪器的持续复兴，这是近年来的一个发展，其驱动因素包括新的、更先进的系统的推出，信息学的改进，以及独立于数据的采集工作流程的日益普及。

约翰霍普金斯大学药理学和分子科学系的蛋白质组学研究员Ben Orsburn说，Ascend的推出“并没有改变我的任何购买计划”。

Orsburn曾是赛默飞世尔公司蛋白质组学方面的高级现场应用科学家，他说目前TOF技术的高速度让他很难再回到基于Orbitrap的慢速仪器。

布鲁克公司的TimsTOF HT是该公司的顶级仪器，其最高速度为150赫兹，而Sciex的ZenoTOF 7600系统的速度高达133赫兹。相比之下，Ascend的Orbitrap分析仪的速度为45赫兹。

长期以来，TOF提供的扫描速度比基于Orbitrap的仪器高，但这些扫描的质量较差，Orbitrap的支持者通常认为，较少的高质量扫描比大量的低质量扫描产生更好的蛋白质组学数据。

对于产品优劣的争论，总是难以进行明确的界定，但如果我们把销售额做为重要的参考标准的话，大部分人应该都会认同这个标准。

自从2005年，赛默飞世尔将Orbitraps技术引入商业领域后的十年中，Orbitraps是蛋白组学领域的王者，一直主导着自下而上的蛋白质组学研究。

但事情在2012年起了变化，Sciex（当时的AB Sciex）在当年推出采用Swath DIA技术的TripleTOF 5600+仪器时，该系统和方法似乎是Orbitraps的有力替代品，但赛默飞世尔的回应是发布了几种为其仪器量身定做的DIA方法，包括它在2011年推出的以QTOF市场为目标的Q Exactive，而Orbitrap技术仍然是蛋白质组学研究者的明确最爱。

然而，随着布鲁克公司在2016年推出TimsTOF质谱仪，这一趋势开始发生变化，它将捕集离子迁移率光谱法（TIMS）与高端QTOF系统结合起来。TIMS与质谱的结合对蛋白质组学来说是全新的，实现了各种新的工作流程，比如平行积累-串行碎片分析（PASEF），它将通过TIMS收集离子与QTOF仪器上的快速四极杆切换结合起来，实现了多个同时洗脱的前体离子的碎片分析。

2017年，布鲁克公司推出了该仪器的更新版本，即TIMSTOF Pro。而在今年6月，它又推出了该系统的最新版本，TimsTOF HT。它还发布了一个专门针对小样本量和单细胞应用的版本，叫做TimsTOF SCP。该平台似乎很受欢迎。8月，布鲁克公司总裁兼首席执行官Frank Laukien说，自TimsTOF推出以来，该公司已经投放了500多台TimsTOF仪器，其年收入超过1.25亿美元。

除了销售数字，衡量TimsTOF的成功和对蛋白质组学的影响的一个显著标准是顶级蛋白质组学研究人员在该平台上进行的方法和技术开发，如马克斯-普朗克生物化学研究所的蛋白质组学和信号转导部门负责人Matthias Mann和斯克里普斯研究所的分子医学和神经生物学教授John Yates III。

Orsburn表示，人们对TOF的兴趣越来越大，不仅仅是TimsTOF，他引用了Sciex公司的ZenoTOF 7600系统作为一个平台，也在吸引研究人员的注意。

DIA的兴起和对基于DIA的分析的信息学工具的大量投资是推动这一现象的关键因素，表明这些发展可能已经改变了围绕扫描速度和质量之间的权衡的思维。

“DIA的信息学真的很好、很先进。每个人都在某种程度上使用机器学习或深度学习来挖掘光谱并使之合理化。TOF质谱以前实际上并不是垃圾；我们只是没有足够的智慧去看它。”

虽然约翰霍普金斯大学的蛋白质组学核心设施长期以来一直由Orbitraps主导，但它目前正在尝试使用TimsTOF和ZenoTOF。

Orsburn说：“有一段时间以来，我们实际上有这样的竞争，我知道的每个人都在送出样品来演示至少两台仪器，如果不是三台仪器的话。”

加州大学戴维斯分校蛋白质组学核心设施主任Brett Phinney说，在2019年购买TimsTOF之前，他已经有近20年没有使用过TOF了。

他的实验室首先研究了TimsTOF的PTM工作，认为该仪器的速度在这方面可能很有用。

Phinney说：“我想我们当时正在研究泛素化，而这些数据把我们正在研究的Orbitrap吹走了。我们当时想，‘好吧，我们已经有三个Orbitraps，让我们看看其他的怎么样’。这就是为什么我们选择了它。”

他的实验室目前主要使用TimsTOF进行DIA实验，但也经常使用Thermo Scientific Orbitrap Exploris 480进行DIA工作，以及Orbitrap Fusion Lumos Tribrid，这是新Ascend仪器的前身。

Phinney说他的实验室通常用TimsTOF做较短液相色谱梯度的实验，用Orbitrap仪器做需要较长液相色谱梯度的实验。这主要是由于Orbitraps有更好的长梯度液相选择。

事实上，随着质谱仪器出现平价的时刻，这些仪器可用的前期LC系统的质量是一个关键的区别因素。

关于LC，赛默飞世尔“现在的选择比布鲁克公司好得多”，他指出前者的质量规格更容易与更多、更新的设备兼容。

“质量规格都非常好，但放在它们前面的液相色谱有很大的区别。有些人会说，‘是的，TimsTOF真的比480好，又或者480真的比TimsTOF好’，但除非你保持他们是用的LC不变，否则无法真正进行这种比较。我就是这么想的，然后交换了LC，结果就完全不同了。”