視點(diǎn)

第57屆匹茲堡會議及分析儀器發(fā)展趨勢評述

一、質(zhì)譜儀器及其應(yīng)用方面的發(fā)展趨勢

    質(zhì)譜學(xué)及其儀器的發(fā)展是近年來分析化學(xué)、生命科學(xué)等諸多領(lǐng)域所關(guān)注的焦點(diǎn)，因此我們也對此給予特別關(guān)注。獲得了 2006 Pittcon 金獎的 LTQ Orbitrap 在同一臺儀器上接合了先進(jìn)的線性離子阱技術(shù)（ LTQ ） [830-3 ， 1090-6 ， 1130-2] 和軌道阱（ Orbitrap ）技術(shù)，是二十多年來質(zhì)譜分析領(lǐng)域的重大突破，被認(rèn)為是一種全新的質(zhì)量分析器。 LTQ Orbitrap 多級串聯(lián)組合高分辨質(zhì)譜儀憑借其出眾的質(zhì)量分辨率、質(zhì)量精密度和動態(tài)檢測范圍等性能，*超越了現(xiàn)有的飛行時(shí)間（ TOF ）質(zhì)譜系統(tǒng)，并廣泛應(yīng)用于小分子研究、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)和藥物開發(fā)等領(lǐng)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(tǒng)的質(zhì)譜儀相比，它能夠?qū)?fù)雜的化合物提供快速而靈敏的檢測。因具有的很高的準(zhǔn)確度、分辨率和靈敏度使它無疑成為現(xiàn)有的 TOF 分析器的強(qiáng)勁競爭者。普度大學(xué)的 Cooks[10-2 ， 520-1 ，2100-21p] 評價(jià)說， LTQ Orbitrap 的性能與 FT-ICR[1140-1] 相當(dāng)，但 LTQ Orbitrap 卻更易于維護(hù)；與四極桿 TOF 相比，價(jià)格便宜還可以獲得更高的分辨率和較好的準(zhǔn)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(zhuǎn)移解離）裂解裝置也引起了人們的關(guān)注。 PQD 是可以用于蛋白質(zhì)分析的新的裂解技術(shù)，它消除了離子阱分析器中的質(zhì)量歧視效應(yīng)。采用該技術(shù)，可以在離子阱質(zhì)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(tǒng)的離子阱儀器卻觀察不到。 Cooks 認(rèn)為，利用 PQD 可以獲得高能量的激發(fā)環(huán)境，提高碎片的強(qiáng)度，因此能夠?qū)崿F(xiàn)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(zhì)分析而設(shè)計(jì)的 [500-3] ，現(xiàn)在已經(jīng)由 Agilent 和 Bruker 用于商業(yè)的離子阱儀器中。 ETD 是一種*的裂解技術(shù)，它可以產(chǎn)生很強(qiáng)的特征碎片，使得肽和蛋白質(zhì)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(yīng)界面（ CRI ） [1450-3] ，可以將碰撞或反應(yīng)氣體直接引入等離子體中，而傳統(tǒng)儀器的碰撞或反應(yīng)器卻是處于 ICP-MS 的質(zhì)量分析器之前。 CRI 的性能與傳統(tǒng)的反應(yīng)器相當(dāng)，但干擾粒子的影響卻更小。對于復(fù)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(zhǔn)確的測定結(jié)果。 New Wave Research 的 LIBS-Elite 具備激光溶損技術(shù) [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(tǒng)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(diǎn)。

    常規(guī)質(zhì)譜儀一般體積和重量都較大，某種程度上限制了它在現(xiàn)場的應(yīng)用。過去十幾年人們一直致力于儀器的小型化研究，當(dāng)然也包括質(zhì)譜的小型化研究。在本屆的 Pittcon 上，至少出現(xiàn)了三種手提MS[2260-1 ， 2260-5 ， 2260-6] 系統(tǒng)，其中之一是 Microsaic System 采用 MEMS[260-2 ， 681-1] 技術(shù)將離子源、四極桿質(zhì)量分析器和檢測器集成后離子芯片 [200-85p] 。這種質(zhì)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(xué)演示了一種手提式的質(zhì)譜儀 [200-81p ， 2260-8] ，它僅有一個(gè)鞋盒大小，重約 10kg ，具有快速準(zhǔn)確的特點(diǎn)，可以用于航空安全方面以及環(huán)境方面。其他它有關(guān)質(zhì)譜方面的重要進(jìn)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(gè)高分辨率的顯微鏡觀察樣品并獲得其化學(xué)組成信息， 這樣的分析技術(shù)將具有廣闊的前景。目前，已有實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行有關(guān)將顯微技術(shù)和光譜技術(shù)結(jié)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(xué)信息，能準(zhǔn)確描述整個(gè)樣品中特定分子的分布。 與其它的影像技術(shù)相比，以 MS 為基礎(chǔ)的影像方法具有更多的優(yōu)點(diǎn) [1340-1] ，如不需要對待測物進(jìn)行標(biāo)記，分析物可以其zui初的形態(tài)被檢測，適用于研究生物分子的反應(yīng)等。

    大多數(shù)的研究小組都采用了 SIMS （二級離子質(zhì)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(shù)。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(jìn)入質(zhì)量分析器。與之類似， MALDI 也涉及到在化學(xué)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(shù)都是互補(bǔ)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(shí)都是有效的。但就能探測到的分子質(zhì)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(zhì)，用脈沖光束掃描樣品，可以得到化學(xué)影像；通過一系列相關(guān)位置的譜圖可以構(gòu)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(yīng)用中， Heeren 和同事對淡水蝸牛的大腦組織樣品進(jìn)行了影像研究 [1340-1] ，發(fā)現(xiàn)組織影像與傳統(tǒng)的顯微圖片很相似， MS 影像是來自于樣品某一區(qū)域的斑紋，圖象顯示了細(xì)胞中肽的位置。將 SIMS 改進(jìn)后的另一方法是用一薄層金或其它物質(zhì)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(guān)的方法相似。 Heeren 的研究小組認(rèn)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(xué)分辨率。

    影像技術(shù)也吸引著進(jìn)行臨床應(yīng)用的研究者們， R ichard M. Caprioli 認(rèn)為 MS 影像技術(shù)對于臨床化學(xué)具有潛在的意義，并zui終應(yīng)用于醫(yī)生對病人的診斷方式中 [1340-3] 。 Caprioli 認(rèn)為實(shí)現(xiàn)其潛力的關(guān)鍵在于將影像技術(shù)應(yīng)用于病人疾病的病程確定和疾病發(fā)展的預(yù)測。 Caprioli 的課題組建立了以 MALDI 為基礎(chǔ)的方法，從人體乳腺腫瘤樣品的相同微區(qū)得到分子特征，而早期病理學(xué)家是通過組織學(xué)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(shí)，化學(xué)影像表明，在某些情況下疾病已經(jīng)滲透到腫瘤周圍更大范圍的組織，而傳統(tǒng)的病理學(xué)方法卻檢測不到。

    Pennsylvania State 大學(xué)化學(xué)教授 Nicholas Winograd ，zui近進(jìn)行 SIMS 實(shí)驗(yàn) [1340-5] ，采用了高能 C60離子束 [430-28p] 轟擊樣品表面，結(jié)果表明方法具有良好的空間分辨率，能夠獲得巨噬細(xì)胞和星型細(xì)胞的細(xì)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(dāng) [1340-5] ，卻不能到達(dá)樣品表面以下，這樣樣品可以連續(xù)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(jìn)行 SIMS 實(shí)驗(yàn)，隨著薄膜逐漸被 C 60 剝蝕，可以獲得糖和肽的穩(wěn)態(tài)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(guān)生物分子的信息。總之，生物樣品很復(fù)雜，對它們進(jìn)行高分辨率的影像研究和化學(xué)成分分析是很有意義的事情，這方面的研究已經(jīng)獲得了令人欣喜的突破。

文章出自“北京分析儀器研究所”