生命科學:質譜技術應用研究的主戰場

　　儀器信息網訊 2016年7月2日，在第30屆中國化學會年會舉行期間，由中國化學會質譜分析專業委員會組織的質譜分會場如期舉行，本次會議為期兩天半。將有42名專家學者先後為大家帶來精彩報告。

　　質譜分析法是通過對被測樣品離子的質荷比的測定來進行分析的一種分析方法。19世紀末科學家已經奠定了這種方法的基礎，1912年科學家第一次利用它獲得對分子的分析結果。100多年來科學家們不斷探索、改善儀器性能，開發儀器的應用領域。

　　在質譜技術的發展中，我國科學家無論從儀器研製，還是儀器應用，都做出了自己的貢獻。尤其是近年來隨著國家科研經費的大力投入，我國的質譜儀器研製及應用研究水平都有了顯著的提高，質譜研究隊伍也不斷擴大。在中國化學會質譜專業委員會最新推出的《質譜團隊簡介》(第二期)中，就收錄有國內72個從事質譜研究的專家團隊，據秘書長林金明介紹，質譜專業委員會還將進一步收集整理國內的質譜研究團隊，爭取在2017年中國化學會第三屆全國質譜分析學術報告會期間成冊。

《質譜團隊簡介》(第二期)

　　目前，質譜技術不僅在化學分析領域發揮重要作用，在生命科學領域的重要性更是日益凸顯，甚至被稱為科學家們探索生命奧秘的「最佳拍檔」。在本次質譜會議中，多個質譜研究團隊都介紹了質譜技術在生命科領域的應用。

南京大學陳洪淵院士

　　陳洪淵院士在質譜分會場的開幕詞中說道：「我是一名質譜新兵，我有興趣學質譜，質譜分析對於生命化學分析非常重要。」

　　「要了解生命，必須了解生命中的物質及其變化。基因組學、蛋白質組學、代謝組學等組學研究為生命過程的理解提供了深入的全面的理論依據，質譜分析為以上組學研究提供了關鍵的技術平臺。當前，質譜技術在生命分析領域面臨的挑戰主要有靈敏度的提高、空間解析度的提高、實施在線的生物分析，以及質譜儀器的小型化。」陳洪淵說道。

    質譜技術在蛋白質組學研究中的應用

中國科學院分離分析化學重點實驗室張玉奎院士

　　中國科學院分離分析化學重點實驗室張玉奎多年來從事利用質譜聯用技術實現蛋白質的高效分離與高靈敏檢測的研究，提出了構建蛋白質分離-在線酶解-多肽分離-質譜鑑定的蛋白質分離鑑定平臺的思路，發展了多種蛋白質原位微酶反應器，以及低豐度蛋白的富集方法。張玉奎介紹說，如何實現蛋白質的快速有效分離和鑑定，為生物學家提供更多的信息，是質譜分析工作者應當做的。

國家蛋白質科學中心(北京)錢小紅研究員

　　蛋白質有著複雜的翻譯後修飾，如磷酸化和糖基化等，其中蛋白質糖基化修飾引起生物功能多樣性，並與生理病理過程密切相關。但糖基化分析面臨著糖鏈複雜、含量低、離子化率低等分析挑戰。國家蛋白質科學中心(北京)錢小紅研究員在本次會議中，介紹了課題組開發的一系列糖蛋白、糖肽富集和標記新材料和新試劑，顯著提高了糖蛋白、糖肽的富集效率和質譜鑑定規模，為系統性的糖蛋白質組研究提供了有力的工具。

復旦大學教授楊芃原

　　復旦大學生物醫學研究院楊芃原也介紹了一種新型糖肽富集材料ZICF-PAMAM，並將其與FASP樣品處理方法結合進行糖肽富集。據介紹，利用該方法檢測糖肽最低檢測限可達飛摩爾級，回收率超過90.01%，能夠從0.1微升人血清樣品中高效富集糖肽。

廈門大學教授杭緯

　　金屬蛋白與人體的生化過程息息相關，許多蛋白質的結構特異性和特殊功能的實現都依賴於其與金屬離子的相互作用。廈門大學化學化工學院教授杭緯搭建了一套大氣壓雷射電離-電噴霧電離質譜用於金屬多肽的氣相相互作用研究。通過高功率雷射電離濺射金屬靶產生氣相金屬離子，通過電噴霧電離產生多肽離子，使其二者在大氣壓下反應生成金屬多肽，進入質譜得以分析。據介紹，相比於傳統的電噴霧電離方法，此法避免了高濃度金屬離子溶液帶來的信號抑制效應和稀釋效應，反應可控性大大提高。

　　質譜技術在結構生物學領域的應用

北京生命科學研究所研究員董夢秋

　　北京生命科學研究所研究員董夢秋介紹了化學交聯結合質譜鑑定技術在結構生物學中的應用。據介紹，自2008年以來，董夢秋實驗室一直與中科院計算所pFind研究團隊合作開發蛋白質化學交聯結合質譜鑑定技術(chemical cross-linking of proteins coupled withmass spectrometry)，簡稱CXMS，並開發了相應的交聯肽段質譜鑑定軟體pLink。目前，pLink的用戶已經超過600，遍布世界各地，既有來自學術界的，也有來自生物技術或製藥公司的。

　　CXMS能夠幫助解析蛋白質的三維結構以及蛋白質複合體各亞基之間相互作用的界面。該技術雖然只能提供鑑定到的交聯胺基酸(通常是賴氨酸)之間的空間距離信息，但不需要蛋白質晶體，也不需要大量的高度純化的蛋白，實驗簡單，性價比高，因而備受生物學家青睞，是對現有結構生物學技術的重要補充。報告中，董夢秋通過若干實例講解CXMS的用途、現存問題以及我們對CXMS數據的深度理解。

    生物質譜MALDI-TOF MS的技術研究

　　基體輔助雷射解吸電離飛行時間質譜(MALDI-TOF MS)作為生物質譜最主要的組成部分之一，由於其分析速度快、靈敏度高、適合於複雜體系分析及抗雜質幹擾能力強的特點，成為當前質譜領域中的研究熱點。但由於受小分子基質的幹擾，其很難檢測到分子量小於400Da的化合物。

　　為此科學家們通過開發新的基質，或通過將小分子轉移動到高質量區域測定等方法成功解決了MALDI-TOF-MS測定小分子化合物的難題。

　　

香港浸會大學教授蔡宗葦

　　香港浸會大學教授蔡宗葦近年來主要從事質譜在生命科學中的應用及代謝組學在環境毒理學中的應用。報告中他介紹了通過利用石墨烯、磁性石墨烯複合物，以及納米材料作為基質，成功實現了對小分子進行富集分析。

武漢大學化學與分子科學學院教授馮鈺錡

　　武漢大學化學與分子科學學院馮鈺錡基於多肽質譜探針，建立了MALDI-TOF-MS分析小分子化合物的方法。通過多肽化，小分子目標分析物的分子量增大，從而避免了MALDI-MS分析中低分子量區域嚴重的基質幹擾。另外，利用多肽化的方法，生物樣品中的目標分析物也能被清楚地檢測到。

南京大學教授鞠熀先

　　南京大學教授鞠熀先將納米技術、化學衍生及化學生物學與傳統質譜分析方法結合，通過磁性碳納米管等納米材料，提出低豐度生物小分子與蛋白的選擇性富集手段，建立了無需另加基質的MALDI-MS檢測方法。另外，針對阻礙MALDI-MS定量分析的瓶頸，鞠熀先課題組利用分子標記實現了MALDI定量，並用於多肽和酶活性的定量檢測，擴展了這一技術的應用範圍。

中央民族大學教授再帕爾阿不力孜

　　中央民族大學生物成像與系統生物學研究中心再帕爾阿不力孜採用自主研發的新型敞開式空氣動力輔助離子化(AFAI)及其質譜成像技術(AFAI-MSI)，整合代謝組學的整體、全面分析特點，發展了一種免標記、高靈敏、寬覆蓋的成像(原位)代謝組學新方法，並成功應用於鎮靜催眠候選新藥(NHBA)的作用機制，成功發現與藥物作用機制或調控作用密切相關的功能小分子;同時將該技術應用於腫瘤生物標誌物的原位篩查及免標記分子病理診斷的研究，實現了原位生物標誌物的發現與腫瘤篩查，獲得肺癌、乳腺癌等惡性腫瘤的分類、分型及分化程度等診斷信息。

北京微量化學研究所陳君

　　北京微量化學研究所陳君則介紹了介孔二氧化矽MCM-41對MALDI-MS分析肽類的影響。

　　元素質譜在生物分析領域的應用

廈門大學教授王秋泉

　　元素質譜(特別是電感耦合等離子體質譜，ICP-MS)是進行元素分析的重要工具。近年來發展起來的化學選擇性和生物特異性元素編碼策略與同位素稀釋技術結合使得ICP-MS在生物分子的定量分析方面顯示出極大的優越性。王秋泉介紹說元素質譜在生物分析領域的應用有：目標蛋白標誌分子的絕對定量;目標生物分子的「組成」和「結構」分析;細胞(細菌、病毒)的計數;細胞(細菌、病毒)亞細胞單元的「組成」和「結構」分析;當然這些研究成果最終是要應用於疾病診斷、藥物篩選和生物學機制研究。

國家蛋白質科學中心(北京)秦偉捷

　　秦偉捷介紹說，利用鑭系金屬獨特的光學性質以及在ICP-MS中良好的響應性能，我們研發了一種基於鑭系金屬的雙功能探針。我們將鑭系金屬發光螯合物通過蛋白酶特異的底物肽段，連在納米金顆粒的表面。通過細胞內蛋白酶對作為橋聯劑的底物肽段的水解作用，調控螯合物發光成像並釋放鑭系金屬。藉助ICP-MS對釋放的鑭系金屬進行準確而靈敏地定量分析，首次得到了腫瘤細胞內caspase-3在不同條件下活性變化的螢光定位成像和準確定量信息。

　　質譜技術在代謝組學研究中的應用

東華理工大學顧海巍

　　傳統的標靶質譜分析方法在代謝組學中發揮著重要作用，對檢測代謝物具有優異的選擇性和卓越的定量能力。然而，傳統的標靶質譜分析只能針對性地檢測代謝物，其覆蓋範圍通常只能涵蓋少量預先選定的化合物。

　　顧海巍在報告介紹了一種新方法，全面標靶質譜分析(GOT-MS)，它結合了代謝組學中傳統標靶分析和輪廓分析的許多優點，包括能檢測未知物、代謝物覆蓋範圍廣、以及優秀的定量能力。GOT-MS的關鍵步驟是使用液相色譜-三重四極杆(LC-QQQ)質譜儀全面地搜索母離子和子離子。對於大部分檢測到的MRMs代謝產物，GOT-MS的分析性能優於傳統的使用四極杆-飛行時間質譜儀(Q-TOF)的代謝輪廓分析。在診斷直腸癌(CRC)的代謝組學研究中，GOT-MS顯著優於傳統的標靶質譜分析，並能給基於Q-TOF-MS的輪廓分析提供互補的代謝標記物信息。

    其他關於質譜技術在生命科學領域應用的報告

北京大學劉小雲

    北京大學化學與分子工程學院劉小雲介紹了磷酸化蛋白質組學揭示沙門氏菌效應蛋白SptP磷酸酶底物及與宿主相互作用機制。

清華大學李海芳

　　清華大學李海芳介紹了基於晶片-質譜聯用的腫瘤細胞藥物代謝分析。

北京大學周江

　　北京大學周江介紹了競爭模式質譜法區分小分子與G-四鏈體的結合位點。

　　除了質譜技術在生命科學領域的應用，第一天的會議報告還包括了質譜技術在有機反應機理、藥物分析、手性分析等方面的應用。

浙江大學教授潘遠江

　　浙江大學教授潘遠江介紹了電噴霧質譜中有機反應中間體的製備和活性研究。據介紹，課題組在氣相中「合成」一些壽命極短、活性極高的有機反應中間體，如苯炔銅絡合物離子、滷素鎓離子、乃春陽離子、磷卡賓陽離子等。該類氣相反應的發現對研究乃春陽離子和磷卡賓陽離子參與的反應機理研究有重要指導意義。

華中師範大學化學學院鍾鴻英

　　與DNA和蛋白質相比，有機小分子不具有線性重複的序列單元，因此未知小分子化合物結構的質譜鑑定面臨較大的技術難題。華中師範大學化學學院鍾鴻英建立了雷射誘導隧道電子俘獲軟電離方法來進行小分子化合物的鑑定，並對相應的裂解機理進行了研究，取得了一定進展。

　　

武漢大學藥學院教授陳子林

　　武漢大學藥學院教授陳子林介紹了課題組在毛細管電泳及電色譜與質譜聯用技術及其在藥物分析中應用方面的研究進展，包括CE/CEC-MS聯用的納流電噴霧界面技術;基於PEEK毛細管的聚多巴胺功能化修飾技術的毛細管電色譜柱技術;基於非水毛細管電泳-質譜聯用的中藥活性組分分析新方法及多級質譜裂解行為研究。

南開大學孔祥蕾

　　南開大學元素有機國家重點實驗室孔祥蕾開展了基於質譜-紅外解離光譜技術進行手性藥物識別和分析的方法的相關研究，解決了質譜在手性分析中存在的再現性差，難以實現高效的手性區分的缺點。

中國化學會質譜專業委員會秘書長林金明主持會議

會議現場

　　此次質譜分會場的會議舉行得到了日立、布魯克、島津和百靈威等儀器及試劑公司的贊助。

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