蛋白质组学研究利器——质谱

John

前言
质谱技术（Mass Spectrometry）在过去的二十年中发展迅速，是蛋白质组学和蛋白质研究中必不可少的技术手段，现已成为生命科学领域中最常用的发现和验证工具之一。本期我们将要学习的是——什么是“质谱”，以后在实验室工作中听到“打质谱”（专业一点的叫法“液质联用系统”）这个特殊的“暗号”，也就能明白里面的门道了。其实质谱的应用领域很多，本文主要介绍蛋白质组学领域质谱的相关情况。
蛋白质组学研究的挑战
我们在上一期的文章中提到，蛋白质组学的研究对象是细胞、组织或生命个体中的所有蛋白质及其活动规律，这是一项极具挑战性的工作，主要表现为四个方面：

• 体内蛋白质是极其复杂的，同一个基因可能被翻译成多个蛋白，随后进行不同的剪切、修饰、亚细胞器定位和与不同的分子相互作用，都会发挥不同功能；
  
• 蛋白质在体内随时处于动态变化的状态，例如吃了一个酸甜可口的橘子、上台演讲时造成的内心紧张，都会造成体内蛋白质表达或修饰水平等的变化；
  
• 蛋白质不能扩增，低丰度的蛋白质难以检测；
  
• 体内蛋白质含量的动态范围很宽，至少可达10个数量级，相当于月球与一粒沙子之间的质量差异。
  

想要解决上述的研究困境，目前有效应对蛋白质组学研究挑战的利器就是——质谱仪。
随着质谱技术的持续发展，科学家们可以更加高效地解决蛋白质组学研究中碰到的难题。



（质谱仪是称量分子“质量”的仪器）

质谱仪的基本构造
质谱仪（Mass Spectrometer），简称质谱（MS），通俗说来，质谱是称量分子“质量”的仪器。在蛋白质组学的研究中，质谱需要称量的分子的“质量”一般包括母离子（Precursor）的质荷比（m/z）和母离子打碎后的碎片离子（Fragment ion）的质荷比。
样品中的蛋白质酶解为肽段后，由“进样模块”进入质谱，经过“离子源”使肽段带上电荷，肽段母离子（或母离子的碎片离子）进入“质量分析器”进行扫描，信号被“检测器”记录下来，存储到电脑中得到质谱原始数据。
不同生产厂家和不同类型的质谱的外观各不相同，但其内部构造主要都包含离子源（Ion source）、质量分析器（Mass analyzer）、检测器（Detector）三大部分。



（质谱主要构造：离子源、质量分析器、检测器）

离子源的作用是让待测分子带上电荷，只有带上电荷，分子才能进入质谱进行扫描。蛋白质组学研究中，主要用的离子化方式是电喷雾电离（Electrospray ionization, ESI）。ESI的发明人John Fenn和另一种电离方式MALDI的发明人Koichi Tanaka，他们共同获得了2002年的诺贝尔化学奖。ESI和MALDI的发明让质谱能够检测生物大分子变为现实。
质量分析器是质谱的最核心部件，作用是区分待测分子的质量大小（m/z），以便对其进行分离或扫描。市面上常见的质量分析器有四极杆（Quadrupole）、离子阱（Ion trap）、飞行时间（Time-of-flight, TOF）、静电场轨道阱（Orbitrap），其中，TOF和Orbitrap属于高分辨的质量分析器。
检测器的作用是将待测分子的信号进行转化和记录，得到质谱的原始数据。



（常见的质量分析器）

质谱的类型
大家在日常质谱宣传材料或文献中看到的质谱型号，比如Q Exactive HF、Orbitrap Exploris 480、TripleTOF 6600、timsTOF Pro等，都是各质谱生产厂家给这款质谱的商品名。行业里通常会根据质量分析器的不同，对质谱进行分类。
实际应用中，我们常常将两种或两种以上的质量分析器串联起来使用，按照上述分类方法，常见的质谱类型有Q-Orbitrap、Q-TOF、Q-IT-Orbitrap等。Thermo公司的Q Exactive系列的仪器和Orbitrap Exploris 480都属于Q-Orbitrap类型的质谱；Sciex公司的TripleTOF系列的仪器都属于Q-TOF类型的质谱；蛋白质组学质谱新锐Bruker公司的timsTOF Pro系列的仪器也是Q-TOF类型的质谱，其创新之处在于使用了离子淌度技术对待测复杂样品多了一个维度的分离。
液质联用系统
蛋白质组学领域的质谱，更专业的叫法是液质联用系统，简写为LC-MS，可见其包含两个相对独立的部件，一是液相色谱（LC），二是质谱（MS）。在上述中有提到的“质谱主要构造”一图中，左侧的“进样模块”功能即是由LC部分实现的。因此，液质联用系统中的液相部分的主要作用是进样和分离。



（LC的基本结构）

由上图可见，液质联用中的液相的构造与常规HPLC的构造并无本质差别。其中最主要的区别在于蛋白质组学领域中液质联用中的LC通常为纳升液相（或微流液相），常用的流速为300 nL/min。纳升液相（nano LC）使用纳升色谱柱、利用超高压（可达1000 bar）以达到上样量少、灵敏度高的效果。LC和MS组成一个有机整体，样品通过LC中的自动进样器进入分析柱进行分离，触发MS对分离的待测分子进行实时扫描得到质谱数据。
小结
本篇主要向大家介绍了蛋白质组学研究中用到的质谱，也就是液质联用系统。可以从不同角度来理解液质联用系统：以质谱为主的角度来看，液相部分是质谱的样品引入（Sample inlet）模块；以液相为主的角度来看，质谱部分则是液相的检测器（Detector）模块，且这个检测器的功能远比常规的紫外检测器功能强大很多。

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