10000字深度拆解｜四大质谱技术PK：代谢组学与蛋白质组学如何选择？

营养师

LC-MS、GC-MS、CE-MS 和 IMS-MS在代谢组学与蛋白质组学中的适用性比较

代谢组学和蛋白质组学研究中，不同类型的色谱-质谱联用技术被广泛应用于分离和鉴定生物样品中的化合物。这些技术包括液相色谱-质谱联用（LC-MS）、气相色谱-质谱联用（GC-MS）、毛细管电泳-质谱联用（CE-MS）以及离子迁移谱-质谱联用（IMS-MS）。它们各自具有不同的分离原理和检测特点，在分析挥发性小分子、极性代谢物、肽段和蛋白质等各种分子时表现出不同的适用性和优势。
本文将系统比较这四种联用质谱技术在代谢组学和蛋白质组学中的适用性，从基本原理、分子适配性、覆盖范围、分辨率与灵敏度、样品前处理、成本与通量以及数据分析复杂度等方面进行讨论，并结合典型应用和文献实例提供参考。


（液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）系统示意图。其中包括液相色谱部分（左，下方为流动相溶剂A和B的储瓶，上方为高压输液泵、进样器和色谱柱）以及质谱检测部分（右，上方为离子源接口将LC流出物电离，进入质谱质量分析器，如四极杆或离子阱等，然后由检测器记录，并在计算机上呈现分析结果）。该图右侧的计算机屏幕展示了一个三维的LC-MS数据图谱（色谱图和各组分的质谱）。）

01 各联用技术的基本原理

1. LC-MS 基本原理

液相色谱-质谱联用（LC-MS）利用液相色谱（通常为高效液相色谱，HPLC）先将样品中的组分在液体流动相中分离，然后通过界面将流出的组分在线电离并引入质谱检测。
LC部分通常采用反相色谱分离疏水性或中等极性的化合物，如脂质、甾体等，同时可通过改用亲水相互作用色谱（HILIC）模式分离强极性代谢物。


质谱部分常使用大气压电离技术（如电喷雾电离ESI或大气压化学电离APCI）将液相流出物电离成气相离子，再根据质荷比检测。LC-MS的软电离方式（尤其ESI）可以在不破坏待测物分子骨架的情况下产生分子离子，使之适用于小分子代谢物和大分子如肽段、蛋白质的检测。LC-MS 的一个重要优势是无需对大多数代谢物进行化学衍生化即可直接分析原始形态的化合物，极大扩大了可检测的代谢物种类。目前LC-MS已成为代谢组学领域最主要的平台之一，也是蛋白质组学（特别是肽段分析）的核心技术手段。


（LC-MS获得的三维数据示意图。底部平面上横轴代表液相色谱的保留时间，纵轴（底部平面内）可理解为色谱基线上的色谱信号（总离子流强度）；右侧垂直平面显示在某一色谱峰顶点处对应的质谱图（m/z vs 强度）。LC-MS数据本质上包含了保留时间、质荷比和离子强度三个维度的信息，可从中提取每个色谱峰对应的质谱用于定性鉴定。）
2. GC-MS 基本原理

气相色谱-质谱联用（GC-MS）使用气相色谱将样品组分在高温下汽化并通过充当流动相的惰性载气进行分离，然后将气相流出物导入质谱进行电离和检测。
GC 的色谱柱为细长的毛细管柱，常涂有固定相，在温控下利用不同组分的沸点和极性差异实现高效分离。GC的分离效能通常非常高，具有极高的理论塔板数，使其对于复杂混合物中的组分分离能力突。然而，GC 要求分析物必须挥发性或耐热，因此对于极性或高分子量的代谢物通常需要先通过衍生化步骤转化为易挥发的衍生物后才能上柱分析。




在质谱部分，GC-MS传统上采用电子轰击电离源（EI）在高真空、高能电子束下将中性分子电离并碎片化。EI是一种“硬电离”方式，会产生可重复的碎片离子图谱，这些碎片峰可用于通过标准谱库进行化合物鉴定。由于GC-MS使用气相载体，基质中共洗脱物质对电离的抑制效应较小，因而其检测的重现性和抗离子抑制能力较好。GC-MS 已发展成熟，具备高分辨率、高灵敏度、良好重现性和丰富的标准EI谱图库等优点，且单次分析成本相对低廉，因此很早就应用于代谢组学领域并至今仍是主要的平台之一。


（GC-MS 总离子流色谱图（TIC）实例。此色谱图来自一份人尿样的有机酸分析（患者为糖尿病酮症酸中毒），每个峰代表一种经过衍生化的代谢物。左侧在8-10分钟出现的三个主要色谱峰（自左至右）分别鉴定为：β-羟丁酸，乙酰乙酸（TMS 衍生物峰1）和乙酰乙酸（TMS 衍生物峰2）；右侧22分钟附近的高峰为内标物戊癸酸（PDA）。该图体现了GC-MS在生物样品有机酸分析中的应用，可通过保留时间和碎片谱库鉴定代谢物身份。）



LC-MS 和 GC-MS 平台在质谱中的离子源比较

3. CE-MS 基本原理



（用于阴离子代谢物的各种 CE-MS 方法示意图。（a） 使用熔融石英毛细管的负 CE 模式，（b） 阳离子聚合物涂层毛细管的负 CE 模式，EOF 反转，以及 （c） 使用熔融石英毛细管的压力交接正 CE 模式。）
毛细管电泳-质谱联用（CE-MS）采用毛细管电泳（CE）在狭窄的毛细管中对分析物进行高效分离。CE利用高压电场驱动带电分析物在缓冲溶液中迁移，不同分子因电泳迁移率差异而分离。
CE的分离机制类似于凝胶电泳，但在毛细管内进行，因毛细管直径小、散热效率高，可施加更高场强，获得极高的分离效能（理论塔板数常可达105以上），因此对于带电的极性小分子（如氨基酸、核苷酸、有机酸、带磷酸基的糖等）特别有效。
与LC和GC不同，CE无需传统固定相，分离主要由分析物电荷和大小决定。CE-MS接口通常通过电喷雾离子源将毛细管流出液直接电离引入质谱。由于CE使用的缓冲液需与质谱兼容，常采用挥发性盐类，且要避免过高盐浓度以免干扰电喷雾稳定性。
CE-MS的突出优势是样品用量极低（进样体积常为纳升级），非常适合珍贵样本或体积受限样本的分析。它对强极性、带电的代谢物解析能力很强，能检测许多LC或GC难以分析的离子类化合物。过去CE-MS因接口技术限制而一度被认为重复性差、稳定性不足。但近年来随着无鞘液界面等新技术发展，CE-MS在多个领域展现出良好的可靠性，大规模多中心研究证明其分析重现性可与LC-MS和GC-MS相媲美。因此，CE-MS正逐渐成为代谢组学分析的有力补充工具。


（毛细管电泳（CE）仪器的基本结构示意图。样品通过进样端引入细长的毛细管中，两端缓冲液槽分别连接高压电源的阳极和阴极。高压加电后，带正电和负电的分析物将在电场驱动下分别向阴极和阳极方向迁移，由于不同离子的电泳迁移率不同，它们在经过一定毛细管长度时会彼此分离。在毛细管出口处通常安装检测器（如UV或电喷雾质谱离子源），记录不同分析物到达检测窗口的时间（迁移时间）和信号强度，形成电泳图谱（electropherogram）。）



无鞘 CE-MS 接口示意图。（a） 基于多孔尖端的无鞘界面，以及 （b） 具有无护套接口的纳米毛细管 CE。

4. IMS-MS 基本原理

离子迁移谱-质谱联用（IMS-MS）是一种将气相离子迁移分离与质谱检测结合的技术。不同于LC、GC和CE在离子形成前对中性分子的分离，IMS发生在质谱分析的前端，直接对气相离子进行再次分离。IMS通常在充满中性缓冲气体的漂移管中施加电场，带电离子在电场力驱动下向检测器漂移，同时受到逆向流动的惰性气体阻力作用。离子迁移率取决于离子的电荷、质量和碰撞截面大小：质量小、构型紧凑的离子与气体碰撞少，移动更快；而质量大或结构展开的离子碰撞阻力大，移动较慢。因此，IMS能够在毫秒级时间尺度上根据离子形状和大小差异将同质荷比的离子彼此分离。现代高分辨率IMS仪器的分辨能力（如圆筒形循环离子迁移谱，cIMS）已经可达R>100，足以分离许多结构非常相似的异构体离子。IMS与质谱串联时，通常是将经过迁移分离的离子再按质荷比送入质谱分析，实现二维分离。由于IMS分离发生在质谱检测之前且耗时极短（毫秒级），与液相色谱等相比不会明显降低整体分析通量。值得注意的是，IMS本身并不改变质谱检测的质荷信息，但它提供了每个离子的迁移时间或换算得到的碰撞截面（CCS）。CCS是一项可用于辅助化合物鉴定的有用物理参数：借助已建立的CCS数据库，可以将未知代谢物的测得CCS与文献值比对，从而提高鉴定准确性。IMS-MS在近年来迅速普及于蛋白质组学和代谢组学等领域，被誉为为质谱分析增加了“第四维”信息（继质荷比、保留时间/迁移时间和强度之后）。


（离子迁移谱-质谱联用（IMS-MS）的基本流程。首先由离子源将样品电离产生气相离子；接着在离子迁移谱仪中根据离子在惰性气体中的迁移率进行分离；然后分离后的离子进入质谱分析器按质荷比检测；最后记录离子信号进行数据分析。IMS-MS通过在传统质谱分析前增加“迁移分离”步骤，实现了真正的多维分离检测。）

02 不同技术对分子类型的适配性

不同联用技术对不同性质和尺寸的分子分析各有擅长。以下按分析物类型列出各技术的适用性：
挥发性小分子：对于具有高挥发性或易气化的小分子化合物，GC-MS 最为适用。GC-MS 在检测小分子挥发性代谢物（如短链脂肪酸、醇类、酮类、醛类以及许多挥发性有机化合物）方面性能优异，其气相色谱高分离度和成熟的EI质谱库有助于复杂样品中众多小组分的定性。值得一提的是，即使一些目标代谢物本身不够挥发，仍可通过化学衍生化提高挥发性后用 GC-MS 分析（例如有机酸经甲硅烷化衍生后检测）。
极性代谢物：对于强极性、不易挥发的代谢物（如氨基酸、神经递质、核苷、糖磷酸等），LC-MS 和 CE-MS 更为适合。LC-MS 可通过HILIC色谱模式有效分离强极性的代谢物，并结合ESI实现高灵敏检测。CE-MS 则在分析带电的小分子方面表现突出，例如氨基酸、有机酸和带磷酸基团的代谢物，CE-MS 的分离效率和选择性往往优于LC-MS。相较之下，传统GC-MS难以直接分析这些极性代谢物，除非经过繁琐的衍生化步骤 。
肽段（多肽）：LC-MS 是蛋白质组学中肽段分析的标准工具。通过胰蛋白酶消化蛋白得到肽段后，采用反相LC-MS/MS可以实现成千上万种肽段的分离鉴定。LC-MS的软电离确保肽段分子离子完整，引入串联质谱可进一步获得序列信息。因此，自下而上的蛋白质组学几乎清一色采用LC-MS/MS。CE-MS 在肽段分析中也有应用，尤其是针对复杂肽混合物或某些特殊肽类分析。一些研究将CE-MS用于肽组学（peptidomics）或生物标志物小肽的发现，利用CE的高分离效能补充LC的不足。例如，Mischak 等通过CE-MS分析人尿中的本底肽段，建立了疾病诊断的多肽生物标志模型。然而GC-MS并不适用于肽段，因为多肽不可能直接气化，也无法通过简单衍生实现气化分析。
整蛋白/大型生物大分子：对于完整蛋白质和高分子量生物聚合物的分析，需区别对待。传统上顶下而上的蛋白质组学将蛋白酶解为肽段后用LC-MS分析；但近年来顶上而下或“完整蛋白质组学”也发展起来。LC-MS 可以在“软电离”条件下分析中等大小（几十千道尔顿）的蛋白，如使用适当质谱（如Q-TOF或Orbitrap）可测定蛋白分子量和亚基组成。CE 在分离带电大分子方面也有独特优势，可用于分析蛋白质的不同电荷异构体或结合态，例如利用CE分离蛋白的构象或修饰差异，然后质谱检测。此外，IMS-MS 在结构生物学中开始应用于蛋白质构象和复合物研究。IMS 能根据蛋白质离子的形状大小区分构象异构体，结合高分辨质谱可以研究蛋白质的高阶结构和相互作用。相比之下，GC-MS 不适用于任何整蛋白分析。
综上，各技术各有所长：GC-MS 专攻小而挥发的分子，LC-MS 和 CE-MS 覆盖大多数中小分子尤其是极性组分，而IMS-MS 则提供了对异构体和高阶结构的额外解析能力。在实际研究中，经常需要将多种技术结合，以覆盖整个代谢物或蛋白质组空间。

03 化合物覆盖范围比较

检测覆盖范围是指每种技术能够胜任分析的化合物类型广度，包括代谢物种类数量、化学多样性（极性/疏水性范围等）。总体而言：
GC-MS：适合挥发性、中等极性的小分子，尤其是碳氢化合物、脂肪酸、甾体等。经过衍生化处理后，GC-MS还可覆盖有机酸、氨基酸、糖类等原本不挥发的代谢物。GC-MS 拥有广泛的标准质谱库（主要基于EI碎片谱），因此在未知代谢物鉴定上有优势。但GC-MS难以覆盖高极性或热不稳定的代谢物（这些需要改用LC-MS或CE-MS）。总体来说，GC-MS 典型一次分析可检测数百种代谢物，主要偏向脂溶性和中等极性的小分子。
LC-MS：具有最广泛的代谢物覆盖范围。通过选择不同色谱模式（反相用于疏水化合物，HILIC用于亲水化合物），LC-MS 几乎可涵盖从极性小分子到疏水大分子的各种代谢产物。LC-MS在不经衍生的情况下即可检测很多化合物，因此能发现更多的原态代谢物。一篇综述指出LC-MS是代谢组学中应用最广的平台，可检测的代谢物种类和动态范围均是最丰富的。因此，LC-MS 常用于全局代谢组分析，典型的非靶向LC-MS实验可检测数千个特征峰。
CE-MS：专长于高极性、带电的小分子，使其可检测一些LC-MS遗漏的代谢物类别。CE-MS 对阴离子代谢物（如有机酸、糖磷酸）和阳离子代谢物（如氨基酸、生物胺）都有很高的覆盖度，在这方面可补充LC-MS。有研究比较了非靶向LC-MS和CE-MS，发现CE-MS检测的代谢特征数目甚至高于LC-MS，这归因于CE选择性不同以及样品预处理差异。不过CE-MS无法覆盖不带电的疏水分子（这些更适合LC-MS）。总体来说，CE-MS 将代谢物覆盖范围向极端极性端延伸，使一些极性代谢路径（如氨基酸代谢、核苷酸代谢）的研究受益。
IMS-MS：本身不直接增加可检测的化合物类别，但通过在质谱分析前增加迁移率分离，能在不提升色谱维度的情况下增强对复杂样本的解析能力。IMS 尤其有助于区分结构类似的异构代谢物，例如区分顺反异构或手性异构体等。因此，在应用IMS-MS时，虽然进入质谱的化合物种类与原LC-MS或GC-MS相同，但可分辨的特征峰数量往往增加，等于有效覆盖了以前重叠的代谢物。另外，IMS提供的碰撞截面（CCS）信息可以用于辅助识别特殊类型化合物（如结构类属鉴定），某种意义上也拓展了化合物鉴定的范围。
综上，LC-MS在代谢物覆盖面上最广，其次是结合GC-MS和CE-MS各自针对不同极性的补充。而IMS-MS通过提高分辨度和提供结构信息，变相扩大了可解析的代谢物“视野”。实际研究中常常多平台结合以实现代谢物的全覆盖，例如GC-MS + LC-MS联合可显著提高检测到的代谢物种类数。

04 分辨率与灵敏度对比

分辨率（separation resolution）和灵敏度是评价分析技术性能的重要指标。四种联用技术在分离能力和检测灵敏度上各有千秋：
分离分辨率：GC 和 CE 通常具有最高的色谱/电泳分辨率。气相色谱由于采用长毛细管柱并可实行程序升温，其色谱峰非常狭窄，可分离很多结构近似的组分。有报道指出，GC-MS 相较LC能够实现更好的代谢物分离，减少共洗脱。CE 理论上分辨率更胜一筹，因其分离效率甚至可超过GC和LC；但实际CE分辨率受限于电泳条件和界面稳定性，在复杂样本中尚未完全展现全部潜力。LC 的色谱分辨率相对略低于GC，但通过优化柱子、流速和梯度也可达到足够将大部分代谢物分开，对于肽段和蛋白更是目前唯一可行的分离手段。IMS 提供了正交的气相分辨能力：其分辨率用离子峰宽表示，目前高性能IMS可R~50-100（部分装置通过延长迁移路径达R≈300）。虽然IMS单次只能区分有限的异构体，但当与LC联用实现二维分离时，总峰容量成倍增加，从而极大提高了整体分辨率。
质谱分辨率（mass resolution）方面需注意，不同技术本身并不决定质谱仪分辨率，高分辨或低分辨主要取决于所配置的质谱质量分析器（如TOF、Orbitrap可提供高质谱分辨率，四极杆则为单位分辨）。因此在此不赘述质谱质量分辨率差异。
检测灵敏度：LC-MS 和 GC-MS 均能实现极高的检测灵敏度，但各有所长。LC-ESI-MS 对许多化合物的检测下限可达到10-15 克级（飞克级），动态范围宽，对痕量物质非常敏感。这使LC-MS成为微量代谢物和肽段分析的首选。不过，ESI灵敏度易受基质中共洗脱物的影响（离子抑制效应），需严格控制色谱条件和缓冲盐浓度。GC-MS 在检测一些挥发性小分子时的灵敏度毫不逊色，尤其是采用选择离子监测（SIM）或串联质谱（如GC-MS/MS）时，可低至皮克级甚至更低。GC-EI源在复杂基质中仍能保持较稳定的响应，因为EI碎片化减少了基质干扰。总体而言，对易离子化的极性化合物，LC-MS 通常更灵敏；对难电离但易挥发的化合物，GC-MS 的EI硬电离反而能检测到其碎片信号。因此两者在灵敏度上各有所优。CE-MS 由于进样体积极小，常被认为灵敏度略逊于LC-MS。但随着新型界面（如无鞘液喷雾）的出现，CE-MS的实际检测限已大为改善，一些研究表明CE-MS对部分代谢物的定量下限可媲美LC-MS。同时，CE的高效分离降低了共迁移干扰，提升了信噪比。IMS-MS本身因为增加了一道离子分离，会有少许离子损失，但现代IMS（尤其Trapped IMS）设计精巧，将离子损失降到最低。有报告指出，新增IMS步骤对整体灵敏度几乎没有显著影响。反之，由于IMS过滤掉了噪声离子，某些目标离子的信噪比反而提高，等效提升了检测灵敏度。因此IMS-MS在保证高分辨的同时，依然保持了与LC-MS相当的灵敏度水平。
简而言之，GC-MS与CE-MS提供了卓越的分离能力，LC-MS在综合灵敏度和分离度上表现均衡，而IMS-MS通过提供额外分离维度，在不显著牺牲灵敏度的情况下显著提高了体系的分辨率。

05 样品前处理要求与分析通量比较

样品前处理的简便程度和方法适配性直接影响分析通量和实验复杂度。四种技术在样品预处理需求上差异明显：
GC-MS 样品前处理：GC-MS 通常要求样品中的分析物能够耐受高温并以气态进入色谱柱。因此，对于不挥发或热不稳定的代谢物，往往需要经过衍生化处理。例如，将有机酸、氨基酸通过硅烷化、酰化等方法转化为挥发性衍生物后再进样。这一额外步骤增加了前处理时间和复杂性。典型的GC-MS代谢组学实验工作流程包括样品萃取浓缩、化学衍生、然后进样分析。此外，GC分析常需控制水分，因此生物样品通常要干燥并溶解于有机溶剂中。衍生化步骤虽然提高了GC的适用范围，但也意味着GC-MS的样品制备相对繁琐，不利于高通量处理大量样本。
LC-MS 样品前处理：LC-MS 对样品的兼容性较强，一般无需化学衍生步骤。代谢组学样品经简单的蛋白沉淀或离心过滤除去杂质后，即可直接进样分析。因此LC-MS的前处理主要是样品提取和净化，流程相对简便。这使得LC-MS 非常适合高通量分析：配备自动进样器后，可连续处理上百份样品，前处理过程也容易标准化和并行化。需要注意的是，为避免离子抑制，LC-MS的流动相和样品中应避免使用非挥发性盐缓冲液，并尽量保持基质简单。总的来说，LC-MS 样品准备快捷，适合大规模研究中批量样品的高通量分析。
CE-MS 样品前处理：CE-MS 同样通常不需要衍生化。但由于CE分析体积极小，要求样品溶液清洁且浓度足够。样品中的颗粒或不溶物会堵塞毛细管，因此需经过仔细离心或过滤去除杂质。此外，CE缓冲液多为高纯水溶液，样品通常直接以相同缓冲液溶解或稀释，以避免进样后产生电导差异。需要特别注意的是，CE-MS对样品盐浓度较敏感：高盐可能干扰电喷雾和电泳电流。因此生物样品常需脱盐处理或使用低盐缓冲。CE-MS每次仅进样纳升级体积，这虽然提高了分离效率和检测灵敏度要求，但也意味着对于低浓度组分可能需要预浓缩步骤（例如场放大进样FASI等预富集技术）。在通量方面，CE由于分析时间短（常10~30分钟内完成一次分离）且可自动进样，单台仪器每天可分析几十个样本。然而，为保证重复性，CE毛细管在批次样品间需要清洗平衡，且不同批次间可能存在迁移时间漂移，需要标准物校正。总体而言，CE-MS 样品前处理相对简单，但对样品洁净程度要求高，高通量分析时需重视质量控制。
IMS-MS 样品前处理：IMS通常集成在质谱仪内部，其前端常与LC或直接进样联用。因此IMS-MS的样品处理取决于前接的分离方法。LC-IMS-MS方案中，样品前处理与LC-MS完全相同，无需额外步骤。直接进样IMS-MS（如DMS直联MS）则几乎不需特殊处理，只要样品适合被离子源电离即可。因此IMS本身不增加任何额外的样品制备要求。由于IMS的高速性质，它能与高速分离手段配合实现高通量分析。例如，一些研究利用IMS-MS在缩短色谱梯度的情况下依然获得与长梯度相当的信息量，从而提高了每台仪器每天可分析的样本数。总的来说，引入IMS不会降低整体通量，反而有潜力通过缩短色谱时间来提升通量。在样品前处理方面，使用IMS-MS与使用对应的LC-MS或其他前端手段相同，并无额外负担。
分析通量综合来看：LC-MS 因无需衍生且可自动化，是目前高通量组学分析的主力，每天可分析大量样品；GC-MS 则因前处理较繁琐且色谱运行时间稍长，相对通量较低，但通过自动化衍生和并行多柱也可一定程度提高效率；CE-MS 单次分析快，但需注意毛细管维护，适合中等通量的目标分析或生物标志验证；IMS-MS 在保证信息量的同时并不拖慢分析进程，在多维组学中大有作为。因此，在技术选型时需要权衡样品数量和前处理复杂度，选择最适合实验通量要求的方案。

06 仪器成本与数据分析复杂度

1.仪器成本与运行费用

不同联用技术的仪器硬件组成不同，成本差异较大：
GC-MS仪器成本：一般来说，气相色谱仪相对构造简单且历史悠久，基础型号价格较为低廉。单四极杆GC-MS或GC-FID（火焰离子化检测）系统通常比LC-MS系统便宜。然而，如果配置高端的质谱（如飞行时间MS、三重四极杆MS），GC-MS整体价位也会上升，可接近LC-MS水平。GC分析还需高纯度载气（如氦气）和消耗色谱柱，但载气成本相对可控，色谱柱使用寿命较长。由于GC-MS技术成熟、零部件标准化，其维护费用通常不高。此外，GC-MS有丰富的第三方配件和耗材供应，降低了长期运行成本。总体而言，GC-MS初始投入较低，单样品分析成本也较低廉，是许多实验室的“超值”选择。
LC-MS仪器成本：液相色谱部分包含高压输液泵、自动进样器、柱温箱等复杂部件，加上高性能质谱仪，使LC-MS系统整体成本高于GC-MS。尤其是高分辨质谱（如Orbitrap或Q-TOF）价格昂贵，配套的超高效液相色谱（UPLC）系统成本也不菲。此外，LC-MS日常需要大量高纯溶剂（如甲醇、乙腈）和色谱柱，运行费用较GC更高。柱子需定期更换，溶剂消耗使每个样品分析成本上升。但LC-MS的投资往往物有所值，其对广谱代谢物和蛋白质分析的能力使其成为必要装备。近年也有较简化的LC-MS配置推出（如单四极杆质谱+简单LC），降低了入门门槛，但功能有所限制。总体说来，LC-MS投资较大，适合预算充足且需要广覆盖高灵敏分析的实验室。
CE-MS仪器成本：毛细管电泳设备相对简单，小型CE装置价格远低于HPLC。但CE-MS需要与质谱联用，主要成本仍在质谱部分（通常使用高性能MS）。因此，如果实验室已有MS，只需购置CE部分和接口即可，大大节省成本。CE自身不需要昂贵柱子，只用细玻璃毛细管和少量缓冲液，消耗成本很低。CE没有高压泵，其维护保养费用也较低。然而，由于CE-MS尚非主流配置，商用一体化仪器较少，部分情况下需要定制接口，增加了技术门槛和培训成本。总体来说，CE-MS仪器投入适中（主要取决于质谱），运行成本很低，但在人员培训和方法开发上需要一定经验。
IMS-MS仪器成本：离子迁移谱往往集成在高端质谱仪中，是在常规MS基础上的功能扩展。目前具有IMS功能的质谱（如 Waters Synapt 系列、Bruker timsTOF 系列）均属高端仪器，价格昂贵且维护复杂。因此IMS-MS的成本最高。不仅购置费用高，维护IMS组件（如漂移管、真空系统）也需耗费额外成本。一些新型IMS-MS系统还需要特殊耗材（如特定漂移气体）。因此，IMS-MS多见于大型研究机构或核心实验室。然而，随着技术进步和应用推广，IMS模块成本有望降低。需要指出的是，IMS-MS通量高、信息量大，对于一些关键研究（如单细胞组学、构象解析）来说，其高成本可能由其独特收益所抵消。
2. 数据分析复杂度

各技术产生的数据在处理和解释难度上有所不同：
GC-MS数据分析：GC-MS（尤其是EI源）生成丰富的碎片质谱和清晰可重现的色谱峰。针对代谢组学，常用的做法是先通过色谱保留时间和EI碎片图谱在标准库中进行匹配鉴定。已有成熟的库如 NIST，包含海量标准EI谱图，可自动识别峰对应的化合物。当样品复杂、组分共流出时，需要使用软件进行峰提取和谱图去卷积，将混合碎片谱分离成各组分的纯质谱。目前商业和开源软件（如LECO ChromaTOF、AMDIS等）可实现这一步。随后对多样本数据，要做峰对齐、定量比较和统计分析。GC-MS数据特点是峰型锐利、谱库鉴定准确率高，但由于衍生化可能出现一物多峰（如图4中乙酰乙酸出现两个TMS衍生峰），给定性带来一些复杂性。总体而言，GC-MS数据分析流程较成熟，自动化程度高，但对于非靶标分析仍需经验丰富的分析人员审阅鉴定结果，以确保正确识别。



三维GC-MS 数据，给出了扫描次数/保留时间、响应/强度和 m/z。

LC-MS数据分析：LC-MS产生的色谱峰数量众多、质谱信息丰富，解析难度较GC-MS大。在非靶向代谢组学中，一次LC-MS可检测上万信号峰，需要复杂的软件流程处理。主要步骤包括：峰检测（从噪声中找出有效峰）、同位素和多电荷聚类（将属于同一化合物的相关离子归并）、色谱对齐（校正不同样本间保留时间漂移）以及定量表格导出。常用的软件如XCMS、MZmine、Progenesis等可执行上述过程。然而，由于LC-MS无标准碎片库覆盖所有代谢物，定性鉴定是最大的挑战。通常需要依据高分辨质谱精确质量推算分子式，再结合二级质谱碎片谱与数据库比对（如METLIN、HMDB）推断结构。这往往导致相当比例的特征无法明确鉴定。对于蛋白质组学中的LC-MS/MS，数据分析另有一套复杂流程，需要使用序列数据库搜索算法（如Mascot、Sequest）比对肽段的MS/MS谱。因此LC-MS数据分析复杂度高，但也最为丰富，需要强大的计算工具和严格的统计学方法支持。目前已有不少工作流和软件包帮助研究者规范处理LC-MS数据，但相对GC-MS而言，其解析仍是代谢组学研究中劳动强度最大的环节之一。
CE-MS数据分析：CE-MS的数据格式与LC-MS类似，也是时间维度×质荷比维度的二维数据。但CE产生的峰是以迁移时间（而非保留时间）为准，其重现性相对LC略差一些（因电渗流和温度等因素影响）。因此，CE-MS的数据处理需注重迁移时间校准，常使用内标物或同系物校正迁移时间漂移。在峰提取和对齐方面，可以借鉴LC-MS的软件，但有研究者开发了专门针对CE-MS的工具，以利用其独特的峰形和选择性。例如，一项研究显示CE-MS检测到的代谢特征数比LC-MS更多，需相应算法正确区分真实代谢物峰与可能的杂峰。CE-MS鉴定代谢物的方法与LC-MS相似：利用高分辨质谱和MS/MS进行推断，然后比对标准品或数据库。鉴于CE-MS专长于极性小分子，数据库中此类化合物的信息也日渐丰富。对于定量，CE-MS已经被证明可以达到与LC-MS和GC-MS相当的定量准确度（偏差<15%）。总的来说，CE-MS数据分析在技术上与LC-MS接近，但因CE特殊的迁移时间特性，需要额外注意校准和方法标准化。目前CE-MS仍在逐步普及，数据分析工具也在完善中。
IMS-MS数据分析：IMS-MS增加了迁移时间这一维度，使数据成为“三维”（迁移时间×质荷比×强度，如果再算上LC则是四维）。如此高维的数据给分析带来新挑战，也蕴含更多信息。IMS-MS通常输出每个离子的迁移时间（或CCS值）和m/z，研究者可将其与已有标准进行比对，实现异构体鉴定。数据处理中，首先需要将IMS谱与质谱谱图关联，例如对于每一个质谱峰，记录其对应的迁移时间分布。在代谢组学应用中，一个思路是利用迁移时间对同一化合物的特征（如不同电荷态、同位素峰）进行分组，提高特征提取的准确性。有学者提出算法，将IMS分辨的“四维峰”组装起来，简化后续分析。由于目前商业IMS-MS软件支持仍有限，很多IMS数据处理依赖定制脚本或新兴软件。例如，Bruker的timsTOF提供专用数据格式，需要使用其开放工具包或第三方R包进行解析。一旦完成峰检测和对齐，后续统计分析与普通LC-MS类似。数据解释方面，IMS-MS能提供每个代谢物的CCS，可与公共CCS库（如AllCCS数据库）比对用于辅助化合物注释。在蛋白质组学中，IMS有助于在数据库搜索时筛选候选肽段，提高鉴定效率。总体而言，IMS-MS数据分析目前还处于不断发展的阶段，需要考虑迁移时间这一新变量的影响。但其优势也十分明显：通过这一维，可以更可靠地区分峰、减少假阳性，并获取额外的分子结构线索。因此尽管IMS-MS数据复杂，但随着软件和数据库的发展，其分析将会越来越成熟。

07 典型应用场景与文献示例

不同联用技术各自在代谢组学和蛋白质组学中拥有经典的应用场景和成功案例：
GC-MS 的典型应用：GC-MS在代谢组学中传统应用于内源性小分子代谢物和挥发性物质的分析。例如，在植物代谢组学中，GC-MS因其高分辨、高重现性和大型谱图库，被广泛用于植物次生代谢产物的定性定量研究，是植物代谢组学主要分析平台之一。又如在临床代谢物诊断中，GC-MS经典用于有机酸尿症、氨基酸病的尿液筛查。前文所示的糖尿病酮症酸中毒患者尿液分析就是实例：通过GC-MS可以清晰检测出β-羟丁酸和乙酰乙酸等酮体水平升高。此外，GC-MS在环境和食品分析中用途极广，如检测污染物、农药残留（展示的EPA实验室GC仪器即用于农药组分分析。总之，GC-MS适用于各种需要高通量定性鉴定小分子的场景，尤其是在有标准谱库支持的情况下，可快速锁定未知物身份。
LC-MS 的典型应用：LC-MS几乎涵盖了代谢组学和蛋白质组学的所有领域。代谢组学方面，LC-MS是目前最流行的平台，用于非靶标代谢组学研究，以发现疾病生物标志物、代谢通路变化等。例如，针对复杂体液（血浆、尿液）的全面代谢谱分析，研究者常用LC-MS正负两极模式并配合多种色谱柱，实现对极性和非极性代谢物的兼顾。在脂质组学中，LC-MS更是不可或缺，可分离鉴定数千种脂类分子。蛋白质组学方面，LC-MS/MS是主力军，用于大规模蛋白鉴定和定量。例如，利用LC-MS/MS（串联质谱）结合高效数据库搜索，可以在单次实验中鉴定数千种蛋白质，被广泛应用于比较蛋白质组学（如疾病对照研究）。近年来发展的标记定量（如TMT、SILAC）和无标记定量（DIA-PASEF 等）技术也都基于LC-MS平台来实现。一个标志性进展是Neuros等研究利用LC-MS/MS实现了单细胞蛋白质组学，虽然灵敏度挑战巨大，但LC-MS仍展现了其潜力。总体来说，LC-MS以其通用性和强大功能成为生命科学中不可替代的分析工具，从代谢指纹图谱到深度蛋白质组，LC-MS均有大量成功案例。
CE-MS 的典型应用：CE-MS常用于特殊目标物或补充分析的场景，发挥其高选择性优势。在代谢组学中，CE-MS最经典的应用是尿液和血浆中的极性代谢物分析。例如，日本的Tsuruoka肿瘤队列研究中，研究者应用CE-MS对超过8000份血浆样本进行了代谢谱分析，精准定量了94种极性小分子代谢物，结果证明CE-MS在大规模队列中具有良好重现性和定量能力。另一实例是欧洲研究者利用CE-MS分析超过2万例患者尿液中的本底肽段，建立了慢性肾病的多肽生物标志模型，实现了多中心高一致性的结果。这些工作证明了CE-MS可在临床队列中可靠运行，补充了传统LC-MS方法。CE-MS在特殊基质分析上也有用武之地，例如从脑脊液中检测带电的小分子传递体，或者分离分析糖类异构体（CE可结合手性选择剂分离对映异构）。在蛋白质组学中，CE-MS则被用于纯化蛋白异构体或翻译后修饰变体的分离鉴定，以及作为LC-MS的正交方法验证结果 。总体而言，CE-MS的应用虽不如LC和GC普及，但在特定领域展示了不可替代的优势，其成功案例正随着技术成熟而日益增多。
IMS-MS 的典型应用：IMS-MS作为新兴的多维技术，近年在组学研究中受到关注。一个突出应用是在蛋白质组学中提高肽段鉴定通量。例如，Bruker公司推出的 timsTOF Pro 平台结合平行累积-串行碎裂（PASEF）技术，在离子迁移谱分离的基础上大幅提升了二级质谱采集速度。Meier 等的研究显示，在PASEF加持下，短梯度（如30分钟）内即可鉴定上万种肽段，相比传统LC-MS/MS有数量级提升。这使得高速、大规模蛋白质组分析成为可能。IMS-MS还可应用于脂质组学和代谢组学中的异构体鉴定。比如，有研究利用IMS-MS区分出了代谢物中的顺反异构体以及手性异构体，这些在单纯质谱下是难以分辨的。另外，在结构生物学中，IMS-MS可以测定蛋白质或蛋白复合物的碰撞截面，辅助推断构象变化和结合状态。例如，著名的GPCR受体结构研究中，就有用IMS-MS监测构象变异的报道。最后，IMS-MS在小分子鉴定方面也逐步展现威力：AllCCS等数据库的建立，使得研究者可以通过匹配IMS测得的CCS来佐证代谢物身份，提高鉴定置信度。可以预见，随着仪器的推广和方法的发展，IMS-MS将在组学研究的复杂混合物解析、异构体鉴定等方面发挥越来越重要的作用。

结论

综上所述，LC-MS、GC-MS、CE-MS 和 IMS-MS 各有独特的原理和优势，在代谢组学与蛋白质组学研究中扮演着不同角色。LC-MS 通用性最强，适用于绝大多数代谢物和肽/蛋白分析，是当前组学研究的主力；GC-MS 在挥发性小分子和有库谱支持的鉴定中表现卓越，是分析脂溶性代谢物的利器；CE-MS 则专攻高极性带电分子，提供LC/GC难以获得的视角，在临床和特殊代谢通路研究中展现出价值；IMS-MS 为质谱分析增添了新的分离维度，大幅提高了复杂体系的解析能力，前景广阔。在实际应用中，科研人员应根据样品类型和研究目的选择合适的技术：例如分析血浆中广泛代谢物可首选LC-MS，检测尿中有机酸可借助GC-MS，研究氨基酸等极性通路可引入CE-MS，而对异构体分离或提高通量需求则可考虑IMS-MS 。
展望未来，随着技术进步，各联用质谱的灵敏度、分辨率将不断提升，数据分析手段也将日趋完善，为代谢组学和蛋白质组学研究提供更加有力的工具。研究者应充分理解各技术的特性，扬长避短，制定最佳实验方案以获得高质量的组学数据。通过合理选型和组合这些分析技术，我们将能够更加全面地描绘生命体系中的代谢与蛋白图谱，为生命科学研究和精准医学应用提供坚实支撑。

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