「质」敬未来：Zoom 视角下的 Orbitrap Astral 质谱仪解锁生物宇宙的多重可能

会里很

迈入六月，在第73届 ASMS大会上，赛默飞发布了今年的新产品系列，其中 Thermo Scientific™ Orbitrap™ Astral™ Zoom 质谱仪是2023 年发布的Orbitrap™ Astral™ 质谱仪的全新升级。Zoom 这个词可以有多种组合，zoom in 放大细节，zoom out 观察宇宙，zoom faster  更快扫描，赋于仪器更多的可能性。接下来，跟随我们来探究zoom视角下的Orbitrap Astral 质谱仪的升级性能，一起 “循此旅，觅星辰”。




更快的扫描速度：最高 270 Hz MS2 扫描
更高的灵敏度：新增 Bent trap pre-accumulation 预累积；新增 Low input 应用模式
更高的分辨率：100,000 分辨率
更宽的动态范围：eDR 模式实现五个数量级的谱图内动态范围
更灵活的方案：Hybrid DIA；增强的谱图处理方法；BioPharma 选项中，完整蛋白分析扩展至Astral MS2 采集
那性能提升带来的收益如何呢？
我们接着往下看。


两年前的 Astral质谱仪将蛋白组学通量拉升至8min，8000+ 蛋白质鉴定，实现一天 180 个样品分析（180SPD）。Astral zoom 进一步升级至 4.8 min，8000+ 蛋白质鉴定，实现一天 300 个样品分析（300SPD）（图1）。



图1，Orbitrap Astral 和 Orbitrap Astral Zoom 在 180 SPD 和300 SPD 时的蛋白组覆盖深度

提高整体分析的通量，就需要缩短每张扫描所需的时间，Orbitrap Astral Zoom 质谱仪加强了仪器控制，缩短了延迟时间（图2），有利于缩短单次扫描时间，提高通量。但如何在通量提高的同时保持蛋白组覆盖深度，就要提到 pre-accumulation 预累积的这个功能了。



图2，Orbitrap Astral Zoom 质谱仪扫描的时序图

为了充分利用扫描与扫描之间的间隔时间，Orbitrap Astral Zoom 质谱仪中新增了 Bent trap 的pre-accumulation 预累积，可并行进行离子累积，保持有效离子累积时间不损失，在通量提高的同时保持高的蛋白组覆盖深度。当然，方法设置是灵活的，也可以选择在扫描速度不变的情况下，提高有效离子累积时间，从而帮助蛋白组学覆盖深度的提高（图3）。



图3，Pre-accumulation 使用前后，扫描速度和有效离子累积时间的变化


除了上文提到的更高扫描速度及pre-accumulation预累积功能可有效提高分析覆盖度之外，Orbitrap Astral Zoom 质谱仪中新增了 Enhanced Dynamic Range (eDR) 模式，同样对此有助益。eDR模式下，质量范围被分成多个 wSIM 窗口，使用 multiplex 的方式获得两张后台子扫描并最终获得一张 Orbitrap 谱图。对比标准模式和 eDR 模式，由图 4 可知，eDR 模式下，原本低丰度的离子信噪比提升，所识别的谱峰数增加，从而实现单张谱图动态范围的有效提高。该模式适用于分析动态范围大的蛋白组样本，例如血浆样本，尤其是未处理的血浆。



图 4，未处理的血浆样本在标准模式和 eDR 模式下的 MS1 谱图

优化后，Orbitrap Astral Zoom 质谱仪分析未处理血浆样本所得的蛋白组覆盖深度得到了突破提升，24 SPD 时可鉴定约 1300 个蛋白，富集后的血浆样本 24 SPD 时可鉴定约 7500 个蛋白（图5）。



图 5， Orbitrap Astral Zoom 质谱仪分析未处理和富集血浆的蛋白组鉴定结果

当然，更深的覆盖度不止体现在蛋白组学应用领域，在小分子领域同样可观察到。Orbitrap Astral 平台中，可使用同时定性定量分析（simultaneous quantitation and discovery，SQUAD）方法，在一次进样中结合完成非靶标的定性流程（Orbitrap MS1，DDA Astral MS2）和靶标定量（Astral MS2）流程。在 NIST SRM 1950 血浆中掺入重标氨基酸进行 SQUAD 分析，由于仪器扫描速度和灵敏度的提升，定性流程中，Orbitrap Astral Zoom 的MS1 和 MS2 鉴定的化合物数目相比 Orbitrap Astral，分别提升了 36% 和 31%（图 6）。



图6，SQUAD 方法在不同平台分析 NIST SRM 1950 血浆所得的化合物鉴定数对比


Orbitrap Astral Zoom 质谱仪新增了 low input 应用模式，对比标准模式，单离子检测概率提高 10%。单细胞蛋白组应用中，可在 250 pg Hela 肽段中鉴定 6500+ 蛋白，三次分析 CV 值小于 6%；单个 HEK293F 细胞中平均鉴定约 5800 个蛋白（图 7）。其它低上样量样本的分析同样可使用该模式，包括免疫多肽分析，单细胞空间蛋白组分析等。



图 7，Orbitrap Astral Zoom 质谱仪分析不同上样量的 Hela 肽段及单个 HEK293F 细胞的鉴定结果（分析中不使用谱图库）

除了非标定量的单细胞蛋白组流程之外，Orbitrap Astral Zoom 质谱仪还可进行基于 TMT 标记的单细胞蛋白组流程。Astral 质量分析器中的转向棱镜通过控制离子的振荡循环次数，延长非对称轨迹的长度，将 Astral 的分辨率提升至100,000（图 8），可允许使用 TMTpro 32/35 标试剂进行标记分析流程，进一步提高分析通量。



图8，TMT HR 模式时，Astral 分辨率提升至100,000，m/z 138


精准定量对分析生物样本丰度变化的统计学显著性十分重要。图9展示了三个蛋白组的混合样品（人，酵母，大肠杆菌肽段）中，从 pg 到 ng 总上样量的 LFQ HR-DIA 分析中的定量准确性和精确性，可见所有上样量中均可实现高定量性能。



图9，三个蛋白组的混合样品（人，酵母，大肠杆菌肽段），总上样量 100 pg 到 500 ng 时的定量性能

另外，Orbitrap Astral Zoom 质谱仪还新增了 HybridDIA 方法，在进行 DIA 采集的同时进行特定靶标的 MS2 采集，其靶标采集策略类似 surequant 模式，可智能触发目标肽段的采集，并有效提高靶标肽段的分析灵敏度。


与 Orbitrap Astral 平台相比，Orbitrap Astral Zoom 质谱仪可实现更快的阶梯能量碎裂，相关的主要应用包括糖基化肽段分析，化学交联肽段分析，以及未知小分子结构鉴定等，可提高鉴定深度，以及鉴定的可信度。



图10，糖肽分析中，对比不同碎裂模式时的鉴定及打分值

图10 中对比了不同能量模式下，小鼠脑组织的糖肽分析结果。虽然两种模式得到的糖肽位点和糖肽数量类似，但是阶梯能量碎裂模式对应的打分值更高，可信度更高。
在另一个场景下，使用阶梯能量碎裂进行大肠杆菌核糖体蛋白的交联分析，结果如下图11所示。对比其它两个平台，Orbitrap Astral Zoom 质谱仪所得的交联肽段及对应的谱图数都实现了提升。



图11，大肠杆菌核糖体蛋白使用 DSSO 交联后，不同平台所得的鉴定结果


Orbitrap Astral Zoom 质谱仪选配了生物制药选项后，不仅与 Orbitrap Astral 相同，质量范围可从6000 扩展到 8000，进行变性和非变性条件下的完整蛋白分析；还可以在 Astral 中完成 ms2 扫描，进行 top-down，middle-down 分析（图 12）。



图12，Astral 质量分析器可进行蛋白的topdown 分析，以 CAII 为例

基于 Orbitrap Astral 平台的高扫描速度高分辨率高灵敏度等性能特点，以及新模式、新方法的加入，赋于 Orbitrap Astral Zoom 质谱仪更多的可能性，也期待在后续的文章中和大家分享更多的细节和新的应用可能性。


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