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  • 徐伟:中国要研制有自己特色的质谱仪
  • 本站编辑:思科涡旋科技(杭州)有限公司发布日期:2016-07-06 11:16 浏览次数:

新闻来源: 分析测试百科


全球很多从事离子阱质谱研发的人员来自于普渡大学的Cooks实验室,更多的年轻人正在走上质谱研发这条不断创新的道路,80后教授徐伟便是其一。3年前,徐伟以千人计划的身份被引进到北京理工大学,带领他的团队在微型生化质谱仪、生物分子结构分析质谱新技术研究方面做出许多让人耳目一新的工作。不久前分析测试百科网记者有幸采访到徐伟教授,希望大家能从80后教授的身上,看到年轻人的努力与执着……


 

  北京理工大学生物医药工程系 徐伟教授

  徐伟实验室两大方向

  入质谱行是一个偶然的机会。徐伟本科学微波,研究生时研究微波附属材料、隐形材料,毕业后到美国普渡大学电子工程系,跟随导师从事雷达微波设备、电路的研究。在导师和化学系Cooks教授合作质谱项目时,徐伟加入项目组开始从事离子阱、质谱方面的研究,最初偏理论和仿真,后接触仪器整机制造。博士后在生物医学工程欧阳证教授处,徐伟接受了更多的训练,2012年以千人计划的身份回到北京理工大学生物医药工程系,近3年来均从事质谱研发工作。

  目前,徐伟实验室的研究以离子阱为主要核心技术,有两大研究方向:一是质谱微型化,主要特色为生物质谱的新方法和新仪器;二是生物分子结构分析,特色是用质谱做生物分子碰撞截面积。

  第一大方向:微型生化质谱仪

  质谱仪做小只是第一步,关键要能对复杂样品简单、直接、快速分析

  和市场上英菲康、TORION、聚光、Bayspec等推出的测定气体或挥发性有机物的便携式/微型质谱仪不同,徐伟研究的主要是微型生化质谱仪,样品对象是非挥发性的、大分子的液态物质。即,如果前者是GCMS的微型化,徐伟研究的就是LCMS的微型化。

  徐伟谈到,微型生化质谱仪面临的挑战要比大型质谱仪大很多,尤其体现在性能要求和前处理能力两方面。通常质谱仪小型化过程中会造成分析性能的下降,比如实验室可用的色谱、离心等预处理手段在现场往往不能使用,现场分析性能就会下降。所以,针对现场原位分析,质谱仪做小只是第一步,更关键是要有对复杂样品简单、直接、快速的分析能力。

  徐伟实验室开发的一系列技术

  1、世界上最小的连续大气压接口-微型质谱仪(Mini-MS)

  微型质谱仪必须要实现小的真空,一台质谱仪最主要的部件都在真空里,同时生化质谱仪需要大气压离子源,挑战就更高:怎样提供一个功耗体积小、又能保证性能的真空是微型生化质谱仪的一大核心问题。针对此挑战,徐伟接连提出了几个关键技术

  首先是:非连续PP-API脉冲针孔质谱大气压接口技术,该技术发表在RCM, 2015, 29, 701–706上。该技术的优点是:传输路径短(PP-API源距离离子阱核心只有1.5cm),灵敏度高(检出限100ppb),相对于有些实验室报道的“夹阀”技术,PP-API的抗高低温环境性能更好。

  在PP-API的基础上,徐伟实验室进一步发展技术,实现了用于微型质谱仪的世界上最小的连续大气压接口。众所周知,商用实验室质谱使用的大气压接口都是连续的,那么微型质谱仪一旦实现连续大气压接口,中间没有任何机械移动部件,用电控制,就会获得更好的稳定性、抗震性、鲁棒性、重复性。

  注:使用机械阀门控制开关(微秒级),部件会老化,实验重现性不好;而使用电控制,可在纳秒级实现开关,重复性和可控性大幅提高;尤其是没有机械部件后,抗震性能得到大幅提高,质谱就可以真正实现可移动的测量。

  为在微型质谱仪上实现连续进样模式,徐伟实验室又开发出两个核心技术:

  (a)高气压离子阱

  商用离子阱质谱工作气压在10-4Torr,高气压离子阱工作气压约为7X10-3Torr,离子阱工作气压提高10倍,这样对前端进样的真空要求大大降低。

  (b)差分的真空设计

  泵系统不变,仍使用常规的小质谱机械泵和分子泵;但差分的真空设计能在使用同样的泵条件下,把气体的流速或者离子进样的采样率可以提高200倍以上。

  连续大气压接口微型质谱(Mini-MS)实现的性能

  在实施以上技术后,徐伟实验室做出的连续大气压进口微型质谱,仪器的稳定性、分析速度都可基本达到实验室级商业质谱的性能。如:RSD<7%的高稳定性,达到2500 Da的宽检测范围,1ppm的低检出限,0.5 Da的单位质量分辨,每秒采集5张谱图的快速分析能力。

  2、微型毛细管电泳(mini-CE)

  开发出微型质谱和连续大气压接口技术后,还要考虑前端的分离技术,徐伟实验室开发了微型毛细管电泳技术(Anal. Chem. 2015, 87, 2236-2241.),可以在前端处理复杂样品,并实现微型毛细管电泳和微型质谱的联用。

  微型毛细管电泳mini-CE和微型质谱mini-MS联用

  3、膜喷雾离子源(MESI)

  (a)使用MESI膜喷雾,膜上的基质取出和分析物离子化过程;(b)在MESI过程前后的扫描电子显微镜照片

  近年来,敞开式离子化技术(Ambient Ionization)被追捧,因其可实现快速、直接、原位的分析,在快速分析和临床应用方面有广阔的应用前景。徐伟实验室开发了膜喷雾离子源(MESI)技术(Anal. Chem. 2015, 87, 3123-3128.),并和自己的微型生化质谱仪很好地结合应用。

  膜喷雾的材料是一片剪成三角形的分子量滤膜,下面紧贴一张预湿的滤纸。MESI的离子化机理和纸喷雾类似,由在三角形尖端产生的高电场辅助电离。在MESI中发生垂直和水平方向的两种化学分离过程。在垂直方向,离子依据它们的物理尺寸分离;在膜上滴上样品后,无机盐及分子尺寸小于膜的分子(每种膜有分子量cutoff,MWCO)将透过膜扩散并被膜下面的滤纸吸收,这个过程大约为15秒。传统的透析膜过滤时间是几个小时;而在MESI试验中,在滤纸、重力、电场驱动力、采用大孔径的膜等共同作用下,小分子可快速透过膜。选择不同MWCO的透析膜,不同分子量的分子能被选择性地保留在膜上,实验者还可以根据不同的靶标分子选择不同的膜,来优化操作步骤。使用基于纤维素(cellulose)的微孔结构,喷雾也能够在水平方向上获得较好的分离效果,紧贴膜的预湿滤纸能够帮助膜上的液体和高电压更好地接触。

  实验证明,膜喷雾可以有效地消除无机盐和非挥发性小分子有机物,获得生物分子的高灵敏度和高信噪比,并可实现定量。比如用膜喷雾直接分析泪液中500ug/mL的细胞色素C,尿液中50ug/mL的血管紧张素II,血清中50ug/mL的MRFA,以及唾液中100ug/mL的黄体酮。

  所以,在分析人的血液、尿液、泪液、汗液、唾液等基质中的有机小分子、代谢物、药物或多肽、脂质、蛋白等生物大分子时,膜喷雾的直接离子化技术都非常有效,有希望应用于临床。比如对尿液中肝脏损伤的生物标志物,在20分钟内实现10ng/mL的直接定量分析

  微型生化质谱仪的几大技术:MESI、mini-CE、小型连续大气压接口-微型质谱仪

  综上所述,徐伟课题组掌握的微型生化质谱仪技术:MESI、mini-CE-ESI、微型离子阱质谱仪,可以实现“实际环境”下“复杂生化样品”的“高灵敏度检测”,具有马上可转化的商业价值。

  第二大方向:生物分子碰撞截面积(CCS)分析

  2006年,Waters推出了SYNAPT质谱,用离子淌度分离技术提供了分子碰撞截面积(CCS)测量的新方法,目前也被Agilent的6560 Q-TOF采用。用质谱测量分子碰撞截面积成为生物学家测定大分子结构的有力武器,那么除了离子淌度分离(IMS)外,还有另外的技术可以实现分子碰撞截面积测量么?

  答案是肯定的。徐伟实验室推出的CCS测量方法的原理是时-频变换的质谱技术。

  首先,在FTICR-MS中可以实现对CCS的测定。傅立叶变换本身是一种时-频域信号转换技术,也是FTICR-MS的工作原理。离子在FTICR的超导池中回旋,激发出一定频率和一定振幅的信号,然后被感应/侦听到,再通过时-频转换的傅立叶变换技术,就可最终转化为离子的m/z和信号强度。

  对FTICR-MS进行改进,可以测量分子碰撞截面积CCS。以前有研究者通过测量ICRMS的谱峰宽度计算CCS,但缺点是需大幅提高回旋池中的气压,从10-10Torr提高到10-6Torr,这时会丧失FTICR-MS本身具有的高分辨性能。徐伟实验室提出了新的理论,开发新的碰撞模型,他们引入一种有效的时域数据处理方法,从10-10Torr真空度下的FTICR池中检测的镜像电流中同时提取m/z和CCS信息,这样可同时获得50万高分辨率的质谱图和分子碰撞截面积,该论文发表在Analytical Chemistry, 2015, 87(8), 4072-4075上。

  在FTICR-MS上同时获得Ubiquitin的分子碰撞截面积CCS(左)和高分辨质谱图(右)

  使用团队提出的这种新模型,可以拓展到生物大分子的测量中,获得高分辨率的多电荷谱图及大分子结构信息,Physical Chemistry Chemical Physics, 2015, 17, 9060-9067。

  除了应用于FTICR-MS,团队还将这种思路应用于四极离子阱上,对四极离子阱引入并精密控制一个高阶场,同时控制碰撞气体,对离子阱的离子轨道进行时-频分析,也能测定分子的碰撞截面积,该成果发表在Analyst, 2014, 139, 6144-6153上。这种技术的实用价值在于,时-频转换分析是无损分析技术,离子通过离子阱后,仍能被送入下一级联用的质量分析器(如TOF、Orbitrap等)进行分析,可以造出更多新原理的杂交质谱仪(Hybrid mass spectrometer),并可提供三维以上的质谱分析能力。

  谈到和IMS(离子淌度分离)的区别,徐伟表示:两种技术是互补的。IMS是在高气压区(如10Torr)实现的、类似于色谱分离的技术,在离子淌度分离装置中,离子受到电场向前的驱动力和反吹气体阻力两种力量的作用,从而得以分离。

  而徐伟团队提出的技术是在离子回旋池或在离子阱中,运动的离子直接和分子进行随机碰撞,引起离子运动频率或幅度的变化,再被检测和计算出碰撞截面积。这些离子没有被分离,所以一次激发、1秒钟内可以测定从质量数200-2000的所有离子的碰撞截面积;相对来说,IMS经过分离需要较长时间,比如6-8分钟。

  从CCS的测定结果来看,不管是FTICR-MS中直接应用傅立叶变换的时-频分析技术,还是离子阱中应用时-频分析技术,测定的CCS值(单位为Å2)和IMS的测定值不相同,但他们存在一定的线性关系。

  几种化合物及电荷态在IMS(横坐标)和FT-ICR(纵坐标)中测定的CCS关系

  离子阱技术的未来

  随着高分辨率质谱(如TOF、Orbitrap)等的出现,离子阱似乎失去了十年前的光环,徐伟是如何看待离子阱技术的未来呢?

  首先,从微型质谱仪的研发来看,离子阱是最好的一个选择。比较其它的质量分析器,离子阱更容易做小,并且工作气压相对高,可用二级质谱实现定性,这是其他技术都做不到的。

  其次,在分子碰撞截面积测量中,利用离子阱可进行无损检测

  第三,离子阱技术未来的发展趋势是作为模块与其它分析器联用,形成杂交质谱仪(Hybrid MS)。利用离子阱,可以储存富集离子、实现气相离子反应、获得二级质谱、测量碰撞截面积。这些性能是生物分子结构分析非常需要的,对其它科学领域也将发挥巨大的作用。

  中国要研制有自己特色的质谱仪

  徐伟实验室还依托理论建模、并行计算仿真进行质谱理论与仪器设计的研究,为新型仪器研发、离子-离子反应实验提供理论基础,实验室提出的广义离子-分子碰撞模型,为离子阱中碰撞截面积测量提供了理论基础。

  结合自己的研究谈中国质谱的发展,徐伟认为:中国要研制有自己特色的质谱仪。

  其一,微型生化质谱仪目前是世界上独一无二的技术,目前徐伟实验室已经做出了原理样机,下一步在合适的时机下就可以产业化。

  其二,中国处于质谱研发制造的早期阶段,受到研究水平、精密加工制造水平等制约,与发达国家的质谱研制还有很大距离。这时,利用一些可以掌握的加工工艺(如离子阱),做出一些在世界上独具特色的质谱仪(如可测定分子碰撞截面积的质谱),在世界质谱之林中先站住脚,是中国质谱研制目前应该努力的方向。

  徐伟教授简介

  徐伟,教授,1981年10月出生,辽宁新民人。2010年毕业于美国Purdue大学,获电子工程哲学博士。2010年至2012年在美国Purdue大学进行博士后研究助理工作。徐伟教授近些年来一直从事生物化学分析测量仪器尤其是质谱仪器的研发与应用工作。在离子阱质谱仪的基础理论研究、交叉学科(流体力学、电磁学)大规模并行离子轨迹仿真、小型化质谱仪的研制、高性能大型生物质谱仪的研发等领域进行了深入的研究,并面向应用,着重将质谱仪器的研究与航天、生物医疗等领域的应用紧密结合。