前言

質(zhì)譜儀器作為一種質(zhì)量檢測(cè)儀器，被應(yīng)用到各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域中，尤其是在化學(xué)化工、環(huán)境能源、醫(yī)藥、生命及材料科學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。在常規(guī)質(zhì)譜分析中，被分析物質(zhì)首先被離子化，隨后各種離子被引入真空中的質(zhì)量分析器，在分析器中的電場(chǎng)或磁場(chǎng)作用下，離子的運(yùn)動(dòng)特性隨其質(zhì)荷比不同而產(chǎn)生差異，因而造成時(shí)空上的分離，并由檢測(cè)器依次檢測(cè)出來(lái)。而在這種原理下，質(zhì)譜儀測(cè)量的是離子的質(zhì)荷比（m/z)，而不是質(zhì)量本身。

Challenge 

現(xiàn)有質(zhì)譜儀在超大分子量檢測(cè)中

面臨的挑戰(zhàn)

利用質(zhì)譜儀器對(duì)樣品的分析過(guò)程中，樣品的霧化過(guò)程十分關(guān)鍵。目前，常用的電噴霧技術(shù)原理是由John Fenn提出的電噴霧電離（ESI）技術(shù)，這一理論也獲得了2002年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。通常對(duì)蛋白質(zhì)這種大分子來(lái)說(shuō)，ESI質(zhì)譜中都會(huì)呈現(xiàn)多種價(jià)態(tài)的譜峰群，群落中的每一組為某個(gè)電荷態(tài)該蛋白質(zhì)的各個(gè)同位素峰、鹽峰以及加合物峰等。由于電荷態(tài)z通常是連續(xù)的整數(shù)分布（例如z = 11，12....21,22...)，人們可以通過(guò)計(jì)算不同電荷數(shù)對(duì)應(yīng)的群落m/z的間隔來(lái)推算各組的電荷數(shù)z，進(jìn)而求出實(shí)際的質(zhì)量m的分布，也可以使用軟件進(jìn)行解卷積得到m分布。這種分析手段對(duì)于分析分子量較小（分子量在5萬(wàn)以下）、簡(jiǎn)單純凈的蛋白樣品還是很有效的。

然而，在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)天然蛋白和病毒顆粒的分析卻不那么簡(jiǎn)單。隨著分子量上升，分子結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，各種翻譯后修飾使被測(cè)蛋白的分子量出現(xiàn)差異化，很寬的質(zhì)量分布（可達(dá)上千Da）使得不同價(jià)態(tài)的峰群連接在一起。如圖1所示，這種缺少電荷狀態(tài)以及同位素峰的“死亡駝峰”，我們很難通過(guò)解卷積的形式進(jìn)行分析。

圖1：死亡駝峰示意圖

并且，對(duì)于很多糖蛋白，分子量超過(guò)3、4萬(wàn)就出現(xiàn)峰群 交疊，無(wú)法用解卷積軟件來(lái)獲得分子量的分布信息。因此，對(duì)于大生物分子的質(zhì)譜分析，僅靠提高儀器的分辨率是無(wú)濟(jì)于事的。在這種情況下，電荷檢測(cè)質(zhì)譜（CDMS）技術(shù)便成為了我們的“救命稻草”。

Q Exactive UHMR 高分辨質(zhì)譜儀

直接分析質(zhì)譜技術(shù)DMT

電荷檢測(cè)質(zhì)譜（CDMS）通過(guò)同時(shí)測(cè)量單個(gè)離子的質(zhì)荷比和電荷數(shù)，進(jìn)而計(jì)算獲得離子質(zhì)量m。

因此，相較于其他類(lèi)型質(zhì)譜，CDMS技術(shù)的關(guān)鍵是如何準(zhǔn)確地測(cè)量單個(gè)離子的電荷。目前，電荷檢測(cè)質(zhì)譜技術(shù)還沒(méi)有現(xiàn)成的商品化儀器，只有能夠自己開(kāi)發(fā)質(zhì)譜儀器硬件，或自己改編FTMS軟件的專(zhuān)家才能進(jìn)行這樣的實(shí)驗(yàn)。而在今年的ASMS會(huì)議上，賽默飛公司重磅推出了直接分析質(zhì)譜技術(shù)（DMT），并將其結(jié)合在了Orbitrap上，這使得超大分子量的復(fù)雜蛋白的直接質(zhì)譜檢測(cè)成為了可能。

直接分析質(zhì)譜技術(shù)

直接分析質(zhì)譜技術(shù)其原理是：在Orbitrap中檢測(cè)來(lái)自離子沿中心電極的中心軸旋轉(zhuǎn)的軸向頻率，進(jìn)而確定離子的m/z信息；與此同時(shí)，來(lái)自外電極上的感應(yīng)電荷振幅也會(huì)被檢測(cè)，從而確定離子的電荷z的信息。

圖2：DMT技術(shù)原理圖

直接分析質(zhì)譜技術(shù)模式為 Orbitrap 質(zhì)量分析儀增加了電荷檢測(cè)功能，能夠同時(shí)測(cè)量數(shù)百個(gè)單個(gè)離子的質(zhì)荷比 (m/z) 和電荷數(shù) (z)。這使得 Orbitrap 質(zhì)量分析儀可以直接計(jì)算分析物的質(zhì)量，而不需要根據(jù) m/z 去卷積。根據(jù) m/z 去卷積的方法依賴(lài)于測(cè)量結(jié)果中已分辨的電荷狀態(tài)和/或同位素分辨的信號(hào)。直接分析質(zhì)譜技術(shù)模式提高了分辨率，并且擴(kuò)展了動(dòng)態(tài)范圍，提高了可獲得的質(zhì)量測(cè)量結(jié)果的上限，同時(shí)由于單個(gè)離子測(cè)量的靈敏度較高，可以從濃度明顯較低的樣品中采集到更有價(jià)值的數(shù)據(jù)。

Q Exactive UHMR

（超高質(zhì)量數(shù)范圍）質(zhì)譜儀

作為第 一個(gè)商業(yè)化的電荷檢測(cè)質(zhì)譜儀，Q Exactive UHMR質(zhì)譜儀不僅配備了直接分析質(zhì)譜技術(shù)模式，而且還擁有適合大蛋白分析的性能參數(shù)（圖3），例如掃描范圍350-80000，四極桿隔離高達(dá) m/z 25,000，還同時(shí)具備源內(nèi)捕獲, Source CID, HCD 等多種碎裂模式。

圖3：Q Exactive UHMR質(zhì)譜儀

基于此，我們提供了端到端的工作流程（圖4），適用于數(shù)據(jù)采集、處理和解讀以前難以分析的靶點(diǎn)。這大大降低了我們?cè)趯?shí)際使用過(guò)程中的難度。

圖4：Q Exactive UHMR質(zhì)譜儀配備直接分析質(zhì)譜技術(shù)的端到端工作流程

Q Exactive UHMR

質(zhì)譜儀應(yīng)用實(shí)例

01 穩(wěn)健地表征復(fù)雜的異質(zhì)非變性蛋白質(zhì)

高異質(zhì)性蛋白質(zhì)復(fù)合體的非變性質(zhì)譜表征對(duì)于理解生物進(jìn)程和開(kāi)發(fā)下一代生物治 療藥物至關(guān)重要。將傳統(tǒng)的非變性質(zhì)譜技術(shù)與僅測(cè)量 m/z 的集成測(cè)量結(jié)合使用時(shí)，由殘余溶劑、離子加合物 和翻譯后修飾引起的電荷態(tài)分布的重疊某種程度上提高了復(fù)雜性，往往使得譜圖難以解卷積。

直接分析質(zhì)譜技術(shù)模式克服了這些挑戰(zhàn)，能夠?qū)δさ鞍踪|(zhì)、大型非共價(jià)蛋白質(zhì)復(fù)合體、糖蛋白以及高度異質(zhì)性的基于蛋白質(zhì)和非蛋白質(zhì)的治 療藥物進(jìn)行詳細(xì)表征，并且提高了分辨率、靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。

如糖蛋白，它在許多生理機(jī)能和某些疾病的進(jìn)展中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。由于存在異質(zhì)性，使用傳統(tǒng)的、完整的、自上而下的質(zhì)譜方法進(jìn)行糖蛋白表征，這對(duì)研究人員來(lái)說(shuō)是極其復(fù)雜的質(zhì)譜挑戰(zhàn)。此外，非變性質(zhì)譜的糖型檢測(cè)也受到空間分辨率和動(dòng)態(tài)范圍的限制。而直接分析質(zhì)譜技術(shù)模式通過(guò)提高分辨率、拓展動(dòng)態(tài)范圍，開(kāi)啟了多種全新的可能，能夠準(zhǔn)確、高效、詳細(xì)地鑒定各種糖型。

下圖5所示就是對(duì)人胎球蛋白 A上的糖基化鑒定。由于人胎球蛋白 A有兩個(gè) N- 糖基化位點(diǎn)；最 多七個(gè) O- 糖基化位點(diǎn)；七個(gè)磷酸化位點(diǎn)；六個(gè)二硫鍵以及多種序列變體，使得直接質(zhì)譜分析十分困難。而使用具備直接分析質(zhì)譜技術(shù)模式的 Q Exactive UHMR質(zhì)譜儀，則可以獲得完整胎球蛋白 A 的更全面的糖型譜圖（圖5）。

圖5：胎球蛋白 A 的在兩種質(zhì)譜模式下的綜合表征

02 以超高的靈敏度篩查和表征膜蛋白質(zhì)

膜蛋白質(zhì)及其復(fù)合體負(fù)責(zé)不同的生物機(jī)能，因此是特別常見(jiàn)的藥物靶點(diǎn)，但由于其樣品制備要求較高，其分析可能會(huì)充滿(mǎn)挑戰(zhàn)。通過(guò)并行單個(gè)離子測(cè)量，直接分析質(zhì)譜技術(shù)模式提供了更高的靈敏度和分辨率，可以將樣品稀釋數(shù)百倍，以便使用微量的珍貴樣品，單次運(yùn)行即可實(shí)現(xiàn)樣品表征。現(xiàn)在有可能以前所未有的靈敏度對(duì)非變性膜蛋白質(zhì)進(jìn)行篩選、雜質(zhì)鑒定和同位素分辨表征，包括蛋白質(zhì)變體和配體結(jié)合。

圖6：DMT模式鑒定大腸桿菌水通道蛋白Aquaporin Z（AqpZ）

大腸桿菌水通道蛋白 Aquaporin Z（AqpZ） 是一個(gè)約為 99 kDa 的膜蛋白，由四個(gè)亞基組成。使用具備直接分析質(zhì)譜技術(shù)模式的 Q Exactive UHMR質(zhì)譜儀對(duì) AqpZ 進(jìn)行非變性質(zhì)譜分析，在高能源內(nèi)捕獲設(shè)置下注入單體，揭示了 AqpZ 在單體和四聚體形式中的兩種主要分布情況（上圖）。將此譜圖轉(zhuǎn)換為質(zhì)量域，這也顯示了樣品的雜質(zhì)（中間）。用低分辨率進(jìn)一步分析四聚體的峰值，結(jié)果表明出現(xiàn)了 28 Da變化的修飾（左下），或者高分辨率可以對(duì)質(zhì)量域中的四聚體復(fù)合體蛋白變體進(jìn)行同位素解析（右下）。

03 復(fù)雜性蛋白質(zhì)形態(tài)的表征

對(duì)于復(fù)雜生物治 療藥物的分子，傳統(tǒng)方法下我們無(wú)法對(duì)復(fù)雜的生物治 療藥物進(jìn)行全面的表征分析，或只能進(jìn)行非常困難的流程。而依賴(lài)于直接分析質(zhì)譜技術(shù)模式的 Q Exactive UHMR質(zhì)譜儀，我們能夠獲得更寬的動(dòng)態(tài)范圍和更高的分辨率，并且做到同時(shí)測(cè)量m/z 和 z，因此可以觀察到更多的蛋白質(zhì)形式。

圖7：依那西普結(jié)構(gòu)圖與質(zhì)譜表征

依那西普/Etanercept是一種 Fc 融合蛋白（圖7，左圖），代表了一類(lèi)新的治 療性生物藥物。依那西普是一種腫瘤壞死因子（TNF）抑 制劑，可阻斷導(dǎo)致類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎和其他自身免疫性疾病的炎癥和關(guān)節(jié)損傷的細(xì)胞因子瀑布級(jí)聯(lián)。表征復(fù)雜的生物治 療藥物面臨著很多的分析挑戰(zhàn)，可能需要進(jìn)行復(fù)雜的樣品處理和多個(gè)質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)。與傳統(tǒng)的集成質(zhì)譜方法相比，直接分析質(zhì)譜技術(shù)模式通過(guò)直接測(cè)定電荷狀態(tài)和質(zhì)量，使復(fù)雜的生物治 療藥物的表征越來(lái)越可靠，從而使得質(zhì)量分布可視化的范圍更為廣泛，并且通過(guò)提高分辨率讓這個(gè)蛋白的更多類(lèi)型被呈現(xiàn)。（圖7右圖）

配備直接分析質(zhì)譜技術(shù)的

Q Exactive UHMR質(zhì)譜儀

應(yīng)用范圍

配備直接分析質(zhì)譜技術(shù)的Q Exactive UHMR質(zhì)譜儀在天然蛋白質(zhì)、糖蛋白、病毒顆粒的成分和結(jié)構(gòu)研究，抗原-抗體作用機(jī)理研究和疫苗研發(fā)方面有很大的未來(lái)市場(chǎng)空間：

圖8：Exactive UHMR質(zhì)譜儀應(yīng)用范圍

★1）實(shí)現(xiàn)復(fù)雜樣品的精確分析，同時(shí)提供復(fù)雜樣品中各蛋白分子的m/z與z等信息。

★2）測(cè)定糖蛋白及其它翻譯后修飾造成的特定質(zhì)量分布圖，解釋蛋白與翻譯后修飾之間的關(guān)系，從而對(duì)糖蛋白相關(guān)的疾病診斷具有重要意義。

★3） 通研究DNA等生物大分子離子的電荷分布，以及質(zhì)量與電荷的關(guān)聯(lián)，推斷這些大分子的結(jié)構(gòu)，比如它的聚合程度等。

★4）在病毒研究中，可以用來(lái)確定病毒衣殼的蛋白復(fù)合體結(jié)構(gòu)及其組裝反應(yīng)的過(guò)程

★5）在基因療法研究和產(chǎn)品質(zhì)控中，可以用來(lái)測(cè)定腺病毒載體的空殼率，檢查載體內(nèi)的基因完整度。

★6）滅活疫苗、病毒載體疫苗以及核酸疫苗產(chǎn)品的質(zhì)量控制、效果評(píng)價(jià)

直接分析質(zhì)譜技術(shù)

在結(jié)構(gòu)生物學(xué)和生物制藥

應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)

★1）準(zhǔn)確的直接質(zhì)量測(cè)定，不需要根據(jù) m/z 去卷積

★2）相對(duì)于傳統(tǒng)的集成離子測(cè)量，分辨率最 高可提高 20 倍

★3）僅需要較少的樣品或濃度較低的樣品

★4）可獲得高達(dá) 80,000 m/z 的測(cè)量值和兆道爾頓 (MDa) 的質(zhì)量測(cè)量值