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宽谱+定量 让质谱仪“眼界大开”

2018-05-11 11:15:47|来源:科技日报|编辑:于苏燕 |责编:韩东林

视觉中国

飞行时间质谱仪原理:质荷比与时间的平方成正比,只要测定出飞行时间,就可换算成质荷比。在检测时,显然是质荷比小的先到达检测器,质核比大的后到达。在通常情况下,离子的飞行时间为微秒数量级。

  近日,我国国产仪器研发取得重要进展——由融智生物科技(青岛)有限公司研发的宽谱定量基质辅助激光解吸飞行时间质谱平台“QuanTOF”近日在北京通过技术鉴定。由中国工程院院士金国藩、中国科学院院士陈洪渊等专家组成的委员会在技术鉴定中认为,该质谱仪整体性能达到国际先进水平。

  那么,什么是基质辅助激光解吸飞行时间质谱技术?此次通过技术鉴定的新技术有何过人之处?又将应用在哪些领域?科技日报记者就此采访了相关专家。

  飞行时间质谱技术发展多年仍存痛点

  国家“千人计划”专家、融智生物董事长周晓光介绍,质谱仪是根据带电粒子在电磁场中按物质分子或分子碎片的质量差异进行分离和检测样本中分子组成的一类仪器。如今被广泛采用的基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱技术(MALDI-TOF MS)(以下简称飞行时间质谱)实际上是两个核心技术的组合,即基质辅助激光解吸电离与飞行时间离子分离技术。

  相比其他质谱技术,飞行时间质谱仪操作简便,即使没有接受过分析化学专业培训的人员也可以使用。特别是近年来病原微生物鉴定、基因分型分析、生物标志物鉴定、质谱成像等应用的发展,使得它越来越被临床检测领域所青睐。例如,以前微生物鉴定通过生化培养的方式完成,耗时、检测准确性低,而现在用飞行时间质谱仪从蛋白组层次进行鉴定,速度快、通量高、准确度更佳。还有,传统蛋白分子的检测分析用的多是免疫检测法,需要第三方抗体来辅助完成,先由抗体与被检物进行免疫化学反应,然后再通过仪器进行检测,方法复杂且容易造成假阳性,而飞行时间质谱仪可以直接对被检物的分子进行检测。

  经过多年发展,飞行时间质谱技术已成为广泛应用的生物大分子检测手段。不过,由于离子激发、离子传输控制和探测环节的技术瓶颈,这一技术仍然处于定性分析阶段,定量重现性仅70%左右。而无法精确定量,使得飞行时间质谱仪的应用大受限制。

  新技术检测范围更广且可定量

  同时,上一代飞行时间质谱技术还有一个亟待解决的问题,那就是在同一组仪器设置参数下不同质荷比样本的性能有很大不同。“比如一个样本里有两种分子,质量数分别为1000Da和10000Da。在同一组仪器参数下,假如质量数为1000Da的分子在被检测时性能达到最佳,而此时质量数为10000Da的分子的性能会很差,甚至都看不到。这种现象是因上一代飞行时间质谱仪的设计造成的。这个获得最好性能的质量数我们称之为聚焦质量,在同一组仪器参数下,聚焦质量区域外的性能会迅速下降。”周晓光说。

  也因此,当前的飞行时间质谱仪在许多生命科学应用中,无法做到宽质量数范围的蛋白或核酸分析。

  融智生物的专利技术解决了上面的问题,其全新一代的产品可在全质量范围内同时实现较高性能。“我们的宽谱定量飞行时间质谱平台的最大特点就是‘宽谱’和‘可定量’。”融智生物总经理李运涛告诉记者,其研发团队通过靶板与离子探测器同时接地技术、离子速度与空间同步聚焦技术、最新半导体激光器及光电混合离子探测器和高速数据采集系统,实现了飞行时间质谱宽谱、定量检测性能的大幅提升。

  在宽谱方面,“就相当于我们的产品在一个样品、单一靶点上可同时检测出更多指标。”周晓光说。

  和上一代飞行时间质谱仪相比,QuanTOF检测分子范围更广了,从分子量100到几十万的分子都可检测到,包括污染物、食品中的农药、兽药残留等。“产品将在食品安全领域危害物残留分析、环境有机物分析、临床生物标记物精确定量分析及抗体分子分析等领域有较大应用潜力。”李运涛说。

  系列重大技术的改进,不仅很好地解决了上一代质谱仪技术检测偏差大的问题,还提高了质谱信号采集的能力,使信号强度的差异变得很小。据介绍,上一代产品信号强度的偏差可达到40%—50%,而周晓光团队已经将信号强度偏差降到5%以下,在糖化/非糖化血红蛋白定量测试应用中,与高效液相色谱技术的比对结果显示,其定量精度超过98%。

  这些改进不仅提高了产品性能,也简化了使用方法。使用时不再需要复杂的校准以及标准样品的辅助。

  面向应用的国产质谱仪是刚需

  李运涛表示,全球质谱仪市场广阔,发展迅速,2009年全球质谱仪市场规模为40.3亿美元,2014年增长至61.97亿美元,而国内质谱仪需求增速高于世界水平。同时,由于质谱类仪器对基础研究、技术开发水平要求极高,我国在这方面基础薄弱,目前国产质谱仪市场占有率不到10%。他认为,专注于质谱仪开发的国内公司将大有作为。

  与此同时,近年来,国产质谱仪发展迅速,多家仪器厂商相继推出了飞行时间质谱类产品,因性能原因,大多面向用于定性分析的临床微生物鉴定市场,业内普遍预估这一市场规模在40亿—100亿元。

  对此,周晓光表示,融智生物并不排斥传统飞行时间质谱仪已有的分析市场,比如在飞行时间质谱仪已经比较成熟的微生物鉴定市场,融智生物已经展开了微生物质谱数据库的建设工作,在SNP(单核苷酸多态性)检测市场也会涉足。“另外,我们对飞行时间质谱仪的革新,使得其在蛋白、代谢组学等诸多领域的定性、定量研究方面也产生了多种可能方向,为科研人员提供了全新的研究利器;当然,我们和诸多国内外合作伙伴已经开展了一些全新的应用研究。总之,性能革新的飞行时间质谱仪为我们展现了太多的可行性及惊喜。”周晓光说。

  制造出了国际先进水平的质谱仪是第一步,融智生物更看重质谱仪本身的应用方向。“我们的定位是领先的生命科学分析应用解决方案提供商,而不是分析仪器制造商,希望把技术聚集于具体的应用,为客户提供完整的解决方案。”周晓光说。(操秀英)

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