生物質譜技術原理及其應用與展望
生命科學被譽為21世紀的最前沿科學之一，隨著人類第一張基因序列草圖的完成和發展，生命科學的研究也將進入一個嶄新的后基因組學，即蛋白質組學時代
正如基因草圖的提前繪制得益于大規模全自動毛細管測序技術一樣，后基因組研究也將會借助于現代生物質譜技術等得到迅猛發展。本文擬簡述生物質譜技術及其在生命科學領域研究中的應用。
1 質譜技術
質譜（ Mass SPectrometry）是帶電原子、分子或分子碎片按質荷比（或質量）的大小順序排列的圖譜。
質譜儀是一類能使物質粒子高化成離子并通過適當的電場、磁場將它們按空間位置、時間先后或者軌道穩定與否實現質荷比分離，并檢測強度后進行物質分析的儀器。質譜儀主要由分析系統、電學系統和真空系統組成。
質譜分析的基本原理
用于分析的樣品分子（或原子）在離子源中離化成具有不同質量的單電行分子離子和碎片離子，這些單電荷離子在加速電場中獲得相同的動能并形成一束離子，進入由電場和磁場組成的分析器，離子束中速度較慢的離子通過電場后編轉大，速度快的偏轉小；
在磁場中離子發生角速度矢量相反的偏轉，即速度慢的離子依然偏轉大，速度快的偏轉小；當兩個場的偏轉作用彼此補償時，它們的軌道便相交于一點。
與此同時，在磁場中還能發生質量的分離，這樣就使具有同一質荷比而速度不同的離子聚焦在同一點上，不同質荷比的離子聚焦在不同的點上，其焦面接近于平面，在此處用檢測系統進行檢測即可得到不同質荷比的譜線，即質譜。
通過質譜分析，我們可以獲得分析樣品的分子量、分子式、分子中同位素構成和分子結構等多方面的信息。
質譜技術的發展
質譜的開發歷史要追溯到20世紀初J.J.Thomson創制的拋物線質譜裝置，1919年Aston制成了第一臺速度聚焦型質譜儀，成為了質譜發展史上的里程碑。
最初的質譜儀主要用來測定元素或同位素的原子量，隨著離子光學理論的發展，質譜儀不斷改進，其應用范圍也在不斷擴大，到20世紀50年代后期已廣泛地應用于無機化合物和有機化合物的測定。
現今，質譜分析的足跡已遍布各個學科的技術領域，在固體物理、冶金、電子、航天、原子能、地球和宇宙化學、生物化學及生命科學等領域均有著廣闊的應用。質譜技術在生命科學領域的應用，更為質譜的發展注入了新的活力，形成了獨特的生物質譜技術。
2 生物質譜技術
電噴霧質譜技術和基質輔助激光解吸附質譜技術是誕生于80年代末期的兩項軌電離技術。這兩項技術的出現使傳統的主要用于小分子物質研究的質譜技術發生了革命性的變革。
它們具有高靈敏度和高質量檢測范圍，使得在pmol（10-12甚至fmol（10-15的水平上準確地分析分子量高達幾萬到幾十萬的生物大分子成為可能，從而使質譜技術真正走入了生命科學的研究領域，并得到迅速的發展。以下主要介紹與生物醫學有關的幾項質譜技術。
電噴霧質譜技術
電噴霧質譜技術（Electrospray Ionizsation MassSpectrometry,ESI-MS）是在毛細管的出口處施加一高電壓，所產生的高電場使從毛細管流出的液體霧化成細小的帶電液滴，隨著溶劑蒸發，液滴表面的電荷強度逐漸增大，最后液滴崩解為大量帶一個或多個電荷的離子，致使分析物以單電荷或多電荷離子的形式進入氣相。
電噴霧離子化的特點是產生高電荷離子而不是碎片離子，使質量電荷比（m/z）降低到多數質量分析儀器都可以檢測的范圍，因而大大擴展了分子量的分析范圍，離子的真實分子質量也可以根據質荷比及電行數算出。
電噴霧質譜的優勢就是它可以方便地與多種分離技術聯合使用，如液一質聯用（LC－MS）是將液相色譜與質譜聯合而達到檢測大分子物質的目的。
基質輔助激光解吸附質譜技術
基質輔助激光解吸附質譜技術（MatriX AssistedLaser Desorption /Ionization,MALDI）的基本原理是將分析物分散在基質分子中并形成晶體，當用激光照射晶體時，由于基質分子經輻射所吸收的能量，導致能量蓄積并迅速產熱，從而使基質晶體升華，致使基質和分析物膨脹并進入氣相。
MALDAI所產生的質譜圖多為單電荷離子，因而質譜圖中的離子與多肽和蛋白質的質量有—一對應關系。
MALDI產生的離子常用飛行時間（Time-of-Flight,TOF）檢測器來檢測，理論上講，只要飛行管的長度足夠，TOF檢測器可檢測分子的質量數是沒有上限的，因此MALDI-TOF質譜很適合對蛋白質、多肽、核酸和多糖等生物大分子的研究。
快原子轟擊質譜技術
快原子轟擊質譜技術（Fast Atom Bomebard-ment Mass Spectrometry ,FABMS）是一種軟電離技術，是用快速惰性原子射擊存在于底物中的樣品，使樣品離子濺出進入分析器，這種軟電離技術適于極性強、熱不穩定的化合物的分析，特加適用于多肽和蛋白質等的分析研究。
FABMS只能提供有關離子的精確質量，從而可以確定樣品的元素組成和分子式。而FABMS－MS串聯技術的應用可以提供樣品較為詳細的分子結構信息，從而使其在生物醫學分析中迅速發展起來。
同位素質譜
同位素質譜是一種開發和應用比較早的技術，被廣泛地應用于各個領域，但它在醫學領域的應用只是近幾年的事。由于某些病原菌具有分解特定化合物的能力，該化合物又易于用同位素標示，人們就想到用同位素質譜的方法檢測其代謝物中同位素的含量以達到檢測該病原菌的目的，同時也為同位素質譜在醫學領域的應用開辟了一條思路。
3 生物質譜技術的應用
隨著質譜技術的不斷改進和完善，質譜的應用范圍已擴展到生命科學研究的許多領域，特別是質譜在蛋白質、醫學檢測、藥物成分分析及核酸等領域的應用，不僅為生命科學研究提供了新方法，同時也促進了質譜技術的發展。
質譜與蛋白質分析
蛋白質分子量的測定 蛋白質類生物大分子分子量的測定有著十分重要的意義，如對均一蛋白質一級結構的測定，既要測定蛋白質的分子量，又要測定亞基和寡聚體的分子量及水解、酶解碎片的分子量。
常規的分子量測定主要有滲透壓法、光散射法、超速高心法、凝膠層析及聚丙烯酸胺凝膠電泳等。這些方法存在樣品消耗量大，精確度低易受蛋白質的形狀影響等缺點。
MALI－MS技術以其極高的靈敏度、精確度很快在生物醫學領域得到了廣泛的應用，特別是在蛋白質分析中的應用，至今已被分析的蛋白質已有數百種之多，不僅可測定各種親水性、疏水性及糖蛋白等的分子量，還可直接用來測定蛋白質混合物的分子量，也能被用來測定經酶等降解后的混合物，以確定多肽的氨基酸序列。可以認為這是蛋白質分析領域的一項重大突破。
蛋白質組研究 蛋白質組是指一個基因組、一個細胞或組織所表達的全部蛋白質成分。
蛋白質組的研究是從整體水平上研究細胞或有機體內蛋白質的組成及其活動規律，包括細胞內所有蛋白質的分離、蛋白質表達模式的識別、蛋白質的鑒定、蛋白質翻譯后修飾的分析及蛋白質組數據庫的構建。
質譜技術作為蛋白質組研究的三大支撐技術之一，除了用于多肽、蛋白質的質量測定外，還廣泛地應用于肽指紋圖譜測定以及氨基酸序列惻定等。
肽指紋圖譜（ PePtide Mass Fingerprinting,PMF）測定是對蛋白酶解或降解后所得多肽混合物進行質譜分析的方法，對質譜分析所得肽片與多肽蛋白數據庫中蛋白質的理論肽片進行比較，從而判別所測蛋白是已知還是未知。由于不同的蛋白質具有不同的氨基酸序列，因而不同蛋白質所得肽片具有指紋的特征。
采用肽指紋譜的方法已對酵母、大腸桿菌、人心肌等多種蛋白質組進行了研究。對大腸桿菌經PVDF膜轉印的蛋白質的研究表明，三個肽片即可達到對蛋白質的正確識別。
而采用原位酶解的方法對酵母蛋白質組研究的結果顯示，約90％的蛋白質被識別，其中三十多種新蛋白質被發現，而這些蛋白質是酵母基因組研究中未能識別的開放閱讀框架。
研究顯示，肽指紋譜的方法比氨基酸組成分析更為可靠，這是因為MALDI測定肽質量的準確度為99．9％，而氨基酸組成分析的準確度僅為90％。另外MALDI可以耐受少量雜質的存在，對于純度不是很高的樣品也能得到理想的結果。
對肽序列的測定往往要通過串聯質譜技術才能達到分析目的，它采用不同的質譜技術選擇具有特定質荷比的離子，并對其進行碰撞誘導解高，通過推斷肽片的斷裂，即可導出肽序列。
質譜與核酸研究
現代質譜技術自誕生以來在多肽及蛋白質的研究中獲得了極大的成功，于是人們開始償試著特質譜技術用于核酸的研究工作，近年來合成寡核苷酸及其類似物作為反義治療劑在病毒感染和一些癌癥的治療方面有著良好的前景，寡核苷酸作為藥物其結構特征必須進行確證。
常規的色譜或電泳技術只能對其濃度和純度進行分析，而對其堿基組成、序列等結構信息卻無能為力。
ESI和MALDI質譜技術的出現為寡核苷酸及其類似物的結構和序列分析提供了強有力的方法，它是將被測寡核苷酸樣品先用外切酶從3’或5’端進行部分降解，在不同時間內分別取樣進行質譜分析，獲得寡核苷酸部分降解的分子離子峰信號，通過對相鄰兩個碎片分子質量進行比較，可以計算出被切割的核苷酸單體分子質量，將其與四個脫氧苷酸的標準分子量進行對照，就可以讀出寡核苷酸的序列。
由于MALDI技術分辨率的問題，使得其更適合于減基數較少的短鏈核酸的分析。
如何獲得高分辨率的DNA質譜圖一時間成為了研究的熱點問題，由于DNA的化學結構存在著不同于蛋白質的結構特征，使得DNA樣品存在某些特殊性，一是其結構中存在著磷酸基團，有形成鈉磷化合離子的趨勢；二是在激光解吸離子化過程中它的結構不如蛋白質穩定，易形成碎片，這導致峰寬和分子離子的強度變弱，從而使得分辨率下降。
1995年，M．L．Vestal等把離子延遲引出（lonDelayed Extraction, DE）技術應用于MALDI－MS中，不但提高了MALDI－MS的分辨率，而且也開創了質譜應用于DNA研究領域的新局面。國內鄧慧敏等也應用DE－MALDI-MS法測定了混合堿基DNA，獲得了高分辨率的DNA質譜圖。
質譜與臨床醫學
除了應用于蛋白質和核酸研究以外，質譜還以其靈敏度和高分辨率在臨床醫學檢直中得到了廣泛的應用，如對藥物代謝產物的動態分析，癌細胞蛋白質的鑒定，同位素標記物的檢測等。其中用同位素14C標記的14C-尿素呼吸試驗和15N標記的15N-排泄試驗已成為臨床檢測胃幽門螺桿菌（HP）的有效手段。
質譜與檢測
隨著生物工程技術的發展，大量的生物工程產品不斷出現，傳統的測定分子量及純度的方法已不能擔當此重任，現在人們把MALDI-TOF-MS應用于此領域，得到了很好的效果。
蔡耘等用上述技術對重組的人表皮生長因子（hEGF）白細胞介素-3（IL－3）、腫瘤壞死因子（TNF）粒細胞＼巨噬細胞集落刺激因子（GM－CSF）、粒細胞集落刺激因子（G—CSF）堿性成纖維生長因子（bFGF）等六種基因工程產品進行了測定，獲得了準確的分子量信息及純度信息，這為基因工程產品的檢測研究開辟了一條新途徑。
4 展望
隨著科學技術的進步，質譜也得到了快速的發展，特別是與生物技術的結合，開創了質譜應用的新領域，質譜已成為生命科學研究中非常重要的工具。其研究成果也將大大非富人類基因組的研究，并將使人類對生命的本質，其發生發展過程的認識達到一個前所未有的新高度。
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