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1、生物质谱分析技术,主讲：胡 水 旺 南方医科大学病生教研室,第一部分,系统生物学的发展,生命科学研究的目标,寻找生命活动的起源及奥秘，解释及探索生命活动的一般规律，改善人类生活质量，延长人类寿命,对生命的认识过程,1.生命是神造的、上帝造（By God）等；2.生命是活力（Activity）；3.生命是机器（Machine）；4.生命是信息（Information）。,系统生物学的定义,系统生物学（systems biology），是在细胞、组织、器官和生物体整体水平多层次、多系统研究各种分子（DNA、mRNA、蛋白质、糖类、脂类等）的结构、功能及其相互作用，用计算生物学方法整合各组学数据来定
2、量描述和预测它们的生物功能、表型和行为的科学。,系统生物学不同于以往的实验生物学，仅关心个别的基因和蛋白质，它要研究所有的基因、所有的蛋白质、组分间的所有相互关系。,还原论vs整合论,传统生物学是还原论(reductionism)的观点 还原论假设一个复杂的系统可以分割为许多不会互相干扰的子系统，因此只要将子系统研究清楚，就能了解复杂系统的行为。系统生物学是整合论(synthesis)的观点 面对子系统不独立的可能性，希望寻找新 的方法来解决子系统间交互作用的问题。,系统生物学应用举例,应用系统生物学的方法可以预测药物的作用机制、病人对药物的应答，包括毒副作用和疗效等。例如，美国纽约基因网络科
3、学公司（Gene Network Sciences）构建了一种人类癌细胞模型，该模型内含有500多种基因和蛋白质，可将以前分别孤立研究的生物过程联系在一起，利用该生物网络模型，能够更好地理解细胞的生物学行为。,第二部分,蛋白质组学的兴起,解析疾病机制手段的改进:DNA Protein,蛋白质存在复杂的翻译后修饰，作为生命功能的行使者，它比基因更能直接地反映生理过程及其变化。蛋白质相互作用及空间构向等问题是生命现象复杂性的真实体现。,蛋白质研究的复杂性,蛋白质研究的复杂性,细胞周期信号转导图,传统的蛋白质研究方法中存在的问题,1.生命现象的发生往往是多因素的，必然涉及到多个蛋白质。2.多个蛋白质
4、的参与是交织成网络的，或平行发生，或呈级联因果关系。3.在执行生理功能时蛋白质的表现是多样的、动态的，并不像基因组那样基本固定不变。,随着人类基因组计划重点由结构基因组到功能基因组的转移，生命科学开始进入后基因组时代。研究基因终产物及生命活动直接功能执行者蛋白质的科学-蛋白质组学（Proteomics）应运而生。,蛋白质组最早是由澳大利亚Macquarie 大学的Wilkins和 Williams在1994年的意大利举办的双向电泳会议上首次提出来的。Proteome一词由“蛋白质（PROTEin）”与“基因组（genOME）”杂合而成，对于“基因组学（Genomics）”,“蛋白质组学”定义为
5、一个基因组所表达的全套蛋白质。由Proteome进一步派生出Proteomics。,2001年，Science杂志把蛋白质组学列为21世纪六大研究热点之一。2003年4月14日，科学家宣布人类基因组计划已经顺利完成，99%的人类遗传密码被破译，人类基因组图谱提前2年完成。蛋白质组学被进一步提上日程。,蛋白质组学(Proteomics)：是通过大规模研究蛋白质的表达水平的变化、翻译后修饰、蛋白质与蛋白质之间的相互作用，以获取蛋白质水平上疾病变化、细胞进程及蛋白质网络相互作用的整体综合信息的科学研究。疾病蛋白质组学：蛋白质组学用于研究疾病发病机制便发展为疾病蛋白质组学。,蛋白质组学定义,蛋白质组学
6、的研究的机遇和挑战：机遇：基因组计划的快速进行，大量基因序列和EST的确定为蛋白质的快速鉴定提供了良好的基础。挑战：从单一蛋白质的研究转变到细胞和组织的整体蛋白质研究，在理论和技术上提出了挑战。,蛋白质研究技术的革命：蛋白质组学,蛋白质组学常用的两大技术平台,第三部分,生物质谱技术的原理及应用,质谱技术特点,质谱仪是一个用来测量单个分子质量的仪器，实际上质谱仪提供的是分子的质量与电荷比(m/z or m/e).质谱法是一强有力的分析技术。它可用于未知化合物的鉴定、定量分析、分子结构及化学特性的确定等方面；所需化合物的量非常低：10-12g,或10-15 mole；应用范围广:(1)有机质谱法：
7、生物、医药、聚合物、法医和环境等方面；(2)无机质谱法：地球化学，地质矿产和无机元素分析鉴定等方面。,质谱分析原理,质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷比的测定来进行分析的一种分析方法。被分析的样品首先要离子化，然后利用不同离子在电场或磁场的运动行为的不同，把离子按质荷比（m/z）分开而得到质量图谱，通过样品的质量图谱和相关信息，可以得到样品的定性定量结果。,质谱发展史,1911年:世界第一台质谱装置（J.J.Thomson）40年代:用于同位素测定和无机元素分析50年代：开始有机物分析（分析石油）60年代：研究GC-MS联用技术70年代：计算机引入,生物质谱的发展,80年代：快原子轰击电离，
8、基质辅助激光解吸电离，电喷雾电离，大气压化学电离,质谱技术因解决科学前沿难题屡次获得诺贝尔奖：1.1906年，Thompson.J.J（发明质谱技术）；2.1922年，Aston F.W（利用质谱仪发现非放射性同位素）；3.1980年，Paul W.（发明离子阱原理与技术）；4.1996年，Curl R.F/Sroalley R.E.等（用质谱仪观测到激光轰击下产生的碳60）；,2002年美国科学家约翰.芬恩与日本科学家田中耕一由于发明了对生物大分子的质谱分析方法而获得了诺贝尔化学奖。因为该方法解决了生物大分子“是什么”的问题。,质谱仪的示意图,数据处理系统,离子检测器,质量分析器,离子源,蛋
9、白质,产生离子,按离子的质量与电荷比分离离子,离子转换成电信号,高斯状峰,棒状峰,质谱工作流程,进样系统,离子源,质量分析器,离子检测器,1.加热进样2.直接进样,1.单聚焦 2.双聚焦 3.飞行时间4.四极杆,1.电子轰击 2.化学电离 3.场致电离 4.激光 5.快原子轰击,质谱的构造,进样系统：按电离方式的需要，将样品送入 离子源的适当部位，分为加热进样和直接进样。离子源：用来使样品分子电离生成离子 质量分析器：利用电磁场的作用将来自离子源的离子束中不同质荷比的离子按空间位置，时间先后或运动轨道稳定与否等形式进行分离 离子检测器：用来接受、检测和记录被分离后的离子信号,进样系统,气体进样
10、液体进样 固体进样,离子源,电子轰击电离（EI）化学电离（CI）快原子轰击（FAB）电喷雾电离（ESI）基质辅助激光解吸电离（MALDI）表面增强激光解吸电离(SELDI)技术,1).电子轰击(Electron impact,EI)电离 M+e-M+.+2e-,Fi+,i=1,2,3,.,电子束,气体分子,离子束,2).化学电离(chemical ionization,CI)正离子模式：GH+M M+H+G负离子模式：G-H-+M M-H-+G,G:离子化的试剂气体分子,CH4,NH3 等M:被分析物,电子束,气体分子,试剂分子,离子束,3).快原子轰击(Fast atom bombardme
11、nt,FAB)离子化技术-可分析分子量达数千的多肽,极性分子.,4).电喷雾离子化(Electrospray ionization,ESI)技术,a).常规电喷雾源(mL/min)b).微升喷雾源(L/min)c).毫微喷雾源(nL/min),Drying gas,Nebulizer gas,电喷雾离子化（Electrospray Ionizsation，ESI）是在毛细管的出口处施加一高电压，所产生的高电场使从毛细管流出的液体雾化成细小的带电液滴，随着溶剂蒸发，液滴表面的电荷强度逐渐增大，最后液滴崩解为大量带一个或多个电荷的离子，致使分析物以单电荷或多电荷离子的形式进入气相。,电喷雾离子化的
12、特点是产生高电荷离子而不是碎片离子，使质量电荷比（m/z）降低到多数质量分析仪器都可以检测的范围，因而大大扩展了分子量的分析范围，离子的真实分子质量也可以根据质荷比及电荷数算出 可以方便地与多种分离技术联合使用，如液质联用（LCMS）是将液相色谱与质谱联合而达到检测大分子物质的目的。,5).基质辅助激光解吸电离技术(Matrix-assisted laser desorption/ionization,MALDI),离子化过程,MALDI的原理是用激光照射样品与基质形成的共结晶薄膜，基质从激光中吸收能量传递给生物分子，而电离过程中将质子转移到生物分子或从生物分子得到质子，而使生物分子电离的过程
13、。因此它是一种软电离技术，适用于混合物及生物大分子的测定,MALDI Matrix 应具有的特性 能够嵌入样品分子间并能起到隔离样品分子之间的相互作用(如形成共结晶);能溶解于可溶解样品分子的溶剂;在真空状态下是稳定的;可吸收激光,既与激光形成共振吸收;可激发样品分子离子化.,样品引入方式：直接进样 优点：a).快速获得分子量的信息;b).快速获得混合肽的肽谱.缺点:a).金属离子干扰,Na,K；b).离子源结构复杂,；c).没有LC/MALDI 接口；d).实现MS/MS 困难 e).需要基质质量范围:分子量小于500,000 Da,6).表面增强激光解吸电离(Surface-enhance
14、d laser desorption/ionization,SELDI)技术,adding the protein sample,washing,adding the energy adsorbing molecule(EAM),质量分析器,磁分析器四极杆质量分析器(Quadrupole analyzer)离子阱质量分析器(Ion trap analyzer)飞行时间质量分析器(Time of flight analyzer)傅立叶变换离子回旋共振分析器（Fourier transform ion cyclotron resonance analyzer）,1).磁质谱仪(magnetic-s
15、ector mass spectrometer)经典质量分析器：带电粒子在磁场中运动受到洛伦兹力的作用,m:离子的质量z:离子所带电量V:离子飞行速度B:磁场强度,r,MS,MS/MS,空间串联质谱仪,优点：a).高重现性(稳定性);b).最好定性分析工具;c).可以实现高分辨;d).高灵敏度;e).宽的动态范围;f).可以实现多级质谱的串联;g).高能collision-induced dissociation(CID)谱重现性好.缺点:a).不能较好的与脉冲离子化技术联用(如:MALDI);b).造价高,体积大;c).联动扫描MS/MS谱的分辨率低.应用:a).所有的有机质谱分析方法;b)
16、.精确质量测量;c).定量分析;d).同位素丰度比的测量.,2).四极质量过滤器质谱仪(quadrupole mass filter mass spectrometer),quadrupole,Mathieu 方程,四级杆质量分析器,四极杆分析器由四根棒状电极组成。电极材料是镀金陶瓷或钼合金。相对两根电极间加有电压（Vdc+Vrf），另外两根电极间加有-（Vdc+Vrf）。其中Vdc为直流电压，Vrf为射频电压。四个棒状电极形成一个四极电场。通过改变扫描电压让不同质荷比的离子分离开。,优点:a).可获得经典的质谱图;b).重现性好;c).以其体积较小,造价较低;d).在三级四极杆串联质谱分析器
17、上或四极杆分析器与磁质谱(飞行时间)分析器组成的混合串联分析器上可获得低能CID谱;缺点:a).峰强度与峰的质荷比有关;b).分辨率低;c).不能较好地与脉冲离子化技术结合(如:MALDI);d).collision-induced dissociation(CID)MS/MS spectra 与collision energy,collision gas,pressure 有关.应用:a).多数台式质谱仪,GC/MS 和 LC/MS 系统;b).串联三级四极杆质谱仪,MS/MS;c).磁分析器与四极杆分析器组成混合型串联质谱仪,MS/MS.,3).离子阱质谱仪(Ion trap mass s
18、pectrometer),离子阱质量分析器,离子阱的主体是一个环电极和上下两端盖电极，环电极和上下两端盖电极都是绕Z轴旋转的双曲面，并满足r0 2=2Z02（r0 为环形电极的最小半径，Z0为两个端盖电极间的最短距离）。直流电压U和射频电压Vrf加在环电极和端盖电极之间，两端盖电极都处于地电位。简单说：用高频交流电把离子限制在离子阱里，然后用离子的特征电压分别将其推出离子阱，到检测器检测。,优点：a).可以实现多级串联质谱技术；b).结构紧凑。缺点：a).动态范围窄，不适合用于定量分析；b).存在空间电荷效应和离子-分子反应；c).CID过程中的碰撞能量大小不能确定；d).多个仪器参数影响质谱
19、中离子的分布，如：活化能、捕获时间、检测器条件等。应用:a).台式的GC/MS,LC/MS/MS;b).目标化合物的筛选;c).气相离子化学研究.d).肽序列测定,4).傅里叶变换离子回旋共振质谱仪(Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometer,FTICR MS),优点:a).是目前分辨率最高的质谱仪,1000,000;b).可实现多级串联质谱分析,msn;c).可以与脉冲离子化电离技术联用,如:MALDI;d).是目前蛋白质和肽测序中顶端质谱仪;e).质量稳定性好;f).可实现气相离子-分子反应.缺点:a).有限的动态
20、范围;b).存在空间电荷效应和离子-分子反应;c).存在Artifact 峰;d).多个仪器参数影响质谱图的分布,如:活化能,捕获时间,检测条件等;e).CID谱与碰撞能，碰撞气及其他仪器参数有关应用:a).生物大分子的分析；b).有机小分子分析；c).离子化学研究；e).可以和各种电离技术联用。,5).飞行时间质谱仪(Time-of-flight mass spectrometer),m为离子的质量，q为离子所带的电荷，L为离子飞行的距离，v为离子的飞行速度，V为离子的加速电压，z为离子所带的电荷数，e微电子的电量。,优点:可获得高分辨质谱；可实现快速的离子传输；可以较好地与脉冲离子化电离技
21、术联用，如：MALDI等；高的离子传输效率；利用post-source decay(PSD)技术可以快速实现MS/MS技术；具有较宽的质量范围;利用ToF-ToF可以实现MS/MS.缺点:需要以脉冲开关；需要快速数字转换器;有限的动态范围.应用：MALDI-ToF；GC/EI(CI)-ToF;可用于有机化合物的分析；生物大分子的分析；肽谱,离子检测器,质谱仪的检测主要使用电子倍增器，也有的使用光电倍增管。由质量分析器出来的离子打到高能电极产生电子，电子经电子倍增器产生电信号，记录不同离子的信号即得质谱。信号增益与倍增器电压有关，提高倍增器电压可以提高灵敏度，但同时会降低倍增器的寿命，因此，应该
22、在保证仪器灵敏度的情况下采用尽量低的倍增器电压。由倍增器出来的电信号被送入计算机储存，这些信号经计算机处理后可以得到色谱图，质谱图及其它各种信息。,质谱性能指标,灵敏度(sensitivity)分辨率(resolution)质量范围(mass range)质量稳定性(mass stability),灵敏度,在一定的分辨率下，产生一定信噪比（S/N）的分子离子峰所需的样品量在质谱分析中，仪器出现峰（信号）的强度E应与物质的量或浓度C成线性关系：E=SC，比例系数S称为灵敏度S=E/C,分辨率,质谱仪的分辨率表示质谱仪把相邻两个质量分开的能力，常用R表示。两种定义方式：双峰法和单峰法,双峰法,如果
23、某质谱仪在质量M处刚刚能分开M和M+M两个质量的离子。则该质谱仪的分辨率为R=M/M所谓两峰刚刚分开，一般是指两峰间的“峰谷”是峰高的10%（每个峰提供5%）,单峰法,如果质量为M的质谱峰其峰高50%处的峰宽（半峰宽）为M。则分辨率为R=M/M，这后一种表示方法测量时比较方便。目前，FT-MS和TOF-MS采用这种分辨率表示方式。,质量范围,质量范围是质谱仪所能测定的离子质荷比的范围。对于MALDI离子源，电离得到的离子为单电荷离子，质量范围实际上就是可以测定的分子量范围；对于ESI离子源，由于形成的离子带有多电荷，尽管质量范围只有几千，但可以测定的分子量可达10万以上。,质量稳定性,质量稳定
24、性主要是指仪器在工作时质量稳定的情况，通常用一定时间内质量漂移的质量单位来表示。,生物质谱种类,按离子源的类型：电喷雾质谱和MALDI质谱按质量分析器类型：四级杆质谱；飞行时间质谱；离子阱质谱；FTICR质谱等,串联质谱,Q-Q-QTOF/TOF Q-TOFQ-Trap,串联质谱的优势,利用软电离技术（如电喷雾和快原子轰击）作为离子源时，所得到的质谱主要是准分子离子峰，碎片离子很少，因而也就没有结构信息。为了得到更多的信息，最好的办法是把准分子离子“打碎”之后测定其碎片离子。De novo 测序的主体思想,裂解方式,碰撞诱导分解（Collision Induced dissociation，C
25、ID）源后衰减（Post source decay，PSD）,碰撞诱导分解（CID）,碰撞诱导分解在碰撞室内进行，带有一定能量的离子进入碰撞室后，与室内惰性气体的分子或原子（也可以是空气）发生碰撞，离子发生碎裂。,源后衰减（PSD）,离子在飞行过程中如果发生裂解，新产生的离子仍然以母离子速度飞行。因此在直线型漂移管中观测不到新生成的离子。如果采用带有反射器的漂移管，因为新生成的离子与其母离子动能不同，可在反射器中被分开。,MALDI TOF/TOF 4800,质谱工作流程,4800图谱,PMF图谱,PST图谱,A:质谱图中最强子的相对强度(Y axis)B:离子的质量与电荷比(m/z,X axis)C:离子峰称为基峰(base peak)D:相对于特定的检测器时称为峰的绝对强度E:所有质谱峰对应的是离子电信号强度和离子应在的m/z位置F:棒状谱(centroidal peak)G:高斯峰(gauss peak),F,质谱图意义,G,生物质谱技术的应用,1.质谱与蛋白质分析2.蛋白质组学研究3.质谱与核酸研究4.质谱与临床医学,思考题：1.质谱仪的组成部分2.质谱仪的主要技术指标3.ESI电离方法的原理4.MALDI电离方法的原理 5.生物质谱技术的主要应用领域,Thanks,
