生物分子的质谱分析

摘要：生物质谱因其高灵敏度、高准确度、快速、易于自动化等特点，质谱分析技术已经应用于化学、化工、环境、能源、医药、运动医学、刑侦科学、生命科学、材料科学等各个领域，在生命科学领域的应用和研究日益广泛。本文将阐述目前生物质谱技术的类型、原理以及在医学领域中的应用，进而分析质谱技术在未来发展的前景。该文综述了近年来生物质谱在蛋白质、核酸、糖类、药物代谢以及微生物检验等方面的应用及进展。

关键字：质谱，生物质谱，生物分子，新技术，应用

质谱(Mass Spect romet ry) 是带电原子、分子或分子碎片按质荷比(或质量) 的大小顺序排列的图谱。质谱仪是一类能使物质粒子离化成离子并通过适当的电场、磁场将它们按空间位置、时间先后或者轨道稳定与否实现质荷比分离,并检测强度后进行物质分析的仪器。质谱仪主要由分析系统、电学系统和真空系统组成。

最初的质谱仪，主要是用来测定元素或同位素的原子量,但是随着离子光学理论的发展,质谱仪不断改进,其应用范围也在不断扩大。到20 世纪50 年代后期，其已广泛地应用于无机化合物和有机化合物的测定。现今,质谱分析的足迹已遍布各个学科的技术领域,在固体物理、冶金、电子、航天、原子能、地球和宇宙化学、生物化学和生命科学等领域，均有着广阔的应用。质谱技术在生命科学领域中的应用,更为质谱的发展注入了新的活力,形成了独特的生物质谱技术，促使质谱技术在生命科学领域获得广泛应用和发展。

目前商业化的生物质谱仪，其离子化方式主要是：电喷雾电离方式和基质辅助激光解吸电离方式。电喷雾电离方式常采用四极杆质量分析器，其所构成的仪器称为电喷雾（四极杆）质谱仪（ESI-MS）。基质辅助激光解吸电离方式常用飞行时间作为质量分析器，所构成的仪器称为基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱仪（MALDI-TOF-MS）。ESI-MS 的特点之一是：它可以和液相色谱、毛细管电泳等现代化的分离手段联合使用，从而大大扩展了其在生命科学领域的应用范围，如在药物代谢、临床和法医学等方面的应用等；MALDI-TOF-MS的特点是对盐和添加物的耐受能力高，而且测样速度快，操作简单。此外，可用于生物大分子测定的质谱仪还有离子阱质谱和傅里叶变换离子回旋共振质谱等。而最近面市的最新型的生物质谱仪是液相色谱-电喷雾-四极杆飞行时间串联质谱仪与带有串联质谱功能的MALDI-TOF质谱仪，前者是在传统的电喷雾质谱仪的基础上，采用了飞行时间质量分析器来代替四极杆质量分析器，大大提高了仪器的分辨率、灵敏度和质量范围，其商品名有Q-TOF［4］和Q-STAR［3］等；后者是在质谱中加入了源后降解模式或碰撞诱导解离模式，从而使生物大分子的测序成为可能。

生物质谱技术包括：电喷雾质谱技术（ESI），快原子轰击电离（FAB），基质辅助激光解吸电离（MALDI）。

电喷雾质谱技术，是在毛细管的出口处施加一高电压,所产生的高电场，从而使从毛细管流出的液体，雾化成细小的带电液滴。随着溶剂的蒸发，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。适用于难汽化,极性强的大分子。需注意的是，FAB质谱图中会出现基质分子产生的相应的峰及基质分子与样品分子的结合峰。

电喷雾电离（ESI）于1984年用于质谱。其原理是：样品溶液从毛细管出，电场、气流使成雾状带电液滴，蒸发，液滴变小，离子从液滴出来，通过锥孔，透镜进质谱仪。20世纪90年代中期，ESI出现纳喷雾离子源（nanoelectrospray ionization source）,纳升流速，分析灵敏度提高，且少至0.5uL的样品溶液可得到30min稳定喷雾，有充分机会进行质谱参数优化和许多串联质谱分析。

基质辅助激光解吸电离（MALDI）可使热敏感或不挥发的化合物由固相直接得到离子。其原理是：混合物（样品加基质）真空下受激光照，基质分子能有效的吸收激光的能量，

成基质离子，碰撞样品，使样品分子解吸附进入气相并得到电离，进质谱仪。MALDI适用于生物大分子，如肽类，核酸类化合物。可得到分子离子峰，无明显碎片峰。

随着质谱技术的不断改进和完善，质谱的应用范围已经扩展到生命科学研究的许多领域。特别是质谱在蛋白质、医学检测、药物成分分析及核酸等领域的应用，不仅仅为生命科学研究提供了新方法,同时也促进了质谱技术的发展。

有机质谱的一般应用包括：

1. 有机化合物的分子量和结构测定

2. 化学反应的鉴别和反应机理的研究

3. 石油组分和添加剂的分析

4. 化工原料和化工产品的分析

5. 毒品分析和中毒病人中毒品的鉴定

6. 空气、水和泥土有机污染物的分析

7. 香料中组分分析

8. 食品中维生素等组分、食油中组分的分析9. 染料、涂料的分析

10. 有机聚合物的分析

11. 酒中组分的分析

12. 植物中有机组分的分析

13. 粮食、蔬菜、水果农药残留物的分析

14. 烟草中组分的分析

15. 禽肉中一些激素的分析

有机质谱及其联用技术在生物医药学中的应用有很多，其中包括：

1. 天然药物结构测定，合成新药结构确证

2. 新药中杂质、药物降解物分析，新药稳定性研究

3. 药代动力学研究和药物代谢物结构分析

4. 新药研究中组合化学库中组分的鉴定

5. 多肽、蛋白质分子量的测定

6. 多肽和重组蛋白一级结构的确定

7. 多肽序列的测定

8. 蛋白质变异体的检测

9. 蛋白质中巯基测定和蛋白质中二硫键的指定10. 蛋白质翻译后修饰的测定

11. 蛋白质高级结构的研究

12. 生物分子非共价键相互作用的研究

13. 未知蛋白质的鉴定和蛋白质组学研究

14. 蛋白质复合物中组分的分析

15. 寡核苷酸、DNA片段分子量测定

16. 寡核苷酸序列分析

17. SNP研究

18. 用模型识别软件快速鉴别微生物

19. 结构免疫学研究中的应用

20. 细胞生物学中的应用

现就质谱技术在几个方面的应用做一下具体介绍：

.（1）多肽、蛋白质、DNA片段的序列分析

蛋白质的一级结构：以肽链结构为基础的肽链线型序列，串联质谱仪可直接测定肽段的序列。多肽被电离后，各种键会断裂，形成强度不同的离子。肽键断裂形成b n 、