蛋白质组学

从质谱技术的革新谈方法创新与分析仪器发展

前阵子参加了一个巨空洞的创新方法的会议,但听到了清华大学化学系张新荣教授的报告,感觉还挺有收获,也算不虚此行。
张教授的报告题目是“谈方法创新与分析仪器发展”,听上去似乎很空,但是,张教授讲得非常生动,举了很多富有启发性的例子,非常适合搞仪器研发的人看看。

一、方法创新是分析仪器发展的源泉

以质谱仪器研究为例,阐述了方法创新与分析仪器发展的关系。

张教授说,质谱仪器的发展与分析方法的进步密切相关。质谱仪器诞生以后,经历了多次技术革新与革命,这些革新与革命相当程度上是由于分析方法的发展而产生的。

质谱仪器本身并不复杂,主要由离子源、质量分析器和检测器组成,现在大家做工作最多的是离子源和质量分析器。

EI→CI:引入反应气体

最早的气质,用的是电子电离源(EI),EI源结构简单具有很大的优点,能量很高,能够把分子打碎,从而分析分子结构。但是成也萧何败萧何,EI源的能量太高了,如果许多分子进入质谱,都被打碎了,那么就会造成混淆。为了避免这个问题,只能再给质谱配一个色谱,先实现分析,让分子一个一个进入质谱。加了色谱以后,仪器在小型化方面就实现起来比较麻烦。

    这样人们就做了改进,于是单程了化学电离源(CI)。CI源其实也很简单,就是在EI源的基础上,引进反应气如甲烷,灯丝发出的电子先将反应气电离,然后反应气离子与样品分子M进行离子-分子反应,并使样品分子M电离。这样CI源的能量就不会太高。

就是引入一个反应气体,这么简单的一个方法,就改进了质谱的性能,现在CI源广泛的应用在质谱仪器上。

CI→PTR:用水蒸气替代甲烷

CI源还不够好,因为要用到甲烷,甲烷是一种高危险的气体。所以后来奥地利的科学家用水蒸气替代甲烷,辉光放电,水蒸气变成了H3O+,反应物再跟H3O+反应,生产MH+在进行检测。这就产生了质子转移反应电离源(PTR)。

PTR只与空气中有机物分子反应,生成(M+1)+,不与空气中氮,氧,氢等无机分子反应,特别适合于空气中VOC等污染物的测定,灵敏度高,相比于EI源提高了100-1000倍。
Ionicon Analytik 的PTR-MS仪器使用一种软离子化技术,这种技术是将H3O+ 中的质子传递给被研究的样品中所有质子亲合力大于水的化合物。常见的空气成分如N2 ,O 2 ,Ar,CO 2 等,其质子亲和力都小于水,不能和H3O+ 发生质子传递反应,因此完全不会干扰反应腔中痕量化合物的检测和定量。
    该技术对痕量化合物检测的最低检测限达到几个pptv。软离子化技术在离子化过程中将分子裂解降到最低,大大地提高了质谱图的判断和解析。同时具有飞行时间质谱的很高的质量分辨能力(8000)。
清华大学建筑系卖了一台,17万美金,相比于气质的7-8万美金,提到了约10万美金。

ICP-MS:DRC技术是如何发展起来的?

最高的ICP-MS是PE做的,为什么他们做得好呢?因为采用了动态反应池(DRC)技术。四极杆的ICP-MS有一个问题,就是多原子离子的干扰,比如说砷的原子量是74.9216,而ArCl+的分子量是74.9312,两者质量数差得很小,如果要将二者分开,那么质谱的分辨率要达到7800。
而PE采用DRC技术,即在ICP上开一个小口,注入一定的反应气体,比如使用DRC测定水样中不同形态的铬和砷,由于氧气易与As+反应形成AsO+(m/z 91),从而不受ArCl+和CaCl+ 对质荷比为75时的干扰;氧气同时也能够减少ArC+对质荷比为52 的Cr+的干扰。
有了DRC技术以后,PE的ICP-MS就迅速的卖开了。现在其他的厂商都有了类似的专利技术。
仔细思考一下就是这么简单,只是注入了一种气体而已,就能达到这么好的效果。那么现在,我们中国也在做ICP ,我们怎么解决这个问题?现在那些公司都有专利,而且最近几年都不会过期,如果在这个方面没有专利,那么ICP就很难有突破了。

DESI、DART、MALDI、ESI的技术发展缘起

类似的还有DESI ,这是2004年普渡大学的库克斯教授发明的,DESI只是在电喷雾的基础上做了一些改进,将电喷雾的喷头往下转,将电喷雾的气溶胶先打在样品上,然后再对样品进行测量,这样一下子就把固体表面的样品分析的质谱问题给解决了,就这么简单了,然后库克斯教授在《科学》杂志上发了一篇论文,并在他在普渡大学的小工厂里进行生产,现在再给各个厂商的质谱配套。


DESI还是有些技术缺陷,就是有些样品不太容易拿溶剂来做,如果喷上溶剂,样品就损坏了。日本电子公司,就采用等离子体替换了溶剂,这就有了DART源。原理非常简单,成本也很低,但是现在卖得很贵,也很受欢迎。

田中耕一发明基质辅助激光解析附离子源(MALDI),其原理也非常简单。MALDI技术没有做出来之前,daojin的激光TOF早就出来了,但是只卖了2台,还基本上是送给别人用的,别人还不想要。但田中耕一的这项技术出来后,全世界的蛋白质组学都得用岛津的仪器了,daojin一下子就起来了。
电喷雾离子源(ESI)技术就是John B Fenn将光谱学的技术运用到质谱上,从而解决了质谱测量蛋白质组学测量的问题,现在技术所有的LC-MS都采用ESI源,相关仪器的发展都起来了。从下图可以看出各种例子源的市场情况,ESI源已经占绝对优势了。

(横轴是市场份额大小,纵轴是年份,从上到下是指从1970年至2009年)

小结1:上述创新概念不是仪器设计与制造专业的专家或工程师提出的,相反都是由具有分析化学背景的学者提出来的,且他们最初的研究都属于分析化学方法学研究。因此,分析方法创新是分析仪器创新的重要源泉,这是分析仪器制造这门专业的独特性质决定的;
小结2:上述新技术大都成就了一种新的分析仪器的产业化,特别是MALDI和ESI-MS,已经成为质谱分析仪器最具市场覆盖度的商品。但是,上述技术没有一项对精密加工提出太高的要求,虽然电喷雾取决于高压电源,MALDI取决于激光技术,而这些技术都是很成熟的。因此,我国分析仪器落后的原因并不是精密加工技术落后制约的,缺少创新思想是我国分析仪器真正落后的原因。
小结3:上述成果有的是大学教授完成的,如ESI、DESI、PTR,有的是在公司内部的研究所完成的,如MALDI与DART,因此,分析仪器的创新没有以谁为主体的问题,任何人、任何单位、包括大学、研究所、公司都能够成为创新的主体。但是,有一点是共同的,即分析仪器创新都是由需求产生、由方法创新起步,产学研共同协作完成的。因此,调动所有与分析仪器应用部门、研究部门、产业化部门等各行各业的积极性,在一个政府搭建的平台上进行有效地合作,才能形成一个国家分析仪器不断创新的基础。

二、方法创新到仪器产业化的中间环节
  美国小型创业公司常常承载将新仪器技术产业化这一功能,我们呢?
  ICP-MS的DRC技术最初是由加拿大多伦多大学的Scott Tanner教授发明的,他当时刚博士毕业,在他老板开的Sciex公司中工作,并发明了这项技术。PE公司首先看到了DRC技术的市场前景,并购买了Sciex公司,并开始批量生产,并引发了ICP-MS技术的革新浪潮。最近Tanner后来又成立了DVS Sciences ,从事ICP-MS的免疫分析相关技术的研究,取得了一定进展,并将相关技术做成了仪器。他相信,还会有公司将他的发明与他的小公司仪器买走。
毫无以为,科学家们像老母鸡一样,不断的“下蛋”,不断将这些小公司推出去,不断的研发仪器,并在市场上进行试探。即便失败了,也会因为有国家的扶持而不会处境非常艰难。这样购买该技术的大公司风险不大。
但在中国,国家支持的都是一些基础研究的实验室,没有成果转化的动力。
美国——运行以国家与企业经费共同资助的小公司。
        中国——政府资助的重点实验室或工程中心?
我们缺少一个把分析方法转化为样机的研发平台。

三、中国分析仪器创新与发展的几点思考
◆ 分析方法创新非常重要,应大力提倡(创新方法研究很有意义);
◆ 大的创新都是由小分析方法的进步引发的,因此,在支持大项目研究的同时,应注意支持小项目的研究;分析仪器的诺贝尔奖某种意义上当初都被看做是小项目;
◆ 要加强仪器研究条件平台的建设。
◆ 由于中国的仪器公司目前不具备建立大而强的研发队伍的实力,政府应该承担起组织和支撑这类研发团队的义务。
·改变单纯依靠项目资助的现状,在全国设立若干产学研结合的仪器研发中心,政府给与持续的财政支持,企业牵头但考核的并行标准是技术创新与转化。
·可能性:我国已经建立了若干“国家重点实验室”,每年600-1000万资助,但是,主要任务是基础研究,而且按照二级学科设立。
·分析仪器是一个综合学科(电子、机械、材料、化学、生物、计算机等),这种交叉研究比基础研究更需要一个组织形式。
·这种形式可以有效避免教授的成果是关门研究出的,无法转化;而企业需要的技术,却无人研究的状态。
·项目资助的形式对分析仪器研究有很多弊端,因为培养一批工程技术人员,并使得不同专业的人磨合很不容易,但项目结题队伍就散了,造成极大浪费。
[2011/12/29 16:57:34 Last edit by carollee]仪器采购指南:气质联用仪 液质联用仪 生物质谱






(0)

热评文章

发表评论