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生物质谱技术
生命科学被誉为２１世纪的最前沿科学之一，随着人类第一张基因序列草图的完成和发展，生命科学的研究也将进入一个崭新的后基因组学，即蛋白质组学时代。
正如基因草图的提前绘制得益于大规模全自动毛细管测序技术一样，后基因组研究也将会借助于现代生物质谱技术等得到迅猛发展。
本文拟简述生物质谱技术及其在生命科学领域研究中的应用。
１．质谱技术质谱（ＭａｓｓＳＰｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）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高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。
质谱分析的基本原理用于分析的样品分子（或原子）在离子源中离化成具有不同质量的单电行分子离子和碎片离子，这些单电荷离子在加速电场中获得相同的动能并形成一束离子，进入由电场和磁场组成的分析器，离子束中速度较慢的离子通过电场后偏转大，速度快的偏转小；在磁场中离子发生角速度矢量相反的偏转，即速度慢的离子依然偏转大，速度快的偏转小；当两个场的偏转作用彼此补偿时，它们的轨道便相交于一点。
与此同时，在磁场中还能发生质量的分离，这样就使具有同一质荷比而速度不同的离子聚焦在同一点上，不同质荷比的离子聚焦在不同的点上，其焦面接近于平面，在此处用检测系统进行检测即可得到不同质荷比的谱线，即质谱。
通过质谱分析，我们可以获得分析样品的分子量、分子式、分子中同位素构成和分子结构等多方面的信息。
质谱技术的发展质谱的开发历史要追溯到２０世纪初Ｊ．Ｊ．Ｔｈｏｍｓｏｎ创制的抛物线质谱装置，１９１９年Ａｓｔｏｎ制成了第一台速度聚焦型质谱仪，成为了质谱发展史上的里程碑。
最初的质谱仪主要用来测定元素或同位素的原子量，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年代后期已广泛地应用于无机化合物和有机化合物的测定。
生物质谱技术与方法
A
3
The Nobel Prize in Chemistry 2002
"for the development of methods for identification and structure analyses of biological macromolecules"
"for their development of soft desorption ionisation methods for mass spectrometric analyses of biological macromolecules"
A
7
质谱仪
质谱仪包括进样系统、电离系统、质量分析器 和检测系统。为了获得离子的良好分析，必须 避免离子损失，因此凡有样品分子及离子存在 和通过的地方，必须处于真空状态。
在进行质谱分析时，一般过程是：通过合适的 进样装置将样品引入并进行气化。气化后的样 品引入到离子源进行电离。电离后的离子经过
适当的加速后进入质量分析器，按不同的m／z
"for his development of nuclear magnetic resonance
spectroscopy for determining the three-dimensional
structure of biological macroon"
通常将能给样品较大能量、生成较多碎片离
子的电离方法称为硬电离方法（如电子轰击
离子化，EI），而给样品较小能量、碎片离
子较少或不生成碎片离子的电离方法称为软
电离方法。
A
11
生物质谱中有代表性的离子源
1．电喷雾电离(Electrospray Ionization，ESI) 2．离子喷雾电离（Ion spray Ionization，ISI ）
生物质谱技术与方法
质谱图
质谱分析中，按各离子m/z的顺序及相对 强度大小记录分析结果的图谱即为质谱 图。由于图谱中离子的质量及相对强度 是各物质所特有的，即反映了物质的性 质和结构特点，因此通过质谱解析可以 进行物质的成分和结构分析。
常见的质谱图是经过计算机处理后得到 的棒图（bar graph）。
棒图(bar graph)
0 799.0
1209.84 1239.4
2044.21
1570.45 1439.65
1738.35 1894.26 2047.21
1391.67 1574.12 1724.38
1923.27
2210.10
2066.13
1679.8
2120.2
Mass (m/z)
2470.78 2560.6
2661.87 2807.67 0
3．大气压化学电离(Atmospheric Pressure
Chemical Ionization，APCI)
4．基质辅助激光解吸电离(Matrix Assisted
Laser Desorption Ionization，MALDI)
5．快原子轰击电离(Fast Atom Bonbardment
Ionization，FAB)
质量精度 = ∣M－M0∣/ m×106 (ppm)
（m为离子质量数的整数）
仪器的质量精度一般应小于10 ppm。
分辨率(resolution，R)
分辨率是指仪器能分离相邻两质谱峰的能力。若 将强度近似相等、质量分别为M和M+M 的两个 相邻峰恰好分开，则质谱仪的分辨率定义为：
R＝m1 / (m2 - m1) ＝m1 / △M
•Quadrupole •Time-of-flight •Ion trap •Magnetic sector •FTMS
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39、没有不老的誓言，没有不变的承 诺，踏 上旅途 ，义无 反顾。 40、对时间的价值没有没有深切认我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特
生物质谱技术与方法全解
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。
生物质谱技术与方法全解
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。
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42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
ห้องสมุดไป่ตู้
生物质谱技术与方法全解
21、静念园林好，人间良可辞。 22、步步寻往迹，有处特依依。 23、望云惭高鸟，临木愧游鱼。 24、结庐在人境，而无车马喧；问君 何能尔 ？心远 地自偏 。 25、人生归有道，衣食固其端。
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
ห้องสมุดไป่ตู้
生物质谱技术与方法全解
21、静念园林好，人间良可辞。 22、步步寻往迹，有处特依依。 23、望云惭高鸟，临木愧游鱼。 24、结庐在人境，而无车马喧；问君 何能尔 ？心远 地自偏 。 25、人生归有道，衣食固其端。
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
生物质谱法
主要作用： ①确定化合物准确的分子式（分子量） ②提供某些一级结构信息 一级→构造 二级→构型 三级→构象
一、质谱计
三个功能： 1）使挥发性不同的化合物气化 2）把气化的分子电离 3）将形成的离子按质-荷比（m/z）分离，
随后检出并记录
构成：
真空系统，进样系统，离子源，质量分析器，
离子检测器，记录器
ABCD ABCD 2e
e
分子离子
ABCD (ABCD)
e
e
n
n1 e （ ）
多电荷离子
ABCD A BCD
AB CD
碎片离子
ABC D
AD BC
ABCD
重排离子
[ABCD ABCD ]
4 快原子轰击（Fast atom bombardment FAB）
三、质量分析器
扇形磁场仪器 ( Magnetic-sector instruments
m B 2r 2 z 2V
四、质谱中术语及离子 1、质谱术语 基峰 质荷比
2、质谱中离子 分子离子 碎片离子 准分子离子
第二节 生物质谱法
四 激光解吸离子化质谱的特征
第三节 电喷雾离子化质谱法
一 ESI原理
1 静电喷雾 2 去溶剂化和离子蒸发
二 影响ESI的因素
1 样品的PKa和溶液的PH值
2 溶剂的性质
3 去溶剂时干燥气体的温度与流速
三 生物分子的ESIMS 1 正离子质谱
2 蛋白质分子量的测定
①系列中相邻峰值相差1个电荷 ②电荷是由于阳离子的加成(通常为质子所致, 因而, 每一个峰代表蛋白质分子加上一定数目 的质子所形成的离子,即[Mr+nH]n+
生物质谱分析技术
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。
蛋白质组学定义
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。
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：生物、医药、聚合物、
蛋白质研究的复杂性
转录水平调控
蛋白质表达调控 翻译水平调控
翻译后水平调控 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
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
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。
基因组 转录组
合成生物学
蛋白质组 相互作用组
数据整合
模型构建
代谢组
系统干涉
表型组
组学实验
理论计算
系统生物学研究的两大技术方法：组学实验和理论计算
第五章 生物质谱仪器与技术PPT课件
计
检
算
测
机
器
系
统
电子倍增器， 闪烁计数器，等
闪烁计数器：由闪烁体(也称荧光体)和光电倍增管构成
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二、质谱仪的组成
（一）真空系统
覆盖区：凡是有样品分子和离子存在的区域。 作用：降低背景；减少离子间或离子与分子间碰撞所 产生的干扰，如散射、离子飞行偏离、质谱图变宽等； 延长灯丝寿命（残余空气中的氧能烧坏离子源的灯 丝）。 真空度： 1.0×10-4～1.0×10-7Pa。特别是质量分析 器要求高真空度。
20
（三）离子源
8.基质辅助激光解吸电离（MALDI）
MALDI： matrix-assisted laser desportion ionization
将样品溶液和基质混匀，干燥成为晶体或半晶 体，在激光（如337nm紫外氮激光）照射下，基 质吸收能量后瞬间由固态转化为气态，将质子转 移给样品分子使其离子化 .
进样系统
真空系统
离子源
质量分析器
检测器
加速器
计算机系统
质谱仪的基本结构框图
8
二、质谱仪的组成
进样系统 eg样品板 LC或GC
离子源
++ ++
++
质量分析器
加 速 器
++ + ++++++ ++ ++ +
+++++ + + + +
真空系统
EI源 FAB源 MALDI源 ESI源，等
quadrupole Ion trap time-of-flight, etc