精確操控離子反應質譜科學裝置的研制

　　2015年10月17日，第二屆全國質譜分析學術報告會在浙江大學紫荊港校區體育館盛大開幕，在5位院士的精彩報告后，多位學者做了高水平的大會報告。

中國計量科學研究院方向研究員：精確操控離子反應質譜科學裝置的研制

　　中國計量科學研究院院長方向研究員做題為《精確操控離子反應質譜科學裝置的研制》的報告。質譜檢測的原理從某種意義上來說就是對離子的操控。在質譜應用領域科學家們面臨很多挑戰，如蛋白質組學磷酸化多肽結構測定、生物仿制藥中痕量肽段檢測、單細胞中痕量代謝物分析、有機反應不穩定中間體捕獲、反應機理、動力學研究等，需要的技術手段包括：離子裂解新技術、超痕量離子選擇性富集技術；離子-離子/分子反應技術等，需要進行創新性的裝置開發，即精確操作離子的質譜科學裝置。中國計量院及合作團隊圍繞離子操控技術，進行了核心部件創新、儀器裝置創新、操作方式創新和應用方法創新。接下來，方向研究員主要介紹了幾類課題組研制的精確操控離子質譜的科學裝置，包括：分子/離子反應裝置；Q-HyperLIT生物質譜；離子/離子反應裝置。

　　分子/離子反應裝置包括：（1）分子/API-QQ-IT反應基本型；（2）阱內紫外光電離型；（3）分子試劑精確控制分析型。在分子/API-QQ-IT反應基本型中，在QTrap類型的Trap阱前加入緩沖氣，在阱后加入分子試劑，實現了對分子/離子反應的控制、機理研究。初步試驗結果包括：溴鎓離子、磷鎓陽離子、苯基乃春陽離子、含銅有機金屬試劑等氣相反應活性研究、腦啡肽結合不同金屬離子的HDX實驗等。阱內光電離型在基本型的基礎上，在阱內加入紫外燈，引入了光化學反應，可獲得更多結果。在分子試劑精確控制分析型中，加入EI電離并控制，當定量加入反應分子后，甚至可實現產物分子的定量。分子/離子反應裝置的主要創新點包括：搭建氣相分子離子反應專用質譜研究平臺、超長時間富集稀有離子、超長時間讓離子分子反應；對反應試劑分子含量進行精確和耐污染控制。除了初步的實驗，未來還可以結合光譜技術對反應結果佐證，研究過渡金屬在反應中價態變化的過程，不同過渡金屬陽離子的氣相反應活性研究，用氫/氘交換技術對活性中間體進行結構鑒定，拓展負離子的氣相活性研究、精確定量分子/離子反應等。并有可能對碎裂的中性物種進行再離子化。

　　Q-HyperLIT生物質譜包括：（1）API-QQQ-IT基本型；（2）變氣壓變氣氛型；（3）激光解離型等。三段四極桿和三段離子阱復合裝置的阱后，加入緩沖氣，可通過超長時間的存儲，對超痕量和濃度差異大的離子實現有效檢測。研究結果包括：超低含量玉米素（植物激素）的檢測；高純試劑的雜質直接分析；磷酸肽的結構測定；牛血清蛋白的測定。比如，當把離子化時間從0.1秒增加到50秒后，玉米素的靈敏度增加了100倍（100nM到1nM檢出）；再比如輕松實現對10^-17g/g（10^-5ppt）利血平的檢測。當對基本型的緩沖氣部分進行多路控制后，就成為變氣壓變氣氛型；通過精確控制氣壓和氣體種類，來顯著提高離子精確控制能力，在濃度差異大的樣品、大分子檢測、獲得更高分辨率方面有更好表現。當在阱后加入激光器后，可實現質譜+激光的多譜耦合分析。Q-HyperLIT技術通過超長時間選擇富集稀有離子，存儲離子，并進行多種模式的碎裂，可在生命科學、有機反應等方面，對超痕量物質測定、結構測定等方面發揮有效作用。

　　離子-離子反應裝置包括：（1）API-QQQ-IT-（IT）²-IT-QQQ-API基本型；（2）離子/離子反應超高分辨率型。在基本型中，搭建雙大氣壓接口（API）-四套獨立控制的線性離子阱，可對離子阱網絡間離子互相傳輸進行操控，并用“多進程-并發”方式分析離子束。比如：在離子阱A測定Bradykinin（緩激肽），僅得到[M+2H]²⁺，在離子阱B中測定PFO（perfluoro-1-octanol），得到單電荷負離子[B-H]^-，在將[B-H]^-從離子阱B傳輸到離子阱A，正負離子反應100毫秒后，可同時獲得Bradykinin的雙電荷正離子和單電荷正離子，未來還可以做更多的研究。在超高分辨型中，把4個離子阱之一的后面接上Orbitrap，作為反應后產物的高分辨率檢測器，可實現分子-離子反應，離子-離子反應，高分辨率質量分析的并行分析。離子-離子反應裝置的主要創新點為：搭建了獨特的離子離子反應專用實驗裝置，實現離子阱網絡操控，離子束多進程并發分析，多目標物獨立選擇性富集，復雜時序操控等技術，可在生命科學、離子裂解機理、裂解新物種、離子/離子反應機理，甚至有機化學合成、光化學研究新方法等研究中發揮重要作用。

　　最后，方向感謝了清華、浙大、復旦、大連化物所、BPRC、北京生命科學研究所、東華理工、醫科院藥物所等眾多合作單位，并指出：質譜可以不僅僅是單純的檢測器，也可以不再受限于國外質譜產品出廠時的限定功能；國產質譜研發可以不再是簡單模仿，可以做集成創新和原始創新裝置。