生命过程的正常运行离不开神秘但精致的生物机制调控,她就像一架庞大且精准的机器控制着生命的孕育、生长和死亡。这极为精致的生物机制吸引了无数科学家去尝试揭开她的神秘面纱。所幸的是,伴随着科学家从生物学、物理学和化学等不同角度的不懈探索,她的芳容已可见一斑。在分子和细胞水平上,科学家们以生物遗传(基因组学等)和蛋白国家自然科学基金项目(21035006;21275120); 国家基础研究计划“973”项目(2014CB932004

王秋泉

Chinese Journal of Chromatography

Xiamen University Institutional Repository

２０１３年１２月 Ｖｏｌ．３１　Ｎｏ．１２Ｄｅｃｅｍｂｅｒ　２０１３　 Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ １１４３～１１４５聚　焦 ＤＯＩ：１０．３７２４／ＳＰ．Ｊ．１１２３．２０１３．１１０３５基金项目：国家自然科学基金项目（２１０３５００６，２１２７５１２０）；国家基础研究计划“９７３”项目（２０１４ＣＢ９３２００４）．收稿日期：２０１３－１１－１５基于电感耦合等离子体质谱的生物分析王秋泉（厦门大学化学系，谱学分析与仪器教育部重点实验室，福建 厦门３６１００５）王秋 泉：教 授，博 士 生 导 师。１９９８年于日本群马大学获得工学博士学位。担任Ａｎａｌ．Ｓｃｉ．副主编（２０１０－２０１１）、Ａｎａｌ．Ｂｉｏａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．国 际顾问委员会委员、《科学通报》编委、《环境化学》编委、《分析化学》编委、《分析科 学 学 报》编 委；中 国 仪 器 仪表学会原子光谱分析专业委员会副主任委员 兼 秘 书 长、中 国 稀 土 学 会理化检验委员会委员兼秘书。研究兴趣为 原 子 光 谱／质 谱 分 析 和 色 谱与分离科学。主 要 应 用 色 谱／电 泳－光谱／质谱 联 用 技 术 开 展 复 杂 环 境和生物体系中关键元素和分子的分析方法学、持 久 性 有 毒 污 染 物 质 的生物 富 集、分 离 和 检 测 研 究，关 注相关 的“迁 移 转 化”、“生 物 可 利 用性／毒性”、“污染环境的生物修复机制”；发展化学选择性和生物专一性元素标记策略，开 展 金 属 组 学 和 定量蛋白质组学研究。　　生命过程的正常运行离不开神秘但精致的生物机制调控，她就像一架庞大且精准的机器控制着生命的孕育、生长和死亡。这极为精致的生物机制吸引了无数科学家去尝试揭开她的神秘面纱。所幸的是，伴随着科学家从生物学、物理学和化学等不同角度的不懈探索，她的芳容已可见一斑。在分子和细胞水平上，科学家们以生物遗传（基因组学等）和蛋白质功能（蛋白质组学和金属组学等等）为研究目标的系统研究离不开各种工具的研制和集成各种工具的方法学研究，这些科学工具和匠心独运的方法学在探索生命机制的研究过程中发挥了不可或缺的重要作用。以构建集成科学工具的分析平台并发展与平台相应的方法学为基础的生物分析为理解生物机制的执行过程提供了准确的情报信息。　　生物体系的复杂 性 和 动 态 变 化 的 特 点 对 生 物 分 析 提 出 了 严 峻 的 挑战，同时也促使科学家发展基于不同检测原理的谱学分析技术并应用于生物分析中，这极大地推进了探索生命过程和理解生物机制的进程。色谱－质谱联用技术是目前生物分析中应用广泛的典范之一。以蛋白质分析为例，受益于各种方法学的发展，色谱－质谱联用技术提供了蛋白质的组成、结构和含量信息，在发现和鉴定新的功能蛋白质分子等方面发挥着不可 替 代 的 作 用。电 感 耦 合 等 离 子 体 质 谱（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ　ｃｏｕｐｌｅｄ　ｐｌａｓｍａｍａｓｓ　ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ，ＩＣＰ－ＭＳ）是质谱大家庭中的一员。基于ＩＣＰ的强电离能力（硬离子源），它以元素／同位素分析见长，是目前最为准确的元素／同位素分析工具；当与色谱／电泳等分离技术相结合时，它又是元素形态分析的高效工具。更为重要的是，近年来它被逐渐地拓展到生物分子和细胞定量分析领域。组成蛋白质的氨基酸及其后修饰基团特殊的化学组成结构（见图１）和蛋白酶与其受体间的特异性相互作用（见图２）为发展相应的元素／同位素化学选择性和生物特异性标记策略提供了可能性。蛋白质分子中这些ＩＣＰ－ＭＳ可检测元素和可元素／同位素标记的基团数目以及蛋白酶分子与 其 受 体 间 相 互 作 用 的 特 定 化 学 计 量 关 系 是 蛋 白 质ＩＣＰ－ＭＳ定量的基础（见 图２），与 同 位 素 稀 释 技 术 相 结 合，ＩＣＰ－ＭＳ可 以实现蛋白质的绝对定量分析［１］。由于肿瘤细胞表面会过表达某些蛋白质分子，针对这些蛋白质分子设计合成元素标记的靶向多肽可以实现肿瘤细胞的ＩＣＰ－ＭＳ计数［２］（见图３）；利用ＤＮＡ分子间的碱基互配原理设计元素标 记 的 报 告 ＤＮＡ 并 结 合 滚 环 扩 增（ｒｏｌｉｎｇ　ｃｉｒｃｌｅ　ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ＲＣＡ）信号放大技术，ＩＣＰ－ＭＳ又可实现目标ＤＮＡ和病毒的超高灵敏定量分析［３，４］（见图４）。色 谱 第３１卷图４　基于ＩＣＰ－ＭＳ和脱氧核糖核酸（ＤＮＡ）碱基互配规则与滚环扩增（ＲＣＡ）的ＤＮＡ和病毒定量分析［３，４］图１　蛋白质分子中ＩＣＰ－ＭＳ可检测的元素和可元素标记的化学基团［１］图２　蛋白酶分子与其受体间的特异性相互作用和基于元素／同位素标记策略的ＩＣＰ－ＭＳ定量分析［１］　　化学选择性和生物特异性元素标记策略的发展使原本擅 长 于 元 素 分 析 的ＩＣＰ－ＭＳ也 能 胜 任 蛋 白图３　肿瘤细胞的ＩＣＰ－ＭＳ计数［２］质、ＤＮＡ、病毒和肿瘤细胞的高灵敏定量分析（ＬＯＤ达到ｐｍｏｌ～ｆｍｏｌ甚至ｚｍｏｌ水平）。由于ＩＣＰ是一个非常硬的离子源，元素标记的生物分子和细胞在其离子化过程中转变成所标记元素的离子，且离子化效率几乎不受生物分子组成和形态或细胞种类的影响。这一特点使ＩＣＰ－ＭＳ在生物分子（蛋白质）或细胞定量分析时仅仅使用所标记元素／同位素的简单化合物进行校准即可，而不必像软电离源生物质谱（基 质 辅 助 激 光 解 吸 电 离 飞 行 时 间 质 谱（ＥＳＩ／ＭＡＬＤＩ－ＭＳ））定量蛋白质时必须使用合成／定制的目标蛋白质的特征同位素多肽作为内标［５］，从而极大地简化了 蛋 白 质 定 量 的 步 骤、降 低 了 分 析 成 本。必须指出的是，也 正 是ＩＣＰ－ＭＳ的 这 一 特 性 使 生 物分子的 结 构 信 息 在ＩＣＰ离 子 化 过 程 中 全 部 丢 失。这对已知蛋白 质 的ＩＣＰ－ＭＳ定 量 没 有 问 题，但 是 对未知蛋白质的定量却存在着不确定性；当仅用一种元素对众多蛋白质进行标记时，必须对目标蛋白质进行色谱／电泳分离［６，７］。幸运的是，生物特异性 元素标记策略可以很好地解决这一问题；不仅如此，使用多元素／同位素对不同生物分子或不同种类细胞进行标记 时，ＩＣＰ－ＭＳ还 可 实 现 多 种 生 物 分 子 的 同时定量分析［８，９］。　　我们已经知道，ＥＳＩ／ＭＡＬＤＩ－ＭＳ在生物分子结·４４１１·　第１２期 王秋泉：基于电感耦合等离子体质谱的生物分析构鉴定方面的 优 势 是ＩＣＰ－ＭＳ无 法 匹 敌 的；另 一 方面，针对生物分子的定量分析，ＩＣＰ－ＭＳ因化学选择性和生物特异性元素标记策略的发展而极具优势。它们的联合使用必将为生物分析（特别是定量蛋白质组学和金属组学研究）提供解决问题的新途径，这时我们需要一个化学集成器（ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｈｕｂ）针对目标生物分 子 或 细 胞 正 交 集 成 运 用ＥＳＩ／ＭＡＬＤＩ－ＭＳ和ＩＣＰ－ＭＳ而不是简单地物理平行使用，使得ＩＣＰ－ＭＳ知道定量的是何种生物分子或细胞［１０］，这对未知生物分子或细胞的发现和绝对定量十分重要。致谢：感谢梁勇和刘创基同学在完成本文过程中收集资料和有益的讨论。参考文献：［１］　Ｙａｎ　Ｘ　Ｗ，Ｙａｎｇ　Ｌ　Ｍ，Ｗａｎｇ　Ｑ　Ｑ．Ａｎａｌ　Ｂｉｏａｎａｌ　Ｃｈｅｍ，２０１３，４０５：５６６３［２］　Ｚｈａｎｇ　Ｚ　Ｂ，Ｌｕｏ　Ｑ，Ｙａｎ　Ｘ　Ｗ，ｅｔ　ａｌ．Ａｎａｌ　Ｃｈｅｍ，２０１２，８４：８９４６［３］　Ｈａｎ　Ｇ　Ｊ，Ｚｈａｎｇ　Ｓ　Ｃ，Ｘｉｎｇ　Ｚ，ｅｔ　ａｌ．Ａｎｇｅｗ　Ｃｈｅｍ　Ｉｎｔ　Ｅｄ，２０１３，５２：１４６６［４］　Ｌｕｏ　Ｙ　Ｃ，Ｙａｎ　Ｘ　Ｗ，Ｈｕａｎｇ　Ｙ　Ｓ，ｅｔ　ａｌ．Ａｎａｌ　Ｃｈｅｍ，２０１３，８５：９４２８［５］　Ｈｅｂｅｒｔ　Ａ　Ｓ，Ｍｅｒｒｉｌ　Ａ　Ｅ，Ｂａｉｌｅｙ　Ｄ　Ｊ，ｅｔ　ａｌ．Ｎａｔ　Ｍｅｔｈｏｄｓ，２０１３，１０：３３２［６］　Ｙａｎ　Ｘ　Ｗ，Ｘｕ　Ｍ，Ｙａｎｇ　Ｌ　Ｍ，ｅｔ　ａｌ．Ａｎａｌ　Ｃｈｅｍ，２０１０，８２：１２６１［７］　Ｘｕ　Ｍ，Ｙａｎ　Ｘ　Ｗ，Ｘｉｅ　Ｑ　Ｑ，ｅｔ　ａｌ．Ａｎａｌ　Ｃｈｅｍ，２０１０，８２：１６１６［８］　Ｙａｎ　Ｘ　Ｗ，Ｙａｎｇ　Ｌ　Ｍ，Ｗａｎｇ　Ｑ　Ｑ．Ａｎｇｅｗ　Ｃｈｅｍ　Ｉｎｔ　Ｅｄ，２０１１，５０：５１３０［９］　Ｙａｎ　Ｘ　Ｗ，Ｌｕｏ　Ｙ　Ｃ，Ｚｈａｎｇ　Ｚ　Ｂ，ｅｔ　ａｌ．Ａｎｇｅｗ　Ｃｈｅｍ　Ｉｎｔ　Ｅｄ，２０１２，５１：３３５８［１０］　Ｙａｎ　Ｘ　Ｗ，Ｌｉ　Ｚ　Ｘ，Ｌｉａｎｇ　Ｙ，ｅｔ　ａｌ．Ｃｈｅｍ　Ｃｏｍｍｕｎ，ｉｎ　ｓｕｂ－ｍｉｓｓｉｏｎ·５４１１·

基于电感耦合等离子体质谱的生物分析

http://dspace.xmu.edu.cn/bitstream/handle/2288/106818/%e5%9f%ba%e4%ba%8e%e7%94%b5%e6%84%9f%e8%80%a6%e5%90%88%e7%ad%89%e7%a6%bb%e5%ad%90%e4%bd%93%e8%b4%a8%e8%b0%b1%e7%9a%84%e7%94%9f%e7%89%a9%e5%88%86%e6%9e%90.pdf?sequence=1&isAllowed=y

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