CN1712954A - 用于生物样本的质谱仪 - Google Patents

Abstract

一种质谱仪包括：光源，发射包括多个波长的脉冲光；离子发生器，通过将来自光源的光照射到样本上，使样本的分子离子化；以及质量分析器，根据其质量电荷比分离在离子发生器中被离子化的离子。对于光源，可以使用：包括多个超短脉冲激光源的光源，每个超短脉冲激光源发射彼此不同的波长；发射包括多个波长在内的超短脉冲光的光源，波长具有通过散射具有连续(白)谱的超短脉冲光而产生的、从可见光区域到红外线区域的范围。具有从近红外到紫外区域的范围内的多个波长的脉冲光分担任务：一个汽化样本，且不使之破碎，另一个通过单光子过程或双光子(或多光子)过程离子化已汽化样本。实现了包含在样本中的蛋白质联合体整体的离子化，并能够对其进行质量分析。

Description

用于生物样本的质谱仪

技术领域

本发明涉及一种使用MALDI(基质辅助激光解吸/离子化)方法，更具体地，适用于分析蛋白质、肽、蛋白质联合体和其他生物样本。

背景技术

在后基因组研究中，进行了大量的对基因组产生蛋白质进行综合分析的蛋白质组研究，蛋白质组研究包括：蛋白质的发展、功能和结构的研究。在包括细胞增殖、分化、凋亡(apoptosis)的所有生命活动过程中，蛋白质与其他分子(如其他蛋白质或者核酸)通过非共价键(如氢键、离子键和疏水相互作用)相互结合而发挥其作用。因此，为了揭示每种蛋白质的功能，知道蛋白质与哪些分子反应是十分重要的。

由于近年来质谱仪的快速发展，质量分析已经成为确定和分析如蛋白质和核酸等生物分子的结构的不可缺少的方法。在这些生物分子的质量分析方法中，MALDI-TOFMS(基质辅助激光解吸离子化/飞行时间质谱法)和FAB-MS(快原子轰击-质谱法)非常有效。在MALDI方法中，将待分析样本与被称为基质的、拥有光子吸收能力的物质进行混合，并将一系列脉冲激光照射到样本-基质混合物上。基质快速吸收激光能量，被瞬间加热，并被汽化，在该过程中，基质中的样本被解吸和离子化。即，在MALDI方法中，样本间接地接收基质从激光脉冲中接收到的能量。因此，将MALDI方法分类为软离子化方法之一，从而能够分析大分子而不必使其断裂或破碎。通常，将337nm波长的氮激光和吸收这种激光的基质物质用在MALDI方法中。

对于耐熔物质分析，MALDI-TOFMS和FAB-MS都是有效的，但MALDI-TOFMS与FAB-MS相比的优点在于其能够使亲水大分子离子化。所以，MALDI-TOFMS在测量蛋白质和肽的分子质量方面是有用的。但是，其缺点在于难以离子化低极性分子，因为这种分子与MALDI的基质具有较低的亲水亲和性，因而难以被氢化。另一方面，在FAB-MS中，使用甘油样粘性基质，并且这种粘性基质能够捕获低极性分子，使其氢化，并且易于使其离子化。

如上所述，MALDI-TOFMS和FAB-MS具有各自的优点和缺点。如果MALDI-TOFMS能够离子化超出了FAB-MS的可分析范围的、具有3000或更大的分子质量的低极性分子，则大分子的质量分析将具有更为宽广的应用范围。

在蛋白质-蛋白质联合体或蛋白质-核酸联合体(此后统称为“蛋白质联合体”)中，蛋白质-蛋白质或蛋白质-核酸通过非共价键较弱地结合。所以，当通过利用氮激光的传统MALDI方法对其进行离子化时，蛋白质联合体在结合位点断裂，而不能整体离子化这些联合体(日本未审专利公开No.2004-037128，[0009]～[0011])。

此外，在MALDI方法中，样本不需要直接吸收激光，这使其能够离子化多种样本。但是，不能选择性地离子化样本的特定组分或特定种类的分子(如DNA或肽等)。当想要离子化特定种类(目标种类)的分子时，需要照射具有适合于目标种类的波长的激光，并将能量直接提供给分子，而不是通过基质间接地提供。但是，迄今为止，并不存在这种能够根据目标分子来改变照射到样本上的激光的波长的质谱仪。因此，不能分别离子化包含在蛋白质联合体中的多种分子。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种质谱仪，能够离子化3000Da或更大的低极性大分子，能够对蛋白质联合体进行离子化和质量分析，而无需使其断裂，并且能够与其他分子分离地对目标分子进行质量分析，而与基质的种类无关。

根据本发明的质谱仪包括：

光源，用于发射包括多个波长的脉冲光；

离子发生器，用于通过将来自光源的光照射到样本上，使样本的分子离子化；以及

质量分析器，用于根据其质量电荷比分离在离子发生器中被离子化的离子。

本发明的光源可以包括以下光源之一：

-包括多个超短脉冲激光源的光源，每个超短脉冲激光源发射彼此不同的波长；以及

-发射包括多个波长在内的超短脉冲光的光源，所述波长具有通过散射具有连续(白)谱的超短脉冲光而产生的、从可见光区域到红外线区域的范围。

例如，可以通过将超短脉冲光照射到如玻璃等目标物质上或通过使超短脉冲光通过光子晶体光纤来产生具有连续(白)谱的光。

当多波长的超短脉冲光照射到样本上时，优选的是，相对于时间，分离具有不同波长的多束脉冲激光，以便防止激光束之间的干涉。

在本发明的离子发生器中，将来自光源的脉冲光照射到样本上，从而使样本离子化。在本发明的质量分析器中，可以将从活体上取出的生物样本原样用作样本。当照射具有适当波长的激光时，包含在样本中的蛋白质联合体并不断裂，而是作为整体被离子化。

在本发明中，为了以下目的，将多波长激光照射到样本上：

(a)将多个波长之一用于单光子激励模式。将所述波长设置在基质的吸收光谱带内。由于基质包括具有一个或多个吸收光谱带的多种分子，可以利用此波长的脉冲激光使其汽化。此时，使用紫外/可见光区域的另一脉冲激光(如477nm波长的Ar⁺离子激光)。

(b)将多个波长之一用于单光子激励模式，而将其他波长设置为1/n波长(其中n＝2、3、…)，以便激发由非线性目标所产生的双光子或多光子激励过程。在基本的单光子模式下，包含一种或多种吸收物质的基质被汽化，并利用与双光子或多光子激励过程相对应的波长的光使样本离子化。

(c)将具有分别与目标种类的分子相对应的波长的激光照射到样本上，从而只分析目标种类的分子。通常，为了分析多种分子，必需根据种类，改变基质，或者替换激光源本身。

在传统的MALDI方法中，以377nm波长的氮气体激光照射包含样本的基质，在这种情况下，包含在样本中的蛋白质联合体破碎。由于在将具有高于分子的结合能的能量的光子提供给分子时，发生分子破碎，需要使用具有比与蛋白质联合体的蛋白质之间或蛋白质和核酸之间的非共价键的能量相对应的波长长的波长的光。

粗略地讲，MALDI方法的离子化的物理过程包括：样本的汽化；以及汽化样本的分子的离子化。在本发明中，将从可见光区域(600nm和更长)到近红外区域(直到1.1μm)范围内的波长的光用作蒸发器，并且使用多个波长，以便汽化作为具有不同吸收波长的多种组分的混合物的基质。这增强了基质的汽化效率。此外，为了同时平滑地进行汽化和离子化，使用不同的波长以便分担汽化的任务：一个波长用于样本，一个波长用于基质，所述基质用于辅助样本的离子化，并通常由粘性物质构成。对任务的这种分担进一步优化了汽化效率和离子化效率。

在FAB-MS中，如上所述，将甘油样粘性物质用在基质中，以便离子化低极性分子。同样，在MALDI中，可以通过将这种甘油样粘性物质添加到基质中来离子化低极性分子。即，为了汽化的目的，使用一种适当的基质物质，而为了离子化的目的，使用另一种适当的基质物质。利用这些物质的混合物，分担了混合物的任务，可以同时实现上述两个目的。在这种情况下，应当仔细选择激光器的波长和强度，从而使样本的破碎不致于大规模地发生。通常，甘油样物质具有较高的紫外线吸收率，并且当强度较大时，氮激光倾向于引起破碎。

在质谱仪中，根据质量电荷比(m/z)分离这样产生的离子。在本发明中，可以使用任何类型的质谱仪，如TOF型、离子阱型、四极型等。

在本发明的质谱仪中，具有从近红外到紫外区域的范围内的多个波长的脉冲光分担任务；即，其中之一汽化样本，而并不使之破碎，而另一个通过单光子过程或双光子(或多光子)过程离子化已汽化样本。这样实现了包含在样本中的蛋白质联合体整体的离子化，并使得能够对其进行质量分析。

本发明的质谱仪还按照多种方式实现了对多种分子的分析，而无需较大地改动质谱仪的设置。例如，通过提供多组不同波长的超短脉冲，并根据分析序列，使用其中之一，则能够将分析过程公式化，这使得非专业人士也能够容易而快速地使用质谱仪，并进行分析。

附图说明

图1是具体实现了本发明的第一方案的质谱仪的示意图。

图2是具体实现了本发明的第二方案的另一质谱仪的光源的示意图。

具体实施方式

将参照图1，对具体实现了本发明的第一方案的质谱仪进行描述。尽管将图1所示的质谱仪具体描述为TOF(飞行时间)型的，但并非对具体实现本发明的限制。在本实施例的质谱仪中，激光源由四个超短脉冲激光发生器11a-11d组成，其中每个发生器11a-11d发射具有彼此不同的中央波长的、窄波段超短脉冲激光。四个脉冲激光由分别设置的反射镜12a-12d(其中第一个反射镜12a是全反射镜，而其他三个12b-12d是半反射镜)反射，在路径上融合，并由另一反射镜(半反射镜)13反射到衍射光栅14。衍射光栅14相对于波长散射脉冲激光，并将发送到波长选择器15。在波长选择器15中，将多个(在图1的情况下为三个)反射镜15a-15c设置在散射波长的预定位置处。每个反射镜15a-15c均具有可变的反射率，从而可以通过控制各个反射镜15a-15c的反射率来选择所需波长的脉冲激光。将所需波长的脉冲激光发送回衍射光栅14，并由衍射光栅14对其进行反射，通过半反射镜13，并照射到设置在离子化部分16中的样本17上。

在离子化部分16中，在照射到样本17上的激光中，较长波长的脉冲激光汽化基质和样本，并由较短波长的脉冲激光使样本离子化。当基质包含多种组分时，可以通过照射具有与各个组分的吸收波长相对应的波长的脉冲激光，有效地汽化基质和样本。通过高电压加速离子化的样本(样本离子)，并发送到质量分析部分18，在质量分析部分18中，根据其质量电荷比来分离样本离子。

将参照图2，对本发明的另一实施例进行描述，图2示出了质谱仪的光源。在本实施例中，离子化部分和质量分析部分同样可以是任意类型的。本实施例的光源由超短脉冲光源21、光子晶体光纤22、衍射光栅24、波长光分离器25等组成。超短脉冲光源21中所产生的超短脉冲光进入光子晶体光纤22，并在通过光纤22的同时，被转换为白超短脉冲光。半反射镜23反射白超短脉冲光，导向衍射光栅24，在此，相对于波长对其进行散射，并将其发送到波长光分离器25。在波长光分离器25中，将多个(在图2的情况下为三个)反射镜25a-25c设置在预定波长的位置处。反射镜25a-25c可以沿光路径的方向移动。在由衍射光栅24散射的分量脉冲光中，具有与反射镜25a-25c的位置相对应的波长的分量脉冲光被反射镜25a-25c反射。然后，这些光返回衍射光栅24，并由衍射光栅24进行反射，通过半反射镜23，并照射到设置在离子化部分16中的样本17上(图1)。

如果不同频率(或波长)的脉冲光同时照射到样本17上，则由于不同波长之间的干涉的非线性效应，可能会产生具有等于脉冲光的频率差的频率的干涉光。这种干涉光可能会汽化基质的非目标组分或离子化样本的非目标组分。因此，优选的是，沿光路径移动可移动反射镜25a-25c的位置，从而使不同波长的脉冲光的传播距离不同，并且相对于时间，分离脉冲光。这样做防止了这种干涉光的产生，并且防止了非所需组分的汽化和离子化。

Claims (7)

1、一种用于分析生物样本的质谱仪，包括：

光源，用于发射包括多个波长的脉冲光；

离子发生器，用于通过将来自光源的光照射到样本上，使样本的分子离子化；以及

质量分析器，用于根据其质量电荷比分离在离子发生器中被离子化的离子。

2、根据权利要求1所述的质谱仪，其特征在于所述光源包括多个超短脉冲激光源，每个超短脉冲激光源发射彼此不同的波长。

3、根据权利要求1所述的质谱仪，其特征在于在所述光源中，将超短脉冲光照射到目标物质上，从目标物质发射具有连续谱的超短白脉冲光，针对波长，分离超短白脉冲光，并从所述光源发出具有预定波长的超短单色脉冲光。

4、根据权利要求1所述的质谱仪，其特征在于在所述光源中，将超短脉冲光引入光子晶体光纤的一端，从光子晶体光纤的另一端发射具有连续谱的超短白脉冲光，针对波长，分离超短白脉冲光，并从所述光源发出具有预定波长的超短单色脉冲光。

5、根据权利要求2所述的质谱仪，其特征在于还包括波长光分离器，用于根据其波长、相对于时间、分离多个脉冲光。

6、根据权利要求4所述的质谱仪，其特征在于还包括波长光分离器，用于根据其波长、相对于时间、分离多个脉冲光。

7、根据权利要求1所述的质谱仪，其特征在于将多个超短脉冲光分为不同波长的多个组，并根据分析的预定顺序，将一组或多组超短脉冲光照射到样本上。

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