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  • 徐偉:中國要研制有自己特色的質譜儀
  • 本站編輯:思科渦旋科技(杭州)有限公司發布日期:2016-07-06 11:27 瀏覽次數:

新聞來源: 分析測試百科


全球很多從事離子阱質譜研發的人員來自于普渡大學的Cooks實驗室,更多的年輕人正在走上質譜研發這條不斷創新的道路,80后教授徐偉便是其一。3年前,徐偉以千人計劃的身份被引進到北京理工大學,帶優先他的團隊在微型生化質譜儀、生物分子結構分析質譜新技術研究方面做出許多讓人耳目一新的工作。不久前分析測試百科網記者有幸采訪到徐偉教授,希望大家能從80后教授的身上,看到年輕人的努力與執著……


 

  北京理工大學生物醫藥工程系 徐偉教授

  徐偉實驗室兩大方向

  入質譜行是一個偶然的機會。徐偉本科學微波,研究生時研究微波附屬材料、隱形材料,畢業后到美國普渡大學電子工程系,跟隨導師從事雷達微波設備、電路的研究。在導師和化學系Cooks教授合作質譜項目時,徐偉加入項目組開始從事離子阱、質譜方面的研究,最初偏理論和仿真,后接觸儀器整機制造。博士后在生物醫學工程歐陽證教授處,徐偉接受了更多的訓練,2012年以千人計劃的身份回到北京理工大學生物醫藥工程系,近3年來均從事質譜研發工作。

  目前,徐偉實驗室的研究以離子阱為主要核心技術,有兩大研究方向:一是質譜微型化,主要特色為生物質譜的新方法和新儀器;二是生物分子結構分析,特色是用質譜做生物分子碰撞截面積。

  第一大方向:微型生化質譜儀

  質譜儀做小只是第一步,關鍵要能對復雜樣品簡單、直接、快速分析

  和市場上英菲康、TORION、聚光、Bayspec等推出的測定氣體或揮發性有機物的便攜式/微型質譜儀不同,徐偉研究的主要是微型生化質譜儀,樣品對象是非揮發性的、大分子的液態物質。即,如果前者是GCMS的微型化,徐偉研究的就是LCMS的微型化。

  徐偉談到,微型生化質譜儀面臨的挑戰要比大型質譜儀大很多,尤其體現在性能要求和前處理能力兩方面。通常質譜儀小型化過程中會造成分析性能的下降,比如實驗室可用的色譜、離心等預處理手段在現場往往不能使用,現場分析性能就會下降。所以,針對現場原位分析,質譜儀做小只是第一步,更關鍵是要有對復雜樣品簡單、直接、快速的分析能力。

  徐偉實驗室開發的一系列技術

  1、世界上比較小的連續大氣壓接口-微型質譜儀(Mini-MS)

  微型質譜儀必須要實現小的真空,一臺質譜儀比較主要的部件都在真空里,同時生化質譜儀需要大氣壓離子源,挑戰就更高:怎樣提供一個功耗體積小、又能保證性能的真空是微型生化質譜儀的一大核心問題。針對此挑戰,徐偉接連提出了幾個關鍵技術

  首先是:非連續PP-API脈沖針孔質譜大氣壓接口技術,該技術發表在RCM, 2015, 29, 701–706上。該技術的優點是:傳輸路徑短(PP-API源距離離子阱核心只有1.5cm),靈敏度高(檢出限100ppb),相對于有些實驗室報道的“夾閥”技術,PP-API的抗高低溫環境性能更好。

  在PP-API的基礎上,徐偉實驗室進一步發展技術,實現了用于微型質譜儀的世界上比較小的連續大氣壓接口。眾所周知,商用實驗室質譜使用的大氣壓接口都是連續的,那么微型質譜儀一旦實現連續大氣壓接口,中間沒有任何機械移動部件,用電控制,就會獲得更好的穩定性、抗震性、魯棒性、重復性。

  注:使用機械閥門控制開關(微秒級),部件會老化,實驗重現性不好;而使用電控制,可在納秒級實現開關,重復性和可控性大幅提高;尤其是沒有機械部件后,抗震性能得到大幅提高,質譜就可以真正實現可移動的測量。

  為在微型質譜儀上實現連續進樣模式,徐偉實驗室又開發出兩個核心技術:

  (a)高氣壓離子阱

  商用離子阱質譜工作氣壓在10-4Torr,高氣壓離子阱工作氣壓約為7X10-3Torr,離子阱工作氣壓提高10倍,這樣對前端進樣的真空要求大大降低。

  (b)差分的真空設計

  泵系統不變,仍使用常規的小質譜機械泵和分子泵;但差分的真空設計能在使用同樣的泵條件下,把氣體的流速或者離子進樣的采樣率可以提高200倍以上。

  連續大氣壓接口微型質譜(Mini-MS)實現的性能

  在實施以上技術后,徐偉實驗室做出的連續大氣壓進口微型質譜,儀器的穩定性、分析速度都可基本達到實驗室級商業質譜的性能。如:RSD<7%的高穩定性,達到2500 Da的寬檢測范圍,1ppm的低檢出限,0.5 Da的單位質量分辨,每秒采集5張譜圖的快速分析能力。

  2、微型毛細管電泳(mini-CE)

  開發出微型質譜和連續大氣壓接口技術后,還要考慮前端的分離技術,徐偉實驗室開發了微型毛細管電泳技術(Anal. Chem. 2015, 87, 2236-2241.),可以在前端處理復雜樣品,并實現微型毛細管電泳和微型質譜的聯用。

  微型毛細管電泳mini-CE和微型質譜mini-MS聯用

  3、膜噴霧離子源(MESI)

  (a)使用MESI膜噴霧,膜上的基質取出和分析物離子化過程;(b)在MESI過程前后的掃描電子顯微鏡照片

  近年來,敞開式離子化技術(Ambient Ionization)被追捧,因其可實現快速、直接、原位的分析,在快速分析和臨床應用方面有廣闊的應用前景。徐偉實驗室開發了膜噴霧離子源(MESI)技術(Anal. Chem. 2015, 87, 3123-3128.),并和自己的微型生化質譜儀很好地結合應用。

  膜噴霧的材料是一片剪成三角形的分子量濾膜,下面緊貼一張預濕的濾紙。MESI的離子化機理和紙噴霧類似,由在三角形尖端產生的高電場輔助電離。在MESI中發生垂直和水平方向的兩種化學分離過程。在垂直方向,離子依據它們的物理尺寸分離;在膜上滴上樣品后,無機鹽及分子尺寸小于膜的分子(每種膜有分子量cutoff,MWCO)將透過膜擴散并被膜下面的濾紙吸收,這個過程大約為15秒。傳統的透析膜過濾時間是幾個小時;而在MESI試驗中,在濾紙、重力、電場驅動力、采用大孔徑的膜等共同作用下,小分子可快速透過膜。選擇不同MWCO的透析膜,不同分子量的分子能被選擇性地保留在膜上,實驗者還可以根據不同的靶標分子選擇不同的膜,來優化操作步驟。使用基于纖維素(cellulose)的微孔結構,噴霧也能夠在水平方向上獲得較好的分離效果,緊貼膜的預濕濾紙能夠幫助膜上的液體和高電壓更好地接觸。

  實驗證明,膜噴霧可以有效地消除無機鹽和非揮發性小分子有機物,獲得生物分子的高靈敏度和高信噪比,并可實現定量。比如用膜噴霧直接分析淚液中500ug/mL的細胞色素C,尿液中50ug/mL的血管緊張素II,血清中50ug/mL的MRFA,以及唾液中100ug/mL的黃體酮。

  所以,在分析人的血液、尿液、淚液、汗液、唾液等基質中的有機小分子、代謝物、藥物或多肽、脂質、蛋白等生物大分子時,膜噴霧的直接離子化技術都非常有效,有希望應用于臨床。比如對尿液中肝臟損傷的生物標志物,在20分鐘內實現10ng/mL的直接定量分析

  微型生化質譜儀的幾大技術:MESI、mini-CE、小型連續大氣壓接口-微型質譜儀

  綜上所述,徐偉課題組掌握的微型生化質譜儀技術:MESI、mini-CE-ESI、微型離子阱質譜儀,可以實現“實際環境”下“復雜生化樣品”的“高靈敏度檢測”,具有馬上可轉化的商業價值。

  第二大方向:生物分子碰撞截面積(CCS)分析

  2006年,Waters推出了SYNAPT質譜,用離子淌度分離技術提供了分子碰撞截面積(CCS)測量的新方法,目前也被Agilent的6560 Q-TOF采用。用質譜測量分子碰撞截面積成為生物學家測定大分子結構的有力武器,那么除了離子淌度分離(IMS)外,還有另外的技術可以實現分子碰撞截面積測量么?

  答案是肯定的。徐偉實驗室推出的CCS測量方法的原理是時-頻變換的質譜技術。

  首先,在FTICR-MS中可以實現對CCS的測定。傅立葉變換本身是一種時-頻域信號轉換技術,也是FTICR-MS的工作原理。離子在FTICR的超導池中回旋,激發出一定頻率和一定振幅的信號,然后被感應/偵聽到,再通過時-頻轉換的傅立葉變換技術,就可比較終轉化為離子的m/z和信號強度。

  對FTICR-MS進行改進,可以測量分子碰撞截面積CCS。以前有研究者通過測量ICRMS的譜峰寬度計算CCS,但缺點是需大幅提高回旋池中的氣壓,從10-10Torr提高到10-6Torr,這時會喪失FTICR-MS本身具有的高分辨性能。徐偉實驗室提出了新的理論,開發新的碰撞模型,他們引入一種有效的時域數據處理方法,從10-10Torr真空度下的FTICR池中檢測的鏡像電流中同時提取m/z和CCS信息,這樣可同時獲得50萬高分辨率的質譜圖和分子碰撞截面積,該論文發表在Analytical Chemistry, 2015, 87(8), 4072-4075上。

  在FTICR-MS上同時獲得Ubiquitin的分子碰撞截面積CCS(左)和高分辨質譜圖(右)

  使用團隊提出的這種新模型,可以拓展到生物大分子的測量中,獲得高分辨率的多電荷譜圖及大分子結構信息,Physical Chemistry Chemical Physics, 2015, 17, 9060-9067。

  除了應用于FTICR-MS,團隊還將這種思路應用于四極離子阱上,對四極離子阱引入并精密控制一個高階場,同時控制碰撞氣體,對離子阱的離子軌道進行時-頻分析,也能測定分子的碰撞截面積,該成果發表在Analyst, 2014, 139, 6144-6153上。這種技術的實用價值在于,時-頻轉換分析是無損分析技術,離子通過離子阱后,仍能被送入下一級聯用的質量分析器(如TOF、Orbitrap等)進行分析,可以造出更多新原理的雜交質譜儀(Hybrid mass spectrometer),并可提供三維以上的質譜分析能力。

  談到和IMS(離子淌度分離)的區別,徐偉表示:兩種技術是互補的。IMS是在高氣壓區(如10Torr)實現的、類似于色譜分離的技術,在離子淌度分離裝置中,離子受到電場向前的驅動力和反吹氣體阻力兩種力量的作用,從而得以分離。

  而徐偉團隊提出的技術是在離子回旋池或在離子阱中,運動的離子直接和分子進行隨機碰撞,引起離子運動頻率或幅度的變化,再被檢測和計算出碰撞截面積。這些離子沒有被分離,所以一次激發、1秒鐘內可以測定從質量數200-2000的所有離子的碰撞截面積;相對來說,IMS經過分離需要較長時間,比如6-8分鐘。

  從CCS的測定結果來看,不管是FTICR-MS中直接應用傅立葉變換的時-頻分析技術,還是離子阱中應用時-頻分析技術,測定的CCS值(單位為?2)和IMS的測定值不相同,但他們存在一定的線性關系。

  幾種化合物及電荷態在IMS(橫坐標)和FT-ICR(縱坐標)中測定的CCS關系

  離子阱技術的未來

  隨著高分辨率質譜(如TOF、Orbitrap)等的出現,離子阱似乎失去了十年前的光環,徐偉是如何看待離子阱技術的未來呢?

  首先,從微型質譜儀的研發來看,離子阱是比較好的一個選擇。比較其它的質量分析器,離子阱更容易做小,并且工作氣壓相對高,可用二級質譜實現定性,這是其他技術都做不到的。

  其次,在分子碰撞截面積測量中,利用離子阱可進行無損檢測

  第三,離子阱技術未來的發展趨勢是作為模塊與其它分析器聯用,形成雜交質譜儀(Hybrid MS)。利用離子阱,可以儲存富集離子、實現氣相離子反應、獲得二級質譜、測量碰撞截面積。這些性能是生物分子結構分析非常需要的,對其它科學優先域也將發揮巨大的作用。

  中國要研制有自己特色的質譜儀

  徐偉實驗室還依托理論建模、并行計算仿真進行質譜理論與儀器設計的研究,為新型儀器研發、離子-離子反應實驗提供理論基礎,實驗室提出的廣義離子-分子碰撞模型,為離子阱中碰撞截面積測量提供了理論基礎。

  結合自己的研究談中國質譜的發展,徐偉認為:中國要研制有自己特色的質譜儀。

  其一,微型生化質譜儀目前是世界上好的技術,目前徐偉實驗室已經做出了原理樣機,下一步在合適的時機下就可以產業化。

  其二,中國處于質譜研發制造的早期階段,受到研究水平、精密加工制造水平等制約,與發達國家的質譜研制還有很大距離。這時,利用一些可以掌握的加工工藝(如離子阱),做出一些在世界上具有特色的質譜儀(如可測定分子碰撞截面積的質譜),在世界質譜之林中先站住腳,是中國質譜研制目前應該努力的方向。

  徐偉教授簡介

  徐偉,教授,1981年10月出生,遼寧新民人。2010年畢業于美國Purdue大學,獲電子工程哲學博士。2010年至2012年在美國Purdue大學進行博士后研究助理工作。徐偉教授近些年來一直從事生物化學分析測量儀器尤其是質譜儀器的研發與應用工作。在離子阱質譜儀的基礎理論研究、交叉學科(流體力學、電磁學)大規模并行離子軌跡仿真、小型化質譜儀的研制、高性能大型生物質譜儀的研發等優先域進行了深入的研究,并面向應用,著重將質譜儀器的研究與航天、生物醫療等優先域的應用緊密結合。


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