直接对生物样品代谢组快速分析的工具：LTQ Orbitrap组合质谱仪

　　LTQ-Orbitrap组合质谱作为一个快速分析工具可以对直接注入的生物样品的代谢组进行研究。这个理念的一个有利的证据是通过流动注射方式将酵母细胞提取物注入质谱仪中，整个实验采样时间只有3分钟。一张典型的质谱图有几千个质荷比信号，其中400个是与分析相关的（即：在相同试验条件下，它们的信号强度比背景噪声高3倍以上且至少有60%获取的轮廓图与之相关）。该方法对基质效应、线性关系和批内分析精密度进样了验证。Orbitrap质谱的精确质量测量可以区分同重的离子，而且可以对感兴趣的离子进行元素组成进行分析和鉴定且质量误差在5ppm以下。通过线性离子阱的多级质谱和Orbitrap质谱对子离子的精确质量测定，可以推测可能结构。当我们将该方法用于镉的毒性研究时，它与最初开发用于目标分析的高效液相色谱-电喷雾-串联质谱方法取得了相同的效果。用多元统计分析也得到了相同的代谢指纹图谱。该结果表明在镉存在的情况下氨基酸的代谢发生了改变，增加了谷胱甘肽的合成。

　　因为飞行时间质谱和四极杆-飞行时间质谱具有很高的扫描速率，所以他们也非常适合对样品进行全面分析。在内标校正下能得到精确质量数小于5ppm的高分辨率。在质量分辨率8000 ~ 12000可以将同重离子分开。 (m/¢m， FWHM，即最大半峰宽)。

　　虽然通过减少离子抑制和通过保留时间，准确质量数，二级质谱图对化合物鉴定是有用的，但是色谱分离影响被分析代谢指纹图谱的信息量，因为缺少任何一种固定相可以对代谢组中具有多样性的化学组分实现完全分离。结果，至少需要两个色谱分析系统用于研究整个代谢组谱图。此外，在多变量和单变量的数据分析方法学（背景噪声抑制和色谱峰调整比对） 之前的液相色谱质谱数据的处理仍然存在问题。一些分析相关的质荷比信号会被排除，在对背景噪音消除过程中和对保留时间漂移的的校正时可能产生人为的假象。在本文中，在没有任何前期的色谱分离步骤将生物样品直接注入质谱仪里对代谢组研究将是一个具有吸引力的选择。

　　虽然直接注射质谱分析（DIMS）已经用低分辨质谱或飞行时间质谱进行了研究，但是超高质量分辨率仪器例如傅立叶变换离子回旋共振（FTICR）质谱仪是上述方法的又一选择。通过在质谱图上的精确质量数(亚ppm级的误差)可以提供低分子量物质(即分子量在1000以下)的元素组成，这无疑可以区分同重离子。尽管具有相似精确质量数代谢物不能被区分的，但可以通过色谱分离实现辨别。也可以用各种活化模式进行多级质谱分析来实现分辨。如对于荷正电的单电荷和多电荷可用持续失谐衰减辐射碰撞诱导解离和红外多光子裂解，对于带多质子离子进行电子捕获裂解和电子转移解离裂解，对于带多个负电的离子用ETD进行裂解。实现对子离子的质荷比进行准确测定。然而，由于傅立叶变换离子回旋共振质谱仪(FTICR)在高强磁场下和昂贵费用才能运转，而且常需要长时间优化，故目前没有普遍使用。如今，这个问题被最近出现的超高分辨率LTQ Orbitrap组合质谱所解决。 该设备的前面部分是一个线性离子阱(二维离子阱)，它能记录一级质谱和来自前提离子选择的多级质谱图。与传统的三维离子肼相比，线性离子阱能提供更好的动态范围，较低的低质量截止点，以及由于电子云分布在轴上而不是三维中心上故有较低的空间电荷效应，因此提高了灵敏度。离子在被注入到Orbitrap质量分析器中首先被C肼短暂累积。离子不是通过锤型磁场捕捉，而是储存在由轴式中心电极和共轴外电极形成的静电场。通过傅里叶变换过程得到不同质荷比离子的震荡频率，可以准确读取质荷比。Orbitrap质量分析器得到的瞬时信号与中心电极轴运动有关，是由于傅里叶回旋共振仪器的辐射回旋运动引起的。本文的研究目的是在质谱检测前没有任何色谱系统分离的情况下，用LTQ Orbitrap组合质谱快速对代谢指纹图谱构建进行评价。目前为止，这个理念的一个有利的证据是对酵母细胞提取物进行了研究。通过流动注射进样，基于直接进样的方法，我们发展了该方法并进行了验证。同时，报道了代谢物鉴定的方法。然后将该方法应用于受镉毒害情况下酵母的代谢反应。在第一种目标分析方式下，从代谢指纹图谱中提取生物相关的离子，并与三重四极杆质谱仪的结果进行比对。在全局代谢组分析方式下，通过多变量统计分析得到相同的代谢指纹图谱。

　　结论：

　　我们发展了能够快速对代谢组指纹图谱的一个新方法。它基于将生物样品直接注入一台新型杂交质谱仪：LTQ Orbitrap组合质谱。这个理念的一个有利的证据是通过流动注射方式将酵母细胞提取物注入质谱仪中。在Orbitrap质谱仪中的准确质量数可以分辨同重离子，可以给出目标离子和子离子的元素组成且误差范围小于5ppm。通过线性离子肼的多级质谱和Orbitrap质量分析器对子离子准确质量的测定可以进行结构推测，虽然缺乏色谱分离而且是在低分辨的线性离子肼内对母离子进行选择，但是本研究表明有可能通过子离子的准确质量数测量分辨出同重离子，有可能通过裂解方式不同区分同分异构体。

　　该方法对基质效应、线性关系和批内分析精密度进样了验证。 虽然方法的灵敏度受基质效应的影响，却是色谱方法的一种有竞争力的选择，色谱方法有费时，耐用性不好，需要批间比对和数据处理等诸多缺点(即背景噪音抑制，不同色谱图保留时间漂移的校正)

　　当研究镉对酵母毒性时，虽然液相色谱-电喷雾-串联质谱的精密度比DIMS更高，但是DIMS能得到与液相色谱-电喷雾-串联质谱相似的结果。虽然DIMS不如液相色谱-电喷雾-串联质谱灵敏，但是却能检测大多数代谢物。同一代谢指纹图谱进行多变量统计分析，突出显示了在镉存在下氨基酸库发生修饰，谷胱甘肽合成增加。

　　综上所述，该结果说明LTQ Orbitrap组合质谱质量分析器能够发挥多面手的能力，对同一代谢指纹图谱既可以做目标分析又可做全面分析。最后，由于LTQ的高灵敏度和Orbitrap质量分析器的准确质量测量和宽动态范围，有可能在几分钟内获得复杂和具有丰富信息的代谢指纹图谱，通过手工提取目标分子的质荷比信号或者通过统计学工具可分别进行目标和全局分析。