【淌度破局】timsMetabo 解锁临床代谢组学精准分析新范式

临床代谢组学研究中，酰基肉碱等同分异构代谢物的精准区分是解析疾病相关酶促通路、挖掘生物标志物的核心难题（图1） —— 传统串联四极杆（QQQ）质谱因无法分辨质荷比与碎裂模式一致的异构体，难以满足临床研究的精准需求。而布鲁克 timsMetabo™ 平台凭借捕集离子淌度（TIMS）核心技术，以碰撞截面（CCS）为分离维度，大幅摆脱色谱分离依赖，实现复杂生物样本中同分异构体、同重干扰物的高通量、高精准分析，为临床转化研究打造全新解决方案。

基于 timsMetabo™ 平台分析衍生化血浆提取物及丁酰化酰基肉碱标准品混合物，通过搭建直接进样 + 定量环进样双流程，无需色谱分离，单样本分析时间 ＜ 1 分钟，溶剂消耗大幅降低，同时系统优化离子源、TIMS 斜坡时间、碰撞能量等关键参数，专为酰基肉碱检测与离子淌度分离设计，实验效率与分析精准度双提升。

采用安捷伦 UHPLC 系统搭配布鲁克 timsMetabo™ 高分辨质谱，为评估灵敏度与线性范围，配制了丁酰化C5-酰基肉碱标准品梯度稀释液（浓度：0、0.01、0.1、1、10、100 nmol/L），并以 QQQ 质谱为对照；血浆样本经蛋白沉淀-丁酰化优化方案处理，5 步完成前处理[1]，操作简便、重复性高，适配临床批量样本分析。

1. 取 50 μL 人血浆，加入 100 μL 内标溶液； 

2. 乙腈（ACN）沉淀蛋白，离心后取上清； 

3. 上清转移至 4 mL 玻璃小瓶，完全干燥； 

4. 加入正丁醇 / 乙酰氯溶液，60℃ 孵育以衍生化含羧基代谢物； 

5. 氮气吹干后，残渣用 200 μL 乙腈复溶，涡旋混匀后转移至进样瓶，用于后续 LC-MS 分析。

表1：LC-MS 参数设置（Agilent 1290 Infinity II + timsMetabo™）

数据通过直接进样或定量环进样方式采集。通过手动优化 TIMS 斜坡时间、母离子选择及碰撞能量的专属 MS/MS 模式，评估离子淌度分离对谱图质量与校准曲线线性的影响。在 timsMetabo™ 工作流程中，提取关键诊断离子的 MS 与 MS/MS 信号（例如：C4-3OH 酰基肉碱与 C5 - 酰基肉碱均由母离子 m/z 304 产生 m/z 85.03 的特征碎片离子）。

使用 Bruker DataAnalysis 6.2 软件处理质谱数据；通过提取离子淌度图（EIM）可视化离子淌度分离结果，并通过比对实测碰撞截面（CCS）值与标准品参考值，辅助化合物注释。

在临床研究中，可靠区分异戊酰肉碱与2 - 甲基丁酰肉碱是探究其对应酶促通路活性的核心前提。TIMS 技术依据离子淌度差异实现基线分离(图2)，解决传统直接进样质谱无法区分的难题，可单独获取各异构体的 MS/MS 谱图，为酶促通路研究提供精准定性依据。

图 2： timsMetabo 对 2-甲基丁酰肉碱与异戊酰肉碱实现离子淌度基线分离

除异构体定性分离外，本研究进一步评估了工作流程的定量性能，以验证其在生物标志物研究中的适用性。采用定量环进样方式，在代谢组学研究相关浓度范围内（0.01–100 nmol/L）分析了 C5-酰基肉碱标准品梯度稀释液。与采用 TIMS直通模式（3D模式）的直接进样相比，基于离子淌度的 MS/MS 采集可获得更干净的谱图，化学噪声显著降低，信噪比明显提升（图 3）。

这一优化使校准曲线呈现优异的线性关系（R²=0.9997，图 4）。该工作流程的高灵敏度适用于需要痕量定量的研究场景，例如：纵向代谢监测、微量样本研究和微弱代谢变化的检测。

图 3：低浓度 C5-肉碱标准品：3D 模式 vs 4D-TIMS 模式 MS/MS 谱图对比

图 4：timsMetabo 与 QQQ 线性性能对比，开启离子淌度分离，线性表现媲美 QQQ

为验证该流程在转化医学研究中的实用性，采用定量环进样法对两种酶缺陷患者的血浆样本进行分析。即使在复杂的生物基质中，timsMetabo 平台仍可在无需色谱分离的条件下，对 C5-肉碱各异构体实现选择性定量（图 5）。

提取离子淌度图显示：两份样本分别仅检出 2-甲基丁酰肉碱或异戊酰肉碱，无交叉干扰，该分离能力对生物标志物研究具有重要价值，有助于更精准地解析由酶缺陷引发的代谢通路紊乱。

图5：患者血浆样本离子淌度图谱对比：两种 C5 异构体分别被特异性富集

针对 C4-3OH-肉碱与 C5-肉碱（M+2）同位素峰的母离子重叠问题，timsMetabo平台凭借高质谱分辨能力实现二者基线分离，结合离子淌度分离，对共享碎片离子m/z 85.03 分析可区分出未知类肉碱化合物、目标物与干扰物，实现 C4-3OH-肉碱独立定量，同时未知物淌度信息可辅助后续结构解析，拓展研究边界。这种母离子分离水平是传统串联四极杆（QQQ）质谱无法实现的。

图 6：timsMetabo 高分辨实现 C4-3OH 与 C5 (M+2) 干扰峰精准分离

• 对共享碎片离子 m/z 85.03 提取离子淌度图后，可观察到三个独立淌度峰（图7），分别对应：未知类肉碱化合物、C4-3OH-肉碱、产生干扰的 C5-肉碱 M+2 同位素；已知物质的淌度值与对应标准品完全匹配；而未知化合物的淌度信息可用于后续研究，辅助结构解析。

• 这种质谱 + TIMS 的联合分析能力，可实现C4-3OH-肉碱的独立定量，提升复杂基质中分析物鉴定的可靠性，充分体现 timsMetabo 工作流程在分离同分异构体、同重干扰物质方面的优势，为生物标志物研究提供强有力支撑。

图7：基于碎片离子 m/z 85.03 的离子淌度图（EIM）显示不同物质的特征淌度峰，淌度与标准品一致。MS/MS 谱均含 m/z 85.03 特征碎片，但碎裂模式不同。

布鲁克 timsMetabo™ 平台以无色谱分离的高通量、TIMS 介导的高精准分离、媲美 QQQ 的优异定量性能，完美解决临床代谢组学研究中同分异构体、同重干扰物分辨难、分析效率低、复杂基质检测准度低等核心痛点，提供了简便高效的解决方案。

• 异构体可靠分离：捕集离子淌度（TIMS）分离可实现酰基肉碱同分异构体（如异戊酰肉碱与2‑甲基丁酰肉碱）的基线分离，这是传统质谱无法单独完成的。

• 快速流动注射分析：直接进样与定量环进样流程无需色谱分离，单样本分析时间 ＜1 分钟，且大幅降低溶剂消耗。

• 优异的定量性能：TIMS 增强型 MS/MS 可获得更纯净的谱图、更高信噪比，为代谢组学与生物标志物研究提供出色的灵敏度与线性。

• 优化研究流程：可实现目标代谢物的精准鉴定，是转化医学研究的理想工具，适用于生物标志物验证、回顾性研究与精准代谢组学分析。
  

该平台可实现临床相关代谢物的明确鉴定与精准定量，成为转化医学研究的理想工具，广泛适配生物标志物验证、回顾性研究、遗传性代谢病筛查、精准代谢组学分析等临床场景，为疾病机制研究、临床诊断标志物挖掘提供强有力的技术支撑，推动临床代谢组学研究向更精准、更高通量、更贴近临床应用的方向发展。

参考文献

[1] Vreken P, van Lint AEM, Bootsma AH, Overmars H, Wanders RJA, van Gennip AH (1999). Journal of Inherited Metabolic Disease.

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