賽默飛離子色譜-質譜聯用系統在科學檢測的應用

撥云見日 洞見真知 | 賽默飛IC-MS聯用技術助力科學研究
                                            

 

楊占強、鄭洪國

導讀

賽默飛離子色譜-質譜聯用系統（IC-MS）開啟色譜質譜聯用新篇章，滿足了日益增長的高靈敏度與高選擇性離子分析的需求。
 

卓越質譜檢測能力

增強離子分析性能

 

離子色譜（IC）主要使用離子交換的分離機理，用于分離在流動相中可電離的化合物。與常規的反相液相色譜（RPLC）和親水作用色譜（HILIC）形成較好的互補作用。在離子色譜中常用的檢測器主要為電導檢測器、電化學檢測器以及紫外檢測器。但隨著液相-質譜聯用技術（LC-MS）和氣相-質譜聯用技術（GC-MS）的快速發展，質譜（MS）作為一種高靈敏度的定性、定量檢測技術已經得到廣大科研工作者的認可。隨著對高極性或離子化合物的檢測靈敏度要求越來越嚴格，質譜檢測器已逐漸和離子色譜進行聯用以解決高極性或可電離化合物的檢測需求。
 

 

完美對接

離子源“零”污染

 

在液相色譜分析過程中常使用甲醇、乙腈、水等質譜可接受的溶劑作為流動相，因此液相色譜與質譜能夠很好地進行對接聯用。但在離子色譜中流動相通常為氫氧化鉀、碳酸鈉/碳酸氫鈉、甲烷磺酸等酸堿溶液。而這些作為流動相的酸堿溶液是不能夠直接進入到質譜的，否則會污染離子源，甚至會對質譜造成損傷。

Q

那如何實現離子色譜與質譜的完美對接呢？

A

這里就不得不提賽默飛離子色譜特色技術——電解再生微膜抑制器。其主要原理是在電遷移和離子交換膜作用下，將質譜不兼容的酸堿溶液轉變成質譜可接受的純水。
 

因此可使用抑制器進行連續的在線除鹽，從而解決離子色譜流動相與質譜不兼容問題，實現離子色譜與質譜的完美對接。而經抑制器除鹽后轉變成的純水，對質譜的離子源幾乎零污染。

 

 

賽默飛IC-MS聯用技術

方案展示

 

 

方案一：

極性農殘分析

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農藥殘留檢測一直是食品安全的重要項目，也是國內外公眾共同關注的熱點話題。此前先后發布了GB23200.113-2018 食品安全國家標準 《植物源性食品中 208 種農藥及其代謝物殘留量的測定 氣相色譜-質譜聯用法》和GB 23200.121-2021 食品安全國家標準《植物源性食品中331種農藥及其代謝物殘留量的測定 液相色譜—質譜聯用法》兩個強制性國家標準。盡管上述兩國標中推薦的GC、GC-MS、LC、LC-MS等檢測方法得到了極大的改進，但仍有一小部分農藥處于檢測難點，例如備受關注的草甘膦、草銨膦、乙烯利、乙磷鋁等極性農殘等。

 

 

這一類極性農藥具有分子量小、水溶性強、極性大等特點。采用氣相色譜-串聯質譜法（GC-MS/MS）進行測定時必須進行衍生，但是衍生法操作條件苛刻、重現性差。另外，這類極性農藥在C18柱上保留較弱甚至沒有保留，所以采用高效液相色譜-質譜法進行測定時極易受到干擾。而采用離子色譜-質譜聯用技術正好彌補這一不足。

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基于此賽默飛推出了利用離子色譜-質譜聯用技術測定食品中極性農殘的方案。該方案可以滿足一針進樣，同時分析15種化合物，包括極性陰離子型農殘及其代謝物，以及常見陰離子型污染物。

 

 

 

 

方案二：

N-糖鏈結構分析

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隨著糖蛋白質組學和抗體藥研究的迅速發展，糖基化修飾也備受關注。糖基化是一種結構多樣、復雜的蛋白質翻譯后修飾，影響免疫球蛋白Fc效應器功能。雖然糖基化僅占抗體總量的2-3%，但全面評估抗體分布的糖型是開發新型單抗的關鍵質量屬性(CQA)。ICH Q6B《質量標準：生物技術產品及生物制品的檢驗方法和接受標準》中明確規定“對于糖蛋白，要測定糖含量（中性糖、氨基糖、唾液酸）。此外，應盡可能分析多肽鏈的糖結構、寡糖圖譜（觸角形狀）和糖基化位點”。

 

 

糖分析的檢測難點:

a)  極性較大、同分異構體較多，常規色譜柱對其保留較弱、分離效果較差；

b)  糖類化合物幾乎無紫外吸收或較弱，無法用一般檢測器直接檢測，需進行衍生化處理。

 

糖蛋白中N-糖鏈結構分析通常借助于LC-MS法，主要包括寡糖鏈釋放、標記衍生、液質聯用分析和數據處理四個步驟。但是標記衍生會帶來標記不完全、唾液酸的差異化丟失等問題，對檢測結果的準確性造成影響。而由于離子色譜的特殊性，使用電化學檢測其可以對糖類物質直接進行檢測，無需衍生化操作。

 

離子色譜分離糖類物質具有以下優勢：

a) 無需衍生化處理，可直接進行檢測，重復性較好；

b) 專用糖分析色譜柱對糖類物質具有較好的保留和分離效果；

c) 單雙糖、低聚糖、多聚糖、糖醇、氨基糖、酸性糖均可進行檢測分析；

d) 脈沖安培檢測器（PAD）和質譜檢測器（MS）對糖類物質具有特異性響應和高靈敏度；

 

通過結合離子色譜（IC）分離糖類物質的優勢和高分辨質譜（MS）的定性能力，離子色譜-質譜（IC-MS）聯用技術在單抗藥物、疫苗的研究中發揮越來越大的作用。

 

 

 

 

 

方案三：

非靶向代謝組學

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非靶向代謝組學（Untargeted metabolomics）通常是指采用氣相色譜-質譜聯用 (GC-MS)、液相色譜-質譜聯用 (LC-MS)、核磁共振法 (NMR)技術，無偏向性的檢測細胞、組織或者生物體內收到刺激或擾動前后所有小分子代謝物種類、數量和變化規律差異化的研究。這些差異可能與臨床生物標志物發現中研究的某些疾病相關，也可能與藥物攝入后的代謝改變有關。同時進行化學結構的鑒定，可進一步揭示差異代謝物及其參與的代謝通路與相關生物學過程的關系。

 

但許多與初級代謝過程相關的代謝產物（如能量傳遞、糖代謝、TCA循環等）在生理pH值條件下具有較強極性或者呈離子狀態。大多數情況下，LC-MS和GC-MS是測定這些物質常用的方法。但由于方法和樣品制備的因素，目前獲得穩定性好，重復性高的分析結果仍有一定的挑戰。而離子色譜本身就是分離這些強極性或可電離化合物的利器。所以IC-MS聯用技術可廣泛覆蓋這些可電離的、高極性代謝產物。

 

目前IC-MS在非靶向代謝組學中的應用已有諸多報道。牛津大學化學系的James S. O. McCullagh課題組使用Dionex ICS-5000+毛細管高壓離子色譜系統與Q-Exactive HF軌道阱高分辨率質譜儀進行連用，搭建了IC-MS分析平臺用于中心碳代謝（Central carbon metabolism）的研究。采用IC-MS聯用技術能夠實現431種代謝產物的分析，可實現對中心碳代謝中相關代謝物全面覆蓋，目前該文章已經在Communications Biology期刊上發表。

 

△圖1: Principal component analysis (PCA) plot of four glioma cell lines and a QC sample analyzed using IC-MS (left) and HILICMS (right).

 

△圖2. Comparison of retention time variability over three months for HILIC-MS and IC-MS for identical samples.

[參考：Advances in metabolomics using untargeted IC-MS]

 

總結
 

IC離子分離與MS定性定量的無縫集成，利用卓越的質譜檢測能力顯著增強離子分析性能，已逐漸成為離子型、強極性化合物分析的理想之選。

 

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