小型質譜在醫療診斷中的應用

　　近年來小型質譜在國內外受到質譜研發及應用專家的廣泛關注，也不斷有儀器公司推出小型、便攜式質譜儀。小型質譜在大氣和水體監測、食品安全檢驗檢疫、產品源頭質量控制、血液中藥品和毒品等物質的快檢等領域具有較為廣闊的應用市場。為了了解小型質譜的發展方向，近日，儀器信息網編輯就質譜小型化的發展歷程、關鍵技術及應用、未來發展方向等問題對普渡大學教授歐陽證進行了專訪。歐陽證教授主要從事樣品離子化技術、質譜系統小型化、生物質譜分析等研究，在質譜小型化技術研發方面已經有十幾年的研發經驗，他的研發成果和對小型質譜的研發理念一直受到質譜界的密切關注。

　　從質譜技術進展與應用熱點看小型質譜的未來

　　從1997年接觸質譜并逐漸開發質譜新方法、新技術和研發新儀器，歐陽證對質譜技術的發展有著自己的看法。每年的美國PITTCON展會和美國質譜年會(ASMS)他都會參加，并在過去五年里與Graham R. Cooks教授輪流主持PITTCON展會的小型質譜學術報告會。談到近年來較為突出的質譜技術，歐陽證表示，最近兩年革命性的質譜新技術幾乎沒有。說到結構上創新性強的，還是10年前的Oribitrap技術和9年前的離子淌渡與臺式質譜的結合。商用質譜儀器技術總體是仍在向高靈敏度、高分辨、高質量數的方向發展，但這一趨勢已延續數十年，應該有所變化和突破。

　　歐陽證說，“舉一個例子，質譜在30年之前就進入了藥物研究。從應用方面看，現在使用質譜最多的地方還是藥物代謝的定量，傳統的三重四極桿技術已經把這個問題解決了，而現在三重四極桿性能的改進仍然是商用質譜儀器產品發展的一個主要方面。”

　　這些年質譜一直在向推進蛋白組學研究的方向發展，而由于組學的復雜程度之高，對生物過程的理解及生物標記物的尋找不是僅僅靠提高靈敏度、分辨率或質量范圍就可以解決的。除了藥物代謝、蛋白質組學、環境監測、食品安全檢測這些應用之外，儀器廠商都在通過現有儀器產品探索新的應用方向。生物醫學逐漸進入了質譜研發科學家的視線，成為更加前沿的研究方向。

　　據歐陽證介紹，現在美國在醫學檢驗方面發展很快，相關會議，特別是Mass Spectrometry for Clinical application年會的規模和關注人數都在快速增長。質譜儀器廠商都致力于開發適用于醫學診斷研究和應用的儀器，并希望經過FDA的認證之后進入到醫療分析實驗和應用領域中。

　　普渡的研究團隊是國際上較早對質譜小型化技術進行深入研究及全面技術開發的團隊，目前也在引領全球小型質譜技術的研發。近幾年PITTCON展會由歐陽證和Cooks教授主持的小型質譜學術報告會人氣越來越旺，全球的儀器研發和應用專家對小儀器的關注程度也在逐漸升溫。

　　歐陽證說：“小型化質譜的前端甩開復雜的樣品處理，后端甩開繁重的儀器，對它的性能定義不再是傳統質譜的靈敏度、準確性和分辨率，而是能不能快速的給普通使用者一個簡單的答案。”便攜、快速、簡單易用是小型質譜的發展方向。

　　普渡大學在原位電離和小型質譜這兩個技術領域一直領跑，兩者在不同的體系平行發展。歐陽證認為，這樣的發展模式使這兩項技術都得到了很好的發展，但將此兩項技術結合在一起是質譜小型化的一項重要研究內容。

　　2004年原位電離技術(Ambient Ionization)問世的時候，歐陽證就曾表示這項技術與小型質譜的結合非常關鍵。小型質譜的應用要脫離色譜，原位電離能很好地為小型質譜服務。“雖然原位電離技術與大型質譜結合使用也有很好的效果，但從我的角度看，它與小型質譜的結合更趨于完美，特別是在解決生物醫療診斷的問題方面。”歐陽證說。

　　小型質譜已解決復雜樣品單一成分的快速分析

　　小型化質譜研究之初，大家都在關注把分析器做小，出現了小型化的離子阱、四極桿及飛行時間等質量分析器。離子阱具有多級串聯質譜分析功能，其結構的簡化及電場的優化曾是這一階段的一個主要研究方向。然而分析器小型化只是質譜小型化的考慮因素之一，質譜的進樣及真空系統也非常重要。歐陽證介紹說：“分析揮發性及半揮發性待測物的小型質譜進樣方式一般有兩種：膜進樣法、固相微萃取(SPME)類的采樣技術及采用小型氣相色譜控流的方法。”歐陽證將這類小型質譜定義為第一代(1G)小型質譜。

　　“另外，真空系統小型化對質譜儀整機的小型化非常關鍵。”歐陽證強調。他與Cooks領導的普渡研究團隊于2006年研發了第一臺手持式、測定空氣中的揮發性物質的離子阱質譜-Mini 10，并通過引入小型化分子渦流泵及隔膜泵解決了真空系統小型化的問題。現在很多商業化便攜式質譜的抽真空系統都是以這臺質譜的構架為基礎。2008年，采用最新的真空技術，普渡的團隊研發出僅有4kg重的Mini 11。“至此我們已經證明質譜儀器本身可以做到非常小。”歐陽證說。

　　2008年，利用間斷式離子傳輸的技術，在Mini 10及Mini 11小質譜上實現了從常壓到真空的離子傳輸。歐陽證說：“至此，小型質譜儀發展踏入了第二代(2G)時期。這一代小型質譜比第一代在兩個方面做了較大提升。一是通過常壓離子傳輸接口使得分析非揮發性化學及生物樣品成為可能；二是起用原位采樣電離技術以實現了血液等生物樣本及食品、藥品等復雜樣品的直接分析。”第二代小型質譜的標志性研發成果是臺式質譜分析系統Mini 12 (25 kg)和背包型質譜Backpack MS(12 kg)。

　　使樣品在質譜儀器外部形成離子傳輸到分析器中對于小真空系統來說非常困難。間斷式離子傳輸技術的發明使樣品產生的離子在較高氣壓情況下實現傳輸與貯存，并在低氣壓進行離子裂解和質量分析，全過程僅需要幾百毫秒。離子阱的結構對常壓離子傳輸及質量分析具有重要影響。”從第二代小型質譜開始，原位電離與小型質譜結合，進樣方式為紙噴霧(Paper Spray)技術、低溫等離子體離子化(LTPI)技術等原位電離方法。原位進樣不經過樣品前處理，所以需要串聯質譜去除復雜基質的化學噪聲。串聯質譜能將待測物分離、打碎再分析，顯著地提高了信噪比，還能區分復雜待測物的同分異構體。

　　“根據直接采樣和分析復雜化合物的需要，我們選擇發展能實現時間串聯的離子阱分析器。離子傳輸和分析器電場及氣流場的優化技術非常重要。”在國際上普遍認為大型離子阱質譜儀發展已過其黃金時代的時候，小型質譜給離子阱技術提供了一個嶄新的發展方向。

　　從臺式質譜儀到第一代及第二代小型質譜儀，質譜小型化經過了一個由繁入簡的歷程，產生了一個全新而又及其簡化的質譜系統儀器平臺。這樣的平臺能夠分析揮發性、非揮發性化合物以及復雜生物物質。

　　歐陽證團隊的第二代質譜儀設計方案被美國NASA團隊采用，用來設計定于2018年發射的火星地面漫游探測器ExoMars上的小型質譜儀MOMA (Mars Organic Molecule Analyzer)。“盡管質譜儀本身仍保持全程掃描及多級串聯等大型質譜儀的功能，在研發中我們把注意力集中在對整套質譜分析過程的簡約化，以對單一成分的定性及定量分析為目標，實現無需實驗室前處理技術的分析過程。這是我們對第二代小型質譜儀的一個重要期望與目標。”據歐陽證介紹，處于研發中的第三代(3G)小型質譜的應用目標是在臨床醫療院應用中測定多組分的生物標記物。

　　生物醫學分析、床邊檢測和手術指導是小型質譜的新應用方向

　　第二代小型質譜實現產業化的應用方向主要分兩大類：一類是量大面廣的單一目標化合物檢測，這類應用在食品安全、藥品打假、緝毒、產品質量控制等方面都具有很好的發展空間，并已在如牛奶中抗生素檢測、血液中毒品、尼古丁檢測的具體項目上有成熟的應用。對此歐陽證舉例說：“例如，牛奶中抗生素檢測需要在奶源處通過簡單的分析立即獲知是否抗生素超標，靈活易用的小型質譜正好滿足這一應用。”他還表示，將小型質譜用于生物醫療領域在中國和美國都有較好的發展前景，國內的生物醫療研究發展的非常快，醫療診斷資源也非常豐富。

　　另一類是精準醫療和伴隨診斷，如通過服藥后的血液檢測得到特定病人的準確藥物劑量。歐陽證用新藥上市的例子說明了小型質譜在精準醫療中的作用：“美國有很多新藥沒有被FDA批準上市，并不是因為藥效不好，而是因為不能對于所有人都用一個劑量。小型質譜恰能快速簡單的解決這個問題。”

　　歐陽證用兩個目前的生物醫學研究案例介紹了新的小型質譜的發展方向：

　　歐陽證與普渡大學瑕瑜教授的研究團隊合作，利用Paternò-Büchi反應和串聯離子阱技術直接分析血液或組織中的脂類，從而確定脂質不飽和雙鍵的位置。癌細胞與正常細胞的生物合成路徑不同，其脂質不飽和同分異構體比例也有標志性區別，從而可以用來區分正常細胞與癌細胞。

　　另外，歐陽證在哈佛醫學院的合作者正在做一項將質譜分析用于手術室診斷的研究。即在手術室中活體組織檢查(biopsy)方式取樣，再用質譜和原位采樣技術判斷腫瘤的類型以指導手術。

　　據歐陽證介紹，小型質譜在以上兩種生物醫療研究的應用方向比大型質譜具有不可替代的優越性。第二代的小型質譜已經能夠勝任多種藥物分析和伴隨診斷，第三代的未來小型質譜應用領域將是快速、準確的生物醫學分析、床邊檢測(POCT)和手術指導。

　　在談到小型質譜與大型質譜的儀器性能比較時，歐陽證表示目前使用原位采樣電離的小型質譜系統能夠分析復雜樣品中的有機化合物，其靈敏度與使用色質聯用的大型儀器的差距在10倍以內。而且可以通過反應(如試劑盒)把靈敏度大幅度增加。“小型質譜的檢測靈敏度完全滿足目前食品安全、環境檢測、藥品分析等多方面的應用。”歐陽證說：“市場上大型液質系統濃度線性范圍在0-105以上，而實際上單一目標待測物一般不會超過3個數量級。”他強調，實用性的小型質譜并不需要盲目追求超寬動態范圍及超高靈敏度。

　　據介紹，歐陽證團隊關注的是目標物分析，在第三代可能做到M/Z 990范圍的磷酸磷脂，以后再發展很可能可以測定多肽和大蛋白。現在小型質譜受到的關注越來越多，未來的小型質譜將是醫院、藥店甚至家里都能見到的常用儀器。而其研發理念是做成實用性強的工具，不以追求高分辨率、高靈敏度、高質量范圍等儀器性能為目標。“小型、快速和操作簡便是我們一直在堅持的研發方向。”使用原位分析、試劑盒反應、串聯質譜和簡便的操作界面是歐陽證團隊打造的專用小質譜應用平臺的四大特點。

　　做研發靠創新，做產業化靠市場

　　小型質譜還在發展，在質譜界是創新的技術。在定義產品的時候，歐陽證還考慮到了這方面研究平臺的技術能力，他說：“全球包括國內有幾個很好的團隊在做小型質譜和原位電離，整個平臺的技術實力對產品的影響很大。”最近歐陽證入選國家千人計劃，加入清華大學精密儀器系，重點建設清華大學質譜儀器研究中心，第三代小型質譜儀的研究及產業化也將在該中心進行。除此之外，坐落在北京清華科技園的小型質譜產業化公司(清譜科技，PURSPEC Technologies)也已經成立。預計Mini12將在明年推向市場，后續的產業化研究和生產都將在國內進行。目前，清譜科技還在招募市場團隊。

　　對于做成果產業化，歐陽證并非沒有顧忌。他談到：“做科學研究需要具有前瞻性和發散性，而做產業化則需要更貼近市場應用。這是兩個雖然相輔但又相悖的方向。”歐陽證表示，今后還是會在科研方面投入更多精力。

　　同時，歐陽證希望清華質譜儀器研究中心能給“青年千人計劃”歸國的年輕人一個發揮的平臺。希望新的團隊能將清華這個質譜實驗室做實再做大，也希望能與國際及國內的優秀團隊的合作繼續進行，出更多的創新成果，發表高水平文章。

　　雖然美國的生物醫療等領域比國內發展的更早，但歐陽證看好國內小型質譜應用市場。“小型質譜商品是對傳統質譜儀市場的一個顛覆，但預期的阻力也不可低估。國內的食品、藥品、環境領域和快速發展的醫療行業應該可以為小儀器提供一個即時的市場。當然，還需要小質譜的技術的不斷發展來維護這個市場。”在談到國內研發條件時，歐陽證說：“中外研發條件現在已不分伯仲，而我認為對于小質譜的發展，中國的平臺要比美國好。我已經不敢說回來是給國家做貢獻，反倒是國家給我提供了一個我非常需要的平臺。”

　　歐陽證還表示：國內現在儀器研發平臺發展的很好，這與國家對科學儀器研發的支持力度有很大關系。2004年他通過與中國計量院的合作開始參與國內質譜儀器研發，“那個時候，任何質譜廠商都無法在國內招收到一個工程師團隊。”歐陽證說。這十年來國內的儀器研發環境變化很大，最重要的是培養出了不少優秀的人才和團隊。

　　歐陽證反復強調：“創新和人才培養是我們團隊一直堅持的理念，沒有這些我們將很難成功。”