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医疗诊断将成为小型质谱的重要应用领域——访美国普渡大学欧阳证教授
2016-06-07 23:52 阅读数:1757

[导读] 近年来小型质谱在国内外受到质谱研发及应用专家的广泛关注,也不断有仪器公司推出小型、便携式质谱仪。小型质谱在大气和水体监测、食品安全检验检疫、产品源头质量控制、血液中药品和毒品等物质的快检等领域具有较为广阔的应用市场。编辑就质谱小型化的发展历程、关键技术及应用、未来发展方向等问题对普渡大学教授欧阳证进行了专访。

  近年来小型质谱在国内外受到质谱研发及应用专家的广泛关注,也不断有仪器公司推出小型、便携式质谱仪。小型质谱在大气和水体监测、食品安全检验检疫、产品源头质量控制、血液中药品和毒品等物质的快检等领域具有较为广阔的应用市场。为了了解小型质谱的发展方向,近日,仪器信息网编辑就质谱小型化的发展历程、关键技术及应用、未来发展方向等问题对普渡大学教授欧阳证进行了专访。欧阳证教授主要从事样品离子化技术、质谱系统小型化、生物质谱分析等研究,在质谱小型化技术研发方面已经有十几年的研发经验,他的研发成果和对小型质谱的研发理念一直受到质谱界的密切关注。

  欧阳证教授

  从质谱技术进展与应用热点看小型质谱的未来

  从1997年接触质谱并逐渐开发质谱新方法、新技术和研发新仪器,欧阳证对质谱技术的发展有着自己的看法。每年的美国PITTCON展会和美国质谱年会(ASMS)他都会参加,并在过去五年里与Graham R. Cooks教授轮流主持PITTCON展会的小型质谱学术报告会。谈到近年来较为突出的质谱技术,欧阳证表示,最近两年革命性的质谱新技术几乎没有。说到结构上创新性强的,还是10年前的Oribitrap技术和9年前的离子淌渡与台式质谱的结合。商用质谱仪器技术总体是仍在向高灵敏度、高分辨、高质量数的方向发展,但这一趋势已延续数十年,应该有所变化和突破。

  欧阳证说,“举一个例子,质谱在30年之前就进入了药物研究。从应用方面看,现在使用质谱最多的地方还是药物代谢的定量,传统的三重四极杆技术已经把这个问题解决了,而现在三重四极杆性能的改进仍然是商用质谱仪器产品发展的一个主要方面。”

  这些年质谱一直在向推进蛋白组学研究的方向发展,而由于组学的复杂程度之高,对生物过程的理解及生物标记物的寻找不是仅仅靠提高灵敏度、分辨率或质量范围就可以解决的。除了药物代谢、蛋白质组学、环境监测、食品安全检测这些应用之外,仪器厂商都在通过现有仪器产品探索新的应用方向。生物医学逐渐进入了质谱研发科学家的视线,成为更加前沿的研究方向。

  据欧阳证介绍,现在美国在医学检验方面发展很快,相关会议,特别是Mass Spectrometry for Clinical Application年会的规模和关注人数都在快速增长。质谱仪器厂商都致力于开发适用于医学诊断研究和应用的仪器,并希望经过FDA的认证之后进入到医疗分析实验和应用领域中。

  普渡的研究团队是国际上较早对质谱小型化技术进行深入研究及全面技术开发的团队,目前也在引领全球小型质谱技术的研发。近几年PITTCON展会由欧阳证和Cooks教授主持的小型质谱学术报告会人气越来越旺,全球的仪器研发和应用专家对小仪器的关注程度也在逐渐升温。

  欧阳证说:“小型化质谱的前端甩开复杂的样品处理,后端甩开繁重的仪器,对它的性能定义不再是传统质谱的灵敏度、准确性和分辨率,而是能不能快速的给普通使用者一个简单的答案。”便携、快速、简单易用是小型质谱的发展方向。

  普渡大学在原位电离和小型质谱这两个技术领域一直领跑,两者在不同的体系平行发展。欧阳证认为,这样的发展模式使这两项技术都得到了很好的发展,但将此两项技术结合在一起是质谱小型化的一项重要研究内容。

  2004年原位电离技术(Ambient Ionization)问世的时候,欧阳证就曾表示这项技术与小型质谱的结合非常关键。小型质谱的应用要脱离色谱,原位电离能很好地为小型质谱服务。“虽然原位电离技术与大型质谱结合使用也有很好的效果,但从我的角度看,它与小型质谱的结合更趋于完美,特别是在解决生物医疗诊断的问题方面。”欧阳证说。

        小型质谱已解决复杂样品单一成分的快速分析

  小型化质谱研究之初,大家都在关注把分析器做小,出现了小型化的离子阱、四极杆及飞行时间等质量分析器。离子阱具有多级串联质谱分析功能,其结构的简化及电场的优化曾是这一阶段的一个主要研究方向。然而分析器小型化只是质谱小型化的考虑因素之一,质谱的进样及真空系统也非常重要。欧阳证介绍说:“分析挥发性及半挥发性待测物的小型质谱进样方式一般有两种:膜进样法、固相微萃取(SPME)类的采样技术及采用小型气相色谱控流的方法。”欧阳证将这类小型质谱定义为第一代(1G)小型质谱。

  “另外,真空系统小型化对质谱仪整机的小型化非常关键。”欧阳证强调。他与Cooks领导的普渡研究团队于2006年研发了第一台手持式、测定空气中的挥发性物质的离子阱质谱-Mini 10,并通过引入小型化分子涡流泵及隔膜泵解决了真空系统小型化的问题。现在很多商业化便携式质谱的抽真空系统都是以这台质谱的构架为基础。2008年,采用最新的真空技术,普渡的团队研发出仅有4kg重的Mini 11。“至此我们已经证明质谱仪器本身可以做到非常小。”欧阳证说。

  2008年,利用间断式离子传输的技术,在Mini 10及Mini 11小质谱上实现了从常压到真空的离子传输。欧阳证说:“至此,小型质谱仪发展踏入了第二代(2G)时期。这一代小型质谱比第一代在两个方面做了较大提升。一是通过常压离子传输接口使得分析非挥发性化学及生物样品成为可能;二是起用原位采样电离技术以实现了血液等生物样本及食品、药品等复杂样品的直接分析。”第二代小型质谱的标志性研发成果是台式质谱分析系统Mini 12 (25 kg)和背包型质谱Backpack MS(12 kg)。

欧阳证教授与Cooks教授在Mini 12和Backpack MS的诞生地——普渡大学分析仪器研究中心(Center for Analytical Instrumentation Development)

  使样品在质谱仪器外部形成离子传输到分析器中对于小真空系统来说非常困难。间断式离子传输技术的发明使样品产生的离子在较高气压情况下实现传输与贮存,并在低气压进行离子裂解和质量分析,全过程仅需要几百毫秒。离子阱的结构对常压离子传输及质量分析具有重要影响。”从第二代小型质谱开始,原位电离与小型质谱结合,进样方式为纸喷雾(Paper Spray)技术、低温等离子体离子化(LTPI)技术等原位电离方法。原位进样不经过样品前处理,所以需要串联质谱去除复杂基质的化学噪声。串联质谱能将待测物分离、打碎再分析,显著地提高了信噪比,还能区分复杂待测物的同分异构体。

  “根据直接采样和分析复杂化合物的需要,我们选择发展能实现时间串联的离子阱分析器。离子传输和分析器电场及气流场的优化技术非常重要。”在国际上普遍认为大型离子阱质谱仪发展已过其黄金时代的时候,小型质谱给离子阱技术提供了一个崭新的发展方向。

  从台式质谱仪到第一代及第二代小型质谱仪,质谱小型化经过了一个由繁入简的历程,产生了一个全新而又及其简化的质谱系统仪器平台。这样的平台能够分析挥发性、非挥发性化合物以及复杂生物物质。

  欧阳证团队的第二代质谱仪设计方案被美国NASA团队采用,用来设计定于2018年发射的火星地面漫游探测器ExoMars上的小型质谱仪MOMA (Mars Organic Molecule Analyzer)。“尽管质谱仪本身仍保持全程扫描及多级串联等大型质谱仪的功能,在研发中我们把注意力集中在对整套质谱分析过程的简约化,以对单一成分的定性及定量分析为目标,实现无需实验室前处理技术的分析过程。这是我们对第二代小型质谱仪的一个重要期望与目标。”据欧阳证介绍,处于研发中的第三代(3G)小型质谱的应用目标是在临床医疗院应用中测定多组分的生物标记物。

欧阳证教授与他的学生王骁在普渡大学生物医学工程系实验室

       生物医学分析、床边检测和手术指导是小型质谱的新应用方向

  第二代小型质谱实现产业化的应用方向主要分两大类:一类是量大面广的单一目标化合物检测,这类应用在食品安全、药品打假、缉毒、产品质量控制等方面都具有很好的发展空间,并已在如牛奶中抗生素检测、血液中毒品、尼古丁检测的具体项目上有成熟的应用。对此欧阳证举例说:“例如,牛奶中抗生素检测需要在奶源处通过简单的分析立即获知是否抗生素超标,灵活易用的小型质谱正好满足这一应用。”他还表示,将小型质谱用于生物医疗领域在中国和美国都有较好的发展前景,国内的生物医疗研究发展的非常快,医疗诊断资源也非常丰富。

  另一类是精准医疗和伴随诊断,如通过服药后的血液检测得到特定病人的准确药物剂量。欧阳证用新药上市的例子说明了小型质谱在精准医疗中的作用:“美国有很多新药没有被FDA批准上市,并不是因为药效不好,而是因为不能对于所有人都用一个剂量。小型质谱恰能快速简单的解决这个问题。”

  欧阳证用两个目前的生物医学研究案例介绍了新的小型质谱的发展方向:

  欧阳证与普渡大学瑕瑜教授的研究团队合作,利用Paternò-Büchi反应和串联离子阱技术直接分析血液或组织中的脂类,从而确定脂质不饱和双键的位置。癌细胞与正常细胞的生物合成路径不同,其脂质不饱和同分异构体比例也有标志性区别,从而可以用来区分正常细胞与癌细胞。

  另外,欧阳证在哈佛医学院的合作者正在做一项将质谱分析用于手术室诊断的研究。即在手术室中活体组织检查(biopsy)方式取样,再用质谱和原位采样技术判断肿瘤的类型以指导手术。

  据欧阳证介绍,小型质谱在以上两种生物医疗研究的应用方向比大型质谱具有不可替代的优越性。第二代的小型质谱已经能够胜任多种药物分析和伴随诊断,第三代的未来小型质谱应用领域将是快速、准确的生物医学分析、床边检测(POC)和手术指导。

  在谈到小型质谱与大型质谱的仪器性能比较时,欧阳证表示目前使用原位采样电离的小型质谱系统能够分析复杂样品中的有机化合物,其灵敏度与使用色质联用的大型仪器的差距在10倍以内。而且可以通过反应(如试剂盒)把灵敏度大幅度增加。“小型质谱的检测灵敏度完全满足目前食品安全、环境检测、药品分析等多方面的应用。”欧阳证说:“市场上大型液质系统浓度线性范围在0-105以上,而实际上单一目标待测物一般不会超过3个数量级。”他强调,实用性的小型质谱并不需要盲目追求超宽动态范围及超高灵敏度。

  据介绍,欧阳证团队关注的是目标物分析,在第三代可能做到M/Z 990范围的磷酸磷脂,以后再发展很可能可以测定多肽和大蛋白。现在小型质谱受到的关注越来越多,未来的小型质谱将是医院、药店甚至家里都能见到的常用仪器。而其研发理念是做成实用性强的工具,不以追求高分辨率、高灵敏度、高质量范围等仪器性能为目标。“小型、快速和操作简便是我们一直在坚持的研发方向。”使用原位分析、试剂盒反应、串联质谱和简便的操作界面是欧阳证团队打造的专用小质谱应用平台的四大特点。

采访现场

  做研发靠创新,做产业化靠市场

  小型质谱还在发展,在质谱界是创新的技术。在定义产品的时候,欧阳证还考虑到了这方面研究平台的技术能力,他说:“全球包括国内有几个很好的团队在做小型质谱和原位电离,整个平台的技术实力对产品的影响很大。”最近欧阳证入选国家千人计划,加入清华大学精密仪器系,重点建设清华大学质谱仪器研究中心,第三代小型质谱仪的研究及产业化也将在该中心进行。除此之外,坐落在北京清华科技园的小型质谱产业化公司(清谱科技,PURSPEC Technologies)也已经成立。预计Mini12将在明年推向市场,后续的产业化研究和生产都将在国内进行。目前,清谱科技还在招募市场团队。

  对于做成果产业化,欧阳证并非没有顾忌。他谈到:“做科学研究需要具有前瞻性和发散性,而做产业化则需要更贴近市场应用。这是两个虽然相辅但又相悖的方向。”欧阳证表示,今后还是会在科研方面投入更多精力。

  同时,欧阳证希望清华质谱仪器研究中心能给“青年千人计划”归国的年轻人一个发挥的平台。希望新的团队能将清华这个质谱实验室做实再做大,也希望能与国际及国内的优秀团队的合作继续进行,出更多的创新成果,发表高水平文章。

  虽然美国的生物医疗等领域比国内发展的更早,但欧阳证看好国内小型质谱应用市场。“小型质谱商品是对传统质谱仪市场的一个颠覆,但预期的阻力也不可低估。国内的食品、药品、环境领域和快速发展的医疗行业应该可以为小仪器提供一个即时的市场。当然,还需要小质谱的技术的不断发展来维护这个市场。”在谈到国内研发条件时,欧阳证说:“中外研发条件现在已不分伯仲,而我认为对于小质谱的发展,中国的平台要比美国好。我已经不敢说回来是给国家做贡献,反倒是国家给我提供了一个我非常需要的平台。”

  欧阳证还表示:国内现在仪器研发平台发展的很好,这与国家对科学仪器研发的支持力度有很大关系。2004年他通过与中国计量院的合作开始参与国内质谱仪器研发,“那个时候,任何质谱厂商都无法在国内招收到一个工程师团队。”欧阳证说。这十年来国内的仪器研发环境变化很大,最重要的是培养出了不少优秀的人才和团队。

  欧阳证反复强调:“创新和人才培养是我们团队一直坚持的理念,没有这些我们将很难成功。”


  附件:欧阳证教授简历

  欧阳证教授1988年考入清华大学自动化系,分别于1993年及1995年获工学学士及硕士学位。后留学美国,1997年于西弗吉尼亚大学获物理化学硕士学位,2002年于普渡大学获分析化学博士。2007年任普渡大学生物工程系助理教授,分别于2012年及2015年升任副教授及正教授。2014年欧阳证教授入选国家千人计划,并于2015年入职清华大学精密仪器系任教授。

        欧阳证教授在自动控制、拉曼及红外光谱、质谱、化学分析及生物医疗应用等方面有较全面的知识背景,多年从事分析仪器研究,曾获美国国家基金委、美国国家卫生研究院、美国国防部及美国国家航空航天局等多个政府机构及Wallace H. Coulter Foundation等私人基金与公司的研究支持。欧阳证教授发表了SCI论文130篇,拥有美国及国际专利40余项,过半数已技术转让。欧阳证教授曾获多个奖项,如美国国家基金委Early Career Award、Coulter 基金会 Early Career Award、美国质谱学会研究奖、国际质谱学会Curt Brunnée仪器研究奖、中国国家自然科学基金委员会海外杰青及中国科技进步二等奖等。欧阳证教授现任美国质谱学会学报编委,曾受英国皇家化学会等邀请多次为科学杂志编辑专刊。欧阳证教授致力于国际交流与合作,曾促成中美分析化学论坛的举办。

[摘自仪器信息网]

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