融智生物推出新一代适合定量应用的MALDI-TOF MS产品QuanTOF

      分析测试百科网讯 MALDI-TOF-MS(基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱)是一种软电离生物质谱,仪器主要由两部分组成:基质辅助激光解吸电离离子源(MALDI)和飞行时间质量分析器(TOF)。MALDI的原理是用激光照射样品与基质形成共结晶薄膜,基质从激光中吸收能量传递给生物分子使其解吸,并通过电离过程将质子转移到生物分子或从生物分子得到质子,而使生物分子带上电荷的过程。特别适用于混合物及生物大分子的测定。TOF的原理是离子在电场作用下加速飞过高真空状态下的飞行管道,离子到达检测器的飞行时间的平方与离子的质荷比(m/z)成正比,通过飞行时间来测定离子的质量。MALDI-TOF-MS具有灵敏度高、准确度高、分辨率高、样本前处理简便等特点,为生命科学等领域特别是临床检查应用提供了一种强有力的分析测试手段。但传统的MALDI-TOF质谱仪最大的缺点是质谱谱图的重现性不佳,影响了其定量分析能力,从而极大地限制了其应用范围。融智生物科技(青岛)有限公司(简称融智)研制的MALDI-TOF针对这一技术难题进行突破,成功地研制出新一代MALDI-TOF MS产品QuanTOF,并于近期获得了CFDA的医疗器械产品注册许可。

  为了更详细地了解融智研制的新一代的MALDI-TOF,分析测试百科网采访了融智生物董事长周晓光。2年前,分析测试百科网采访过他(详见本网报道周晓光:顶级质谱研发专家的回归

  作为全球最早进行MALDI-TOF商业化产品研发的科学家之一,周晓光对MALDI-TOF有着很深的感情,创立融智,使得他开发新一代MALDI-TOF的愿望得以实现。

融智董事长周晓光

MALDI-TOF是一种在临床上被广泛接受的质谱,更适合检测蛋白分子、多肽、核酸等生物大分子

  周晓光认为,从生物大分子角度来看,目前与精准医疗相关的临床检测较多的是针对基因分子检测,但分子生物学的中心法则已经告诉人们基因与疾病是相距最远的一类生物大分子,在细胞中真正起核心功能作用的,同时最能真实体现生命体状态的是蛋白质、多肽等生物大分子。精准医学研究,基因只能解决一部分问题,大部分问题仍然需要通过对蛋白组的分析来解决。蛋白质分析与检测的一个非常精准而有效的手段就是质谱技术。

  “分析检测实际样本时(如临床样本),MALDI-TOF质谱技术相比LC-MS质谱技术有其优势,这是由于MALDI-TOF的电离过程与LC-MS不同,LC-MS常采用的电喷雾电离方式的缺陷是样本内的成分直接影响电离的效率,就是所谓的基质效应,因此要对样品进行一系列的前处理,处理后通过液相色谱分离再进入质谱,以保证进入质谱仪的样品相对干净。”周晓光说,“MALDI-TOF的优势就是不需要这么复杂的样品前处理过程,这正是MALDI-TOF质谱在临床上容易被广泛接受的原因一。”

  目前,MALDI-TOF在临床上主要用于病原微生物的鉴定,也有个别企业推广用来核酸检测的产品。周晓光说:“但实际上,MALDI-TOF最好的检测发展对象是蛋白、多肽、代谢物。”

新一代MALDI-TOF质谱系统——QuanTOF®

  突破当前MALDI-TOF产品的瓶颈

  上一代MALDI-TOF一直面对的技术挑战有:同一样品质谱间的重现性差、定量精度差、不能在全谱范围内同时达到较高检测性能。这些问题使得MALDI-TOF在很多应用中受到限制,特别是针对蛋白类检测的临床应用。周晓光说:“蛋白在细胞内的功能往往体现于量,而不是有和无,我们开发的新一代MALDI-TOF解决的主要问题就是提高定量能力。”

正在工作的QuanTOF®工程样机

QuanTOF®正式产品

  在融智生物北京研发中心,我们看到了正在工作的QuanTOF®工程样机。与现有的其他MALDI-TOF相比,其体积较小,尤其是体积不大的整机已经整合了所有真空泵。

  周晓光说:“我们希望做一款最能让临床检测接受的、而不是只为科研人员开发的实用型MALDI-TOF仪器,在平时的使用操作简化、维护保养成本、定性定量分析精度到全谱范围内的整体性能都有新的突破。只有把上一代MALDI-TOF存在的问题通过多项技术创新解决掉,特别是定量精度问题,才能更好地为临床应用服务。新一代的MALDI-TOF通过设计原理创新、集成了当代光电领域的前沿技术,克服了上一代MALDI-TOF的局限,使仪器本身的定量误差达到5%以下,而且可以在更广谱范围内的生物大分子同时进行检测,大大提高了这一质谱检测技术的适用范围。”

  据了解,其主要特点有:

  1、唯一可以为高质量单电荷离子提供高灵敏度检测的质谱仪。

  2、在非常宽的质量范围内(1,000-1,000,000Da)同时达到较高分辨率的线性MALDI-TOF质谱仪。

  3、采用了先进的高寿命、高频率半导体激光器,在每一个样靶点上可以得到上20万次激光发射产生的谱图,而不影响分辨率及准确率。

  4、采用单峰自动校正,可在全靶板、全检测质量范围内达到<50ppm的质量误差。

  5、可以达到5个数量级的定量检测动态范围,动态范围只受限于化学噪音。

  6、无需tuning,使用简单,可靠性强,宽谱灵敏度高,信号重现性好。

  7、目前唯一可以满足临床定量应用的质谱分析系统。

  超宽的质量范围

  QuanTOF®质谱仪采用独特创新的双脉冲电场离子提取技术,实现了上一代MALDI-TOF无法完成的离子在速度及空间上的同步聚焦,使其在宽质量范围同时达到较高分辨能力,大大提高了全质量范围内的检测精度,并简化了仪器调试及使用的复杂程度。由融智提供的仪器参数显示,其质量数范围达到100万Da。

  定量精度95%

  上一代MALDI-TOF设计中,由于离子加速高压电场是加在样品靶板上,靶板不同位置上样品感应到不同的边缘电场,靶点与靶点间的质谱检测结果有着较大差异。而新一代MALDI-TOF质谱仪采用了创新的离子光学电场设计,使靶板及离子探测器同时接地,解决了靶板电场分布不均的问题,保证了在全靶板范围内质量检测精度。这对质谱成像应用具有及其重要的意义。

  QuanTOF®采用最新高频率半导体激光器,波长349或355nm,激发频率1000-10000Hz,1000-1000000 Shots/Spectrum,激光斑点大小可调节(20-100um),激光器寿命长(100 billion shots),拥有高精度、快速、低容积二维控制平台和全新高速数字转换器,可以实现1秒钟出几千到上万张质谱图的快速扫描,结合高速数据采集与实时信号处理等技术从而提高质谱图的重现性。微通道板结合光电倍增器,使得大质量分子检测也具有很高的灵敏度。周晓光说:“新一代的MALDI-TOF质谱仪检测水平可以和国外同类先进仪器相媲美,在许多方面超过了当代国内外仪器的性能。”

  作为MALDI-TOF中的定量”神器”,其在血红蛋白糖化率测试的结果显示,对80个不同靶点糖化与非糖化定量精度达到了近99%。

  定量精度大幅提升之后,周晓光认为,尤其是在临床检测方面,MALDI-TOF将会开拓出一片新的天地。

在多领域展开应用

  融智生产的MALDI-TOF质谱仪在临床上有很好的应用前景。目前已经在核酸检测、大蛋白分子检测及微生物鉴定等方面展开应用。

  核酸检测(基因型鉴定)

  核酸检测,尤其是SNP的基因分型,需要质谱有较高的质量分辨率,这是因为核苷酸间的最小质量差可以到9Da,SNP位点只有1个碱基变异的质量差异(如C突变成T,质量增加15Da)。

图:多重引物谱图 图:某突变碱基9Da的质量差

  大蛋白分子检测(大于300,000 m/z的大质量分子)

图:BSA牛血清白蛋白质谱图(66,000Da)

  死宰猪肉检测

  死宰猪肉的代谢或蛋白异常表达产物种类繁多,通过全质量范围的谱图监测,可以找出死宰猪肉和活宰猪肉的谱图的异常表达或缺失,进行异常表达样本的检测鉴定。

图:活宰猪正常谱图(上图1-2)和死宰猪的异常谱图(下图3-4),死宰猪有明显的特异表达峰(红圈标记)或峰缺失

  细菌(微生物)鉴定

  在MALDI-TOF应用当前的主战场——微生物鉴定方面,也展开了应用。细菌的核糖体蛋白具有种的特异性,应用不同细菌的指纹图谱,可以对细菌进行种 (属)鉴定。

图:金黄色葡萄球菌谱图

产业化即将开始

  周晓光告诉分析测试百科网,目前,融智的MALDI-TOF产品已经获得了CFDA的生产许可证和医疗器械注册证,生产工厂已具备了量产的条件。而在一些特殊应用领域方面,融智与合作伙伴正在进行相关应用开发。

  编辑手记

  一提到国产仪器,整体氛围是抄袭、仿造。但事实上,不断出现的,一些分领域的突破,让国产仪器企业在竞争中脱颖而出。融智的新一代MALDI-TOF实现了MALDI-TOF的一些重大突破。期望类似这样的突破不断在国产仪器企业中出现,也期望更多像融智这样的企业,以高技术起点,以高技术壁垒,形成对进口仪器的压倒性竞争优势。