有机质谱仪在生命科学中的应用

有机质谱仪在生命科学中的应用 
生命科学是近年来最引人注目的学科之一。有机质谱仪在生命科学中主要用于以下几个方面。
a ．利用稳定同位素标记示踪剂研究人体代谢过程及代谢产物
　　目前主要采用的方法是：用15N 标记的某些氨基酸、多肽或蛋白质，用13C标记的某些碳水化合物（糖、多肽或淀粉）及用15N 、13C或18O标记的某些药物作为示踪剂，用有机质谱仪来检测代谢过程中含，15N 、13C 和18O 的有机化合物。
　　为研究肾病病人蛋白质代谢，给肾病患者和正常人注射或口服15N 标记的甘氨酸，然后定时收集尿样，用沉淀法除～去尿样中的蛋白，经三次脱脂后冷冻干燥，干燥后的样品直接作电子轰击电离质谱。下图是正常人服未标记的甘氨酸和服15N 标记的甘氨酸后尿样的EI-MS 谱图。选择谱图中尿素的分子离子峰（m / e 60）及其同位素峰（m / e 61）进行测定。比较服用15N 标记甘氨酸后尿样中m / e 61 与m / e 60 峰的强度比（离子强度比）与服用未标记甘氨酸后尿样中m/e 61 与m/e 60 峰的强度比（离子强度比），可以测定尿样中15N 含量，此15N 含量表示了尿素氮的生成率，是观察蛋白质代谢状态的一个可靠指标，并以此来研究肾病患者的蛋白质代谢情况。与此同时，用此法研究了用黄芪和当归治疗肾病患者的蛋白质代谢情况，为探讨黄芪和当归治疗肾病的机理提供线索。



　　口服13C 标记的葡萄糖，然后用有机质谱仪测定4 小时内呼出气中的13CO2含量可判断糖尿病的轻重。口服13C-U-半乳糖制剂，然后测定并给出13CO2呼出曲线可以诊断早期肝硬化。
b ．生物大分子的分析测定
　　快原子轰击电离质谱（FAB-MS）是最早用于分析测定生物大分子的质谱技术，Barker 等人于80 年代初提出了用快原子轰击电离源分析多肤中氨基酸序列。陈耀祖也曾用快原子轰击碰撞活化质谱法分析糖甙结构获得成功。但FAB-MS 对分子量达数万至数十万的生物大分子则无能为力。1958 年德国F . Hillenkamp 、美国J . Fenn 分别发表了用基体辅助激光解吸质谱法( MALD-MS）和电喷雾离子源四极质谱（ESI-MS）分析大分子蛋白质的报告，实现了生物大分子质谱分析的重大突破。这两种质谱法都能对分子量高达几十万的生物大分子进行快速（几分钟一个样品）、精确（士0.1 %）和高灵敏度（10-15mol）的测定。
　　下图是胰岛素混合物的基体辅助激光解吸飞行时间质谱（MALD-TOF-MS）谱图。底物为二经基苯甲酸，图中a 为胰岛素，b 为肌红蛋白，c 为细胞色素。



　　下图为小牛血清白蛋白的电喷雾电离质谱（ESI-MS）谱图。图（a）为小牛血清白蛋白在电喷雾电离时形成的一系列多电荷离子质谱图，电荷数为30～60 ；图（b）为通过计算机重叠合方法处理后得到的小牛血清白蛋白质谱图。由此得到小牛血清白蛋白的分子量为66430.0～66709.0。




　　下图图15是一些分子量不同的蛋白质的锎-252 等离子解吸电离-飞行时间质谱（252Cf ? PD-TOF-MS）谱图。其中（a）是牛胰岛素，分子量为5733 ；（b）为核糖核酸酶，分子量为13687 ；（c）为α-干扰素，分子量为19273。



c ．药物结构鉴定及药物代谢研究
　　在药物结构鉴定方面，可以通过各种“软”电离技术，得到被鉴定药物的分子离子峰（或准分子离子峰），从而得到该药物的分子量信息。作高分辨质谱，可以得到被鉴定药物的元素组成-分子式。再结合质谱中的碎片离子和IR 、NMR 、UV 等提供的结构信息，就可以推断该药物的结构。如刘运爱等用EI 电离、正离子FAB 和负离子FAB 等质谱技术研究并给出了五种甘草次酸衍生物的结构。
　　在药物及其代谢产物分析中，广泛使用了色谱-质谱联用仪。Gadzinowicz , B．J ．等编著的《气相色谱一质谱分析药物和代谢产物》一书中详细地叙述了中枢神经系统兴奋剂、止痛剂、局麻剂、抗菌素及治疗心血管病，抗高血压、低血糖和治疗甲状腺病所用药物及代谢产物的质谱分析。