MALDI-TOF 質譜儀的原理概況

MALDI 在進行樣品的離子化時,是先將分析樣本與小分子量的有機分子 (具有高度吸收雷射 能量特性) 基質加以混合,然後再將大約 1μl 的樣品—基質混合物點至於平滑的金屬樣品托盤 (sample plate) 表面上,待其乾燥形成固體結晶後,經過進樣系統送入質譜儀之離子源中施以雷射脈衝, 基質可將所吸收的能量轉移給樣本分子,並透過高電壓作用使之游離為氣相離子。

基質輔助雷射脫附-飛行時間質譜法 (MALDI-time of flight, TOF), 即為結合基質輔助雷射脫 附離子化技術與飛行時間質譜分析的應用。MALDI 採用短的脈衝鐳射 (1~10 ns) 與高電壓使樣品 分子離子化並加速之後進入飛行管後以進行質譜儀分析。將處於固相或粘稠的液相狀態樣品與基質 的混和物經由雷射脈衝的撞擊,激發基質分子並將能量與電荷轉移至樣品分子,樣品分子接受能量 與電荷之後使得接近表面的分子相斥分離,釋出帶電的氣態離子,然後藉由電場加速後進入飛行管 中進行自由飛行 (free flight),透過其飛行時間的長短可得到其精確的質荷比 (m/z)。

目前常見的 MALDI 是以雷射光脈衝照射在固定於平面電極上的蛋白質與基質的混合物,經由 平行電場加速再由質量分析單元中進行分析。如圖 1 所示,以波長 337 nm 的氮氣雷射光脈衝 (此 波長不會被蛋白質中的芳香環狀分子所吸收,避免蛋白質碎裂) 擊打固定於基質 (matrix) 上的蛋白 質分子,使得蛋白質從基質上游離並帶上微弱的正電荷。此時再經由高能平行電場加速,再進入質 譜儀進行分析。這樣的方式能夠分析帶電量低的分子,以及含有許多不同種類分子的混合物。通常 MALDI 都會配上精確度高的 TOF 作為其質量分析單元。

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目前常見的 MALDI-TOF-MS 所使用的雷射光波長為 337 nm,然而詳細的脫附游離 (Desorption/ionization),機制到目前為止並不是那麼清楚,只知道經由這種方式可以使固相或液相的待測 物變成氣相,接著在高真空的狀態下加速進行分離。MALDI 使用的基質有很多種,最常被使用的基 質 (matrix) 有四種,分別適於分析不同類的分析物,如表 1 所列。

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超純水品質對於 MALDI-TOF 質譜儀分析實驗的影響

雖然 MALDI 相較於其他的離子化方法,對污染物的耐受性較高,不過,使用高純度的超純水做為 基質等所需的溶劑仍然是必要的,如此可以降低本來在分析上就具有高挑戰性的 MALDI-TOF-MS 的困難度。

可能影響 MALDI-TOF 質譜儀分析之污染物質:

  • 離子

如鈉鉀等金屬離子,離子污染物質可能會吸附於待分析物質,而使得質譜分析的結果判定更加困 難。另外,高濃度的鹽類亦可能與基質或待測物形成結晶,而大幅降低圖譜的品質。

  • 有機物質

有些有機物質如清潔劑、長鏈化合物會抑制樣品分子的離子化。清潔劑亦可能阻斷基質與樣品的共結晶過程 (co-crystallization)。

  • 細菌

MALDI-TOF-MS 應用的超純水應為無菌,因為細菌可能是大分子 (如蛋白質、核酸、醣類) 的來源, 而這些大分子物質亦會被質譜儀偵測到,進而使結果分析複雜化。細菌亦可能成為離子及有機物質 的來源。

實驗結果

圖 2 上方係以 MALDI-TOF-MS 分析以下兩種樣品的圖譜結果:(A) cytochrome C 及 (B) 以 trypsin 酵素分解牛的蛋白質 transferrin。圖 2 下方係以 reflectron mode 獲得的結果。準備基質所使用的 超純水來自 Milli-Q 超純水系統。

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雖然,MALDI-TOF-MS 相較於電噴灑式離子化 (Electrospray ionization),有較高的離子污染耐受 性,不過使用高品質超純水以獲得清楚,無雜訊的圖譜仍然非常重要。

選擇適當的超純水系統做為 MALDI-TOF 質譜分析用水

如何選擇適當的超純水系統做為 MALDI-TOF-MS 的分析應用? 有幾個因素需要考量 :

  • 純水系統需做確效與否
  • 所建立方法所需用水量 (包括樣品製備階段)
  • 實驗室超純水系統的供水來源
  • 實驗室日常所需純水及超純水用量
  • 實驗室可擺放純水機台的空間
  • 線上即時監控系統: 確保純水品質保持在正常規格範圍內
  • 實驗室中是否有其他需要用超純水進行分析的實驗
  • 實驗室設備及應用將來可能的擴展或升級

1. 資料來源: http://www.millipore.com/lab_water 默克密理博事業體 純水技術處 www.merck-millipore.com 0800-211-131

2. 資料來源: 輔仁大學理工學院生命科學系 教學卓越計畫 / 蛋白質體學介紹及方法 http://www.bio.fju.edu.tw/excel/content05/html/14.htm

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