超高通量的质谱分析平台

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

质谱作为一种高灵敏度和特异性的检测技术，被广泛应用于生物、化学、制药、食品安全、环境分析等各个领域。然而质谱的分析速度往往受其进样手段的限制，例如目前最快的液相色谱-质谱（LC-MS）平台仅能达到约每10秒钟一个样品，无法在高通量分析领域进行大规模的应用。针对这一问题，近年来各制药企业和仪器研发团队合作，对各种不同的新型质谱离子化技术进行了尝试，包括葛兰素史克使用的MALDI技术、默沙东尝试过的LDTD技术、艾伯维报道的DESI技术以及近期阿斯利康使用的AMI声波喷雾电离技术。这些新型的电离进样方式虽可达到比传统LC-MS更快的分析速度（每秒一个样品），但往往对于样品的预处理过程提出了更高的要求。并且，快速的进样速度牺牲了离子化的效率和稳定性，对一些复杂样品的分析无法达到与传统电喷雾（ESI）电离方法相匹配的数据质量。

为了解决这些问题，SCIEX的研究团队与辉瑞公司合作于2020年首次报道了声波激发与质谱耦合AEMS（acoustic ejection mass spectrometry）技术（Zhang et al, bioRxiv, 2020; Liu et al, Ana. Chem., 2020）。这一革命性的创新科技通过开放式端口接口（open port interface, OPI）将高速声波移液技术与经典的ESI电离方法有机的结合在一起，实现了零交叉污染，高定量分析精确度的高通量分析平台。一经报道，这一技术即被各大制药公司采用（辉瑞、默沙东、百时美施贵宝、勃林格殷格翰等），成功应用在药物研发中的各个领域（DiRico et al, ACS Med. Chem. Lett., 2020; Habe et al, Anal. Chem., 2020; Wagner et al, Anal. Chem., 2020; Zhang et al, SLAS Technol., 2021; Wen et al, Anal. Chem., 2021）。基于这一技术，SCIEX公司于2020年推出了Echo^® MS产品 ^[1-3]。

图1. AEMS系统结构及工作原理。图片来源：bioRxiv

近日，SCIEX研究团队与OPI的发明者Van Berkel博士及美国麻省大学的Perot研究组合作，从流体动力学的角度详细阐述了AEMS系统实现零交叉污染、高通量、高定量分析精度并同时提供极强基质耐受性的理论原理。从这一理论基础出发，作者展示了每秒钟15个样品这一超高分析通量的可能性。同时，这一研究为AEMS技术应用的条件优化提供了详细的理论支持，为其在各高通量分析领域的广泛应用奠定了坚实的基础。

图2. AEMS系统实现了峰底宽为68 msec的质谱信号峰，可以实现每秒近15个样品的分析速度。图片来源：Anal. Chem.

这一成果近期发表在Analytical Chemistry 上，文章的第一作者为刘畅博士，刘畅博士与SCIEX研究部的Thomas R. Covey 博士为本文的共同通讯作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Fluid Dynamics of the Open Port Interface for High-Speed Nanoliter Volume Sampling Mass Spectrometry

Chang Liu, Gary J. Van Berkel, Peter Kovarik, J. Blair Perot, Venkatesh Inguva, and Thomas R. Covey

Anal. Chem., 2021, 93, 8559-8567, DOI: 10.1021/acs.analchem.1c01312

参考资料：

1.https://mp.weixin.qq.com/s/o5GKSMDGbBeuBMrU-SyFLw 

2.https://mp.weixin.qq.com/s/RYQvyc6M2YxyS56jtbtdPw 

3.https://www.sciex.com.cn/content/dam/SCIEX/pdf/brochures/cn/RUO-MKT-07-10676-ZH-A.pdf 

刘畅博士简介

刘畅，2007年于北京大学取得化学学士及经济学（双）学士学位，2013于不列颠哥伦比亚大学获分析化学博士学位，2013年7月起就职于SCIEX研究部，历任副科学家，科学家，副研究员。

主要研究方向为基于质谱分析的自动化样品处理技术，质谱接口的研发，以及其在高通量药物研发中的应用。近五年发表论文20余篇，包括Nat. Commun., ACS Cent. Sci., Anal. Chem. 等。研究成果曾被Nature, Science, ACS Central Science, Bioanalysis, F1000 等专题报道。获授权发明专利10余项。曾作为主席组织Pittcon 2018-2019 高通量质谱分析，及亲和选择质谱等专题分会，以及ITP 2020 创新技术分会，并多次受邀在ASMS, SLAS, Pittcon, HPLC, HT-ADME, ITP 等国际会议做特邀报告。曾获丹纳赫杰出创新奖，SCIEX年度发明奖，美国化学会分析化学研究生奖，加拿大化学会Ryan-Harris奖，国家优秀自费留学生奖学金等。

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：在高通量分析领域中， 大家往往会面临一个两难的选择。基于光学性质的检测技术（荧光，化学发光等）可以提供极快的样品读取速度，但是由于特异性的限制，分析结果中往往会出现很多假阳性和假阴性。而基于LC-MS的分析可以提供非常高质量的数据结果，但是由于分析速度过慢，通常只能够用于小规模的样品检测，无法在真正高通量的环境中进行大规模的应用。为了解决这一难题，我们开发出AEMS这一新型的高通量分析平台，在实现了比光学检测更快的分析速度的基础上保留了与LC-MS相匹配的高质量数据结果。同时，这一系统极其出色的基质耐受性可以让我们对复杂生物样品进行直接分析，大大简化了样品的预处理过程，从而从根本上解决了高通量分析领域对于分析平台选择的困境。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：作为一项全新的技术，如何快速准确的针对不同的应用环境进行分析条件的优化需要一个循序渐进的探索过程。在这一过程中，我们和很多出色的科研团队合作，获得了非常显著的成果。本文我们和合作者共同阐述了AEMS系统的流体动力学基础，从而为系统操作条件的优化提供了详尽的理论基础。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：基于高通量，高数据质量，极其简化的样品预处理要求，以及零交叉污染等特性，AEMS技术已经在高通量药物研发，组合化学，合成生物学，家禽孵化等领域展现出强大的性能。我们相信这一技术在其他的相关产业如环境监测，临床诊断，食品安全等领域，也将有广泛的应用前景。