November 1, 2009

從毒奶粉事件談起:關於分析化學技術—陳月枝教授的化學演講

陳月枝教授在此次演講中以毒奶粉事件作為起頭,介紹了分析化學這個學門中很重要的一項技術:
基質脫附飛行時間式質譜儀(Matrix-assaisted laser disorption ionization - Mass spectrometry, MALDI-MS)。

以下是內容整理:

新聞剪輯:

2008/09/25:毒奶粉檢驗標準轉彎  從0放寬到2.5ppm 中廣新聞網

2008/09/25 毒奶粉/衛署決策大轉彎?低於2.5ppm就測不到.. 今日新聞
新聞內文摘要:各家實驗室使用液相層析法,極限為2ppm,亦即只要檢驗三聚氰胺在2.5ppm以下就等於未檢出。

2008/09/25 決策轉彎內幕  低於2.5ppm儀器就測不到了 聯合新聞網
新聞內文摘要:2.5ppm是許多檢驗儀器的極限點......衛生署表示:「怎麼可能每件都用串連質譜儀檢驗!」

2008/09/22 毒奶粉/業者、民眾人心惶惶  檢驗所業務暴增 今日新聞
新聞內文摘要:「我們看三聚氰胺HPLC(高效能液相層析)的圖譜的圖譜,如果在9.7(分鐘)有一個波峰有一個波風就疑似是三聚氰胺,要確認就要看全波長掃描,就會再這裡出現一個235.7(奈米)的波峰。」


從這些新聞可以看到,有許多偵測儀器的使用。今天就讓我們來了解一下某些可用於檢測的儀器:MALDI-MS及質譜儀。
這邊先看到我們實驗室的偵測結果:
質譜儀:

MALDI-MS:


MALDI-MS的發展:

1.從一封德國化學家的信談起
MALDI-MS的其中一名開發者Franz Hillenkamp:(節錄內文)Yes, we were suprised by the decision of the Nobel Prize(編注:2002) commitee and disappointed.

2002年的諾貝爾化學獎主是頒給對於巨型生物分子的檢測方法的創新,得獎者分別對於三種不同的檢測方法有創新。其中Dr. John Bennett Fenn研究了電灑法質譜儀(Electron spray ionization, ESI)在此方面的應用、Kurt Wüthrich提出了利用核磁共振(Nuclear magnetic resonance, NMR)的方法。而最具爭議的就是來自日本島津製造所(Shimadzu Corporation)只有學士學位的田中耕一(たなかこういち)  。田中耕一開發了所謂的軟基質雷射脫附法(Soft laser desorption, SLD)。然而MALDI- MS的偵測靈敏度更好,而且開發時間比SLD還要早。然而諾貝爾獎委員會則是認為此一決策並沒有誤,因為MALDI-MS是在SLD之後才被應用於巨型生物分子檢測方面的。所以將SLD當作是一個開創先鋒並沒有誤。

2.簡介:關於Mass-spectrometry(質譜儀)
質譜的目的判斷樣品分子的分子量。通常是偵測離子的荷質比(e/m值),結合不同的物理公式(詳情可參閱普通物理課本,電場的部份)可以衍伸出不同的偵測方法以求得質量(m值)。重點在於要讓樣品離子化,因為霧體一定要帶電才能在電場移動。
 - Inlet:待測樣品置入。
 - Ion source:將樣品離子化以帶電荷,才能在電場中移動(離子化方式的不同區分了ESI、SLD以及MALDI-MS)
 - Mass analyzer:決定帶電粒子(離子)質量大小的方法,有分做飛行時間式(Time of fly, TOF,越重的粒子飛的越慢飛到Detector故可以判斷粒子質量)、四極棒式(讓離子在四根電極之間飛行,改變電極電壓讓離子撞上電極以偵測,不同質量大小的離子改變電壓會有差異)等等。
 - Detector:偵測離子訊號(離子的撞擊)的裝置。
 - Data system:將偵測到的序號顯示出來或列印出來。



3.關於SLD
1987年田中耕一論文

Proteins and polymer analysis up to m/z 100000 by laser ionization time-of-flight mass spectrometry
實驗偵測的蛋白質例子:Cytochrome(分子量大小12384 Da)、chemotrypsiongen(25717 Da)、carbopeptidase(34000 Da)
重點:將待測樣品摻雜在混合了鈷粉與甘油的軟基質中,運用雷射去轟擊它讓樣品脫離基質型成離子在電場中飛行。
為什麼要用軟基質?:因為離子化的方法眾多,某些方法會破壞分子(或者該說:像是蛋白質這種大分子容易在離子化的過程中被破壞只剩下碎片)讓我們不能精確的得知分子量大小,所以選用了這種先將樣品攙在軟基質中來緩衝一下。


4.關於MALDI-MS
類似軟基質法,但是其基質選用以下三中物質結合:

以下是它準備樣品的方法,先將樣品與基質混合再塗在金屬盤上再送進機器內量測:



這是雷射轟擊基質的示意圖:雷射轟擊基質後產生樣品離子還有基質離子一併飛向偵測器。因為基質也會產生離子故必須先做空白實驗校正。


這是整個儀器個概略圖。MALDI-MS所採用的Mass analyzer是TOF也就是利用飛行時間來推斷離子荷質比。最左側是基質被雷射轟擊的地方,接下來會經過電場加速。然後在中間的空腔飛行,最後飛到偵測器。


MALDI-MS的缺點與未來展望

 - 如果對於偵測低分子量的物質,那基質干擾會很嚴重。
 - 基質製備過程中需要有良好技術。
 - 基質與樣品的比例需要消小心調控。

因此,對於不同的基質選用仍然是目前研究的議題。

以上是演講內容。整理者:許立。

[延伸閱讀資料](可查找關於MASS、MALDI等質譜MASS SPECTROMETRY的相關知識):
[1.]

“Principles of Instrumental Analysis, 6th Edition” D. A. Skoog, F. J. Holler, and S. R. Crouch. Thomson, 2007 
[2.]
陳月枝教授實驗室:http://mass1.ac.nctu.edu.tw/
3.
儀器分析( Skoog / Leary ); 林敬二、林宗義 編譯 美亞書版股份有限公司

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Personal Category: 生物分析 Topic: learning / academic / Science
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