【代谢组学】现代仪器分析技术—代谢组学技术基础及原理

        代谢组学隶属于组学范畴之内，目前关注度颇高，它是了解小分子代谢物质（相对分子质量小于1000）数量、种类、丰度的研究技术，可以对小分子物质进行全面的定性及定量分析，并寻找代谢物与环境因子变化的相对关系。然而，代谢组学涉及到的技术原理相对比较广泛，运用的技术手段不同，原理也略有不同。究其基本原理，则涉及到《现代仪器分析》这门学科，该学科下的波谱分析技术和色谱分析技术，是目前代谢组学应用的基础原理，主要目的是进行物质分离和物质分析。在此，我们汇总了，现代仪器分析学科中与代谢组学相关的技术原理，并分享给大家，以便于大家更好地理解代谢组学及其代谢组学研究开展的方式和方法。

主要内容：

1. 仪器分析技术概念及种类

2. 代谢组学涉及的仪器分析方法

    a）波谱分析法        b）色谱分析法

3. 分析仪器联用技术（GC-MS、LC-MS、……）

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1. 仪器分析技术概念及种类

1.1 什么是仪器分析技术

现代仪器分析技术: 采用比较复杂或特殊的仪器设备，以测量物质的物理或物理化学性质的参数及其变化来获取物质的化学组成、成分含量及化学结构等信息的一类方法。

1.2 仪器分析技术的分类

a.波谱分析：紫外可见分光光谱（UV）、核磁共振波谱分析（NMR）、质谱分析（MS）……

b.色谱分析：液相色谱、气相色谱……

c.物相分析：磁选分析法、比重法、X射线结构分析法…… 

d.元素分析：电镜能谱分析(EDS)、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)……

2. 代谢组学涉及的仪器分析方法

一、波谱分析法

主要原理：光的波粒二象性。

光与物质的相互作用： 

    •分子能级：分子处于特定的状态，具有一定的能量； 

     •分子能级跃迁：分子吸收能量从低能级向高能级跃迁；

    •分子光谱：分子吸收能量发生跃迁，吸收光子的波长和吸收信号强弱，为分子吸收光谱，反之，为分析发射光谱。

光谱的分类：分子平移、分子转动、化学键振动、电子能级跃迁、电子自旋、同位素原子核自旋。

1  核磁共振波谱（NMR）

NMR：一种研究原子核在磁场中能级及其跃迁的波谱方法。—分子结构和分子间关

基本原理：

    •原子核的自旋运动：只有自旋不为零的核才能与外磁场发生作用，具有核磁共振的条件；

    •核动量矩和磁矩的空间量子化（原子核在外磁场中的行为）：在强磁场的激励下，一些具有某些磁性的原子核的能量可以分为2个或2个以上的能级。 

    •核磁共振产生：此时，外加一个能量，使其恰好等于裂分后相邻两个能级之差，则该核可能吸收能量（称为共振吸收）。  

从低能态向高能态，所吸收的能量的数量相当于频率范围在0.1~100MHz的电磁波（属于无线电波范畴，射频），因此，NMR就是研究磁性原子核对射频能的吸收。

1.1  弛豫过程—谱线宽度

纵向弛豫（自旋-晶格弛豫）：高能态的核与周围环境（固体晶格、液体中的溶剂分子等）进行能量交换的过程。  

横向弛豫（自旋-自旋弛豫）：高能太的核将能量传递给相邻低能态自旋核的过程。  

谱线宽度的影响因素：弛豫时间、仪器磁场的均匀性、顺磁性物质。

1.2  化学位移δ

化学位移：原子核所处的化学环境不同，受到核外电子屏蔽作用不同，其共振频率各不相同，共振吸收峰将分别出现在NMR谱的不同频段区域或不同磁场区域。  

化学位移的表示方法：相对位移，以某种物质（TMS）的共振峰为原点，测序样本中质子共振峰与原点的相对距离。——数据的统一。

1.3  核磁共振仪

仪器的分类： 

    •射频频率：60MHz，100MHz，600MHz…… 

    •磁体类型：永磁，电磁，超导磁体…… 

    •射频源：连续波、脉冲傅里叶变换…… 

仪器结构：

核磁共振仪基本结构 波谱示意图

2. 质谱（MS）

质谱法即用电场和磁场将运动的离子（带电荷的原子、分子或分子碎片，有分子离子、同位素离子、碎片离子、重排离子、多电荷离子、亚稳离子、负离子和离子－分子相互作用产生的离子）按它们的质荷比分离后进行检测的方法。

应用：化合物结构、定性和定量化学分析……

2.1  采用质谱法的原因

测出离子准确质量即可确定离子的化合物组成。由于核素的准确质量是一多位小数，决不会有两个核素的质量是一样的，而且决不会有一种核素的质量恰好是另一核素质量的整数倍。

2.2  基本原理

    样本进入质谱仪器，在质谱仪离子源中，化合物被电子轰击，电离成分子离子和碎片离子，这些离子在质量分析器中，按质荷比大小顺序分开，经过电子倍增器检测，即可得到化合物的质谱图。

2.3  质谱图

横坐标：质荷比 

纵坐标：离子强度 

离子绝对强度：样本量和仪器的灵敏度 

离子相对强度：样本分子结构相关 

同一样品，在一定的电离条件下得到的质谱图是相同的。这是质谱进行有机定性分析的基础。

质谱示意图

​2.4  MS仪主要结构

MS仪主要结构

二、色谱分析法

一种分离、分析方法； 

特点：有两相—固定相、流动相，两相相对运动。

分离原理：当流动相中所携带的混合物通过固定相时，会和固定发生作用，由于流动相中各组分性质和结构的差异，与固定相之间作用力的大小也有差异。因此，在同一推动了作用下，不同组分在固定相中的滞留时间有长有短，从而按先后不同次序从固定相中留出。

1.1组分分离的影响的因素

组分分离的影响的因素

1.2色谱的基本理论

A.色谱分配平衡

色谱分配平衡：组分在固定相和流动相之间发生的吸附，脱附或溶解、挥发等作用的过程—分配过程。在一定温度下组分在两相间分配达到平衡时的浓度比，称为分配系数；质量比称为分配比。

分配系数：色谱分离的实质。

B. 塔板理论

塔板理论借助于化工中的塔板理论概念推导出流出曲线方程。

精馏塔示意图

        将色谱柱比作蒸馏塔，把一根连续的色谱柱设想成由许多小段组成。在每一小段内，一部分空间为固定相占据，另一部分空间充满流动相。组分随流动相进入色谱柱后，就在两相间进行分配。并假定在每一小段内组分可以很快地在两相中达到分配平衡，这样一个小段称作一个理论塔板（theoreticalplate），一个理论塔板的长度称为理论塔板高度（theoretical plateheight）H。经过多次分配平衡，分配系数小的组分，先离开蒸馏塔，分配系数大的组分后离开蒸馏塔。由于色谱柱内的塔板数相当多，因此即使组分分配系数只有微小差异，仍然可以获得好的分离效果。

气、固相交换示意图

a）组分浓度与时间的关系：流出曲线方程

流出曲线方程

解释的问题：色谱峰图形和最大浓度位置。

b）色谱柱的理论塔板高度为单位柱长度的色谱峰方差

理论塔板高度越低，在单位长度色谱柱中就有越高的塔板数，则分离效果就越好。

决定理论塔板高度的因素有：固定相的材质、色谱柱的均匀程度、流动相的理化性质以及流动相的流速等。

c）理论塔板数&有效塔板数

理论塔板数公式

有效塔板数：取决于固定相的种类、性质（粒度、粒径分布等）、填充状况、柱长、流动相的种类和流速及测定柱效所用物质的性质。

柱效率 图解法确定理论塔板数

d）塔板理论的特点与不足

塔板理论方程符合色谱流出曲线，为色谱理论提供指导  

用（有效）塔板数和（有效）塔板高度衡量柱效能指标时，应指明特定物质（不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同）。 

没有阐明影响柱效的本质

    •柱效不能表示被分离组分的实际分离效果； 

    •无法指出影响柱效的因素和提高柱效的途径。 

解释不了载气速率对理论塔板数的影响 

    •无法解释同一色谱柱在不同载气速率下柱效不同的实验结果。

C. 速率理论

速率理论认为：单个组分分子在色谱柱内固定相和流动相间要发生千万次转移，加上分子扩散和运动途径等因素，它在柱内的运动式高度不规则的，是随机的，在柱中随流动相前进的速率是不均一的。

速率理论示意图

​a）范第姆特方程式（VanDeemeter速率理论方程）

Van Deemeter速率理论方程

b）A—涡旋扩散项

涡旋扩散项 分子扩散项 传质阻力 最佳流速

f）改善柱效的措施

选择颗粒较小的均匀填充料；

在不使固定液粘度增加太多的前提下，应在尽可能低的柱温下操作；  

用最低实际浓度的固定液； 

用较大分子量载气； 

选择最佳的载气流速；采用较小内径和较大曲率半径的柱形。

D. 分离度

分离度：描述物质实际分离效能（塔板理论和速率理论难以描述）。  

分离度影响因素：热力学因素（保留值）、动力学因素（峰宽、柱效）。 

分离度的情况： 

①柱效较高，分配系数较大，完全分离； 

②分配系数不是很大，柱效高，峰较窄，基本上完全分离； 

③柱效较低，分配系数较大，但分离不好； 

④分配系数小，柱效低，分离效果差。

分离度示意图

​1.3 气相色谱（GC）

以气体为流动相的色谱分析方法：  

适合于分离分析易气化、稳定、不易分解、不易反应的样品，特别适合同系物，同分异构体的分离。

a）气相色谱的基本原理

气相色谱基本原理示意图

b）气相色谱仪（GC）及其主要结构

气相色谱仪主要结构

1.4  高效液相色谱（HPLC）

以液体为流动相的色谱法； 

适合于分离高沸点，热不稳定，离子型的样品。 

经典LC：分离手段；HPLC：分离和分析。

基本原理：色谱过程中不同组分在相对运动，不相混溶的两相间进行交换，相对静止的一相为固定相，相对运动的相为固定相，利用吸附，分配，离子交换，亲和力或分子大小等性质的微小差别，经过连续多次在两相间进的质量交换，使不同组分得到分离。

四种类型：吸附色谱，分配色谱，凝胶色谱，离子色谱。

a）液相色谱仪主要及其主要结构

液相色谱主要结构

3. 分析仪器联用技术（GC-MS、HPLC-MS……）

3.1 分析仪器联用技术概述

分析仪器联用技术：将两台或多台分析仪器结合到一起使用的技术，得到快捷、有效的分析工具。 

色谱最大特点是能将复杂的混合物分离成单一组分，但定性和结构能力较差。

质谱等技术对一个纯组分结构确定较为容易。

分析仪器联用形成对混合物质的完整分析。

3.2 分析仪器之间联用的重要问题

接口问题，其一般要求如下：•可进行有效的样品传递； 

    •样品传递要有良好的重现性； 

    •容易满足两个仪器任意选用的操作模式和条件； 

    •样品通过接口不发生化学变化； 

    •不影响仪器效能； 

    •样品经过接口的速度尽可能快； 

    •接口本身操作简单、方便、可靠。

3.3 气相色谱-质谱（GC-MS）联用技术

综合GC和MS的有点，具有GC的高分辨率和质谱的高灵敏度、强鉴别能力。  

适宜小分子，易挥发，热稳定，能气化的化合物；  

用电子轰击方式（EI），得到的谱图可以跟标准谱图库比对。

3.4 高效液相色谱-质谱（HPLC-MS）联用技术

液质联用（LC-MS）可以解决如下几方面问题：

    •不会发化合物分析测定； 

    •极性化合物的分析测定；

    •热不稳定化合物的分析测定；

    •大分子量化合物（包括蛋白、多肽、多聚物等）的分析测定； 

    •没有商品话的谱库可对比查询，只能自己建库或自己解析图谱。 

要解决的重要问题： 

    •液相色谱流动对质谱工作条件的影响； 

    •质谱离子源的温度对液相色谱分析源的影响。

3.5 GC-MS& LC-MS 联用技术仪器的主要结构

GC-MS & LC-MS 联用技术