用离子阱做不一样的超高分辨离子淌度——访清华大学精密仪器系周晓煜副教授

近期，一篇关于“超高场离子云扫描技术实现高分辨生物分子异构体分析研究”的成果发表于《自然·通讯》，该研究开发的离子淌度质谱分辨率超过1万，与现有商业化产品和国际先前报道过的技术相比， 分辨率提升了一个数量级以上。该成果公开发表后便引起业内质谱专家热议，相关评论包括“概念新颖”、“第一次见这么高的淌度分辨率”、“原理创新”等。

据了解，离子淌度质谱领域成熟的商业化产品的分辨率皆在1千以下，清华的这项技术为何能“一骑绝尘”达到如此高分辨率？其创新在哪？能否成为离子淌度质谱发展的突破性技术？其距离商品化还有多远的路程？

在此背景下，仪器信息网特别采访了清华大学精密仪器系周晓煜副教授，就该成果提出的高分辨离子淌度质谱技术以及未来的应用前景等进行了深入的交流。

周晓煜副教授在实验室

生物分子结构解析是现代生物科学中至关重要的环节，生物分子的结构包含着功能和性质的关键信息，科学家们可以通过对其结构的解析，揭示作用机制、探究与疾病的关系、寻找药物靶点等。因此，生物分子结构的准确解析对于药物研发和疾病治疗等领域具有重要意义。

在生物分子结构解析领域，质谱技术的发展在过去几十年里经历了巨大的进展。其中，离子迁移质谱技术/离子淌度质谱（IM-MS）独特的分辨能力可以区分质谱技术无法区分的异构体或同重素，成为了生物分子结构解析重要的技术工具。而随着对生物分子结构与功能关系研究的深入，对高效、高灵敏的分析技术的需求越来越迫切。

近年来，多种离子迁移质谱分析方法被纷纷提出，例如迁移时间DTIMS(Drift time ion mobility spectrometry)、囚禁式TIMS(Trapped ion mobility spectrometry)、行波TWIMS(Travelling wave ion mobility spectrometry)以及非对称场FAIMS(Field asymmetric ion mobility spectrometry)等通过引入高压气体簇冷却技术、多级离子迁移分离手段的方法并形成商业化产品，使得IM-MS分离分辨率得到了显著提高（分离分辨率在40-1000左右）。

虽然IM-MS技术已经被广泛应用于生物分子结构解析的研究中，但由于分离分辨率的限制，目前无法完全解决生物分子异构体解析的问题。因此，如何提高IM-MS的分离分辨率，成为当前离子迁移质谱研究的热点和难点问题之一。

搭建高分辨离子淌度——离子阱质谱新玩法

仪器信息网：当前的技术手段在生物分子异构体研究中面临哪些瓶颈？您团队开发的超高场离子云扫描技术是否解决了这些瓶颈？

周晓煜：生物分子结构解析常用的方法很多，比如核磁共振、X射线晶体学、电镜、质谱、离子淌度（IM）等等。过去十年，离子淌度质谱（IM-MS）正逐渐成为生物分子结构解析的主流手段以及质谱仪器发展的主要方向。这是因为质谱方法本身具有高灵敏度和高特异性的优点，串级质谱又可以看分子离子的结构，离子淌度功能的加入更是极大加强了质谱的结构解析能力，从另一个维度——分子形状对样品离子的结构进行区分。

不过，目前的离子淌度质谱方法也存在“分辨率不够”的瓶颈，因此依然有很多具有生物学意义的异构体分子无法有效区分，包括很多蛋白质构象之间的差异无法检测到。那么，我们提出的离子云扫描技术，其分辨率可达10000，有潜力解决上述难题。

仪器信息网：业内对新成果的评价，“概念新颖、原理创新”，其“新”主要体现在哪里？ 您是如何想到、做到这个“新”呢？

周晓煜：“新”主要体现在两点：一、离子阱是一种大家熟悉的质量分析器，这里却被我们拿来做离子淌度，实现的装置很简单，并且可以和其他质量分析器结合设计混合式质谱仪。二、主流的淌度分析都是用的低场，而我们用的是高场；同时在传统离子阱质谱分析的经典方法“共振抛出”方面作出了创新，利用胁迫振荡的原理获得了离子的结构信息，得到了很高的分辨率。

过去，大多数提升离子淌度分辨率的方法主要是增加分析的路径或者时间。例如，西北太平洋国家实验室的SLIM采用多层堆叠结构，分析路径可达1094米。这是他们获得高分辨的原因，但也导致仪器的结构相对复杂。我们想走一条不一样的道路。

我们团队长期从事离子阱原理和仪器研究，对离子阱有比较深刻的理解。考虑到离子阱具有无限长时间囚禁、分析离子的特性，从而可以无限增加离子淌度分析时间。同时，我们还利用强迫振荡的原理压缩离子云、抑制离子的扩散，让谱峰变的更窄。因此，在简单的离子阱结构里我们得到了很高的分辨率。

超高分辨淌度技术研发的实验装置。（左：实验室自搭分析器实验平台；右：从Mini β小仪器改装的实验平台）

应用前景——为蛋白质异构体解析提供新深度

仪器信息网：据了解，本研究是在一台经过改装的Mini β仪器上进行的，该仪器是一台双线性离子阱小型质谱。那么您团队开发的离子淌度+离子阱串联质谱的应用前景如何？

周晓煜:我们认为这项技术有很好的应用前景。首先，我们已经在小仪器平台上证明这项技术可以达到很高的离子淌度分辨率，超出现有技术一个数量级以上，具备很强的技术优势。第二，离子阱是质谱仪器非常常用的分析器，无论学术还是产业界对它都很熟悉，奠定了广泛应用的基础。第三，离子阱，包括四极杆，很容易和其他高分辨质量分析器联用，例如和Orbitrap或TOF的联用。该技术的应用价值可以通过与经典的质谱联用型仪器范式得到证明。

仪器信息网：该质谱仪器未来在哪些研究领域能够替代当前商业化的离子淌度质谱？或是否有非“我”不可的应用场景呢？

周晓煜: 现在商业化仪器的离子淌度分辨率对异构体分析是不够的，甚至是远不够的。从蛋白质的构象解析可以清晰的看出来，大多数淌度技术只能把几个构象勉强分开；这样的困难对糖、脂质等异构体同样存在，而我们的方法可以实现基线分离。在这些传统技术很难做或无法做到的场景，我们的技术优势将得到充分体现。

仪器信息网：您团队在该成果的基础上还有哪些规划？接下来您团队的研究重点还有哪些？本次开发的仪器技术是否有产业化发展的规划？您预计多久能成功产业化？

周晓煜: 目前我们在小仪器平台证明了这项技术的可行性，未来，我们希望将离子阱和高分辨质量分析器联用，针对生物分子结构解析研究，开发相应的大仪器并解决相关的应用问题。除此之外，我们团队将持续聚焦便携式、小型化质谱仪器系统的开发，以及其在现场即时化学检验中的应用；一分钟出具报告，主要应用于临床、毒物/毒品、食品、安保等领域。另外，围绕脂质组学分析仪器方面，我们还将开展精细结构脂质组学的单细胞分析、疾病标记物筛查等相关研究。

我们团队和清谱科技有很好的合作基础，双方合作开发了Mini β、Cell等多款小型化质谱仪，并还将继续合作。按技术就绪度而言，我们现在的就绪度在4以下，预期通过3-5年的时间可以达到6-8，即达到商业化仪器的水平。

聚沙成塔——从1-10000的离子阱质谱开发之旅

仪器信息网：请介绍下您本人质谱仪器创新研究的历程？

周晓煜: 我最早接触质谱是在博士期间，当时中科院化学所的聂宗秀研究员刚回国组建研究团队，所以我在2009年3月启程来到北京，开始了质谱研究之旅。研究之初，聂老师拿了一些质谱理论的书还有他自己的研究心得给我看，特别是离子阱理论这部分，希望我能早点弄懂从而能尽早搭建颗粒质谱。因为具有物理学的背景，我看离子阱理论这部分特别有感觉，所以博士毕业后希望能够继续从事这方面的研究。当时，美国普渡大学的欧阳证老师经常回国交流，我也借机申请去他那里做博士后。欧阳老师当时的一个主要方向是离子阱小仪器，所以我就一边研究离子阱理论，一边考虑适用于小仪器的理论和应用方法开发。

2015-2017年，我们普渡的质谱团队跟随欧阳老师一起回国并加入清华大学，那时我开始考虑如何利用自己的特点做一些有意思的研究。一开始，我也不知道答案。众所周知，离子阱作为质谱质量分析器已经几十年了，发展相当成熟，但我一直相信离子阱能做出一些不一样的东西。所以，自2009年以来，我做的所有工作都是围绕离子阱理论和仪器展开。

直到2017年开始接触到了离子淌度技术，了解到该技术目前遇到的问题，我意识到离子阱的机会“真”的来了。一开始，我们只是把现有的低场离子淌度原理移植到我们的小仪器上，在2000年时可以实现40左右分辨率的离子淌度功能，已经接近商业大型仪器。之后又通过3年的技术研发，提出自己的高场淌度技术，我们把离子淌度的分辨率提到了10000。

作为一名教师，我也希望充分利用自己的研究经历为国家、为质谱行业培养更多、更优秀的青年人才。

合影（右：清华大学周晓煜副教授，左：仪器信息网万鑫）

采访编辑：万鑫