|
点击图片即可放大查看  在代谢组学研究中，GC-MS和LC-MS是两种比较常用的检测平台，Web of Science 的数据显示，LC-MS是目前最主要的代谢组学分析平台。目前医学代谢组学的研究大多集中在临床医学、药理分析领域，而其试验样本大多为人体尿液、血浆、细胞、组织等，这些样本中的代谢物大都能较好地电离。LC-MS灵敏度较高，能分离上千种小分子代谢物，检测限为ppb（即十亿分之一），可用于痕量分析。GC-MS 在代谢组学的研究中除了作为靶向性物质的分析，亦或作为LC-MS非靶向性代谢组学的热稳定化合物的一种补充。两者因为流动相和检测原理的差别，从而得到的数据也是有一定区别的。下面我们将从数据库、离子源、数据形式、分析物质类型等几个方面简述其相互的差别。   1. 数据库 LC-MS除了自建的数据库之外, 进行代谢组学研究的常用数据库有METLIN、MassBank、mzCloud等数据库。 METLIN数据库是由美国斯克里普斯研究院开发的，是一个非常全面的质谱和二级质谱数据库[1]，这些二级质谱数据是在多个QTOF质谱检测平台得到的，比如SCIEX、Agilent、Waters，其中包含了在不同的碰撞能、正负离子模式下得到的二级谱图。 MassBank是一个网络开放的数据库，旨在公开分享从代谢物的化学标准品得到的质谱图以方便用户进行代谢物的鉴定。MassBank包含了代谢物的质谱信息以及采集情况，这些信息来自于不同的质谱仪设置，包括不同的电离技术例如ESI、EI、CI、APCI以及MALDI；同时还有来自于不同仪器厂商生产的高分辨（Q-TOF、Orbitrap）和低分辨的质谱仪（QQQ，Q-trap）采集的信息。MassBank最显著的一个特征就是它使用的被称为“合并谱图 （merged spectra）”的信息，即人为地将来自于相同代谢物但是不同碰撞能量或者不同的碎裂方式的碎片离子合并为一张质谱图[2]。 mzCloud总共有1.7w个化合物（农学、内源性、食品等多领域综合性数据库），具有二级图谱的1w+（不分物种），其中3000+个属于内源性化合物；具有标准品的化合物有1w+，主要以自己平台创建。 GC-MS使用的数据库是和LC-MS不同的, GC-MS进行代谢组学研究常用的数据库有NIST、Fiehn、GMD等数据库。 NIST系列数据库是由美国国家标准与技术研究院发布[3]，是目前使用范围最广，最全面的质谱数据库之一。最新的NIST商业数据库中包含了来自242477个化合物的274259张EI-MS质谱图。用户可以使用NIST MS Search软件独立地使用NIST数据库，使用该软件对实验中获取的谱图与NIST数据库中的谱图进行比较，用于化合物鉴定。此外该软件还可以提供谱图解释功能，如计算分子量、估算元素组成以及简单的结构推断。 The Golm metabolome database(GMD)是由Max Planck Institute for Molecular Plant Physiology组织主办和开发的一个公开的GC-EI MS质谱图数据库。GMD数据库中包括了使用四极杆或者TOF检测器得到的GC-MS质谱图[4]。所有的谱图都可以免费下载。 The Fiehn library（FiehnLib）数据库中含有超过2200个EI质谱图和RIs，这些信息来源于大于1000个分子量在550 Da以内的代谢物，覆盖了包括脂类、氨基酸、脂肪酸、胺类、醇类、糖类、氨基糖类、糖醇类、糖酸类、有机磷酸盐类、羟基酸类、芳香类、嘌呤类和甾醇类等化学标准品的甲基化和硅烷化的EI质谱图。FiehnLib包含了两个分别使用四极杆和TOF质量分析器检测的数据库。FiehnLib Agilent数据库使用单四极杆作为质量分析器，在全扫描模式下获取了质荷比范围在50到650之间的化合物的质谱图。FiehnLib LECO则使用TOF检测器获取了分子量在85到500之间的化合物的质谱图[5]。 GC-MS和LC-MS两种平台除了数据库上有差别，在离子源上也是不同的。 GC-MS有电子轰击电离（Electron impact, EI）、正化学电离（Chemical ionization, CI）、负化学电离（Negative chemical ionization, NCI）3种电离方法，其中前两者较常用。EI是一种硬电离技术，通常采用标准的70 eV的高能电子与气相的原子或者分子相互作用产生离子。EI具有非选择性电离的特点，只要样品气化都能够离子化，离子化效率高且碎片较丰富，而丰富的碎片离子能够提供分子结构的一些重要的官能团信息。CI电离产生的碎片较少，但它能产生准分子离子（Pseudo-molecular ions, M + 1），有利于相对分子质量的测定。NCI主要用于带电负性基团的化合物如含卤素的一些化合物。 LC-MS根据电离方式不同，可分为电喷雾离子源（Electron spray ionization, ESI）和大气压化学电离源（Atmospheric pressure chemical ionization, APCI） 2 种工作方式的质谱。ESI可同时分析挥发性和非挥发性代谢产物，适用于离子型以及极性化合物的鉴定分析，工作流程是先带电荷再雾化，从而被检测。它灵敏度较高，能分析分子量小于1500Da的化合物。APCI的工作流程是先雾化，之后在电离，使物质带上电荷。APCI相较于ESI基质效应小，且受流动相缓冲盐影响较小。APCI主要分析非极性以及小分子的化合物（相对于用ESI电离的化合物而言）。ESI应用范围较APCI更宽，APCI可起到辅助作用，因此，在代谢组学的研究过程中，可同时使用不同的电离源，使得样品中检测到的代谢产物更全面。 由于GC-MS和LC-MS的离子源以及工作模式的不同，两种平台得到的数据形式也是不一样的。LC-MS是在正离子模式和负离子模式两种离子模式下工作的，得到的数据也是有正负离子模式的区别的，而对化合物的统计学分析时是分开分析，但在代谢通路分析时，将两者结合，有重复时选择正负模式中响应最高的一个模式。 GC-MS仪器通常只能在一种模式下工作，得到的数据模式非正即负，所以在表述的时候也不会提到是哪种模式下的数据，根据实际的离子源即可判断，从而在分析的工作量上就少了一半。再加上由于扫描离子范围的差别，GC-MS得到的数据量是要明显比LC-MS少的。在GC-MS数据的定性分析中，作为二维数据的GC-MS数据能够提供两个方面的信息质谱信息和保留时间（保留指数）信息。目前，在GC-MS数据的处理中，定性分析主要采用基于相似度匹配的库搜索或保留指数数据库查询，并结合标准品验证的方法[6-8]。GC-MS一般具有自动计算保留指数（利用正构烷烃混标的保留时间为基准）和进行质谱相似度匹配的功能，可以大大提高定性结果的准确性。 气相色谱质谱仪结合气相色谱的高效分离能力和质谱可提供丰富的结构信息的优点, 是分析挥发性或半挥发性小分子化合物的重要分析方法；由于气质检测原理是将检测的物质气化后再分离检测的，这就要求所检测的物质要具有一定的热稳定性。相比之下，使用液质平台检测的物质的性质要求就要少一些，液质检测的物质范围要比气质更广一些，能被离子化的物质，基本都可以使用液质平台来进行检测。 虽然，两种平台得到的数据是有差别的，但是不能单从数据上就判断哪种平台好，哪种平台不好，我们还是要根据样本类型和所造模型和疾病中着重的代谢物来选择不同的平台。  ●参考文献 [1] 国外代谢组学数据库的简介——百度文库 [2]代谢组学研究中常用的数据库（三）——天天快报 [3] NIST-2010. NIST Mass Spectral Database, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg MD 20899,USA,2010 [4] Kopka J , Schauer N , Krueger S , et al. GMD@CSB.DB: the Golm Metabolome Database[J]. Bioinformatics, 2005, 21(8):1635-1638. [5] 基于GC-MS的非靶向代谢组学以及常用的数据库（三）——天天快报 [6] Stein SE. Chemical Substructure Identification by Mass Spectral Library Searching,Journal of the American Society for Mass Spectrometry,1995,6(8):644-655 [7] Stein SE. Optimization and Testing of Mass Spectrometry Library Search Algorithms for Compound Identification , Journal of the American Society for Mass Spectrometry,1994,5(9):859-866 [8] Atwater B L, Stauffer D B, Mclafferty F W, et al. Reliability ranking and scaling improvements to the probability based matching system for unknown mass spectra[J]. Analytical Chemistry, 1985, 57(4):899-903. |
|
|
