新质谱仪炸场！蛋白代谢天都亮了？

多数质谱仪１次仅能处理少量分子，而１款经重新设计的原型设备可同步处理10亿个分子。

要点

• 多数质谱仪仍单次分析1个或少量分子，限制了其在复杂生物样本中检测稀有但重要信号的能力。

• 全新MultiQ-IT原型机可同步冷却、捕获、筛选并转向超10亿个离子，大幅提升动态范围与信噪比。

• 该原型机为实现常规高通量、全面的单细胞蛋白质组学研究及新一代仪器研发开辟了道路。

全新MultiQ-IT原型机可同步冷却、捕获、筛选并转向超10亿个离子，大幅提升动态范围与信噪比。

图片来源：Lori Chertoff

质谱技术早已是鉴定样本中分子种类与含量的强大工具。但多数仪器仍只能单次分析１个或少量分子，该方式效率低、成本高，且含量稀少却意义重大的分子极易被遗漏。

更先进的技术未来或将助力科学家解析单个细胞的全部分子组成，同步追踪数千种化学反应，并最终加速药物研发等相关工作。

近日，新研究朝着该方向迈出关键１步：研究团队研发出名为MultiQ-IT的原型设备，可１次性处理海量分子。该研究为研发更快速、更灵敏的仪器提供了设计蓝图，有望推动质谱技术迎来如同基因组学与计算机领域般的变革。

美国洛克菲勒大学质谱与气态离子化学实验室的Brian T. Chait表示：「颠覆DNA测序的并非基础化学层面的改变，其核心原理始终未变。真正的突破是实现海量化学反应并行处理，这让基因组测序从耗资10亿美元的工程降至100美元级别。图形处理器（GPU）的出现也为计算机领域带来了同样变革，正试图将这一模式应用于质谱技术。」

巨大的技术瓶颈

质谱技术于1913年前后问世，现已成为生物学领域最具威力的分析工具之一。该技术通过将分子离子化（赋予电荷）并检测其质荷比，实现分子的鉴定与定量。但即便技术已十分精密，多数质谱仪仍采用串行检测模式，单次仅能分析１种或少量离子，往往难以达到复杂生物样本中稀有分子检测所需的超高灵敏度。

Brian T. Chait称：「这是项出色的技术，能实现诸多超乎想象的分析工作。但始终对其局限性感到些许遗憾，我坚信它本可以更出色。」

若能突破局限，该技术将彻底革新单细胞蛋白质组学与代谢组学——这２大新兴领域旨在鉴定并定量单个细胞内的全部蛋白质或代谢物。与DNA不同，这类分子无法扩增，丰度最高的分子含量可能是最稀有分子的数百万倍。质谱技术已在该领域展现出应用价值，但若无法在高丰度分子的强背景下精准捕捉微弱信号，其潜力将难以充分发挥。

Brian T. Chait及其团队认为，突破该局限的唯一途径，是让这项拥有百年历史的技术实现大规模并行化——这一模式曾重塑计算机与基因组学领域。在计算机领域，研究人员通过将大型任务拆解为多个子任务并同步处理（即运用图形处理器GPU），大幅提升了运算性能。DNA测序也遵循了相似路径，最终诞生了可同步分析数百万反应的低成本测序平台。

实验室高级研究员Andrew Krutchinsky表示：「这个思路显而易见，但如何在质谱技术中实现却并非易事。」

迈向大规模并行处理

MultiQ-IT的研发灵感源于数10年的相关研究：研究人员探究分子如何通过数百个名为核孔复合物的微小通道进出细胞核。Brian T. Chait团队发现，细胞通过多个并行通道分散工作，而非让物质集中通过单一通道。团队由此思考，质谱技术是否可参照该模式重新设计。

最终，研究人员研发出１种全新离子捕获腔，用以替代传统质谱仪的核心部件。这款立方体型设备内置数百个电控微孔。在设备内部，离子与残余气体分子多次碰撞后减速，在腔体内随机运动，系统可同步筛选、捕获并转向多组离子，而非逐一分析。团队将设计的孔道数量从6个拓展至1,000余个，测试离子的捕获与分选效率，并证实可将单一离子流拆分为多条并行流以实现同步分析。

该设备性能表现出众。搭载486个孔道的MultiQ-IT可瞬时容纳高达100亿个电荷，容量约为传统离子阱的1,000倍。

该系统可让高丰度背景分子逸出，同时保留含量稀少但信息丰富的目标分子，将信噪比提升至多100倍，检出此前无法识别的蛋白质。为实现这一效果，研究人员在离子阱出口处施加低压电势屏障：单电荷离子可获得足够能量逸出，而具有生物学重要意义的多电荷离子则被捕获。在1,134孔道的设计中，仅39个开放孔道即可达到半数最大筛选效率，这与细胞依靠有限数量核孔实现相似效果的机制相契合。团队还发现，并行化解决了１项物理限制：将数10亿同电荷粒子聚集在狭小空间内会产生强烈静电斥力，而将粒子分散至多通道可降低通道内的斥力。

该原型机展现的高灵敏度，可助力提升低丰度交联肽段的检测效率——这类肽段对大型蛋白质复合物的结构解析极具价值。Andrew Krutchinsky表示：「含量最低的物质，往往比高丰度物质更为重要。」

目前，MultiQ-IT尚非成熟的商用仪器，而是对技术可行性的验证。研究人员希望为该技术奠定物理设计基础，未来可实现规模化应用，开发出稳定的临床与分析工具。

Brian T. Chait称：「从DNA测序反应的发现到现代基因组学的发展，历经了大量技术迭代；从首个晶体管问世到芯片集成10亿个晶体管，也跨越了数10年。在这２个领域中，均是先有人验证技术可行性，再由产业界推进落地。认为已经证实了让质谱技术更高效的１种可行路径。」

详细总结

思维导图

核心内容

参考

Most mass spectrometers can process just a few molecules at once. A reengineered prototype does a billion simultaneously

https://www.rockefeller.edu/news/39200-most-mass-spectrometers-can-process-just-a-few-molecules-at-once-a-reengineered-prototype-does-a-billion-simultaneously/

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