首創可攜式質譜儀 瞄準生物分子檢測

還記得電腦小型化的過程嗎?當年擁有IBM巨型電腦的單位是多麼的神氣,要進入機房還得先換上拖鞋!後來,小型化的推展就像浪潮來襲,一波還比一波強,今天,人手一機,能做的事,遠超過那台放在機房裡被膜拜的巨型電腦。

同樣革命性的發展,很可能再次出現,這次,是發生在質譜儀。

質譜儀是實驗室不可或缺的高階儀器,可以準確靈敏地提供化合物分子量及結構的訊息。但是,擁有一台質譜儀的門檻很高,不但價格高,維護成本高,擺放的空間也更要夠大。目前市場上可購買到的各式質譜儀,各有特殊功能,所以,在基因體研究中心的質譜儀核心設施,就擺放了好幾台不同功能的質譜儀。

基因體中心質譜研究團隊一直以來專注在發展全方位的質譜儀,達到每個實驗室都可以有一台質譜儀的目標。陳仲瑄老師和林俊利老師多年來共同努力,已經開發出可攜式的生物質譜儀,不僅體積縮小為傳統質譜儀的十分之一,而且把偵測範圍擴大,橫跨小分子至細胞。團隊發明的第一代可攜式多游離源生物質譜儀,已經技術移轉給辛耘企業旗下的譜光儀器(Acromass)進行商業化的量產與推廣。

團隊的企圖心遠超於此,在三年國家前瞻計畫的支援之下,又再次推出新一代的機型,一個可以同時集MALDI(matrix-assisted laser desorption/ionization)、ESI(electrospray ionization)、LIAD(laser induced acoustic desorption/ionization)及EI(electron ionization)等四種分析方法於一機的發明。該研究內容發表於Analyst期刊。

 

 

質譜儀是目前已知最靈敏的化學分析儀器,通常包括三個部份:離子源(ion source)、質量分析器(mass analyzer)以及離子偵測器(detector)。為了擺脫巨型的束縛,研究團隊設計的便攜式質譜儀,使用離子阱(ion trap)作為質譜分析器,降低系統對於真空度的嚴格要求,替換掉佔用最多體積和重量的大型超真空幫浦,改採微型渦輪幫浦,體積雖小,卻足以提供整個系統設備在10-3torr低真空狀態下操作。

對真空度要求降低的同時,以往需要用惰性氣體來填充設備、保持真空度,現在則可以直接使用空氣來當作緩衝氣體,降低了對於實驗室供應的依賴,質譜儀的活動力增加了,走出實驗室,擴大了應用的範圍。

重量和體積減輕了,卻不能犧牲靈敏度。林俊利老師表示,多數使用離子阱作為分析器的質譜儀,多以電壓掃描(voltage scan)方式獲得圖譜,待測物的質量愈高,必須使用的電壓愈高,現實中電壓的限制,讓量測範圍止步於103(three orders of magnitude)。研究團隊改採自有專利技術,不改變電壓,而是改變頻率。透過RF頻率掃描線性離子阱的方式來獲得離子井質譜。此一創新技術帶來了更高的離子捕獲能力,以及更好的傳輸速度,量測範圍可以達到1015 (15 orders of magnitude)。測量目標從原子到細胞都不是問題。

現有的質譜儀大多只配置一個特定的離子源,專為特定用途而設計。不同分子適用於不同的解離源,為了滿足不同的物種測試,實驗室通常設置了不只一台的質譜儀,才足以應付所需,高昂的進入門檻,讓許多醫療院所望之卻步。

林老師進一步表示,研究團隊所設計的這台質譜儀,配備了多重離子源,結合了兩種技術:一是電噴灑離子化(electrospray ionization, ESI),一是基質輔助雷射脫附離子化(matrix-assisted laser desorption / ionization, MALDI)。前者適用於液體樣品;後者則適合固體樣品。這兩個技術的結合,不但擴大了檢測的物種,連巨分子的量測也能攻克,最大可以量測到數百萬道爾頓(Dalton, Da)的醣蛋白分子,成為分析蛋白質與胜肽的最佳工具。將多重離子源整合在一起,一台抵多台,不只降低了建置的成本,也減少空間的佔用。

20200511Mass Comparison
國人研發的可攜式多游離源生物質譜儀(上)、桌上型離子阱分析質譜儀(左)與基質輔助雷射脫附游離飛行時間質譜儀(右)

 

這台由國人自行研發的可攜式質譜儀,原型機已經在基因體研究中心的實驗室建置完成,其中運用的關鍵技術也在台灣、美國等國通過專利申請,運用專利所產生更多元的應用。

以可攜式質譜儀為基礎,團隊持續也開發周邊的應用。目前他們有一個主要任務,希望將這個發明應用在解決毒品氾濫的問題。過去第一線的警力採集樣品後,必須送到台灣13個政府認證的實驗室進行檢測,耗時費力。研究團隊計畫運用這部可攜式質譜儀,可以協助執法人員在現場作即時檢測。另外,他們也開發出可以與微型質譜儀進行串連的微型液相層析儀,添加質譜儀的外掛,讓其功能更加完備。

生命科學的興起,讓大眾對於身旁危及生命安全的事物更加警惕,從食品的不當添加劑如三聚氰胺到環境的汙染的PM2.5等等,都衍生出檢測的重要性,迫切需要完整的解決方案。質譜儀的發展已逾百年,隨著時間的推移,設計和運用上也正跟緊時代的脈動。

這個可攜式多游離源生物質譜儀,可望為日常生活帶來平價多功能的檢測方法,以及即時即地測量的新選擇。一個走出學術殿堂,走入日常生活的質譜儀,正在創造歷史。

本研究論文可以於線上閱讀:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/an/d0an00126k#!divAbstract

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