质谱仪里面隐藏了一个银河系

这是一篇去年写的旧文，如今我对质谱仪有了更简单的看法，放在了本文结尾。

质谱仪是生命科学领域里很重要的仪器。在做蛋白质组项目的时候，有不少客户会困惑质谱仪的工作原理及好奇仪器的精巧。我整理了一下个人对质谱仪的看法，欢迎大家留言批评指正。

    对生命科学领域的一些技术比如单细胞测序中的油包水技术、质谱仪技术的思考，我慢慢意识到开天辟地的创新，需要的高深知识储备可能不多，但是需要对最基础的原理性的知识有极其深刻的理解。也才慢慢明白基础教育的重要意义，比如说质谱仪的全部理论知识都来自于高中课本，比如油包水技术的所有理论知识几乎初中就够了。说起油包水技术，我就不得不提一件生活中的小事儿，去年有一天媳妇炒肉，炼出了不少猪油装在碗里，等我吃过饭后去洗碗的时候，不小心把酱油滴进去了几滴，当我拿起碗准备把这点油处理到的时候，稍微用点力，酱油在油里分散开了，呈现形态规则的一个个球状颗粒。我不得不由衷地感慨，这个现象不就是单细胞的油包水吗？这里的所有原理性的知识就一个相似相容，初中的知识就够了。但是能够从这个小的知识点出发，研发出一系列生命科学等领域重要的工具，需要的是对基础知识的融会贯通。说回质谱仪，该仪器历经百年熠熠生辉，理解它的理论知识，仅仅需要知道电磁场就够了。

    以电喷雾离子源、飞行时间质量分析器及蛋白质组为例，谈一谈我对质谱的看法：

    离子源的目的是为了肽段均匀带上电，那么怎么让离子带上电呢？

    我们让离子分布在介质里，利用电场产生带电液滴从喷嘴喷出，随着温度升高介质挥发，电荷最终就留在了肽段上了。那么这个时候如果在肽段对面加一个强电场，肽段就会飞速跑起来。它的速度和什么相关呢？是不是质量及电荷？如果我们在远处放一块板子，我们记录一下每个肽段跑到板子的时间，是不是知道了肽段可以分成多少种质荷比类型了？是不是能够统计出每种质荷比类型肽段的数量了？这种通过统计肽段飞行时间的质量分析器对应的质谱也就叫做飞行时间质谱了。列为看官会不会像我一样觉得吃惊，这么短的管道，以毫秒记的时间靠谱吗？这有点形而上了呀。当我们抬头看看夜晚的星空，整个银河系的星星都在围绕着黑洞转，这个银河系是不是飞行时间质谱中的那个管道呢？每个飞行其中的离子是不是置身其中的星球？每个毫秒都对于离子来说就如同人类的沧海桑田般遥远，所以在大多数情况下管道中的离子是能够分开的。同时我们也知道了只要管道足够长，无论离子间有多么细微的差别，质谱仪都能够区分开。但是人类不可能为了造台质谱仪，把管道通到天上去吧？

    那么我们又说了，会不会有相同的离子一个速度慢、一个速度快？这个我认为是有可能的，但是由于最开始电场很大，所以对于绝大多数的同一种离子来说他们之间由于速度产生的距离差，要比不同离子之间的小，同时他们之间的速度差比不同离子之间的速度差小，所以只要管子足够长，不同离子之间我们就能够看到巨大差距。所以管子的长短一定程度上也局限了分辨率，另外也不需要那么长的管子，毕竟1个道尔顿对离子而言的质量而言还是挺大的。那么有没有其他方案来代替无限延长管子呢？人类想到了更好的办法，我们在离子飞行的宇宙尽头又加了一个反向电场，迫使离子掉头跑，咱们先不说其他，光掉头跑一次是不是本身就把路程增加了一倍，是不同离子分的更开？另外更大的意义是这个磁场只要不是比第一次的磁场更大的话（我个人感觉），它都能够起到让同一种离子中速度慢的追上速度快的。这里不太好描述，我类比一下，两个双胞胎兄弟(两个相同质荷比的离子)，一个聪明(速度快一点)，一个笨一些（速度慢一些），经过了5年的时间（飞行管道长度），聪明的比笨的挣了更多的钱(两个离子之间的距离拉开了)。这时候等比例拿走两者的钱（加了一个反向电场，让两者速度都逐步归零，并等比例为负），然后我们再第二年的时候就去比较双胞胎兄弟钱得多少时，两者的差距比第一个5年的时候小。确实随着时间推移，聪明的会比笨的挣更多的钱，但是我们是在这个时间点之前就检测了，两者的差距就小了，对于相同的离子而言，就是快一点的和慢一点的距离更近的。我们检测到的同种离子是完全相同的时间点到达检测器的吗？不是，肯定是有先后顺序的，只是它们中间的绝大多数到达检测器的时候，另一种电荷比离子的大规模到来还遥遥无期，所以就能区分了。为什么我这里说，绝大多数和大规模呢？总有那么极少数的离子由于机缘巧合速度特快或者速度特慢，但是不要紧，只要统计绝大多数的几乎同时到来的离子就可以了，只要绝大多数的统计的了，宏观上整体的比例不会因为一两个离子发生倾斜。以上就是我对飞行时间质谱理解的全部。

    但是要做蛋白质组依然还有很多问题存在。

    1、我们需要先解决蛋白质本身太大不稳定，不同蛋白质质量差太大的问题。那我们就把它使用特异性的酶从特异的位点降解成肽段（酶会100%的特异吗？不会，绝大多数时候特异就行了。概率论依然在这里发挥着作用），氨基酸的种类是ATCG四种碱基的五倍，咱们引物20多个碱基就很特异了，6~7个氨基酸组成的肽段就足够了。

    2、你会怎么用质谱仪来计算某肽段含量？咱们就用质谱仪鉴定和该肽段具有相同质荷比的肽段含量就可以了。怎么确定某一个肽段来自于某个蛋白质？只要我们能够知道该肽段的序列就知道它来自于哪个蛋白质了，我们怎么鉴定某个10来个氨基酸组成的肽段序列呢？如果我们把该肽段随机打碎，测出每个更小片段的长度，根据不同片段之间的差值就可以拼凑出氨基酸序列了，毕竟碎片是有限的，氨基酸的质量值有差别。好了，当我们知道了怎么鉴定某个肽段属于某个蛋白质，也知道了某个肽段的比例，那么我们是不是知道了该肽段对应的蛋白质比例？我们首先先把某个肽段的质荷比确定了（MS1，一级质谱），然后把这个肽段打碎，确定该肽段的序列（MS2，二级质谱）。看，这就是MS/MS蛋白质组学的全部秘密。

      当然，蛋白质组的实际过程远远不止这么简单？留四个问题具有内在共性的问题大家思考：

    1、咱们拿到的离子强度是通过少量一级母离子图模拟出来的，那么除了这几张母离子图的肽段之外，样本中其余的肽段去了哪里？

    2、itraq大概是怎么拿到母离子谱对应的子离子谱图的呢？

    3、DIA中是如何收集全部离子信息的？

    4、蛋白质组MS/MS有几个检测器？

我最近忽然意识到质谱仪其实非常类似于凝胶电泳槽。质谱检测利用的质量和电荷，而凝胶电泳本身也是利用电荷和质量进行区分的（只不过把质量变换成了核酸片段大小）。只不过质谱鉴定精度量级更高，仪器的精巧全部是为了精度服务的。