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GC-MS在代谢组学中的应用 
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一、GC-MS是什么


       GC-MS(GC-MS:Gas Chromatography-Mass Spectrometer)是指气相色谱-质谱联用仪,这是一种测量离子荷质比(电荷-质量比)的分析仪器。在这类仪器中,由于质谱仪工作原理不同,又有气相色谱-四极质谱仪,气相色谱-飞行时间质谱仪,气相色谱-离子阱质谱仪等。第一台质谱仪是英国科学家弗朗西斯·阿斯顿于1919年制成的。出手不凡的阿斯顿用这台装置发现了多种元素同位素,研究了53个非放射性元素,发现了天然存在的287种核素中的212种,第一次证明原子质量亏损。他为此荣获1922年诺贝尔化学奖。


二、GC-MS的原理及组成

气相色谱-质谱联用仪中GC是分离系统,MS则是检测系统。样品经过气相色谱(gas chromatography, GC)分离为单一组分,根据保留时间不同,不同组分随着载气流出色谱柱,经过分子分离器接口除去载气,进入到高真空质谱仪(mass spectrometry, MS)的离子源进行离子化,然后利用不同离子在电场或磁场的运动行为的不同,把离子按质荷比(m/z)分开而得到质谱图,通过样品的质谱图和相关信息,就可以得到样品的定性定量结果。

在气相色谱中,样品经过升温气化,气体组分随着一种不与被分析物质发生化学反应的载气通过装有固定相的色谱柱时,由于试样分子与固定相分子间发生吸附、溶解、结合和离子交换作用,使得试样分子随载气在两相之间进行多次分配,原分配系数差异特别小的物质得到很大的分离效果,从而使各组分得到分离。

       经过色谱柱分离得到的单一组分,进入到质谱仪。质谱分析法是在高真空的环境条件下通过对被测样品离子的质荷比的测定来进行分析的一种分析方法。单一组分经过EI或者CI离子源离子化,生成不同荷质比的带正电离子,离子经过加速电场作用,形成离子束,进入质量分析器和离子检测器,离子分别聚焦形成质谱图,从而确定其质量。

       GC的组成部分包括:气路系统、进样系统、分离系统、温度控制系统检测和记录系统;MS的组成部分包括:真空系统、进样系统、离子源、质量分析器、离子检测器和计算机控制和数据处理系统;GC-MS的组成部分包括:气相色谱仪、接口、离子源、质量分析器、离子检测器和仪器控制和数据处理系统。


三、GC-MS分类简介


GC根据所用固定相状态的不同可分为气-固色谱(GSC)和气-液色谱(GLC);MS根据质量分析器的不同可分为磁式质谱仪、四极质谱仪、飞行时间质谱仪和离子阱。

GC-MS可分为以下几类:

气相色谱-四级杆质谱(GC-Q-MS):

      气相色谱-单四极杆质谱:一般只用来做物质的定性;

      气相色谱-三重四极杆质谱:一般做定量分析;

气相色谱-离子阱质谱:全惰性离子阱选择,适合高活性化合物的分析;

气相色谱-飞行时间质谱(GC-TOF-MS): 相对于气相色谱-三重四极杆质谱来说分辨率高,灵敏度低,一般用于复杂样品的检测分析;

全二维气相色谱-飞行时间质谱(GC×GC-TOF-MS): 因其色谱分辨率高、峰容量大、灵敏度高、分析时间短等优势,所以更多的用于复杂样品的分析分离分析。

四、GC-MS在代谢组学中的应用


代谢组学的研究对象主要是分子量小于1000Da的内源性小分子,代谢物作为生物体表型的基础能够帮助我们更直观有效地了解生命现象揭示生命本质。代谢组学以指标分析为基础,高通量检测为手段,通过研究生物体内代谢物的种类与数量及其变化规律来阐述机体在正常生命状态及环境变化后的代谢过程。目前主要的代谢组技术平台主要有NMR(核磁共振)GC-MS(气相色谱-质谱)LC-MS(液相色谱-质谱)

       NMR技术具有无损伤性,无辐射性,无偏向性,方法灵活,处理简单等优点,但灵敏度较低,动态范围有限;

       GC-MS技术具有高分辨率,高灵敏度,有比较标准的数据库(NIST库、Willey库等多种完整数据库),易于定性等优点,但需衍生化,预处理繁琐;

       LC-MS技术具有灵敏度较高,较宽动态范围,无需衍生化等优点,但标准谱图库信息不全,不易定性;

       相对于NMR而言,现代MS技术的优势是具有很高的灵敏度和专属性,可以实现对多个化合物的同时快速分析和鉴定。目前,利用GC-MS技术研究代谢组学在药理毒理学研究、中医药主成分发掘和鉴定、临床诊断、营养科学、微生物和植物中应用非常广泛。


五、如何选择代谢组学实验平台

因为代谢物数量因为物种不同而差异较大,据资料统计微生物中大概有1500种,人体中约2500种,植物体中则有大约200000种,因此,单靠一种分离分析手段难以进行无偏向的全面分析,当我们在选择的时候应根据样品的性质及研究目的来选择并综合利用多种技术平台。小鹿在这里为大家列举一些比较有代表性的化合物以供大家参考。

GC-MS:一般用于极性较小的化合物的检测。比如短链脂肪酸、大多数氨基酸、有机酸、芳胺等化合物。

LC-MS:一般用于极性较大的化合物的检测。比如脂质、有机胺、核苷等化合物。


代谢组学是一个相对新兴的学科,但是它已经成为基因组学和系统生物学研究中不可分割的一部分 。将来的发展还需要分析科学和生物信息学的改进。新的分析技术的发展主要集中在分辨率的提高、样本全面性分析的改进、分析速度和通量的增加以及新仪器的发展。GC-MS联用技术虽然对分析混合化合物具有快速、灵敏、准确且操作简单的优点,但是GC-MS所分析的气体、液体和固体物质热稳定性要求比较高,并且有上限温度的限制,GC-MS联用技术仍然还有很多技术问题需要改进。



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