2023年10月10日，来自 Thermo Fisher Scientific 的 Hamish I. Stewart 团队在 Analytical Chemistry 上发表了新的文章 Parallelized Acquisition of Orbitrap and Astral Analyzers Enables High-Throughput Quantitative Analysis。
研究人员开发了一种新型质谱仪，它将分辨质量的四极杆质谱（mass-resolving quadrupole）、Orbitrap 和非对称轨道无损质量（Astral）分析器结合在一起，具有高速率操作和高传输率，适用于高通量质谱实验，为生物医学研究和药物发现提供了快速、精确的复杂样本分析方法。
自下而上的蛋白质组学工作流程通过对酶解的肽段进行液相色谱分离，来分析复杂的蛋白质混合物。在传统流程中，质谱仪通过 MS 扫描检测肽前体离子，然后将其分离、碎裂，分析得到的 MS/MS 谱图用生物信息学工具来鉴定母肽段，并推断预消化蛋白质。一个典型的样本可能包含数十万个肽段特征，其覆盖深度取决于质谱仪在可用时间内在高动态范围内生成足够质量谱图的能力。
对于 MS/MS 谱图而言，由于许多肽段特征的丰度极低，所以灵敏度一直是最大的挑战之一。Thermo Scientific Orbitrap 质谱仪由于其相对较高的传输率和高动态范围的准确母离子质量测量而成为重要的蛋白质组学仪器。长期以来，将 Orbitrap 分析仪与灵敏度较高但分辨率较低的线性离子阱配对一直是一种有效的策略。这样，Orbitrap 分析仪可进行高分辨高质量扫描，而线性离子阱则执行分离和灵敏的 MS/MS 采集。
然而，在超高通量的蛋白质组学中，由于色谱梯度被压缩到5或8分钟，大量的样品离子在短时间内通过仪器，需要更快地生成足够的 MS/MS 谱图来鉴定肽段。
这项研究开发了一种新的 Astral 质谱分析仪，与四极杆质谱和 Orbitrap 分析仪结合，解决了以往方法的限制。实验使用 Orbitrap Astral 质谱仪原型进行，其结构示意图如下图所示。电喷雾离子通过一个加热的钢制传输管进入第一个约为 4mbar 的真空区域，然后被离子漏斗捕获，并通过四极杆离子导向器经过一系列不同的压力区域进入双曲杆四极杆质谱过滤器。
质谱仪原理示意图
并行采集方法示意图， Orbitrap 全 MS 扫描与 Astral MS/MS 扫描重叠
研究结果显示，Orbitrap/Astral 双分析质谱仪在不同样本负载下，都能够以更高的通量生成比以前更深入的分析。这得益于 Astral 分析仪的高扫描速率、高传输率和单离子检测的能力，使其能够充分覆盖快速脱落的肽段，并且具有足够的灵敏度来测量低丰度的分析物种。
Astral 与 Orbitrap 分析仪检测到的离子相对数量
对于单次实验方法而言，该仪器的鉴定量非常高，在 48 分钟的实验中鉴定出了 10,306 个蛋白质组。通量和鉴定量之间也相对平衡，即使是 4.8 分钟的实验（300 SPD）也显示出超过 7600 个蛋白质组的鉴定，在 14.4 分钟（100 SPD）内分析的相同数量上升到超过 9000 个。一个粗略的比较是，纯 Orbitrap 方法通常需要至少 4 倍的 LC 分离时间才能产生与 Orbitrap/Astral 组合方法类似的分析鉴定量。
单次 HeLa DIA 蛋白组和肽基 ID
实验证明，与当前最先进质谱仪的方法相比，该方法有了实质性的改进，能更快地获取高分辨率准确质量（HRAM）的 MS/MS 谱图。
总的来说，这项研究提出的新技术在高通量蛋白质组学领域具有重要的应用前景。它的高效率和高灵敏度使得研究人员能够更快速、更精确地分析复杂的生物样本，这对于生物医学研究和药物发现等领域具有重要意义。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.3c02856
