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科學界的高手偵探—質譜儀

質譜儀(mass spectrometer)是一種量測帶電粒子質量∕電荷(m/z)的分析方法。自1913年諾貝爾獎得主物理學家湯木生(J. J. Thomson)提出質譜於化學分析的觀念,至今已近100年的時間。20世紀中葉開始,質譜逐漸成為太空、地質、材料、醫學、藥學、生命科學、環境科學等領域中不可或缺的儀器。特別是2002年諾貝爾化學獎得主,約翰芬恩(J. B. Fenn)及田中耕一提出了可大幅提升質譜儀功能的電灑游離法(ESI)及介質輔助雷射脫附游離法(MALDI)兩種離子化方法後,質譜儀的使用在過去10至15年中以近乎指數的方式快速成長。醫藥一直是質譜儀最重要的應用領域。不論藥品研發、代謝物毒性、藥品製造都必須需仰賴質譜儀優於其他儀器的分析能力。本文將對質譜於食品安全及生命科學兩新興領域的影響作簡要的說明。

圖一:為毒品古柯鹼(Cocaine)的電子撞擊質譜圖。圖中除了質荷比為303的古柯鹼外,也出現許多離子化過程中產生的碎片離子(裂解離子)。

質譜儀的原理

用質量來測量物質的儀器稱為質譜儀,它主要分成三個部分,離子源、質量分析器及偵測器。其基本原理是使樣品在離子源(ion source)中被轉化成帶電荷的離子,這些帶電荷的離子再經由質量分析器(mass analyser)中電場(或磁場)的作用達到空間或時間上分離,這些離子被偵測器(detector)偵測後即可得到質荷比與相對強度的圖譜,稱為質譜圖。

舉例來說,圖一為古柯鹼(Cocaine)的電子撞擊質譜圖。圖中除了古柯鹼的分子∕離子(m/z 303)外也出現許多離子化過程中產生的碎片離子(裂解離子)。不同的化合物的質譜圖皆不相同,因此質譜圖具有類似指紋的功能,可以提供非常高的區辨能力(定性)。質譜優異的區辨能力使得它被廣泛用於法規證據的取得。例如毒品檢驗,為了避免誤判,尤其是「沒有」卻被判為「有」的誤判(偽陽性),政府規定必需使用質譜作為分析技術以保障當事人的權益。

圖二:以液相層析串聯質譜分析液態嬰兒奶10 ppb三聚氰氨的結果,由於串聯質譜儀多加了一個質量分析器,能避開分子量相同但碎片不同化合物的干擾,因此串連質譜儀能敏銳地檢測出三聚氰氨。

質譜儀在食品分析的應用

最近幾年食品安全的議題不論在國內或國際都受到高度的關切。食品中是否含有對人體健康有害的物質,一直受到社會大眾的關切。但是食品安全在過去數年間卻突然成為一個醒目的議題,甚至成為頭版頭條的新聞。其中最重要的原因就是質譜檢測能力在過去10年中有了大幅度的提昇,許多傳統方法偵測不到的濃度,因為使用質譜儀而出現了「陽性」的結果。一個明顯的例子就是奶粉中三聚氰胺的檢測(中國毒奶粉事件即是添加三聚氫胺)。如果是使用傳統的液相層析∕紫外光法,它的偵測下限大約為2.5ppm(百萬分之2.5),但是若使用質譜儀,它的偵測下限卻可低於50ppb(百萬分之0.05)。

用來偵測低濃度三聚氰胺的儀器和圖一略為不同,它通常含有兩個質量分析器,因此俗稱為串聯質譜儀,這個儀器的全名是三段四極式液相層析串聯質譜儀(LC/MS/MS)。這個名稱在三聚氰胺事件期間經常出現在新聞媒體上。事件發生時,國內此類儀器的數量不多,因此一度出現日夜趕工仍無法完成分析的困境。串聯質譜儀因為多加了一個質量分析器,可以避開分子量相同但碎片不同化合物的干擾,因此可以得到較低的偵測下限。一般而言,此類儀器可以偵測到個位數ppb (十億分之一)或更低的濃度(圖二)。

質譜儀在生命科學的應用

質譜儀在生命科學上的應用,特別是對蛋白質的分析,被許多人認為是質譜儀近10~15年中最重要的發展。國內各醫學院及醫院在近10年間購買了相當數目的質譜儀即印證了這個趨勢。

質譜蛋白質分析最主要的動力來自約翰芬恩及田中耕一兩位科學家所發明的新離子化法。在此之前的離子化方法皆不能有效的產生帶電荷的蛋白質。蛋白質是基因轉譯後的產物,它可說是生命科學中最重要的分子。基因固然是一切現象的源頭,但是基因是靜態的,而蛋白質卻是動態的。它反應了基因在某一特定時空下的表現。例如蝴蝶與幼蟲含有相同的基因,外觀卻差異甚大。

當細胞產生變化,例如由正常細胞轉變成癌細胞時,細胞內某些蛋白質的濃度或種類會和正常細胞不同。科學家希望藉由比較正常與疾病狀態下之細胞而找到和疾病相關的蛋白質(生物指標)以利疾病(例如癌症)的早期診斷與監測。可是細胞中所含有的蛋白質種類多達數百甚至上千,而且濃度差異超過百萬倍。要在這麼多不同蛋白質且濃度差異甚大的樣品中找到那些和癌症相關的蛋白質,是一種複雜且困難的工作。 質譜儀因其高靈敏度,分析速度,分析複雜樣品的解析能力而成為此一領域最重要的技術。 許多人認為沒有質譜儀即沒有蛋白質體學。

何國榮:任教台灣大學化學系 / 本文原發表於《科學月刊》498期 2011.6月號

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