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科學界的高手偵探—質譜儀

科學月刊_96
・2011/06/21 ・1911字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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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殭屍真菌的心智操控術!被附身的螞蟻變成「孢子釋放機」——《真菌微宇宙》

azothbooks_96
・2021/09/25 ・1691字 ・閱讀時間約 3 分鐘
  • 作者 / 梅林.謝德瑞克
  • 譯者 / 周沛郁

最多產、最能有創意地操控動物行為的,是一群住在昆蟲體內的真菌。這些「殭屍真菌」改變寄主行為的方式,得到明確的好處──真菌綁架一隻昆蟲,就能散播孢子,完成自己的生命週期。

研究最透徹的殭屍真菌是偏側蛇蟲草菌(Ophiocordyceps unilateralis),這種真菌的一生都繞著巨山蟻(carpenter ant)打轉。巨山蟻受真菌感染之後,會失去自己怕高的本能,拋下相對安全的巢,爬上最近的植物──這症狀稱為「登頂症」(summit disease)。在適當的時候,真菌會迫使巨山蟻用大顎鉗住那株植物、「死命一咬」,菌絲體從巨山蟻腳上長出來,把巨山蟻固定在植物表面。真菌接著消化巨山蟻的身體,從巨山蟻頭上發出菇柄,孢子撒向經過下方的巨山蟻身上。如果孢子錯失了目標,就會產生次生的黏性孢子,在作為引線的細絲上向外延伸。

受到蛇形蟲草(zombie fungus)感染的巨山蟻。圖/AntWiki by João P. M. Araújo

殭屍真菌極為精準地控制它們寄主昆蟲的行為。蛇形蟲草(Ophiocordyceps)會強迫螞蟻去溫度、溼度剛好的區域死命一咬,讓真菌結實──就在森林離地二十五公分高的地方。真菌利用太陽的方向來引導螞蟻,在中午時分同步感染螞蟻。螞蟻不會咬進葉背的任何老位置。百分之九十八的情況下,螞蟻會咬住主脈。

殭屍真菌如何控制寄主昆蟲的心智,一直令研究者大惑不解。二○一七年,真菌操控行為的一位頂尖專家大衛.休斯(David Hughes)帶領的一支團隊,在實驗室裡用蛇形蟲草感染了螞蟻。研究者在螞蟻死命一咬的那一刻,把螞蟻的身體保存起來,切成薄片,重建真菌住在螞蟻組織中的三維圖像。他們發現真菌變成螞蟻體內的一個假體器官,占據螞蟻身體的程度令人不安。受感染的螞蟻生物量之中,高達百分之四十是真菌。菌絲從頭到腳蜿蜒鑽過螞蟻的體腔,纏住螞蟻的肌纖維,透過互連的菌絲體網絡來協調螞蟻活動。然而,螞蟻的腦中居然沒有菌絲。休斯和他的團隊完全沒料到這情況。他們預期螞蟻的腦部會有真菌,才能那麼精細地控制螞蟻的行為。

結果真菌似乎是採用藥理學的方式。研究者懷疑,真菌雖然沒有實際存在於螞蟻腦部,但還是靠分泌化學物質,影響螞蟻的肌肉和中央神經系統,進而操控螞蟻的行動。但究竟是哪些化學物質,還不清楚。也不知道真菌能不能切斷螞蟻腦部和身體的連結,直接協調螞蟻的肌肉收縮。不過,蛇形蟲草和麥角菌是近親,瑞士化學家艾伯特.赫夫曼(Albert Hofmann)最初正是從麥角菌分離出用於製造 LSD 的化學物質,繼而做出一類化學物質,LSD 正是衍生物──這類化學物質稱為「麥角鹼」。在感染的螞蟻體內,負責產生這些生物鹼的蛇形蟲草基因組啟動了,表示這些基因組在操控螞蟻行為的過程中,可能扮演了某種角色。

雀麥上的麥角菌。圖/WIKIPEDIA by Claude De Brauer

不論這些真菌是怎麼辦到的,它們的干預以人類的任何標準來看,都十分驚人。經過幾十年的研究,投入數十億美元的經費,用藥物調控人類行為的能力還完全無法微調。比方說,抗精神疾病藥物無法針對特定的行為,其實只有鎮定效果。相較之下,蛇形蟲草百分之九十八的成功率,不只是讓螞蟻向上爬或是死命一咬(這百分之百會發生),而是咬到葉片特定的部位,並且是對真菌最理想的環境。不過公平起見,蛇形蟲草和許多殭屍真菌一樣,其實有很長的時間可以微調它們的做法。受感染的螞蟻行為有跡可循。螞蟻的死命一咬在葉脈上留下明顯的疤痕,依據化石化的疤痕,這種行為的起源可以追溯到距今四千八百萬年前的始新世(Eocene)。真菌很大部分的時間都在操控動物心智,可能自己也有心智。

——本文摘自《真菌微宇宙:看生態煉金師如何驅動世界、推展生命,連結地球萬物》,2021 年 8 月,果力文化

azothbooks_96
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