医学院校公共科研平台质谱管理工作探讨_汪生.pdf

第 51 卷第 3 期2023 年 2 月广 州 化 工Guangzhou Chemical IndustryVol.51 No.3Mar.2023医学院校公共科研平台质谱管理工作探讨汪 生1,陈冠军1,冯 蕊2,3(1 安徽医科大学科研实验中心,安徽 合肥 230032;2 安徽医科大学药学院,安徽 合肥 230032;3 炎症免疫性疾病安徽省实验室,安徽 合肥 230032)摘 要:在医学类高校公共科研平台,利用质谱仪开展科学研究的需求日益增多。同时以质谱仪为主的代谢组学和蛋白质组学平台建设,在近几年发展迅速。但在质谱平台的建设、管理和运行方面却存在很多的管理短板和难点。文章对质谱仪的基本理论、实验的一般流程、日常故障类型和解决思路、质谱平台的建设、维护和管理等方面进行了总结,给读者在质谱平台的建设和管理提供一定的参考和建议。关键词:医学类高校;公共科研平台;质谱平台;平台建设;维护和管理中图分类号:R917 文献标志码:A文章编号:1001-9677(2023)03-0290-04 基金项目:安徽医科大学校基金(2021xkj013)。第一作者:汪生(1992-),男,硕士,实验师,主要从事质谱相关研究和实验室管理工作。通讯作者:冯蕊(1990-),女,硕士,助理实验师,主要从事实验室管理工作。Exploration on Management of Mass Spectrometry in Public ScientificResearch Platform of Medical UniversityWANG Sheng1,CHEN Guan-jun1,FENG Rui2,3(1 Center for Scientific Research of Anhui Medical University,Anhui Hefei 230032;2 School of Pharmacy,Anhui Medical University,Anhui Hefei 230032;3 Inflammation and Immune Mediated Disease Laboratory of Anhui Province,Anhui Hefei 230032,China)Abstract:In the public scientific research platform of medical university,the mass spectrometer(MS)gets moreimportant role in daily scientific research.In recent years,the construction of metabolomics and proteomics platform basedon MS has developed rapidly.However,there are some management shortcomings and difficulties in the construction,management and operation of MS platform.The basic theory,procedures of carry out the experiment,types and solutionsof common faults,experiences on the construction,maintenance and management of MS platform were summarized.Somereference and suggestions were provided for scholars to carry out work on construction and management of massspectrometry platform in colleges and universities.Key words:medical university;public scientific research platform;mass spectrometry;platform construction;maintenance and management质谱方法最早于1913 年由 J.J.Thomson 确定,英国实验物理学家阿斯顿因发明质谱仪分离同位素而获得 1922 年诺贝尔化学奖1。1953 年 W.Paul 提出四极杆质量分析器和离子阱质量分析器,四极杆质量分析器已成为当前最普及的质量分析器2-3。从 1942 年第一台单聚焦质谱仪商品化到现在已经约80 年,昂贵的质谱仪已经从圣殿走向大众化实验室。我国近5 年年均质谱仪进口数量超 1 万台,其中 2020 年我国质谱仪进口数量约为1.4 万台,2020 年我国质谱仪市场规模达到 142 亿元,质谱仪的市场需求逐年递增,当前市场和前景广阔4。当前的新冠肺炎疫情爆发,国家更加重视医学平台的建设,我国医学院校将会得到更大的发展。高校科研实验室是教研人员开展科学研究和实验教学的重要场所,学校院所的公共科研平台在社会科研服务中发挥着重要的科研支撑作用5-6。其中以质谱仪为核心仪器的代谢组学、蛋白质组学和化合物靶标定量分析的科研需求日益增多。高校的科研公共平台在培训教学、科研服务、安全管理等方面承担着重要的角色。文章通过介绍质谱仪的工作原理、常见质谱质量分析器的特点、炎症免疫性疾病安徽省实验室公共平台(简称“平台”)质谱仪的配置和应用、质谱仪的一般使用流程、质谱管理工作中常见故障和解决方法、质谱平台建设和管理建议 6 个方面进行介绍和讨论,总结出质谱实验技术流程和质谱平台建设管理经验,给相关实验室在质谱平台的建设方面提供参考。1 质谱仪的工作原理当前的质谱仪一般同色谱仪联用,常见的有液相色谱-质谱联用仪(Liquid Chromatography Mass Spectrometry,LC-MS)和气相色谱-质谱联用仪(Gas Chromatography Mass Spectrometry,第 51 卷第 3 期汪生,等:医学院校公共科研平台质谱管理工作探讨291 GC-MS)。仪器主要由 7 个方面组成,分别是样品导入系统、离子源、真空系统、质量分析器、供气系统、检测器和数据处理系统7-8。样品导入系统是液相或气相部分,主要用于物质的色谱分离,提高检出效率和定量的准确性。离子源是化合物离子化的部分,最常见的离子源有电喷雾离子源、大气压化学离子源、基质辅助激光解析电离源、化学离子源和电子轰击离子源等。物质必须变成带电荷的离子态,才能被质谱仪检测。真空系统一般由外部的机械泵和内部的分子涡轮泵产生,还包括真空传递系统,离子在高真空的条件下才能“存活”。质量分析器是质谱仪的核心部件,详细介绍见“2”部分,具有离子筛选、碰撞碎裂和检测的功能。质量分析器的串接,可以实现采集一级、二级和三级质谱。供气系统常见的有空气、氢气、氩气、高纯氮气、高纯氦气、甲烷气等。气体在不同的质谱仪中发挥不同的作用,例如作为载气、雾化气和碰撞气等,还可以发挥离子保护、离子聚焦、还原和淬灭的作用等。检测器作用是将检测的电子信号放大后经过一定的算法,转化成电信号,以最终的光谱和质谱图形式输出实验结果。数据处理系统包括数据的存储和数据处理软件,主要是指电脑。色谱-质谱联用仪的各部分示意图如图 1 所示。图 1 色谱-质谱联用仪的结构示意图Fig.1 Composition of chromatography-mass spectrometer2 质谱仪常见的质量分析器随着质谱技术的更新换代,联用技术的层叠不穷,质谱仪在生命科学领域的应用越来越广泛。目前市面上常见的质谱质量分析器有 5 种9,分别是四极杆质量分析器、离子阱质量分析器(Trap)、傅里叶变换离子回旋共振(Fourier Transform IonCyclotron Resonance,FT-ICR)、飞行时间质量分析器(Time ofFlight,TOF)和轨道阱质量分析器(Orbitrap)。四极杆质量分析器是最传统、目前技术最成熟、应用最广泛的质量分析器,在 LC-MS 和 GC-MS 均有应用。其中三重四极杆质谱的多反应监测模式是目前定量分析的金标准。离子阱质量分析器的工作原理类似四极杆质量分析器,结构简单,它和四极杆质量分析器都属于低分辨率质量分析器。TOF 检测离子的质核比理论上不受限制,但是在实际应用中受限于漂移管的长度。TOF 属于高分辨率质谱,广泛应用于定性分析。TOF 的质量轴稳定性有待提升,但是仪器的成本相对其他高分辨质谱偏低。FT-ICR 和 Orbitrap 都属于超高分辨率质量分析器10,近年来 Orbitrap 的市场占有率大幅提升。Orbitrap 质量分析器分辨率高(可达 100 万以上)、灵敏度高、仪器稳定性好,同时具备很好的定性和定量功能,已成为当前高分辨质谱的主流,但仪器价格昂贵。3 平台质谱仪的配置和应用 平台目前配备三台质谱仪,分别是 Shimadzu 20AT 超高效液相色谱仪-AB 5500 三重四极杆质谱仪,Dionex Ultimate 3000超高效液相色谱仪-Thermo Fisher Q Exactive plus 高分辨质谱仪和 Agilent 7890B 气相色谱仪-7000D 三重四极杆质谱仪,该配置基本满足常规小分子定量和定性分析。平台利用三台质谱仪,开展线上和线下理论知识和仪器应用培训、线下仪器操作培训以及科学研究项目。平台质谱每年线上培训约300 人次,线下培训仪器操作20 余人,辅助完成科研项目 30 余项,同时协助校内课题组建立抗生素、色氨酸代谢通路和硫离子检测等靶标方法检测服务 10 多项。2021 年度三台质谱的年平均机时为 2100 h;协助发表 SCI 论文 12 篇,在培训人次、课题服务、使用机时和科研成果四个方面均做出满意的业绩。4 质谱仪一般实验流程液相色谱-三重四极杆质谱仪(Liquid Chromatography-TripleQuadrupole Mass Spectrometer,LC-QQQ-MS)在靶标定量研究中应用最为广泛。笔者根据实验经验,总结了 LC-QQQ-MS 在小分子靶标定量实验流程中的“十步法”,见图 2。“十步法”从实验的目的、前期准备和实验具体流程和要求进行总结,对于利用质谱开展靶标定量具有一定的参考价值。图 2 靶标定量实验流程中的“十步法”Fig.2Ten-step method in the process of targetedquantitative analysis5 质谱管理工作常见故障和解决方法质谱仪在实际操作中,硬件和软件的故障率相对较高,需要我们掌握一定的故障排查、诊断和问题解决能力,对于平台的顺利运行尤为重要。笔者将工作中常见的问题分为 3 类,供大家参考。第一类是“硬伤”,即仪器本身硬件问题,大多数实验室管理人员不能解决的。例如真空泵漏油,电路板故障和分子涡轮泵故障等,对于这一类“硬伤”故障,需要我们“及时尽早发现”,请厂家工程师及时维修,将损失降低到最小。第二类是“人为”,即操作者个人不熟练或违规操作导致的。例如溶剂走空,参数设置错误,人为导致仪器损坏等,对于该292 广 州 化 工2023 年 2 月类“人为”故障,需要操作者熟悉掌握基本理论和仪器操作。对于不确定的操作,尽量不要尝试,尽量避免该类故障。余下的是其他类,是在实验过程中遇到的常见的故障或者常规损耗,例如仪器质量轴不稳定,环境温湿度异常和离子源污染等,该类故障也是最多的,针对该类故障笔者总结的常见的故障类型和简明的排查方法,供读者参考靠,见图 4。图 3 质谱仪常见故障的分类Fig.3 Classification of common troubles in working ofmass spectrometers图 4 质谱仪常见故障和排查解决思路Fig.4 Common faults and troubleshooting in working ofmass spectrometer6 质谱平台建设和管理建议质谱平台建设,需要投入大量的科研资金;同时需要建设者考虑到经费预算与仪器配置、设备安装场地、人员配备及仪器维护保养等,确保投入资金可以最大化利用。同时需要保证质谱平台可以平稳运行为科研工作者提供最大的科研支撑服务。笔者从仪器配置与安装、管理与维护及上机操作 3 个方面总结,给读者参考。(1)仪器配置和安装方面:根据经费预算和校内科研需求来选择仪器的规格和配置。仪器安装的空间建议 15 20 m2放置 1 台质谱仪。仪器放置方面需要预留足够的空间以方便后期维护,同时也要考虑地面承重问题。质谱仪的真空泵和空气压缩机有噪音和震动,建议做到人机分离,同时需要考虑震动对其他仪器影响(如高分辨呈像光学显微镜)。供电方面,考虑室内供电的负荷,必须安装不间断电源(Uninterrupted PowerSystem,UPS),在 UPS 前建议安装空气开关11,避免仪器因频繁短期停电反复重启导致损伤。室内可做正压通风系统,预留离子源和真空泵废气管。质谱仪对温湿度敏感,空间允许的条件下,安装 2 台柜机空调;若安装中央空调,注意送风口不要设置在仪器正上方,避免出现冷凝水滴落到仪器上造成仪器损伤。在仪器消防方面,建议设置七氟丙烷气体消防设施12,同时应当心自动报警装置误报警带来消防的隐患。不同的质谱可能需要不同的气体,对于质谱数量多的平台,建议提前安装集中供气设备,可减少购买和维护成本;对于质谱数量较少的平台,建议使用小型氮气发生器。(2)仪器管理和维护方面:质谱仪属于大型精密仪器,参数调节和设置需要丰富的经验,且实验过程中遇到仪器故障率相对较多。因此建议配备专业的仪器管理技术人员,同时管理人员要具备一定的故障排查能力,能及时发现问题,保证平台正常有序运行13。管理人员在自己维护或维修前,做到心中有数,以免不熟悉操作而导致仪器进一步损坏或者事故。此外,要做好日常仪器的检查、维护和保养(例如:温湿度记录、离子源清洗、气体更换和调谐校准)。同时,要做好仪器的人员培训、使用记录和维护纪录。对于仪器的报错信息,建议截屏或拍照存档,便于维修查阅。常用、易损配件可提前备存(例如:管路、注射器、喷针等)。准备好紧急关机操作说明和简明的仪器操作说明及注意事项。对上机检测的样本类型、前处理方式和待测物的浓度做出一定的限制。(3)学生上机操作方面:公共平台质谱仪,尤其是三重四极杆质谱仪,会对学生开放。但是学生的操作水平不一,极易导致人为因素损坏仪器。在学生上机前,必须自学理论,理论和操作培训合格,方可独立上机,推荐 有机光谱分析、药物分析学 和 药物色谱分析 三本教材。平台需要对流动相和上机样本做出一定的限制和要求,流动相一般建议使用甲醇/乙腈-水体系,禁止使用非极性溶剂(如:氯仿和正己烷等);缓冲盐一般建议使用挥发性盐(甲酸铵、乙酸铵和氢氧化铵等),禁止使用非挥发性盐(如磷酸盐、硫酸盐等),建议浓度0.05%0.1%;酸的种类只建议使用挥发性有机酸(甲酸和乙酸),禁止使用非挥发性酸(如磷酸、硫酸等)和三氟乙酸(造成负离子检测模式信号抑制),建议浓度 0.05%0.1%。在设置方法时,建议在色谱死时间后切入质谱,提高质谱的抗污染能力。7 结 语高校实验室尤其是部分公共实验室平台,面对全校乃至社会开放。仪器开放程度高,对人员的管理、仪器的安全和维护等方面带来巨大的挑战。医学院校科研对质谱仪的需求越来越高,笔者通过自身质谱仪的管理经验,在基本理论知识、规范化建设、仪器管理和维护、实验操作要求等方面进行分析总结,以期为其他质谱管理平台提供一定有价值的参考。(下转第 295 页)第 51 卷第 3 期侯睿文:由“925”CNG 运输槽车事故战例谈 CNG 槽车事故应急处置295 阀门及管道连接处,呈带压火炬式燃烧。火焰长、辐射热强,选择上风向车辆站位,事故车两侧部署长干线移动水力自摆炮对集束管组表面强制冷却降温,力量部署到位人员应及时撤离到安全区2。控制燃烧的关键是保障水源持续供给,编程上 2台大流量车各出 2 支移动炮干线,其他车辆转运供水,控制集束管组不爆炸、不扩展即达到战术目的。3.3 呈泄放式燃烧此时瓶组安全,持续进行冷却保证罐体强度、保持稳定燃烧。CNG 瓶组首尾两处的瓶头阀位置危险性高,水炮阵地位置应设置在车体两侧,相对安全。事故发生时如果处于夜间,容易观察火焰长度,依据泄漏点火焰长度判断瓶组内气体压力比较准确。火焰大于 2 米时,瓶内压力太高不易打灭;火焰在0.5 m 左右时瓶内压力太小,容易造成回火爆炸,十分危险;火焰长度在 1 m 左右时,是灭火的最好时机。4 CNG 运输槽车事故处置应把握的几个问题4.1 加强调度指挥接到报警后,指挥中心应第一时间启动联勤联动预案,在调集消防救援专业力量到场的同时,应迅速调集政府、公安、交通、公路、医疗、应急、燃气等多部门协同力量到场协助救援,为事故处置工作的高效展开提供保障。4.2 服从现场统一指挥在响应阶段,由于 CNG 槽车事故处置的现场力量多,涉及的单位较多,协同复杂3。因此,配合协调对 CNG 槽车事故处置显得尤为重要,必须有一个综合、权威、组成精干的指挥机构实施统一指挥,参加处置任务必须服从现场统一指挥。4.3 强化现场通信作战力量到场后,应迅速构建起由侦察无人机、单兵通讯系统、布控球等组成的现场通讯网络,及时为指挥部及部局专家组提供准确、直观的现场讯息。指挥部将现场实况、专家意见等信息整合之后做出精准决策,再通过 4G 全网通对讲系统将指挥部下达的作战命令传至火场,形成通讯闭环,灵活高效地调整战斗部署。4.4 加强现场安全管控在处置过程中,攻坚组人员必须精简,严禁 CNG 长管拖车尾部停留或部署力量,防止高压气体或阀门管线等意外打击伤害4。集束管燃烧后期,火焰逐渐缩短、辐射逐渐降低,应避免直流射流直接冲击集束管口,防止集束管回火闪爆。明火熄灭后,检查确认集束管组是否带压,如仅为个别集束管燃烧,其他集束管需继续冷却至常温。5 结 语CNG 槽车事故导致液化天然气泄漏,由于液化天然气本身存在易燃易爆性,高压集束管发生泄漏后,遇明火会发生喷状式燃烧,灭火处置难度和危险性大5。本文通过典型案例介绍,火灾危险性分析、尤其对几种燃烧形式采取的战术措施进行归纳,对消防救援人员处置类似事故提供了理论和实践依据。参考文献1 李建华.灭火战术M.北京:群众出版社,2004.2 公安部消防局.中国消防手册第十卷(火灾扑救)M.上海:上海科学技术出版社,2006.3 李丙涛.消防部队 CNG 槽车事故应急救援处置对策探析J.广州化工,2018,46(23):182-183.4 徐宁,张雪琴,张浩然,等.天然气供应链整体优化J.油气储运,2020,39(11):1250-1261.5 吴昌春,张孔明.天然气的运输方式及其特点J.油气储运,2003,22(9):39-43.(上接第 292 页)参考文献1 刘家福,张昌芳.质谱仪的发明者阿斯顿J.物理,2005(9):686-691.2 魏开华,苏焕华.BCEIA 与质谱:历史、现状与未来/分析科学-创造未来 纪念北京分析测试学术报告会暨展览会(BCEIA)创建 30 周年C.2015.3 王晓俊.三重四极杆质谱仪控制系统研究与实现D.天津:天津大学,2018.4 2021 年质谱仪行业市场规模、进出口及竞争格局,国产替代需求迫切OL.https:/ 汪生,冯蕊.医学类高校科研实验室在新冠肺炎疫情防控期间安全管理工作探讨J.卫生职业教育,2020,38(22):16-18.6 王士国,王杰,卢凡,等.新冠疫情视角下高校化学化工实验室环境管理实践J.实验室研究与探索,2021,40(8):304-308.7 武开业.气相色谱质谱联用仪的原理及分类J.科技视界,2014(26):270.8 卞利萍,张洪杰.线性离子阱-傅立叶变换离子回旋共振质谱的结构原理及在蛋白质组学研究中的应用J.质谱学报,2005,26(4):247-253.9 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