研究背景與成果

生物分子的結構解析與相關生物學功能的關聯研究已成為現今生命科學的前沿。生物分子存在多級結構，而其結構復雜度的一個重要因素為分子異構。不同的異構分子（Isomers and isoforms）具有相同的化學式和分子量，但化學結構不同。例如，單糖存在多種異構體，包括葡萄糖、果糖、半乳糖等；多糖由單糖兩兩通過糖苷鍵相互連接組成，導致出現更為復雜的構造異構（分子中原子或原子團互相連接次序不同，Structural or constitutional isomers）和立體異構現象（連 接 次 序 相 同 但 空 間 排 列 不 同，Spatial isomers or stereoisomers）。

離子遷移（Ion mobility, IM）與質譜（Mass spectrometry, MS）聯用（IM-MS）分析已經發展為生物分子特別是生物大分子結構解析的一種主要手段，并成為質譜儀器發展的主要方向。IM可以區分MS不能區分的異構體或同重素（Isobars），這一獨到的特性對生物分子的結構解析研究十分關鍵，近年來被廣泛用于糖結構、脂質結構、蛋白質結構和活性、蛋白質-分子相互作用等研究中。近年來，多種IM 分析方法被紛紛提出，例如遷移時間 DTIMS （Drift time ion mobility spectrometry）、囚禁式 TIMS（Trapped ion mobility spectrometry）、行波 TWIMS（Travelling wave ion mobility spectrometry） 以及非對稱場 FAIMS（Field asymmetric ion mobility spectrometry）等。然而，這些技術均基于低E/N場原理（E/N < 30 Td，E代表電場場強，N代表中性氣體數密度，Td是Townsend數），分離分辨率一般在40-200，不足以解決目前生物分子異構體解析研究的迫切需求。

圖1. 離子云掃描分析技術的儀器設置、原理和性能表征。（a）Mini β質譜儀器系統。（b）實驗裝置示意圖。（c）離子云掃描技術原理。強迫振動下的兩種異構體離子（紫色和藍色）的離子軌跡。（d）獲得的離子云掃描譜圖。

針對以上難題，清華大學精密儀器系生物醫學儀器與應用研究團隊向高E/N場尋求突破離子遷移分析低分辨率的局限，提出一種超高場離子云掃描技術，并在Mini β質譜儀器系統（PURSPEC科技(北京)有限公司）上實現遷移分辨率超過10,000的高分辨IM分析，提升較現有技術水平一個數量級以上（圖1）。超高場離子云掃描技術采用強迫振蕩的物理原理，在超高場（約1×105 Td）條件下實現異構體離子的離子云分離，通過掃描激發振蕩電壓可以獲得異構體離子的高分辨IM譜圖。

成果優勢

利用高場離子云掃描分析技術，對四種二糖異構體 （海藻糖、麥芽糖、纖維二糖和乳糖，圖2a）開展了結構分析（圖2b），并對乳糖和纖維二糖的混合物進行了離子云掃描分析（圖2c），并與傳統串聯質譜分析（圖2d）結果對比。從圖2d可見，乳糖和纖維二糖具有到相同的碎裂模式，無法通過串聯質譜技術加以區分。但這兩種異構體可以通過離子云掃描實現完全分離（圖2c）。此外，離子云掃描分析技術也展現出優異的定量分析特性（圖2e和2f）。

圖2. 二糖異構體分析。（a）四種二糖異構體及其（b）離子云掃描譜圖。乳糖和纖維二糖混合物的（c）離子云掃描譜圖和（d）串級質譜分析譜圖。（e）兩種二糖標準品及（f）混合物的定量分析結果。

離子云掃描技術對各類生物分子異構體具有普遍適用性。如圖3所示，該技術同樣可分辨脂質和多肽分子異構體。研究工作中，離子云掃描方法展現出多種優點，如分析部件結構簡單、操作方便、具有強大的時間/空間串級質譜能力等，可以方便地與多類質量分析器聯用，用于設計混合型串聯分析質譜儀器，在生物分子復雜結構解析上展現出較好的應用前景。

圖3. 脂質與多肽異構體分析。（a）脂質異構方式示意圖。各種脂質異構體的離子云掃描譜圖：（b）sn異構、（c）碳碳雙鍵位置異構和（d）雙鍵順反異構。（e）多肽的不同翻譯后修飾類型及其異構方式示意圖。不同翻譯后修飾類型的多肽異構體離子云掃描譜圖：（f）甲基化、（g）乙酰化和（h）磷酸化。

本研究由國家自然科學基金項目和清華大學精準醫學科研項目資助。論文第一作者為清華大學精儀系周曉煜副教授，通訊作者為歐陽證教授，其他作者還包括精儀系博士生王卓凡和范菁津，第一完成單位為清華大學精密儀器系精密測試技術與儀器國家重點實驗室。這項研究也得到了清華大學化學系瑕瑜教授、精儀系馬瀟瀟副教授與張文鵬助理教授的大力幫助。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-37281-7