色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法在體液小分子檢測中的應(yīng)用

王少敏 張凱 楊貫羽

(鄭州大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院 河南鄭州 450052)

近年來，隨著聯(lián)用技術(shù)的不斷革新，色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)在體液小分子分析中發(fā)揮了越來越重要的作用。色譜的優(yōu)勢在于分離，可將復(fù)雜混合物中的各組分分離，但定性和確定物質(zhì)結(jié)構(gòu)的能力較差；質(zhì)譜能夠提供物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息，但樣品需要純化后才能進樣分析。接口技術(shù)將這兩種分析方法結(jié)合起來，協(xié)同作用，取長補短，使色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法在生物樣品分離分析中備受青睞，已廣泛應(yīng)用于體液小分子的檢測[1]。

體液即身體內(nèi)的液體，主要包括尿液、血液、唾液、羊水、人奶、精液、腦脊髓、肺腔的液體等。體液中除了水還含有豐富的化合物。體液小分子通常是指相對分子質(zhì)量小于1000的物質(zhì)，主要有核苷、氨基酸、糖類和其他一些代表性化合物。這些物質(zhì)在體液中的種類和含量反映了機體的代謝狀況，而利用色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)檢測體液小分子所得到的一系列樣品信息，對研究人類機體代謝有著積極的指導(dǎo)意義。色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)主要包括氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用和毛細管電泳-質(zhì)譜聯(lián)用。這些聯(lián)用技術(shù)憑借各自的優(yōu)勢為分離分析體液小分子提供了廣闊的平臺。

1 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法(GC-MS)

GC-MS是分析儀器中最早實現(xiàn)聯(lián)用技術(shù)的儀器。GC主要是利用物質(zhì)的沸點、極性及吸附性質(zhì)的差異來實現(xiàn)混合物的分離。樣品進入氣化室氣化后，被載氣帶入色譜柱，載氣的流動使樣品組分在運動中進行反復(fù)多次的分配，最終載氣中分配濃度大的組分先流出，固定相中分配濃度大的組分后流出。經(jīng)氣相色譜柱分離后的樣品呈氣態(tài)，并且流動相也是氣體，與質(zhì)譜的進樣要求相匹配，可直接引入質(zhì)譜，而質(zhì)譜又具有高靈敏度、高鑒別力的特點，因此GC-MS是分析復(fù)雜混合物最為有效的手段之一。對于極性強、揮發(fā)性低的物質(zhì)，需要衍生化后再進行GC-MS分析，在改善分析對象的揮發(fā)性同時還能提高檢測靈敏度。例如梅慧芬等[2]在利用GC-MS技術(shù)對半乳糖血癥患兒尿液成分的分析中檢測到至少34種代謝物。

體液的種類繁多，但目前用于實驗研究的主要是尿液和血液，這是由于這兩種類型的體液來源廣泛，采樣方便并且可以連續(xù)性取樣。而尿液以其非侵入性無損取樣的優(yōu)勢，應(yīng)用最為廣泛。因此，我們的綜述內(nèi)容也主要集中于色譜-質(zhì)譜技術(shù)在尿液和血液中的小分子檢測。

1.1 GC-MS法檢測尿液中小分子

人的尿液中包含上萬種化合物，這些化合物代表了人體的代謝狀況。準確分離分析尿液中的小分子化合物，能為各種疾病的診療提供可能的依據(jù)。例如，Nasrallah F等[3]利用GC-MS法分析了肌酸缺乏癥(CDS)患者尿液中胍基乙酸和肌酸的含量，并將實驗結(jié)果與HPLC-MSMS法比較，最終認定該法對于診斷CDS是一種快速、可靠、可行的方法。

肝癌是一種常見的惡性腫瘤，Wu H等[4]處理了20位男性肝癌患者和20位男性正常人的尿樣，經(jīng)衍生化后通過GC-MS檢測，發(fā)現(xiàn)了103種代謝產(chǎn)物，其中66種是已經(jīng)標記過的已知物質(zhì)，18種代謝產(chǎn)物在肝癌患者和正常人中有顯著性差異——這種以尿樣代謝物作為生物標志物的非侵入性技術(shù)具有重要的臨床意義；朱鳳英等[5]研究發(fā)現(xiàn)4-庚酮和二甲硫醚的含量與膀胱癌具有相關(guān)性。推測二甲硫醚可能來源于含硫化合物在人體內(nèi)的合成降解，而4-庚酮可能來源于增塑劑鄰苯二甲酸二異辛脂在人體內(nèi)的降解；胃癌是消化道常見的惡性腫瘤之一，目前主要依靠胃鏡、病理、血清學(xué)等技術(shù)確診，但這些手段有些敏感性不足，有些有一定創(chuàng)傷。張東兵等[6]比較了胃癌患者術(shù)前、術(shù)后尿液和健康人尿液的分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)患者尿液中天冬氨酸、賴氨酸、2-甲基-3-氧-丁酸乙酯含量升高，對胃癌的診斷具有潛在臨床價值。

在生物遺傳的研究中，8-羥基脫氧鳥苷在DNA的復(fù)制和修復(fù)過程中誘發(fā)DNA點突變，被公認為是DNA氧化損傷的一種主要的標記物。研究發(fā)現(xiàn)癌癥患者尿液中的8-羥基脫氧鳥苷含量明顯高于正常人，這在醫(yī)學(xué)上有著重要的應(yīng)用價值。梅素榮等[7]利用GC-MS測定了尿液中8-羥基脫氧鳥苷的含量，驗證了GC-MS法的實用性，為癌癥患者的診療提供了一種新的可能手段。

Kochnova E A等[8]以GC-MS技術(shù)分析了運動員尿液中的甾體化合物，共定量檢測出36種內(nèi)源性甾體化合物。

隨著科學(xué)家對人類基因和遺傳代謝研究的深入以及各種實驗分析技術(shù)的發(fā)展，越來越多的遺傳代謝病被檢測和識別。韓連書等[9]應(yīng)用串聯(lián)質(zhì)譜和GC-MS法檢測了氨基酸代謝病、有機酸血癥和脂肪酸β氧化代謝病等一系列遺傳性代謝病患者的尿液，發(fā)現(xiàn)兩種技術(shù)結(jié)合，能夠同時檢測出30余種遺傳代謝病。

1.2 GC-MS法檢測血液中小分子

人體各器官的生理和病理變化，往往會引起血液成分的改變，通過分析血液成分可以了解人體狀況。例如血清葡萄糖的含量是人體健康狀況的重要指標，能為糖尿病、高血壓以及心腦血管等疾病的診療和防控提供有效依據(jù)。丁兆婷等[10]運用同位素稀釋質(zhì)譜法配制了一系列溶液，并向血清樣品中加入內(nèi)標，利用GC-MS法測定血糖含量，大大減低了測量結(jié)果的不確定度，完善了血糖含量檢測的參考系統(tǒng)。

酒后駕車是非常嚴重的交通安全問題，乙醇在體內(nèi)代謝很快，一般酒后幾小時體內(nèi)就檢測不到乙醇成分，但是一部分乙醇進入體內(nèi)會與尿嘧啶核苷-5′-二磷-葡萄糖醛酸結(jié)合形成乙基葡萄糖醛酸苷，如果事故時間間隔過長，血液中乙醇成分無法檢測，卻可以通過檢測乙基葡萄糖醛酸苷的含量來解決問題。運用GC-MSMS聯(lián)用方法檢測血液中乙基葡萄糖醛酸苷，簡單、快速，適合于檢驗案例[11]。

Kawana S等[12]建立了一種簡單快速分析血樣中氨基酸的GC-MS方法，其中包括纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、甲硫氨酸和苯丙氨酸等，血樣經(jīng)過處理衍生化后，實驗回收率為69.8%～87.9%，每個樣品的分析時間為26分鐘，這幾種物質(zhì)的檢測限依次為24.2、16.7、8.7、1.5和12.9μmol/L。

1.3 GC-MS法檢測羊水中小分子

有機酸是氨基酸、脂肪、糖類中間代謝過程中產(chǎn)生的羧基酸，但是由于某種酶缺陷會導(dǎo)致這些酸代謝異常在體內(nèi)累積，因此檢測體液有機酸含量可以作為疾病診療的一種手段。丁一峰[13]利用GC-MS分析了63例正常羊水，共檢測出131種有機酸代謝物，并計算出代謝物濃度，提供了代謝物參考值，為今后遺傳代謝病的羊水產(chǎn)前診斷提供了方法和依據(jù)；方法具有檢測時間短，避免母源性污染的特點。

1.4 GC-MS法檢測唾液中小分子

GC-MS法在檢測唾液中化合物也有一定應(yīng)用。例如Janowska E等[14]將唾液酶解、脫蛋白、固相萃取、衍生化，選取D3-嗎啡和D3-可待因作為內(nèi)標，利用GC-MS法檢測唾液中嗎啡和可待因的含量。嗎啡和可待因的檢測限分別是4ng/mL和5ng/mL，定量限依次為14ng/mL和15ng/mL，定量范圍20～1000ng/mL，回收率為50%～60%。為了檢驗方法的實用性，隨機抽取10位吸毒者的唾液驗證，結(jié)果表明該方法適用于追蹤戒毒過程。

2 液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法(LC-MS)

ESI源的出現(xiàn)使LC-MS技術(shù)飛速發(fā)展。LC-MS法的基本原理是依靠分析物質(zhì)在固定相和流動相中分配系數(shù)的差異，經(jīng)過色譜柱將物質(zhì)分離，陸續(xù)進入質(zhì)譜檢測。LC-MS除了能夠分析GC-MS法不能分析的強極性、難揮發(fā)、熱不穩(wěn)定性的化合物外，還具有分離能力強、定性分析可靠、檢測限低等優(yōu)點，因此在體液小分子的檢測中具有更廣泛的應(yīng)用。

2.1 LC-MS法檢測尿液中小分子

尿液中的修飾核苷是機體RNA的代謝產(chǎn)物，由于不能被機體再利用而通過尿液排出體外，因此尿液修飾核苷的含量能夠反映機體細胞RNA的代謝速率以及細胞增殖狀況。依托LC-MS法檢測尿液中修飾核苷的研究，完善了腫瘤標志物的種類，增強了疾病檢測的手段。例如，Jeng L B等[15]利用LC-MS技術(shù)對25位肝癌患者和20位健康人的尿液核苷進行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)肝癌患者尿液中的腺苷、胞苷和次黃苷的平均含量明顯高于正常人，認為這3種核苷可以作為潛在的腫瘤標志物用于肝癌的診斷。大連化物所許國旺課題組分別以HILIC和RPLC分離法，利用UPLC-MS技術(shù)分析了肝癌患者和正常人尿液成分，結(jié)果發(fā)現(xiàn)HILIC比RPLC具有更高的靈敏度和穩(wěn)定性[16]。此外，他們在對結(jié)腸癌研究中加入良性結(jié)腸腫瘤對照，通過UPLC-MS和SPE-HPLC對34位正常人、34位良性腫瘤(BCT)患者和50位結(jié)腸癌(CRC)患者的尿液進行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)苯乙酸谷氨酸有加快細胞凋亡、控制細胞增殖和調(diào)節(jié)致癌基因表達的作用，在CRC中含量最高，其含量的升高能夠反映癌癥的轉(zhuǎn)變。在尿液核苷的檢測中，2,2-二甲基鳥苷和N6-甲基腺苷在CRC和BCT中含量較高，但兩者沒有明顯差異；而假尿苷、胞苷、尿苷和1-甲基腺苷在CRC中含量高。研究結(jié)果表明，腫瘤細胞的核苷代謝比正常人復(fù)雜，腫瘤細胞具有更高的代謝能力[17]。

單一的方法可能會使極重要的潛在生物標志物缺失，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院/北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院再帕爾·阿不力孜課題組[18]選用不同離子源模式如(±)ESI-MS、(±)APCI-MS、(±)APPI-MS檢測肺癌患者尿液。有11種物質(zhì)被識別，包括5種氨基酸、5種核苷和1種吲哚代謝物，為研究肺癌代謝組學(xué)提供了有力的依據(jù)。此外，他們[19]利用RRLC-MSMS法，在數(shù)據(jù)分析中創(chuàng)新性地引入偏相關(guān)分析方法構(gòu)建相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合多變量分析方法共同尋找可能的生物標記物，在乳腺癌患者尿液的檢測中識別出涉及氨基酸、有機酸和核苷的12種潛在腫瘤標志物。

此外，Hsu W Y等[20]利用LC-MS技術(shù)分析尿液核苷來尋求更加靈敏和精確的大腸癌標記物。Lee S H等[21]對老年癡呆癥病人的尿液檢測中發(fā)現(xiàn)3-甲基尿苷、1-甲基腺苷、8-羥基-2′-脫氧鳥苷、2-脫氧鳥苷、假尿苷和N2,N2-二甲基鳥苷等6種核苷含量比正常人顯著增高。我們也利用LC-MS法在淋巴癌患者尿液提取物中鑒定出26種核苷，其中包括3-甲基腺苷、7-甲基腺嘌呤、5′-脫氫-2′-脫氧次黃苷、3-甲基鳥嘌呤、O6-甲基鳥苷和7-甲基-1-乙基鳥苷6種未見報道的核苷[22]。

尿液激素類化合物的檢測也是研究熱點之一。在類固醇類激素的研究中，王萌燁等[23]采用LC-MSMS方法，建立起測定尿液中睪酮、表睪酮、脫氫表雄酮、雄酮和苯膽烷醇酮等5種激素的方法替代GC-MS法用于日常分析工作。

2.2 LC-MS法檢測血液中小分子

系統(tǒng)性紅斑狼瘡(SLE)是一種涉及多個系統(tǒng)和臟器的自身免疫性疾病，我國的SLE的患病率高于西方國家。俞穎等[24]應(yīng)用LC-MS技術(shù)對SLE患者血漿樣本進行了代謝指紋圖譜分析，定性鑒定出7種代謝標志物，發(fā)現(xiàn)患者的氨基酸、磷脂和卟啉代謝異常，完善了該病的診斷依據(jù)。

血液中的激素也可以利用LC-MS法檢測。孕酮對妊娠婦女維持正常的妊娠過程起重要作用。張超等[25]建立了測定血液中孕酮含量的LC-APCI-MSMS聯(lián)用方法：線性范圍0.2～50ng/mL，最低定量限為0.2ng/mL，靈敏度高、檢出限低。初陽等[26]同樣利用HPLC-MSMS聯(lián)用技術(shù)建立了測定人血清內(nèi)源性激素睪酮含量的方法。

在對血漿氨基酸的檢測中，趙華等[27]利用LC-MS技術(shù)檢測了血漿中的異亮氨酸異構(gòu)體，并測定了血漿中異亮氨酸異構(gòu)體的含量。血漿氨基酸代謝譜與糖尿病有相關(guān)性，韓曉菲等[28]采用鄰苯二甲醛柱前在線衍生反相HPLC法建立了血漿中21種氨基酸代謝譜的相對定量方法，通過比較糖尿病患者與志愿者的氨基酸代謝發(fā)現(xiàn)，有7種氨基酸承載了分組的重要信息，可作為反映血糖值高低變化的標志物組，對于糖尿病的早期診斷及深入研究具有潛在的科研及臨床價值。

2.3 LC-MS法檢測唾液中小分子

唾液中物質(zhì)的檢測主要應(yīng)用于藥物的服用檢測。例如，Coulter C等[29]利用LC-MSMS分析唾液中的一種新的鎮(zhèn)疼藥tapentadol及其代謝產(chǎn)物N-desmethyltapentadol (DMT)，檢測線性范圍是10～100ng/mL，最低定量限是10ng/mL，兩者回收率均大于99%。雖然LC-MS技術(shù)能夠檢測80%有機化合物，但其自身也有不足，還需要不斷完善。

3 毛細管電泳-質(zhì)譜聯(lián)用法(CE-MS)

CE是近年發(fā)展迅速的一種分離分析方法，其基本原理是電泳和色譜，是一類以毛細管為分離通道、以高壓直流電場為驅(qū)動力的新型液相分離分析技術(shù)。CE-MS與LC-MS的應(yīng)用在方法學(xué)和分析對象上有許多相似之處。例如都適用于小分子和大分子的分析，適用于熱不穩(wěn)定、強極性分子乃至離子型化合物的分離分析，具有分離效率高、分析速度快、樣品適應(yīng)面寬、試劑盒樣品消耗量少、分離模式多等特點。它的高度分離能力與質(zhì)譜的強鑒定能力聯(lián)用在一起，是一種理想的完美結(jié)合。例如，Johannesson N等[30]建立了用于闌尾炎病人血樣中生物標記物篩選的CE-MS方法，發(fā)現(xiàn)病人治療前后的血樣有差異，兩種不同類型的闌尾炎也有差異。Mayboroda O A等[31]利用CE-TOF-MS技術(shù)分析尿樣中的氨基酸，通過調(diào)節(jié)pH可使大多數(shù)氨基酸檢出限低于50nmol，并成功分析了關(guān)節(jié)炎病人尿樣。浙江大學(xué)程翼宇課題組[32]利用CE-MS法分析了20位膀胱癌患者和20位正常人患者尿液，檢測到m/z317、290、304可以作為潛在的生物標志物。

4 結(jié)語

人類探尋自身奧秘的過程是一部科技發(fā)展史。色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法的發(fā)展推動了體液小分子檢測的進程，目前的聯(lián)用方法實現(xiàn)了對生物樣品快速準確的分析，具有高通量、高靈敏度的特點。GC-MS相比LC-MS來說具有通用型檢測器，并且具有豐富的譜圖檢索庫，使得物質(zhì)的定性分析快速方便準確，但由于其對樣品揮發(fā)性的限制，不能直接分析難揮發(fā)的有機化合物。GC-MS直接導(dǎo)入型接口的載氣限于氦氣和氫氣，當(dāng)從色譜柱出口進入質(zhì)譜離子源的載氣流量高于2mL/min時，離子源的真空度會下降。因此，GC-MS在簡化樣品預(yù)處理過程，改進衍生化方法等方面仍有改進的空間。

對于LC-MS來說，儀器昂貴，使用有機溶劑作為流動相，分析成本高于GC；當(dāng)采用含不揮發(fā)性鹽的流動相時，質(zhì)譜的靈敏度會下降，且離子源會被污染；此外，LC不能分析常規(guī)氣體；LC-MS目前還沒有像GC-MS那樣的通用譜庫。這些都影響了LC-MS作為常規(guī)方法的應(yīng)用。

CE-MS技術(shù)的發(fā)展尚不完善，在分析重現(xiàn)性和靈敏度等方面仍需不斷改進。除了不能使用不揮發(fā)性鹽以外，無鞘流電噴霧接口的穩(wěn)定性還較差。不斷改進接口技術(shù)，CE-MS技術(shù)會在藥物分析、臨床醫(yī)學(xué)、單細胞分析尤其是蛋白質(zhì)組學(xué)等熱門領(lǐng)域發(fā)揮更全面、更強大的作用?？梢灶A(yù)見，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷成熟，聯(lián)用法在體液小分子檢測乃至其他領(lǐng)域的應(yīng)用將越來越廣闊，具有巨大的發(fā)展空間。

參 考 文 獻

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