质谱MRM技术定量分析与应用

质谱多反应监测(multiple reaction monitoring, MRM)技术作为一种质谱检测的分析方法，具有特异性强、灵敏度高、准确度高、重现性好、线性动态范围宽、自动化高通量的突出优点，这些特质能够满足今天很多研究领域的迫切需要。通过MRM技术进行实时的定量监测可以进行药代动力学研究、临床诊断、违禁药物检查、食品化妆品等工业质量控制、环境检测、农业植物学研究以及代谢组学和蛋白质组学Biomarker的发现等相关研究。

1. 质谱MRM技术的原理

MRM技术是一种基于已知或假定的反应离子信息，有针对性地选择数据进行质谱信号采集，对符合规则的离子进行信号记录，去除不符合规则离子信号的干扰，通过对数据的统计分析从而获取质谱定量信息的质谱技术。MRM技术是在单反应监测(single reaction monitoring, SRM)技术的基础上演化而来的。对于MRM技术而言关键在于首先要能够检测到具有特异性的母离子，然后只将选定的特异性母离子进行碰撞诱导(collision-induced)，最后去除其他子离子的干扰，只对选定的特异子离子进行质谱信号的采集。由于三重四级杆质谱(triple quadrupole system, TQS) 是进行单一质荷比扫描最灵敏的质谱系统，因此是最适合MRM分析的质谱仪器。

2. 质谱MRM技术的特点

MRM技术的特点：①灵敏度高：通过两级离子选择，排除大量干扰离子，使质谱的化学背景降低，目标检测物的信噪比显著提高，从而实现检测的高灵敏度。②重现性好：在MRM 技术选择性的质谱信号采集中，避免了待测分子离子化、质谱信号的抑制及源内碰撞碎裂过程的影响，因此重现性也相应提高。③准确度高：利用MRM技术的特异性，进行连续增强的离子扫描分析，得到高分辨的串联质谱(MS/MS)碎片数据，与全扫描和中性丢失质谱扫描模式相比降低了分析过程中定性结果的假阳性率，保证了分析的准确度。④通量高：使用目前最先进的质谱系统，MRM技术每个工作循环能处理多达300对母离子-子离子对，这种特点为研究多种蛋白质的多种修饰和丰度变化提供了机会，更能满足蛋白质组学的研究需求。
 

 (a) MRM扫描技术在三重四级杆质谱中的执行模式。(b) MRM MS在一次操作中同时对14种不同分析物质的监测图

3. 质谱MRM技术在定量分析中的应用

3.1 MRM技术在化学小分子定量分析中的应用

MRM定量分析技术在化学小分子分析中已经应用超过30年了，首次报道出现在1978年用于氯的同位素研究，一年后这种技术被应用于血药浓度的代谢检测中。自三重四级杆质谱问世以来，MRM技术便成为进行低分子量化学物质分析的重要方法。特别是在复杂药物代谢研究中MRM成为了关键的核心技术，MRM能够对前药和其代谢产物进行高精确度和高灵敏度的实时监测。此后，在大量具有生物相关性的小分子化学物质的分析中开始应用。例如：内源物质的跟踪，治疗剂及其代谢产物的监测，违禁药物的检查和环境毒物的检测等等。随着基因组的破译，代谢组学和蛋白质组学应运而生，生命科学的研究领域从此被极大地拓宽了。

3.2 MRM技术在代谢组学定量分析中的应用

代谢组学是对生物化学过程中的代谢产物进行整体而又全面分析的科学。尽管MRM技术的应用从小分子物质延伸到了对内源以及外源代谢产物的分析，但还是受到代谢组学研究本身的诸多限制。代谢组复杂而多变，据估测人体中大约有7000多种分子，因此代谢组的广域性已经超出了质谱检测的能力范围。然而，预测代谢和选择性代谢组的出现将研究者的目光引向了靶向扫描的概念，使可以在MRM模式下应用多种选择离子监控技术对海量的代谢产物进行实时的扫描监控。虽然MRM技术不能够作为代谢组学主要的扫描手段被应用，但是QTRAP质谱系统的出现使MRM技术为靶向蛋白质组学发现阶段的研究提供了更宽的思路。

3.3 MRM技术在蛋白质组学定量分析中的应用

蛋白质组学的研究对象是一个在时间和空间上动态变化的整体，具有极端的复杂性。随着蛋自质组学研究的深入和发展，尤其是差异蛋白质组学研究的进展，大量功能蛋白质和潜在疾病蛋白质标志物被发现并被鉴定，如何进一步探测这些蛋白质的表达丰度，以阐明其功能和在疾病研究中的意义，已变得越来越重要。仅仅依赖蛋白质大规模分离、鉴定的技术路线(双向凝胶电泳技术分离蛋白质，质谱技术鉴定蛋白质)已经不能满足这些研究的需求，因而迫切需要更高灵敏度和更高选择性的研究方法。而MRM技术作为一种高特异性、高灵敏度的质谱数据获取方式，在进行蛋白质组学更具针对性的研究中能够发挥重要作用，逐步受到更多研究者的关注。

复杂组分共流出物的干扰和宽达9个数量级以上的动态范围，一直是影响血清或血浆等生物体液中蛋白质、多肽准确定量的关键因素。尽管研究者们也尝试采用多种方法，包括尽可能充分的色谱分离，去除高丰度蛋白质等，但质谱对低丰度蛋白质的检测灵敏度和精密度仍不能满足分析的要求。MRM技术在定量蛋白质组学应用上展现了其方法的优点。首先，在一定程度上提高了测定的动态范围，其原因一方面是因为对离子的选择检出，降低了复杂组分的背景信号，增强了一些低丰度蛋白质的检测灵敏度；另一方面通过对高丰度、低丰度蛋白质MRM离子对的选择来均衡两者的响应信号差异。例如，对高丰度蛋白质，选择响应丰度较低的母离子-子离子对；对低丰度蛋白质，选择响应程度较高的母离子-子离子对，从而均衡高、低丰度的信号差异。其次，减少了复杂组分共流出物的干扰，增强了检测的特异性。此外，MRM技术高通量的特点，也为多种蛋白质的同时定量提供了条件。MRM技术通过与同位素稀释法或mTRAQ技术结合，对已知量加入的内标肽段和样本中的真实肽段分别进行标记，选择不同母-子离子对获得不同的色谱检出信号，比较两者信号，从而产生绝对定量结果。

4. 结语

MRM方法具有很好的开发前景，但同时也面临巨大的技术挑战。从文献报道中我们可以看到基于MRM技术所建立起来的一系列定量分析方法种类较多，可变性强，适用范围广，可以根据不同的研究需要选择不同的样品前处理实验方案与之相配合适用，从而发挥出MRM技术强大的定量分析潜力。