電腦、手機越來越精緻,現在連「分子的體重計」──質譜儀(Mass Spectrometer),也更輕巧多工!本院基因體研究中心陳仲瑄院士和林俊利研究技師推出新一代「可攜式多游離源生物質譜儀」,不僅變小、變輕,還可帶出實驗室,隨時隨地檢測多種小分子及細胞;其質量偵測範圍,更能達到一般商業質譜儀的1百億倍。此國人自研自製的質譜技術,透過普及化,將可望應用於毒品快篩及環境檢測。這項技術於今(2020)年5月22日發表於Analyst期刊、並被選為封面論文。

由於不同分子有著不同的分子量(即質量、重量),科學家可藉由質譜儀測出的分子量,來辨識分子的身分及其組成結構。然而,質譜儀往往要價不菲,且體積龐大(註一),本院質譜研究團隊長期鑽研更普及的質譜技術,終於在國家前瞻計畫的支援下取得創新成果。

 

獨創技術改良 質譜儀不再是實驗室的專利

林俊利解釋,質譜儀的構造通常包含三大部份:質量分析器(mass analyzer)、離子偵測器(detector)及離子源(ion source)。新一代的質譜儀一一改良,將質譜儀的體積縮小為傳統質譜儀的十分之一以下(註二),但它的功能更強、更靈敏!

首先,團隊選擇用離子阱(ion trap)作為質量分析器。由於離子阱是透過測量分子的帶電量來推算分子的質量,因此降低對真空度的嚴格要求。捨棄掉超真空幫浦、改採微型渦輪幫浦後,不僅降低對實驗室的依賴,也大幅縮小質譜儀的體積。

然而,離子阱多以電壓掃描(voltage scan)方式獲得圖譜,在一般電壓下,量測質量的極限是10^6道爾頓(Dalton, Da)(註三)。團隊用自有專利RF頻率掃描線性技術,不增加電壓,改調整頻率,也能得到圖譜,且量測範圍一舉提高到10^15 Da。此外,團隊也與本院物理研究所朱明禮研究技師合作,採用其設計的離子偵測器,提高了離子捕獲能力及傳輸速度。

林俊利強調,此款新質譜儀還能一機多用。一般質譜儀大多僅針對單一用途配置一個特定的離子源,但本次機型可配備四種離子源,分別適用於液體、固體、氣體及細胞的樣本,包含:電噴灑離子化(electrospray ionization, ESI)、基質輔助雷射脫附離子化(matrix-assisted laser desorption / ionization, MALDI)、電子電離(electron ionization, EI)及雷射誘導聲波脫附法(laser induced acoustic desorption/ionization, LIAD)。因此,此質譜儀連巨分子也能攻克,最大可量測到數百萬道爾頓的醣蛋白分子,成為分析蛋白質與胜肽的最佳工具。

 

普及化!走入日常生活的質譜儀

這臺可攜式多游離源生物質譜儀除了在本院基因體研究中心的實驗室建置,並已技術移轉給廠商。其中關鍵技術也取得臺灣、美國等地之專利,可望衍生更多元的應用。近期,團隊已開發出微型液相層析儀質譜儀,增加常見的液層分析,讓質譜儀的功能更加完備。

研究團隊也持續開發可攜式質譜儀的周邊應用。主要的任務之一,是希望藉此處理毒品氾濫的問題。透過這部可攜式質譜儀,第一線的警力及執法人員可以在現場採集樣品後即時快篩,毋須費時將檢體送至其他實驗室。目前,已實驗證實此質譜儀可辨別出尿液中安非他命、海洛因等常見毒品的分子量。

基因體中心表示,生命科學的興起,讓大眾對於身旁危及生命安全的事物更加警惕,從食品安全到環境汙染等議題,都揭示了科學檢測的重要性。質譜儀的發明已近百年,未來可望為日常生活帶來平價多功能的檢測方法,以及即時即地測量的新選擇。

本研究論文可於線上閱讀:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/an/d0an00126k#!divAbstract

註一:一般質譜儀的體積約:185cm*100cm*70cm,約是一臺雙門大冰箱。

註二:「可攜式多游離源生物質譜儀」的體積大約是25cm*25cm*40cm。

註三:分子重量單位,例如,最輕的氫分子(H),分子量即是1 Da。

(基因體研究中心)