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【“仪”起享奥运】GC-HRMS在代谢组学应用中的优势与劣势

通标小菜鸟

2024/08/06

前处理综合讨论

自代谢组学的概念1999年被首次提出以来，至今已经发展了20余年，已成为生命科学和医学等研究领域中不可或缺的部分。代谢组学是系统生物学的重要组成部分，通过对生物体内所有代谢物进行定性定量分析，寻找代谢物与机体生理病理变化的相关性。生物体作为有机的整体，各部分相互关联、相互制约。通过代谢组学的研究，可阐明分子调控机制、小分子物质的产生、变化规律、获取生物标志物和所参与的代谢通路等。基因与蛋白质的表达紧密相连，而代谢物则更多地反映细胞所处环境，与细胞的营养状态、药物和环境污染物作用，及其它外界因素密切相关。因此，与基因组数据相比，代谢组能够更加真实地反映出生物系统内正在发生的事件，更加真实地描绘出生命本质，故而代谢组背后的生物大数据具有更高的挖掘价值，是后基因组时代的研究焦点。

质谱法因其较宽的动态范围、高灵敏度、高重现性、分析复杂生物样品的能力，已被广泛应用于代谢组学研究中。液相色谱与高分辨质谱的联用技术发展较早，是目前代谢组学研究中应用最为广泛的分析手段。而后来出现的气相色谱与高分辨质谱联用技术，因其在挥发性代谢物分析方面的独特优势，近年来发展迅猛。GC-HRMS适合分析挥发性热稳定的小分子代谢物，如氨基酸、有机酸、脂肪酸、糖类等基础代谢物。因脂肪难以气化，无法被气相色谱分离，会对仪器造成污染，因此GC-HRMS不适合用以分析脂肪含量高的样品，很少被用来做脂质组学的分析。与LC-HRMS相比，GC-HRMS最大的优点在于标准化的70 eV电子轰击离子源（EI）生成的质谱图具有极高的重现性，不仅有NIST、Willey等标准化的质谱数据库，而且不同实验室间的结果也具有很好的可比性。经过质谱图比对和脂肪酸甲酯或正构烷烃保留指数校正，代谢物的定性确证相对简单，且有较高的可信度。相对而言，LC-HRMS由于分析仪器、电离能、碰撞能、洗脱溶剂的选择不同，不同实验室生成的质谱图可能相差很大，代谢物定性确证对于数据库的要求很高。

而GC-HRMS相对于LC-HRMS的劣势主要在于样品前处理和数据处理的复杂程度。在使用GC-HRMS分析代谢组样品时，往往需要预先进行衍生化（常用的有甲酯化或硅烷化），降低待分析物的沸点，提高热稳定性，弱化极性，使之能够被气相色谱分离。而衍生化产物稳定存在的时间较短，往往需要在两天内完成一个批次样品的上机分析。在衍生化过程中，代谢物的衍生化程度不同，可能导致同一种代谢物在多个不同位置出峰，在后期数据处理时需要这些重复数据的去除与处理。此外，EI源生成的质谱图中往往不存在分子离子峰，无法得知待测物的分子量，必须与标准谱图或者已知谱图对比才能确证，因此只能用来分析那些已知的代谢物，无法对未知的或者新的代谢物进行定性分析。同时，用GC-HRMS相对定量时，只能选择碎片离子作为定量离子，容易被背景或杂质中的其他碎片离子干扰，影响定量结果。在选择定量离子时，需要特别注意避开那些背景或杂质中经常出现的碎片离子，最好人工检查每个定量离子的积分情况，最大程度地排除干扰。

总之，在代谢组学分析中，选择GC-HRMS还是LC-HRMS主要根据样品情况和研究目标决定，分析基础代谢物、观察代谢组间的变化和差异建议选择GC-HRMS，而要分析极性大分子代谢物、筛选新的生物标志物，则建议选择LC-HRMS。

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