电荷检测

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  • Dionex ICS-4000 QD 电荷检测器和检测池 400-611-9236
    描述检测所有可电离样本极弱离解离子和多价离子的相对响应更强通用响应可简化校准可对未知样品进行定量分析为弱解离的离子提供线性响应峰纯度信息投资成本低耗材使用寿命长，维修成本低易于使用完善电导检测功能离子鉴别与电导检测和保留时长相结合CD/QD 填补了 CD 与 MS 之间的空白
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    厂商： 赛默飞色谱与质谱
    品牌： 赛默飞/Thermo Fisher
    型号： ICS-4000 QD
    价格： 面议
  • 电荷量测试仪 测量火花放电电荷转移量
    电荷量测试仪型号：Huace系列适用范围测量防静电工作服和纺织品的带电电量电子材料和其它元件的电荷量测试测量静电导体的电容量测量静电火花放电电量测量各种粉体、液体、固体的带电电荷量研究摩擦带电系列传感器特性分析测量物体表面电位及电荷面密度纳米电子器件特性分析产品简介4位半Huace-111、112系列静电电荷量测试仪结合了华测高灵敏度电压、电流测量仪器的技术优势以及快的速度和高的耐用性。这款经济型的仪器具有手动电荷量程和快速自动量程功能，可以测量±0.1pC到正负士20uC的电荷，其测量速度达到500读数/秒。华测Huace系列电荷量表具有极高的分辨率与高灵敏度，使它适合于低电荷测试场合，而它20uC的量程使它可以测量较高的电荷。1、检测防静电工作服和纺织品的带电电量按照国家标准GB12014－－89《防静电工作服》将工作服放入滚筒擦机摩擦内使其带电，把带静电后的工作服投入法拉第筒内，从Huace-111型数字电荷仪上读出电荷量值。复零后可进行下一次测量，若是测量纺织品的带电电荷量，可按照国家标准GB/T12703-91《纺织品静电性能测试方法》进行。 2、测量各种粉体、液体、固体的带电电荷量测量粉体的带电电荷量时，可根据被测粉体的多少制作不同形状和不同规格的法拉第筒。 粉体带电的方式可以是摩擦带电或在电场中荷电。如测量粉尘在电场中的荷电。也可以让粉体从滑槽中滑下帮电。 3、测量火花放电电荷转移量当带有静电的静电非导体与接地金属体接近时会发生火花放电。用Huace-111型数字电荷仪能精que地测量出放电电量。 4、测量金属体的自电容和互电容量让金属体带上静电（电压为V）后用法拉第筒和电荷量仪测出金属球的带电电荷量Q，由公式C=Q/V计算出电容量。
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    厂商： 北京华测试验仪器有限责任公司
    品牌： 北京华测/huace
    型号： 华测Huace系列
    价格： 面议
  • 粉尘浓度测量仪 电荷法粉尘仪 车间粉尘在线监测
    一、产品介绍 该仪器采用先进的电荷感应测量原理，当含有粉尘颗粒的气固两相流体在输送过程中，由于粉尘颗粒与粉尘颗粒、粉尘颗粒与传感器内壁的碰撞和摩擦，将使粉尘颗粒带上电荷。当带电粉尘颗粒通过特制的测量电极时，测量电极感应出正负电荷，电荷在转移运动中形成pA级电流信号；此交流电信号的大小和粉尘质量含量成正比。通过对此电信号进一步放大、运算处理，从而精确测量出粉尘浓度（mg/m3）。二、案例及应用场所喷涂车间、金属品生产车间、食品加工车间等所有产生粉尘的车间、皮带及风力送料、隧道、施工工地等相对开放性空间、仓库、堆料场、储煤场等仓储性空间三、技术参数1、产品参数操作环境温度20---60℃(电子部件)操作环境湿度90%RH 不结露操作环境保护等级：IP65， 铝合金壳体适合非腐蚀环境安装，传感器为不锈钢材质环境温度-20---65℃传感器结构固态传感器，360°全向感应粉尘颗粒大小范围0.3-400µ m，其他需定制粉尘种类煤粉、面粉、灰尘、烟尘、石墨、二氧化锰、生石灰等各种颗粒物零点漂移（时间）每年不大于量程的1%零点漂移（温度）在标称范围内不大于1%电路稳定性选用高稳定性、低功耗电子元器件输出方式4--20mA测量范围0--10mg/50mg/100mg/200mg/1000mg/10g/100g/m³ (根据诉求定制)报警方式声、光报警供电电源220V/24V 2、产品特点1、产品实时在线检测粉尘浓度，可连续监测工作场所粉尘浓度情况。2、可按照现场要求设置仪器量程，量程可定制。3、仪器有模拟量信号输出。四、售后服务1、质保一年，仪器终身维修2、专业技术人员24小时内响应服务3、视频指导安装，特殊情况支持现场服务4、专业线上、线下售后回访，便于及时发现解决问题5、购买日起两年内可提供一次免费校准
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    厂商： 青岛科为环保科技有限公司
    品牌： 科为环保/keweihuanbao
    型号： KW-DM-TP（100F）
    价格： 面议
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  • 【原创大赛】离子色谱实战宝典 第五章 检测器 5.5电荷检测器

    【原创大赛】离子色谱实战宝典 第五章 检测器 5.5电荷检测器

    5.5 [font=宋体]电荷检测器[/font][font=宋体]电荷检测器作为新型检测器，目前用于毛细管[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/3p][color=#3333ff]离子色谱[/color][/url]中，它对弱电离的有机酸、有机胺、硅酸盐、硼酸盐以及多价态离子，具有比电导更好的响应灵敏度，与电导不同，电荷检测是通过测量溶液中离子电离时电荷迁移所产生的电流变化来确定待测离子浓度的一种检测方式。[/font][font=宋体]在毛细管[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/3p][color=#3333ff]离子色谱[/color][/url]中，由于其是一种破坏性检测器，与电导串联的话，连接在电导之后。[/font]5.5.1 [font=宋体]电荷检测器的工作原理[/font][font=宋体][font=宋体]电荷检测器的基本结构与电解膜抑制器类似，不同的在于电荷检测器内安装了二种不同极性的离子交换膜，仪器的流程图见[/font]5- [font=宋体]，电荷检测器的结构原理见下图[/font]5-* [font=宋体]。[/font][/font][font=宋体][font=宋体][img=,690,476]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111231022301903_9015_1617661_3.jpg!w690x476.jpg[/img][/font][/font][font=宋体][font=宋体]电荷检测器的流程图[/font][/font][font=宋体][font=宋体]从图中看，电荷检测器必须采用淋洗液发生器，采用电致再生抑制器，电荷检测器出来的废液，通过再生流路排出。或者整个采用外循环的方式进行。[/font][/font][font=宋体][font=宋体][img=,690,402]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111231022527136_7532_1617661_3.jpg!w690x402.jpg[/img][/font][/font][font=宋体][font=宋体][/font][/font][font=宋体][font=宋体][/font][/font] [font=宋体]图[/font]5- [font=宋体]电荷检测器的工作原理示意图[/font][font=宋体]从图[/font]5- [font=宋体]可以看到，电荷检测器包括一个阴离子交换膜，一个阳离子交换膜以及对应的阴阳电极。在这里，中间是淋洗液通道，二侧是阴阳离子交换膜，再生液在膜的外侧，正负电极在再生液的两侧，以施加工作电压。[/font][font=宋体]当抑制器流出液经过二个膜中间，由于前面已经经过了抑制，其背景是水中被测离子以及对应的水电解的产生的少量的背景电流，当电解质（抑制后阴离子变为酸，阳离子变为碱，理论上可以是任何电解质）进入电解池，[/font]A+[font=宋体]和[/font]Y-[font=宋体]各自透过阳离子交换膜和阴离子交换膜移向阴极和阳极，即可检测这些离子携带的电荷，从这里可以看到，电荷检测器就是像同时通过阴阳抑制器，同时去掉阴阳离子，所以是一种破坏性的检测器。由于转移过程中，是以酸或者碱的离子形式存在，因此其离解程度大，响应就大，这也就是对于电荷检测器，弱电离的化合物响应较抑制型检测器大的原因。[/font]5.5.2 [font=宋体]电荷检测器的性能特点[/font]5.5.2.1 [font=宋体]相同电荷不同离子具有接近的响应值[/font][font=宋体]在检测器响应范围内，许多相同浓度、相同电荷的离子能得到几乎相同的响应，因此可以对已知、未知化合物进行定量。各个离子之间，线性关系非常接近。[/font][font=宋体][img=,690,660]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111231023455105_7074_1617661_3.jpg!w690x660.jpg[/img][/font][font=宋体]图[font='Calibri','sans-serif']5- [/font]具有相同电荷数的不同离子具有相似的响应值（[b][font='Arial','sans-serif']20 [/font][font=Symbol]m[/font][font='Arial','sans-serif']M [/font]电压[font='Arial','sans-serif'], 1.5 V [/font]）[/b][/font][align=center] [/align] 5.5.2.2 [font=宋体]多价离子的响应高于电导检测的灵敏度[/font][font=宋体]例如，在电荷检测器条件下，磷酸根电离程度更完全。磷酸根可以产生更高信号，因此其检测灵敏度高于电导检测。下图磷酸根可以得到三倍以上的灵敏度。[/font][img=,690,769]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111231024531172_87_1617661_3.jpg!w690x769.jpg[/img][color=black]色谱柱[/color][font='Arial Narrow','sans-serif'][color=black]: ThermoScientific, Dionex, IonPac[sup][/sup] AS15-9μm Capillary (0.4 x 250 mm)[/color][/font][color=black]淋洗液[/color][font='Arial Narrow','sans-serif'][color=black]: 38mM KOH,[/color][/font][color=black]流速[/color][font='Arial Narrow','sans-serif'][color=black]: 0.012mL/min[/color][/font][color=black]进样体积[/color][font='Arial Narrow','sans-serif'][color=black]: 0.4 μL[/color][/font][color=black]柱温[/color][font='Arial Narrow','sans-serif'][color=black]: 30 °C [/color][/font][color=black]检测模式[/color][font='Arial Narrow','sans-serif'][color=black]: [/color][/font][color=black]抑制电导[/color][color=black]抑制器[/color][font='Arial Narrow','sans-serif'][color=black]: [/color][/font][color=black]毛细管阴离子电抑制器[/color][font='Arial Narrow','sans-serif'][color=black] (ACES300), [/color][/font][color=black]阴离子抑制循环模式[/color][font='Arial Narrow','sans-serif'][color=#3333FF]A: [/color][/font][color=#3333FF]电荷检测器（[/color][font='Arial Narrow','sans-serif'][color=#3333FF]ChargeDetection[/color][/font][color=#3333FF]）[/color][font='Arial Narrow','sans-serif'][color=black]B: [/color][/font][color=black]电导检测器（[/color][font='Arial Narrow','sans-serif'][color=black]Conductivity Detection[/color][/font][color=black]）[/color][font='Arial Narrow','sans-serif'][color=black]Peaks: 1.F[sup]-[/sup] 1.0 mg/L[/color][/font][font='Arial Narrow','sans-serif'][color=black] 2.Cl[sup]-[/sup] 2.5[/color][/font][font='Arial Narrow','sans-serif'][color=black] 3.NO[sub]2[/sub][sup]-[/sup] 5.0[/color][/font][font='Arial Narrow','sans-serif'][color=black] 4.SO[sub]4[/sub][sup]2-[/sup] 5.0[/color][/font][font='Arial Narrow','sans-serif'][color=black] 5.Br[sup]-[/sup] 10.0[/color][/font][font='Arial Narrow','sans-serif'][color=black] 6.NO[sub]3[/sub][sup]-[/sup] 10.0[/color][/font][font='Arial Narrow','sans-serif'][color=black] 7.PO[sub]4[/sub][sup]3-[/sup] 15.0[/color][/font]5.5.2.3 [font=宋体]弱电离的离子在电荷检测器下响应大幅度提高[/font] [font=宋体]例如硼酸，在电导下几乎无响应，在电荷检测器下，有明显的响应。另外，[/font]QD[font=宋体]对于弱解离离子具有更好的线性[/font] – [font=宋体]更易定量。[/font][img=,690,290]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111231026047123_9616_1617661_3.jpg!w690x290.jpg[/img][font=宋体][/font][font=宋体]5.5.2.4 [font=宋体]与电导检测器结合可以判断不同离子的特点[/font] [font=宋体]将电导检测器与电荷检测器结合，可以填补[/font]CD[font=宋体]与[/font]MS[font=宋体]之间检测器的空白，利用二个检测器之间的性能差异，可以判断，被测离子的类型、价态，可以进行峰纯度鉴定，能够提供更多的离子信息。[/font][font=宋体]例如串联[/font]CD[font=宋体]和[/font]QD[font=宋体]检测器，分别对某离子制作标准曲线，用标准曲线对该离子进行定量，比较两个定量结果，当差距大于[/font]20%[font=宋体]时，可判断为[/font]“[font=宋体]假阳性[/font]”[font=宋体]。[/font]5.5.3 [font=宋体]电荷检测器使用的注意事项[/font]5.5.3.1 [font=宋体]有机溶剂的兼容性[/font][font=宋体]在循环模式下，除水外，电荷检测器不兼容任何有机溶剂，在外加水模式下，电荷检测器可以兼容有机溶剂，浓度不超过[/font]30%[font=宋体]（甲醇和乙腈）。[/font]5.5.3.2 [font=宋体]背景、噪声和漂移[/font][font=宋体]要实现电荷检测器检测，电导检测器的背景电导要求小于[/font]2uS/cm[font=宋体]，这样在工作电压[/font]6V[font=宋体]的情况下，其背景电流[/font][font=宋体]≤5uA，大多数情况下可以达到2uA。在使用电荷检测器前，先断开电荷检测器，等电导检测器和抑制器运行达到平衡后，再连接电荷检测器。如果电荷检测器停用24小时以上，首先用氮气或空气将检测池内的液体吹走，避免背景电流增加，操作上相对要求较高。[/font][font=宋体]常用的电压为6V，对于30mmol/L KOH，等度淋洗，漂移小于10nA/h，梯度淋洗小于100nA/h。[/font][font=宋体]不同的工作电压对电荷检测器的响应影响很大，通常选择6V作为工作电压，兼顾了灵敏度和噪音，可以满足大多数实验。[/font][font=宋体]5.5.3.3 [/font][font=宋体]使用场景[/font][font=宋体]目前商品化的电荷检测器仅仅局限于毛细管离子色仪，作为电导检测器的补充，更广泛的应用需要进一步开发。[/font][/font]

  • 电荷检测质谱是什么？为何如此引得质谱巨头关注？

    质谱法是一种强大的分析工具，其原理是测量带电粒子质量的方法，当分析样品进入质谱仪后，首先在离子源处使分析物进行游离化以转换为带电离子，进入质量分析器后，在电场、磁场等物理力量的作用下，探测器可测得不同离子的质荷比（m/z），从而从电荷推算出分析物的质量。传统质谱法难以分辨质量大于几百千道尔顿的物质（例如蛋白质复合物）的电荷状态。然而近些年，一种新的质谱方法出现，即电荷检测质谱 (Charge Detection Mass Spectrometry,CDMS) 。CDMS 是一种通过同时测量单个离子的质荷比（m/z）来确定单个离子质量的单粒子技术。确定数以千计的单个离子的质量，然后将结果合并提供质谱图。使用这种方法，可以测量通常不适合传统质谱分析的异质和高分子量样品的准确质量分布。最新发表的CDMS技术的应用就包括了高度糖基化的蛋白质、蛋白质复合物、蛋白质聚集体（如淀粉样蛋白纤维）、传染性病毒、基因疗法、疫苗和囊泡（如外泌体）。虽然到目前为止，CDMS 仍然是少数能够自制仪器的科研人员在应用。而随着生物医学的快速发展，研究人员分析分子量超大样品的需求快速增长，传统的质谱方法面临一定的限制，以CDMS为焦点的分析技术也许将成为下一个里程碑。前沿技术发生革新，行业巨头公司一定是反应最快的。日前，全球著名的质谱仪器公司Waters便发布公告，成功收购了一家专攻电荷检测质谱技术（CDMS）的初创企业，Megadalton Solutions。该公司由美国印第安纳大学的Martin Jarrold和David Clemmer两位教授于2018年创立。[img=mega创始人.png]https://img1.17img.cn/17img/images/202202/uepic/6936b2e1-2955-452e-9eb5-9ca539fb600a.png[/img][font=&][size=16px][color=#333333]笔者进一步查询到，Martin F. Jarrold 本人在过去十年一直致力于 CDMS技术的研究，也于2015年发表了“Charge Detection Mass Spectrometry with Almost Perfect Charge [/color][/size][/font][font=&][size=16px][color=#333333]Accuracy”相关文章。（DOI:[url]https://doi.org/10.1021/acs.analchem.5b02324[/url]）。[/color][/size][/font][font=&][size=16px][color=#333333]2021年还发表了关于CDMS在生物分子学和生物技术相关的应用进展文章“Applications of Charge Detection Mass Spectrometry in Molecular Biology and Biotechnology”。（DOI：[url]https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.1c00377[/url]）[/color][/size][/font]2018年，Martin Jarrold和David Clemmer教授因在离子淌度质谱技术上的开创性发明，共同获得了美国质谱学会颁发的质谱杰出贡献奖。不仅如此，David Clemmer教授还曾获得2006年的Biemann奖章。[align=center][img=2018 ASMS杰出共享奖.png,600,259]https://img1.17img.cn/17img/images/202202/uepic/1967a9e8-bc50-4b33-80f6-46585d05a407.png[/img][/align][align=center]2018年ASMS质谱杰出贡献奖[/align]可以说，Megadalton Solutions公司是由两位质谱界大佬为了研发CDMS仪器创立的，技术实力很强硬。Waters公司的眼光也非常独到，于2021年就已经将Megadalton的CDMS技术引进到了Waters的Immerse Cambridge创新和研究实验室，并应用于各项先进检测及研发工作。[url=https://www.instrument.com.cn/news/20220207/605434.shtml][color=#ff0000]（相关链接：沃特世收购电荷检测质谱技术 扩大细胞和基因治疗领域应用）[/color][/url]此外，笔者还注意到了另外一家基于CDMS技术的初创企业，荷兰公司TrueMass。[align=center][img=True.png]https://img1.17img.cn/17img/images/202202/uepic/1513aab2-aa16-408e-914a-00cdf762c4ca.png[/img][/align][align=center][/align]TrueMass 于 2020 年在荷兰成立，并在英国曼彻斯特设有制造工厂。这家私营投资公司已从天使投资人获得大量资金，公司的使命是提供新技术，帮助全球研究人员和临床实验室推进药物开发和材料技术的研究。该公司于2021年10月26日在宾夕法尼亚州费城举办的ASMS上推出了其研发的CDMS仪器。[align=center][/align][align=center][img]https://img1.17img.cn/17img/images/202202/uepic/a9414deb-6b4c-4547-93b0-af042aab0c2c.png[/img][/align][align=center][img]https://img1.17img.cn/17img/images/202202/uepic/000b48b0-acd8-4420-98f4-9ffe3137fc02.png[/img][/align][align=center][/align]笔者也搜索了TrueMass创始人 John Hoyes博士相关的信息，以飨读者。[align=center][img=john Hoyes.png,600,373]https://img1.17img.cn/17img/images/202202/uepic/efa105d1-a0e5-40b4-acf2-5dd6eabfce69.png[/img][/align][align=center]TrueMass创始人 John Hoyes博士[/align]TrueMass 创始人 John Hoyes 博士在质谱行业拥有 30 多年的从业经验。他于 1989 年在曼彻斯特大学完成了激光物理学博士学位，并在该大学科学技术学院仪器与分析科学系 (DIAS) 担任了一年的博士后研究助理。 Hoyes博士1990 年首次加入 VG Analytical，担任曼彻斯特工厂的开发物理学家。在头两年致力于改进磁扇磁场质谱仪器后，他开始研究飞行时间 (TOF) 质谱仪器。他是 VG Analytical 第一台 TOF 仪器的项目负责人，该仪器采用了 MALDI 离子源。 1995 年，他领导开发了世界上第一台商用 Q-TOF 仪器，该仪器于1996 年底由Micromass（后被Waters收购）推出。 2000 年，他发明了高分辨率光学 TOF 几何结构，并被纳入下一代 Q-TOF 仪器的改进。 2003 年，Hoyes博士离开 VG，成立了一家名为 MS Horizons 的新公司，专门提升该领域现有 Q-TOF 仪器的性能。在此期间，Hoyes博士对离子淌度和飞行时间杂合质谱仪器产生了兴趣，并为此申请了专利。他于 2006 年回到 Micromass（后被Waters收购） 担任研究总监，并于 2010 年成为技术总监。在他任职期间，公司推出了 SYNAPT G2、Vion 仪器和 StepWave 离子源等产品。 2013 年，他成为Waters科学研究员，并于 2016 年在 HUPO（人类蛋白质组组织）获得“科学技术奖”。2018 年 4 月，Hoyes博士离开公司，成立了 HGSG Ltd咨询公司。2020年Hoyes博士创立了 TrueMass公司以实现他对商业电荷检测质谱仪器的想法。总体看来，CDMS技术在复杂生物分析中能够发挥质谱技术的精确性优势，不久之后，质谱巨头们关于CDMS技术一定会动作频频，仪器信息网也将持续带来最新报道，敬请关注。

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    品牌： GoldBio
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  • 质谱技术的新方向—电荷检测质谱法（CDMS）
    电荷检测质谱法是通过同时测量单个离子的质荷比和电荷数，进而算得离子质量m的单粒子统计方法，在测定超大分子离子的质量分布方面有独特的优势。现有质谱仪在超大分子量测量方面面临的挑战在质谱仪中，被分析物质首先被离子化，随后各种离子被引入真空中的质量分析器，在分析器中的电场磁场作用下，离子的运动特性随其质荷比不同而产生差异，因而造成时空上的分离，并由检测器依次检测出来，因此形成质谱。所以，目前的质谱仪测量的是离子的质荷比（m/z)，而不是质量本身。经过一个多世纪的发展，质谱仪从原先只能分析无机元素和小分子，逐步发展到能够分析有机物分子、生物大分子直至具备生命体特征的病毒颗粒。2002年诺贝尔化学奖之一授予了用电喷雾电离（ESI）进行蛋白质质谱分析的创始人John Fenn。在电喷雾质谱对蛋白质进行分析时，溶液中的蛋白质样品被传送到加有高压的毛细管尖端，强电场促使样品溶液喷雾，喷雾中的液滴通过蒸发，库仑爆炸等过程，形成带有多个电荷的蛋白质离子，被引入处于真空中的质谱分析器。每个离子所带的电荷数的多少，取决于分子的大小、分子在溶液中的几何构象（折叠或打开）以及电喷雾尖端处的电压和气流等参数。通常对蛋白质这种大分子来说，ESI质谱中都会呈现多种价态的谱峰群，群落中的每一组为某个电荷态该蛋白质的各个同位素峰、盐峰以及加合物峰等。由于电荷态z通常是连续的整数分布（例如z = 11，12....21,22...),人们可以通过计算不同电荷数对应的群落m/z的间隔来推算各组的电荷数z，进而求出实际的质量m的分布，也可以用电脑程序退卷积得到m分布。对于分析较小（分子量在5万以下）、较简单纯净的蛋白样品，退卷积还是很有效的。然而，在实际应用中对蛋白和蛋白组的分析，特别是对天然蛋白和病毒颗粒的分析却不那么简单。随着分子量上升，分子结构越来越复杂，各种翻译后修饰使被测蛋白的分子量出现差异化（heterogeneity），很宽的质量m分布（可达上千Da）使得不同价态的峰群连接在一起。图1中，用高分辨质谱仪对二种病毒壳体的质量进行测定，由于各种价态的质谱峰群连城一片，根本无法辨别谱峰，得到样品分子的质量。同时，实际样品也可能因处理不善或自然裂解，使谱图混杂着不同大小的分子离子，它们各自的价态z分布可能导致它们的峰群在m/z轴上交叠在一起。目前对于很多糖蛋白，分子量超过3、4万就出现峰群交叠，无法用退卷积软件来获得分子量的分布信息。事实说明，对于大生物分子的质谱分析，仅靠提高仪器的分辨率是无济于事的。图1 ESI质谱对大型病毒壳体质量测定的困难。(a,b）晶体结构效果图 (c,d) 的“高分辨”质谱分析图。（摘自：Kafader, J. O.， Nature methods, 17(4), 391-394）糖蛋白是生物制品中比例最大的一类药物，其糖修饰对其功能非常关键，准确解析此类药物的糖修饰是药物研发、报批和质量监控的关键内容。但它们在ESI-MS的质谱中，看到的好像是一堆杂草，无法辨别有什么蛋白组分。将一个糖蛋白药物中的各组分进行高分辨检测，是当前生物质谱面临的巨大挑战。电荷检测质谱仪的提出与技术发展早在上世纪90年代，美国西北太平洋国家实验室R.D.Smith组的 Bruce, J. E等就提出可以在傅里叶变换质谱仪中同时测量单个离子的电荷和质荷比，从而算出离子的质量m。随后，美国劳伦斯伯克利国家实验室W. H. Benner 发明了一种线形的静电离子阱，并用其测量单个高价离子的电荷数和质荷比，进而得到单个事件中的离子质量m。只要连续不断地进行大量的单个离子测量，就可以把总离子事件统计出来，形成按质量分布的直方图，而这就是一张电荷检测质谱。图2，Benner小组采用的直线形静电离子阱进行CDMS测量的原理图CDMS技术的关键是如何准确地测量单个离子的电荷。测量中，离子在静电离子阱内进行周期性运动并在电极上感应出“镜像电荷”信号。通过对信号的傅里叶变换，得到离子信号的频率从而决定离子的质荷比，而由频谱峰的强度得到离子所带的电荷数。虽然单个离子的镜像电荷频谱的峰强度与离子的电荷数成正比，它也同时与离子在阱内的轨道形状、离子存活时间有关，而这些参量都存在不定性；并且由于镜像电荷信号强度极弱，回路中的电子噪声对精确测量镜像电荷产生很大的影响，因此早期的电荷测量的RMS误差达2.2e以上,由此计算出的质量精度只比凝胶电泳好一点。近年来随着人们对天然、复杂蛋白分析的需求日益显现，CDMS技术也进一步得到了发展。美国印第安纳大学Jarrold小组通过对线形静电离子阱分析器的不断改进，特别是采用了低温前级信号放大器等优化设计后，实现了最小RMS 0.2 e的电荷测量误差，测量的样品包括2 MDa以上的蛋白复合体（protein complex）和20 MDa以上的病毒外壳。在这个RMS误差下，通过电荷数取整可以大概率获得精准的电荷值，从而得到精准的质谱分布。图3给出了用普通ToF质谱仪和CDMS测量天然态丙酮酸激酶（PKn）多聚体的效果比较。当3个以上四聚体组装在一起时，ToF质谱完全无法辨别其质量分布，而CDMS可以看到近10个四聚体组合的质量峰。图3.用常规ToF质谱（左）和用CDMS测量的丙酮酸激酶（PK）多聚体，使用相同样品和相同电喷雾条件。（摘自D. Keifer: Analyst, 2017,142,1654)目前，虽然用线形静电阱结合傅里叶变换可以得到较好的电荷测量精度，但该方法每次只能测一个离子，否则库伦相互作用会影响测量。在实际测试中，每次引入的离子数是随机分布的，需要用软件鉴别超过一个离子注入的事件，也要发现因为和残余气体碰撞而半路夭折的事件，并把这些“不良”记录剔除。考虑单次分析时间大约需要1s，得到一张良好统计的CDMS谱图需要几个小时甚至一天的数据积累。加利福尼亚大学E. Williams团队对线形静电离子阱分析器的设计和的数据处理方法进行了创新，能让宽能量范围的离子同时进入离子阱进行分析，避免了离子之间的空间电荷作用，可以在一个测量周期内测量10-20个离子，进而有望提高了检测效率。与此同时，其他尝试使用商业傅立叶FT质谱仪进行CDMS的研究团体也逐步浮现。美国西北大学Kelleher团队、荷兰乌得勒支大学的A.R.Heck团队先后使用热电公司的静电场轨道阱(Orbitrap) 系统，通过更新数据处理软件，对CDMS进行了应用研究。除了Orbitrap是成熟的商业化仪器这一优点外，轨道静电离子阱内的离子由于其轨道运动，导致电荷分布在中心电极周围，因此其空间电荷相互作用较小。Kelleher 在Nature Method上的论文声称，基于Orbitrap的CDMS可以同时分析100个离子。不过，在电荷测量精度上，Orbitrap-CDMS目前只达到RMS 1 e左右，较Jarrold的线形静电阱还有一定的差距，但Orbitrap对m/z的测量精度、分辨率远远超过ELIT，一定程度上帮助消除在多离子同时分析时可能出现的m/z相近离子的信号干涉效应。笔者在岛津公司的欧洲研发团队去年也在JASMS发表了用CDMS测量糖蛋白的尝试。该工作采用了一种盘状平面静电离子阱分析器，如图4，而这种分析器也能像Orbitrap那样获得超高分辨质谱。通过对测量硬件和软件进行改进，实现了CDMS实验。该报道给出了一种全新的CDMS数据处理方法，能够克服离子在分析过程中因碰撞夭折造成测量不准的问题，同时实验验证了该方法的有效性，还对多个离子同时分析时的信号干涉等问题提出分析和研判，为深入研究CDMS技术，消除造成电荷测量误差的障碍打下了基础。图4，用于CDMS 实验的平面静电离子阱系统 （A. Rusinov, L. Ding, JASMS, 32, 5, 2021)CDMS技术的应用现状目前，电荷检测质谱技术还处于早期发展阶段，还没有现成的商品仪器出售，只有能够自己开发质谱仪器硬件，或自己改编FTMS（含Orbitrap）软件的专家才能进行这样的实验。 今年初美国沃特世公司宣布成功收购专攻电荷检测质谱技术（CDMS）及服务的初创企业Megadalton Solutions Inc. Megadalton Solutions是由美国印第安纳大学的Martin Jarrold和David Clemmer两位教授于2018年创立，他们目前是研发的CDMS仪器最长久的团队并拥有最成熟的技术。沃特世曾于2021年将Megadalton的CDMS技术引进到了沃特世Immerse Cambridge创新和研究实验室，并应用于各项先进检测及研发工作。沃特世公司首席执行官Udit Batra博士表示要进一步开发Megadalton的CDMS技术并将其商业化。在国内，CDMS无论是仪器技术开发还是应用都属空白。虽然国内在复杂生物大分子结构与功能的研究、病毒载体空壳率监测方面对CDMS已经产生需求，但我们在高端质谱仪器研制方面远远落后于西方。CDMS在技术上是基于FTMS分析原理而演化产生的，但国内目前对FT类型的质谱仪器研究，除了少量理论分析与离子光学仿真工作外，还没有实质性的进展，也没有企业能够提供FTMS类商品仪器。针对这些需求，笔者打算在前期研究工作的基础上，研究开发静电离子阱分析器，并进一步结合开发CDMS特定的数据处理软件，建成一套拥有自主知识产权的新型质谱仪器。同时建立国内的研发应用合作机制，解决目前国内超大分子蛋白质生物药剂质量分析的问题。预测CDMS技术未来的市场空间如前所述，目前对复杂蛋白等大型生物分子进行质谱分析时，由于其分子量的差异性（heterogeneity), 存在着严重的多价态峰群重叠问题，导致无法通过质谱仪获得这些大分子在样品中的质量分布。而用电荷检测质谱仪，无需对电荷态退卷积，可以直接得到蛋白质、蛋白复合体、各种转译后修饰造成的特定质量分布图。因此，该仪器的发展在天然蛋白质、糖蛋白、病毒颗粒的成分和结构研究，抗原-抗体作用机理研究和疫苗研发方面有很大的未来市场空间，具体可以列举以下几个方面：（1）新型电荷检测质谱仪可实现复杂样品的蛋白离子精确分析，可时提供复杂样品中各蛋白分子的结构，密度分布等。（2）可直接测定糖蛋白及其它各种转译后修饰造成的特定质量分布图，为解释蛋白大分子及其转译后修饰分子量或结构表征变化信息等之间的关系，从而对糖蛋白相关的疾病诊断具有重要意义。（3）通过研究DNA等生物大分子离子的电荷分布，以及质量与电荷的关联，可以推断这些大分子的结构，比如它的聚合程度、纤维股数等。（4）在病毒研究中，可以用来确定病毒衣壳的蛋白复合体结构及其组装反应的过程，这将在抗病毒药物的研究中发挥作用。（5）在基因疗法研究和产品质控中，本项目研制的电荷检测质谱仪可以用来测定腺病毒载体的空壳率，检查载体内的基因完整度。推动现代临床医学的发展；（6）电荷检测质谱仪还可以用来测定纳米聚合物分子的聚合度和分散指数，推动材料科学的发展。值得关注的是新冠疫情给质谱分析带来了全新机遇，除了对新冠病毒本身的蛋白进行分析研究以外，也可以在灭活疫苗、病毒载体疫苗以及核酸疫苗产品的质量控制、效果评价、免疫机制研究以及载体类疫苗的体外模拟产物的评价等方面发挥优势。关于笔者：宁波大学材料科学与化学工程学院/质谱技术研究院 丁力1990年于复旦大学物理系获理学博士学位。先后工作于复旦大学材料科学系，以色列魏兹曼科学研究所，英国贝尔法斯特女王大学纯粹与应用物理系。1998年加入岛津欧洲研究所。2007年至2011年任岛津分析技术研发(上海)有限公司总经理。2011-2020年任岛津欧洲研究所高级研究员，研发二部经理。主要领导了多项质谱仪器的研发，是国际上数字离子阱质谱技术的创始人，在离子源，四极场离子阱，静电离子阱，飞行时间等分析器技术及其联用技术方面有很多创新和突破。发表论文、报告、专著一百余篇，有三十余项发明专利。领域：QIT、ToF、Quadrupole、MALDI、APMALDI、ESI、Digital Ion Trap、Linear Ion Trap、Electrostatic Ion Trap，FTMS、 CDMS、MSMS、ECD、Ambient Pressure Ion Sources 等。目前丁力在宁波大学组建团队，继续静电离子阱的设计和优化工作，已提出了静电“和谐阱”的设计概念，充分利用其高次谐波来提高质谱分析器的分辨本领。同时也在探索在国内实现这种精密分析器的加工和组装工艺，为下一步实现超高分辨质谱仪国产化做准备，也为在国内研制电荷检测质谱仪打好基础。
    时间： 2022-03-18
    作者： ONE
  • 电荷检测质谱是什么？为何如此引得质谱巨头关注？
    质谱法是一种强大的分析工具，其原理是测量带电粒子质量的方法，当分析样品进入质谱仪后，首先在离子源处使分析物进行游离化以转换为带电离子，进入质量分析器后，在电场、磁场等物理力量的作用下，探测器可测得不同离子的质荷比（m/z），从而从电荷推算出分析物的质量。传统质谱法难以分辨质量大于几百千道尔顿的物质（例如蛋白质复合物）的电荷状态。然而近些年，一种新的质谱方法出现，即电荷检测质谱 (Charge Detection Mass Spectrometry,CDMS) 。CDMS 是一种通过同时测量单个离子的质荷比（m/z）来确定单个离子质量的单粒子技术。确定数以千计的单个离子的质量，然后将结果合并提供质谱图。使用这种方法，可以测量通常不适合传统质谱分析的异质和高分子量样品的准确质量分布。最新发表的CDMS技术的应用就包括了高度糖基化的蛋白质、蛋白质复合物、蛋白质聚集体（如淀粉样蛋白纤维）、传染性病毒、基因疗法、疫苗和囊泡（如外泌体）。虽然到目前为止，CDMS 仍然是少数能够自制仪器的科研人员在应用。而随着生物医学的快速发展，研究人员分析分子量超大样品的需求快速增长，传统的质谱方法面临一定的限制，以CDMS为焦点的分析技术也许将成为下一个里程碑。前沿技术发生革新，行业巨头公司一定是反应最快的。日前，全球著名的质谱仪器公司Waters便发布公告，成功收购了一家专攻电荷检测质谱技术（CDMS）的初创企业，Megadalton Solutions。该公司由美国印第安纳大学的Martin Jarrold和David Clemmer两位教授于2018年创立。笔者进一步查询到，Martin F. Jarrold 本人在过去十年一直致力于 CDMS技术的研究，也于2015年发表了“Charge Detection Mass Spectrometry with Almost Perfect Charge Accuracy”相关文章。（DOI:https://doi.org/10.1021/acs.analchem.5b02324）。2021年还发表了关于CDMS在生物分子学和生物技术相关的应用进展文章“Applications of Charge Detection Mass Spectrometry in Molecular Biology and Biotechnology”。（DOI：https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.1c00377）2018年，Martin Jarrold和David Clemmer教授因在离子淌度质谱技术上的开创性发明，共同获得了美国质谱学会颁发的质谱杰出贡献奖。不仅如此，David Clemmer教授还曾获得2006年的Biemann奖章。2018年ASMS质谱杰出贡献奖可以说，Megadalton Solutions公司是由两位质谱界大佬为了研发CDMS仪器创立的，技术实力很强硬。Waters公司的眼光也非常独到，于2021年就已经将Megadalton的CDMS技术引进到了Waters的Immerse Cambridge创新和研究实验室，并应用于各项先进检测及研发工作。（相关链接：沃特世收购电荷检测质谱技术 扩大细胞和基因治疗领域应用）此外，笔者还注意到了另外一家基于CDMS技术的初创企业，荷兰公司TrueMass。TrueMass 于 2020 年在荷兰成立，并在英国曼彻斯特设有制造工厂。这家私营投资公司已从天使投资人获得大量资金，公司的使命是提供新技术，帮助全球研究人员和临床实验室推进药物开发和材料技术的研究。该公司于2021年10月26日在宾夕法尼亚州费城举办的ASMS上推出了其研发的CDMS仪器。笔者也搜索了TrueMass创始人 John Hoyes博士相关的信息，以飨读者。TrueMass创始人 John Hoyes博士TrueMass 创始人 John Hoyes 博士在质谱行业拥有 30 多年的从业经验。他于 1989 年在曼彻斯特大学完成了激光物理学博士学位，并在该大学科学技术学院仪器与分析科学系 (DIAS) 担任了一年的博士后研究助理。 Hoyes博士1990 年首次加入 VG Analytical，担任曼彻斯特工厂的开发物理学家。在头两年致力于改进磁扇磁场质谱仪器后，他开始研究飞行时间 (TOF) 质谱仪器。他是 VG Analytical 第一台 TOF 仪器的项目负责人，该仪器采用了 MALDI 离子源。 1995 年，他领导开发了世界上第一台商用 Q-TOF 仪器，该仪器于1996 年底由Micromass（后被Waters收购）推出。 2000 年，他发明了高分辨率光学 TOF 几何结构，并被纳入下一代 Q-TOF 仪器的改进。 2003 年，Hoyes博士离开 VG，成立了一家名为 MS Horizons 的新公司，专门提升该领域现有 Q-TOF 仪器的性能。在此期间，Hoyes博士对离子淌度和飞行时间杂合质谱仪器产生了兴趣，并为此申请了专利。他于 2006 年回到 Micromass（后被Waters收购） 担任研究总监，并于 2010 年成为技术总监。在他任职期间，公司推出了 SYNAPT G2、Vion 仪器和 StepWave 离子源等产品。 2013 年，他成为Waters科学研究员，并于 2016 年在 HUPO（人类蛋白质组组织）获得“科学技术奖”。2018 年 4 月，Hoyes博士离开公司，成立了 HGSG Ltd咨询公司。2020年Hoyes博士创立了 TrueMass公司以实现他对商业电荷检测质谱仪器的想法。总体看来，CDMS技术在复杂生物分析中能够发挥质谱技术的精确性优势，不久之后，质谱巨头们关于CDMS技术一定会动作频频，仪器信息网也将持续带来最新报道，敬请关注。
    时间： 2022-02-17
    作者： ONE
  • 基于电荷检测质谱(CDMS)对AAV提取的DNA的分析揭示基因组的截断
    大家好，本周为大家分享一篇发表在Analytical Chemistry上的文章，Analysis of AAV-Extracted DNA by Charge Detection Mass Spectrometry Reveals Genome Truncations1，文章的通讯作者是来自印第安纳大学化学系的Jarrold, Martin F.教授。　　腺相关病毒(AAV)是一种小的(26纳米)、无包膜二十面体病毒。由于其低免疫原性和高组织亲和性，AAV已成为一种很有前途的基因治疗载体。AAV衣壳包含三种病毒蛋白质，VP1、VP2和VP3。对于来自HEK细胞的重组AAV (rAAV)，VP1-3的比例约为1:1:10。AAV包裹单链(ss)DNA基因组。野生型基因组的长度约为4.7 kB。基因组两侧有两个倒置末端重复序列(ITRs)，它们在复制和基因组包装中起着重要作用。目前，主要用于rAAV研究的生产平台是人HEK293细胞的瞬时转染，然而其HEK293细胞的制造限制其大规模地用于AAV载体的生产。杆状病毒感染的Sf9细胞系已被发现是一种可行的生产方法，但是研究发现在生产过程中出现的ITR丢失和基因组截断现象，似乎成为了Sf9细胞系必须关注的一个问题。因为包裹着不完整的基因组的载体，会使得治疗的有效性降低。　　在本研究中，作者提出了一种利用电荷检测质谱(CDMS)直接检测从AAV中提取的DNA的方法。CDMS可以使用静电线性离子阱(ELIT)同时检测单个粒子的电荷数和质荷比，从而直接获得粒子的质量。测量是在一个自制的仪器上进行的，简单地说，纳喷雾(Advion Triversa Nanomate)产生的离子通过金属毛细管进入仪器，然后通过几个不同真空区域。第一个区域包含FUNPET(an ion-funnel ion-carpet hybrid)，随后是射频六极杆和分段射频四极杆。FUNPET会破坏气体通过毛细管时形成的气体射流，样品离子随即在六极杆中被热化，最终的离子能量由六极杆上的直流电位决定。离子束在分段四极杆中的径向分布被压缩，经过四极杆的离子通过非对称艾泽尔透镜聚焦到双半球形偏转能量分析器中，并设置传输具有较窄动能分布的离子(以100 eV/z为中心)。传输的离子被聚焦到ELIT中，其中一些离子被捕获并通过位于ELIT端帽之间的检测圆筒来回振荡。振荡离子产生的信号被电荷敏感放大器接收。信号被放大和数字化，然后用快速傅里叶变换(FFTs)进行分析。短时间窗口FFT通过每个捕获事件的信号进行转换，以确定离子是否在整个事件中被捕获。没有在整个事件中存活的离子信号将被丢弃。振荡频率与m/z有关，振幅与电荷成正比。用这种方法测量了数千个离子，并将其分成直方图以给出质量分布。　　　　图1. 来自Sf9细胞的AAV8-CMV-GFP的CDMS测量。(a,b)未孵育样品的质量分布和电荷与质量散点图。电荷与质量散点图中的橙色线是球形离子瑞利电荷极限的预测。(c,d)在45°c孵育15分钟后测量的质量分布和散点图。(d)中的插图显示了基因组从衣壳挤出的示意图。(e,f) 80°C孵育15 min后的结果。绿色虚线表示释放的ssDNA GOI的序列质量，紫色虚线表示互补DNA链碱基对进入溶液后的序列质量。图1第一排的图片显示了用CDMS测量的Sf9细胞制备的AAV8-CMV-GFP的质量分布。在4.5MDa处的主峰是由于rAAV对GOI进行了包装，在5.2MDa处的峰值是由于异质DNA的包装达到了包装容量，在3.7处MDa的肩峰是由于空颗粒。对应的电荷-质量散点图如图1第二排所示。其中空颗粒和包装了DNA的颗粒在电荷上的数值比较接近是因为DNA被包裹到了衣壳的内部。图1c显示了AAV8-CMV-GFP在45°C孵育15min后测量的质量分布。rAAV已经开始分解，存在大量质量低于3 MDa的离子。在3.7 MDa处的空颗粒的数量也大幅增加，这表明基因组正在被释放。而在80℃孵育15min后可见AAV已经完全分解，对应峰也消失了，而剩下的峰与推测的互补DNA链的分子量相当。图2显示了培养后为提取GOI而测量的rAAV载体的CDMS质量分布和电荷-质量散射图。值得注意的是，AAV8-CMV-CRE和AAV8-CAG-GFP(来自Sf9细胞)的平均电荷约为400 e, AAV8-CMV-GFP(来自HEK细胞)的平均电荷约为900 e。平均电荷的差异可能反映了dsDNA的整体几何结构，电荷越高的GOIs具有更广泛的结构。　　　　图2. 在80°C孵育15分钟后记录的代表性质量分布和电荷与质量散点图。结果显示AAV8-CMV-CRE、AAV8-CAG-GFP和AAV8-EF1a-GFP来源于Sf9细胞，AAV8-CMV-GFP来源于HEK细胞。紫色虚线显示dsDNA GOI的序列质量。插图显示了dsDNA GOI的峰值的扩展视图。图3a显示了测量到的dsDNA GOI与AAV样本序列质量的偏差的柱状图，对于大多数AAV样本，测量的dsDNA GOI大于序列质量。这种偏差可以用反离子来解释。DNA在中性溶液中带负电荷，因为它的一些主链磷酸被电离，dsDNA GOI有2219−3443个碱基对，因此它们可能有多达4438−6886个反离子。最可能的反离子是NH4+因为样品是用醋酸铵溶液电喷涂的。如果所有的dsDNA GOI主链磷酸都被电离并且有NH4+反离子，则附加质量(超出完全电离序列质量)为80 ~ 124 kDa。而有些dsDNA的分子量低于预测的序列质量，这是因为序列发生了截断导致的，图3d显示了为该样品测量的DNA峰值的扩展视图。峰宽可以提供截断分布的信息。如果所有的DNA链都损失了425 nt，峰值就会很窄。另一方面，如果截短长度分布较宽，则会产生较宽的峰值。图3d中的峰值相对较窄，说明分布较窄。有一个高质量拖尾，这可能表明一些基因组被截断了小于425 nt。　　　　图3. 来自Sf9和HEK细胞的一系列GOIs的AAV8、AAV9和AAVDJ血清型的dsDNA质量测量总结。(a)测量质量与序列质量偏差的柱状图。(b)考虑反离子的测量质量与预期质量的偏差的柱状图。(c) AAV基因组结构示意图。(d)来自HEK细胞的AAV8-CMV-CRE的dsDNA GOI峰的扩展视图。最后，将CDMS测量的基因组截断与来自第三代测序方法的信息进行比较将具有指导意义。尽管CDMS测量可以判断基因组是否被截断以及缺失的数量，但它不能确定截断发生在哪里。关于截断发生位置的信息可以从第三代测序中获得，这些信息反过来可以深入了解其机制。因此，CDMS测量全基因组MW和第三代测序是互补的。CDMS测量可用于筛选截断的基因组，以便通过第三代测序进行后续深入分析。　　撰稿：李孟效　　编辑：李惠琳　　文章引用：Analysis of AAV-Extracted DNA by Charge Detection Mass Spectrometry Reveals Genome Truncations　　李惠琳课题组网址www.x-mol.com/groups/li_huilin　　参考文献　　1. Barnes, L. F. Draper, B. E. Kurian, J. Chen, Y. T. Shapkina, T. Powers, T. W. Jarrold, M. F., Analysis of AAV-Extracted DNA by Charge Detection Mass Spectrometry Reveals Genome Truncations. Analytical Chemistry, 4310-4316.
    时间： 2023-03-23
    作者： ONE
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