原型Orbitrap Astral Zoom质谱仪在定量蛋白质组学中的评估——超越单纯的鉴定功能

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《Journal of Rare Earths》：Evaluation of a Prototype Orbitrap Astral Zoom Mass Spectrometer for Quantitative ProteomicsBeyond Identification Lists

【字体：大中小】 时间：2025年11月08日 来源：Journal of Rare Earths 7.2

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　　质谱仪技术进展及性能评估方法研究。本文通过改进Orbitrap Astral MS的离子预积累、优化传输效率并引入信号处理算法，构建了原型Zoom质谱仪。实验表明原型在离子利用率（提升23.1%）、检测效率（高9.2%）、定量精度（CV降低）等方面显著优于标准设备，并建立了基于离子数/秒的标准化校准框架，实现了跨平台质谱数据可比性验证。

　　在现代生物医学研究中，蛋白质组学已成为揭示生命过程和疾病机制的重要工具。随着质谱技术的快速发展，新型仪器的性能提升变得愈发重要，但如何科学、准确地评估这些改进仍然是一个关键挑战。传统的评估方法往往依赖于已有的搜索工具，如鉴定的肽段或蛋白质数量，但这些指标通常无法全面反映仪器性能的变化。此外，不同平台之间的比较也面临信号强度单位不统一的问题，这使得定量分析和数据整合变得复杂。为了解决这些问题，研究团队对一种新型的Orbitrap Astral Zoom质谱仪进行了系统评估，并提出了一种基于离子计数的通用校准框架，以更精确地衡量仪器性能。

Orbitrap Astral Zoom质谱仪是一种改进型的质谱设备，其设计旨在提高仪器效率。这种改进主要体现在三个方面：一是减少了离子传输过程中的延迟时间，从而缩短了每个循环的时间；二是引入了离子预积累步骤，允许在离子源的弯曲正方形四极杆区域中更长时间地聚集离子，以提升离子束利用率；三是采用了更先进的信号处理技术，理论上可以解析未完全分离的碎片离子。通过这些改进，该原型设备在多个关键性能指标上表现优异，例如在不同采集方法和样品输入条件下，其在前体离子和蛋白质鉴定、离子束利用效率以及定量精度方面均优于标准Orbitrap Astral质谱仪。

为了确保不同仪器之间的可比性，研究团队开发了一种离子校准框架，将信号强度从任意单位转换为离子每秒（ions/sec）。这一方法基于一个核心原理：信号强度与离子数量和采集时间有关，而校准过程则通过测量特定标准肽段的信号强度变化来确定校准因子α。通过分析多次重复测量中相同碎片离子的强度比值，研究人员可以排除常见的噪声源，从而更准确地反映实际离子数量。这种方法不仅适用于Orbitrap Astral Zoom质谱仪，也可以用于其他类型的质谱设备，为跨平台比较提供了一个统一的标准。

在实验设计中，研究团队使用了两种不同的样品：HeLa细胞裂解物和人类细胞外囊泡（EV）提取物。HeLa样品的制备遵循标准流程，包括细胞培养、裂解、蛋白浓度测定、还原、烷基化、蛋白聚集捕获（PAC）等步骤。而EV样品的制备则采用了磁珠富集技术，通过优化的液相色谱–质谱（LC–MS）流程进行分析。为了评估质谱仪的性能，研究团队对不同采集方法进行了比较，包括不同的隔离窗口宽度和采集时间设置。

在实际测试中，Orbitrap Astral Zoom质谱仪表现出显著的性能提升。例如，在2 Th隔离窗口和4毫秒采集时间条件下，该原型设备的MS/MS采集率接近理论上限，而标准Orbitrap Astral质谱仪的采集率则较低。此外，该原型设备在降低采集延迟和提升循环效率方面也有明显优势。通过计算不同条件下的离子计数和采集率，研究人员发现Orbitrap Astral Zoom质谱仪在所有测试条件下都比标准设备采集了更多的离子，尤其是在低输入量（如200 ng）的情况下，这种优势更加明显。例如，在2 Th与4毫秒的条件下，原型设备比标准设备多采集了48%的离子，而其定量精度（以系数变异系数CV衡量）也更低，表明数据的稳定性更好。

为了更直观地展示这些性能差异，研究团队在Skyline软件中引入了新的指标，用于报告每个肽段在色谱峰顶和峰积分边界内的离子数量。这些指标使得研究人员能够更精确地评估不同仪器在不同采集条件下的表现。例如，在HeLa样品分析中，Orbitrap Astral Zoom质谱仪在所有采集设置下均显示出更高的离子计数和更低的CV值，表明其在定量分析方面具有更强的能力。这些结果不仅适用于HeLa样品，也在EV样品的分析中得到了验证，说明该设备在不同类型的生物样本中均表现出良好的性能。

进一步的定量分析表明，Orbitrap Astral Zoom质谱仪在广泛的蛋白浓度范围内均能提供高精度和高准确度的测量结果。通过将样品与标准曲线进行比对，研究人员发现该设备能够准确地反映不同浓度下蛋白的相对丰度，并且在动态范围内的表现优于标准设备。例如，在0.1%到100%的EV蛋白浓度范围内，原型设备的CV值均低于标准设备，且其信号强度与理论预期一致。这些结果表明，Orbitrap Astral Zoom质谱仪不仅在高浓度样品中表现出色，而且在低浓度样品中也能够有效提高检测灵敏度和定量精度。

此外，研究团队还探讨了离子计数与定量精度之间的关系。根据泊松统计原理，离子数量越多，信号与噪声的比例越高，从而提升定量的可靠性。通过引入校准因子α，研究人员能够将不同设备的信号强度转换为统一的离子每秒单位，使得跨平台的比较更加直接和有意义。这种校准方法不仅适用于Orbitrap Astral Zoom质谱仪，也可以推广到其他类型的质谱设备，为未来的仪器评估提供了一种通用的策略。

研究团队还对不同标准肽段进行了校准测试，包括Glu[1]-Fibrinopeptide B、Ultramark 1122和Ultramark 1822。这些标准物质在不同仪器上的表现显示出相似的校准效果，表明该方法具有良好的普适性。例如，Glu[1]-Fibrinopeptide B在Orbitrap Astral Zoom质谱仪上的校准因子α为1.31，而标准设备的α为1.53，说明原型设备的信号强度更接近实际离子数量。对于Ultramark 1122和1822，其校准因子也显示出相似的趋势，进一步验证了该方法的有效性。

值得注意的是，不同类型的质谱设备在信号校准上存在差异。例如，Orbitrap分析器（如Orbitrap Fusion Lumos Tribrid MS）的校准因子通常高于离子阱分析器（如Stellar MS），这可能与设备的硬件设计和软件算法有关。尽管如此，Orbitrap Astral Zoom质谱仪在所有测试条件下均表现出较高的校准精度和较低的噪声水平，表明其在定量分析方面具有显著优势。

综上所述，Orbitrap Astral Zoom质谱仪的改进显著提升了其在数据非依赖性采集（DIA）模式下的性能。通过引入离子校准框架和新的分析指标，研究人员能够更准确地评估不同设备的离子计数和定量精度，为质谱技术的进一步发展提供了科学依据。该研究不仅展示了新型质谱设备在提高离子利用率和采集效率方面的潜力，也为未来的蛋白质组学研究提供了一种更加精确和可比的评估方法。

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