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【原创】质谱(Mass Spectrometry, MS)与药学研究 [精华]

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丁香园荣誉版主

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1楼

这个帖子发布于6年零25天前，其中的信息可能已发生改变或有所发展。

首先，我绝没有意思想写“质谱在药学研究中的应用”这样一篇综述，只是我要写的内容恰恰与质谱和药学沾点关系而已。为什么要写这些呢？也许是想给后来人一些借鉴。当然绝不是非常成功的经验，也不是很失败的经验，更像一些默默无闻的大多数吧。如果您仅对如何成为明星科学家感兴趣，可能我的经历不适合你看；我的经历更适合想混日子而已的一般人。
十几年前，将要从事药学研究的我，偶然接触了质谱，真的是偶然，我们人生中的大多数事件都是这样遇到的。从那以后，这么多年来，一直与质谱打交道，如今，我可能更像一个质谱技术支持工程师。因为当我到这新单位的时候，虽然是一台我没有用过的质谱仪，但当我花半天时间浏览下说明书后，竟然发现我比这里工作多年的technician懂的还多。一开始我被告知不应该这样，不应该那样，没过多久，遇到问题就开始找我了。仪器的一些新功能，在没有人教的情况下，我发掘出来，分享给使用仪器的人。其实这并没有什么神奇，只要明白了质谱的原理以后，不同公司的仪器可能实现的方式不同，但都离不开那个道理。
本科最后一年的毕业实习，我选择了天然药物化学，遇到了对我人生产生重要影响的、可敬可爱的张老师。这么多年来，我们一直保持联系，与张老师之间，我想并不仅是那种师生关系而已，有机会再写与张老师的故事吧。天然药化的实验室在老科研楼的一楼，相比于二楼的药物分析实验室，显得简陋一些。张老师的办公室和实验室其实就是一个小单间，条件很简陋，绝对没法与张老师现在上海中医药大学的实验室比。在那里，我用硅胶柱分离天然产物，设计正交实验优化工艺。当时做的那个药材，不久前，听张老师说还在进一步开发，获得了很多国家项目的支持。张老师实验室的旁边就是分析测试中心的核磁室，核磁室的对面就是药物代谢与药物动力学实验室的质谱室（里面有一台老型号的LCQ，在校庆八十周年的时候，我还特意去与那台仪器合影）。不久以后，我将在那里从事一段时间的NMR分析工作，但还不是与MS开始打交道。
到底什么机缘让我与质谱发生接触呢？那时我的GF就在钟老师的药物代谢与药物动力学实验室实习，钟老师的实验室每周都有组会(Seminar)，当然组会应该只有钟老师实验室的人才可以参加。不过因为我与GF的关系，经常在钟老师的实验室里面晃，大家也对我并不陌生，或者不是很排斥吧，至少我去参加他们的组会不会被赶出来。也有可能钟老师实验室的人太多了，开组会需要借本科的大教室，混进一些外来人，估计比较难发现。那天是一位郭师姐汇报阿德福韦的工作，提到它有丢失30Da的碎片，郭师姐认为是丢失了两个甲基自由基，我当时就觉得肯定不可能是两个甲基自由基。我把自己的理解说给了旁边的段师兄，好像他并不相信我说的，对于我一个外人的看法不相信是自然的了，因为全校也就钟老师这里有质谱，只有钟老师实验室的人接触的比较多。郭师姐讲完以后，钟老师马上对这个30Da的解释提出了质疑，询问大家有没有其他看法。我没有敢站起来回答，只是比较大声的在下面把我的看法说了出来，钟老师肯定是听到了，并对我的看法给予肯定，这个30Da应该是丢失CH2O的结果。立马，我周围的师兄、师姐回头看了我一眼。我当时并不懂质谱，只是利用自己的有机化学知识得出的判断，质谱内的反应（碎裂）当然也是一种化学键的断裂与重构啊！这种看法，也是我后继十多年对质谱断裂过程理解的基础。
也许是因为这次机缘，也有可能有其他原因，导致我研究生阶段进入了钟老师的实验室。其实我记得自己的志愿是填写的毕老师，自己没有敢选择钟老师，我还曾经找过另一位余老师，唯独没有找过钟老师。但我竟然进入了钟老师的实验室，后来听说是钟老师强烈要求的，专门去找毕老师沟通过。当然这些细节不是很重要，重要的是我有了长时间接触质谱的基础。但是，正如前面提到过的，我一开始也没有从事与质谱相关的工作，而是被钟老师发配到了分析测试中心的核磁室去学习NMR。（待续）

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2013-12-25 14:06 浏览 : 11499 回复 : 59

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kinginsun 编辑于 2013-12-26 14:54

• 丁香晚间病例-各科室医患沟通中的神比喻！90% 的医生都会遇到

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楼主

kinginsun

丁香园荣誉版主

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34楼

(5) 缘何碎片质更高反常里面藏玄妙
质谱是一门试验科学，而试验科学的精髓就是尊重试验的结果，这一点是我们搞试验人员必须时刻要牢记的。“试验”不是“实验”，你要不断的去尝试，尤其是别人没有尝试过的东西（包括动手的尝试和动脑的尝试），而不是总重复别人，如给本科生上实验课一样。如何才能体现对试验的尊重呢？！千万不要用自己已知的经验去限定未知的试验现象，这可能也是专家（这里特指那些只会吹嘘，没有实践经验的人，不要对号入座。）的思想一般都比较顽固的缘故吧。专家的头脑中有过多的思维定式，遇到问题多是从自己以往的经验去判断，如果不符合自己的经验，就会下结论“你做的试验有问题，重做！”。从科学发展的角度看，所有的理论都是建立在对现象的观测的基础上的，随着科学的进步，以往的理论很可能会被推翻或着发展，所以尊重“试验结果”才是更科学的研究科学的方式（理论先行也非常重要，但对我们大多数人来说，还是需要试验为基础）。
每年钟老师实验室会承接大量的临床前研究和生物等效性研究的项目，貌似每年要做50多个。因此，实验室的研究生可以在很短的时间内，接触了大量的研究实例，对于研究生开拓视野和综合能力的培养非常有帮助。每周的组会就是师兄、师姐们大展身手的机会。钟老师那敏锐的思维、犀利的提问，让每个汇报人“痛并快乐着”，“痛”是因为被抓住了自己工作的漏洞，“快乐”是因为每次汇报就是一次提高的机会。除了钟老师的提问，陈老师的发问也经常让人不寒而栗；此外，其他研究生更不会放过机会来展示自己的观点，我记得韩师姐、曾师姐和谢师兄的问题总是很独到，尤其是讲话的腔调，让我记忆犹新。我很享受那几年组会的经历，正是在组会上，我培养了对研究的兴趣。多年以后，我在现在的研究团队中，又发现了那种久违的讨论氛围，在我想彻底放弃研究生涯的时候，又多了一丝希望。
为何开头我强调“试验观测”的重要性呢？我想给大家分享一下我做过的一个研究实例。艾瑞昔布是恒瑞医药开发的一个COX-2选择性抑制剂，相当于辉瑞的重磅**药物（销售额23.8亿美金）塞来昔布的me too药物，现已国内上市。我主要负责其临床前研究，鉴定其在大鼠体内的代谢产物，详细研究工作见我的硕士论文（《艾瑞昔布在大鼠体内的代谢与排泄研究》）。当时采用的技术主要是“碰撞诱导解离（collision-induced dissociation technique，CID）”质谱，即用惰性气体在近真空的状态，与离子化的分子发生碰撞，从而生成分子的系列碎片，而这些碎片是与其结构相关连的，通过分析这些碎片就可推测代谢发生的位点，简单说就是这么一个过程。一般说我们只关心比分子离子峰小的离子，当然在大于分子离子峰的区域确实会有些其他离子，多被认为是仪器噪音而不理会。因为从我们的常识出发，一个砖头，被外力碰撞以后，只能变成碎了的砖头，而不可能变成块头更大的砖头！但在我研究艾瑞昔布代谢物的时候，发现M2在其二级质谱图中，生成了比准分子离子m/z 400多14Da离子，且相对丰度高达60%，这样明显的离子很难被当作背景吧，如下：

MS2 of 艾瑞昔布羧基代谢物
进一步对碎片离子m/z 382进行MS3分析，仍然生成了m/z 414，真是非常奇怪。

M3 of 艾瑞昔布羧基代谢物
遇到这种现象后，我多次重复，确认不是试验操作的问题，既然确实存在这种显现，那么这类特殊的离子是否会受实验条件的影响呢？也许找到实验条件与这类离子的关系，即可对其进行解析。这里我使用了一个很重要的研究策略，不去纠结为什么会有这种现象，先不管它什么原因，不要让自己被以前的知识限定；也不去到处问所谓的专家，那样自己多半会更迷茫。我能改变的试验条件就是不同的流动相，分别用甲醇、乙醇、乙腈和丙酮溶解样品，进行流动注射分析，结果见下表：

溶剂对m/z 414离子的影响
做完上面的试验以后，只要具有简单的质谱理论知识，加上基本的逻辑就可以得出可能的结论：m/z 414与流动相中的甲醇有关。换成乙醇m/z 414的质量也增加14，这是阳性相关；乙腈和丙酮是阴性相关。在得出这个结论以后，把这种试验现象进行抽象就会得到类似理论的东西或者说是经验规则（我们所从事的研究多是这种发现）。从而我们对发生在离子阱质谱内的这一步反应用下面的图示说明：

M2在离子阱内与甲醇反应的机理
当我们得出了离子阱的这种“单分子-离子反应”与结构中的羧基有关，自然而然我们会想到，是否其他含有羧基的化合物也有这样的现象呢，如果存在的话，会使我们的推论更加有说服力。因此，我又拿实验室已有的含有羧基的化合物进行了分析，结果如下：

其他含有羧基化合物在离子阱内与甲醇反应的结果
以上试验结果的解释看我的硕士论文吧，不再赘述。从这个实例中，我遵循了研究的最基本过程，发现现象–>寻找与现象相关的因素–>解释现象–>推出经验规则–>应用规则。最后，我要顺便感谢钟老师对我画结构式的指点，包括元素字体的选择、线条的粗细、键角的大小等，从这些细节中让我感受到了钟老师治学的严谨。（待续）

2014-01-18 11:04

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• 名侦探上线，看图猜罪犯血管——冠脉多支病变

楼主

kinginsun

丁香园荣誉版主

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27楼

麻烦自找自受罪，好事多磨多无果！
早晨很早就来图书馆了，这个周末必须要把两件事做完。已经快中午了，还没有开始。碰到了Prof. M，一直聊她的事情，如果不是另一个PhD的到来，我现在估计还没有脱身。近来一些事情不断的应验，我越来越怀疑这个世界是否是真实的，难道我是在梦中吗？如果我是在梦中，那么是谁在做梦？如果是我，我又怎知是自己在做梦？如果我知自己在做梦，那么我不应该是清醒的吗？
十年前，在那个互联网还不太发达的时代，国内的网络资源极端匮乏，能够从国外大学获取资料成为了一种时尚。我们不知道这些东西过几年就会在国内大学普及化，如果真有此先知，何必浪费时间呢？得不到的东西才会觉得珍贵，而得到的东西往往又不会珍惜。资料可以帮你提升技能和专业修养，前提是真正的使用它。你收集的电子书可否看完百分之一？你拥有的哪个软件被你用到了极致（Excel你真的会了吗）？你Down的英语学习资料可否听过百分之一？每天看到BBS上那些要资料的帖子，我逐渐明白，这个轮回是大多数人都需要经历的，可能有些人N年以后会明白，更有可能会不明白。另一方面，我又很羡慕那些自己没有能力和技术搞到资料，也没有地方找到资料的人，往往他们的前途都比较光明和充满希望。
一位师父讲过一个故事，说的是一些人要到河对岸去，每个人的聪明程度和能力水平各不相同。有的人直接游过去了，当然有的会被淹死；有的人买船票，被船夫载过去；有的人去伐木自己造船；有的人跑到很远的地方去学习造船技术；学习造船技术又分很多种，有的是造木筏，有的是大船，还有的是潜水艇，甚至航空母舰。大家明白了吗？自己属于哪种人呢？貌似那些那些所谓的大牛都是学习造航母出身的。技术越先进，越会偏离自己的本心，学的技术越多越容易成为负累。当你花20年时间学会了航母技术，过河后，你会舍得扔掉它吗？

我不禁想，质谱技术同样如此吧？这个“本心”是实际的药学问题，如成分鉴定、定量分析等，“船”是各种有机质谱技术，如同位素标记、H-D交换、密度泛函理论。。。总有很多学不完的东西，不过我们的时间和精力都是有限的，如何取舍和规划，显得比技术本身更重要。（待续）

2014-01-04 12:37

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• 博士上岸，年底感谢园子

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kinginsun

丁香园荣誉版主

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4楼

我在丁香园发过的关于质谱的帖子非常少，初步统计主题贴只有5个，两个为精华贴，其中回复最多的那个帖子还是用马甲发表的。看到这个结果，怪不得会有人误会我与质谱没有关系了，这些帖子在我所有丁香园发表的帖子中，还占不到千分之一。想到此，不仅暴汗，原来这么多年我都在丁香园不务正业呀！
2002-11-24 18:28：非常好的质谱解析辅助软件
2002-11-29 19:38：向大家介绍一点质谱知识------离子阱 [精华]
2002-11-30 11:59：给大家介绍一点质谱的基础知识
2003-06-04 22:16：利用finnigin公司的Qual Browser学习离子阱质谱的多通道功能
2006-07-05 16:07：【讨论】质谱解析专贴（解谱练习-6）：2012-12-07更新 [精华]

2013-12-25 15:37

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kinginsun 编辑于 2013-12-25 15:41

• 中国交换生眼中的哈佛医学生：清苦、自律、更努力

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