使用高分辨率质谱(HRMS)分析DNA和其他大分子

使用高分辨率质谱(HRMS)分析DNA和其他大分子

高分辨率质谱（HRMS）是一种用于分析DNA和其他生物大分子的高效技术，并且有可能成为法医化学家的宝贵工具。本文介绍了HRMS的基本概念、技术优势以及在法医学中的潜在应用，详细讨论了优化仪器条件、选择合适的溶剂和解释质谱的重要性。

这两种溶剂与优化的 HRMS 方法配合使用，可产生多种电荷态、高分辨率质谱和高离子信号强度，从而实现明确的峰识别。
高分辨率质谱 (HRMS) 是一种用于分析 DNA 和其他生物大分子的高效技术，并且有可能成为法医化学家的宝贵工具。在这项工作中，我们介绍 HRMS 的概念，讨论该技术的优点，并概述利用该平台开发应用程序所涉及的步骤。我们研究了优化仪器条件、选择合适的溶剂和解释质谱的重要性，同时考虑确定电荷状态、质量精度和分辨率。
具体来说，我们提出了一种使用傅里叶变换离子回旋质谱 (FT-ICR MS) 分析短单链寡核苷酸（26 和 28 碱基）的方法，同时探索样品基质的重要性。这项工作的结果表明，使用 50:50 水：乙腈 + 20 mM 咪唑 (C3H4N2) 分析小寡核苷酸产生了以 -5 电荷态为基峰的质谱。尽管离子强度低得多，但也观察到了 -4 至 -15 的电荷态。
使用水和 20 mM 咪唑对寡核苷酸进行分析，在 m/z 200–2500 的质量范围内产生从 -5 到 -11 的电荷态分布。这两种溶剂与优化的 HRMS 方法配合使用，可产生多种电荷态、高分辨率质谱和高离子信号强度，从而实现明确的峰识别。工作为需要高效、准确的 HRMS 协议的法医学科学家提供了“操作指南”。研究支持使用核酸进行诊断，利用 HRMS 分析寡核苷酸、短 DNA 片段和其他生物大分子。
图1. 使用水和 20 mM 咪唑作为溶剂的 5 μM 28 碱基寡核苷酸的质谱图 (A)。基于 8608.473216 Da 单一同位素质量的理论质谱如 (B) 所示。两个光谱均显示了 -6 电荷态【1】。
实验峰与理论峰之间的比较也将允许直观地解释光谱。使用布鲁克指南针数据分析软件生成的理论质谱与实验质谱的比较如图1 所示。实验和理论同位素分布之间的比较也可以通过使用以下方程确定质量精度来量化：
其中 Mexperimental 是实验 m/z 值，Mtheoretical 是理论 m/z 值。为了确定图1 中光谱基峰的质 量精度，我们使用方程式如下：

因此，图1 中观察到的基峰的质量精度为 -0.17 ppm，表明与理论分布相比具有较高的质量精度。负号表示观察值低于理论值，但这些低值使寡核苷酸的相应质量计算具有可信度，从而可以准确确定碱基组成或序列确定。可以通过将确定的实验质量与各种碱基组合的质量进行比较来确定碱基组成。鉴于准确性很高，我们可以通过将碱基的理论组合与确定的质量进行比较，明确指定所分析的 DNA 链的碱基组成。使用 HRMS 对分析的寡核苷酸进行测序已在其他文章中概述。
最终，HRMS 仪器的潜在用途包括 DNA 和 RNA 链的测序和结构重建、蛋白质结构的确定以及许多其他依赖于高质量精度的应用。特别是，我们看到 HRMS 有可能被整合为 PCR 产物（例如 STR 和 SNP、物种和/或基因鉴定）的检测方法，所有这些都具有明确的法医学价值。法医科学中此类应用的优化和引入最终需要法医科学家、化学家和生物学家之间的合作。这种合作不仅有利于法医学的多学科性质，而且还将通过开发与法医学相关的生物分子分析的定量方法来帮助加强法医学领域。
【1】Amanda Orr, Theresa Stotesbury, Paul Wilson, Naomi L. Stock, The use of high-resolution mass spectrometry (HRMS) for the analysis of DNA and other macromolecules: A how-to guide for forensic chemistry, Forensic Chemistry, Volume 14, 2019,100169,