選擇性切斷生物體高分子的非共價鍵等並分析的方法和裝置的製作方法
2023-08-05 12:43:46
專利名稱：選擇性切斷生物體高分子的非共價鍵等並分析的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種選擇性切斷生物體高分子的非共價鍵、其它鍵並分析的方法和裝置。
背景技術：
在質量分析裝置等離子分析裝置中，需要對待分析的樣品進行電離。因而，在這些離子分析裝置的前段設有電離裝置。
電噴霧電離(ESIelectrospray ionization)法為離子分析裝置中使用的電離法之一。
電噴霧電離(ESI)法作為可以使DNA或蛋白質等生物體高分子電離的方法之一被廣泛使用。ESI法可以溫和地電離DNA或蛋白質，以非共價鍵形成的多個DNA或蛋白質構成的配位化合物也可以以原有的形式電離。由於具有這樣的特徵，ESI法被用於生物體分子的結構功能分析。
生命活動是通過各種生物體分子相互作用而實現的。因而，在理解生命現象的基礎上，利用生物體分子的相互作用形成的配位化合物的整個分子質量是重要的信息，了解其相互作用的強度也很重要。
為了通過質量分析來解析ESI法產生的配離子的分子間相互作用的強度，通常使用組合ESI法和碰撞活化的方法。該方法如下所述。即，用ESI法電離由多個生物體分子亞單元構成的配位化合物，觀測配位化合物的分子量相關離子。接著，將該離子導入真空中，用電場加速該離子，使其與真空中的氣體分子碰撞，進行碰撞活化，使其解離成形成配位化合物的各構成要素，考察已賦予的碰撞活化能和鍵的強度的相關關係。
如同酶與輔酶或藥物受體與藥物等那樣，在是蛋白質-低分子化合物配位化合物的情況下，在該方法中蛋白質或低分子化合物不發生分解而只切斷非共價鍵，從而各分子解離，可以考察相互作用的強度。
然而，如同雙鏈DNA和蛋白質構成的配位化合物那樣，靜電相互作用或氫鍵成為配位化合物形成的主要因素，而且構成的分子的結構不十分穩定，此時，如果使用上述方法，不僅切斷非共價鍵，還切斷弱的共價鍵，其片斷(fragment)也被合在一起觀測。例如也可能切斷雙鏈DNA部分的共價鍵。這是因為，用於碰撞活化的能量被消耗在配位化合物的解離和碎裂(fragmentation)兩方面。所以，得到的光譜變得複雜，在通常的ESI-碰撞活化的方法中，難以正確地定量解析相互作用的強度。例如參照下面的文獻。
Activation Energies for Dissociation of Double Strand OligonucleotideAnionsEvidence for Watson-Crick Base Paring in Vacuo Schnier PD，Klassen JS，Strittmatter EF and Williams ER JACS(1998)120，9605-9613。
生物體高分子的離子分析中的另一個問題是，有時生物體樣品溶液中會不可避免地含有界面活性劑。另外，為了提取例如脂溶性蛋白質，需要界面活性劑。如果在生物體樣品溶液中含有界面活性劑，則ESI法難以氣化蛋白質，難以電離。
發明內容
本發明提供一種可以只選擇性地切斷生物體高分子的非共價鍵並分析的方法。
本發明還提供一種選擇性地切斷包括生物體高分子的非共價鍵的各種鍵並進行分析的方法。
本發明還提供一種與是否存在界面活性劑無關而可以分析蛋白質等生物體高分子的方法。
本發明還提供一種適用於上述的選擇性切斷的分析裝置。
利用本發明的生物體高分子的分析方法是，將含有生物體樣品的溶液導入毛細管中，在施加的電場下向從毛細管的頂端流出的樣品溶液照射第1紅外雷射光，使溶液中的生物體高分子解離成構成要素，將解離的構成要素離子或生物體高分子離子導入到分析裝置的主要部分的方法。在生成的帶電液滴中也會發生生物體高分子向構成要素的解離。分析裝置的主要部分是指產生對已解離的構成要素離子或生物體高分子離子進行鑑定的數據的部分(通常該主要部分被稱為分析裝置)。作為一個例子，紅外雷射光是具有10.6μm的波長的雷射。
利用電噴霧法，在電場下，從毛細管的頂端噴霧含有生物體高分子的樣品溶液。利用第1紅外雷射光照射，由很多生物體分子構成的配位化合物在溶液中被分解為其構成要素(亞單元分子)。被分解的構成要素利用第1紅外雷射光照射，與電噴霧法相比，極大地促進了氣相電離。另外，配位化合物只有其非共價鍵被紅外雷射光照射選擇性地切斷，其它共價鍵等不被切斷。這樣，作為配位化合物的構成要素的生物體分子不被斷片化，而從配位化合物解離，而且促進氣相離子的產生，所以通過將其導入分析裝置的主要部分，配位化合物或生物體分子的高敏感度檢測及其解析成為可能。另外，即使在生物體樣品溶液中含有界面活性劑，通過第1紅外雷射光照射，生物體樣品也容易氣化、電離，所以可以進行其分析。
在切斷沒有被紅外雷射光切斷的共價鍵等的情況下，向上述配位化合物或構成要素照射第2雷射光。第2雷射光的波長可以根據欲切斷的鍵的種類等來確定。
根據需要，優選對生物體樣品進行加熱、冷卻等溫度控制。通過冷卻，可以處理用通常的溫度(例如室溫)難以觀測的非常弱的鍵構成的配位化合物。
另外，使雷射光的強度改變，將在各雷射光強度中產生的構成要素離子導入到分析裝置的主要部分即可。由於雷射光強度產生的構成要素離子不同，所以對闡明鍵的強度有幫助。
包括如下步驟即可將在未照射第1紅外雷射光的狀態下電離的生物體高分子導入到分析裝置的主要部分的步驟；將在照射第1雷射光的狀態下產生的構成要素離子導入到分析裝置的主要部分的步驟。
利用本發明的分析裝置具備供給樣品溶液的毛細管；在上述毛細管的頂端部附近形成電場的機構；調整上述毛細管內或從上述毛細管噴霧的液滴的溫度的機構；為了向上述毛細管的頂端部附近照射紅外雷射光而配置的第1紅外雷射光源；以及將從上述毛細管的頂端噴霧的樣品的離子或利用上述紅外雷射光照射解離的構成要素離子導入到分析裝置的主要部分的機構。在毛細管的頂端部附近形成電場的機構、調整溫度的手段包括後述的如實施例所示的各種形式。將樣品的離子或解離的構成要素離子導入到分析裝置的主要部分的機構也可以是打開分析裝置的離子導入孔的孔口(orifice)。
通過設置第2雷射光源，共價鍵等鍵的切斷也成為可能。另外，設置監視器裝置，可以拍攝毛細管頂端部附近的樣品溶液的噴霧狀態。還可以設置各種溫度調整裝置、結構。
本發明還提供一種納米雷射噴霧裝置。
圖1是表示第1實施例的分析裝置的構成圖。
圖2表示利用電噴霧使生物體高分子(配位化合物)電離、利用紅外雷射照射解離成其構成要素的一個例子。
圖3表示質量光譜。
圖4是表示雷射強度對離子強度特性的典型例子的曲線圖。
圖5表示含有界面活性劑的樣品溶液的質量光譜。
圖6是表示第2實施例的分析裝置的構成圖。
圖7是表示第3實施例的分析裝置的構成圖。
圖8是表示矽毛細管的截面圖。
具體實施例方式
第1實施例圖1是表示包括在質量分析裝置的離子導入口附近安裝的雷射噴霧裝置的分析裝置的整體構成圖。
在質量分析裝置10的離子導入口的部分，安裝有開有微細的孔11a的第1孔口11。微細的孔11a為離子導入口。質量分析裝置10內被保持成真空。質量分析裝置10內還進一步設置有在內方開有微細的孔12a的第2孔口12。在第1孔口11與第2孔口12之間設置有環形透鏡(ring lens)13。在雷射噴霧裝置20產生的離子通過第1孔口11的孔11a，利用透鏡13發生偏斜，通過第2孔口12的孔12a，向質量分析裝置10的內部導入。
在質量分析裝置10的器壁，以包圍孔口11並將其覆蓋的方式安裝有雷射噴霧裝置20的外殼(housing)21。由外殼21和孔口11包圍的空間為電離空間。電離空間內可以為大氣壓。但也可以將電離空間內保持為真空。整個質量分析裝置10和雷射噴霧裝置20相當於本發明的分析裝置。質量分析裝置10相當於利用本發明的分析裝置的主要部分。
設置有貫通外殼21的壁並用於供給含有生物體高分子的生物體樣品溶液的毛細管(細管)22；和包圍該毛細管22的除了頂端部以外的外側的外筒23。毛細管22的頂端部位於外殼21內的孔口11的孔11a的近旁。在外殼21的外部，毛細管22從外筒23向其外方導出。
在毛細管22的外周面與外筒23的內表面之間有間隙(間隔)，通過該間隙供給用於調整溫度(加熱或冷卻用)(在促進液體樣品的乾燥的情況下，如果使氣體乾燥，則效果更佳)的輔助氣體(N2氣)。外筒23的頂端部在外殼21的內部，在毛細管22的頂端的若干靠近之處形成錐形形狀，直徑變細，上述間隙變窄。被供給到上述間隙的輔助氣體從外筒23的頂端部噴出到電離空間內。
向毛細管22的頂端部附近施加正或負的高電壓。可以用導體形成毛細管22，向毛細管22施加高電壓；在毛細管22為玻璃管那樣的絕緣體的情況下，也可以在毛細管22的外周面蒸鍍金屬膜，向該金屬膜施加高電壓。也可以在毛細管22的內部插入施加了高電壓的導電線。也可以向外筒23施加高電壓。
這樣，通過毛細管22和外筒23構成電噴霧裝置。利用輔助氣體(N2氣)冷卻毛細管22內的溶液時，也可以將其稱為冷噴霧。冷噴霧使鍵較弱的配位化合物的解析成為可能。
在外殼21的外部配置紅外光雷射裝置31，從該雷射裝置31發射波長10.6μm的紅外雷射光，利用透鏡33聚光，通過外殼21的開口或由透明體形成的窗，入射到外殼21內。雷射裝置31被配置成其發射的雷射光沿著毛細管22的軸方向投射到毛細管22的頂端。也可以將雷射裝置31配置在毛細管22的側方，將其發射的雷射光從與毛細管22的軸方向垂直的方向投射到毛細管22的頂端部。在這種情況下，毛細管22的頂端部相對紅外光為透明的。也可以將雷射光照射到相對於毛細管22的頂端稍微外方的位置。
從毛細管22向其頂端部供給生物體樣品溶液，該溶液與輔助氣體一起從毛細管頂端噴霧。此時，生物體樣品在由多種生物體分子(構成要素)構成的配位化合物(生物體高分子)的狀態下被電離。通過在毛細管22的頂端部附近向含有配位化合物的生物體樣品溶液照射紅外雷射光，配位化合物在其共價鍵不被切斷的情況下，被選擇性地切斷非共價鍵，解離成其構成要素的離子。利用紅外雷射光照射也可以促進電離。配離子或已解離的構成要素的離子被從孔口11的孔11a導入到質量分析裝置20內。
如果顯示一個例子，如圖2所示，利用電噴霧，生成樣品中的雙鏈DNA-蛋白質配離子。該配離子通過紅外雷射光照射，只被切斷氫鍵(非共價鍵)，解離成蛋白質離子和2條單鏈DNA離子。單鏈DNA離子在紅外雷射光照射下不完全分解。此外，為了在第2圖中容易理解，描繪成按照電離和向構成要素的解離這樣的順序發生，但實際上這些是同時發生的，或者在向構成要素解離之後發生電離的情況居多。配位化合物利用紅外雷射光照射在溶液(液滴)中解離成構成要素。
圖3表示將紅外雷射光的輸出從零(OFF)改變為1.2W、1.4W時得到的質量光譜。
如果加強照射的紅外雷射光的強度，則進行從雙鏈DNA-蛋白質配離子向蛋白質離子的解離，在1.4W的雷射照射下幾乎觀測不到配離子。表明DNA分子的共價鍵被切斷的離子完全觀測不到，可觀測到2條單鏈DNA離子。
這樣，利用紅外雷射光照射選擇性地切斷氫鍵或基於靜電相互作用的非共價鍵。接著，通過改變照射的雷射光的強度，可以解析依賴於分子間的靜電相互作用的鍵或氫鍵的強度。
上述方法如下所述可以用於很多有效解析。
不僅是DNA-蛋白質配位化合物，而且在藥物-DNA或藥物-蛋白質的相互作用中，有靜電相互作用或氫鍵成為主要原因而形成配位化合物的情況。特別是在造藥中，從多個候補化合物篩選相互作用的藥物時，如質量分析那樣，只要可以使用混合物也適用且生產量高的方法，就可以縮短藥品的候補化合物的縮減所需要的時間，是極為有效的。例如混合分子量不同的10種候補化合物和作為目標的雙鏈DNA，首先，用ESI法檢測配位化合物的離子。從觀測的分子量相關離子的質量進行判斷，在該階段分清可以由10種候補化合物構成的配位化合物的化合物。接著，進行紅外光雷射照射，改變此時照射的雷射強度，解析配離子解離的形態。可以從雷射強度的變化，對配離子的解離容易度進行排序。
圖4是表示對於某種特定離子，離子強度的雷射光強度依賴性的典型例子的曲線圖(毛細管22為不鏽鋼製，其內徑為0.1mm、外徑為0.2mm、雷射點直徑0.3mm的情況)。根據生物體樣品的種類或生物體樣品中解離的離子，雷射光強度不同，雷射光強度對離子強度大致顯示如圖4所示的特性。如果雷射強度比某值大，離子強度急劇地減少。這是因為，如果從毛細管22的頂端出來的樣品溶液被雷射光照射而氣化，則不鏽鋼製毛細管的內部幾乎不存在電場，所以樣品溶液作為帶電液滴已經變成不從毛細管22頂端噴霧。
在改變紅外雷射光輸出(雷射光強度)，檢測目標離子中，發現最佳雷射光強度很重要。
圖5是表示對於含有界面活性劑10mM(摩爾)的10-5M的細胞色素C，在雷射光的輸出為零(OFF即電噴霧)的情況和為1.0W的情況下得到的質譜圖。
在雷射光為OFF的情況下，只有雜質離子(例如m/z 229.22630)佔優勢。
與此相對，如果照射1.0W的紅外雷射光，表現出在細胞色素C分子附加n個質子的多價離子(M+nH)n+(n＝5～12)的光譜(m/z 607.32437為雜質離子)。
即使存在這樣的界面活性劑，也可以通過照射紅外雷射光，高敏感度地檢測出蛋白質等生物體(高)分子離子。
第2實施例圖6是表示第2實施例的雷射噴霧裝置的圖。向與圖1所示的結構相同的部件附加相同的符號，避免重複說明。
在毛細管22的外側，除了第1外筒23之外，在毛細管22的頂端部，第2外筒24設置在第1外筒23的外側並隔著間隔。兩外筒23、24的頂端部在毛細管22的頂端部附近變為尖細開口。
在該實施例中，溫度調整裝置40具備液氮的桶(tank)41。已氣化的氮氣從桶41被送至供給管42。供給管42分支為2個支管43、44。這些支管43、44與外筒23、24連接。在各支管43、44，以可以分別獨立地操作、控制的方式設置有流量調節閥45、46和加熱器47、48。
最典型的使用方法是，與供給到第1外筒23的氮氣相比，供給到第2外筒24的氮氣更冷(例如0℃左右)。用流向第1外筒23的氮氣預冷被導入到毛細管22的生物體樣品溶液，在從毛細管22噴霧時，用從第2外筒24噴射的氮氣冷卻到需要的溫度(例如0℃)。
在外殼21的壁設置Peltier元件50。將整個電離空間(室)內冷卻到需要的溫度。
也可以與上述相反，使供給到第1、第2外筒23、24的氣體高於室溫，加熱樣品。對於電離空間也是一樣。這樣，電離空間也進行溫度調整，所以其外殼21在孔口11的附近藉助熱絕緣體14，被安裝在質量分析裝置10的器壁上。
設置用於將在毛細管22的頂端部產生的配離子或構成要素離子導入到孔口11的孔11a的彎曲的筒狀引導機構38。在該筒狀引導機構38開有使紅外雷射光通過的孔。
為了觀察毛細管22的頂端部的樣品的噴霧狀態，在外殼21安裝包括CCD攝像元件的監視器裝置60，毛細管22的頂端部的狀態被拍攝為動態圖像，並顯示出來。
在該實施例的雷射噴霧裝置設置有第2雷射裝置32。從第2雷射裝置32發射的雷射光通過透鏡34，在面對孔口11的孔11a的電離空間側的位置。
在毛細管頂端部產生的配離子或其構成要素離子從引導機構38通過孔口11的孔11a，被導入到質量分析裝置10內，在即將被導入到質量分析裝置10內之前，通過照射第2雷射光，切斷上述非共價鍵以外的鍵、例如蛋白質的共價鍵。這樣，例如胺基酸序列的解析成為可能。
第2雷射32可以使用與應該切斷的鍵的種類相對應的波長的(紅外、紫外或可見)光。
此外，在圖6中，第1雷射裝置31的第1雷射光與第2雷射裝置32的第2雷射光被平行圖示，這是因為，為了便於圖示，第2雷射裝置32優選被配置為第2雷射光垂直於紙面。
第3實施例圖7表示納米雷射噴霧裝置。
毛細管22A通過玻璃被形成得極細，頂端部的內徑為1～10μm左右。極少的樣品溶液被裝入到毛細管22A內，毛細管22A的後端為栓22a。
通過栓22a，金屬線(導電線、代表性的鉑線)70從毛細管22A的後端被插入到毛細管22A內。金屬線70隻要被插入到毛細管22A的長度方向的中間附近就足夠。利用高電壓發生裝置71向金屬線70施加高電壓。只要金屬線70與毛細管22A內的樣品溶液相接觸，該高電壓通過具有導電性的樣品溶液，被施加到其頂端部。也可以代替插入金屬線，而在毛細管22A的頂端部的外面蒸鍍金屬膜，向該金屬膜施加高電壓。
利用在毛細管22A的頂端部施加的高電壓，保持樣品溶液從毛細管11A的頂端突出的狀態。向從毛細管22A的頂端朝外方突出的樣品溶液，照射來自紅外光雷射裝置31的紅外雷射光。紅外雷射光不被照射到毛細管22A的頂端，即使照射，為相當於其周邊的一部分的程度即可。
毛細管22A被保持在支持器72內，該支持器72被保持在溫度調整模塊(block)73內。在模塊73內安裝有Peltier元件74，控制模塊73的溫度。這樣，將毛細管22A內的樣品溶液保持在需要的溫度。
代替使用玻璃毛細管，如圖8所示，也可以在矽基板80形成一個或多個毛細管80A。毛細管80A為與矽基板80形成一體的極細(內徑10μm左右)的筒狀體，與在基板80開的孔連通。在該孔中，利用細管81，從基板80的內側，將樣品溶液導入到毛細管80A。紅外雷射光如A所示從毛細管80A的橫向(與毛細管80A的軸方向正交的方向)向毛細管80A(的頂端部)照射，或者如B所示從斜前方向毛細管80A(的頂端部)照射。由於矽幾乎不吸收10.6μm的紅外光，所以紅外雷射光即使直接照射矽毛細管80A，毛細管80A也不被破壞。紅外雷射光照射矽毛細管80A的頂端部，加熱毛細管80A的內部的樣品溶液，使非共價性配位化合物分解。分解產生的構成要素(亞單元分子)利用被施加到矽毛細管頂端的高電場增大電離的效率。只要向矽基板80施加高電壓即可。另外，可以利用Peltier元件等對矽基板80進行溫度調節。
權利要求
1.一種分析方法，其中，將含有生物體樣品的溶液導入到毛細管，在已施加的電場作用下，向從毛細管的頂端流出的樣品溶液照射第1紅外雷射光，使生物體高分子在所述溶液中解離成其構成要素，將已解離的構成要素離子或生物體高分子離子導入到分析裝置的主要部分。
2.根據權利要求1所述的分析方法，其中，進一步向電離的生物體高分子或解離的構成要素照射第2雷射光，將在照射第2雷射光的狀態下產生的構成要素離子導入到分析裝置的主要部分。
3.根據權利要求1或2所述的分析方法，其中，在毛細管內或噴霧時冷卻生物體樣品。
4.根據權利要求1或2所述的分析方法，其中，控制生物體樣品的溫度。
5.根據權利要求1所述的分析方法，其中，包括將在未照射第1紅外雷射光的狀態下電離的生物體高分子導入到分析裝置的步驟；和將在照射第1紅外雷射光的狀態下產生的構成要素離子導入到分析裝置的步驟。
6.根據權利要求1或者5所述的分析方法，其中，包括改變照射的雷射光的強度並將在各雷射光強度下產生的構成要素離子導入到分析裝置的步驟。
7.根據權利要求1～6中任意一項所述的分析方法，其中，生物體樣品為脂溶性蛋白質，該溶液中含有界面活性劑。
8.一種分析裝置，其中，具備供給樣品溶液的毛細管；在所述毛細管的頂端部附近形成電場的機構；調整所述毛細管內或從所述毛細管噴霧的液滴的溫度的機構；為了向所述毛細管的頂端部附近照射紅外雷射光而配置的第1紅外雷射光源；以及將從所述毛細管的頂端噴霧的樣品的離子或通過所述紅外雷射光照射而解離的構成要素離子導入到分析裝置的主要部分的機構。
9.根據權利要求8所述的分析裝置，其中，還具備第2雷射光源，所述第2雷射光源被配置成向被導入到所述分析裝置的主要部分的樣品的離子或其構成要素的離子照射第2雷射光。
10.根據權利要求8或9所述的分析裝置，其中，還具備監視器裝置，所述監視器裝置被配置成對在所述毛細管頂端部附近的樣品溶液的噴霧狀態進行拍攝。
11.根據權利要求8所述的分析裝置，其中，所述溫度調整機構是，具備配置在所述毛細管的外側且與所述毛細管的外周面有間隔的外筒，通過所述毛細管與所述外筒之間，向所述毛細管的頂端部供給已進行溫度調整的輔助氣體的機構。
12.根據權利要求8所述的分析裝置，其中，所述溫度調整機構是，具備配置在所述毛細管的外側且與所述毛細管的外周面有間隔的第1外筒、和配置在所述毛細管的頂端部附近且在其與所述第1外筒的外側之間有間隔的比所述第1外筒短的第2外筒，分別通過所述毛細管與所述第1外筒之間、以及所述第1外筒與所述第2外筒之間，向所述毛細管的頂端部附近供給已被調整成不同溫度的輔助氣體的機構。
13.根據權利要求8所述的分析裝置，其中，所述溫度調整機構是，調整所述毛細管的至少頂端部和已配置所述分析裝置的離子導入口的電離室的外殼內的溫度的機構。
14.一種帶有納米雷射噴霧裝置的權利要求8所述的分析裝置，其中，所述毛細管為極細的毛細管，所述溫度調整機構調整保持所述毛細管的構件的溫度，所述第1紅外雷射光源是照射在比所述毛細管的頂端更外方的位置聚光的紅外雷射光而配置的機構。
全文摘要
本發明提供一種分析方法，其特徵在於，通過利用電噴霧電離生物體樣品溶液，同時向樣品溶液照射紅外雷射光，使生物體高分子解離為其構成要素。這樣，可以只選擇性地切斷生物體高分子的非共價鍵而進行分析。
文檔編號G01N1/28GK1961210SQ20058001576
公開日2007年5月9日 申請日期2005年5月17日 優先權日2004年5月18日
發明者平岡賢三, 明石知子, 高見澤淳, 楊·安·沙納 申請人:株式會社山梨Tlo