生命的奥秘是由承载于DNA上的基因来决定的。就人类而言，每个体细胞中的DNA上都包含着大约30亿对核苷酸，并由这些核苷酸编码着大约1.5万个左右的基因。2001年，由多国科学家经过12年的艰苦努力，最终完成的人类基因组计划测定了人类染色体DNA上所有核苷酸的排列顺序。但这也仅是人类认识生命的第一步，人们更关心的是染色体DNA上的这些核苷酸究竟编码着哪些基因，这些基因的功能又是什么？就在当前这场功能基因组研究热潮中，一些科学家更是前瞻性地提出了在基因组计划基础上进行蛋白质组研究的宏伟设想。

在体细胞的整个生命过程中，基因组是相对稳定的，但蛋白质组却是动态变化的。蛋白质组计划就是要研究细胞中所有蛋白质的变化规律。与基因组研究相比，蛋白质组研究具有更大的难度，但也因此具有更大的挑战性。

进行蛋白质组研究的第一步就是要分离出细胞中的所有蛋白质，这可由一项称之为双向凝胶电泳的技术来完成；其次，要分析这些分离出来的蛋白质究竟是什么种类的蛋白质，这又要由一项称之为软电离质谱的技术来完成；最后，还要确定各种蛋白质在生理状态下的结构是怎样的，这项工作又需要应用一种被称之为核磁共振的技术。

2002年10月，瑞典皇家科学院宣布将2002年度的诺贝尔化学奖金的一半授予日本岛津公司的田中耕一和美国弗吉尼亚大学的约翰芬恩（John Fenn），以表彰他们在发展生物软电离质谱技术上作出的重大贡献。而奖金的另一半，则授予了对发展生物核磁共振技术功勋卓著的瑞士苏黎世联邦工学院的库尔特 · 维特里希（Kurt Wuthrich）教授。由此也可以看出分析技术的发展对科学研究的巨大推动作用。那么，什么是软电离质谱技术呢？这种技术对生命科学的进步又起着什么重要的作用呢？

质谱探微

质谱仪利用高能电子流或激光等手段将待测化合物分子打掉一个或数个电子后，使之形成正电荷离子，并在电场和磁场的作用下按质量大小进行分离，从而测定其质量和含量。不同的正离子按质量大小排列而成的图谱就称作质谱。利用质谱不仅可以测定化合物的分子量与混合物的含量，还可以用来推断化合物的分子式和结构。

质谱仪的工作过程，首先是样品送到电离室去电离。在电离室中，样品被高能电子流或激光打掉一个电子形成带正电荷的分子离子，并可进一步裂解成更小的子离子及中性碎片。其中的正离子被送人加速室，加速室中带有数千伏特的高压电场，在高压电场的作用下，正离子将被加速。如果忽略进入加速室正离子的初始能量的话，根据能量守恒原理，正离子所获得的加速动能应等于其在加速电场中的位能，即1/2mV²=eE.其中，m为正离子质量，V为正离子的速度，e为正离子电荷，E为加速电压。随后，经过加速的正离子又被送人一条具有一定半径圆形管道的分离室，分离室的四周加有均匀磁场，进入分离室的正离子在均匀磁场中受洛伦兹力的作用而作匀速圆周运动。这时的正离子所受到的向心力即等于洛伦兹力，mV²/R=HeV，R为正离子作匀速圆周运动的半径，H为磁场强度。经过整理，可以得出：m/e=H²R²/2E，m/e称作质/荷比。通过调节电场或磁场强度，可使不同质/荷比的正离子依此通过分离室而进入收集器，最后进行测量分析。

由质谱仪描绘出的质谱图其实就是记录正离子质/荷比及峰强度的图谱。在一张质谱图上，可以看到分子离子峰碎片离子峰、亚稳离子峰及同位素离子峰等许多种峰，通过对这些不同的峰进行综合分析就可以得出样品的分子量、种类及结构等数据。

虽然质谱技术问世已逾百年，并早已成为有机化合物分析的重要手段，但遗憾的是，质谱技术长期没能应用于生物大分子的研究中。究其原因，主要是进行质谱分析必须先要对样品进行电离，而以往的电离方式是样品分子必须气化并与高能电子直接碰撞。对热不稳定性的生物大分子（蛋白质、核酸、多糖）来说，用这种硬电离方式来电离，将会产生大量的碎片离子，结果造成质谱图上谱线相互重叠并多得无法解析。那么，质谱这种高精尖的分析技术真的就无缘于生物大分子研究吗？或者是否还能另辟蹊径呢？

软电离技术

1980年代，芬恩首先发展了一种新的样品电离技术。他采用了一个带有高压电场（一般为4000电子伏特）的金属注射器，使样品溶液通过这个高压注射器而产生带有电荷的雾滴，并被送人离子化室内。离子化室内干热的气体使这些带电的雾滴蒸发并最终分解为大量带有一个或数个电荷的离子而进入分离室分析。这种电离技术的主要特点是，样品分子离子化时，可以保留整个分子的完整性，不会产生碎片离子，因此，可用于蛋白质、核酸等生物大分子的分析。由于在离子化过程中，使样品溶液形成了带电的雾滴，因此，这种电离技术被称之为电喷雾离子化技术，而采用这种电离技术的质谱就叫作电喷雾质谱。

电喷雾质谱是以液态取样的，所以也可与高效液相色谱、毛细管电泳等高效分离手段联用，从而能更好地分析复杂样品。

在20世纪80年代末期，田中耕一和德国科学家卡拉斯（Karas）等几乎同时提出了另一种电离技术——基质辅助激光解吸离子化技术。采用这种电离技术的质谱就叫作基质辅助激光解吸电离质谱。这种技术将样品和基质（一般为有机酸）按一定比例混合后放在一个探头上，在脉冲激光的照射下，样品分子和基质分子同时吸收激光的能量而被气化，气化的基质分子可以很容易地释放出质子。这些由基质释放的质子又可被样品分子所俘获，从而使样品分子带上正电荷。带电的样品分子在强电场的作用下将被加速进入飞行管进行分析。

基质辅助激光解吸离子化技术的特点是，首先用脉冲激光将基质分子电离，同时将样品分子气化，在气相中基质分子将质子转移到样品分子上，使样品分子带有电荷，从而进行质谱分析。由于基质吸收了激光的大部分能量，因此，可以保证样品分子不被激光打碎，而只产生准分子离子。另外，采用了脉冲激光作为电离手段，使得激光与样品分子之间的作用时间短、温度低，也可以避免样品分子的热分解。所以，基质辅助激光解吸电离质谱也可用于生物大分子的分析。

与早期质谱的硬电离方式相比，电喷雾和基质辅助激光解吸离子化技术对样品分子的破坏性小，可保留整个分子的完整性，因此，这两种离子化技术也被称作软电离技术，而采用软电离技术的质谱就被称为软电离质谱。

软电离质谱技术经过十多年的发展，现已成为生物大分子研究中的重要手段。尤其是近年来，随着蛋白质组研究热潮的兴起，软电离质谱正在成为蛋白质研究中的首选分析技术。

解读生命奥秘

癌症是一种严重危害人类健康难以治愈的疾病，目前尚无有效的防治手段。因此，癌细胞的早期发现在癌症治疗中就显得尤为重要。如果能从蛋白质组的研究角度出发，分析正常细胞与癌变细胞中蛋白质组的差异与变化规律，找出癌细胞中特异蛋白质标志物，这将对癌症的诊断及作为药物治疗靶标都具有重要的意义。国外有科学家采用基质辅助激光解吸电离质谱技术分析了肾癌患者癌组织和正常肾组织的蛋白质组，发现在正常组织中存在着谷胱甘肽过氧化酶和单体锰超氧化物歧化酶，而在肾细胞癌组织中则只有多聚体锰超氧化物歧化酶。追寻这一线索，进一步研究发现编码这两种酶的基因分别位于第五号和第六号染色体上，而早期的细胞遗传学研究也发现在上述两条染色体上同一位点附近发生缺失或转位都与肾细胞癌的发生有关。因此，这两种蛋白也可以作为肾细胞癌的诊断标志物。

幽门螺杆菌是一种专门寄生于人胃粘膜上的致病细菌，可引发慢性活动性胃炎和消化性胃溃疡同时也与胃癌的发生密切相关。在西方国家中，大约有30%一50%的人感染上幽门螺杆菌，而在中国，其感染率更是高达50%以上，因此，幽门螺杆菌已成为当前医学微生物学研究的热点，并且，已经测定了幽门螺杆菌基因组的全部核苷酸排列顺序。在此基础上，一些科学家对幽门螺杆菌的蛋白质组也进行了初步的研究，从菌体的蛋白质组中分离出了20种与幽门螺杆菌感染患者血清起反应的蛋白质，经基质辅助激光解吸电离质谱分析与基因组分析数据相结合，得到了对应的编码基因。这将为疫苗和诊断试剂的开发提供一些有意义的参考。

随着生物信息学和计算机技术的发展，科学家们已开始建立软电离质谱数据库。现在，如果分析得到一张质谱图，就可通过相应的数据库搜寻来鉴定生物大分子，而这一切在互联网上就能进行。可以相信，软电离质谱技术将对整个生命科学的发展起着重要的推动作用。