導讀
代謝組學分析，尤其是非靶向代謝組學樣品分析對儀器、方法有極高的要求：色譜分離、質譜檢測需要盡可能覆蓋未知化合物，組學樣品又存在樣品珍貴、總分析時間長、樣品基質復雜、對質譜負荷較重等問題；因此如何在最短的分析時間內，消耗最少的樣品，覆蓋盡可能多的未知物，對質譜端產生最小的污染負荷并維持數據穩定性，是非靶向代謝組學分析一直面臨的挑戰。
島津4in1技術方案：全譜二維+高分辨質譜或三重四極桿質譜
島津4in1技術方案，通過全譜二維寬極性分離+LCMS-9050的正負極同時掃描功能，相比常規液質分析方法，可以節省3/4的樣品和總分析時間，減少質譜3/4的分析負擔，并通過平行設計實現充分平衡和清洗，減少了交叉污染和記憶效應，提高了系統穩定性和重現性。利用4in1技術方案，島津與雜交水稻全國重點實驗室檢驗檢測中心合作開展不同口感黑米非靶向代謝組學研究，結果優異，一起來看看吧！
代謝組學包含非靶向和靶向代謝組學，前者對不同組別樣品中的未知目標物或全組分進行分析，后者針對已知目標物進行分析檢測，兩者最終目的均是通過對比不同組別樣品中的成分差異，通過統計分析得到具體差異代謝物，從而指導、分析、解讀組別差異的因果、機理并展開差異物的實際篩查應用。目前的通用分析配置是：液相色譜作為前端分離系統，高分辨質譜或三重四極桿質譜作為檢測器（前者用于非靶向，后者用于靶向）。
非靶向代謝組學分析的三大難點
代謝組學分析對色、質譜的分離檢測能力、軟件數據里處理和統計分析功能、應用人員方法設置等均有較高的門檻和要求，而非靶向代謝組學還有以下幾個特殊需求，增加了分析難度：
01對液相色譜的分析要求：
因非靶向代謝組學面對的是完全未知的目標物，其極性范圍、化合物數量、分離條件等均無法預設，因此無法使用單一色譜柱，如反相色譜柱或親水色譜柱做分離；
02對質譜端的分析要求：
同樣因為目標物完全未知，無法判斷目標物的電離能力，因此正離子和負離子必須都要掃描檢測；
03樣品特殊性：
樣品通常較珍貴，如動物組織樣品、細胞樣品、血液樣品等，因此要求樣品消耗量/進樣量盡可能少；樣品數量多，通常有2-5組樣品，每組樣品數必須大于6個，因此總分析時間長，如果樣品分析循環次數增加，則總分析時間更為成倍增加；樣品基質復雜，對質譜污染負擔較大。樣品特殊性在非靶向和靶向樣品都存在。
基于以上原因，如何在最短的分析時間內，消耗最少的樣品，覆蓋盡可能多的未知物，對質譜端產生最小的污染負荷并維持數據穩定性，是非靶向代謝組學分析一直面臨的挑戰。
島津4in1代謝組學技術方案
兩大硬件部分
為了解決以上非靶向代謝組學三方面的難點，島津推出了4in1代謝組學技術方案。該方案硬件組成分為兩部分：
前端系統為全譜二維液相系統。該系統基于兩個授權發明專利：極性分流技術、在線稀釋技術，是島津獨家產品，適合于未知物和全組分分析，可作為寬極性多目標物數據庫的通用分離平臺，并適用于極限相差較大的兩類關聯物質的同時分析，而且該系統內含一個UHPLC子系統，方便日常常規檢測；而且該系統具有平行設計，可實現1D和2D的充分平衡和清洗，減少了交叉污染和記憶效應，提高了系統穩定性和重現性。
全譜二維液相系統
質譜端為LCMS-9050高分辨質譜（非靶向）或三重四極桿系列產品（靶向）。LCMS-9050是島津最新推出的新一代高分辨QTOF。這一款高分辨四極桿-飛行時間液質聯用儀傳承了島津LCMS-9030的優秀設計，依然保持準確度高，穩定性好，靈敏度高、高分辨率的卓越性能。相對于其他品牌Q-TOF，其優勢是極性切換時間大大縮短，最大采集速度提升至200Hz，可在同一時段進行正負離子同時掃描，完成普通Q-TOF需要兩次進樣才能完成的工作。
方案優勢
基于以上兩個技術，組合成為島津4in1技術方案。對于普通色譜系統，為了覆蓋高低極性化合物，需要分別用HILIC和RPLC進行分離；為了完成未知物正負離子掃描，需要各進一針完成正離子和負離子分析，而島津4in1方案=全譜二維+LCMS-9050，具有以下兩方面優勢：
（1）通過寬極性分離+正負極同時掃描，實現4in1分析模式，從而節省3/4的樣品和總分析時間，并減少質譜3/4的分析負擔；
（2）通過平行設計實現1D和2D的充分平衡和清洗，減少了交叉污染和記憶效應，提高了系統穩定性和重現性。
島津4in1一針分析=普通系統4針分析
案例分享-不同口感黑米非靶向代謝組學研究
雜交水稻全國重點實驗室檢驗檢測中心
雜交水稻全國重點實驗室是國家首批批復建設的20家重點實驗室之一，其檢驗檢測中心的分子檢測與品質安全兩項工作在雜交水稻科技創新中起到了關鍵支撐作用，為雜交水稻的高質量發展保駕護航。島津與雜交水稻全國重點實驗室檢驗檢測中心合作，利用4in1技術方案，嘗試不同個口感黑米非靶向代謝組學研究，取得優異成果，并由此促成成立了“雜交水稻全國重點實驗室檢驗檢測中心-島津合作實驗室”。
島津企業管理(中國)有限公司分析計測事業部營業部副部長朱精華（左）與雜交水稻全國重點實驗室執行主任孫傳清（右）為合作實驗室揭牌
利用4in1方案分析雜交水稻全國重點實驗室檢驗檢測中心提供的30個不同口感黑米，并混合制作了一個QC樣品。為了評估、校準系統穩定性，在批處理過程中加入10針QC樣品分析，進樣序號分別是1-4號，20號，36-40號，時間跨度26小時。最后將正負離子同事采集的10個QC樣品的TIC圖做疊加展示，可見數據重現性非常優越；另外，在樣品中添加兩個內標，一個為高極性正離子響應，一個為低極性負離子響應，并提取計算10個QC樣品中這兩個內標的質量穩定性，結果兩個內標質量偏差均小于0.85ppm，結果理想，符合4in1分析的預期。
基于穩定的色、質譜表現，通過統計分析得到了優異的代謝組學分析結果：正離子模式共檢測到代謝特征峰11780個，負離子模式共檢測到代謝特征峰13637個；統計分析顯示組內相對聚集，組間區分明顯，滿足后續代謝組學分析要求；最后通過分組PLS-DA分析及置換驗證模型驗證，兩兩對比（好口感黑米vs差口感黑米）得到1473個差異代謝物，并通過數據庫鑒定了其中767個差異物，包含了脂肪酰基、黃酮類、氨基酸、萜類、芳香族、苯類等物質。
10針QC樣品TIC重疊圖
10針QC樣品中內標質量數偏差
分析對比篩選出大量差異代謝物 （其中BMZ、SB為口感好黑米、YHM、HH為口感差黑米）
結語
為了解決非靶向代謝組學難點，島津推出了4in1代謝組學技術方案：通過全譜二維寬極性分離+LCMS-9050的正負極同時掃描功能，可以節省3/4的樣品和總分析時間，減少質譜3/4的分析負擔；另外，系統采用了1D和2D的平行設計，實現了充分平衡和清洗，減少了交叉污染和記憶效應，提高了系統穩定性和重現性。將該方案應用于不同口感黑米非靶向代謝組學研究，數據優異，結果可靠，獲得了合作方雜交水稻全國重點實驗室檢驗檢測中心的高度肯定！
如對本技術感興趣，歡迎聯系技術負責人鐘博士
skczqs@shimadzu.com.cn.
撰稿人：鐘啟升
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如需深入了解更多細節，歡迎聯系津博士
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