一、导读

代谢组学分析，尤其是非靶向代谢组学样品分析对仪器、方法有极高的要求：色谱分离、质谱检测需要尽可能覆盖未知化合物，组学样品又存在样品珍贵、总分析时间长、样品基质复杂、对质谱负荷较重等问题；因此如何在最短的分析时间内，消耗最少的样品，覆盖尽可能多的未知物，对质谱端产生最小的污染负荷并维持数据稳定性，是非靶向代谢组学分析一直面临的挑战。

岛津4in1技术方案，通过全谱二维宽极性分离+LCMS-9050的正负极同时扫描功能，相比常规液质分析方法，可以节省3/4的样品和总分析时间，减少质谱3/4的分析负担，并通过平行设计实现充分平衡和清洗，减少了交叉污染和记忆效应，提高了系统稳定性和重现性。利用4in1技术方案，岛津与杂交水稻全国重点实验室检验检测中心合作开展不同口感黑米非靶向代谢组学研究，结果优异，一起来看看吧！

代谢组学包含非靶向和靶向代谢组学，前者对不同组别样品中的未知目标物或全组分进行分析，后者针对已知目标物进行分析检测，两者最终目的均是通过对比不同组别样品中的成分差异，通过统计分析得到具体差异代谢物，从而指导、分析、解读组别差异的因果、机理并展开差异物的实际筛查应用。目前的通用分析配置是：液相色谱作为前端分离系统，高分辨质谱或三重四极杆质谱作为检测器（前者用于非靶向，后者用于靶向）。

二、非靶向代谢组学分析的三大难点

代谢组学分析对色、质谱的分离检测能力、软件数据里处理和统计分析功能、应用人员方法设置等均有较高的门槛和要求，而非靶向代谢组学还有以下几个特殊需求，增加了分析难度：

1、对液相色谱的分析要求：

因非靶向代谢组学面对的是完全未知的目标物，其极性范围、化合物数量、分离条件等均无法预设，因此无法使用单一色谱柱，如反相色谱柱或亲水色谱柱做分离；

2、对质谱端的分析要求：

同样因为目标物完全未知，无法判断目标物的电离能力，因此正离子和负离子必须都要扫描检测；

3、样品特殊性：

样品通常较珍贵，如动物组织样品、细胞样品、血液样品等，因此要求样品消耗量/进样量尽可能少；样品数量多，通常有2-5组样品，每组样品数必须大于6个，因此总分析时间长，如果样品分析循环次数增加，则总分析时间更为成倍增加；样品基质复杂，对质谱污染负担较大。样品特殊性在非靶向和靶向样品都存在。

基于以上原因，如何在最短的分析时间内，消耗最少的样品，覆盖尽可能多的未知物，对质谱端产生最小的污染负荷并维持数据稳定性，是非靶向代谢组学分析一直面临的挑战。

三、岛津4in1代谢组学技术方案

1、两大硬件部分

为了解决以上非靶向代谢组学三方面的难点，岛津推出了4in1代谢组学技术方案。该方案硬件组成分为两部分：

前端系统为全谱二维液相系统。该系统基于两个授权发明专利：极性分流技术、在线稀释技术，是岛津独家产品，适合于未知物和全组分分析，可作为宽极性多目标物数据库的通用分离平台，并适用于极限相差较大的两类关联物质的同时分析，而且该系统内含一个UHPLC子系统，方便日常常规检测；而且该系统具有平行设计，可实现1D和2D的充分平衡和清洗，减少了交叉污染和记忆效应，提高了系统稳定性和重现性。

质谱端为LCMS-9050高分辨质谱（非靶向）或三重四极杆系列产品（靶向）。LCMS-9050是岛津最新推出的新一代高分辨QTOF。这一款高分辨四极杆-飞行时间液质联用仪传承了岛津LCMS-9030的优秀设计，依然保持准确度高，稳定性好，灵敏度高、高分辨率的卓越性能。相对于其他品牌Q-TOF，其优势是极性切换时间大大缩短，最大采集速度提升至200Hz，可在同一时段进行正负离子同时扫描，完成普通Q-TOF需要两次进样才能完成的工作。

2、方案优势

基于以上两个技术，组合成为岛津4in1技术方案。对于普通色谱系统，为了覆盖高低极性化合物，需要分别用HILIC和RPLC进行分离；为了完成未知物正负离子扫描，需要各进一针完成正离子和负离子分析，而岛津4in1方案=全谱二维+LCMS-9050，具有以下两方面优势：

（1）通过宽极性分离+正负极同时扫描，实现4in1分析模式，从而节省3/4的样品和总分析时间，并减少质谱3/4的分析负担；

（2）通过平行设计实现1D和2D的充分平衡和清洗，减少了交叉污染和记忆效应，提高了系统稳定性和重现性。

四、案例分享-不同口感黑米非靶向代谢组学研究

杂交水稻全国重点实验室检验检测中心

杂交水稻全国重点实验室是国家首批批复建设的20家重点实验室之一，其检验检测中心的分子检测与品质安全两项工作在杂交水稻科技创新中起到了关键支撑作用，为杂交水稻的高质量发展保驾护航。岛津与杂交水稻全国重点实验室检验检测中心合作，利用4in1技术方案，尝试不同个口感黑米非靶向代谢组学研究，取得优异成果，并由此促成成立了“杂交水稻全国重点实验室检验检测中心-岛津合作实验室”。

利用4in1方案分析杂交水稻全国重点实验室检验检测中心提供的30个不同口感黑米，并混合制作了一个QC样品。为了评估、校准系统稳定性，在批处理过程中加入10针QC样品分析，进样序号分别是1-4号，20号，36-40号，时间跨度26小时。最后将正负离子同事采集的10个QC样品的TIC图做叠加展示，可见数据重现性非常优越；另外，在样品中添加两个内标，一个为高极性正离子响应，一个为低极性负离子响应，并提取计算10个QC样品中这两个内标的质量稳定性，结果两个内标质量偏差均小于0.85ppm，结果理想，符合4in1分析的预期。

基于稳定的色、质谱表现，通过统计分析得到了优异的代谢组学分析结果：正离子模式共检测到代谢特征峰11780个，负离子模式共检测到代谢特征峰13637个；统计分析显示组内相对聚集，组间区分明显，满足后续代谢组学分析要求；最后通过分组PLS-DA分析及置换验证模型验证，两两对比（好口感黑米vs差口感黑米）得到1473个差异代谢物，并通过数据库鉴定了其中767个差异物，包含了脂肪酰基、黄酮类、氨基酸、萜类、芳香族、苯类等物质。

五、结语

为了解决非靶向代谢组学难点，岛津推出了4in1代谢组学技术方案：通过全谱二维宽极性分离+LCMS-9050的正负极同时扫描功能，可以节省3/4的样品和总分析时间，减少质谱3/4的分析负担；另外，系统采用了1D和2D的平行设计，实现了充分平衡和清洗，减少了交叉污染和记忆效应，提高了系统稳定性和重现性。将该方案应用于不同口感黑米非靶向代谢组学研究，数据优异，结果可靠，获得了合作方杂交水稻全国重点实验室检验检测中心的高度肯定！