更深度的“照相”技术——质谱成像的发展与应用

质谱成像是质谱技术在发展过程中所衍生出的前沿性科研领域,是一种将质谱技术和影像可视化技术结合而成的高科技"拍照"手段。它可以在没有特异性标记的情况下,对小分子、多肽、蛋白质等目标分子进行分析,在利用质谱分析提供目标化合物的结构信息的同时,提供其空间分布和含量变化信息。该技术在生物医药、临床医学、病理学、生命科学研究等领域具有极大的应用前景。     

质谱成像技术在肿瘤研究中的应用进展

质谱成像(Mass spectrometry imaging,MSI)作为一种新型的分子成像技术,具有无需标记、无需复杂样品前处理、高通量等优点,可实现脂类、代谢物等的直接分析,并可获得组织切片中物质的空间分布信息,已成为生物、医学等领域研究的有力工具。离子化技术是质谱成像的关键和核心,新型质谱成像离子化技术的不断涌现,推动了质谱成像技术在肿瘤研究中的应用。该文着重介绍了当前主要质谱成像技术的原理及特点,并对其在肿瘤的病理诊断、标志物、药物研究等方面的应用进行评述,为质谱成像技术在肿瘤方面的研究提供参考。     

二次离子质谱生物成像

二次离子质谱作为目前空间分辨率最高的质谱成像技术,以其免标记、高灵敏、多组分检测优势和亚微米级高空间分辨成像优势为诸多生命科学问题的研究提供了全新的分析手段,在基础细胞生物学、组织生理病理学、生物医药与临床医学等领域的研究中得到了广泛应用。本文综述了二次离子质谱在生物组织、细胞、仿生生物膜等体系中的质谱成像研究进展。     

正负离子切换扫描质谱成像分析方法及其整体动物体内代谢应用研究

基于质谱成像(MSI)技术的空间分辨代谢组学方法已经成为生物组织学、肿瘤分子病理诊断和新药药效毒理研究的有力工具。该研究采用敞开式空气动力辅助解吸电喷雾离子化(AFADESI)技术,开发了一种正负离子切换扫描的质谱成像方法。该方法在离子化过程中无需施加高电压,既提高了敞开式离子化质谱成像的操作安全性,还可将生物组织切片,尤其是较大面积的整体动物组织切片中的各类不同性质的内源性代谢物进行高效率解吸和离子化,同时获得多胺、氨基酸、磷脂(正离子模式易电离)和核苷、磷脂酰甘油(负离子模式易电离)等内源性代谢物的空间分布特征。通过正负离子化的同时扫描和质谱成像分析,节省了数据采集的时间和样本切片的数量,扩展了代谢物的覆盖范围,使得一次实验可以成像检出更多种类的代谢物。因此,该方法在整体动物各组织器官的空间分辨代谢组学研究中具有优势,有望从整体动物体内代谢水平深刻理解与生理、病理和药理相关的分子空间分布特征及分子机制。     

成像技术在食品安全与质量控制中的研究进展

食品质量与安全是政府、食品行业以及消费者十分关注的问题。为了保证食品质量与安全，需要对食品中的风险因子进行检测。传统的分析方法如生物化学方法和仪器分析方法（色谱法、色谱-质谱法）存在前处理比较复杂，耗时，对样品具有破坏性及无法获取目标物空间信息等缺点。因此，开发快速，无损，实时和可视化的检测技术十分重要，这也是食品领域研究的热点。近年来，高光谱成像技术融合了成像和光谱两种技术，可以作为一种用于食品质量和安全评估的非破坏性和实时检测的工具。拉曼光谱成像技术可以同时获得待测物的光谱和空间信息，具有快速，无损和低成本等优点，在食品安全评价和质量控制中也得到了成功应用。质谱成像技术不需要标记和染色，即可实现样品组织表面待测物的可视化和高通量分析。它作为一种分子可视化技术，可以获得食品中营养成分及内、外源性有害物质的空间分布信息，在食品领域也表现出良好的应用前景。本文检索了近几年国内外发表的成像技术在食品研究中的相关文献，介绍了高光谱成像技术、拉曼光谱成像技术和质谱成像技术的原理，并综述了它们在食品安全与质量控制中的应用。此外，本文分析和讨论了这几种成像技术的优缺点，并对成像技术在食品领域的发展前景做出了展望。     

常压敞开式质谱成像技术及其应用

质谱成像将质谱的离子扫描技术与成像处理软件相结合,能有效地对分子的空间分布信息进行检测和成像;常压敞开式离子化技术的出现,为质谱成像提供了新的发展方向。本文对常压敞开式质谱成像技术及其应用进行了综述。     

MALDIMSI在脂质组学研究中的应用

脂质组学概念自2003年被提出以来,其已成为研究生物体、组织或细胞中脂质的结构、功能及代谢途径的一门学科。脂质的种类众多,同时结构非常复杂,脂质的分析充满了困难和挑战。基质辅助激光解吸电离质谱成像(MALDI MSI)分析技术不仅可以进行物质鉴定,而且可对被分析物进行空间分布成像,近年来,该技术广泛地应用于脂质组学的研究。该文介绍了MALDI MSI在脂质组学研究中的样品处理、基质喷涂及应用方面的研究进展,并就目前存在的问题及解决方案进行了探讨,以期扩展MALDI MSI的应用范围。     

基于质谱成像和组学分析的环境毒理研究

生物体多器官的空间异质性导致环境污染物在生物体内的毒性分子机制错综复杂。基于传统化学和生物分析的环境毒理学研究,通常将研究对象看作“均一”整体,无法从空间上准确定位污染物及其代谢。以质谱成像和组学分析为基础的技术,同时对污染物、污染物代谢活化途径及其诱导的生物分子进行定性、定量和空间分析,从而确定污染物迁移、生物学效应及其毒性作用的靶器官,是目前最有前景的分析方法之一。本文综述了质谱成像和组学研究策略和特征,介绍了本课题组在相关领域取得的研究进展。同时简单展望了单细胞质谱成像、微流控芯片-质谱成像联合策略等先进技术在环境毒理研究中的潜在应用。     

飞行时间二次离子质谱在指纹分析中的研究进展

指纹作为接触类犯罪案件现场最常见的痕迹之一,基于其形态学价值及承载的物质进行分析是个体识别、侦查破案的重要手段。飞行时间二次离子质谱技术（TOF-SIMS）是一种兼具高质量分辨率和高空间分辨能力的表面分析技术,能够同时获得待测物质的质谱信息和成像分布。相较于其他理化分析技术,TOF-SIMS所具备的快速检验、无需前处理、原位近无损分析等优势使其逐渐成为指纹分析领域的前沿课题。该文基于TOF-SIMS在成像增强、物质分析、犯罪信息挖掘等指纹分析领域的研究现状展开综述,分析其在公安实战中的应用前景,以期为该技术在指纹检验领域的推广奠定基础。     

基于非负分解方法的质谱成像数据特征提取

质谱成像技术能够在同一个实验里无需标记手段而获得样品表面的分子信息及其分布信息,是当前质谱分析的热点.其分析所得数据量大且复杂,使其特征难以提取.多元统计分析方法,特别是主成分分析法已应用于质谱成像数据的压缩和特征提取.然而由于主成分分析常产生负的数据结果,其意义难以解释且不易分解为单一的特征.本研究开发出一种基于非负分解的质谱成像数据提取方法,能够提取单一的分子特征及其在样品上的分布特征,并将多个单一的特征分布通过红、绿、蓝三色叠加显示,获得轮廓直观的综合特征分布.应用本方法对小鼠脑组织切片质谱成像数据进行分析,可直观分解出灰质区域、白质区域和背景区域,相对主成分分析方法更直观且易于解释.应用本方法对在同一个样品靶上的人膀胱癌变组织和其相邻非癌变组织切片质谱成像数据进行分析,癌变与非癌变组织间差异清晰直观.本研究设计的质谱成像软件可由http://www.msimaging.net获取.     

常压电喷雾离子化的机理及应用

作为最有前景的分析仪器之一,质谱技术已在药物、食品、环境、人类健康、国家安全及相关领域展现出广阔的应用前景。不同种类的分析物具有多种特征,这为直接离子化及质谱分析增加了难度。常压敞开式离子源是近年来新兴的一种离子源,这类离子源具有无需复杂的样品前处理、操作方便、快速、非破坏性、灵敏度及特异性好、能实现实时原位、高通量分析等特点。本文综述了基于电喷雾离子化(ESI)原理的各种离子源的电离机理、特征及应用,展望了常压敞开式离子源的发展趋势。     

芹菜素的电喷雾萃取电离串联质谱

采用实验室自制的电喷雾萃取电离源(EESI),结合串联质谱(MSn)技术,对芹菜素这一典型的黄酮类活性化合物的质谱行为进行了研究。实验表明,在正、负离子检测模式下,该化合物均能得到较好的EESI-MS信号,且在负离子检测模式下灵敏度更高。通过对比芹菜素的EESI-MS和电喷雾电离质谱(ESI-MS)谱图发现,芹菜素在EESI-MS和ESI-MS中的裂解规律相似,但是EESI是一种比ESI更软的电离模式。根据对芹菜素EESI-MS特征碎片离子的分析,提出了芹菜素在EESI-MS中裂解的基本规律,为EESI-MS技术用于分析、鉴定复杂基质中痕量芹菜素奠定了理论和实验基础。     

Plasma-source mass spectrometry for speciation analysis: state-of-the-art

Current and emerging capabilities of plasma-source mass spectrometry (PS-MS) as it is employed for elemental speciation analysis are reviewed. Fundamental concepts and their advantageous aspects, experimental conditions, and analytical performance are described and illustrated by recent examples from the literature. Novel instrumentation, techniques, and strategies for inductively-coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS), microwave-induced plasma (MIP) mass spectrometry, glow-discharge (GD) mass spectrometry, and electrospray ionization (ESI), among others, are described. The use of ionization sources that provide tunable ionization, others that can be modulated between different sets of operating conditions, and others used in parallel is also examined.     

Characterization of dinitroporphyrin zinc complexes by electrospray ionization tandem mass spectrometry. Unusual fragmentations of beta-(1,3-dinitroalkyl) porphyrins

The zinc complexes of diaryl bis(p-nitrophenyl)porphyrins and beta-(1,3-dinitroalkyl)tetraphenylporphyrins were studied by electrospray ionization (ESI) tandem mass spectrometry (MS/MS). All porphyrins showed the protonated molecule under ESI conditions. The protonated molecules were induced to fragment and the corresponding ESI tandem mass spectra were analysed. Porphyrins with two p-nitrophenyl groups showed, as expected, characteristic fragmentations including either loss of one nitro group, as the major fragment of the tandem mass spectra, and loss of both nitro groups. In contrast, MS/MS of the beta-(1,3-dinitroalkyl)porphyrins provided interesting and unexpected results such as the absence (or in insignificant abundance) of the ions formed by loss of one nitro group. However, these porphyrins show an abundant fragment due to combined loss of the two nitro groups. Also, the typical beta-cleavage of the alkyl chain is not observed per se, only when combined with loss of HNO2 or *NO2. Instead, alpha-cleavage, with loss of the beta-pyrrolic substituent, is the most favourable process.     

金属硫蛋白MT-2a与Cd(Ⅱ)和Cu(Ⅰ)络合的电喷雾质谱表征

采用电喷雾质谱法(ESI-MS)研究金属硫蛋白(MT,存在α和β两种结构域)-2a与金属离子Cd和Cu的络合作用.MT-2a由反相色谱分离纯化制得,并以电喷雾质谱鉴别.通过ESI-MS考察MT-2a与不同量的Cd和Cu的络合,结果表明,Cd能够优先与MT的α结构域络合,形成M2+4S11结构,并且该络合过程存在着明显的协同效应;Cd与MT的β结构域的络合形式为M2+4S9,其呈现出明显的随机松散络合特性;Cu优先与MT的β结构域络合,其络合形式由Cu4逐渐过渡到更高结合态;在Cu含量较高的条件下,Cu与MT呈现出多种络合方式.     

快速蒸发电离质谱技术及其应用研究进展

近年来,原位电离质谱技术成为质谱分析领域的研究前沿和热点。快速蒸发电离质谱技术源于外科手术中的手术烟雾现象,自2009年报道以来,作为一种新型原位电离质谱技术已被广泛应用于医学、微生物鉴定、食品真伪鉴别、代谢物研究、药用植物成分鉴定等领域。该技术通过电离切割组织或其他生物样品产生的含丰富特定区域生物特征的气溶胶,对其进行原位、在线、实时、快速质谱分析。该文阐述了快速蒸发电离质谱技术的发展历程、电离机制及工作原理,并对其在不同领域的应用研究进展进行了综述,可为相关领域研究人员提供科研思路和技术参考。     

Comparison of Electrospray Ionization and Fast Atom Bombardment Mass Spectrometry for the Analysis of Saponins from Alfalfa,Clover, and Mungbeans

The determination of seven saponins in crude plant extracts by electrospray ionization mass spectrometry (ESI-MS) and fast atom bombardment mass spectrometry (FAB-MS) is described. Distinct protonated and natriated (Na-adduct) molecular ions in ESI-MS spectra readily provide molecular weight information, which can be further verified using clusters of molecular ions. Saponin mixtures can be analyzed by ESIMS on varying the potential difference between the capillary and skimmer in the ESI source to decompose impurities. ESI-MS uses less amount of sample than that required by FAB-MS. ESI-MS does not produce structural information, however. The FAB-MS spectra consist mainly of protonated and deprotonated molecular ions with limited structural information. (-)-FAB-MS is more suitable for analyzing saponin samples than the (+)-FAB-MS.     

Fundamental properties of a touchable high‐power pulsed microplasma jet and its application as a desorption/ionization source for ambient mass spectrometry

Plasma‐based ambient desorption/ionization mass spectrometry (ADI–MS) has attracted considerable attention in many fields because of its capacity for direct sample analyses. In this study, a high‐power pulsed microplasma jet (HPPMJ) was developed and investigated as a new plasma desorption/ionization source. In an HPPMJ, a microhollow cathode discharge is generated in a small hole (500 µm in diameter) using a pulsed high‐power supply. This system can realize a maximum power density of 5 × 10⁸ W/cm³. The measured electron number density, excitation temperature and afterglow gas temperature of the HPPMJ were 3.7 × 10¹⁵ cm^‐3, 7000 K at maximum and less than 60 °C, respectively, which demonstrate that the HPPMJ is a high‐energy, high‐density plasma source that is comparable with an argon inductively coupled plasma while maintaining a low gas temperature. The HPPMJ causes no observable damage to the target because of its low gas temperature and electrode configuration; thus, we can apply it directly to human skin. To demonstrate the analytical capacity of ADI–MS using an HPPMJ, the plasma was applied to direct solid sample analysis of the active ingredients in pharmaceutical tablets. Caffeine, acetaminophen, ethenzamide, isopropylantipyrine and ibuprofen were successfully detected. Application to living tissue was also demonstrated, and isopropylantipyrine on a finger was successfully analyzed without damaging the skin. The limits of detection (LODs) for caffeine, isopropylantipyrine and ethenzamide were calculated, and LODs at the picogram level were achieved. These results indicate the applicability of the HPPMJ for high‐sensitivity analysis of materials on a heat‐sensitive surface. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

脱水淫羊藿素的电喷雾多级串联质谱研究

研究了脱水淫羊藿素的电喷雾质谱行为，结果表明：该化合物在正、负离子模式下，均可得到较好的电喷雾质谱信息，且在负离子模式下电喷雾质谱分析的灵敏度较高；运用电喷雾碰撞诱导解离技术，发现正离子和负离子模式下的裂解方式虽有相似之处但并不完全相同；分别阐明了该化合物在正、负离子模式下的电喷雾质谱碎裂规律。     

Determination of binding sites in carboplatin-bound cytochrome c using electrospray ionization mass spectrometry and tandem mass spectrometry

Interaction of carboplatin with cytochrome c (Cyt. c) has been investigated by electrospray ionization mass spectrometry (ESI-MS) and tandem mass spectrometry (MS/MS). ESI-MS studies revealed that the ring-opened adducts of carboplatin with Cyt. c were formed in the stoichiometric ratio of 1:1 and 2:1 at pH 5.0 and 37 degrees C and in the stoichiometric ratio of 1:1 only at pH 7.0 and 37 degrees C. It was also found that Cyt. c could be cleaved by carboplatin at pH 2.5 and 50 degrees C. The cleaved fragments of Cyt. c were determined by ESI-MS and MS/MS analysis to be Glu66 approximately Met80, Ac-Gly01 approximately Met65, Glu66 approximately Glu104, Ac-Gly01 approximately Met80 and Ile81 approximately Glu104. The carboplatin prefers to anchor to Met65 first, then to Met80. To further confirm the binding site of Met, AcMet-Gly was used as the model molecule to investigate its interaction with carboplatin and its hydrolysis reaction. On the basis of species detected during the reaction monitored by ESI-MS, a possible pathway of the cleavage reaction was proposed.