质谱分子成像技术与应用进展

该文总结了二次离子质谱、基质辅助激光解吸电离质谱和常压敞开式离子化质谱三大类型质谱分子成像（MSI）技术的概况、技术与方法及其应用新进展。MSI技术作为免标记、高覆盖、高灵敏、检测范围广的可视化分析手段,不局限于生物组织或细胞中某种特定分子的检测,可对已知和未知多种分子进行同时成像分析,获得不同分子的空间分布、相对含量及结构信息,实现其分子的定性、定量与定位分析;还可提供不同生理及病理过程中功能分子的动态时空变化信息等。因此,MSI技术成为质谱领域以及分析化学等领域的研究前沿与热点方向之一,并在化学、医学、生命科学、药学和环境科学等领域显示出重大应用前景。此外,MSI技术是单细胞可视化分析和空间分辨代谢组学的强有力分析手段,可从动物或器官组织的整体、微区、单细胞等不同空间尺度,获取具有空间分布特征、时空动态变化的功能分子全景轮廓信息等而备受关注。     

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...     

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。     

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。     

质谱成像分析技术、方法与应用进展

质谱成像技术作为分子成像及质谱领域的研究前沿和热点,近几年受到高度关注并得到迅速发展.本文针对质谱成像技术、方法及其应用的新进展进行了综述与展望,介绍了中国学者近几年在质谱成像分析新技术及其应用方面取得的重要进展.     

纳米材料在激光解吸电离质谱技术中的应用进展

近年来,基于纳米材料的激光解吸/电离质谱（LDI-MS）技术发展迅速。由于纳米材料具有激光吸收能量转移效率高、比表面积大、易功能化修饰、自身不易电离等特性,因此,LDI-MS技术具备灵敏、快速、高通量和谱图背景相对纯净等优点。本文针对近十年来基于碳基纳米材料、硅基纳米材料、金属有机框架、共价有机框架、金属基纳米材料等的LDI-MS在生物医学分析中的检测应用现状进行了分类和简要评述,并基于分析物种类和灵敏度等因素,比较了各类纳米材料的多种改性或复合途径的影响,聚焦于内外源代谢物空间分布的适用性,简要论述了各类纳米材料在质谱成像中的应用进展,最后阐述了该领域的重点、难点问题以及发展前景。     

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.     

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。     

核酸适配体在质谱中的应用与展望

核酸适配体(简称适配体)是一类重要的"化学抗体"型功能性生物分子,基于适配体的质谱技术在提供分子质量及结构特征等基础上,兼具了针对靶分子的高选择性及亲和富集特点,从而提供出高特异、高灵敏信息。本文综述了近年来适配体在质谱分析中的应用进展,重点评述了适配体在质谱分子相互作用表征中的应用、适配体作为离线型和在线亲和材料用于质谱分析测定等现状,其中结合多种质谱新技术,通过创建或结合多种前处理或在线一体化信号增强方式,特别是适配体功能化纳米材料的应用,在相互作用表征、痕量靶分子选择性提取和高灵敏检测等质谱分析测定方面是研究的重点。最后,本文对适配体在质谱研究中的应用前景进行了展望。     

基于人工神经网络的生物组织质谱成像分类与识别方法

生物组织质谱成像技术不仅能够展示组织的生物分子信息,而且能直观地显示分子空间分布,是当今生物质谱的研究热点.如何对生物组织质谱成像的数据进行基于生物分子的有效分类与识别是该领域关注的重要问题,特别对于病变组织与其邻近非病变组织的区分与识别和生物组织功能区域的划分与鉴定具有重要的意义.本研究开发出一种新的分类与识别方法.其流程是,首先进行质谱成像数据预处理,应用无监督的自组织特征映射网络区分组织样品区与非组织区域,提取组织区域的质谱数据,应用有监督的学习向量量化网络对已知类别数据进行学习训练,建立模型;应用模型对未知样品进行识别.应用本方法对6个膀胱癌患者的膀胱癌变组织与邻近非癌变组织的质谱成像数据进行分类与识别,结果显示,癌变组织判错率低于23.38％,而非癌变组织判错率低于9.08％,表现出较高的准确度;对3片邻近的小鼠大脑切片质谱成像数据进行白质与灰质区域划分,将中间的1片用于训练,两边的2片用于验证,结果显示,自组织特征映射网络的分类结果与学习向量量化网络的预测结果不一致率低于4％.本方法基于生物分子的质谱成像组织区域分类与识别,具有较高准确度和操作简便等优点,在临床医学研究领域有大规模的应用潜能.     

组织样品大气压质谱分析研究

组织样品中含有丰富的生物分子信息,是代谢组学、脂质组学、蛋白质组学等研究的物质基础。近年来,大气压质谱分析(AMS)技术因具有无需样品预处理即可直接获取组织样品中生物分子种类及含量信息的能力,在组织样品分析中突显了高通量、高灵敏度、高准确性、低样品耗量的特点,已逐渐成为分析组织样品不可或缺的手段。本文以常见的植物、动物和临床术后组织样品为代表,介绍了近年来AMS技术在组织样品分析中的应用进展,结合成像技术,讨论了组织样品AMS的发展趋势。     

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.     

基于先进紫外光源的生物质谱技术的最新进展及展望

生物大分子质谱是研究复杂生命体系中分子的序列组成、动态结构、相互作用和空间分布的前沿科学领域.先进紫外光源特别是同步辐射、自由电子激光等大科学装置的发展,为光解离-串联质谱和光电离-质谱成像等生物大分子质谱研究尖端技术的进步提供了新的机遇.本综述中,我们总结了不同波长先进光源包括X射线、极紫外激光等在蛋白质、脂质等生物分子高效光解离和序列、结构、相互作用表征,光化学氧化标记和动态结构分析,高效光电离和高灵敏度质谱检测及空间分布成像等领域的研究进展;进一步展望了新一代先进紫外光源特别是具有更高亮度、更短脉冲、更高重频的极紫外自由电子激光在生物大分子质谱研究中的应用前景和可能带来的技术突破.     

生物组织质谱成像方法的建立及其在微波辐射后大鼠海马组织的蛋白组分析中的应用

通过探讨影响质谱成像实验的主要因素,建立了优化的基于基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱的生物组织质谱成像方法。优化的实验条件为:基质为SA;V(乙腈)∶V(水)=1∶1为溶剂,基质浓度20g/L。质谱分析条件:线性正离子模式,激光能量范围为30%~50%,照射200次,采样点间距200μm。将本方法用于高功率微波辐射后大鼠海马的蛋白组分析,获得了正常和微波辐射后大鼠海马组织质谱图像。对照组每张切片获得5902张质谱图,320张组分质谱图像;模型组每张切片获得5993张质谱图,346张质谱图像。自编了数据分析软件计算Hits值分布,Hits值的高低与组分的分布以及量有关系。统计分析表明,差异分子199个,其中上调194个,下调5个。这些差异分子的发现对于明确微波辐射致伤效应和致伤机理的研究具有重要意义。     

化学衍生化技术及其在质谱成像中的应用进展

近年来,随着质谱成像(mass spectrometry imaging, MSI)技术的不断发展与完善,众多基于MSI的分析策略已被广泛应用于生物内/外源分子原位、定性、定量可视化研究,其中又以基质辅助激光解析电离质谱成像(matrix assisted laser desorption/ionization MSI, MALDI-MSI)和DESI-MSI(desorption electrospray ionization MSI)最为常用.相较于传统分子影像方法, MSI技术具有高灵敏、高通量、无需标记等优点,但仍存在一些不足,尤其在低极性、难电离中性分子原位分析中短板明显.针对这一难题,化学衍生化技术的发展与应用已成为极其重要的手段之一.本文系统性地综述了多种化学衍生化技术,如酯化衍生化、酰化衍生化、加成衍生化、取代衍生化、氧化衍生化及其他衍生化技术,在MALDI-MSI及DESI-MSI分子表征中的应用进展.可以预见,化学衍生化技术的不断发展与完善将进一步拓展MSI技术在原位代谢组学、原位脂质组学、原位蛋白质组学、原位糖组学等领域的应用范围.     

空气动力辅助离子化质谱组织涂片分析用于胶质瘤异柠檬酸脱氢酶基因状态的快速判别

异柠檬酸脱氢酶(IDH)基因分型对于胶质瘤的精准诊疗具有重要意义。该文将组织涂片用于病理组织代谢物质谱分析的样品前处理,并采用2-羟基戊二酸与花生四烯酸质谱响应强度的比值作为胶质瘤IDH基因状态的判别指标,建立了基于空气动力辅助离子化(AFADESI)质谱技术的胶质瘤IDH基因状态快速判别分析方法。对组织涂片用于代谢物敞开式质谱分析的可行性进行考察和定量方法学验证,结果表明其具有样品分散性好、操作简单快速、代谢物覆盖度高、定量准确度好的优点。受试者工作曲线(ROC)评估显示,其用于胶质瘤IDH基因状态判别的诊断能力良好。组织涂片结合空气动力辅助离子化质谱分析用于胶质瘤IDH基因状态的快速判别有望为胶质瘤精准诊疗提供新的分析手段和技术支持。     

基于空气动力辅助离子化-超高分辨质谱成像技术的大鼠肾脏组织中多种类代谢物的分布研究

质谱成像是近年来发展迅速的新型分子成像技术,在生物医药领域受到越来越广泛的关注。本研究采用敞开式的空气动力辅助离子化-高分辨质谱技术,建立了大鼠肾脏组织中内源性代谢物的质谱成像分析方法(AFAI-MSI)。大鼠肾脏组织经冷冻处理后制备冷冻组织切片,以乙腈-异丙醇-水(4∶4∶2,V/V)为喷雾溶剂,流速为5μL/min,喷雾气(N_2)压力为0.6 MPa,空气辅助气流速为45 L/min,质谱扫描范围为70~1000 Da,质量分辨率为70000。采用正离子检测模式的AFAI-MSI方法对大鼠肾脏组织切片进行了成像分析,结果发现有机胺、糖、神经递质、维生素、多肽、有机酸、甘油磷脂、鞘脂、甘油脂、固醇酯等38种不同类型、其含量差异达4个数量级的内源性代谢物,并观察到这些代谢物在肾脏中呈组织特异性分布,直观地呈现了与肾脏渗透压梯度形成有关的胆碱、乙酰胆碱、甜菜碱、磷酸胆碱和甘油磷酸胆碱等多种小分子代谢物的皮质-髓质轴向分布特征。上述结果表明,基于超高分辨质谱的AFAI-MSI分析方法无需样品预处理,灵敏度高,代谢物覆盖范围宽,可同时获取多种小分子代谢物的结构、含量及其空间分布信息,有望为肾脏中内源性代谢物的原位表征和代谢调控机制研究提供一种新的分析方法。     

因子分析法在质谱成像数据分析中的应用

对因子分析法在质谱成像数据分析中的应用进行了研究。本方法分析的质谱成像数据来源于空气动力辅助离子源质谱成像技术,所用样品为含有3种不同颜料(红色、蓝色、黑色)的笔迹样品。对该样品的成像数据进行因子分析后,将成像数据分为了背景、黑色、蓝色和红色因子。分析结果显示,m/z 443.2,478.4,322.2(344.2)分别在红色、蓝色、黑色因子中的贡献值远大于其它质荷比,因此是3种颜料的特征质荷比。此结果与实际情况相符,证明使用因子分析方法对质谱成像数据进行分析和特征提取是可行的。对因子分析与主成分分析的成像数据处理结果进行了比较,结果显示,因子分析可以更简单和定量地对特征质荷比进行取舍,在生物标志物提取、疾病诊断、药理分析等方面有较大的应用潜力。     

敞开式质谱成像方法的组织样品稳定性研究

以添加镇静催眠候选新药N6-羟苄腺嘌呤核苷[N6-(4-hydroxybenzyl)adenine riboside,NHBA]的组织匀浆切片作为考察对象,对空气动力辅助离子化质谱成像系统(Air Flow Assisted Ionization Mass Spectrometry Imaging,AFAI-MSI)的关键参数进行考察与优化,以保证最佳条件进行样品检测。在此基础上,对预处理的整体大鼠组织切片进行平行的连续两次质谱成像分析,考察了其内源性代谢物在成像分析过程中是否发生变化。通过对采集数据中关键质谱峰的筛选等处理步骤,并采用可视化的主成分分析(PCA)方法,开展了组织样品内源性代谢物的稳定性分析,最终验证了采用该样品前处理和质谱成像方法,能够保证组织切片样品中内源性代谢物的稳定性,为质谱成像分析结果提供了可靠依据。     

纳米材料辅助负离子激光解吸电离-飞行时间质谱分析小分子研究进展

基质辅助激光解吸电离-飞行时间质谱（MALDI-TOF MS）作为一种软电离质谱技术,目前已被广泛用于蛋白质、多肽、核酸、聚合物等大分子分析。由于传统有机化合物基质在低相对分子质量（小于700 Da）区域的干扰,该技术在小分子物质分析方面受到很大限制。为克服传统有机化合物基质在低相对分子质量区域的干扰,近年来以纳米材料为代表的无机基质材料备受关注。相对传统有机化合物基质或纳米材料正离子模式,基于纳米材料的负离子激光解吸电离（LDI）有效避免了正离子模式下一种化合物会产生多种加合物的问题,具有图谱简单易于解析、灵敏度高、重现性好等优点。该文综述了近5年来纳米材料负离子LDI-TOF MS技术在小分子分析方面的研究进展,以期拓展该技术在小分子分析方面的应用。