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。     

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。     

中性解吸-电喷雾萃取电离质谱直接分析水涝胁迫下烟草的代谢产物

烟草(Nicotiana tabacum L.)是植物科学研究的模式植物和我国重要的经济作物,水涝胁迫是影响烟草品质和产量的重要胁迫因子之一。本研究采用中性解吸-电喷雾萃取电离质谱(ND-EESI-MS)技术,在无需复杂的预处理的条件下,利用烟草中常见的丝氨酸作为优化离子,对萃取剂种类及流速、电喷雾电压、样品端辅助气压、雾化气压和离子传输管温度等仪器参数进行优化。在最优的条件下,共检出水涝胁迫下烟草中丝氨酸、脯氨酸、谷氨酸、丙氨酰甘氨酸、亮氨酸、天冬酰胺、组氨酸、儿茶酚、麦芽酚、肉桂酸、咖啡酸、阿魏酸、白藜芦醇、山奈酚、槲皮素、绿原酸、烟碱、降烟碱、苯乙醛、柠檬醛、苹果酸和β-大马烯酮共22种代谢产物。在应对水涝胁迫时,烟草中脯氨酸、谷氨酸、丝氨酸和组氨酸等初生代谢产物含量增加,绿原酸、阿魏酸、咖啡酸、儿茶酚、苯乙醛、烟碱和降烟碱等次生代谢产物含量也呈上升趋势。本研究从代谢组学层面上揭示水涝胁迫下烟草代谢产物的变化,为进一步了解烟草响应水涝胁迫提供了理论基础。ND-EESI-MS应用于水涝胁迫下烟草中代谢物检测,具有灵敏度高、检测范围广、可实现高通量快速检测等优点,单个样品的测定时间不...     

三氟乙酸增强的解吸电喷雾电离质谱成像用于脂质空间分布研究

将三氟乙酸添加到解吸电喷雾电离质谱的喷雾溶剂中,提高了对脂质的成像检测能力,使小鼠脑组织切片中能检测到的脂质种类从59种提高到71种.此外,该方法还可以促进脂质的质子化峰的形成并抑制钠和钾加合物的形成,有利于简化谱图解析过程并实现更好的定量分析.利用该方法实现了小鼠脑组织切片上多种脂质的空间相关性研究,为探索脂质间潜在的代谢途径提供了新手段,在神经学、临床等领域具有巨大的应用前景.     

基于质谱分析动物组织代谢组学的样本制备策略

代谢组学主要研究生物体内小分子代谢物种类和数量的变化,能够准确的反映生命体终端和表型信息。尽管代谢组学技术进步主要得益于分析平台的发展,但是生物样本的制备作为其先决条件,近年来受到广泛的关注,尤其在质谱领域,而动物组织代谢组学因其制备策略的局限性正面临着在体液分析中未遇到的挑战,如提取流程非常耗时,有机溶剂大量使用等。本文结合近几年国内外研究人员发表的相关文献及大量的实验工作,综述了代谢组学组织样本的制备策略及发展方向,为进一步使用代谢组学研究动物生命科学提供参考。     

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.     

质谱技术在中药研究中的应用进展

中药是中华传统医学的瑰宝,在我国已广泛应用于疾病预防和治疗中,但其存在化学成分复杂、作用机制不明确等问题,制约了中药现代化及国际化的发展进程。质谱技术具有高灵敏度、高选择性、高稳定性及高通量的特点,特别适合于中药复杂成分及其代谢物的定性定量分析。该文综述了近年来质谱技术在中药成分鉴定及质量控制、中药代谢组学及中药药代动力学研究方面的典型应用,并对存在的问题及改进方法进行了展望。     

多批次肝衰竭患者呼出气体的电喷雾萃取电离质谱检测及代谢组学数据分析

采用高分辨电喷雾萃取电离质谱(EESI-MS)技术对肝衰竭患者和健康志愿者呼出气体样本进行快速检测, 结合多块偏最小二乘分析(MB-PLS)方法, 对多批次获取的呼出气体代谢数据进行统计建模分析, 并与传统的PLS方法进行比较. 结果表明, MB-PLS方法能有效消除批次差异对统计建模的影响. 此外, 利用MB-PLS模型变量VIP值对变量进行筛选, 可降低数据的冗余, 消除无关变量对模型的影响, 从而有效提高了模型的性能.     

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。     

C60-N-甲基吡咯烷衍生物直接进样电喷雾离子阱质谱表征

通过直接进样方式,采用电喷雾电离质谱技术分析了8个合成的富勒烯-N-甲基吡咯烷衍生物,详细研究了其在电喷雾条件下的质谱行为。由结果可知,该类化合物在电喷雾电离过程中易得到电子而负离子化;当衍生物结构中有相对易质子化基团或有活泼氢时,则可获得质子化和去质子的正负离子谱图;衍生物在负离子模式下容易失去吡咯环产生富勒烯负离子,且在合适能量碰撞下易发生衍生化基团内部的逆环加成反应,通过失去1个中性小分子物质CH2‖N—CH3,产生新的一取代亚甲基富勒烯衍生物。基于电喷雾电离源技术联合离子阱分析器建立的质谱分析方法,不但能提供准确的分子量信息,还能通过获得高分辨同位素谱峰和丰富的二级碎片离子峰,进一步确认化合物的分子结构,是一种先进、快速的富勒烯吡咯烷衍生物定性分析方法。     

基质辅助激光解吸电离质谱成像在指纹分析中的研究进展

基质辅助激光解吸电离质谱(MALDI-MS)是一种高灵敏度、高通量、多组分同时分析的软电离质谱技术,可通过对物质分析实现分子结构的确认及物质分布信息的获取,因此在指纹分析中获得越来越多的关注。 本文从条件优化入手,讲述基质优化过程。 接着介绍了MALDI-MS成像(MALDI-MSI)在指纹分析领域具体的应用,在形态分析研究方面,总结其与常规显现方法联用对成像效果的影响、对疑难指纹的图像处理;在化学信息分析研究方面,分别从根据质谱信息分析生活习惯/案前活动、指纹遗留时间和个体同一认定对各研究的优点及局限性进行评述,最后为MALDI-MSI在指纹领域未来发展提出展望。     

Toward Depth-Resolved Analysis of Plant Metabolites by Nanospray Desorption Electrospray Ionization Mass Spectrometry

Nanospray desorption electrospray ionization (nano-DESI) is one of the ambient desorption ionization methods for mass spectrometry (MS), and it utilizes a steady-state liquid junction formed between two microcapillaries to directly extract analytes from sample surfaces with minimal sample damage. In this study, we employed nano-DESI MS to perform a metabolite fingerprinting analysis directly from a Hypericum leaf surface. Moreover, we investigated whether changes in metabolite fingerprints with time can be related to metabolite distribution according to depth. From a raw Hypericum leaf, the mass spectral fingerprints of key metabolites, including flavonoids and prenylated phloroglucinols, were successfully obtained using ethanol as a nano-DESI solvent, and the changes in their intensities were observed with time via full mass scan experiments. In addition, the differential extraction patterns of the obtained mass spectral fingerprints were clearly visualized over time through selected ion monitoring and pseudo-selected reaction monitoring experiments. To examine the correlation between the time-dependent changes in the metabolite fingerprints and depth-wise metabolite distribution, we performed a nano-DESI MS analysis against leaves whose surface layers were removed multiple times by forming polymeric gum Arabic films on their surfaces, followed by detaching. The preliminary results showed that the changes in the metabolite fingerprints according to the number of peelings showed a similar pattern with those obtained from the raw leaves over time.     

基于MALDI质谱成像技术分析莲子中代谢物的组织分布

该文建立了一种可对莲子中多种代谢物进行高覆盖分析的基质辅助激光解吸附质谱成像(MALDI-MSI)方法,实现了莲子中生物碱类、黄酮类、氨基酸类、脂肪酸类、有机酸类、胆碱类、磷脂类等多种代谢物的组织原位可视化表征。结果表明,生物碱类代谢物主要分布在莲子胚芽中;黄酮类代谢物主要分布在莲子胚芽和种皮中;氨基酸类代谢物在莲子子叶中的含量显著高于莲子胚中;脂肪酸类代谢物在莲子不同组织中的分布差异很小;胆碱类代谢物在莲子胚芽和莲子子叶底部的含量更高,甘油磷酸胆碱在莲子子叶顶部的含量更高;有机酸类代谢物以及绝大多数磷脂类化合物在莲子子叶中的含量高于莲子胚。该研究为评价莲子药物质量、探究莲子中化合物的时-空代谢网络提供了新的技术支持。     

Laser Desorption Ionization Versus Electrospray Ionization Mass Spectrometry: Applications in the Analysis of Cluster Anions

Mass spectra of transition metal carbonyl cluster anions were recorded using laser desorption ionization time-of-flight (LDI-TOF) and electrospray ionization (ESI) techniques. The LDI spectra generally contain peaks corresponding the intact cluster together with extensive CO loss fragments ions whereas the ESI spectra exhibit peaks corresponding the intact cluster together with few (if any) CO loss fragment ions. The parameters of both techniques can be modified to vary the extent of fragmentation. In all cases no fragmentation of the metal core is observed. Overall, ESI is a more informative method for the analysis of these types of cluster anions.     

敞开式电离质谱技术在法医毒物分析中的应用

敞开式电离质谱(Ambient ionization mass spectrometry,AIMS)是指在大气压环境下,无需或只需简单的样品前处理即可对样品中目标物进行分析的质谱技术.AIMS具有简单、快速、无损和适用范围广等优势,被广泛应用于法医毒物分析领域.该文对敞开式电离(Ambient ionization,A...     

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。