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生物质谱仪
阅读:553时间:2018-06-15 09:59:43

自1886年Goldstein发明早期质谱仪器常用的离子源,到1942年第一台单聚焦质谱仪商品化,质谱基本上处于理论发展阶段。随后质谱在电离技术和分析技术上的发展和完善,使之很快应用于地质、空间研究、环境化学、有机化学、制药等多个领域。

应用

  随后质谱在电离技术和分析技术上的发展和完善,使之很快应用于地质、空间研究、环境化学、有机化学、制药等多个领域。然而,即使在等离子体解吸(plasma desorption,PD)和快原子轰击(fast atom bombardment,FAB)两项软电离质谱技术出现以后,质谱分析的相对分子质量也只是在几千左右。真正意义上的变革以80年代中期出现的两种新的电离技术:电喷雾电离(electrospray ionization,ESI)和基质辅助激光解吸电离(matrix-assisted laser desorption ionization,MALDI)为代表,这两种技术所具有的高灵敏度和高质量检测范围,使得在fmol (10-15)乃至amole(10-18)水平检测相对分子质量高达几十万的生物大分子成为可能,从而开拓了质谱学一个崭新的领域——生物质谱,促使质谱技术在生命科学领域获得广泛应用和发展。

分类

  目前商业化的生物质谱仪,其离子化方式主要是电喷雾电离与基质辅助激光解吸电离,前者常采用四极杆质量分析器,所构成的仪器称为电喷雾(四极杆)质谱仪(ESI-MS),后者常用飞行时间作为质量分析器,所构成的仪器称为基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱仪(MALDI-TOF-MS)。ESI-MS的特点之一是可以和液相色谱、毛细管电泳等现代化的分离手段联用,从而大大扩展了其在生命科学领域的应用范围,包括药物代谢、临床和法医学的应用等;MALDI-TOF-MS的特点是对盐和添加物的耐受能力高,且测样速度快,操作简单。此外,可用于生物大分子测定的质谱仪还有离子阱(ion trap,IT)质谱和傅里叶变换离子回旋共振(Fourier transform ion cyclotron resonance,FTICR)质谱等。而最近面市的最新型的生物质谱仪是液相色谱-电喷雾-四极杆飞行时间串联质谱仪(LC-ESI-MS-MS)与带有串联质谱功能的MALDI-TOF质谱仪,前者是在传统的电喷雾质谱仪的基础上采用飞行时间质量分析器代替四极杆质量分析器,大大提高了仪器的分辨率、灵敏度和质量范围,其商品名有Q-TOF和Q-STAR等;后者是在质谱中加入了源后降解(post-source decay,PSD)模式或碰撞诱导解离(collisionally induced dissociation,CID)模式,从而使生物大分子的测序成为可能。

医学应用

  生物质谱可提供快速、易解的多组分的分析方法,且具有灵敏度高、选择性强、准确性好等特点,其适用范围远远超过放射性免疫检测和化学检测范围,生物质谱在检验医学中主要可用于生物体内的组分序列分析、结构分析、分子量测定和各组分含量测定。
  1、核酸检测的应用:核酸的分子生物学研究已经成为生命化学、分子生物学及医学领域中最具有活力的研究方向之一。通过现代生物质谱技术,我们不但能够得到寡聚核苷酸的分子质量,而且能够通过相关的技术得到它的序列信息。
  2、小分子生物标志物检测的应用:质谱在检验医学中应用较早、较广泛的是用核素稀释GC—MS分析小分子生物标志物,该方法是很多生物小分子检测的参考方法,主要分析项目有氨基酸、脂肪酸、有机酸及其衍生物、单糖类、前列腺素、甲状腺素、胆汁酸、胆固醇和类固醇、生物胺、脂类、碳水化合物、维生素、微量元素等,其中很多项目的方法比较完善,如激素¨的检测和利用串联质谱法进行新生儿氨基酸、游离肉毒碱和酰肉碱的筛查系统_2l3J,2004年l2月24目美国食品药品管理局(FDA)还专门制订了“用串联质谱法分析新生儿氨基酸、游离肉毒碱和酰基肉碱筛选检测系统”的指导性文件。生物质谱作为参考方法,在临床检验的量值溯源工作中也发挥着重要作用。由于质谱方法在测量的准确性和可靠性上所具有的巨大优势,目前很多国际组织或校准品制造商都用质谱法作为参考方法,对一些测定项目的校准品进行定值,如:葡萄糖、尿酸、T4、肌酐等。
  3、大分子生物标志物检测的应用:大分子生物标志物按结构可分为蛋白质、糖蛋白和低聚核苷酸。蛋白质是疾病的重要生物标志物,当异常基因产生异常蛋白质后,临床实验室可通过测量代谢物浓度、代谢物组变化、检测疾病相关异常功能蛋白、结构蛋白或蛋白指纹图谱等来提供用于诊断疾病的数据。代谢物组、蛋白质组、基因组分析间的相互作用将是今后几年我们面临的主要挑战与发展机遇。临床检验将通过连续地进行这些分析,先鉴别与疾病有关系的代谢物组,然后通过对蛋白质和(或)DNA的分析验证鉴别结论,再连同其他临床信息和实验室数据,最后确定疾病的严重程度,并制定治疗策略。肿瘤标志物的测定是生物质谱技术在临床检验应用中最为突出和有价值的领域,生物质谱技术最有希望成为肿瘤的早期检测方法。根据生物质谱技术对乳腺癌等l2种肿瘤的血清及尿液检测结果已证实,其检测灵敏度82%~99%;诊断特异性为85%~99%,这是一个令人震惊的结果。
  4、微生物鉴定的应用:通过每种细菌分离物的生物质谱可得到基于每种细菌惟一的肽模式或指纹图谱来鉴别细菌,Hsu已用串联质谱鉴定了沙门菌J。由于蛋白质在细菌体内的含量较高,生物质谱可常用于细菌属、种、株的鉴定;而串联质谱还可针对糖类或脂类的脂肪酸组成进行鉴定;此外,通过对生物样本进行处理后,串联质谱也可从单细菌水平发现和确定病原菌及孢子;对特殊脂质成分的分析则可了解样本中病原菌的活力和潜在感染。
  5、药物分析的应用:质谱在药物分析中的应用包括:合成药物组分分析,天然药物成分分析,肽和蛋白质药物(包括糖蛋白)氨基酸序列分析,药物代谢研究和中药成分分析。在检验医学中应用较多的是治疗药物监测(TDM),以前药物检测主要使用免疫化学技术和高效液相色谱技术。虽然,免疫化学技术简单易行,但是所测定药物种类比较少。高效液相色谱技术测定药物种类虽较多,但定性的可靠性差。然而,液相色谱与质谱(LC、Ms)联用技术检测药物准确、快速,几乎可以用于所有药物检测,如抗癌药、免疫抑制剂、抗生素以及心血管药,LC、MS技术有望成为药物检测的最强有力的工具。

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