质谱成像技术的完美解释！.docx

Word文档质谱成像技术的完美解释！因此，讨论人员将目光转向了质谱技术上，以质谱为基础的成像方法不局限于特异的一种或者几种蛋白质分子，可在组织切片中找到每一种蛋白质分子，并供应这些蛋白质分子在组织中的空间分布的精确信息，而事先无需知道所检测蛋白的信息，不需要对待测物进行标记，分析物可以其最初的形态被检测，同时可对这些蛋白质分子含量进行相对定量，适用于讨论生物分子的反应 质谱成像（Imaging Mass Spectrometry, IMS）这种最新原位分析技术主要是利用质谱直接扫描生物样品，分析分子在细胞或组织中的"结构、空间与时间分布'信息其基本流程（以质谱分析生物组织标记物为例）见下： 简洁而言，质谱成像技术就是借助于质谱的方法，再配套上特地的质谱成像软件掌握下，使用一台通过测定质荷比来分析生物分子的标准分子量的质谱仪来完成的但是随着这项技术的不断进展，也间续消失了很多针对各种问题的新技术 最早的质谱成像技术是基质帮助激光解吸电离（MALDI，matrix assisted laser desorption ionization）质谱分子成像技术，由范德堡高校（Vanderbilt University）的Richard Caprioli等在1997年提出，他们通过将MALDI质谱离子扫描技术与专业图像处理软件结合，直接分析生物组织切片，产生任意指定质荷比（m/z）化合物的二维离子密度图，对组织中化合物的组成、相对丰度及分布状况进行高通量、全面、快速的分析，可通过所获得的潜在的生物标志物的空间分布以及目标组织中候选药物的分布信息，来进行生物标志物的发觉和化合物的监控。

正如数字图像包括三个通道：红，绿，蓝一样（单个亮度定义了每个像素的颜色），质谱成像也包含了数以千计的通道，每一个对应于一个特别的光谱峰值，"你可以通过质谱方法从这些像素中获得任何信号，然后调整图像中所需分子像素的相对亮度，最终，得到一张分子特异性的成像图' 这种方法可用于小分子代谢物，药物化合物，脂质和蛋白，而且,质谱成像能相对快速的利用很多分子通道，完全无需特别抗体,下面列出五种先进的质谱成像方法 I.挑战高分子量蛋白MALDI质谱分子成像技术 在对组织或生物体进行成像，分析小分子构成的时候，有一个"拦路虎'总是阻碍试验的进程，那就是多肽，这些多肽体积非常大，要想对它们进行分子成像几乎是不行能的，比如，想要讨论肿瘤边缘的分子微环境，假如直接成像是不行能获得清楚图像的 来自范德堡高校的质谱方法专家Richard Caprioli博士因此创造了基质帮助激光解吸电离（MALDI）质谱分子成像技术，这项技术不局限于特异的一种或者几种蛋白质分子，它可在组织切片中找到每一种蛋白质分子，并供应这些蛋白质分子在组织中的空间分布的精确信息，而事先无需知道所检测蛋白的信息。

同时，可对这些蛋白质分子含量进行相对定量 MALDI质谱分子成像是在特地的质谱成像软件掌握下，使用一台通过测定质荷比来分析生物分子的标准分子量的质谱仪来完成的被用来讨论的组织首先经过冰冻切片来获得极薄的组织片，接着用基质封闭组织切片并将切片置入质谱仪的靶上通过计算机屏幕观看样品，利用MALDI系统的质谱成像软件，选择拟成像部分，首先定义图像的尺寸，依据尺寸大小将图像均分为若干点组成的二维点阵，来确定激光点轰击的间距激光束通过这个光栅图案照耀到靶盘上的组织切片，软件掌握开头采集质谱数据，在质谱仪中，激光束对组织切片进行连续的扫描，组织样品在激光束的激发下释放出的分子被质谱仪所鉴定从而获得样品上每个点的质荷比（m/z）信息，然后将各个点的分子量信息转化为照片上的像素点在每个点上，全部质谱数据经平均化处理获得一幅代表该区域内化合物分布状况的完整质谱图仪器逐步采集组织切片的质谱数据，最终得到具有空间信息的整套组织切片的质谱数据这样就可以完成对组织样品的"分子成像'设定m/z的范围，即可确定该组织区域所含生物分子的种类，并选定峰高或者峰面积来代表生物分子的相对丰度图像中的彩色斑点代表化合物的定位，每个斑点颜色的深浅与激光在每一个点或像素上检测到的信号大小相关。

通过增加单位面积上轰击的激光点数量和像素，讨论人员可以获得更多的样品信息，例如，采纳4000像素比200像素能够得到更好的样品图像质谱分子成像技术是一种半定量或相对定量技术，图像上颜色深的部分表明有更多的生物分子聚集在组织的这个部分，然而，不行能据此确定生物分子在组织的不同部位的实际肯定含量选择组织图像上的任意一个斑点，图像都能够给出一个质谱谱图或者离子谱图，代表在组织的该部位存在这种生物分子，然后,与做指纹图谱类似，像做指纹图谱那样，将样品的离子谱图与已知标准品进行对比，分析差异，从而进行生物标志物的发觉和药物作用的监控 Ⅱ.无需样品处理实时成像电喷雾电离技术 一般质谱成像方法由于体积浩大，重量重，需要冗长的样品预备阶段，因此，并不适用于即时成像（bed side applications），比如，要关心外科医生进行实时的肿瘤边界成像监控，那么就要查找新的方法了 一种称为电喷雾电离技术（desorption electrospray ionization，DESI）的MS成像技术解决了这个问题DESI技术于2021年首次提出，由于这一方法具有样品无需前处理就可以在常压条件下，从各种载物表面直接分析固相或凝固相样品等优势而得到了快速的进展。

这种方法的原理是带电液滴蒸发，液滴变小，液滴表面相斥的静电荷密度增大当液滴蒸发到某一程度，液滴表面的库仑斥力使液滴爆炸产生的小带电液滴连续此过程随着液滴的水分子渐渐蒸发，就可获得自由徘徊的质子化和去质子化的蛋白分子DESI与另外一种离子源：SIMS（二次离子质谱）有些相像，只是前者能在大气压下游离化，创造这项技术的普渡高校Cooks博士认为DESI方法其实就是一种抽取方法，即利用快速带电可溶微粒（比如，水或者乙腈acetonitrile）进行离子化，然后冲击样品，获得分析物的方法 DESI系列产品最大的优势就在于无需样品处理，一般质谱和高效液相色谱分析，样品必需经过特别的分别流程才能够进行分析检测，使得一次样品检测经常需要约一个小时,而DESI系列产品可将固体样品直接送入质谱,溶液被喷射到检测表面,促使样品离子匀称分布采纳这一手段的质谱分别过程，只需3分钟左右即可完成 Ⅲ.活体成像APIR MALDI/LAESI技术 了解细胞的内部成分是理解健康细胞不同于病变细胞的关键，但是，直到目前为止，唯一的方法是观看单个细胞的内部，然后将其从动物或植物中移除，或者转变细胞的生存环境。

但是这么做的话，会使细胞发生变化科学家还不是很清晰一个细胞在病变时与健康细胞的差别，或者当它们从一个环境移到另一个环境中产生的变化 来自华盛顿高校Akos Vertes教授盼望能从另外一个方面来进行活细胞分析，在他的一项关于活叶样品中初级和次级代谢产物分布的讨论中，讨论人员发觉叶片中积累基质很厚，常导致光谱末端低分子量部分模糊，而且基质帮助激光解析电离（MALDI）质谱分析需要在真空中进行，但是，活体样本在真空中无法存活 实际上，MALDI质谱分析的原理是将分析物分散在基质分子中并形成晶体，当用激光照耀晶体时，由于，基质分子经辐射所汲取的能量，导致能量蓄积并快速产热，从而使基质晶体升华，致使基质和分析物膨胀并进入气相而生物样品也可以直接汲取能量的，比如，2.94mm波长的光能激活水中氢氧键 因此，Vertes等人想到复合两种技术来解决这一问题首先他们利用大气压红外线（an atmosphericpressure infrared，APIR）MALDI激光直接激活组织中的水分，使样品气化，就像是组织表面发生了细胞大小的核爆炸，从而获得了离子化微粒，进入质谱中进行分析。

但是并不是全部的气化微粒都带电，大部分其实是不带电的，会被APIR MALDI遗漏 为了捕获这些中性粒子，Vertes等人采纳了其次种方法： LAESI(laser ablation electrospray ionization，激光烧蚀电喷雾电离)，这种方法能捕获大量带电微滴的微粒，然后重新电离化通过对整个样品进行处理，复合这两种方法，就能掩盖更多的分子，分析质量更高 与一般质谱成像过程不同，Verte的方法还在成像中增加了高度，从而实现了3D代谢物成像这项技术的辨别率是直径10mm，高度30mm，这与生物自然 的立体像素相吻合，这样科学家们就可以获得自然 构像 Ⅳ.3D成像二次离子质谱技术 质谱成像技术能将基质帮助激光解吸电离质谱的离子扫描与图像重建技术结合，直接分析生物组织切片，产生任意质荷比(m/z)化合物的二维或三维分布图其中三维成像图是由获得的质谱数据，通过质谱数据分析处理软件自动标峰，并生成该切片的全部峰值列表文件，然后成像软件读取峰值列表文件，给出每个质荷比在全部质谱图中的命中次数，再依据峰值列表文件对应的点阵坐标绘出该峰的分布图 但是，一般的质谱成像技术不能对一些携带大分子碎片的化学成分进行成像，来自宾夕法尼亚州州立高校的NicholasWinograd教授改进了一种称为二次离子质谱（SIMS，secondary ion mass spectrometry）的方法，可以对样品进行完整扫描，三维成像。

SIMS早在用于生物学讨论之前就已经应用广泛了，比如，分析集成电路（integratedcircuits）中的化学成分，这种质谱技术是表面分析的有利工具，能检测出微小区域内的微量成分，具有能进行杂质深度剖析和各种元素在微区范围内同位素丰度比的测量力量 这种技术具有几个优点： 速度快（－10,000 spectra per second），亚细胞构造辨别率（－100nm），以及不需要基质但是另外一方面，不同于MALDI方法，SIMS方面不是一种"软'技术，这种方法只能对小分子成像，因此经常需要进行粉碎 Winograd教授改进了这一方法，他利用了一种新型SIMS光束（carbon-60磁性球），这种新光束比传统的SIMS光束对物体的化学损伤更小C60同时撞击样品表面，类似于"一阵爆炸'，这样重复的轰击使得讨论人员能深化样品，进行三维分子成像，Winograd教授称这个过程是"分子深度成像'（molecular depth profiling） C60的能量与其它的离子束相当，却不到达样品表面以下，这样样品可以连续地被逐层剥离，讨论人员就可以得到纵面图形，最终获得三维的分子影像。

Winograd教授等人用含有肽的糖溶液将硅的薄片包裹起来并进行SIMS试验，随着薄膜渐渐被C60剥蚀，可以获得糖和肽的稳态信号最终，薄膜完全剥离后就可以获得硅的信号假如用其它的射线或原子离子代替C60，粒子束会快速穿过肽膜而无法供应有关生物分子的信息因此，这种方法具有良好的空间辨别率，能够获得巨噬细胞和星型细胞的细胞特征和分析物的分布状况 这里还要说到一点，SIMS和上一技术（APIR MALDI/LAESI技术）都可以对三维成像，但两者也有差别，SIMS方法中，采纳高能离子轰击样品，逐出分析物离子（二级离子），离子再进入质量分析器MALDI方法则用激光辐射样品使之离子化，另外SIMS探针可以探测到100nm的深度，能供应纳米级的辨别率，而MALDI可以探测更深，但空间辨别率较低 Ⅴ.高灵敏度高辨别率纳米结构启动质谱技术 质谱在检测生物。