《生物质谱技术》课件

生物质谱技术从分子到疾病，质谱解析生命科学奥秘质谱技术是现代生物分析的核心工具本课程探讨基础原理和前沿应用质谱仪发展简史11912年汤姆森制造第一台质谱仪21950-1980年代色谱-质谱联用技术发展31980-2000年代软电离技术革命性突破42002年质谱相关技术获诺贝尔化学奖质谱分析的基本原理离子化将样品分子转化为带电荷离子分离根据质荷比m/z分离离子检测记录离子信号生成质谱图常见生物质谱术语母离子/子离子分辨率母离子原始产生的离子区分相邻质量信号的能力子离子裂解后的碎片离子高分辨率可分辨同位素峰灵敏度常用单位检测最低浓度样品的能力m/z质荷比通常以信噪比表示Da道尔顿，分子量单位质谱仪的基本组成离子源分析器产生气相离子分离不同质荷比离子真空系统检测器提供离子飞行必要环境收集并记录离子信号离子源类型总览气相离子化液相离子化EI电子轰击ESI电喷雾电离CI化学电离MALDI基质辅助激光解吸电离APCI大气压化学电离DESI解吸电喷雾电离适合小分子化合物适合大分子生物样品电子轰击离子源（）EI应用领域小分子分析、药物筛查优势稳定重现性好，数据库丰富局限过度裂解，不适大分子原理高能电子撞击分子产生带电荷离子化学电离离子源（）CI反应原理适用样品特点反应气与样品分子发生中等极性有机化合物产生伪分子离子，碎片化学反应产生离子少质谱发展中的软离子化革命硬电离高能量转移，分子严重裂解软电离温和条件，保留分子完整性生物学意义可分析完整蛋白质、多肽、核酸学科影响使大分子结构分析成为可能电喷雾离子化（）ESI库仑爆炸溶剂蒸发液滴分裂，最终产生单独离子液滴形成溶剂蒸发，电荷密度增加溶液荷电高压下形成带电微滴样品溶液通过带电毛细管基质辅助激光解吸电离（）MALDI基质作用吸收激光能量并传递给样品激光解吸激光脉冲使样品获得电荷生物样品优势3适合蛋白质、多肽等大分子激光解吸离子化（）简介LDI基本原理适用对象技术局限激光直接轰击样品表面富勒烯、芳香族化合物电离效率较低无需基质即可电离半导体材料样品损伤大能量直接转移给目标分子某些无机化合物不适合热敏感生物分子其它重要离子源大气压化学电离（APCI）现场直接分析（DESI）直接分析实时（DART）中等极性化合物分析样品表面直接分析技术无需样品制备的快速检测质量分析器类型一览四极杆（Q）离子阱飞行时间（TOF）磁分析器稳定性高，扫描速度快可进行多级质谱分析高分辨率，理论无质量上限经典设计，高分辨率四极杆质谱仪（）QMS41000电极数量分辨率对称排列金属棒形成电场单位分辨率为主10^-13灵敏度g皮克级检测能力离子阱质谱仪（）ITMS离子捕获离子隔离射频场捕获所有离子选择特定m/z离子保留扫描检测碎片化顺序释放离子进行检测激发选定离子产生碎片飞行时间质谱仪（）TOF-MS加速离子获得相同动能飞行轻离子飞行速度更快检测离子按质量顺序到达检测器反射式设计反射器提高分辨率磁分析器与双聚焦仪器工作原理双聚焦设计应用领域磁场使离子轨道偏转电场+磁场组合精确同位素分析重离子轨道曲率小校正动能和角度差异高分辨率质量测定轻离子轨道曲率大显著提高分辨率特殊无机材料研究质谱检测器介绍二次电子倍增器连续打击发射面产生电子倍增法拉第杯直接测量离子电流微通道板多通道平行检测，提高灵敏度阵列检测器同时记录多个m/z信号质谱联用技术优势互补组合优点，消除各自缺点分离+鉴定色谱分离，质谱精确鉴定主流技术GC-MS气相色谱-质谱LC-MS液相色谱-质谱CE-MS毛细管电泳-质谱气相色谱质谱联用（）-GC-MS适用范围典型应用特色领域挥发性、热稳定小分子农药残留检测法医毒理学分析液相色谱质谱联用（）-LC-MS毛细管电泳质谱（）-CE-MS技术特点主要应用极低样品消耗单细胞分析高分离度代谢物组分析非常适合带电分析物蛋白质变体分析优势领域纳升级样品高电荷蛋白质复杂生物混合物样品前处理与制备提取从复杂基质中获取目标物净化去除干扰物质富集提高低丰度组分浓度标准化添加内标实现定量分析质谱分析中的常见问题基质效应离子淬灭分子漂移样品中共流出物干扰离特定化合物抑制目标物质量标定随时间偏移子化过程离子化记忆效应前次分析残留影响当前样品数据采集与谱图解析全扫描模式选择离子监测多反应监测扫描完整质量范围仅监测特定m/z监测特定碎片转化适合未知物分析适合定量分析高特异性定量灵敏度相对较低灵敏度大幅提高适合复杂基质分析分子结构解析指纹区识别1特征碎片模式识别精确质量测定确定分子组成碎片规律分析推断分子连接方式生物信息与数据库检索1实验数据获取2数据预处理质谱原始文件采集峰识别与定量3数据库搜索4结果验证将实验谱图与理论谱图比对假阳性率控制与统计分析蛋白质组学质谱技术代谢组学中的质谱应用靶向代谢组学非靶向代谢组学选择特定代谢物分析检测所有可能代谢物定量准确适合发现研究适合验证研究数据复杂，难以解析主要使用三重四极杆需高分辨仪器脂质组学质谱方法ESI离子化MALDI技术中性脂分析适合极性脂质适合脂质分布成像甘油三酯、固醇类检测核酸分析与质谱寡核苷酸分析DNA甲基化短链DNA/RNA测序碱基修饰分析修饰核苷酸鉴定表观遗传标记物检测主要使用ESI-MS使用专门样品处理相关应用单核苷酸多态性分析基因组单体型分析药物-DNA加合物研究多级质谱（）技术MS/MS前体离子选择碎片化选择特定m/z进行后续碰撞通过碰撞诱导解离产生子离子多级碎片子离子分析子离子可进行下一级碎片化分析碎片离子获取结构信息同位素标记的质谱分析稳定同位素稀释SILAC技术iTRAQ/TMT使用标记标准品细胞培养中标记化学标记技术最准确定量方法蛋白比较定量多样本同时分析消除基质效应体内整体标记高通量蛋白质组学质谱成像（）新进展MSI质谱成像可视化组织中分子空间分布，无需标记药物递送研究中可追踪化合物在组织内扩散肿瘤边界识别与生物标志物分析常用方法质谱定量分析方法同位素内标法最准确定量方法标准曲线法广泛应用的常规方法标准加入法消除基质效应相对定量比较样本间相对变化高分辨率质谱（）应用HRMSOrbitrap技术FT-ICR技术应用优势电场轨道捕获原理磁场束缚离子回旋精确分子式判定纳米质谱与微区质谱纳米喷雾极低流速电喷雾激光微区解析微米级空间分辨率探针技术针尖采样直接分析液滴微萃取单细胞精确分析现场即时检测与便携式质谱分钟5kg10重量分析时间便携式质谱仪重量迅速降低快速检测不需样品运输95%识别准确率对目标化合物高特异性临床质谱分析医学诊断前沿应用单细胞代谢组学肿瘤精准分型呼气组分分析分析细胞异质性基于蛋白表达谱无创疾病筛查个体化用药指导药物代谢酶表型药物开发中的质谱技术上市后监测临床试验代谢物鉴定临床前研究药代动力学分析发现阶段ADME特性评价靶点筛选环境科学中的质谱水体分析大气监测土壤检测痕量有机污染物检测挥发性有机物分析重金属及农药残留分析食品安全与质量控制农药残留多组分同时筛查微生物毒素黄曲霉毒素等检测食品真实性产地及品种鉴别违禁添加剂激素类物质检测法医及反兴奋剂检测法医毒理学反兴奋剂检测新型毒品监测毒品筛查禁用物质筛查设计药物识别过量药物检测代谢物标记物监测新型精神活性物质死因调查支持运动员生物护照合成大麻素微量样品分析长期滥用证据匿名样品筛查质谱平台自动化与应用AI自动化样品处理云计算处理机器人工作站提高通量远程数据分析与存储智能工作流4AI辅助数据解析自适应实验设计机器学习识别未知化合物质谱技术未来趋势与挑战超高分辨率解析更复杂生物系统多组学整合蛋白质-代谢物关联分析大数据挑战PB级数据存储与分析临床常规应用标准化与自动解读国内外知名质谱实验室与企业主要仪器制造商顶尖研究实验室应用案例赛默飞、布鲁克、安捷伦等北大、清华、哈佛、麻省理工等蛋白质组标准化分析流程经典论文及推荐阅读经典文献教材推荐•软电离革命相关论文•《质谱分析原理》•蛋白质组学方法学文章•《生物质谱技术》•临床质谱高影响力研究•《Mass Spectrometry》线上资源•ASMS教程系列•质谱云数据库•谱图解析工具集小结与提问互动510基础模块技术方法原理与仪器基础知识联用技术与数据分析15应用领域生物医学环境食品安全。