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质谱成像技术 从实验台到临床

2018-08-09 22:25编辑:qdkasite.com人气:


“人类天生就可以收集大量的视觉信息。”范德堡大学医学院斯坦福·摩尔生物化学主任与质谱研究中心主任Richard Caprioli表示,“我们喜欢图样、我们喜欢照片,我们通过一张简单的照片可以获得大量的信息。”

 

在Caprioli看来,这一点解释了质谱成像技术(MSI)为什么越来越受欢迎。尤其是这项技术可以帮助组织学家获得原本需要数年才能掌握的专业知识。“它采用的不是颜色维度,而是分子维度。但这个事实并不是那么重要,只要分子维度有足够的信息量。”他说。

 

质谱成像技术就像是免疫组织化学的高通量版本,只是没有抗体而已。质谱成像技术并没有为组织切片事先染上特殊标记,它使用质谱仪一次性挑选并绘制成百上千种分子的空间排列。研究者无需提前知道哪个分子比较重要,就可以利用该技术进行绘制挑选,而且速度很快。“我们的仪器有激光,每秒可以做5000个质谱。”Caprioli表示,这一速度足以在一个小时之内扫描包括数百个病患活组织在内的组织微阵列整体。

 

但是,质谱成像技术的应用也存在明显的障碍。比方说,图像分辨率随着光点尺寸的减小而升高,但却降低了离子材料的产量。该技术并没有初步分离的步骤,因此可能会只抽取丰度最高的分子。而在计算方面,研究人员面临的挑战则是如何对数据进行分析, 幸运飞艇,特别是如何能够真正理解这些数据。但是不管怎么说,研究人员正在使用质谱成像技术进行研究,无论是确定亚细胞分辨率下组织切片中的药物代谢产物,证实疾病的生物标记,还是鉴别肿瘤的边界等等。他们甚至正在将该技术引入临床,至少是接近于临床研究。

 

质谱成像技术的策略

 

那么,什么是质谱成像技术?就像是一张标准的数码照片,数字成像的色彩是通过红绿蓝3个颜色通道叠加而成的,屏幕上每个小像素的颜色都是由这三个颜色的密度所构成的。

 

现在,想象一张拥有成千上万个颜色通道的图片。这就是质谱成像技术,Caprioli说,每个通道都是你想要展示的那个分子种类或质谱峰。研究人员将这些不同的通道互相覆盖,便可以产生一个针对组织分子构成和空间分布的彩色绘图,无论是对蛋白质、神经肽、代谢分子还是脂类等组织——显然脂类的需求正在增加。

 

研究人员为质谱成像技术设计了几十套方案,但正如2012年的综述中所说的(J. Proteomics, 75:4883, 2012),只有三种是最常见的。Caprioli的基质辅助激光解析质谱成像技术(MALDI-MSI)通过紫外线激光光栅扫描一个基质包膜的组织切片来建立图像。该技术的像素大小一般近似于1到10个微米,意味着它可以达到亚细胞分辨率。但由于它需要使用MALDI基质和真空环境,所以MALDI-MSI不适用于活体样本。同时,基质是用来吸收激光能量并转移到样本上去,但是这种基质可能会很难在样本上操作并产生大量的小分子量的电离物,这会遮蔽生成光谱的代谢区域。

 

宾夕法尼亚州立大学埃文·普名誉化学教授Nick Winograd采用了第二种方法——次级离子质谱法(SIMS)。这种方法通过在样品表面喷镀离子束让样品产生电离作用(比方说,英国Ionoptika公司的带电C60分子或氩团簇束),不使用激光。Winograd称,这种方法有两大优点,第一个是分辨率:SIMS得出的像素约有300纳米,而MALDI充其量只有1毫米。另一个是通过分子深度剖析,研究人员可以使用碰撞而成的坑痕去“深挖”这个样本,通过三维立体化绘制其分子组成物。

 

第三种是电喷雾解析电离技术(DESI),这种(非真空的)电离技术通过喷射溶剂,将溶剂覆盖在未经处理的组织表面上,溶解表面的分子。然后再继续往上滴溶剂,以使溶解物溅到质谱仪上,进行电离和分析。(Prosolia公司对DESI技术进行商业化,该公司由该技术的发明者、普度大学化学家R. Graham Cooks共同创办。)

 

DESI、MALDI、SIMS这三种技术以及他们的变体都采用阿姆斯特丹FOM研究所AMOLF学院Ron Heeren所谓的“微探针”模式,分辨率随着像素尺寸减小而升高。这里面的问题是如何从尽可能小的光点中最大化样品的电离作用。但是较小的光电也就意味着检测到的离子会更少,且不要说成像时间会更长了(因为里面的像素会变多)。

 

Heeren更喜欢“显微”模式。这种模式可以用散焦像素更快成像,再加上像素检测器如CCD,可以有效地一次性捕获262144(512x512)个光谱。

 

“这就像个相机。”Heeren解释道,“就是一点,我们制造的是分子闪光照片。”

 

(来源:中国仪器网)

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