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MALDI-TOF MS是啥？
为啥采用MALDI和TOF技术相结合？
是先有MALDI，还是先有TOF？
哪位大佬因为MALDI-TOF MS获得诺奖？
不管是刚接触MALDI-TOF MS的初学者还是实验室老司机，一提到MALDI-TOF MS，心里是不是总是萦绕着一些疑问？
看完本文，你也能对MALDI-TOF MS如数家珍啦~
01
MALDI-TOF MS基本知识和原理
基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(matrix-assisted laser desorption/ionization-time of flight mass spectrometry，MALDI-TOF MS) 是二十世纪八十年代末发展起来的一种新型“软”电离质谱技术，它在生命科学和材料科学等领域的研究中具有广阔的应用前景。
MALDI-TOF MS基本原理
MALDI-TOF MS 的离子源通过激光轰击待测样品与基质形成的共结晶薄膜，使基质从中吸收能量并传递给生物分子，二者间发生质子(即电荷)转移而使生物分子电离。电离的生物分子在电场作用下加速通过飞行管道，根据到达检测器的时间及离子的数量得到质荷比值(m/z)及信号值而形成相应的峰图。
MALDI-TOF MS 原理图
MALDI-TOF MS基本构造包括：进样系统、离子源、飞行时间分析器和离子检测器。
MALDI-TOF MS优点
MALDI-TOF MS具有灵敏度高，分辨率高，图谱简明，质量范围广及速度快等特点，在操作上制样简便，可微量化、大规模、并行化和高度自动化处理待检生物样品，而且在测定生物大分子和合成高聚物应用方面有特殊的优越性。近年来已成为检测和鉴定多肽、蛋白质、多糖、核苷酸、糖蛋白等生物大分子以及高聚物、多种合成聚合物的强有力工具。
02
MALDI-TOF MS技术的发展史
随着生物科学领域的发展，迫切需要一种能够准确、快速、灵敏地测定生物大分子的分子量的方法。生物大分子多为极性和难挥发的化合物，不易气化，且具有热不稳定性。因此，要测定生物大分子的分子量的关键问题就在于如何有效地将这些分子气化和离子化。
MALDI技术的发展
1988年，日本科学家 Tanaka等和德国科学家Karas、Hillenkamp几乎在同一时间提出了MALDI这种新的离子化技术。
Tanaka的方法是把钴粉、甘油等物质和蛋白混合在一起，用激光解吸电离质谱法测到了分子量为10万Da以上的蛋白质。Tanaka因这一技术的开发与电喷雾电离的发明人John Fenn由于“开发了用于生物大分子质谱分析的软解吸电离方法”而分享了2002年诺贝尔化学奖。
德国科学家Karas和Hillenkamp在1985就提出假设，认为选择合适的基质使之与样品混合就可以测定高分子量样品，并提出“基质辅助激光解吸/电离（matrix-assisted laser desorption/ionization，MALDI）这个名称。1988年，他们在《分析化学》杂志（Analytical Chemistry）上发表了将被测大分子与尼克酸（nicotinic acid）这类有机小分子为介质进行共结晶的方法。该方法的灵敏度、信噪比、分辨率等方面都明显优于日本科学家提出的方法。因此，MALDI-TOF MS近年的发展基本上是以德国科学家的方法为基础。
TOF-MS的发展
基质辅助激光解吸电离除与飞行时间结合外，同样可以与其他离子分离手段如四极杆、离子阱等相连接，但脉冲式的激光解吸电离方式与在飞行时间质谱中同样采用脉冲式离子提取方式在耦合上有许多优势。
通过离子的飞行时间来测定其质荷比的想法最早是1948年由Camerona和Egger提出的，但由于当时许多与TOF-MS相匹配的重要技术（如脉冲离子源、检测器等）都不完善，因此最初的TOF-MS没能得到实际的应用。到了五十年代，TOF-MS才有了一些实际的应用。
1976年，美国Macfarlane等将TOF-MS 与PD（Plasma Desorption Ionization）联用，首次用于高分子量物质的质荷比检测。从此，TOF-MS得到了广泛地应用，自身的理论和技术问题也开始不断完善。
03
MALDI-TOF MS应用
目前，MALDI-TOF MS已经广泛用于多肽、蛋白质、核酸、糖等生物大分子和合成聚合物的分析和表征。目前主要的应用方向是：
分子量测定
分子量是有机化合物、生物大分子的重要参数。分子量正确与否往往代表着所测定的有机化合物及生物大分子的结构正确与否。MALDI-TOF MS采用软件电离技术，几乎不产生或产生较少的碎片离子，可以用来检测样品的分子量。
聚合物分析
MALDI-TOF MS可以快速测出聚合物的绝对分子量，提供全部分子量分布，并且通过测定每一个多聚体的分子量，可为分析聚合物分子结构提供支持。应用场景包括大规模材料筛选、药物开发或成品表面分析。
微生物鉴定
MALDI-TOF MS为微生物识别提供了新的技术。其主要原理是在完整的微生物中添加酸性基质辅助细胞裂解，激光激发细胞裂解物形成肽质量指纹谱，与已构建的属、种水平的共性参考谱库进行比对分析，从而实现微生物的鉴定。MALDI-TOF MS在微生物鉴定方面具有操作简单、鉴定迅速、成本低及自动更新的数据库等优势，迅速得到了应用。在微需氧、厌氧菌、真菌及分枝杆菌等难培养微生物鉴定方面表现尤为突出，鉴定时间由数天推进到以分钟和秒计算。在无菌体液的直接鉴定、耐药表型识别、病原体遗传溯源等方面也取得进展。
蛋白组学研究
MALDI-TOF MS的高通量与速度，使其成为大规模蛋白质组学的重要工具。目前蛋白质组研究中最普遍的鉴定方法是采用MALDI-TOF MS测得肽质量指纹谱（PMF），然后在资料库中查询识别的方式鉴定蛋白。MALDI-TOF MS在分析肽混合物时，能耐受适量的缓冲剂、盐，而且各个肽段几乎只产生单电荷离子，是分析PMF的首选方法。MALDI-TOF MS还可以通过二硫键和三硫键的检测和定位来检测蛋白质高级结构；可以进行蛋白质测序以及糖蛋白分析。
质谱成像
MALDI-TOF MS能够一次显示成百上千个蛋白信号，因此近年来也被广泛应用于组织成像。将组织样本在低温条件下切片转移到具有导电性的靶板上，喷涂基质并干燥后，用MALDI-TOF MS进行图像采集。组织切片在激光照射下，表面的分子解吸并离子化，通过飞行管道到达检测器，软件将检测到的这些离子化分子的质荷比等质谱信息转化为像素点，最终重构出组织表面的分子分布图像。质谱成像技术无需任何标记，能一次分析很多个分子，且不依赖抗体，同时能够发现和证明与疾病相关的蛋白。MALDI成像已在肿瘤标记物发现、细胞分型、肿瘤靶向用药位点定位等多个领域应用，并且还在不断地扩展。
核酸质谱
核酸质谱是基于多重PCR和MALDI-TOF MS技术原理对核酸进行分析检测的系统。样本经核酸提取后，通过多重PCR得到目的片段，再经过单碱基延伸或者酶切的方法得到目标产物，最后用MALDI-TOF MS检测产物的质荷比差异，来实现核酸分型、甲基化分析、突变检测等，可用于遗传学分析、分子诊断、肿瘤研究、个体化用药、农业育种等领域。与其他核酸分析技术相比，核酸质谱技术通过直接检测分子量，而不需要荧光或放射性物质。另外，核酸质谱具备高通量、多指标的检测，在时间和费用方面都具有很强的竞争力。
参考文献
[1]曹书娟, 刘彬, 朱安娜. MALDI-TOF MS在药物基因组学检测中的应用及展望[J]. 分子诊断与治疗杂志, 2020, 12(1):5.
[2]邓慧敏, 张珍英, 邓芹英,等. 香豆素衍生物在基质辅助激光解吸/电离飞行时间质谱测定多肽和蛋白质样品中的应用[J]. 质谱学报, 2004, 25(z1):145-146.
[3]马庆伟, 程肖蕊. MALDI-TOF MS引领分子诊断新时代[J]. 生物技术世界, 2006(5):3.
[4]肖迪.基于肽质量指纹谱的病原微生物识别及分型研究[D]. 中国疾病预防控制中心, 2014.
[5]袁湘林. 基体辅助激光解吸电离飞行时间质谱用于药物的研究[D]. 中国科学院大连化学物理研究所, 1999.
[6]周晓光. MALDI诞生30年小记. 分析测试百科网.
[7]郑智国, 毛伟敏. MALDI-TOF质谱在肿瘤临床应用的研究进展[J]. 中国肿瘤, 2008, 17(12):5.
[8]Advanced information on the Nobel Prize in Chemistry 2002, The Royal Swedish Academy of Sciences[EB/OL]. https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/advanced-chemistryprize2002.pdf
[9]Cameron A E, Eggers D F. An Ion ``Velocitron''''[J]. Rev. Sci. Instrum., 1948, 19(9):605-607.
[10]Ionov N I , Mamyrin B A, Fiks V B. Resonance magnetic mass spectrometer of high resolving power. J. Tech. Phys., 1953, 23:2101-2103.
[11]Karas M, Buchmann D, Hillenkamp F. Influence of the wavelength in high-irradiance ultraviolet laser desorption mass spectrometry of organic molecules[J]. Anal. Chem., 1985, 57:2935-2939.
[12]Karas M, Hillenkamp F. Laser desorption ionization of protein with mol33333ecular masses exceeding 10,000 daltons[J]. Anal. Chem., 1988, 60:2299-2301.
[13]Macfarlane R D, Torgerson D F. Science, 1976, 191:920~925.
[14]Tanaka K, Waki H, Ido Y, et al. Detection of high mass molecules by laser desorption mass spectrometry[J]. Rapid Commun. Mass Spectrom, 1988, 2:151-155.
[15]Wiley W C, Mclaren I H. Time-of-Flight Mass Spectrometer with Improved Resolution[J]. Rev. Sci. Instrum., 1955, 26(12):1150-1157.
供稿：英盛生物研发中心
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