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MALDI-TOF-MS 基質輔助激光解吸電離飛行時間質譜

2018.11.22

MALDI-TOF-MS（基質輔助激光解吸電離飛行時間質譜, 英文名Matrix-Assisted Laser Desorption/ Ionization Time of Flight Mass Spectrometry）是近年來發展起來的一種新型的軟電離生物質譜，其無論是在理論上還是在設計上都是十分簡單和高效的。

電噴霧電離 ( ESI ), 基質輔助激光解吸電離( MALDI）技術, 和飛行時間質量分析器的出現為分析合成高分子提供了良好的工具。1988 年,Tanaka 等人 [1]? 率先報道以含有金屬微粒的甘油為基質測定了分子量高達 22,00Da 的聚乙二醇( PEG ) 的分子量分布, 接著,Dains 等人 [2]? 報道用標準的 MALDI 樣品制備方法測定工業高分子聚丙烯酸和聚苯乙烯磺酸, 后者分子量在30000 Da 以上 ; 基質輔助激光解吸離子化技術的發明者 Karas M.和 Hillenkamp F.于 1992年報道 [3]? 用 MALDI一TOF 測定聚苯乙烯分子量達 70KDa,PEG 分子量達 40 KDa, 其結果與GPC 方法基本一致,經過短短幾年的發展, 直至1996 年為止, 對 PS 的可測分子量上限已達1500 KDa 。

基于MALDI-TOF生物質譜的組織成像技術（MALDI-imaging mass spectrometry ，MALDI-IMS）是一門新興的分子成像技術，對于發現疾病生物標志物和研究藥物代謝等方面具有重要意義，并具有良好的臨床應用前景。MALDI-TOF-MS近期的發展主要在改善靈敏度，提高分辨率，擴大應用范圍以及標志物的鑒定等方面 [4]? 。靈敏度和分辨率主要受激光器頻率和能量，樣本切片質量，基質噴涂效果等因素影響。高頻率（200Hz和1000Hz）的固體激光器已經普遍用于MALDI質譜中，可在較短時間內完成一個切片的成像質譜數據采集，但可調光束直徑的激光器對于IMS更有利。切片質量和基質覆蓋一直是IMS的一個技術瓶頸.近年來,一些研究者和質譜公司開發了新型基質噴涂設備和技術,改善了切片前處理方法,大大提高了質譜成像技術的靈敏度和分辨率。

儀器（如圖1）主要由兩部分組成：基質輔助激光解吸電離離子源（MALDI）和飛行時間質量分析器（TOF）。MALDI的原理 [5]? 是用激光照射樣品與基質形成的共結晶薄膜，基質從激光中吸收能量傳遞給生物分子，而電離過程中將質子轉移到生物分子或從生物分子得到質子，而使生物分子電離的過程。因此它是一種軟電離技術，適用于混合物及生物大分子的測定。TOF的原理 [6]? 是離子在電場作用下加速飛過飛行管道，根據到達檢測器的飛行時間不同而被檢測即測定離子的質荷比（M/Z）與離子的飛行時間成正比，檢測離子。MALDI-TOF-MS具有靈敏度高、準確度高及分辨率高等特點，為生命科學等領域提供了一種強有力的分析測試手段，并正扮演著越來越重要的作用。

圖1 MALDI-TOF MS儀器結構框圖

早期的MALDI一TOF 盡管能夠分析質量數達數萬的大分子, 但是它只有數百的分辨率,質譜峰較寬,信噪比不理想, 質量測量精度不高。對于 MALDI一TOF, 影響分辨率的主要因素是初始離子的動能分散。這已在 Chait 等人的實驗中得到證實 [7]? 。目前主要有兩個措施來解決這個問題: ① 靜電反射器 ( ElectrostaticReflec tron), 這個概念最早由 Manlyrin 于 1973 年提出 [8]? ,其基本原理是當離子源飛向反射器時.高動能的離子會比低動能的離子更深的穿入反射器。離子被反射后, 飛抵離子檢測器, 高動能的離子飛行的路程就長一些。調節反射器條件就可以使得質量相同而初始動能不同的離子更加一致地達到檢測器, 實現動能的一級聚焦。Mamyrin于 1994 年又提出了對離子進行高次聚集的設計方案 [8]? 。Cotetr 用十分簡單的圓筒電極作為反射器實現了 Mamyrin 的設想 [9]? 。反射器可以使MALDI 一TOF 的分辨率大大提高。②離子延遲引出 ( Delay Extraction) [10]? , 當激光照射靶的瞬間, 若靶電極和與其相對的離子引出電極處于相同的電位, 即在兩電極之間形成無場區, 那么被解吸離子以不同的初始速度在無場區內運動, 經過一段延遲時間后, 速度高的離子離靶遠,速度低的離子離靶近, 然后以脈沖方式在瞬間使靶與引出電極處于不同電位, 由此產生的電場把離子引出, 經聚焦透鏡后飛出離子源。離靶近的離子比離靶遠的離子得到更大的加速 ( 因而獲得更大的動能 ), 適當選擇延遲時間及靶與引出電極間電壓差, 可以有效地補償離子的初始動能分散, 從而顯著地提高線性 TOF 質譜儀的分辨率, 飛行距離約 1 m 的線性TOF質譜儀的分辨率可達 2000-3000。這一技術即為 “延遲引出” （Delay Extraction) 技術或稱為“ 脈沖離子引出”( PulseIon Extraction, PIE )。延遲引出技術與離子反射器聯合用可使 MALDI一TOF 質譜儀的分辨率超過一萬。

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