德国TransMIT高分辨率常压质谱成像系统

简介

质谱成像（Mass Spectrometry Imaging）是一种新型的表面原位分析技术，它揭示了样品真正表面或近表面的化学组成，其信息量远远超过了简单的化学成分分析，可以用于表征、鉴定待测样品表面的化学成分。较之其他成像技术，如显微镜成像，基于质谱的成像方法不局限于特异的一种或者几种分子，分析物可以以其最初的形态被检测，不需要对待测物进行标记，大大节省了标记所带来的技术和时间成本。目前主要有三种离子化技术用于质谱成像：基质辅助激光解吸电离（MALDI）质谱、电喷雾解吸电离（Desorption Electrospray Ionization）质谱和二次离子质谱（Secondary Ion Mass Spectrometry）技术，其中MALDI是应用最为广泛的离子化技术。MALDI通过引入基质分子，使分子与基质形成共结晶，当用一定强度的激光照射样品与基质形成的共结晶薄膜，基质从激光中吸收能量而使分子解吸/电离。MALDI是一种软电离技术，待测分子不易产生碎片，解决了非挥发性和热不稳定性生物大分子解吸离子化的问题，是分析难挥发的有机物质的重要手段之一。在1994年，德国吉森大学（Justus Liebig University Giessen）的Bernhard Spengler教授首次将MALDI MS与成像方法结合用于分析多肽，此后质谱成像技术便受到了广泛的关注，不断的在疾病诊断，病理组织特征，药物代谢和植物代谢等研究中发挥着越来越重要的角色。

一、仪器设备概况

德国TransMIT AP-SMALDI 10是由世界知名质谱学家Bernhard Spengler教授研制成功并商品化的常压基质辅助激光解吸电离离子源，是目前MALDI质谱成像中分辨率很高的离子源（分辨率高达到1微米），突破了MALDI质谱成像空间分辨有效成像像素限制在50微米的瓶颈。与其他MALDI产品相比，该离子源在提高空间分辨率的同时保证了质谱信号的灵敏度，是检测生物样品中微量以及痕量成分的重要保障。TransMIT AP-SMALDI 10可与超高分辨质谱Orbitrap（Thermo Fisher Scientific）兼容，可同时获得高空间分辨率和高质量准确度和分辨率的二维离子密度图，实现了真正意义上的高分辨质谱成像。TransMIT AP-SMALDI 10与同领域其他设备，其具体优势体现在以下几个方面：

1. 常压到中压的操作环境，大大简化了样品制备的方法，节约了成本。传统的MALDI样品分析是在真空条件下进行，操作要求高，且随着分析时间的延长，会导致基质在真空条件下挥发损失，造成分子离子峰的信号衰减和成像误差；

2. 小于5微米的高空间分辨率，能够可视化生物组织内化合物在细胞水平上的空间分布，并且可用于单细胞质谱成像分析；

3. 采用激光束和离子流的同轴设计，大大提高了样品表面分子离子的产率；

4. 采用激光器，即无害免控激光器，在使用过程中对人体无任何危险；

5. 配有专用于高分辨质谱成像的数据分析软件；

6. 可与Thermo Scientific Q Exactive系列质谱仪兼容，拆装灵活。

二、仪器设备应用及性能说明

高空间分辨率TransMIT AP-SMALDI 10离子源问世后，已经在生命科学领域展示了自己的优势，受到了国际专家和同行的一致认可，多项研究成果发表在Angewandte Chemie，The Plant Journal, Analytical Chemistry，Analytical and Bioanalytical Chemistry，Rapid Communications in Mass Spectrometry, International Journal of Mass Spectrometry等知名期刊上。在了解生物组织特征，病理组织特征，药物疗效及发现生物标志物等方面表现突出。现对TransMIT AP-SMALDI 10主要优势特色做简要综述：

1、 高空间分辨率

    高空间分辨率是准确判断生物组织内化学物质分布的前提条件。以大鼠脑组织中的磷脂分布为例，在100×100 μm²像素下，我们仅可以得到脑组织中磷脂的低分辨轮廓图。当分辨率提高到35 μm时，图像清晰度显著提高，可以准确识别脑组织切片中不同功能区内化合物的分布。再次聚焦TransMIT AP-SMALDI 10激光束到3 μm，则可以得到更加精细、无毛刺的磷脂二维离子密度图，这样可以清晰识别大鼠脑组织中微小部位中的代谢产物分布。3×3 μm²二维离子密度图中红、蓝、绿分别代表不同的化合物，红色代表背景离子，蓝色代表phosphatidylcholine（38:1），绿色代表phosphatidylcholine （38:1）。

2、高质量准确度和高质谱分辨率

       TransMIT AP-SMALDI 10的另一个优势是其基于Orbitrap设计的一款离子源。Orbitrap无疑是近20年来高分辨质谱技术上最重要的突破，该质谱是目前体积最小的高分辨质谱仪。Orbitrap分辨率可高达140000 @ 200 Da，可同时进行定性和定量分析，尤其能够针对复杂基质中痕量组分的高灵敏度定量分析。集成了TransMIT AP-SMALDI 10的Orbitrap可以为研究者提供超高分辨的二维离子密度图，解决了质谱成像技术中原位鉴定化合物的难点，全面提高了鉴定分子离子的准确率和效率。可同时实现全扫描和MS/MS扫描，获得RMS< 2ppm的高质量准确度的二维离子密度图。如图所示，基于Orbitrap的AP-MALDI质谱成像可以分辨质量差仅为0.1Da的两个化合物。如果使用低分辨质谱，将无法区分平均质量同为m/z 726的两个化合物，致使得到的二维离子密度图（图d）实际上是两种离子信号叠加的结果。由此可见，AP-MALDI-Orbitrap技术结合了高空间分辨率和高质谱分辨率，是一种具有优势的质谱成像技术。

3、单细胞质谱成像分析

   目前单细胞分析大多依靠显微镜技术，因此需要标记细胞中的分析物，但是细胞中绝大多数分子没有荧光，这不利于细胞中未知分子的检测;其次常用的荧光探针具有一定的波长宽度，在有限光窗下只能检测3-4种分子。单细胞质谱分析因为具有无需标记、多组分同时分析、相对和jue对定量、适于代谢组学和蛋白组分析的特点而受到研究者的青睐。在此基础上单细胞质谱成像成为了近期新的研究热点，常用的单细胞质谱成像技术为二次离子质谱仪（SIMS），虽然SIMS的空间分辨率通常高于MALDI，但其质量检测范围较小，质荷比超过1000时灵敏度显著降低。TransMIT AP-SMALDI 10可以提供1-10 μm的高分辨率，同时弥补了SIMS质量检测范围窄和灵敏度低的缺点，成功应用于磷脂、多肽以及蛋白质等活性物质在单细胞中的空间分布研究。下图展示了首次采用TransMIT AP-SMALDI 10获得的单细胞中化学物质的二维离子密度图，使用 7 μm的激光束可以成功捕获单个HeLa细胞（图a）中荧光标记物（图b）和磷脂（图c和d）的二维空间分布信息。

    综上所述，TransMIT AP-SMALDI 10是一款性能优异、实用价值高的质谱成像离子源。整合后的AP-MALDI-Orbitrap在成像空间分辨率、质量准确度及质谱采集时间等方面得到了全面提升，配合其自主研发的数据处理软件 MIRION，更加提高了图像处理的速度和质量。AP-MALDI-Orbitrap在质谱成像领域中具有许多独特优势，势必在多学科交叉领域研究中成为重要的研究工具。