代谢组学/分析方法/质谱/离子迁移谱

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工作原理

离子迁移谱 (IMS) 是一种方法，其中气相中的离子通过均匀电场中的差异迁移进行区分/分离。IMS 的第一步是使分子电离。这可以通过多种方法完成，包括电喷雾电离、使用放射源或电晕放电。然后将离子放入漂移室，并通过带电电极系统进行门控，尽管也可以使用其他更精确的门控机制。一旦离子存在，就在漂移管中施加均匀电场，将离子拉入漂移管，在那里它们遇到 IMS 中的中性漂移分子。管中的电压范围很广（每厘米几伏到几百伏）。离子根据其迁移率以不同的顺序到达检测器，迁移率取决于其质量、形状和尺寸，然后可以根据漂移时间、分辨率和 IMS 信号（以伏特为单位）绘制图形。整个过程非常快，只需要几毫秒。

IMS示意图

IMS图形示例

IMS仪器

网站

爱达荷国家实验室

http://www.inl.gov/index.shtml
爱达荷国家实验室 (INL) 的主要目标是找到可持续的能源系统，并确保能源系统通过安全措施是安全的。他们目前正在研究提供更有效和更安全的核能的方法。INL 还进行测试和研究以发现和阻止国家安全威胁。离子迁移谱用于测试微量爆炸物并确定其成分。INL 正在努力创建一个具有计算机光谱系统的 IMS，以改善检测限制和分辨率，同时增加可检测的化合物数量。他们正在努力对 IMS 做出的另一个改进是使其能够检测货币的差异，以帮助阻止货币走私。海关检查员可以使用设备从货币中获取毒品痕迹。IMS 还与全球定位相结合，以实现化学测绘，这将能够显示空中毒素的确切位置并追踪到源头。

术语

渗滤液: 通过浸出形成的产品或溶液，特别是通过浸出土壤而拾取的污染物溶液。

木质素: 一种有机物质，与纤维素一起构成木质组织的主要部分。

烟道: 任何用于空气、气体等的管道或通道。

页岩: 通过粘土或泥质材料的固结形成的具有易裂或层状结构的岩石。

半纤维素: 一组粘性多糖，复杂程度介于糖和纤维素之间，比纤维素更容易水解为单糖。

梯度计: 任何用于测量梯度的仪器，例如地磁场的变化率。

沥青: 各种天然物质，如沥青、麦芽糖或吉尔逊岩，主要由碳氢化合物组成。

与生物化学的关系

IMS 与其他质谱方法类似，其中离子必须首先电离。与所有其他 MS 方法一样，IMS 离子随后被放入某种场中（在 IMS 电场中，而一些 MS 方法使用磁场）。电喷雾电离质谱 (ESI MS) 是一种方法，可以防止大分子离子在放入气相时分解，IMS 也可以使用电喷雾来电离大分子，以防止它们被破坏。IMS 可用于检测和测量空气中 CO 污染物的浓度。由于 CO 对血红蛋白的亲和力比氧气高约 250 倍，因此吸入 CO 的人会窒息，因为与 CO 结合的血红蛋白分子吸附位点不再能够结合 O2 并将其传递给细胞。IMS 的高灵敏度将允许检测空气中较低浓度的 CO，并让人们有更多时间解决问题或找到安全的地方。

美国国家药物滥用研究所 - 细胞神经生物学研究项目

http://www.drugabuse.gov/DIR/cell-neuro.html

美国国家药物滥用研究所 (NIDA) 的细胞神经生物学研究项目关注中枢神经系统 (CNS) 在细胞水平上的运作。他们专注于神经可塑性、神经退行性病变、神经解剖学方法、神经营养方面的影响、电生理学和多巴胺能系统生理特性。他们使用基质辅助激光解吸电离-离子淌度飞行时间质谱 (MALDI-IM-oTOFMS) 来绘制大鼠脑组织中存在的不同化合物。由于可卡因进入大脑后会阻断多巴胺的再摄取，因此它会在使用该药物的人的大脑中存在。MALDI-IM-oTOFMS 可以检测可卡因。在某些疾病状态下，脂类和肽类等物质可能会积累，这些物质也可以通过 MALDI-IM-oTOFMS 检测到。

术语

神经营养: 与神经系统组织的营养和维持有关。

多巴胺能: 与多巴胺或相关物质有关、涉及或被其激活。

中脑边缘系统: 属于、与或指大脑边缘系统中更中心的部分，主要起源于腹侧被盖区，主要由多巴胺能神经元组成，并支配杏仁核、伏隔核和嗅结节。大脑的中脑边缘系统参与记忆和情绪的控制。

微量离子电泳: 一种用于观察或记录电离物质对神经细胞影响的过程，包括将双微量移液管插入靠近神经细胞的大脑中，通过移液管的一端注射电离液体，并使用另一端的浓缩盐溶液作为电导体来接收并传递回示波器上神经活动的任何变化。

强啡肽: 一组存在于哺乳动物中枢神经系统中的强效阿片类肽，对阿片类受体具有很强的亲和力。

氯化异戊胺: 一种主要用作动物研究中神经节阻滞剂的烟碱受体拮抗剂。它曾被用作降压剂，但在大多数临床应用中已被更特异的药物取代。

与生物化学的关系

体内代谢功能受到严格控制，因为大多数物质过量会导致问题。在酶级联反应中，如果需要最终产物没有生成，那么这条通路将不会受到抑制或减慢。当酶链中缺少或有缺陷时，它应该分解/转换的物质会积聚。这会导致疾病。脂类在大脑中积聚的疾病包括：尼曼-匹克病、泰-萨克斯病和法布里病。尼曼-匹克病是由鞘磷脂酶缺陷引起的。由于这种缺陷，鞘磷脂无法转化为神经酰胺。这会导致鞘磷脂在大脑中积聚，从而导致智力迟钝和早逝。泰-萨克斯病是由六己糖胺酶 A 缺乏导致的，从而导致神经节苷脂 gm2 积聚。这也导致智力迟钝和死亡。由于 NIDA 还关注大脑组织中脂类的积聚，因此他们可以检测到这些疾病。

分析科学研究所

http://www.isas.de/english/menu-top/research/research-departments/

分析科学研究所 (ISAS) 是一个专注于生物技术、光谱学和微流控的物理和化学分析研究中心。他们有五个部门致力于代谢组学、蛋白质组学、界面光谱学、小型化和材料分析。ISAS 致力于改进现有的分析方法。在他们对代谢组学的研究中，使用定量和定性分析来确定细胞或生物体的表型或生化状态。ISAS 还使用这些分析方法来了解生物体中调节和细胞信号传导过程。他们希望开发一种一步到位就能描述代谢组的分析方法。ISAS 目前的研究包括通过离子淌度光谱法检测霉菌和肺癌。

术语

四极杆: 具有四极杆的分子没有偶极矩，因为分子中存在的两个偶极矩相互抵消。二氧化碳就是一个很好的例子。质谱中使用的四极杆有四个带电极，它们的作用是使在它们之间穿行的离子发生振荡。只有质量电荷比 (m/z) 正确的离子才能进行这些振荡而不撞击这些电极。

光刻: 一种印刷工艺，其中要印刷的图像被渲染在平坦的表面上，例如锌板或铝板，并经过处理以保留油墨，而非图像区域则经过处理以排斥油墨。

等离子体: 生物体内细胞质或核外遗传物质的集合。

椭圆偏振测量法: 一种通过测量从材料表面反射的线偏振入射光的偏振特性来确定材料特性的技术。

同步加速器: 一种通过高频电场和低频磁场的组合来赋予带电粒子极高速度的装置。

大地测量学: 对地球的大小和形状、重力场以及磁极运动和潮汐等变化现象进行科学研究的学科。

与生物化学的关系

ISAS 对植物的研究试图更好地了解某些必需元素在分子水平上的使用方式，包括：这些金属的吸收和定位机制，以及植物状况对其的影响。与氨基酸一样，生物体必须从饮食中获取某些元素才能维持正常功能。细胞内发生许多需要金属的反应。例如，镁用于稳定 ATP 分子中磷酸基团上氧原子的负电荷。镁也是植物中的 RuBisCO 所必需的，它与赖氨酸侧链相连。在这种反应中，镁使反应物在活性位点定向。铁用于许多我们已知的反应，它可能在更多的地方被使用。存在参与单电子氧化还原反应的铁硫蛋白，其中 Fe 被还原或氧化。ISAS 正在试图寻找这些必需元素的其他使用和获取方式。

研究文章

使用 MCC/IMS 和 GC/MS 首次检测结肠癌细胞系 SW 480 的代谢产物

http://ijims.ansci.de/pdf/8/2/Zimmermann_051013.pdf

德国分析科学研究所正在尝试寻找结肠癌中的生物标志物，这些标志物可以使用 MCC/IMS 和 GC/MS 检测，以便更早地发现癌症并提高患病者的生存率。目前，检测结肠癌的方法可能灵敏度低或侵入性强。由于细胞会释放某些代谢产物，而这些代谢产物在癌细胞等疾病状态下会发生改变，因此他们希望找到能证明结肠癌存在的代谢产物。由于测试速度很快，因此测试和诊断之间不需要等待太久。多毛细管柱用于分离样品，确保化合物能够正确分离，然后使用 GC/MS 特定地识别代谢产物，因为这无法通过单独的 IMS 完成。测试结果发现癌细胞中存在某些酮和醇，而正常细胞中没有。此外，正常细胞中存在苯甲醛、甲基苯甲醛和另一种醇的峰，而结肠癌细胞中没有。

术语

DMEM: 杜尔贝科改良伊格尔培养基

SW 480 细胞: 来自患者原发性（非转移性）结肠癌。

抽吸: 用吸取装置去除（液体或气体）。

胎牛血清: 这是一种从胚胎小牛中提取的血清。它是组织培养中促进组织生长的培养基的重要组成部分。目前尚不清楚是什么原因导致组织培养生长，但它可能与生长激素和其他生长因子有关。

腺癌: 起源于上皮细胞的癌症，上皮细胞排列在某些内脏器官的内壁并具有腺体（分泌）特性。一些腺癌的类型包括乳腺癌、甲状腺癌、结肠癌、胃癌、胰腺癌和前列腺癌，以及某些类型的肺癌。

固相微萃取: 一个非常短的气相色谱柱，被翻转过来。 SPME 是一种涂有萃取相的纤维，萃取相可以是液体（聚合物）或固体（吸附剂），可以从各种介质中萃取不同类型的分析物，从挥发性到非挥发性，从不同类型的介质中萃取，可以是液体或气体相。

与生物化学的关系

色谱法可用于分离多种物质。通常它被用于生物化学中分离蛋白质，根据不同类型的色谱法，分离的依据可以是大小、亲和力和电荷。 MCC 与 IMS 相结合，可以从样品中提取更多信息，就像串联质谱法一样，使用两台质谱仪（一台分离肽，另一台断裂每个肽，显示氨基酸链）。由于癌细胞比正常细胞代谢快得多，细胞可利用的葡萄糖量可能急剧减少。随着葡萄糖的减少，细胞可能会转向酮体的代谢来维持能量需求。这可以解释为什么癌细胞的 IMS 中存在 2 种酮体，而正常细胞中不存在，因为正常细胞会将乙酰辅酶 A 导入柠檬酸循环，并且只会形成少量酮体。

离子迁移谱法检测肺癌和呼吸道感染

http://www.spectroscopyeurope.com/MS_18_6.pdf

研究小组 ISAS 正在测试 IMS 技术，以报告早期诊断肺癌和呼吸道感染的方法，通过检测微量的挥发性代谢物。通过将 IMS 与多毛细管柱 (MCC) 相结合，可以在不到 600 秒的时间内检测到浓度低至皮克/升的分析物。 ISAS 希望这种设备可以用于医院，更快、更轻松地检测不同疾病。他们比较了肺癌患者与健康人 IMS/MCC 样品，发现 25 个变量可以区分这两组，误差率仅为 1.3%。他们还发现，一些细菌会导致患者 IMS 发生改变，这将有助于检测呼吸道感染。

术语

β辐射: 放射性衰变过程中β粒子的辐射

吸附剂: 一种吸附另一种物质的材料；即具有吸收或吸附该物质的能力或倾向

死体积: 人体呼吸时吸入的空气，但没有参与气体交换。

法拉第杯: 一种金属（导电）杯，设计用于捕捉真空中的带电粒子。可以测量由此产生的电流，并用来确定撞击杯子的离子或电子的数量。

支气管扩张症: 支气管的一部分永久性异常扩大（扩张），伴有感染。

粘质沙雷氏菌: 沙雷氏菌属的模式种；存在于水、土壤、牛奶、食品和昆虫中；可以引起心内膜炎、血液感染、伤口感染、泌尿道感染和呼吸道感染；已被用作生物武器进行过测试。

流感嗜血杆菌: 嗜血杆菌属的一种革兰氏阴性杆菌，尤其是 b 型流感嗜血杆菌，存在于人体呼吸道中，可引起急性呼吸道感染、急性结膜炎和化脓性脑膜炎。

与生物化学的关系

癌细胞吸收 ATP，因此必须以极快的速度进行糖酵解。因此，它们最终会产生乳酸，以回收 NAD+ 以继续进行。这种乳酸的积累可以通过这些 IMS 方法在肺癌中检测到。由于癌细胞是由细胞基因突变产生的，而酶经常发生改变或功能失调，因此它们的产物很可能堆积起来，然后可以使用 IMS/MCC 技术等方法检测出来。由于患有糖尿病的人会积累丙酮，丙酮会从呼吸中释放出来，因此这是可以使用这种分析方法检测的另一种化合物。在糖尿病患者中，肝脏会不完全氧化大量的脂肪酸。乙酰辅酶 A 无法被柠檬酸循环氧化，并堆积起来。然后一些乙酰辅酶 A 被转化为乙酰乙酸，然后自发脱羧形成丙酮。然后，丙酮从呼吸中呼出。

开发高通量分散式 LC-离子迁移-TOFMS 技术，用于分析人血浆蛋白质组

http://bfgp.oxfordjournals.org/cgi/reprint/3/2/177

研究人员开发了一种技术，将 IMS 与质谱法、碰撞诱导解离 (CID) 和反相液相色谱相结合。这些方法的结合用于进行蛋白质混合物的酶解，并分析由此产生的肽。液相色谱首先分离肽，然后进行电喷雾电离，将其放入气相。然后，这些电离的肽在气相中被 IMS 分离。然后使用 CID 将肽裂解，然后将其放入 MS 中以确定每种分析物的质量。选择人血浆蛋白质组进行测试，因为血浆中存在许多尚未发现的蛋白质。

术语

反相色谱法: 包括任何使用非极性固定相的色谱方法。

射频聚焦装置: 通过发射射频信号使电子电离的元件

泡利几何陷阱: 一种线性四极离子阱，使用直流电和射频振荡交流电场来俘获离子

尿调节蛋白: 由亨利氏环升支细胞产生的物质；它是尿液中的正常成分，也是尿液管型的主要蛋白质成分。

冻干的: 冻干（血浆或其他生物物质）。

与生物化学的关系

电喷雾电离用于确保大分子在转移到气相过程中不会被破坏。在电喷雾电离中，样品通过带电的高电位。针将样品分散成微小的带电液滴。当周围的溶剂快速蒸发时，留下了未被破坏的带电大分子离子。这篇文章讨论了如何难以检测到某些低浓度蛋白质，例如来自翻译后修饰的蛋白质和膜蛋白，尽管它们非常有趣。翻译后修饰包括酶处理，例如磷酸化、去除氨基酸、羧化或添加辅基。翻译后修饰对于维持细胞内的控制非常重要。如果蛋白质始终处于活跃状态，那么许多代谢功能将不受控制地发生，因此一次只会有少量蛋白质处于活跃状态。

维基-d 链接

http://en.wikipedia.org/wiki/Ion_mobility_spectrometry
http://en.wikipedia.org/wiki/DART_ion_source
http://en.wikipedia.org/wiki/Bradbury-Nielsen_shutter
http://en.wikipedia.org/wiki/Electron_mobility
http://en.wikipedia.org/wiki/Mass_spectrometry

文章和网页供审阅和包含

同行评审文章 #1

通过电喷雾电离-离子迁移质谱法 (ESI-IMMS) 监测禁食和进食大鼠淋巴液代谢组的动态变化

Anal. Chem., 2009, 81 (19), pp 7944–7953'"

[1]

主要关注点

确定资源的主要关注点。可能的答案包括特定生物、数据库设计、信息整合，但还有更多可能性。

新术语

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总结

请在此输入您的文章摘要。请注意，每个条目开头（有时也包括结尾）的标点符号至关重要。摘要应在 300 到 500 字之间。文章的主要观点是什么？作者试图回答什么问题？他们找到了明确的答案吗？如果是，答案是什么？如果不是，他们发现了什么，或者他们的研究结果中存在哪些相互矛盾的观点？

与传统代谢课程的相关性

请用 100 到 150 个字描述本文内容与传统代谢课程之间的联系。本文是否与特定途径（例如，糖酵解、柠檬酸循环、类固醇合成等）或调控机制、能量学、位置、途径整合有关？它是否讨论了新的分析方法或思路？本文是否展示了与人类基因组计划（或其他基因组计划）的联系？