Mišių spektrometrija: principai, naujovės ir transformacinės programos šiuolaikiniame moksle

Masės spektrometrija yra analitinio mokslo priešakyje, o didelis jos jautrumas ir tikslumas daro jį nepakeičiama priemonė molekulių identifikavimui ir kiekybiniam įvertinimui. Ši technika veikia konvertuojant mėginius į jonus ir matuojant jų masės ir krūvio (M \ / Z) santykį, leidžiantį tyrėjams apibūdinti molekulines struktūras. MS vaidina pagrindinį vaidmenį proteomikoje, metabolomikoje, vaistų kūrimu, aplinkos stebėjimu ir klinikine diagnostika. Jos gebėjimas pateikti išsamią molekulinę informaciją ir toliau skatina naujoves įvairiose mokslinėse disciplinose.

Masės spektrometrijos principai

Masės spektrometrija (MS) yra galinga analitinė technika, naudojama kiekybiškai įvertinti žinomas medžiagas, identifikuoti nežinomus junginius ir išsiaiškinti molekulines struktūras. MS mėginys yra jonizuotas, o gautos įkrautos dalelės yra atskirtos ir matuojamos atsižvelgiant į jų masės ir krūvio santykį. Tipišką masės spektrometrą sudaro trys pagrindiniai komponentai:

• Jonų šaltinis: iš mėginio molekulių gamina dujinius jonus.

• Masinis analizatorius: jonai išsprendžia jų masės ir krūvio santykį.
  

  

• Detektorius: nustato atskirtus jonus ir matuoja jų gausą.

Analizės procesas apima kelis veiksmus:

1. Jonų gamyba: mėginys yra jonizuotas, kad būtų gaminami įkrauti molekuliniai jonai (dažnai naudojant tokius metodus kaip elektronų jonizacija ar elektros purškiklis).

2. Jonų atskyrimas: jonai filtruojami arba atskirti pagal M \ / Z masės analizatoriuje.

3. Jonų suskaidymas (jei reikia): Pasirinkti pirmtako jonai gali būti suskaidyti susidūrimo ląstelėje, kad būtų atskleista struktūrinė informacija.

4. Aptikimas ir įrašymas: detektorius matuoja galutinius jonus ir užfiksuoja masės spektrą, jonų signalo, palyginti su m \ / z, diagrama. Šis spektras suteikia analitų molekulinį masę ir struktūrinius įkalčius.
   
   

   Norite sužinoti, kas yra „GC Headspace“?Spustelėkite čia, jei norite sužinoti daugiau

Naujovės masių spektrometrijoje

Jonizacijos metodai

Jonizacijos naujovės labai išplėtė MS galimybes. Pavyzdžiui, elektros purškimo jonizacija (ESI) pastebėjo pagrindinius patobulinimus; „Nano-Electrospray“ (nano-ESI) naudoja ypač smulkius kapiliarus, kad sukurtų labai įkrautus lašelius iš labai mažų mėginių tūrio, taip pagerindamas jautrumą ir skiriamąją gebą. Matricoje pastatytoje lazerinėje desorbcijoje \ / jonizacija (MALDI) nauji matricos junginiai ir pažengę instrumentai pagerino jonizacijos efektyvumą ir erdvinę skiriamąją gebą, leidžiančią baltymų, metabolitų ir lipidų vaizdavimui aukštai. Aplinkos jonizacijos metodai, tokie kaip desorbcijos elektros purškimo jonizacija (DESI) ir tiesioginė analizė realiuoju laiku (DART), atspindi šuolį į priekį: jie leidžia mėginius jonizuoti ir analizuoti tiesiogiai ore, be plataus paruošimo. Šie metodai suteikia galimybę greitai atlikti teismo medicinos programų analizę, aplinkos stebėjimą ir kokybės kontrolę.

„Analyzer Technologies“

Masinių analizatorių naujovės smarkiai padidino MS galimybes. Pavyzdžiui, „OrbitRap“ analizatorius siūlo ypač raišką, gaudydami jonus elektrostatiniame lauke, kur jų virpesių dažniai gauna labai tikslius m \ / z matavimus. Šiuolaikiniai „Orbitrap“ instrumentai gali pasiekti didesnę kaip 100 000 skiriamąją gebą, esant vidutinei M \ / Z reikšmėms, todėl jie yra neįkainojami atliekant išsamius proteominius ir metabolominius tyrimus. Furjė-transformacijos jonų ciklotrono rezonansas (FT-ICR) MS suteikia dar didesnę skiriamąją gebą ir tikslumą, kai gaudo jonus stipriame magnetiniame lauke ir analizuodamas jų ciklotrono judesį. Daugiapakopis TOF (MR-TOF) praplečia skrydžio kelią per kelis atspindžius, dar labiau padidindama TOF skiriamąją gebą, nepadidinant instrumento. Hibridinės sistemos sujungia technologijas: keturkampis-orbitrap ir keturkampis-TOF prietaisai naudoja keturkampį jonams pasirinkti ir orbitrap ar TOF analizatorių, kad būtų pasiektas didelės spartos, didelės skiriamosios gebos matavimas. Šie hibridai suteikia ir selektyvumą, ir tikslumą sudėtingai imties analizei. Be to, trigubo keturkampio (QQQ) sistemos puikiai tinka tiksliniam kiekybiniam kiekiui: atlikdami MS^2 iš eilės (su susidūrimo ląstele tarp dviejų keturkampių), jos labai tiksliai stebi specifinius jonų perėjimus. QQQ yra plačiai naudojamas kiekybiniame proteomikoje ir klinikiniuose tyrimuose patikimam biomarkerio matavimui.

Duomenų apdorojimas ir AI

Kartu su aparatinės įrangos pažanga, programinės įrangos ir duomenų analizės metodai greitai vystosi. Mašinų mokymasis (ML) ir dirbtinis intelektas (AI) vis dažniau naudojami aiškinant sudėtingus MS duomenų rinkinius, gerinant modelio atpažinimą ir mažinant analizės laiką. Šie metodai gali automatiškai aptikti spektrines smailes, dekonvolute sutampančius signalus ir tiksliau įvertinti analizę, sumažinant žmogaus paklaidą. Pvz., Pažangūs algoritmai gali automatiškai nustatyti ir kiekybiškai įvertinti smailes, taisydami pradinį triukšmą ir pateikiant aukšto tikslumo rezultatus. Tokios automatizuotos priemonės supaprastina darbo eigą ir padidina atkuriamumą, o tai yra labai svarbus didelio masto proteominiams ir metabolominiams tyrimams.

Masės spektrometrijos taikymas

Masės spektrometrija naudojama įvairiose srityse, įskaitant:

• Proteomika ir metabolomika: Gyvenimo moksluose MS įgalina identifikuoti ir kiekybiškai įvertinti tūkstančius baltymų ir metabolitų sudėtinguose mėginiuose, padedant biomarkerio atradimui ir metabolinio kelio analizei. Tyrėjai gali išsamiai apibūdinti ląstelių molekules, kad suprastų biologinius procesus ir ligos mechanizmus.

• Klinikinė diagnostika ir biomedicina:Medicinoje MS naudojama nustatyti ligos biomarkerius, tirti vaistų farmakokinetiką ir palaikyti tikslią mediciną. Pavyzdžiui, baltymų ar metabolitų profiliai kraujyje ar audiniuose gali būti išanalizuoti, kad būtų galima diagnozuoti ligas anksti arba stebėti gydymo atsaką.

• Aplinkos stebėjimas ir kriminalistika:MS aptinka ore, vandens ir dirvožemio teršalus (tokius kaip sunkieji metalai, pesticidai ir organiniai toksinai) ir identifikuoja toksinus ir vaistus biologiniuose mėginiuose, užtikrinant aplinkos ir visuomenės saugumą. Pvz., Pesticidų liekanų ar oro likučių vandens pėdsakų analizė gali būti pasiekta labai jautriai.

• Maisto saugos ir medžiagų mokslas:MS naudojama tirti teršalus ir priedus maiste ir gėrimuose (pvz., Pesticidų likučiuose, nelegaliuose prieduose), užtikrinant produkto saugumą. Tai taip pat yra labai svarbi medžiagų moksle ir nanotechnologijose apibūdinant naujų medžiagų cheminę sudėtį ir struktūrą.

• Kosmoso tyrinėjimas ir vienaląsčių analizė:MS instrumentai analizuoja nežemiškus mėginius (pvz., Nustatydami organines molekules ant planetų paviršių arba meteorituose) ir profilio atskiras ląsteles (vienos ląstelės MS), skatindami mūsų supratimą tiek apie visatą, tiek apie pagrindinę biologiją.
  

  

Ateities perspektyva

Tobulėjant technologijoms, masinės spektrometrijoje ir toliau atsiranda naujų naujovių. Pavyzdžiui, mikrofluidinių mėginių paruošimo integracija, nauji nanoinžinkedžių jonų šaltiniai ir sustiprinta AI pagrįstų duomenų analizė dar labiau padidina jautrumą ir pralaidumą. Apibendrinant galima pasakyti, kad masės spektrometrija ir toliau perduos mokslo ribas, atvers naujas galimybes tokiose srityse kaip aplinkos stebėjimas, medicininė diagnostika ir pagrindinė chemija.