生物质谱技术与方法
生物质谱
Barber等人又引入了快原子轰击(fast atom
bombardment，简称FAB)电离技术，并成功地测定了
一个26肽的结构，从而使得质谱技术应用于蛋白质和
肽的结构测定这一设想变为现实。
• 80年代末
John Fenn 发明的电喷雾电离(electrospray ionization，ESI)和Hillenkamp等人发明的基质辅助激 光解吸电离(matrix assisted laser desorption
等形式进行分离；
• 检测器——用来接受、检测和记录被分离后的离子信号。
2.2 离子源
• 离子源的功能是将进样系统引入的气态样品分子 转化成离子。由于离子化所需要的能量随分子不 同差异很大，因此，对于不同的分子应选择不同 的离解方法。 • 给样品较大能量的电离方法为硬电离方法，而给 样品较小能量的电离方法为软电离方法，后一种 方法适用于不稳定或易电离的样品。
≥350 kDA
±0.01%-0.05% to 25 kDA
±0.05%-0.3% to 300 kDA
No
生物质谱两种主要电离方法比较
2.3 质量分析器
• 质量分析器能将带电离子根据其质荷比加以分离，
• 质量分析器的主要技术参数是：
质荷比的范围（质量范围）和分辨率。 • 质量分析器类型： 扇形磁分析器，四极杆分析器 离子阱分析器，飞行时间分析器 傅里叶变换分析器
由于多肽倾向于吸收单一光子，故多肽离子带
单一电荷.这些形成的多肽离子直接进入飞行时间
质量分析仪(TOF mass analyzer)。飞行时间质量
分析仪用于测量多肽离子由分析仪的一端飞抵另一
端探测器所需要的时间。TOF质量分析器被认为是
质谱技术在生物大分子研究中的应用
质谱技术在生物大分子研究中的应用随着生物技术和生命科学的发展，质谱技术开始在生物大分子研究中得到广泛应用。
质谱技术是一种分析方法，可以通过检测并分析样品中的化合物来确定其分子结构和组成。
在生物大分子研究中，质谱技术可以用来研究蛋白质、核酸和糖类等生物大分子的结构、功能和相互作用等。
一、蛋白质质谱蛋白质是生物体内最基本的分子，其功能包括酶催化、信号转导和结构支撑等方面。
蛋白质的性质和功能由其结构决定，因此研究蛋白质的结构及其相互作用对生物学和医学领域具有重要的意义。
质谱技术可以用来研究蛋白质的结构和功能，如质谱分析可以确定蛋白质的分子量和氨基酸序列。
基质辅助激光解离/飞行时间质谱（MALDI-TOF MS）技术可以分析蛋白质和肽片段的分子量，而痕量MS技术可以精确测量蛋白质的分子质量。
液相色谱-串联质谱法（LC-MS/MS）可以鉴定蛋白质中的氨基酸序列和修饰信息，如磷酸化和甘油化等，从而揭示蛋白质的功能和相互作用。
二、核酸质谱核酸是生物体内遗传信息传递的媒介，包括DNA和RNA。
核酸的结构和功能也是其生物学意义的重要方面。
质谱技术可以用来研究核酸的结构和分子量等信息。
质谱法可以通过测定核酸片段的分子量来确定其序列和修饰。
电喷雾质谱（ESI-MS）和MALDI-TOF MS可以用来对DNA和RNA分子进行分析。
这些技术通常需要在较高的离子流量下分析样品，并产生高分辨率质谱图。
此外，质谱技术也可以用于检测DNA和RNA中的化学修饰，如磷酸化、甲基化和糖基化等。
这些化学修饰对核酸的空间结构和功能有很大的影响。
三、糖类质谱糖类是生物体内最多样化的大分子之一，包括各种多糖和糖蛋白等。
质谱技术可以用来研究糖类的结构和分子量等信息。
常用的糖类质谱技术包括ESI-MS和MALDI-TOF MS。
这些技术可以用来测定糖类的分子量、组成和链接信息，并指导糖类结构的确定和构建。
液相色谱-串联质谱法可以定量分析有关糖类结构的信息，如糖链结构和糖蛋白的修饰等。
质谱技术在生物医药领域中的应用
质谱技术在生物医药领域中的应用质谱技术是一种基于分子质量和结构的分析技术，被广泛应用于生物医药领域。
在这个领域中，质谱技术被用来鉴定、定量和分析蛋白质、多肽、小分子化合物等生物分子，以及研究它们之间的相互作用。
一、质谱技术在蛋白质鉴定中的应用蛋白质是生物体内最为复杂的分子之一，它们中的每一个氨基酸都具有不同的物理和化学性质。
质谱技术能够对蛋白质进行序列鉴定、修饰分析和定量分析。
目前最常用的方法是质谱分析的两个技术：MALDI-TOF谱和ESI-Q-TOF谱，这些方法可以在非常短的时间内，对蛋白质进行快速鉴定和定量。
二、质谱技术在代谢组学中的应用代谢组学是一种研究生物体内代谢产物及其整个代谢网络的综合性学科。
生物代谢过程的异常往往与生物体内代谢产物到目标物的变化有关，而质谱技术能够完整地覆盖代谢产物的谱图，实现对代谢物质的鉴定、定量和分析。
例如，气-质联用谱（GC-MS）和液-质联用谱（LC-MS）等技术，已经成为代谢组学研究中最为常用的分析工具。
三、质谱技术在药物代谢中的应用质谱技术能够发现药物代谢性质、药物结构、代谢途径和代谢产物等信息，有助于发现新的、更有效的药物。
它通过研究药物在体内的输送、转化和排出过程，为药物代谢机理的研究提供了可靠的数据。
因此在新药研发过程中，质谱技术几乎已经成为了药物代谢研究中不可或缺的工具。
四、质谱技术在生物标志物鉴定中的应用生物标志物是指能够诊断某种疾病、指示疾病进展、预测病情、预测治疗反应或者评价治疗效果的物质。
它们可以是蛋白质、代谢物或其他组分。
质谱技术是确定生物标志物的快捷而可靠的方法之一。
研究人员可以利用质谱技术鉴定并研究特定的生物标志物。
总之，质谱技术在生物医药领域中具有关键性的作用。
它不仅可以帮助科学家们了解生物分子的性质和功能，同时也为药物研发、疾病早期诊断和治疗提供了有力的支持。
因此，随着生物医药领域的不断发展，质谱技术将继续发挥其重要的作用。
《生物质谱分析技术》课件
生物质谱分析技术在生物学、医学和农业等领域有广泛的 应用，如蛋白质组学、代谢组学、药物筛选和食品安全检 测等。
生物质谱分析技术的原理
生物质谱分析技术的原理是基于质谱原理，通过离子化样 品中的分子，测量其质量/电荷比值，从而确定分子的质 量和结构。
THANKS
感谢观看
临床应用
随着质谱分析技术的发展，其在临床 诊断、药物发现和个性化医疗等领域 的应用将得到进一步拓展。
人工智能与机器学习
人工智能和机器学习技术将进一步优 化和提高质谱数据的解析能力，使生 物质谱分析更加高效和准确。
06
参考文献
参考文献
生物质谱分析技术概述
生物质谱分析技术是一种基于质谱原理的生物分子分析方 法，通过测量生物分子质量，可以用于鉴定、定量和分离 生物分子。
蛋白质组学研究是生物质谱分析技术的重要应用领域之一。通过质谱分析，可以 鉴定蛋白质的成分、结构和功能，进而研究蛋白质之间的相互作用和蛋白质的表 达调控。
质谱分析在蛋白质组学研究中常用于蛋白质鉴定、差异表达分析、蛋白质修饰和 相互作用研究等方面。例如，在研究癌症等疾病过程中，质谱分析可以帮助科学 家发现与疾病相关的差异表达蛋白和蛋白质修饰，为疾病的诊断和治疗提供新的 靶点。
生物质谱分析技术逐渐成熟， 开始广泛应用于蛋白质组学研
究。
21世纪初
随着各种新型质谱仪器的出现 ，生物质谱分析技术的应用领
域不断拓展。
目前
生物质谱分析技术已经成为生 命科学领域的重要研究手段， 不断推动着生命科学的发展。
02
质谱仪的基本原理与构成
质谱仪的工作原理
1 2
离子化
通过电离方式将生物分子转化为带电离子。
质谱仪在微生物中的应用及标准化操作
质谱仪在微生物中的应用及标准化操作
质谱仪在微生物中的应用及标准化操作如下：
质谱仪在微生物鉴定中具有重要作用。
微生物鉴定是临床诊断的重要环节，传统的生化原理检测方法流程复杂且能鉴别的种类有限。
相比之下，质谱技术凭借高通量、快速性、准确性和特异性等优点，在微生物检验方面的应用越来越多。
在质谱技术应用过程中，微生物样本和基质置于靶板上，两者混合干燥后形成晶体。
当紫外激光脉冲作用于晶体时，基质受到激发从固相转为气相，微生物蛋白和基质分子从靶板表面被喷射出去（解吸），质子从基质转移到蛋白（电离），使带正电荷的气相蛋白在静电场高电压作用下加速进入飞行管。
进入飞行管后，离子就以一定的速度飞向离子检测器，该速度取决于它们的“质核比”。
低“质核比”的小离子先到达，随后是“质核比”稍高的大分子。
用离子检测器可以检测每个离子的飞行时间，“质核比”可以计算出来，进而产生质谱图。
质谱图上显示的“质核比”数值在x轴上，信号强度在y轴上，因此已知m/z的越高丰度的蛋白会在质谱图上产生越高的峰。
通过该微生物全部蛋白质所构成的图形与数据库进行比对，从而完成微生物的鉴定。
此外，基质分子所吸收的能量可以使结晶体出现电离反应，并生成不同质荷比的带电离子。
样品离子可以在加速电场的作用下获得相同功能，经由高压加速处理及聚焦处理以后，研究者可以在样品离子进入时间质谱分析器以后进行质量分析。
就质谱技术的实施情况而言，离子的质荷比与飞行时间的平方之间具有正比例关系，相关人员在绘制质量图谱以后请确定的特异性图谱的软件分析比较可以为目标微生物菌种及菌株的区分提供帮助。
谈一谈质谱技术在临床微生物检测中的应用
谈一谈质谱技术在临床微生物检测中的应用随着医疗技术水平的不断进步，临床检验中引入了越来越多的高新技术，质谱技术就是其中之一，其主要是一种对蛋白质进行分析的较为强大的工具，其存在高通量、快速准确、自动化、操作简便等优点，所以在临床的微生物检验中应用较为广泛，在鉴定病原体方面具有显著效果。
这一技术从出现到发展对传统检验模式进行了挑战，令检验的实效性和灵敏度得以提升。
因此，为帮助病人们进行了解，下面就来介绍一下质谱技术在临床微生物检测中的主要应用。
一、质谱技术的原理和优点质谱技术的主要工作原理是把基质和样品进行混合，而后将其点在相应的金属靶盘上，构成一个共结晶，而后将激光当做能量的来源对结晶体进行辐射，此时基质分子会对能量进行吸收，令样品开始吸附，而后发生电离反应，形成质荷比不同的带电离子。
而样品离子处于加速的电场下，可以产生相同的动能，而后经过高压的加速和聚焦，进入到飞行时间的质谱分析器中，完成质量分析的操作。
其中，飞行时间的平方和离子质荷比呈现正相关的关系，通过计算机的处理，可以形成质量图谱，经过相关的软件进行分析和比较，可以筛选以及确定特异性的图谱，进而鉴定或者区分菌株以及微生物。
现今的临床微生物实验中，在鉴定细菌方面大都依靠传统生化反应以及形态学技术等，在鉴定细菌方面也需首先进分离纯化，就算利用相关的自动化鉴定仪，也需保证时效性的要求，特别是在检测菌血症这类重症感染的过程中。
而质谱技术一般不要求样品纯度，所以样品检测过程中可以不进分离和纯化，可以进行直接的点样。
该方式的操作较为简便，还可不断扩展数据库，所以可准确且快速地完成检测，还可保证高通量。
二、质谱技术在临床微生物检测中的应用就现今的情况来看，质谱技术现已被广泛应用于临床微生物检测中，主要检测的菌种包括霉菌、酵母菌、分枝杆菌、厌氧菌、需氧菌、革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌等。
1、鉴定及分析细菌质谱技术可对多种细菌进行充分分析，其中，检测的样本既可为进分离培养的一些纯菌落，同样也可为原始的临床样本，其可以被直接用来检测。
质谱流式技术
质谱流式技术质谱流式技术是一种新兴的分析方法，它将质谱和流式细胞术相结合，能够同时测量单个细胞的代谢物含量和细胞表面和细胞内的蛋白质表达水平。
该技术广泛应用于生物医学和生物工程领域，可以帮助人们更好地了解细胞的代谢、细胞间信号传递和复杂的细胞生理过程，对发现新的药物或开展基础科学研究具有重要意义。
一、质谱流式技术的原理质谱流式技术的原理是将细胞在微流控芯片上快速通过离子化器，在高速气流中电离成带电离子，然后进行质谱分析。
通过质谱我们可以得到代谢物（小分子化合物）的分子量、质量和相对含量，从而确定细胞内代谢物的分布情况和含量。
与此同时，细胞通过激光荧光照射后，产生的荧光信号可以用来测定蛋白质的表达水平。
这种技术将实时的细胞代谢监测与突触蛋白质的表观遗传学研究相结合，为生命科学研究带来了新的突破。
二、质谱流式技术的应用 1.代谢物分析质谱流式技术可以用来单细胞代谢物分析，帮助研究人员更好地了解细胞代谢途径的动态变化和代谢产物的合成、分解和过程。
这对于合成新化合物、农业、生物医学研究和环境污染检测等领域都有着广泛的应用。
2.基因表达研究质谱流式技术可以同时分析单个细胞内的蛋白质和基因表达水平，通过测定荧光标记的蛋白质或RNA，了解细胞在不同状态下的基因表达变化。
同时，此技术也可以用于检测癌症细胞、干细胞、血细胞和细菌等单个种类细胞的表达特征。
3.疾病诊断和治疗质谱流式技术还可以用于疾病的诊断和治疗。
通过分析疾病相关性代谢物、蛋白质和RNA的表达变化，可以对疾病的早期诊断和治疗提供帮助。
这种技术在肿瘤和心脏病等重大疾病的研究中具有广泛应用前景。
三、质谱流式技术的未来发展质谱流式技术目前还处于不断拓展的阶段。
未来的发展方向主要包括以下几个方面：1.高通量流式质谱技术该技术主要是针对目前的分析速度限制而开展的，通过多个微流控芯片并行同时操作，实现分析的高通量化。
2.多参数分析未来的发展方向是在单个细胞级别上实现多参数分析，同时考虑代谢、蛋白质和RNA等多种生物信息的特征，从而更好地了解细胞的特性和功能。
微生物质谱和核酸质谱
微生物质谱和核酸质谱微生物质谱，主要是指利用基质辅助激光解吸离子飞行时间质谱技术（Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Time-of-Flight Mass Spectrometry，MALDI-TOF MS）对微生物进行快速鉴定。
其基本原理如下：样品制备：微生物样品通常通过将细菌落或真菌菌落直接施加在质谱样品载体上，再添加基质辅助离子化。
基质是一种小分子化合物，有助于激光的吸收和样品中分子的解吸离子化。
激光辐射：通过激光辐射，基质和微生物样品被激发产生气态离子。
这些离子通过加速电场，进入飞行时间质谱仪。
飞行时间质谱：离子在电场中飞行，不同质荷比的离子根据其飞行时间被分离，形成一个质谱图谱。
这个质谱图谱包含了微生物样品中不同分子的质量信息，从而可以进行微生物的鉴定。
二、应用领域微生物鉴定：微生物质谱技术广泛应用于临床微生物学，特别是细菌和真菌的鉴定。
它能够在几分钟内鉴定细菌和真菌的种类，比传统方法更为快速和准确。
药敏试验：通过分析微生物菌落的质谱，可以对其进行药敏试验，从而为抗生素的选择提供指导。
食品安全：微生物质谱可用于检测食品中的微生物污染，确保食品安全。
环境微生物学：用于分析土壤、水体等环境中的微生物群落，了解微生物的分布和演变。
核酸质谱一、基本原理核酸质谱是一种通过质谱技术分析核酸分子的方法，它主要包括基因质谱（Genome Mass Spectrometry）和基因型分析（Genotyping Analysis）。
其基本原理如下：样品制备：核酸样品通过不同的方法提取和纯化，通常需要进行PCR扩增，以增加样品中目标核酸的浓度。
质谱分析：经过样品制备后，核酸样品被导入到质谱仪中。
核酸质谱常使用飞行时间质谱或串联质谱技术，通过观察核酸分子的质荷比，获得核酸的质谱图谱。
数据分析：通过分析核酸的质谱图谱，可以得知核酸的序列信息，进而进行基因型分析和鉴定。
质谱技术在临床微生物检测中如何应用
质谱技术在临床微生物检测中如何应用近年来，我国各种感染性疾病的发病率不断上升，老龄化人口比例的加重、抗生素使用的广泛、不正确的个人习惯等，导致感染性病原菌的种类呈现出复杂多变的特点，病菌的耐药性也在不断变化，感染性疾病的防治难度更高。
而加强临床微生物检测工作，能够更好的对各种致病的细菌和真菌等进行鉴别分析，以便于采取更好的措施对患者进行治疗。
但传统的生化检验工作受到很多因素的影响，耗时较长、准确性相对较低，已经不能满足当前的临床需求。
而质谱技术的应用，则很好的解决了这个问题。
那么，什么是质谱技术？质谱技术有什么用？咱们下面就来看一看。
1、什么是质谱技术？质谱技术是临床微生物检验中应用较为广泛也较为强大的高新技术，主要应用于对蛋白质进行分析。
在使用质谱技术的过程中，需要先将样品和基质进行混合，混合均匀后点在金属靶盘上形成结晶，对结晶使用激光进行辐射，其中的基质分子会将激光能量吸入，让样品在吸附后发生电离反应，出现不同质荷比的带电离子。
加速的电场会对样品离子的功能性进行激发，再经过高压状态的处理后进入质谱分析器，在计算机技术的处理下形成图谱，便于对微生物和菌株进行区分。
在当前的临床检验工作中，对于细菌等方面的鉴定主要是根据形态学技术标准或传统的生化反应进行的，在进行细菌鉴定的过程中，对于样品的纯度和时效性等都有较高的要求，而质谱技术对此却没有严格的要求，且检查的通量高、操作简便、检验用时低，在临床上有较高的应用价值。
2、质谱技术在临床微生物检测中如何应用？其实在现在的临床微生物检验过程中，质谱技术的应用非常普遍，而其检验的菌种类主要包括厌氧菌、霉菌、酵母菌、分歧杆菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌等。
（1）使用质谱技术对细菌进行鉴定和分析质谱技术对于很多细菌都能够进行充分的分析，其中所使用的样本可以是原始的样本，也可以是培养出的菌群或纯菌落等，都能直接拿来测量，且在这些常见菌的鉴别中有很高的准确性，因此适用范围也较广。
生物化学中的质谱技术
生物化学中的质谱技术质谱技术在生物化学领域中扮演着重要的角色，它通过分析样品中的分子结构和组成，为研究生物分子的特性和功能提供了有力的工具。
本文将介绍质谱技术的原理和在生物化学中的应用，以及质谱仪器的类型和常见的质谱分析方法。
一、质谱技术的原理质谱技术基于质谱仪，通过对样品中分子的离子化和分离、检测和测量来确定其质量和结构。
主要包括以下几个步骤：1. 样品离子化：样品通过不同的离子化方法（如电离或挥发性溶剂蒸发）得到离子化的粒子，形成气态离子。
2. 离子分离：离子通过质谱仪中的离子分离器，如质子轨道仪、四极杆和飞行时间仪等，在电场、磁场或空间中进行分离。
3. 离子检测：离子进入离子检测器，如电子增强器、多道光电倍增管和电离检测器等，转化为可测量信号。
4. 数据分析：通过质谱仪中的计算机系统对检测到的离子信号进行处理和分析，得到质谱图谱和分子的质量、结构等信息。
二、质谱技术在生物化学中的应用1. 蛋白质鉴定与分析：质谱技术在蛋白质鉴定与分析中具有重要作用。
通过质谱仪的高分辨率和灵敏性，可以鉴定蛋白质的氨基酸序列、修饰位点和鉴定组分等。
2. 代谢组学研究：质谱技术结合稳定同位素示踪技术，可以追踪和分析生物体内代谢物的产生和消耗，从而探索代谢通路的作用和调节机制。
3. 药物研究与药代动力学：质谱技术可用于药物的代谢产物鉴定、药代动力学研究和药物与受体之间的相互作用分析，为药物研发和药物治疗提供依据。
4. 生物小分子定量分析：质谱技术能够对生物体内的低浓度小分子进行高灵敏度的定量分析，如血液中的代谢产物、激素和药物等。
三、常见的质谱仪器类型及操作方法1. 气相质谱仪（GC-MS）：气相质谱仪主要用于描绘揮发性化合物及其分子结构的测量。
操作方法包括样品挥发、气相分离、离子化和质谱检测。
2. 液相质谱仪（LC-MS）：液相质谱仪用于对不易挥发的化合物进行测量和分析。
操作方法包括样品进样、溶剂梯度洗脱、离子化和质谱检测。
质谱技术
质谱实验质谱分析法（mass spectrometry）是将化合物形成离子和碎片离子，按质荷比（m/z）的不同进行分离测定，来进行成分和结构分析的一种方法。
所得结果用质谱图(亦称质谱，Mass Spectrum)表示。
根据质谱图提供的信息可以进行多种有机物及无机物的定性和定量分析、生物大分子的结构分析、样品中各种同位素比的测定及固体表面的结构和组成分析等。
生物质谱（Bio-mass spectrometry，Bio-MS）是用于生物分子分析的质谱技术。
随着电喷雾电离（ESI）和基质辅助激光解吸电离（MAILDI）技术的完善和成熟，生物大分子的质谱分析才得以实现。
创造这两项技术的美国人约翰.芬恩(JohnB.Fenn)和日本人田中耕一(Koichi.Tanaka)为此获得了2002年诺贝尔化学奖。
近年来，随着人类基因组计划的实施和“组学”研究日益受到重视，生物质谱在生物分子的分析方面取得了突破性的进展，其技术水平不断提高，应用面不断扩大，为生命科学等领域提供了一种强有力的分析测试手段。
本章主要讨论用于生物样品分析的质谱基本理论及其在生命科学中的应用。
一、实验目的1、通过学习和实验，掌握质谱仪的基本原理2、熟悉仪器软件操作界面3、掌握使用实验设备的技能技巧和程序的调试方法二、实验原理使所研究的混合物或单体形成离子，然后使形成的离子按质荷比(mass-charge ratio)m／z进行分离。
质谱分析法是按照离子的质核比（m/z）大小对离子进行分离和测定从而对样品进行定性和定量分析的一种方法。
质谱仪的离子源、质量分析器和检测器必须在高真空状态下工作，以减少本底的干扰，避免发生不必要的分子－离子反应。
离子源的作用是将被分析的样品分子电离成带电的离子，并使这些离子在离子光学系统的作用下，汇聚成有一定几何形状和一定能量的离子束，然后进入质量分析器被分离，当气体或蒸汽分子（原子）进入离子源时，受到电子宏基而形成各种类型的离子，如分子离子，碎片离子，离子分子等。
质谱技术在微生物鉴定和生物医学中应用PPT课件
目
CONTENCT
录
• 质谱技术概述 • 质谱技术在微生物鉴定中的应用 • 质谱技术在生物医学中的应用 • 质谱技术的前景与挑战
01
质谱技术概述
质谱技术的原理
离子化
通过物理或化学方法将样品分子转化为带电离子。
质量分析
利用电场或磁场将离子按质量大小进行分离。
100%
心血管疾病标志物检测
通过质谱技术检测心血管疾病相 关标志物，如心肌肌钙蛋白、B 型钠尿肽等，有助于心血管疾病 的预警和诊断。
80%
感染性疾病标志物检测
质谱技术也可用于检测感染性疾 病相关标志物，如C反应蛋白、降 钙素原等，有助于感染性疾病的 诊断和病情监测。
药物代谢和药效研究
药物代谢研究
质谱技术可以用于研究药物的代谢过程，了解药物在体内的代谢 途径和代谢产物，有助于药物的研发和优化。
专业技术要求高
质谱技术需要专业技术人员进行操作和维护，限制了其在 一些缺乏专业人才的领域中的应用。可通过加强技术培训 和推广，提高技术人员的专业水平。
质谱技术在生物医学中的前景展望
疾病标志物发现与鉴定
利用质谱技术对生物标志物进 行检测和鉴定，有助于疾病的 早期发现和治疗方案的制定。
药物代谢和药效研究
质谱技术可以检测微生物的表面蛋白和分泌蛋白， 这些蛋白具有很高的物种特异性，因此可以用于微 生物种类的鉴定。
质谱技术还可以结合其他技术，如色谱和质谱联用 技术，对微生物的代谢产物进行分析，进一步验证 微生物的种类。
微生物的基因组分析
质谱技术可以用于分析微生物 的全基因组，通过检测基因组 中的蛋白质表达情况，可以了 解微生物的生长和代谢状态。
生物大分子的结构和功能扫描电镜和质谱分析的方法
生物大分子的结构和功能扫描电镜和质谱分析的方法生物体中的很多重要分子都属于大分子，例如蛋白质、核酸、多糖等，它们的结构和功能对于生命过程的正常进行至关重要。
因此，研究这些大分子的结构和功能，对于理解生命现象、探索生物学问题具有重要的意义。
而扫描电镜和质谱分析则成为了生物大分子结构和功能研究的重要手段。
一、扫描电镜扫描电镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）是一种主要用于观察微小物体表面形态和结构的技术。
相比于传统光学显微镜，扫描电镜能够用高分辨率、三维的方法观察样本表面的形态和结构，因此非常适合用于生物大分子的结构研究。
使用扫描电镜观察生物大分子需要先将样品制备成适宜的形态和尺寸。
对于生物大分子如蛋白质，需要将样品分离出来并制备成可以被电镜观察的形态，通常通过冷冻过程来制备蛋白质样品，再通过高真空和电子束对样品进行观察。
通过扫描电镜，可以获得不同角度下的样品表面形态图像，从而还原出样品的三维形态。
扫描电镜的分辨率能够达到几纳米的级别，即可以观察纳米级别的物质。
因此，在生物大分子结构研究上，扫描电镜意义非凡。
扫描电镜可以揭示生物大分子的超微观结构，如蛋白质分子的折叠状态、表面拓扑结构等。
例如，扫描电镜研究指出，蛋白质的空洞可以承载金纳米颗粒，从而提供了一种用于制备三维结构的新方法。
二、质谱分析质谱分析（Mass Spectrometry, MS）是一种能够测量分子质量和碎片质量、分析分子构成和结构的技术。
对于生物大分子而言，质谱分析作为一种高灵敏度、高分辨率的生物大分子结构分析手段，得到了广泛应用。
对于蛋白质而言，质谱分析技术通常被用于两大研究领域：一是蛋白质的序列分析；二是蛋白质的结构研究。
蛋白质的序列分析是指通过对蛋白质分子中氨基酸序列的测定，揭示蛋白质的结构和功能。
质谱技术与现代分子生物学方法相结合，能够实现高通量的蛋白质组学分析，对于大规模测定蛋白质组的序列和定量等信息起到了重要作用。
生物质谱
+
++ + - -- + -+ +
+
+ + +
+
其他离子 试样离子
Electrospray Ionization
• 样品溶解在极性 的、 挥发性缓冲液中 (不含 盐) ，通过不锈钢毛细管 (70 - 150 mm) 以 10-100 mL/min的速度进样。 • 将3-4 kV的高压加在喷嘴上，使样品 变成雾 状液滴。 • 雾状液滴直接穿过高真空区域，液滴逐渐挥发， 尺寸慢慢接近样品分子的尺寸 (依然携带一定 的电荷)。
– Average mass:所有同位素的平均质量 – Monoisotopic mass:第一个peak的同位素质量， 这里的例子是指12C
解 析 度 ( resolution) 夠 好的质谱就可以把12C 和13C波峰和波谷分的 很清楚，由图可知 Average mass 和 Monoisotopic mass 的 质差了0.37Da,这差异 可用来做peptide mass fingerprinting。
生物质谱技术
蛋白质组学
前言
1). 质谱技术的特点
质谱仪是一个用来测量单个分子质量的仪器(Thompson)．但实际上 质谱仪提供的是分子的质量与电荷比(m/z or m/e). 质谱法是一强有力的分析技术。它可用于未知化合物的鉴定、定量分
析、分子结构及化学特性的确定等方面；
所需化合物的量非常低：10-12g, 或10-15 mole； 应用范围广: (1) 有机质谱法：生物、医药、聚合物、法医和环境等方 面；(2) 无机质谱法： 地球化学，地质矿产和无机元素分析鉴定等方 面。
电喷雾电离
生物质谱分析
质谱技术中的离子源
(6)电喷雾电离 (Electrospray Ionization，简称ESI): 是一种使用强静电场的电离技术。它主要应用 于液相色谱-质谱联用仪或毛细管电泳-质谱联 用仪，既作为色谱和质谱之间的接口装臵，同 时又是电离装臵。
电喷雾电离是在“离子蒸发”的原理基础上 发展起来的一种离子化方法。待测分子溶解在溶 剂中，以液相方式通过毛细管到达喷口，在喷口 高电压作用下形成带电荷的微滴，随着微滴中的 挥发性溶剂蒸发，微滴表面的电荷体密度随微滴 半径的减少而增加，到达某一临界点时，样品将 以离子方式从液滴表面蒸发，进入气相，即实现 了样品的离子化，由于没有直接的外界能量作用 于分子，因此，对分子结构破坏较少，是一种典 型的软电离方式。
快原子轰击技术缺点：
试样涂在金属板上，溶剂也被电离，使质谱图复 杂化。
质谱技术中的离子源
(5)大气压化学电离源 (Atmospheric Pressure Che mical Ionization，简称APCI):主要用于液相 色谱-质谱联用仪，主要用来分析中等极性、 弱极性化合物。APCI主要产生单电荷离子， 分析化合物的相对分子质量一般小于1000.
样品板
EI源 FAB源 MALDI源 ESI源
Quadruopole Ion trap Time-of-flight
电子倍增器 闪烁计数器
LC或GC
化合物分子在高真空条件下，受高速电子流 “轰击”或强电场其他作用，失去电子生成离子 或发生化学键断裂成为碎片离子，离子经加速器 进入磁场，其动能与加速电压及电荷遵循： zU=(1/2)m2 m/z=2U/ 2
早期，质谱分析法仅限于小分子和中等分子 的研究，因为要将质谱应用于生物大分子需要将 其制备成气相带电分子，然后在真空中物理分解 成离子。如何使蛋白分子经受住离子化过程而又 不丧失其结构形态是个难题。20世纪70年代，解 吸技术的出现成功地将蛋白分子转化成气相离子 ，而后快原子轰击与其紧密相关的溶液基质使得 具有极性、热不稳定的蛋白分子可经受住电离过 程。但这些方法仅限于10kD以下蛋白分子的研究 。80年代电喷雾电离(ESI)和基质辅助激光解吸电 离(MAILDI) 技术的发展则使得质谱方法成功应 用于高分子量蛋白分子的研究。
第七章 生物质谱技术
等离子体解吸（plasma desorption, PD） 、快原子轰击（fast atom bombardment, FAB）：几千Da 80 年代末发明了两相软电离质谱技术ESIMS 和 MALDI-TOF-MS.出现生物质谱，使质谱 仪的应用又发生了一次飞跃，开始分析生物 大分子
给生命科学研究带来的影响是革命性的！
由一定能量的一次离子（离子枪）打在样 品靶上溅射产生出二次离子的质谱。如：FAB、 MALDI等。 适合于分析不易挥发、热不稳定的有机大 分子。
离子源 一次离子 样品 质量分析器 检 测 器
二次离子
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分析物质类型
小分子物质：磁质谱、四极质谱、离子阱 提供碎片信息：磁质谱（电子轰击源）、三级四极 质谱、飞行时间质谱（PSD）、电 喷雾串联质谱（Q-TOF）等 大分子物质：生物质谱：基质辅助激光解吸附飞行 时间质谱（MALDI-TOF-MS）、液 相色谱-电喷雾-串联质谱（CapLCESI-Q-TOF-MS）、液相色谱-离子 阱质谱（MDLC-Ion Trap）
19基质简称中文名称英文名称波长sa芥子酸35二甲氧基4羟基肉桂酸sinapinicacid35dimethoxy4hydroxycinnamicacid337nm355nmdhb龙胆酸25二羟基苯甲酸gentisicacid25dihydroxybenzoicacidcca氰基4羟基肉桂酸cyano4hydroxycinnamicacidpa吡啶甲酸picolinicacid3hpa3羟基吡啶甲酸3hydroxypicolinicacid常用基质一些小分子有机酸及其衍生物能很好吸收激光能量20cyanocyano44hydroxycinnamicacidhydroxycinnamicacidpeptidessinapinicacidsinapinicacidfulllengthproteinsfulllengthproteins2525dihydroxybenzoicaciddihydroxybenzoicacidpeptides显微镜下不同基质在靶体上形成的晶体21maldi源激光是脉冲式每一脉冲激光产生的一批离子得到一张质谱图一般的质谱图是多次脉冲激光扫描质谱峰结果的累maldi源离子为单电荷离子谱锋与样品组分质量数有一一对应关系适合于多肽与蛋白质混合物分析灵敏度高fmol1015amol101822高灵敏度分析浓度至低fmol或高amoltof分析器可分析大分子量的物质软电离方式主要产生单电荷离子谱图易解析容忍盐浓度
生物质谱分析技术胡水旺ppt文档
的离子束中不同质荷比的离子按空间位置，时 间先后或运动轨道稳定与否等形式进行分离 检测器：用来接受、检测和记录被分离后的离 子信号
进样系统
气体进样 液体进样 固体进样
离子源
电子轰击电离（EI） 化学电离（CI） 快原子轰击（FAB） 电喷雾电离（ESI） 基质辅助激光解吸电离（MALDI） 表面增强激光解吸电离(SELDI)技术
机遇：基因组计划的快速进行，大量基 因序列和EST的确定为蛋白质的快速鉴 定提供了良好的基础。
挑战：从单一蛋白质的研究转变到细胞 和组织的整体蛋白质研究，在理论和技 术上提出了挑战。
蛋白质研究技术的革命：蛋白质组学
蛋白质组学常用的两大技术平台
第三部分
生物质谱技术的原理及应用
质谱技术特点
质谱仪是一个用来测量单个分子质量的仪器，实际上
第二部分
蛋白质组学的兴起
解析疾病机制手段的改进:DNA Protein
蛋白质研究的复杂性
转录水平调控
蛋白质表达调控 翻译水平调控
翻译后水平调控 蛋白质存在复杂的翻译后修饰，作为生命功能 的行使者，它比基因更能直接地反映生理过程及其 变化。 蛋白质相互作用及空间构向等问题是生命现象 复杂性的真实体现。
质谱分析原理
质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷 比的测定来进行分析的一种分析方法。被分析 的样品首先要离子化，然后利用不同离子在电 场或磁场的运动行为的不同，把离子按质荷比 （m/z）分开而得到质量图谱，通过样品的质 量图谱和相关信息，可以得到样品的定性定量 结果。
质谱发展史
1911年: 世界第一台质谱装置 （J.J. Thomson）
中元微生物质谱
中元微生物质谱
中元微生物质谱是一种高通量分子生物学技术，用于鉴定微生物的群体结构和功能。
其基本原理是利用质谱分析技术对微生物样品中的蛋白质、RNA和DNA 进行分析，从而获得微生物的群体结构信息。
具体来说，中元微生物质谱首先通过高通量测序获得微生物样品中的DNA和RNA序列信息，并利用计算方法从中鉴定出微生物的物种组成和转录组数据，然后将这些数据与质谱技术相结合，通过比对荷质比和分子质量，将微生物样品中的蛋白质与代谢产物鉴定出来，进而推断微生物的代谢路径和功能。
这样一来，通过中元微生物质谱技术，可以实现微生物样品中的高通量分析和综合解析，为微生物群体结构和功能的研究提供了有力的手段。
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A
3
The Nobel Prize in Chemistry 2002
"for the development of methods for identification and structure analyses of biological macromolecules"
"for their development of soft desorption ionisation methods for mass spectrometric analyses of biological macromolecules"
A
7
质谱仪
质谱仪包括进样系统、电离系统、质量分析器 和检测系统。为了获得离子的良好分析，必须 避免离子损失，因此凡有样品分子及离子存在 和通过的地方，必须处于真空状态。
在进行质谱分析时，一般过程是：通过合适的 进样装置将样品引入并进行气化。气化后的样 品引入到离子源进行电离。电离后的离子经过
适当的加速后进入质量分析器，按不同的m／z
"for his development of nuclear magnetic resonance
spectroscopy for determining the three-dimensional
structure of biological macroon"
通常将能给样品较大能量、生成较多碎片离
子的电离方法称为硬电离方法（如电子轰击
离子化，EI），而给样品较小能量、碎片离
子较少或不生成碎片离子的电离方法称为软
电离方法。
A
11
生物质谱中有代表性的离子源
1．电喷雾电离(Electrospray Ionization，ESI) 2．离子喷雾电离（Ion spray Ionization，ISI ）
A
14
质量分析器(mass analyzer)的种类
1.磁质量分析器(单聚焦质量分析器,双聚 焦质量分析器)
2.四极质量分析器(四极杆滤质器) 3.飞行时间质量分析器(TOF)
4.离子阱(Ion Trap)质量分析器
5.离子回旋共振质量分析器 其中,2﹑3﹑4是目前生物质谱分析中常 用的质量分析器
约翰·芬
田中耕一 库尔A 特·伍斯里奇
4
质谱法的基本原理
质谱分析的基本过程是使样品在离子源中 发生电离，生成不同质荷比的带电离子， 经加速电场的作用形成离子束，进入质量 分析器，在其中再利用电场和磁场使其发 生色散、聚焦，获得质谱图。
A
5
质谱分析中，多种离子化技术均可使物质 分子失去外层价电子形成分子离子 （molecular ion，M+），分子离子中的化 学键还可以继续发生某些有规律的断裂而 形成不同质量的碎片离子（fragment ion）：
分析、样品中各种同位素比的测定及固体表 面的结构和组成分析等。
A
2
生物质谱
（Bio - mass spectrometry，Bio-MS）
是用于生物分子分析的质谱技术。 生物质谱要求测定上万甚至是几十万的 相对分子质量 。
随着电喷雾电离（ESI）和基质辅助激光 解吸电离（MALDI）技术的完善和成熟， 生物大分子的质谱分析才得以实现。
A
12
离子源是质谱仪的心脏，可以将离子源 看作是离子化反应器，样品在其中发生 一系列的特征裂解反应，反应在很短时 间（10-11s）内发生，所以可以快速地获 得质谱图。
A
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质量分析器
质量分析器是质谱仪的核心，它将离子 源产生的离子按其质量和电荷比（质荷 比m/z，m—离子的质量数，z—离子携 带的电荷数）的不同﹑在空间的位置﹑ 时间的先后或轨道的稳定与否进行分离, 以便得到按质荷比（m/z）大小顺序排列 而成的质谱图。
•Quadrupole
•Time-of-flight
•Ion trap
•Magnetic sector
•FTMS
A
Data System
Mass spectrum
out
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离子源(ion source)
质谱仪中将分子转化为离子的装置称为离子 源(ion source)。由于离子化所需要的能量 随分子不同差异很大，因此，对于不同的分 子应选择不同的离解方法。
进行分离。然后到达检测器，产生不同的信号 而进行分析。
A
8
质谱仪的构成
样品导 入系统
离子源
质量分析器
真空泵
检测器
计算机控制与 数据处理
相 对 丰 度
m/z
A
9
Mass Spectrometer Schematic
Vacuum envelope
Sample in
Inlet System
Ion Source
3．大气压化学电离(Atmospheric Pressure
Chemical Ionization，APCI)
4．基质辅助激光解吸电离(Matrix Assisted
Laser Desorption Ionization，MALDI)
5．快原子轰击电离(Fast Atom Bonbardment
Ionization，FAB)
质谱技术与方法
A
1
质谱分析法 （mass spectrometry，MS）
是将化合物形成离子和碎片离子，按质荷比 （m/z）的不同进行分离，来进行成分和结 构分析的方法。
所得结果用质谱图（亦称质谱，Mass Spectrum）表示。
根据质谱图提供的信息可以进行有机物及无 机物的定性和定量分析、生物大分子的结构
Mass Analyzer
Detector
Inlet systems: Ion sources: Mass analyzers:
•Simple vacuum lock •HPLC •GC
•Electrospray (ESI) •MALDI •FAB/LSIMS •Electron ionization (EI)
M →→→ M+ + 碎片离子 + 中性分子
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被分析样品离子电离后经加速进入磁场时，其动 能与加速电压及电荷z有关，即：
zeU = 1/2·mv2
其中：z为电荷数，e为元电荷（e = 1．60×10-19 C），U为加速电压，m为离子的质量，v为离子初 加速后的运动速度。
具有速度v的带电粒子进入质谱仪的质量分析器中， 根据所选择的分离方式，最终各种离子按质荷比 （m／z）的不同实现分离。