跳至內容

基質輔助激光解吸/電離

維基百科，自由的百科全書
基質輔助雷射脫附時間分辨質譜儀

基質輔助雷射脫附電離（英語：Matrix-assisted laser desorption/ionization ，MALDI）是一種用於質譜法的溫和離子化技術，可以得到用常規離子化方法容易解離為碎片的一些完整大分子質譜訊息，比如生物分子類的DNA，生物高分子、蛋白質、多肽和糖，以及其他大分子量的有機分子，如高分子、樹狀分子和其他高分子。在這方面類似於同樣是軟離子化方法的電噴霧電離（英語：Electrospray ionization）（ESI），不過MALDI更容易得單電荷的離子峰。

MALDI方法過程分為三個步驟。首先，將樣品溶液與合適的基質水溶液混合，並取微量混合液體滴置於金屬樣品板等待乾燥。第二步，將脈衝激光照射到樣本，引發樣品和基質材料的電離和脫附。最後，分析物分子與電離後的基質在脫附過程中進行電荷轉移反應，將分析物分子電離。在大多數的生物分子分析上，例如蛋白質及多肽，分析物通常都是以質子化或去質子化形式產生。在MALDI反應之後，所有產生的離子即被金屬樣品板上的電壓加速進入質譜儀來分析[1]。

歷史

[編輯]
主條目：質譜法歷史

基質輔助激光脫附電離（MALDI）這個術語是由弗倫茨·希倫坎普（英語：Franz Hillenkamp）（Franz Hillenkamp），米高·卡拉斯（英語：Michael Karas）（Michael Karas）和他們的同事在1985年提出的[2]。這些研究人員發現，氨基酸丙氨酸可以更容易地離子化，如果它被與氨基酸色氨酸混合，並用266納米的脈衝激光照射。吸收激光能量的色氨酸能幫助非吸收性的丙氨酸被離子化。當與這種「基質」混合，高達2843Da的溶血肽（英語：Melittin）多肽都可以被離子化。真正突破大分子量蛋白質的電離技術則是在1985年初，由在島津製作所工作的田中耕一和他的同事使用被他們稱為「超細金屬加液體基質方法」，以混合30納米鈷顆粒在甘油中，並用337納米的氮激光進行電離[3]。使用這種激光和基質組合，田中耕一能夠電離高達34472Da的蛋白羧-A分子，而此方法後來被稱為軟雷射脫附法（Soft Laser Desorption，簡稱SLD）。2002年，約翰·貝內特·芬恩與田中耕一因各自開發出ESI與SLD方法，而共享一半的諾貝爾化學獎[4]。隨後，卡拉斯和希倫坎普使用尼克酸（nicotinic acid）基質和一個266納米的激光能夠電離67 kDa蛋白質白蛋白（albumin）.[5]。進一步改進是通過使用355納米的激光和肉桂酸衍生物阿魏酸，咖啡酸和芥子酸作為基質實現。由於337納米波長運行的小型和相對廉價的氮激光出現，在1990年代初期推出的第一款商業儀器把MALDI儀器帶給了越來越多的研究人員[6]。今天，大部分被用於MALDI質譜分析的基質都是有機化合物。

應用

[編輯]

生物化學

[編輯]

在蛋白質組學中，MALDI用於快速鑑定通過凝膠電泳分離的蛋白質：SDS-PAGE，大小排除層析法（英語：Size-exclusion chromatography），親和層析，強/弱離子交換，同位素編碼蛋白標記（ICPL）和雙向電泳。 肽質量指紋識別（英語：Peptide mass fingerprinting）是MALDI-TOF質譜儀最流行的分析應用。 MALDI TOF / TOF質譜儀用於揭示肽的氨基酸序列，使用源後衰變或高能碰撞誘導的解離（英語：Collision-induced dissociation）（進一步使用參見質譜法）。

MALDI-TOF已用於表徵翻譯後修飾。例如，它已被廣泛應用於研究蛋白質甲基化和去甲基化。但是，在研究MALDI-TOF的翻譯後修飾時必須小心。例如，據報導，當二羥基苯甲酸(DHB)用作糖基化肽的MALDI MS分析的基質時[7][8]，唾液酸的損失已在論文中確定，S. Martin使用芥子酸、4-HCCA和DHB作為基質，研究了MALDI/TOF在線性模式和反射模式[9]下亞穩態衰減導致糖基化肽中唾液酸的損失。 Shimadzu Corporation的一個小組通過酰胺化反應衍生唾液酸[10]，以此提高檢測靈敏度，並證明離子液體基質可減少唾液酸化寡糖MALDI/TOF MS分析過程中的唾液酸損失[11]，THAP[12]、DHAP以及2-aza-2-thiothymine和苯肼的混合物已被確定為基質，可用於在糖基化肽的MALDI MS分析過程中最大限度地減少唾液酸的損失。據報導，如果使用IR MALDI 代替UV MALDI，可以減少一些翻譯後修飾的損失。

除了蛋白質，MALDI-TOF也被用於研究脂質。例如，它已被用於研究磷脂酶的催化反應。除脂質外，寡核苷酸也已通過MALDI-TOF進行了表徵。例如，在分子生物學中，5-甲氧基水楊酸和精胺的混合物可用作MALDI質譜法中寡核苷酸分析的基質，例如在寡核苷酸合成之後。

有機化學

[編輯]

一些合成大分子，例如索烴和輪烷，樹狀物和超支化聚合物，以及其他組件，具有延伸到數千或數萬的分子量，其中大多數電離技術難以產生分子離子。 MALDI是一種簡單快速的分析方法，可以讓化學家快速分析這些合成的結果並驗證其結果[來源請求]。

聚合物

[編輯]

在高分子化學中，MALDI可用於確定摩爾質量分佈（英語：Molar mass distribution）[13]。 分散度（英語：Dispersity）大於1.2的聚合物很難通過MALDI進行表徵，原因是信號強度與較高質量的低聚物有所區別[14][15][16]。

聚合物的良好基質是二乙醇（英語：Dithranol）[17]或三氟乙酸銀(AgTFA)[18]。 樣品必須首先與二乙醇混合，然後添加AgTFA。 否則樣品將從溶液中沉澱出來。

微生物學

[編輯]

MALDI/TOF光譜用於鑑定微生物，例如細菌或真菌。 將一部分微生物菌落放在樣品靶標上，並覆蓋基質。 生成的質譜圖通過專用軟件進行分析，並與存儲的配置文件進行比較。 通過該程序進行的物種診斷比基於免疫學或生化測試的其他程序更快，更準確且更便宜。 MALDI/TOF正在成為醫學微生物實驗室中進行物種鑑定的標準方法[19][20]。

與其他微生物鑑定方法相比，一個主要優點是它能夠以低成本直接，可靠地從用於分離它們的選擇性培養基中鑑定出多種微生物。 無需純化可疑或「推測性」菌落[21]，可大大縮短周轉時間。

另一個優點是可以預測細菌對抗生素的敏感性（英語：Antibiotic sensitivity）。 單個質譜峰可以預測金黃色葡萄球菌的耐甲氧西林(methicillin resistance)[22], MALDI還可以檢測耐碳青黴烯的腸桿菌科的碳青黴烯酶[23]，包括鮑氏不動桿菌[24]和克雷伯氏肺炎菌[25]。 但是，大多數介導抗生素抗性的蛋白質的蛋白質峰解釋範圍都大於MALDI-TOF的2000–20,000 Da範圍，並且僅偶爾出現，如在2011年NIH的KPC暴發中，可以得出峰值與賦予耐藥性的蛋白質之間的相關性[26]。

寄生蟲學

[編輯]

MALDI/TOF光譜已被用於檢測和鑑定各種寄生蟲，例如錐蟲[27]，利什曼原蟲[28] 和瘧原蟲[29]。 除了這些單細胞的寄生蟲外，MALDI/TOF還可以用於鑑定寄生昆蟲，例如虱子[30]或尾蟲（cercariae），即吸蟲的自由游動階段[31]。

醫學

[編輯]

MALDI/TOF光譜通常與其他分析和光譜技術一起用於疾病的診斷。 MALDI/TOF是一種很有潛力的診斷工具[32]，因為它可以快速鑑定蛋白質和蛋白質的變化，而無需測序的成本或計算能力，也不需要解決X射線晶體學中晶體結構所需的技能或時間[33][34]。

參考資料

[編輯]
  1. ^ Karas, Michael; Krger, Ralf. Ion Formation in MALDI: The Cluster Ionization Mechanism. Chemical Reviews. 2003, 103 (2): 427440. ISSN 0009-2665. doi:10.1021/cr010376a. 
  2. ^ Karas, M.; Bachmann, D.; Hillenkamp, F. Influence of the Wavelength in High-Irradiance Ultraviolet Laser Desorption Mass Spectrometry of Organic Molecules. Analytical Chemistry. 1985, 57 (14): 2935–9. doi:10.1021/ac00291a042. 
  3. ^ Tanaka, K.; Waki, H.; Ido, Y.; Akita, S.; Yoshida, Y.; Yoshida, T.; Matsuo, T. Protein and Polymer Analyses up to m/z 100 000 by Laser Ionization Time-of flight Mass Spectrometry. Rapid Communications in Mass Spectrometry. 1988, 2 (20): 151–3. doi:10.1002/rcm.1290020802. 
  4. ^ Markides, K.; Gräslund, A. Advanced information on the Nobel Prize in Chemistry 2002 (PDF). The Royal Swedish Academy of Sciences: 1–13. 9 October 2002 [2013-08-28]. （原始內容存檔 (PDF)於2013-10-05）. 
  5. ^ Karas, M.; Hillenkamp, F. Laser desorption ionization of proteins with molecular masses exceeding 10,000 daltons. Analytical Chemistry. 1988, 60 (20): 2299–301. PMID 3239801. doi:10.1021/ac00171a028. 
  6. ^ Karas, M.; Bahr, U. Laser Desorption Ionization Mass Spectrometry of Large Biomolecules. Trends in Analytical Chemistry. 1990, 9 (10): 321–5. doi:10.1016/0165-9936(90)85065-F. 
  7. ^ Richardson, Stacie L.; Hanjra, Pahul; Zhang, Gang; Mackie, Brianna D.; Peterson, Darrell L.; Huang, Rong. A direct, ratiometric, and quantitative MALDI-MS assay for protein methyltransferases and acetyltransferases. Analytical Biochemistry. 2015-06-01, 478 [2022-06-02]. ISSN 1096-0309. PMC 4855292 可免費查閱. PMID 25778392. doi:10.1016/j.ab.2015.03.007. （原始內容存檔於2022-06-02）. 
  8. ^ Guitot, Karine; Drujon, Thierry; Burlina, Fabienne; Sagan, Sandrine; Beaupierre, Sandra; Pamlard, Olivier; Dodd, Robert H.; Guillou, Catherine; Bolbach, Gérard; Sachon, Emmanuelle; Guianvarc'h, Dominique. A direct label-free MALDI-TOF mass spectrometry based assay for the characterization of inhibitors of protein lysine methyltransferases. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 2017-06, 409 (15) [2022-06-02]. ISSN 1618-2650. PMID 28389916. doi:10.1007/s00216-017-0319-5. （原始內容存檔於2022-06-02）. 
  9. ^ Huberty, M. C.; Vath, J. E.; Yu, W.; Martin, S. A. Site-specific carbohydrate identification in recombinant proteins using MALD-TOF MS. Analytical Chemistry. 1993-10-15, 65 (20) [2022-06-02]. ISSN 0003-2700. PMID 8250262. doi:10.1021/ac00068a015. （原始內容存檔於2022-06-02）. 
  10. ^ Sekiya, Sadanori; Wada, Yoshinao; Tanaka, Koichi. Derivatization for stabilizing sialic acids in MALDI-MS. Analytical Chemistry. 2005-08-01, 77 (15) [2022-06-02]. ISSN 0003-2700. PMID 16053310. doi:10.1021/ac050287o. （原始內容存檔於2022-06-02）. 
  11. ^ Fukuyama, Yuko; Nakaya, Shuuichi; Yamazaki, Yuzo; Tanaka, Koichi. Ionic liquid matrixes optimized for MALDI-MS of sulfated/sialylated/neutral oligosaccharides and glycopeptides. Analytical Chemistry. 2008-03-15, 80 (6) [2022-06-02]. ISSN 0003-2700. PMID 18275166. doi:10.1021/ac7021986. （原始內容存檔於2022-06-02）. 
  12. ^ Papac, D. I.; Wong, A.; Jones, A. J. Analysis of acidic oligosaccharides and glycopeptides by matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry. Analytical Chemistry. 1996-09-15, 68 (18) [2022-06-02]. ISSN 0003-2700. PMID 8797382. doi:10.1021/ac960324z. （原始內容存檔於2022-06-02）. 
  13. ^ Schrepp, W.; Pasch, H. MALDI-TOF Mass Spectrometry of Synthetic Polymers. Springer-Verlag. 2003. ISBN 978-3-540-44259-2. 
  14. ^ Nielen, M. W. F.; Malucha, S. Characterization of polydisperse synthetic polymers by size-exclusion chromatography/matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry. Rapid Communications in Mass Spectrometry. 1997, 11 (11): 1194–1204. Bibcode:1997RCMS...11.1194N. doi:10.1002/(SICI)1097-0231(199707)11:11<1194::AID-RCM935>3.0.CO;2-L. 
  15. ^ Wu, K. J.; Odom, R. W. Characterizing synthetic polymers by MALDI MS. Analytical Chemistry. 1998, 70 (13): 456A–461A. PMID 9666717. doi:10.1021/ac981910q. 
  16. ^ Schriemer, D. C.; Li, L. Mass Discrimination in the Analysis of Polydisperse Polymers by MALDI Time-of-Flight Mass Spectrometry. 2. Instrumental Issues. Analytical Chemistry. 1997, 69 (20): 4176–4183. doi:10.1021/ac9707794. 
  17. ^ Schaiberger, Audrey M.; Moss, Jason A. Optimized sample preparation for MALDI mass spectrometry analysis of protected synthetic peptides. Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 2008, 19 (4): 614–619. ISSN 1044-0305. PMID 18295503. doi:10.1016/j.jasms.2008.01.010. 
  18. ^ Bahr, Ute.; Deppe, Andreas.; Karas, Michael.; Hillenkamp, Franz.; Giessmann, Ulrich. Mass spectrometry of synthetic polymers by UV-matrix-assisted laser desorption/ionization. Analytical Chemistry. 1992, 64 (22): 2866–2869. ISSN 0003-2700. doi:10.1021/ac00046a036. 
  19. ^ Seng, P.; Drancourt, M.; Gouriet, F.; La Scola, B.; Fournier, P. E.; Rolain, J. M.; Raoult, D. Ongoing revolution in bacteriology: routine identification of bacteria by matrix-assisted laser desorption ionization time-of-flight mass spectrometry. Clinical Infectious Diseases. 2009, 49 (4): 552–3. PMID 19583519. doi:10.1086/600885. 
  20. ^ Sandrin, Todd R.; Goldstein, Jason E.; Schumaker, Stephanie. MALDI TOF MS profiling of bacteria at the strain level: A review. Mass Spectrometry Reviews. 2013, 32 (3): 188–217. Bibcode:2013MSRv...32..188S. ISSN 0277-7037. PMID 22996584. doi:10.1002/mas.21359. 
  21. ^ Capocefalo M., Ridley E. V., Tranfield E. Y. & Thompson K. C. Ch. 9 - MALDI-TOF: A rapid microbiological confirmation technique for food and water analysis. Cook N.; D'Agostino M.; Thompson K. C. (編). Molecular Microbial Diagnostic Methods - Pathways to Implementation for the Food and Water Industries. Elsevier. 2015. ISBN 978-0-12-416999-9. 
  22. ^ Rhoads, DD. The presence of a single MALDI-TOF mass spectral peak predicts methicillin resistance in staphylococci. et al.. Diagn Microbiol Infect Dis. 2016, 86: 257. PMID 27568365. doi:10.1016/j.diagmicrobio.2016.08.001. 
  23. ^ Vogne, C.; et al. "A simple, robust and rapid approach to detect carbapenemases in Gram-negative isolates by MALDI-TOF mass spectrometry " validation with triple quadripole tandem mass spectrometry, microarray and PCR. Clin Microbiol Infect. 2014, 20: O1106–12. PMID 24930405. doi:10.1111/1469-0691. 
  24. ^ Abouseada, N; Raouf, M; El-Attar, E; Moez, P. Matrix-assisted laser desorption ionisation time-of-flight mass spectrometry rapid detection of carbapenamase activity in Acinetobacter baumannii isolates. Indian J Med Microbiol. 2017, 35: 85–89. PMID 28303824. doi:10.4103/0255-0857.202335. 
  25. ^ Sakarikou, C; Ciotti, M; Dolfa, C; Angeletti, S; Favalli, C. Rapid detection of carbapenemase-producing Klebsiella pneumoniae strains derived from blood cultures by Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization-Time of Flight Mass Spectrometry (MALDI-TOF MS). BMC Microbiol. 2017, 17 (1): 54. PMC 5343375 可免費查閱. PMID 28274205. doi:10.1186/s12866-017-0952-3. 
  26. ^ Lau, A.; et al. A Rapid Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization–Time of Flight Mass Spectrometry-Based Method for Single-Plasmid Tracking in an Outbreak of Carbapenem-Resistant Enterobacteriaceae. Journal of Clinical Microbiology. August 2014, 52 (8): 2804–2812. PMID 4136129. doi:10.1128/JCM.00694-14. 
  27. ^ Avila, C. C.; Almeida, F. G.; Palmisano, G. Direct identification of trypanosomatids by matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight mass spectrometry (DIT MALDI-TOF MS). Journal of Mass Spectrometry. 2016, 51 (8): 549–557. Bibcode:2016JMSp...51..549A. ISSN 1076-5174. PMID 27659938. doi:10.1002/jms.3763. 
  28. ^ Lachaud, Laurence; Fernández-Arévalo, Anna; Normand, Anne-Cécile; Lami, Patrick; Nabet, Cécile; Donnadieu, Jean Luc; Piarroux, Martine; Djenad, Farid; Cassagne, Carole; Ravel, Christophe; Tebar, Silvia; Llovet, Teresa; Blanchet, Denis; Demar, Magalie; Harrat, Zoubir; Aoun, Karim; Bastien, Patrick; Muñoz, Carmen; Gállego, Montserrat; Piarroux, Renaud; Loeffelholz, Michael J. Identification of Leishmania by Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization–Time of Flight (MALDI-TOF) Mass Spectrometry Using a Free Web-Based Application and a Dedicated Mass-Spectral Library. Journal of Clinical Microbiology. 2017, 55 (10): 2924–2933. ISSN 0095-1137. PMC 5625378 可免費查閱. PMID 28724559. doi:10.1128/JCM.00845-17. 
  29. ^ Laroche, Maureen; Almeras, Lionel; Pecchi, Emilie; Bechah, Yassina; Raoult, Didier; Viola, Angèle; Parola, Philippe. MALDI-TOF MS as an innovative tool for detection of Plasmodium parasites in Anopheles mosquitoes. Malaria Journal. 2017, 16 (1): 5. ISSN 1475-2875. PMC 5209920 可免費查閱. PMID 28049524. doi:10.1186/s12936-016-1657-z. 
  30. ^ Ouarti, Basma; Laroche, Maureen; Righi, Souad; Meguini, Mohamed Nadir; Benakhla, Ahmed; Raoult, Didier; Parola, Philippe. Development of MALDI-TOF mass spectrometry for the identification of lice isolated from farm animals. Parasite. 2020, 27: 28 [2020-07-01]. ISSN 1776-1042. doi:10.1051/parasite/2020026. （原始內容存檔於2020-07-24）.  開放獲取
  31. ^ Huguenin, Antoine; Depaquit, Jérôme; Villena, Isabelle; Ferté, Hubert. MALDI-TOF mass spectrometry: a new tool for rapid identification of cercariae (Trematoda, Digenea). Parasite. 2019, 26: 11 [2020-07-01]. ISSN 1776-1042. PMC 6402365 可免費查閱. PMID 30838972. doi:10.1051/parasite/2019011. （原始內容存檔於2020-07-26）.  開放獲取
  32. ^ Woods, A. S.; Buchsbaum, J. C.; Worrall, T. A.; Berg, J. M.; Cotter, R. J. Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization of Noncovalently Bound Compounds. Analytical Chemistry. 1995-12-15, 67 (24) [2022-06-02]. ISSN 0003-2700. doi:10.1021/ac00120a005. （原始內容存檔於2022-06-02） （英語）. 
  33. ^ Kiselar, J. G.; Downard, K. M. Preservation and detection of specific antibody--peptide complexes by matrix-assisted laser desorption ionization mass spectrometry. Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 2000-08, 11 (8) [2022-06-02]. ISSN 1044-0305. PMID 10937798. doi:10.1016/S1044-0305(00)00144-6. （原始內容存檔於2022-06-02）. 
  34. ^ Downard, K. Mass spectrometry of protein interactions. Hoboken, N.J.: Wiley-Interscience https://www.worldcat.org/oclc/181345998. 2007. ISBN 978-0-470-14633-0. OCLC 181345998.  缺少或|title=為空 (幫助)

參看

[編輯]

外部連結

[編輯]
取自 "https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=基质辅助激光解吸/电离&oldid=80420243"