MALDI-TOF 测试原理及应用简介

上海剂拓材料科技有限公司提供质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（ MALDI - TOF）测试检测服务.

一、引言

基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（Matrix - Assisted Laser Desorption/Ionization Time - of - Flight Mass Spectrometry，简称 MALDI - TOF MS）是 20 世纪 80 年代末发展起来的一种软电离生物质谱技术。它凭借高灵敏度、高分辨率、快速分析以及对复杂混合物良好的分析能力，在多个科学领域得到了广泛应用，为科研和实际生产中的物质分析提供了强有力的技术支持。

二、MALDI-TOF 测试原理

（一）基本概念铺垫 MALDI - TOF MS 主要由离子源（MALDI 源）和质量分析器（飞行时间质量分析器，TOF）两部分核心组件构成。其基本原理是将待分析的样品与合适的基质分子混合后涂覆在样品靶上，在激光的照射下，基质分子吸收激光能量并将其传递给样品分子，使样品分子发生解吸和电离，产生带电荷的离子。随后，这些离子在电场的作用下被加速进入飞行管，由于不同质荷比（m/z）的离子在飞行管中飞行的速度不同，飞行时间也不同，根据离子到达检测器的飞行时间来计算其质荷比，从而实现对样品分子的定性和定量分析。 （二）详细原理步骤

1. 基质的选择与作用 基质在 MALDI - TOF 测试中起着至关重要的作用。合适的基质需要具备以下特性：能够强烈吸收特定波长的激光能量；与样品分子之间具有良好的相容性，能够将样品分子均匀分散其中；在激光照射下能够快速升华，带动样品分子解吸；自身电离产生的离子不会对样品离子的检测造成干扰。常见的基质有 2,5 - 二羟基苯甲酸（DHB）、α - 氰基 - 4 - 羟基肉桂酸（CHCA）、芥子酸（SA）等，不同类型的样品需要选择相应合适的基质。例如，对于多肽和蛋白质类样品，CHCA 是常用的基质；而对于小分子化合物，DHB 则更为适用。基质的作用主要有两个方面：一是吸收激光能量，避免激光直接照射样品分子导致其分解；二是将吸收的能量传递给样品分子，促进样品分子的解吸和电离。
2. 激光解吸电离过程 当激光照射到样品 - 基质混合物上时，基质分子首先吸收激光能量，迅速升温并发生升华。在这个过程中，基质分子将能量传递给样品分子，使样品分子从固体表面解吸出来，形成气态的样品分子。同时，基质分子还会与样品分子发生电荷转移反应，使样品分子带上电荷，形成样品离子。激光的波长、能量密度和照射频率等参数会对解吸电离效果产生影响，需要根据具体的样品和基质进行优化。一般来说，激光波长应与基质分子的吸收波长相匹配，以确保基质能够有效吸收激光能量；能量密度需要控制在合适的范围内，过高的能量密度可能导致样品分子的过度分解，过低则无法实现有效的解吸和电离。
3. 飞行时间检测原理 产生的样品离子在加速电压的作用下被加速进入飞行管。根据动能定理，离子获得的动能（E_k）与加速电压（U）、离子所带电荷数（z）之间的关系为 E_k = zU。而离子的动能又可以表示为 E_k = 1/2mv²（其中 m 为离子质量，v 为离子飞行速度）。联立这两个公式可以得到 v = √(2zU/m)。离子在飞行管中的飞行时间（t）与飞行管长度（L）和飞行速度（v）的关系为 t = L/v，将 v 代入可得 t = L√(m/(2zU))。由此可见，在加速电压 U 和飞行管长度 L 固定的情况下，离子的飞行时间 t 与质荷比（m/z）的平方根成正比。通过测量离子到达检测器的飞行时间，就可以根据上述公式计算出离子的质荷比，进而确定样品分子的分子量和结构信息。

三、MALDI-TOF 的应用领域

（一）生命科学领域

1. 蛋白质和多肽分析 MALDI - TOF MS 在蛋白质和多肽的分析中应用广泛。它可以用于蛋白质的分子量测定、肽指纹图谱分析、蛋白质翻译后修饰（如磷酸化、糖基化）的鉴定等。例如，在蛋白质组学研究中，通过将蛋白质酶解成多肽片段，然后利用 MALDI - TOF MS 对多肽片段进行分析，得到肽指纹图谱，再与数据库中的已知蛋白质指纹图谱进行比对，从而实现蛋白质的鉴定。此外，MALDI - TOF MS 还可以用于蛋白质的定量分析，通过标记样品或内标物，根据样品离子和内标离子的信号强度比来确定蛋白质的含量。
2. 核酸分析 在核酸分析方面，MALDI - TOF MS 可用于 DNA 和 RNA 的分子量测定、碱基组成分析、基因突变检测等。对于短链核酸（如寡核苷酸）的分析，MALDI - TOF MS 具有较高的准确性和灵敏度。它可以快速测定寡核苷酸的分子量，检测其是否存在碱基缺失、插入或替换等突变情况。在临床诊断中，MALDI - TOF MS 可用于检测与疾病相关的基因突变，为疾病的早期诊断和治疗提供依据。
3. 微生物鉴定 MALDI - TOF MS 为微生物鉴定提供了一种快速、准确的方法。其原理是利用微生物细胞内的蛋白质、多肽等生物大分子具有特定的质谱图谱，通过将未知微生物的质谱图谱与已知微生物的标准质谱图谱库进行比对，从而实现对微生物的鉴定。与传统的微生物鉴定方法（如生化反应鉴定法、血清学鉴定法）相比，MALDI - TOF MS 具有鉴定速度快（通常几分钟内即可完成鉴定）、准确性高、所需样品量少等优点。目前，该技术已广泛应用于临床微生物实验室、食品微生物检测、环境微生物监测等领域，可对细菌、真菌、病毒等多种微生物进行鉴定。 （二）临床诊断领域
4. 病原体检测 除了上述的微生物鉴定外，MALDI - TOF MS 还可用于病原体的快速检测。在临床感染性疾病的诊断中，及时准确地检测出病原体对于疾病的治疗至关重要。MALDI - TOF MS 可以直接对临床标本（如血液、尿液、脑脊液、痰液等）中的病原体进行检测，无需进行传统的培养过程，大大缩短了检测时间。例如，在败血症的诊断中，传统的血液培养方法通常需要数天时间才能检测出病原体，而 MALDI - TOF MS 可以在几小时内从阳性血液培养物中鉴定出病原体，为临床医生及时调整治疗方案提供了有力支持。
5. 肿瘤标志物检测 肿瘤标志物是指在肿瘤发生、发展过程中，由肿瘤细胞合成、分泌或机体对肿瘤细胞反应而产生的一类物质。MALDI - TOF MS 可以用于肿瘤标志物的检测和鉴定，为肿瘤的早期诊断、治疗效果监测和预后评估提供重要依据。该技术可以对血清、血浆、组织等样品中的肿瘤标志物进行高灵敏度的检测，能够检测出传统检测方法难以发现的低浓度肿瘤标志物。例如，通过 MALDI - TOF MS 可以检测到血清中微量的蛋白质类肿瘤标志物，如甲胎蛋白（AFP）、癌胚抗原（CEA）等，有助于肝癌、结肠癌等恶性肿瘤的早期诊断。 （三）材料科学领域
6. 聚合物分析 MALDI - TOF MS 在聚合物分析中具有独特的优势。它可以用于测定聚合物的分子量及其分布、聚合物的结构组成、端基结构等。对于一些传统分析方法难以分析的高聚物，如合成高分子材料、生物医用高分子材料等，MALDI - TOF MS 能够提供准确的分子量信息。通过对聚合物的分子量及其分布的分析，可以了解聚合物的合成过程和反应机理，为聚合物的性能优化和质量控制提供指导。此外，该技术还可以用于研究聚合物的降解行为，分析降解产物的结构和组成，为聚合物材料的回收利用和环境友好型聚合物的研发提供支持。
7. 纳米材料表征 随着纳米材料科学的快速发展，对纳米材料的表征提出了更高的要求。MALDI - TOF MS 可以用于纳米材料的粒径分布测定、表面修饰基团分析等。例如，对于金属纳米颗粒，MALDI - TOF MS 可以通过检测纳米颗粒的离子信号，计算出纳米颗粒的粒径大小及其分布。同时，该技术还可以分析纳米材料表面修饰的有机分子的结构和组成，了解修饰剂与纳米材料之间的相互作用，为纳米材料的功能设计和应用开发提供重要信息。 （四）环境监测领域
8. 污染物检测 MALDI - TOF MS 可以用于环境中各种污染物的检测，如农药残留、重金属离子、多环芳烃、抗生素等。该技术具有高灵敏度和高选择性的特点，能够检测出环境样品中微量的污染物。例如，在农产品安全检测中，MALDI - TOF MS 可以快速检测出蔬菜、水果中残留的农药成分，为农产品质量安全监管提供技术支持。在水体环境监测中，该技术可以用于检测水中的重金属离子和有机污染物，了解水体污染状况，为水资源保护和治理提供依据。
9. 微生物群落分析 环境中的微生物群落对生态系统的平衡和稳定起着重要作用。MALDI - TOF MS 可以用于环境微生物群落的分析，了解微生物群落的组成、结构和功能。通过对环境样品（如土壤、水体、空气等）中的微生物进行鉴定和定量分析，可以研究微生物群落与环境因素之间的相互关系，为环境生态研究和环境保护提供参考。例如，在土壤污染修复研究中，MALDI - TOF MS 可以用于监测土壤中降解污染物的微生物群落的变化，评估污染修复效果。

四、MALDI-TOF 技术的优势与展望

（一）技术优势

1. 高灵敏度：MALDI - TOF MS 能够检测到样品中极低浓度的物质，甚至可以达到飞摩尔（fmol）或阿摩尔（amol）级别，这使得它在微量样品分析中具有显著优势。
2. 高分辨率：该技术可以有效区分不同质荷比的离子，能够准确测定样品分子的分子量，分辨率通常可以达到数千甚至数万。
3. 快速分析：从样品制备到获得分析结果，整个过程通常只需几分钟到几十分钟，大大缩短了分析时间，提高了工作效率。
4. 样品适用性广：MALDI - TOF MS 可以分析多种类型的样品，包括有机物、无机物、生物大分子等，无论是固体、液体还是气体样品，经过适当的处理后都可以进行分析。
5. 所需样品量少：通常情况下，只需微克（μg）甚至纳克（ng）级别的样品量即可满足分析需求，这对于珍贵样品的分析尤为重要。 （二）未来展望 随着科学技术的不断发展，MALDI - TOF 技术也在不断创新和完善。未来，该技术有望在以下几个方面取得进一步的发展：
6. 提高分析性能：进一步提高 MALDI - TOF MS 的灵敏度、分辨率和质量准确度，以满足更复杂样品分析的需求。例如，通过改进离子源设计、优化飞行管结构和检测系统等方式，提高仪器的性能指标。
7. 拓展应用领域：随着技术的不断成熟，MALDI - TOF MS 的应用领域将不断拓展。例如，在单细胞分析、活体分析、空间分辨质谱分析等新兴领域，该技术有望发挥重要作用，为生命科学、医学等领域的研究提供新的技术手段。
8. 与其他技术联用：将 MALDI - TOF MS 与其他分析技术（如高效液相色谱、毛细管电泳、原子力显微镜等）联用，可以实现样品的分离、纯化和表征的一体化分析，提高分析的准确性和可靠性。例如，高效液相色谱 - MALDI - TOF MS 联用技术可以用于复杂混合物的分离和鉴定，在药物研发、环境监测等领域具有广阔的应用前景。
9. 智能化发展：结合人工智能、机器学习等技术，实现 MALDI - TOF MS 分析过程的自动化和智能化。例如，通过建立智能的样品制备方法、自动的质谱图谱解析算法和数据库检索系统，提高分析效率和准确性，减少人为因素的干扰。 总之，MALDI - TOF 技术作为一种先进的分析技术，在各个领域都发挥着重要作用。随着技术的不断发展和创新，它必将在未来的科学研究和实际应用中展现出更加广阔的前景，为人类社会的发展做出更大的贡献。