质谱分析在生物医学领域的应用现状与前景

质谱分析在生物医学领域的应用现状与前景

一、质谱分析在生物医学领域应用现状与前景

质谱是带电原子、分子或分子碎片按质荷比（或质量）的大小顺序排列的图谱。质谱仪是一类能使物质粒子转化成 离子并通过适当的电场、磁场将它们按空间位置、时间先后或轨道稳定与否实现质荷比分离，并检测强度后进行物 质分析的仪器。

1.质谱分析技术简介 用于分析的样品分子（或原子）在离子源中离化成具有不同质量的单电荷分子离子和碎片离子，这些单电荷离子在加速电场中获得相同的动能并形成一束离子，进入由电场和磁场组成的分析器，离子束中速度较慢的离子通过电场后偏转大，速度快的偏转小；在磁场中离子发生角速度矢量相反的偏转；即速度慢的离子依然偏转大，速度快的偏转小，当两个场的偏转作用彼此补偿时，它们的轨道便相交于一点，与此同时，在磁场中还能发生质量的分离，这 样就使具有同一质荷比而速度不同的离子聚焦在同一点上，不同质荷比的离子聚焦在不同的点上，其焦面接近于平 面，在此处用检测系统进行检测即可得到不同质荷比的谱线，即质谱。通过质谱分析，可以获得分析样品的相对分 子质量、分子式、分子中同位素构成和分子结构等多方面的信息。

质谱联用系统主要是由进样系统、离子源、质量分析器、检测器及数据系统组成。LC-MS 离子源主要起到化合物离 子化并作为液相和质谱联用的接口，主要包括电喷雾离子化、大气压化学电离及大气压光致电离，其中以电喷雾离 子化和大气压化学电离应用最多，电喷雾离子化被认为更有利于分析生物大分子及其他分子量大的化合物，而大气 压化学电离更适合于分析极性较小的化合物。而根据质量分析器的不同，LC-MS 系统又可分为单四级杆、三重四级 杆、离子阱和高分辨质谱仪。对于临床实验室而言，由于血浆、血清、尿液或唾液等生物样品基质较复杂，以定量 分析为主，一般首选三重四级杆 LC-MS 质谱仪。

上述质谱仪适用于临床实验室的体液标本分析，而对于微生物鉴定而言，基质

辅助激光解吸电 离飞行时间（MALDI-TOF）生物质谱则更为适合其蛋白质组学分析。

图表 1 质谱联用系统的组成

2.质谱发展简史

世界上第一台质谱仪于 1912 年由英国物理学家 Joseph John Thomson 研制成功，但直到 20 世纪 80 年代，MALDI、 ESI 等软电离技术的出现，使生物大分子转变成气相离子成为可能，并极大的提高了质谱测定范围，改善了测量的 灵敏度，在一定程度上解决了溶剂分子干扰等问题，使质谱更适合用于分析生物大分子聚合物（如蛋白质、酶、核 酸和糖类），被认为是质谱学中革命性的突破，也开拓了质谱技术在生物医学领域的应用。

质谱分析仪器中较早实现联用技术的是气相色谱-质谱（CG-MS），但其仅能分析具有挥发性和小分子量的物质，对于大分子量（尤其是蛋白质、多肽）和不挥发性化合物则无法检测。近、液相色谱-质谱（LC-MS）或液相色年来，国际上应用的越来越多的是串联质谱（MS/MS）

谱-串联质谱（LC-MS/MS），尤其在临床医学领域，LC-MS 的应 用愈加广泛，包括疾病的诊断和筛查、生物标志物的研究、药物浓度检测、疾病早期预测和治疗等。

3.质谱在生物医学领域的应用

新生儿疾病筛查

质谱技术在该领域的发展已十分成熟。利用 LC-MS 技术可同时筛查十几种新生儿疾病。质谱技术能做到筛查效率高、 结果可靠，费用相对低廉，这是常用分析方法如细菌抑制法、放射免疫分析法、酶联免疫吸附试验、时间分辨荧光 免疫分析法、荧光酶免疫分析法等不可企及的。以我国每年 2200 万新生儿中有苯丙酮尿症患儿 1700 例和先天性甲 减患儿 5000 例计算，新生儿串联质谱有着重要的社会意义和广阔的市场空间。

药物浓度监测

作为临床个体化治疗的重要组成部分，对于一些血药浓度与疗效关系密切、有明确的有效浓度范围、治疗窗较窄、体内代谢个体差异大、药物中毒症状与疾病症状难以鉴别、用于长期治疗和抢救的药物等情况下，临床需测定体液中药物的浓度，指导临床个体化治疗。

目前，临床实验室仍以免疫分析为主要检测方法，质谱分析法由于自动化程度不足和缺少认证试剂而在近期难以取 代前者，但其极高的灵敏度为药物浓度监测提供更加可靠的依据。美国病理学家学会研究也已表明，采用 LC-MS 法 检测结果更具有真实性和实验可信度，已成为治疗药物监测必备的分析方法。

体内激素和营养素的检测

体内激素的检测，如类固醇激素及其代谢产物的检测，尤其是低浓度的类固醇，如对女性和儿童来说，低浓度的雌激素或雄激素很难检测，对男性来说，低浓度的雌激素等很难检测，但这是临床上常用的检测内容，免疫法检测低于试剂盒检测下限的数据波动无法反映体内的真实水平，而 LC-MS 技术能为我们提供 pg 甚至 fg 级的检测下限，给 临床检测提供科学准确的方法。

营养素的检测如维生素 D，1,25(OH)2-D3 是维生素 D 状态最好的监测指标，但其在体内含量极低且不稳定，以往 是采用放免法进行检测，而如今 LC-MS 法比放免法具备更高的特异度和灵敏度，同时也更加安全。

微生物鉴定

感染性疾病的病原学诊断目前是以微生物的分离培养作为“金标准”，但能培养成功的仅为少数，且没有明确的种群分型标准，病原体的培养周期较长，往往造成分析结果的之后主要得益于其得和种类分型的误判。近年来，质谱技术在微生物检验方面的应用越来越多，