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近年來，質(zhì)譜成像技術(shù)因其能夠直觀、快速、簡便受到了代謝組學的青睞。然而，由于無法做到前端分離導致技術(shù)本身具有一定的局限性。將離子淌度與成像技術(shù)相結(jié)合，可以完美的解決上述問題，今天咱們就聊一聊DESI-IMS與MALDI-IMS有哪些區(qū)別？

如今LC-MS代表了靶向和非靶向代謝組學方法的基礎(chǔ)，該方法可檢測和闡明天然產(chǎn)物研究存在的低豐度代謝物。但是，MS沒有提供有關(guān)生物樣品中代謝物的時空分布信息。IMS（imaging mass spectrometry，成像質(zhì)譜）通過將定性和定量分子信息與時空信息相結(jié)合，對傳統(tǒng)的代謝組學和化學分析進行了補充，能夠?qū)⑻囟ǚ肿佑成涞皆紭悠返?D或3D坐標上。IMS類型的“空間代謝組學”作為基因組學，轉(zhuǎn)錄組學和經(jīng)典代謝組學研究的一種強大而互補的方法出現(xiàn)。

 

首先，讓我們先來了解一下常用的質(zhì)譜成像技術(shù)及其特點：

 

MALDI成像特點：

高成像分辨率；

需要樣品前處理，基質(zhì)的限制；

 

DESI成像特點：

適度的分辨率；

幾乎無需樣品前處理；

 

當成像技術(shù)遇到IMS離子淌度技術(shù)之后又會有怎樣的化學反應(yīng)呢？

 

IMS從本質(zhì)上來講，是根據(jù)分子的大小、形狀和電荷等因素進行快速分離。

 

它可以快速區(qū)分結(jié)構(gòu)類似物、同分異構(gòu)體，還能消除化學噪音。

 

“分離”功能使得IMS可以快速簡化譜圖進行數(shù)據(jù)分析。

 

它還有助于識別實驗中產(chǎn)生的多電荷物質(zhì)，從而發(fā)掘出更多的信息。

 

IMS可基于漂移時間分離母體分子，因此有助于區(qū)分碎片離子。

 

可測得CCS值，有利于未知化合物的定性。

 

 

 

 

突破質(zhì)譜分辨率限制，實現(xiàn)另一維度的分離。

 

成像技術(shù)如MALDI和DESI得到的質(zhì)譜圖本身是很復雜的，要將MS成像結(jié)果與色譜圖匹配上可謂難上加難。IMS彌補了這一技術(shù)空白，它能夠在不改變解吸/電離步驟的前提下提供額外的分離維度，而且時間刻度與成像實驗相同。獲得除了分子質(zhì)量、形狀和電荷態(tài)之外，還有關(guān)樣品中分子空間分布的關(guān)鍵信息。如下圖，對于m/z相差小于4 ppm的化合物，質(zhì)譜分辨率需達到870,000才能得到較好的分離。由于這些異構(gòu)體離子對具有不同CCS值，即形狀結(jié)構(gòu)具有差異，因此通過離子淌度質(zhì)譜即可對這些化合物進行有效分離。

 

 

DESI-IMS原理

 

綜述總結(jié)了當前先進的IMS方法，重點是解吸電噴霧電離DESI-IMS。DESI-IMS利用電噴霧電離的原始原理，在環(huán)境條件下，將溶劑滴光柵化并直接在樣品表面上解吸，可以進行快速且破壞性小的化學篩選，并能夠以µm尺度的分辨率準確觀察組織中的分子, 并且數(shù)據(jù)集可以提供每個檢測到的分析物的圖片。DESI-IMS分析不需要復雜的樣品制備。由于其簡便的工作流程和多功能性，DESI-IMS已成功應(yīng)用于許多不同的研究領(lǐng)域，例如臨床分析，癌癥研究，環(huán)境科學，微生物學，化學生態(tài)學和藥物發(fā)現(xiàn)。

 

在DESI中，高速電離的溶劑液滴直接從樣品表面解吸感興趣的分析物，在樣品表面將化合物溶解在薄膜中。為了實現(xiàn)化學解吸，在高壓下通過發(fā)射器毛細管對溶劑進行電噴霧，產(chǎn)生帶電的“主要”液滴，將其霧化，然后導向樣品。通過這種方式，位于樣品表面的代謝物被解吸成氣態(tài)的“次級”液滴，從而將分子離子輸送到MS入口，在此處測量m/z值（圖1）。根據(jù)目標代謝物的極性，可以使用來自DESI來源的不同噴霧溶劑進行成像。對于極性和非極性化合物的分析，通常使用標準溶劑（例如MeOH或ACN），通常添加2％至5％的H2O，但根據(jù)具體需要和應(yīng)用，使用不同類型的溶劑組成。

 

圖1 DESI-IMS在大生物中的應(yīng)用

 

 

MALDI-IMS原理

 

相比之下，典型的MALDI-IMS（基質(zhì)輔助激光解吸電離質(zhì)譜成像技術(shù)）實驗中，樣品被吸光基質(zhì)涂覆或共結(jié)晶，并被來自UV或IR激光的脈沖照射?；|(zhì)吸收輻射，將能量轉(zhuǎn)移到樣品中并幫助電離。MALDI有幾個瓶頸，包括低質(zhì)量范圍（<300 m/z）的高化學噪聲，這些化學噪聲源于基質(zhì)成分，可能抑制關(guān)鍵的小分子離子，并且要求將樣品安裝在導電表面上。激光解吸/電離過程還會在MALDI-IMS過程中破壞樣品。由于MALDI-IMS是在真空下進行的，因此通常必須在分析之前將樣品冷凍干燥，從而使這些技術(shù)與活組織不兼容。同時運用MALDI所檢測的代謝物類型為：蛋白、多肽和脂質(zhì)。DESI與MALDI的不同之處在于，DESI被認為是一種最小破壞性的電離方法。DESI-IMS分析所需的相對有限的樣品前處理與活組織的最小破壞性采樣相結(jié)合，使DESI-IMS能夠填補其他IMS方法無法接近的領(lǐng)域。這些特性使DESI-IMS成為有效的研究工具。

 

對生物醫(yī)學研究的貢獻

 

通過將IMS應(yīng)用于MS成像分析，可以減少背景噪音，從而大幅提升鑒定結(jié)果的可信度。隨著IMS-MS技術(shù)的發(fā)展，如今我們無需標記即可直接檢測組織中的蛋白質(zhì)，使得該技術(shù)在蛋白質(zhì)成像研究中表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。例如，研究發(fā)現(xiàn)IMS-MS技術(shù)能夠為我們分析組織樣品胰蛋白酶酶解物中的蛋白質(zhì)提供極大助益。

IMS-MS在生物醫(yī)學領(lǐng)域也有許多令人振奮的應(yīng)用。它能有效鑒定復雜樣品中的化學物質(zhì)，因此成為了制藥研究中極具價值的研究工具。例如，它被用于繪制給藥前和給藥后，小鼠組織中長春堿（一種抗癌藥物）的分布圖。IMS-MS還能對生物標志物（例如胰腺癌相關(guān)生物標志物）進行原位鑒定，從而協(xié)助腫瘤分類，幫助醫(yī)療專業(yè)人員全面表征癌癥。如果配合SYNAPT XS，IMS-MS的分辨率將變得更高，可進一步推進生物醫(yī)學研究。

 

 

成像技術(shù)的應(yīng)用

 

IMS-MS可以鑒定生物組織中的代謝物，幫助研究人員信心十足地確認代謝過程中涉及的分子變化。例如，使用IMS-MS可以分析可卡因?qū)Υ笫笊窠?jīng)元代謝組的作用，幫助我們深入了解濫用藥物引起的代謝變化。

 

此外，由于脂質(zhì)易電離且通常會產(chǎn)生各種同分異構(gòu)體，IMS-MS在脂質(zhì)結(jié)構(gòu)分析中非常有用。這對制藥行業(yè)而言意義重大，因為脂質(zhì)可能與多種疾病有關(guān)，而且具有治療潛力的化合物可能隱藏在人體的脂肪組織中。目前已有研究人員使用IMS-MS成功鑒定了大鼠腦中的磷脂和磷脂形成的非共價復合物，為未來的研究奠定了基礎(chǔ)。

 

 

另外，近年來，Image-IMS-MS技術(shù)在中藥和天然產(chǎn)物中marker的尋找和分布研究、小分子代謝物在體內(nèi)的分布研究等領(lǐng)域的應(yīng)用，也是引起前沿科學家的關(guān)注。

 

MALDI/DESI—IMS雙成像技術(shù)結(jié)合離子淌度

 

基質(zhì)輔助激光解吸電離(MALDI)和電噴霧解吸電離(DESI)這兩種成像技術(shù)具有不同的特點和性能，如果將兩者相結(jié)合，再加上離子淌度技術(shù)，可分析更多類的物質(zhì)，滿足更多樣的研究需求。

MALDI-MS雖然需要對樣品進行前處理，但能夠精準分析大分子和小分子。另一方面，DESI-MS的空間分辨雖然不如MALDI，但它的樣品前處理簡單，并且可以產(chǎn)生豐富的數(shù)據(jù)而不損壞樣品。發(fā)表于Method上的一篇文章論述了MALDI與DESI兩種技術(shù)結(jié)合淌度質(zhì)譜在小鼠大腦切片中的應(yīng)用，配合使用，可檢測得到更豐富的信號。

最近有研究表明，適當增加某些樣品前處理步驟可使DESI產(chǎn)生大量的多電荷離子，從而對樣品中的完整蛋白質(zhì)進行成像。由于直接使用組織切片得到的質(zhì)譜圖較為復雜，如果不使用離子淌度技術(shù)進一步分離，是觀察不到這些多電荷蛋白質(zhì)離子的。

看完文章是不是對于AFADESI-MSI、DESI-MSI、MALDI-MSI的區(qū)別還不是非常明晰？來看看這張圖表吧