代謝組學/分析方法/質譜/離子遷移譜

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工作原理

離子遷移譜 (IMS) 是一種方法，其中氣相中的離子透過均勻電場中的差異遷移進行區分/分離。IMS 的第一步是使分子電離。這可以透過多種方法完成，包括電噴霧電離、使用放射源或電暈放電。然後將離子放入漂移室，並透過帶電電極系統進行門控，儘管也可以使用其他更精確的門控機制。一旦離子存在，就在漂移管中施加均勻電場，將離子拉入漂移管，在那裡它們遇到 IMS 中的中性漂移分子。管中的電壓範圍很廣（每釐米幾伏到幾百伏）。離子根據其遷移率以不同的順序到達檢測器，遷移率取決於其質量、形狀和尺寸，然後可以根據漂移時間、解析度和 IMS 訊號（以伏特為單位）繪製圖形。整個過程非常快，只需要幾毫秒。

網站

愛達荷國家實驗室

http://www.inl.gov/index.shtml
愛達荷國家實驗室 (INL) 的主要目標是找到可持續的能源系統，並確保能源系統透過安全措施是安全的。他們目前正在研究提供更有效和更安全的核能的方法。INL 還進行測試和研究以發現和阻止國家安全威脅。離子遷移譜用於測試微量爆炸物並確定其成分。INL 正在努力建立一個具有計算機光譜系統的 IMS，以改善檢測限制和解析度，同時增加可檢測的化合物數量。他們正在努力對 IMS 做出的另一個改進是使其能夠檢測貨幣的差異，以幫助阻止貨幣走私。海關檢查員可以使用裝置從貨幣中獲取毒品痕跡。IMS 還與全球定位相結合，以實現化學測繪，這將能夠顯示空中毒素的確切位置並追蹤到源頭。

術語

滲濾液

透過浸出形成的產品或溶液，特別是透過浸出土壤而拾取的汙染物溶液。

木質素

一種有機物質，與纖維素一起構成木質組織的主要部分。

煙道

任何用於空氣、氣體等的管道或通道。

頁岩

透過粘土或泥質材料的固結形成的具有易裂或層狀結構的岩石。

半纖維素

一組粘性多糖，複雜程度介於糖和纖維素之間，比纖維素更容易水解為單糖。

梯度計

任何用於測量梯度的儀器，例如地磁場的變化率。

瀝青

各種天然物質，如瀝青、麥芽糖或吉爾遜巖，主要由碳氫化合物組成。

與生物化學的關係

IMS 與其他質譜方法類似，其中離子必須首先電離。與所有其他 MS 方法一樣，IMS 離子隨後被放入某種場中（在 IMS 電場中，而一些 MS 方法使用磁場）。電噴霧電離質譜 (ESI MS) 是一種方法，可以防止大分子離子在放入氣相時分解，IMS 也可以使用電噴霧來電離大分子，以防止它們被破壞。IMS 可用於檢測和測量空氣中 CO 汙染物的濃度。由於 CO 對血紅蛋白的親和力比氧氣高約 250 倍，因此吸入 CO 的人會窒息，因為與 CO 結合的血紅蛋白分子吸附位點不再能夠結合 O2 並將其傳遞給細胞。IMS 的高靈敏度將允許檢測空氣中較低濃度的 CO，並讓人們有更多時間解決問題或找到安全的地方。

美國國家藥物濫用研究所 - 細胞神經生物學研究專案

http://www.drugabuse.gov/DIR/cell-neuro.html

美國國家藥物濫用研究所 (NIDA) 的細胞神經生物學研究專案關注中樞神經系統 (CNS) 在細胞水平上的運作。他們專注於神經可塑性、神經退行性病變、神經解剖學方法、神經營養方面的影響、電生理學和多巴胺能系統生理特性。他們使用基質輔助雷射解吸電離-離子淌度飛行時間質譜 (MALDI-IM-oTOFMS) 來繪製大鼠腦組織中存在的不同化合物。由於可卡因進入大腦後會阻斷多巴胺的再攝取，因此它會在使用該藥物的人的大腦中存在。MALDI-IM-oTOFMS 可以檢測可卡因。在某些疾病狀態下，脂類和肽類等物質可能會積累，這些物質也可以透過 MALDI-IM-oTOFMS 檢測到。

術語

神經營養

與神經系統組織的營養和維持有關。

多巴胺能

與多巴胺或相關物質有關、涉及或被其啟用。

中腦邊緣系統

屬於、與或指大腦邊緣系統中更中心的部分，主要起源於腹側被蓋區，主要由多巴胺能神經元組成，並支配杏仁核、伏隔核和嗅結節。大腦的中腦邊緣系統參與記憶和情緒的控制。

微量離子電泳

一種用於觀察或記錄電離物質對神經細胞影響的過程，包括將雙微量移液管插入靠近神經細胞的大腦中，透過移液管的一端注射電離液體，並使用另一端的濃縮鹽溶液作為電導體來接收並傳遞迴示波器上神經活動的任何變化。

強啡肽

一組存在於哺乳動物中樞神經系統中的強效阿片類肽，對阿片類受體具有很強的親和力。

氯化異戊胺

一種主要用作動物研究中神經節阻滯劑的菸鹼受體拮抗劑。它曾被用作降壓劑，但在大多數臨床應用中已被更特異的藥物取代。

與生物化學的關係

體內代謝功能受到嚴格控制，因為大多數物質過量會導致問題。在酶級聯反應中，如果需要最終產物沒有生成，那麼這條通路將不會受到抑制或減慢。當酶鏈中缺少或有缺陷時，它應該分解/轉換的物質會積聚。這會導致疾病。脂類在大腦中積聚的疾病包括：尼曼-匹克病、泰-薩克斯病和法布里病。尼曼-匹克病是由鞘磷脂酶缺陷引起的。由於這種缺陷，鞘磷脂無法轉化為神經醯胺。這會導致鞘磷脂在大腦中積聚，從而導致智力遲鈍和早逝。泰-薩克斯病是由六己糖胺酶 A 缺乏導致的，從而導致神經節苷脂 gm2 積聚。這也導致智力遲鈍和死亡。由於 NIDA 還關注大腦組織中脂類的積聚，因此他們可以檢測到這些疾病。

分析科學研究所

http://www.isas.de/english/menu-top/research/research-departments/

分析科學研究所 (ISAS) 是一個專注於生物技術、光譜學和微流控的物理和化學分析研究中心。他們有五個部門致力於代謝組學、蛋白質組學、介面光譜學、小型化和材料分析。ISAS 致力於改進現有的分析方法。在他們對代謝組學的研究中，使用定量和定性分析來確定細胞或生物體的表型或生化狀態。ISAS 還使用這些分析方法來了解生物體中調節和細胞訊號傳導過程。他們希望開發一種一步到位就能描述代謝組的分析方法。ISAS 目前的研究包括透過離子淌度光譜法檢測黴菌和肺癌。

術語

四極杆

具有四極杆的分子沒有偶極矩，因為分子中存在的兩個偶極矩相互抵消。二氧化碳就是一個很好的例子。質譜中使用的四極杆有四個帶電極，它們的作用是使在它們之間穿行的離子發生振盪。只有質量電荷比 (m/z) 正確的離子才能進行這些振盪而不撞擊這些電極。

光刻

一種印刷工藝，其中要印刷的影像被渲染在平坦的表面上，例如鋅板或鋁板，並經過處理以保留油墨，而非影像區域則經過處理以排斥油墨。

等離子體

生物體內細胞質或核外遺傳物質的集合。

橢圓偏振測量法

一種透過測量從材料表面反射的線偏振入射光的偏振特性來確定材料特性的技術。

同步加速器

一種透過高頻電場和低頻磁場的組合來賦予帶電粒子極高速度的裝置。

大地測量學

對地球的大小和形狀、重力場以及磁極運動和潮汐等變化現象進行科學研究的學科。

與生物化學的關係

ISAS 對植物的研究試圖更好地瞭解某些必需元素在分子水平上的使用方式，包括：這些金屬的吸收和定位機制，以及植物狀況對其的影響。與氨基酸一樣，生物體必須從飲食中獲取某些元素才能維持正常功能。細胞內發生許多需要金屬的反應。例如，鎂用於穩定 ATP 分子中磷酸基團上氧原子的負電荷。鎂也是植物中的 RuBisCO 所必需的，它與賴氨酸側鏈相連。在這種反應中，鎂使反應物在活性位點定向。鐵用於許多我們已知的反應，它可能在更多的地方被使用。存在參與單電子氧化還原反應的鐵硫蛋白，其中 Fe 被還原或氧化。ISAS 正在試圖尋找這些必需元素的其他使用和獲取方式。

研究文章

使用 MCC/IMS 和 GC/MS 首次檢測結腸癌細胞系 SW 480 的代謝產物

http://ijims.ansci.de/pdf/8/2/Zimmermann_051013.pdf

德國分析科學研究所正在嘗試尋找結腸癌中的生物標誌物，這些標誌物可以使用 MCC/IMS 和 GC/MS 檢測，以便更早地發現癌症並提高患病者的生存率。目前，檢測結腸癌的方法可能靈敏度低或侵入性強。由於細胞會釋放某些代謝產物，而這些代謝產物在癌細胞等疾病狀態下會發生改變，因此他們希望找到能證明結腸癌存在的代謝產物。由於測試速度很快，因此測試和診斷之間不需要等待太久。多毛細管柱用於分離樣品，確保化合物能夠正確分離，然後使用 GC/MS 特定地識別代謝產物，因為這無法透過單獨的 IMS 完成。測試結果發現癌細胞中存在某些酮和醇，而正常細胞中沒有。此外，正常細胞中存在苯甲醛、甲基苯甲醛和另一種醇的峰，而結腸癌細胞中沒有。

術語

DMEM

杜爾貝科改良伊格爾培養基

SW 480 細胞

來自患者原發性（非轉移性）結腸癌。

抽吸

用吸取裝置去除（液體或氣體）。

胎牛血清

這是一種從胚胎小牛中提取的血清。它是組織培養中促進組織生長的培養基的重要組成部分。目前尚不清楚是什麼原因導致組織培養生長，但它可能與生長激素和其他生長因子有關。

腺癌

起源於上皮細胞的癌症，上皮細胞排列在某些內臟器官的內壁並具有腺體（分泌）特性。一些腺癌的型別包括乳腺癌、甲狀腺癌、結腸癌、胃癌、胰腺癌和前列腺癌，以及某些型別的肺癌。

固相微萃取

一個非常短的氣相色譜柱，被翻轉過來。 SPME 是一種塗有萃取相的纖維，萃取相可以是液體（聚合物）或固體（吸附劑），可以從各種介質中萃取不同型別的分析物，從揮發性到非揮發性，從不同型別的介質中萃取，可以是液體或氣體相。

與生物化學的關係

色譜法可用於分離多種物質。 通常它被用於生物化學中分離蛋白質，根據不同型別的色譜法，分離的依據可以是大小、親和力和電荷。 MCC 與 IMS 相結合，可以從樣品中提取更多資訊，就像串聯質譜法一樣，使用兩臺質譜儀（一臺分離肽，另一臺斷裂每個肽，顯示氨基酸鏈）。 由於癌細胞比正常細胞代謝快得多，細胞可利用的葡萄糖量可能急劇減少。 隨著葡萄糖的減少，細胞可能會轉向酮體的代謝來維持能量需求。 這可以解釋為什麼癌細胞的 IMS 中存在 2 種酮體，而正常細胞中不存在，因為正常細胞會將乙醯輔酶 A 匯入檸檬酸迴圈，並且只會形成少量酮體。

離子遷移譜法檢測肺癌和呼吸道感染

http://www.spectroscopyeurope.com/MS_18_6.pdf

研究小組 ISAS 正在測試 IMS 技術，以報告早期診斷肺癌和呼吸道感染的方法，透過檢測微量的揮發性代謝物。 透過將 IMS 與多毛細管柱 (MCC) 相結合，可以在不到 600 秒的時間內檢測到濃度低至皮克/升的分析物。 ISAS 希望這種裝置可以用於醫院，更快、更輕鬆地檢測不同疾病。 他們比較了肺癌患者與健康人 IMS/MCC 樣品，發現 25 個變數可以區分這兩組，誤差率僅為 1.3%。 他們還發現，一些細菌會導致患者 IMS 發生改變，這將有助於檢測呼吸道感染。

術語

β輻射

放射性衰變過程中β粒子的輻射

吸附劑

一種吸附另一種物質的材料；即具有吸收或吸附該物質的能力或傾向

死體積

人體呼吸時吸入的空氣，但沒有參與氣體交換。

法拉第杯

一種金屬（導電）杯，設計用於捕捉真空中的帶電粒子。 可以測量由此產生的電流，並用來確定撞擊杯子的離子或電子的數量。

支氣管擴張症

支氣管的一部分永久性異常擴大（擴張），伴有感染。

粘質沙雷氏菌

沙雷氏菌屬的模式種；存在於水、土壤、牛奶、食品和昆蟲中；可以引起心內膜炎、血液感染、傷口感染、泌尿道感染和呼吸道感染；已被用作生物武器進行過測試。

流感嗜血桿菌

嗜血桿菌屬的一種革蘭氏陰性桿菌，尤其是 b 型流感嗜血桿菌，存在於人體呼吸道中，可引起急性呼吸道感染、急性結膜炎和化膿性腦膜炎。

與生物化學的關係

癌細胞吸收 ATP，因此必須以極快的速度進行糖酵解。 因此，它們最終會產生乳酸，以回收 NAD+ 以繼續進行。 這種乳酸的積累可以透過這些 IMS 方法在肺癌中檢測到。 由於癌細胞是由細胞基因突變產生的，而酶經常發生改變或功能失調，因此它們的產物很可能堆積起來，然後可以使用 IMS/MCC 技術等方法檢測出來。 由於患有糖尿病的人會積累丙酮，丙酮會從呼吸中釋放出來，因此這是可以使用這種分析方法檢測的另一種化合物。 在糖尿病患者中，肝臟會不完全氧化大量的脂肪酸。 乙醯輔酶 A 無法被檸檬酸迴圈氧化，並堆積起來。 然後一些乙醯輔酶 A 被轉化為乙醯乙酸，然後自發脫羧形成丙酮。 然後，丙酮從呼吸中撥出。

開發高通量分散式 LC-離子遷移-TOFMS 技術，用於分析人血漿蛋白質組

http://bfgp.oxfordjournals.org/cgi/reprint/3/2/177

研究人員開發了一種技術，將 IMS 與質譜法、碰撞誘導解離 (CID) 和反相液相色譜相結合。 這些方法的結合用於進行蛋白質混合物的酶解，並分析由此產生的肽。 液相色譜首先分離肽，然後進行電噴霧電離，將其放入氣相。 然後，這些電離的肽在氣相中被 IMS 分離。 然後使用 CID 將肽裂解，然後將其放入 MS 中以確定每種分析物的質量。 選擇人血漿蛋白質組進行測試，因為血漿中存在許多尚未發現的蛋白質。

術語

反相色譜法

包括任何使用非極性固定相的色譜方法。

射頻聚焦裝置

透過發射射頻訊號使電子電離的元件

泡利幾何陷阱

一種線性四極離子阱，使用直流電和射頻振盪交流電場來俘獲離子

尿調節蛋白

由亨利氏環升支細胞產生的物質；它是尿液中的正常成分，也是尿液管型的主要蛋白質成分。

凍乾的

凍幹（血漿或其他生物物質）。

與生物化學的關係

電噴霧電離用於確保大分子在轉移到氣相過程中不會被破壞。 在電噴霧電離中，樣品透過帶電的高電位。 針將樣品分散成微小的帶電液滴。 當週圍的溶劑快速蒸發時，留下了未被破壞的帶電大分子離子。 這篇文章討論瞭如何難以檢測到某些低濃度蛋白質，例如來自翻譯後修飾的蛋白質和膜蛋白，儘管它們非常有趣。 翻譯後修飾包括酶處理，例如磷酸化、去除氨基酸、羧化或新增輔基。 翻譯後修飾對於維持細胞內的控制非常重要。 如果蛋白質始終處於活躍狀態，那麼許多代謝功能將不受控制地發生，因此一次只會有少量蛋白質處於活躍狀態。

維基-d 連結

http://en.wikipedia.org/wiki/Ion_mobility_spectrometry
http://en.wikipedia.org/wiki/DART_ion_source
http://en.wikipedia.org/wiki/Bradbury-Nielsen_shutter
http://en.wikipedia.org/wiki/Electron_mobility
http://en.wikipedia.org/wiki/Mass_spectrometry

文章和網頁供審閱和包含

同行評審文章 #1

透過電噴霧電離-離子遷移質譜法 (ESI-IMMS) 監測禁食和進食大鼠淋巴液代謝組的動態變化

Anal. Chem., 2009, 81 (19), pp 7944–7953'"

[1]

主要關注點

確定資源的主要關注點。 可能的答案包括特定生物、資料庫設計、資訊整合，但還有更多可能性。

新術語

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總結

請在此輸入您的文章摘要。請注意，每個條目開頭（有時也包括結尾）的標點符號至關重要。摘要應在 300 到 500 字之間。文章的主要觀點是什麼？作者試圖回答什麼問題？他們找到了明確的答案嗎？如果是，答案是什麼？如果不是，他們發現了什麼，或者他們的研究結果中存在哪些相互矛盾的觀點？

與傳統代謝課程的相關性

請用 100 到 150 個字描述本文內容與傳統代謝課程之間的聯絡。本文是否與特定途徑（例如，糖酵解、檸檬酸迴圈、類固醇合成等）或調控機制、能量學、位置、途徑整合有關？它是否討論了新的分析方法或思路？本文是否展示了與人類基因組計劃（或其他基因組計劃）的聯絡？