基于新型基体的代谢分析
图1. MALDI-MS 方法的功能原理。
Max-Planck化学经济研究所与布拉格捷克科学院的研究人员共同发展了一种新的理论，据此可以从动、植物的组织样品出发，对其新陈代谢产物如脂肪酸、氨基酸、糖或者其他一些有机物进行快速和可靠的检测。该法基于经典的质谱分析（MALDI-TOF/MS），但是采用了一种新型的基体。
新陈代谢分析是当代具有高度现实意义、发展迅速的分析领域，其中代谢物被称为所研究生物体状态的特征性标志。代谢研究也被用于疾病诊断方面，通过测定与“正常”代谢状态之间的差别来发现疾病。新陈代谢分析中一个比较新的学术领域是类脂学，类脂作为生物重要的标记物，可用于传染病的诊断和研究生物体对于环境影响的反应。目前对复杂类脂物的检测需求急剧增加，但检测方法一般仅限于“低通量方法”，如电子轰击质谱（EI/MS）、化学电离质谱（CI/MS）与气相色谱联用法，这些都需要进行费时的样品预处理步骤。
图2. 硬脂酸的检测：左为应用常规的2,5-二羟基苯甲酸；右为应用性的质子海绵体1,8-双（二甲基胺）萘（质子海绵体），红色标记为硬脂酸的阴离子。
近年来，极性类脂的电喷雾离子化液相色谱-质谱（ESI-LC/MS）测定方法有了很大进展，并显现出一系列优点。另一种能使脂肪酸离子化的方法是MAIDI-MS。为了分析低分子量物质（<1000 道尔顿），而应用了高分子量的间位四（五氟苯基）卟啉（分子量约974道尔顿）作为基体，但它仅用于分析饱和脂肪酸。因此人们又发展了一些不含基体的方法，例如利用多孔硅胶进行解吸和离子化（DIOS/MS）来分析脱氢脂肪酸。DIOS/MS方法的缺点是灵敏度较低，并且经常出现阳离子类型的双倍脱氢脂肪酸的二聚产物/三聚产物，另外在分析各种油类脂肪酸时易出现石墨表面化问题。在研究了脂肪酸高通量分析的这些缺点后，耶拿MPI发展了新的基体材料，用于直接进行脂肪酸分析以及一般性易酸化物质的检测。
图3. 拟南芥叶片以及柠檬酸循环的示意图，红色标记的名字代表用质子海绵基体借助MALDI方法以负模式的方法直接进行检测的物质。
MALDI-TOF/MS检测小分子
质谱法可用于测定化合物成分，阐明其分子组成与结构。现代生物学，特别是大分子的研究中，应用了不同的质谱分析方法。比如在MALDI （Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization） 基体辅助激光解吸、离解法中，让蛋白质与一种确定的物质（基体）共结晶，然后通过激光辐射分解成小的蛋白质离子（图1）。辐射时基体分子充当着能量的吸收体，而后将能量传递给待分析物质的分子，使其被离解，所产生的离子大部分组成为 [M+H]+离子（在加入氢的情况下）或者由[M-H]-离子（在消灭氢的情况下）。测量结果反映了质量/电荷比对于所观测到的离子信号强度的依赖关系。
不过，在MALDI方法中所加入的固体基体具有明显的缺陷：激光所产生的不仅是样品混合物的离子，还有从基体产生的小质量离子（<500道尔顿）。这些干扰性离子的影响（图2 左），导致一些对于生物代谢起重要作用的小分子不能被测定出来。目前市售基体所产生的离子很多都如同一堆杂草，而目标是要从中找出几根小针，难度之大可想而知。因此对于现代的代谢学领域而言，MALDI 方法仅获得很有限的应用。只有采用强碱性的MARDI基体（例如9-氨基吖啶）时才能以很高的灵敏度来进行小分子有机酸的测定。但即使如此，仍然会观测到许多干扰性的离子，因而设计新型基体的课题又被提到了前台。
图4. 红色血液小滴样品加入质子海绵基体后的MALDI质谱图。
新型基体物质
摈弃草中寻针，不再对代谢产物如糖、脂肪酸和氨基酸以及其他有机酸的测定方法进行细化，科学家们现在拟另辟捷径，致力于对基体物质进行改进，使其不再产生干扰性的离子。这里做一个比喻，即设法将杂草丛铲除而只让针显露出来。这项研究借助了物理化学和有机化学中Brφnsted和Lowry所建立的酸碱概念，通过对实验记录进行加工整理，找出各种各样所测样品所产生的不带干扰性离子的基体物质，从而使得只有样品分子在质谱图上显现出来（图2 右）。运用这种新的基体辅助离解激光解吸（MALDI）方法，研究者们已经可以对单个的和少量的样品中100多种不同分子进行可靠和快速的鉴定。比如，在一个试验样品拟南芥叶片上直径仅为0.5mm的圆形面积内，已从所确认的100多个分子中检测出46种代谢产物，其中包括11种对于大多数生物体具有重大意义的柠檬酸循环中的8种中间产物（图3）。将同一原则应用于质子化的分子（带正电荷的离解）的基体选择，可以发展分析胺类和类似分子的有效基体物质。
在生物医学中的应用
新的MALDI方法还可用于分析不同的生物-医学材料，除了植物和昆虫样品外，还可用于医学样品。在一滴小于百万分之一升的血液样品中可以测定一系列对于血液具有特征性的有机酸（图4）。此前这样的测定一直沿用了麻烦费时的方法。当然，如果对于代谢体不仅能够检测，还能加以量化，那么MALDI未来在生物医学领域将会上升为一种快速的测定方法。但迄今为止，MALDI方法的应用仍然存在一些问题，如不能对质量相同的分子例如几何同分异构体进行区别，另外还有一些物质不能应用MALDI方法进行分析。
