当前位置：文档之家 › 从质谱到智谱——历史与未来

从质谱到智谱——历史与未来

  • 格式：pdf
  • 大小：2.69 MB
  • 文档页数：5

􀅰行业研究􀅰从质谱到智谱———历史与未来∗

张　阳１,刘昕超２,薛恒钢２,周凤丽２,马庆伟２▲,府伟灵３△(１．重庆市人民医院检验科,重庆４０００３８;２．北京毅新博创生物科技有限公司,北京１０２２０６;３．陆军军医大学西南医院检验科,重庆４０００３８) 摘　要:２０１６年１０月,GOOGLE提出了IT技术发展的４个阶段:PCＧ互联网Ｇ移动Ｇ人工智能.人工智能自１９５６年正式提出以来,至２０１６年ALPHAGO战胜人类围棋冠军李昌镐,IBMWATSONHEALTHCARE获美国医生执照,人工智能技术正在改变整个世界,也必将改变质谱技术,为质谱技术的发展提供新的路线.智谱,将传统质谱与人工智能结合,实验技术方法承接成熟的传统质谱,而实验数据的处理和分析应用近年来飞速发展的人工智能的崭新的、跨学科分析方法.其主要技术指标为谱图稳定性与谱库分辨率.智谱可以智能读取质谱产生的数据并做出判定,实现了效率的极大提升,大量节省了医疗成本,实现医疗资源分配的最优化.智谱在传统质谱基础上的优化,使其有望得到广泛应用并解决目前质谱难以解决的临床医学领域的基础问题.关键词:质谱;　智谱;　人工智能;　智能辅助诊断系统DOI:１０．３９６９/j．issn．１６７３Ｇ４１３０．２０１８．２２．００１中图法分类号:RＧ１;R１９７．３９文章编号:１６７３Ｇ４１３０(２０１８)２２Ｇ２７２１Ｇ０５文献标识码:A

FromMStointelligentMSＧＧthehistoryandthefuture∗ZHANGYang１,LIUXinchao２,XUEHenggang２,ZHOUFengli２,MAQingwei２▲,FUWeiling３△(１．DepartmentofLaboratoryMedicine,thePeople＇sHospitalofChongqing,Chongqing４０００３８,China;２．BioyongTechnologiesInc．Beijing１０２２０６,China;３．DepartmentofLaboratoryMedicine,SouthwestHospitalofArmyMilitaryMedicalUniversity,Chongqing４０００３８,China)Abstract:　InOctober２０１６,GOOGLEputforwardthe４stageofITtechnologydevelopment:PCＧInterＧnetＧMobileＧAI(artificialintelligence)．SincetheconceptofAIwasformallyproposedin１９５６,theALPHAGOdefeatedthehumanWeiqichampionLICHANGGAOin２０１６,andIBMWATSONHEALTHCAREgottheAmericandoctor＇slicense．AItechnologyischangingthewholeworld,anditwillalsochangethemassspectrum(MS)technologytoprovideanewprospectforthedevelopmentofMStechnology．WiththecombiＧnationoftraditionalMSandAI,thetraditionalMSiscarriedonbyexperimentaltechniques,andtheprocessＧingandanalysisofexperimentaldataisanewandinterdisciplinaryapproachtotherapiddevelopmentofAIinrecentyears．ThemaintechnicalindicatorsincludethestabilityofspectrumandtheresolutionofspectralliＧbrary．IntelligentMScanreadthedatageneratedbytheMSintelligentlyandmakeadecision,whichcangreatＧlyimprovetheefficiency,savemedicalcostsandoptimizethedistributionofmedicalresources．WiththeoptiＧmizationbasedontraditionalMS,intelligentMSisexpectedtobewidelyusedandsolvethebasicproblemsinclinicalmedicinewhicharedifficulttobesolvedbyMS．Keywords:massspectrum;　intelligentmassspectrum;　artificialintelligence;　intelligentassistantdiＧagnosissystem

１８９７年汤姆森实验发现并证明了电子的存在,获得诺贝尔奖,开创了质谱技术的时代.２００２年,MALDI和ESI技术同时获得诺贝尔奖,突破了生物大分子质谱分析的难题.过去１１０年来,质谱技术获得了７个诺贝尔奖,解决了元素分析、小分子分析、大分子分析等科学问题,为人类发展做出了重要贡献,见图１[１Ｇ１０].质谱即运用电场和磁场将运动的离子按它们的质荷比分离后进行检测,测出离子的准确质量后可确定离子的化合物组成[１１Ｇ１３].从１９世纪末GOLDＧ􀅰１２７２􀅰国际检验医学杂志２０１８年１１月第３９卷第２２期　IntJLabMed,November２０１８,Vol．３９,No．２２

∗基金项目:国家９７３项目基础研发计划资助项目(２０１５CB７５５４０２);国家重点研发计划“精准医学研究”资助项目(２０１７YFC０９０９９０２);西南医院智慧医疗重点项目(SWH２０１７ZDCX４２１０);国家重点研发计划项目(２０１６YFC０１０６６００、２０１７YFC０９０６７０２). 作者简介:张阳,女,临床检验诊断学博士,主管技师,主要从事检验大数据与分子诊断、太赫兹拉曼光谱在检验医学中的应用方面的研究.　△　通信作者,EＧmail:fwl＠tmmu．edu．cn;　▲　共同通信作者,EＧmail:maqw＠clintof．com. 本文引用格式:张阳,刘昕超,薛恒钢,等．从质谱到智谱———历史与未来[J]．国际检验医学杂志,２０１８,３９(２２):２７２１Ｇ２７２４．STEIN在低压放电实验中观察到正电荷粒子开始,质谱技术的发展经历了漫长的一个世纪,见图２[１０,１４Ｇ２５].１９１２年JOSEPH研制出世界上第一台质谱仪;１９１９年,质谱技术首次被用于发现同位素;１９４２年,第一台商用质谱仪诞生;１９５６年,出现了气相色谱Ｇ质谱联用仪,质谱技术首次被用于鉴定有机化合物;１９８８年,开始出现了电喷雾电离质谱、基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDIＧTOF),傅立叶变换质谱法,开创了有机质谱分析研究生物大分子的新领域;创新技术的进一步发展正在推动MALDIＧTOF迈向更光明的未来,质谱开始应用于生命科学及临床医学领域,用于检测生物多肽组、蛋白组、DNA、RNA等成分,在基础及临床方向对人体健康、疾病等方面的研究中发挥了重要的支持作用.

图１ 质谱技术领域诺贝尔奖得主及获奖成果纪年轴

图２ 质谱技术发展进程及重要技术事件纪年轴 质谱作为一种理论成熟、应用广泛、研究深入的分析方法,在生物及医学方面具有广泛的应用,目前几乎可以检测到所有的生物小分子[２２Ｇ２３].从量子化学角度来说,接近所有人类已知相对分子质量的小分子都已被质谱检测到,甚至人工合成的自然界不可能存在的小分子,质谱目前也可以轻松检测[２６Ｇ３０].质谱的分辨率、灵敏度也从几十发展到几千万,已经逼近技术发展的物理极限.而现今的医学基础与临床研究中,研究者所面对的未知问题越来越多.因此,研究人员需转换思路与研究方向,才能将质谱技术更好地应用于目前日新月异的大数据基础与临床医学研究中,这是质谱在医学研究领域中急需解决的问题.值得庆幸的是,在“互联网＋”时代,人工智能(AI)、大数据、云计算、物联网技术不断渗入医疗领域和大健康领域,图像识别、深度学习、神经网络等关键技术得到突破,推动了AI与质谱技术相结合.面对海量的质谱数据,AI在图像识别的速度和精度上,具有质的提升.同时,针对质谱检索和解析的复杂性,把AI中的逻辑推理和分析解析过程中的数值计算有机地集成起来,使之较普通的质谱检索系统更为优越,处理性能得到极大改善,具有更强的解决实际问题的能力.笔者相信在不久的将来,AI与质谱技术将走进实验室,迎来商业化浪潮,质谱智能化时代将全面开启.１　信息技术(IT)与AI的发展技术特点１．１　IT　IT是主要用于管理和处理信息所采用的各种技术的总称,应用计算机科学和通信技术来设计、开发、安装和实施信息系统及应用软件.目前,IT的发展日新月异,以物联网与云计算为代表.物联网[３１Ｇ３２]是新一代IT的重要组成部分,是在互联网基础上延伸与扩展的网络,实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理[３１,３３].云计算[３４Ｇ３５]是网格计算、分布式计算、并行计算、效用计算、网络存储、虚拟化、负载均衡等传统计算机技术和网络技术发展融合的产物[３６],通过网络把多个成本相对较低的计算实体整合成一个具有强大计算能力的系统[３７].１．２　AI　１９５６年,MCCARTHY在DARTMOUTH学会上正式提出AI的概念,并将其定义为“为研究人类智能活动的规律,构造具有一定智能行为的人工系统”[３８].AI是计算机学科发展的一个重要分支.目前,AI技术正在向大型分布式AI及多专家协同系统、并行推理、多种专家系统开发工具,以及大型分布式AI开发环境和分布式环境下的多智能体协同系统等方向发展[３９Ｇ４０].２０１６年被称为“AI元年”,AI在这一年中高速发展,许多标志性的事件引人关注.２０１６年３月,GOOGLEDEEPMIND开发的AI程序ALPHAGO战胜人类围棋大师李昌镐.同样在２０１６年,IBMWATSONHEALTHCARE获得美国医生执照.传统的物理、化学、生物技术及其实验结果的分析仅限于单仪器操作.在实验结果与其他仪器甚至全人类生物成分信息组库中的信息进行对比和共同分析方面,传统质谱具有一定的局限性.一方面,传统质谱单仪器间无法实现数据相联、共享,从而无法进行实验数据等信息的交换与通信;另一方面,多个质谱仪器的实验数据信息量将会十分庞大,若与人类生物成分信息组库相连则更是如此,传统仪器在处理、分析如此庞大的数据时能力不足.因此,传统质谱进行改变和优化,突破上述两大局限之处,即智谱(IMASS)的创新与优化之处[４１].２　IMASS２．１　IMASS简介　IMASS,即将传统质谱与AI结合,实验技术方法承接成熟的传统质谱,而实验数据的处理和分析采用AI的崭新的、跨学科的分析方法.IMASS与传统质谱的对照见表１所示.应用IMASS方法的目的是在医学及生物领域以大、小生物分子组􀅰２２７２􀅰国际检验医学杂志２０１８年１１月第３９卷第２２期　IntJLabMed,November２０１８,Vol．３９,No．２２分分析为基础的各类基础和临床问题中,以新的思路应用质谱方法进行研究,解决目前质谱难以解决的问题.表１ 质谱与IMASS的对照表质谱IMASS性质仪器系统[包括仪器、试剂、数据库、软件(云中心,物联网)]组成１台组成n台技术参数分辨率数据标准化(格式,校正)准确度谱图稳定性灵敏度谱库分辨率产出质谱数据应用解决方案

合集下载

国内外质谱领域的技术发展现状和趋势研究

国内外质谱领域的技术发展现状和趋势研究

国内外质谱领域的技术发展现状和趋势研究

质谱技术在国内外一直是科学研究和分析领域中的关键工具，经历了不断的发展和创新。以下是关于国内外质谱领域技术发展现状和趋势的一些常见方面：

1. 技术发展现状：

a. 高分辨质谱（HRMS）：

高分辨质谱技术的发展使得科学家能够更精确地分析复杂的混合物，提高分析灵敏度和分辨率。

b. 串联质谱（MS/MS）：

MS/MS技术通过在质谱仪中引入多个阶段的质谱分析，提供更详细的分析结果，有助于确定分子结构和鉴定生物分子。

c. 质谱成像（MSI）：

质谱成像技术允许在样本表面创建分子分布的图像，对于药物分发、生物标志物和组织学研究具有重要意义。

d. 环境质谱学：

应用质谱技术来监测环境中的污染物，如大气中的气溶胶成分、水体中的微量有机物等。

e. 生物质谱学：

在蛋白质组学、代谢组学等方面的研究中，质谱技术在生物医学研究和生物药物开发中发挥了关键作用。

2. 趋势研究：

a. 单细胞质谱：

越来越多的研究致力于开发单细胞质谱技术，以深入了解不同细胞的代谢和生物分子组成。

b. 人工智能与数据分析：

人工智能和机器学习的应用将在质谱数据处理和解释中发挥更重要的作用，提高分析效率和结果准确性。

c. 新型质谱仪器：

新一代质谱仪器的开发将继续提高灵敏度、分辨率和数据采集速度，拓展质谱在不同领域的应用。

d. 多组学融合：

融合多种质谱技术与其他组学技术（如基因组学、蛋白质组学、代谢组学）的研究将促进系统生物学的发展。

e. 实时质谱监测：

实时监测质谱技术的发展将有助于迅速了解化学反应过程、药物动力学等实时性要求较高的场景。

这些趋势表明，质谱技术在不同领域的应用将更加广泛，并且技术本身将继续不断创新。质谱学作为一种强大的分析工具，将为科学家提供更多深入研究生命科学、化学和医学的机会。值得注意的是，这方面的研究领域发展迅速，新的进展可能已经发生在我的知识截断之后。

化学分析中的质谱仪技术发展趋势

化学分析中的质谱仪技术发展趋势

化学分析中的质谱仪技术发展趋势

随着化学分析技术的不断发展，质谱仪在分析领域中扮演着越来越重要的角色。在化学分析中，质谱仪可以对样品的质量、组成、结构和反应过程进行精确快速的分析，成为分析科学的有力工具。然而，由于不断增长的分析需求和分析结果的精度要求，质谱仪技术也在不断发展。本篇文章将深入探讨质谱仪技术的发展趋势。

一、技术革新的背景和原因

在分析科学中，质谱仪是一种非常重要的仪器设备，它可以对各种复杂的样品和化合物进行分析，如有机分子、生物大分子、环境污染物等，应用广泛。质谱仪技术的不断发展，主要是由于化学分析对数据的分辨率和准确性的要求越来越高。传统的质谱分析方法已经无法满足新时代的需求，因此需要推进技术的升级和发展。

同时，在工业和生物医学领域，质谱仪科技的进步也对分析技术提出了更高要求。在工业领域，质谱分析技术应用比较广泛，如在石化、金属、塑料、纸张、医药等行业应用众多，在其中起到了至关重要的作用。而在生物医学领域，则是对药物开发和评估的精确性提出了更高的要求。据悉，生物医学中的质谱仪技术已经具有了高分辨率和高灵敏度的特点，能够更好地发现新的蛋白质、肽等生物分子。这种技术不仅可以进一步深入研究蛋白质的结构、功能和互作关系，还能为药物的研发提供重要支持。

因此，不断革新和升级质谱技术是化学分析领域的必然趋势。下面我们重点讨论几种期望的质谱仪技术；

二、质谱仪技术发展趋势

1. 高分辨率质谱技术

高分辨率质谱技术（HRMS）是质谱仪一项非常关键的技术。HRMS 在分析大分子，例如蛋白质和聚合物等有机分子时表现出更强大的性能。HRMS 技术通过使用FT-ICR（Fourier Transform -

Ion Cyclotron Resonance）和Orbitrap 系列技术等，可以使分析出来的数据质量更加可靠。这项技术因其高精度和高质量的数据而在大分子分析和质谱领域广受欢迎。

2. 基于互补离子反射质谱技术（CIR-MS）的肽定量分析技术

质谱

质谱

1 有机波谱

绪论

有机化合物的结构鉴定是经典有机化学的重要内容之一。主要利用化合物的化学性质，来推断分子的结构。用经典方法已成功测定了上万种有机化合物结构。近50年来（上世纪中期），质谱、核磁共振、红外和紫外光谱方法得到快速发展，从根本上改变了化学研究的方法，成为结构鉴定的主要手段。

与经典方法相比，波谱法具有如下优点：快速、灵敏、准确、重复性好。经典方法结构测定的程序：

（1） 元素分析（定性、定量）

（2） 分子量测定

（3） 官能团定性鉴定

（4） 通过化学反应提出“部分结构”

（5） 由“部分结构”拼凑出完整结构

（6） 用标准样品对照，或进行化学合成，证实结构的正确

现代有机波谱方法：

（1） 质谱——能获得元素比例，分子量（决定分子式）和结构片段信息

（2） 红外——官能团鉴定（定性分析）

（3） 紫外——提供共轭体系的信息（结构片段）

（4） 核磁——能获得结构片段信息，并证实上述结论

单独使用都有一定局限性，配合起来就成为结构鉴定的有力工具。

2 第一章 质谱

(Mass Spectrometry, MS)

1.1质谱的基本知识 （基本概念）

发展历史：Thomson JJ英国科学家，获1906年诺贝尔物理学奖，首次发现20Ne,22Ne（氖）以及COCl2→Cl+,O+,C+,CO+ ,1942年出现第一台商用质谱仪，50年代开始用于有机化合物分析。

质谱法（mass spectrometry, MS）:在高真空系统中测定样品的分子离子及碎片离子质量，以确定样品相对分子质量及结构的方法。

质谱学：研究样品在质谱测定中的电离方式、裂解规律以及质谱图特征的科学。

测量对象：同位素、无机物、有机化合物、生物大分子、聚合物

应用范围：化学、生物化学、生物医学、药物学、生命科学以及 环保、公安、国防等领域。

特点：在鉴定有机物的四大重要工具核磁共振、质谱、红外、紫外光谱中，灵敏度最高，也是唯一可以确定分子式的方法。

质谱分析技术原理与应用

质谱分析技术原理与应用

质谱分析技术原理与应用

质谱仪(MassSpectrometer)是一种分析质量(Mass)的仪器，可进而鉴定分子结构及定量分析。纵观其发展历程 质谱的发展速度近似于指数曲线，近年 来越来越快速地成长，已成为当今分析化学功能强大的设备。一般而言，课题越重要，参与的人越多。美国质谱年会每年有超过3000篇的口头及墙报论文发表，超过6000人与会，没有哪一种分析仪器具有类似的会议规模。

1. 质谱仪的构造与质谱图

1.1 质谱仪的基本原理与构造

顾名思义，质谱仪是测定物质质量的仪器，基本原理为将分析样品(气、液.固相)电离(Ionization)为带电离子(Ion)，带电离子在电场或磁场的作用下可以在空间或时间上分离:

质谱仪的种类很多，但是基本结构相同。如图 1-1 所示，质谱仪的基本构造主要分成五个部分:样品导入系统(Sample Inlet)、离子源(Ion Source)、质量分析器(MassAnalyzer)、检测器(Detector)及数据分析系统(DataAnalysis System)。纯物质与成分简单的样品可直接经接口导入质谱仪;样品为复杂的混合物时，可先由液相或气相色谱仪分离样品组分，再导入质谱仪。当分析样品进入质谱仪后首先在离子源对分析样品进行电离，以电子、离子、分子或光子将样品转换为气相的带电离子，分析物依其性质成为带正电的阳离子或带负电的阴离子。产生气相离子后，离子即进入质量分析器[图 1-1(a)]进行质荷比的测量。

在电场、磁场等物理作用下，离子运动的轨迹会受场力的影响而产生差异，检测器则可将离子转换成电子信号，处理并储存于计算机中，再以各种方式转换成质谱图。此方法可测得不同离子的质荷比，进而从电荷推算出分析物中分子的质量。此外，质谱仪还需要一个高真空系统，维持在10-4torr至10-10torr 的低压环境中让样品离子不会因碰撞而损失或测量到的m/z值有偏差。

除了质量的测量，质谱仪也可以利用串联质谱技术，更有效地鉴定化合物的分子结构。顾名思义，串联质谱仪是由两个以上的质量分析器[图1-1(b)]连接在一起所组成的质谱仪。当分析物经过离子源电离后，第一个质量分析器可以从混合物中选择及分离特定的离子，以外力(碰撞气体、光子、电子等)使该离子解离，并产生碎片离子，再由第二个质量分析器进行碎片离子的质量分析。这些碎片信息可以用来鉴定小分子及蛋白质、核酸等生物分子的结构。当样品复杂度很高时，可在样品进样区前串联一液相色谱(Liquid