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浅谈临床质谱实验室建设须知
发布时间:2019-06-04 20:53浏览次数:

串联质谱技术应用到临床医学以来,便以其高通量、高灵敏度、特异性和准确性高、低检测限、样本用量少且前处理简单、检测速度快、费用相对低廉等优势显示出巨大的生命力,与气相、液相色谱仪的联用极大的扩展了质谱技术在临床检验中的分析范围,使其在国际上迅速应用于生物学及医药学等领域。目前串联质谱技术已经在遗传代谢性疾病检测、临床免疫学检测、微生物检测、微量元素/微量营养素检测、糖化血红蛋白检测、激素水平检测、血药浓度监测和药物代谢研究、蛋白质组学和核苷酸多态性研究等多种领域开展应用。

一、临床串联质谱仪基本结构

(一)进行质谱分析的仪器称作质谱仪。通过上述对质谱分离原理的了解,可以知道质谱仪虽然有许多不同的设计,但都是由实现如下基本功能的结构组成: 

1.将样品分子生成离子(离子源); 

2.按照m/z的大小对离子进行分离(质量分析器); 

3.对选定的离子进行破碎并在下一个质量分析器重再进行分析(串联质谱具有的功能);       

4.将分离后的离子转变成电信号并测量其丰度(检测器);       

5.处理信号、显示结果、控制仪器(电脑)。 

(二)离子源:

多种离子化技术可被使用在质谱仪中,针对被分析物的性质和考虑到离子化过程中内部能量的传递可选择不同的离子化技术。例如电子电离、化学电离、场电离仅适用于易挥发、热稳定的化合物;对于热不稳定及不易挥发的化合物就需要能直接将这些化合物提取到气态的方法。这种直接的离子源有两类:液相离子源和固相离子源。在液相离子源中被分析物是处于溶液中,需将溶液雾化并在大气压中中形成离子,然后在真空的作用下迫使离子进入分析器,这类离子源有电喷雾(Electro-spray,ESI)、大气压中化学电离(Atmospheric pressure chemical ionization,APCI)等。在固相离子源中,被分析物处于不挥发的沉积状态,这种沉积状态可由各种制备方法产生,其制备过程经常会涉及引入一种固体或非挥发性液体做为基质,被分析化合物的沉积随后经高能粒子或光子照射使沉积物表面的离子释放出来并在电场的作用下进入分析器,这类离子源有基质辅助激光解析(Matrix-assisted laser desorption)、等离子体解析(Plasma desorption)离子源等。 

 

(三)质量分析器:

质量分析器可由不同的原理发展而成。大致而言它们可以分为两类,一类是以时间的尺度将不同质荷比的离子进行分离,例如四级杆质谱;另一类则是以空间的尺度将不同质荷比的离子进行分离,例如离子阱质谱。当然分类也可以用质量分析器的其他性质,比如脉冲式的或是连续式的等等。随着仪器的发展,也出现许多将不同的质量分析器联用的组合,例如四级杆-飞行时间(Quadrupole-TOF)等。当评价一台质谱仪的性能,一般会考虑到以下这些因素:可分析的质量区间、分析速度、传送能力(进入分析器与到达检测器离子的比例)、质量准确度和分辨度。表一列出了某些常用质量分析器的基本特征。

 

质量分析器的某些基本特征

 

Quardruple

(四极杆)

Ion Trap

(离子阱)

TOF

(飞行时间)

Magnetic

(磁)

质量限制(Th)

4000

6000

>>1000000

20000

分辨率(FWHM,m/z1000)

2000

4000

20000

100000

准确度(ppm)

100

100

200

10

两个或数个质量分析器可被串联起来使用,使得在前级质量分析器中的选定碎片在后一级质谱中得到进一步分析,这样的质谱被称为串联质谱(MS/MS或MSn)。也可以将色谱(气相或液相)连接在离子源的前端做为样品的输入装置,使得色谱的分离能力与质谱的分离鉴定能力得到叠加,被称为色质联用(GC-MS或LC-MS),联用的质谱部分自然也可以是串联质谱。目前临床实验室中最常用的质谱就是液相色谱与串联质谱联用(LC-MS/MS)。

(四)检测器和电脑:

检测器的作用在于使通过质量分析器的离子产生电信号(电流),此电流的强度与其丰度成比例。对离子的测定无非总是根据其电荷、质量或是速率。由于在每个特定时间点上由质量分析器中出来的离子有限,其所形成的电流也十分有限,因此其后部都连有放大电路。检测器与质谱的其他部件一样仍处于不断发展之中以应对新的需求,例如测定质量很大的离子。

      电脑在质谱分析中的基本作用与许多分析仪器基本相同,主要有三个功能:控制仪器、获取和加工分析资料集对数据进行解读,从而最后向用户输出一份分析结果的报告。这其中涉及到模数信号的转换、分析过程中的取样频率与分析质量的关系,用户也应该对所用数据库的特点有所了解,以便对电脑给出的分析结果有正确的解读。

二、临床串联质谱仪工作原理

液相色谱-串联质谱法定量是将含有稳定同位素内标的沉淀剂溶液对血浆样本进行蛋白沉淀,然后取上清液进行稀释,最后用液相色谱-串联质谱系统进行检测,采集质谱信号。通过建立已知浓度分析物(标准品)与目标分析物响应值之间的函数关系,实现对样本的定量检测。

三、获国家药品监督管理局认证的临床质谱仪器

(一)国产医疗器械汇总表

1.四极杆质谱:

2.微生物或核酸质谱(飞行时间质谱)、呼气质谱:

 

(二)进口医疗器械汇总表

1.四极杆质谱:

2.微生物或核酸质谱(飞行时间质谱):

四、临床串联质谱仪安装注意事项

实验室硬件包括水电气、噪音、废物、空间,IT和辅助设施。由于质谱用在临床是近几年的事,已有的实验室很可能不能满足质谱的需要。要能保证对仪器和员工提供一个安全、舒适的环境。所以,在做规划时,还要考虑到将来的发展以及和实验室其它部门的互动和合作。

1.用电:质谱对电的要求较高。电压要跟仪器匹配(有110伏的,有220伏的),电流要达到要求,电压要稳(可选稳压器)。最好把仪器(包括质谱、色谱、电脑)都接在不间断电源上。插座也要和仪器的插头匹配,插座的数目(16A插座≥3个,10A插座≥6个)要满足工作需求,且距离不能太远。UPS输出电压值零线与地线要求小于2V,UPS功率宜根据仪器使用功率及考虑以后的发展。另外前期场地改建可以让仪器供应商技术人员现场勘测并给出改建意见。

2.用气:质谱里常用的气有氮气、氦气和氩气。其中氮气用量最大。仪器少的时候可以用氮气发生器,仪器数目多的时候(超过五十台)最好用中央供气系统。注意气体纯度和压力的要求。氩气用量不大,钢瓶就可以了。一些特殊的仪器可能会有特殊的气体要求。比如负离子检测可能需要用zero gas。

3.试剂:色谱纯级(导电率18.2)以上水(或屈臣氏纯净水);化学品试剂甲醇和乙腈宜购买进口默克或菲舍尔(质谱级)。

4.噪音:质谱需要很高的真空。抽真空的泵往往会产生噪音,尤其当仪器多的时候。氮气发生器也有噪音。最好能做到人机分离。如果做不到人机分离,最好能把真空泵和氮气发生器放在其他房间。如果这个也做不到,可以在墙上贴一层能吸收噪音的泡沫,或者把泵藏在箱子里,但需要注意的是,真空泵会产生热,所以注意不要让箱内温度太高。

临床质谱实验室平面图(参考)

5.废气:质谱仪工作中产生废气,需要排到室外。实验室改造或建造时要预留通道。

6.废液:色谱仪会产生废液,需要有处理废液的装置和流程,并把无害的废液和有害的废液分开。建方法时也可以试一试对环境不是那么有害的试剂,比如用乙醇代替甲醇,用乙酸代替甲酸。

7.空间:仪器到货需要有货梯和能够进入的实验室门宽的要求,实验台的宽度(≥90cm)和承重(≥500KG)要求。仪器周围要留有足够的维修空间(离墙≥50cm)。还要预留空间(离心机、通风厨、冰箱等)和桌面给样品的制备和摆放(打印机,垃圾桶,废液缸,试剂瓶等)。仪器位置和摆放要合理,尽量减少操作人员来回走路的步数。如把色谱仪放在质谱仪上面。但需要注意漏水和限高。

常规检测项目所需购买的辅助设备清单

8.环境:质谱仪对实验室温度、湿度、震动和光线有较高的环境控制要求才能让保证仪器的正常运转。实验室设计的既要保证仪器的要求,也要满意员工舒适的工作环境要求。

 

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