质谱（MS）是一种强大的分析工具，可用于识别、定量和表征分子等应用。在生命科学研究中广泛使用，质谱技术不断发展，因为用户试图克服灵敏度、速度、分辨率和可访问性等瓶颈。在此，我们重点介绍最近的研究论文，这些论文展示了质谱工作流程、技术和制造方面的创新。使用纳米孔离子技术重新思考传输方法
电离是任何质谱工作流程中的重要步骤，但标准方法——电喷雾电离（ESI）存在一个关键问题——样品损失。
采用传统的ESI技术，使用质谱的研究人员通常会发现只有约1%的样品进入质谱仪。由布朗大学物理学名誉教授德里克·斯坦博士领导的研究人员致力于解决这个问题已有十多年。斯坦在接受Technology Networks采访时表示：“这种低的传输效率是一个基本问题，尤其是在想要测量单细胞或单分子等小样品时。”
在《自然通讯》上，斯坦及其同事最近展示了一种使用纳米孔离子源的新传输方法，该方法将离子直接输送到质谱过滤器。“通过对纳米级尖端施加强电压，可以将离子直接从液体表面拉入汽相。这不涉及带电液滴的释放，因此避免了通常导致大量样品损失的库仑爆炸，”斯坦表示。“相反，纳米孔离子源通过离子蒸发机制将离子直接输送到汽相。”纳米孔离子源使用一个直径约30 nm的微小毛细管，比传统的ESI针头小600倍。
斯坦解释道：“我们在激光加热中间时拉动细石英管的两端。激光使石英变软，并像拉开一片披萨上的奶酪一样延展。石英管变薄直到中间断裂。通过练习，激光加热和拉力可以调节，几乎每次都能得到纳米级孔口。”在概念验证研究中，研究人员在实验中测试了新颖的纳米孔离子源，以测量16种氨基酸的质谱。该技术匹配现有传输方法的能力，并显著减少了样品损失。斯坦和团队正在探索商业化途径，重新设计离子源以用于商业质谱仪的测试。
研究人员还在研究如何利用这种新传输方法进行单分子测序。加速MSI在单细胞分析中的应用
质谱成像（MSI）是空间生物学中的重要工具，使研究人员能够在完整组织中定位生物分子。然而，由于分辨率问题，其在单细胞研究中的应用受到限制。由伊利诺伊大学芝加哥分校生物科学和化学助理教授高瑞轩博士领导的研究人员认为，超级吸水水凝胶可以帮助解决分辨率挑战。
在《自然通讯》上，他们展示了GAMSI（凝胶辅助质谱成像）——一种利用分析物与超级吸水水凝胶之间可逆相互作用的样品制备和成像方法。在研究中，高及其同事展示了GAMSI如何在使用小鼠脑切片的概念验证实验中将MALDI-MSI的空间分辨率增强约三倍和六倍。“在初步展示中，我们专注于MALDI-MSI的相对定量能力，因为它被广泛使用，并且不需要引入额外的标准或校准。”研究人员表示。
GAMSI方法涉及将样品嵌入可逆捆绑生物分子的水凝胶中。“我们注意到，这种可逆锚定可以采取非共价或共价形式。对于脂质GAMSI，例如，本地脂质可以通过与共价锚定在水凝胶高分子链上的膜蛋白的疏水相互作用锚定在水凝胶上。”高及同事解释道。对于蛋白质分析，目标蛋白质可以被标记上携带光可分离质量报告基团的抗体，能够共价锚定在水凝胶的聚合物链上。
水凝胶的水合导致其膨胀，从而在不影响样品完整性的情况下拉伸样品。这种膨胀增加了成像生物分子之间的间距，从而提高了空间分辨率。此外，GAMSI不需要对现有质谱硬件或管线进行任何修改。尽管该方法需要进一步优化——仪器检测、灵敏度和吞吐量被认为是当前的限制——高及其同事相信，最终他们的方法将“加速MSI的日常使用，用于本地生物分子的单细胞分析，特别是完整细胞和组织的亚微米空间脂质组研究。”
利用增材制造技术进行3D打印的质量滤波器
四极杆是质谱实验中常用的质量滤波器。它由围绕轴线排列的四根金属杆组成，形成一个可以改变特性的电磁场，使得只有特定m/z值的离子能够到达室端。麻省理工学院的研究人员最近创建了一个微型3D打印的四极杆质量滤波器（QMF），其密度是可比滤波器的四分之一，可以提高现场质谱设备的可访问性。
这项工作发表在《先进科学》中，是Dr. Luis Fernando Velásquez-García 20年创建3D打印便携式质谱仪的努力的一部分。“我们不是第一个试图这样做的人。但我们是第一个成功做到这一点的人。有其他微型四极杆过滤器但它们与专业级质量滤波器不可比。有很多可能性，如果尺寸和成本可以缩小而不影响性能，”Velásquez-García 说。
将四极杆小型化并非易事——减小滤波器的尺寸会影响其性能。“你不能随意缩小四极杆——有一个权衡，”Velásquez-García 说。为了克服这些权衡，研究团队采用了增材制造方法，即材料以层叠形式添加。这使他们能够“积极迭代设计，”Velásquez-García 说。这张照片展示了3D打印的微型QMF的例子。它们可以在几小时内以几美元的成本制造。图片来源：
Luis Fernando Velásquez-García, Colin Eckhoff 等人。Velásquez-García及同事打印了一个三角格架网络来环绕杆，从而增加了四极杆的耐用性。然后使用无电镀将杆镀上一层薄金属膜以使其导电。“最终，我们制作了最紧凑但也是最精确的四极杆，根据我们的3D打印机能力，”Velásquez-García说。
在概念验证研究中，这些3D打印的四极杆被插入商用系统，表现出优于现有微型滤波器的性能。“由于QMF在许多其他类型的质谱系统中的‘分析引擎’中处于核心地位，这篇论文在整个质谱领域具有重要意义，在全球这代表着一个数十亿美元的产业，”利物浦大学电气工程和电子学教授Steve Taylor博士说道，他未参与这项研究。新的可能性
这些激动人心的创新仅仅展现了质谱领域广阔且不断发展的一个缩影。
随着方法和技术的不断进步，我们可以期待质谱在单细胞生物学、空间生物学以及便携式生物标志物诊断等领域中带来新的可能性。