30年的努力,MALDI-TOF MS遇到了前所未有的春天

前言：

2002年，MALDI（基質輔助雷射解吸電離）與另一「軟電離」技術電噴霧電離（ESI）同時獲得諾貝爾獎，這給予了這兩項技術極大的肯定。

如今，創新技術的進一步發展正在推動MALDI-TOF邁向更光明的未來，它將成為一項標準化技術被應用於疾病的病理學，個體化臨床檢測領域。MALDI方法可用於分析任何含有目標分析物的體液，包括血液和血液製品，母乳，腦脊液，淋巴液，唾液，尿液，胃和消化液，眼淚，大便，精液，前列腺液，陰道液，羊水和來源於組織的間質液。特別是新一代MALDI-TOF定量性能的提升將可更快被用於常規臨床檢測使用，除了用於病原體鑑定的用途外，我們將會看到這一技術將會被推廣到：直接從血清，組織提取物和其他體液進行的癌症分型；組織成像；蛋白質修飾分析；小分子藥物（體內）分布；生物標誌物的鑑定和驗證；質譜免疫測定；多肽定量；診斷和治療相關生物標誌物的臨床測定等。目前，MALDI用於臨床的首個定量方案已經由融智生物研製出來，即糖化血紅蛋白定量分析解決方案。

MALDI技術從理論雛形，到真正研製成商品化的儀器進行推廣應用，這其中有很多不為人知的小故事，有著30年基於ESI及MALDI質譜產品的研發及研發管理工作經歷的周曉光老師，於2017年底跟我們分享了MALDI誕生以來的發展歷程，以及其廣闊的發展前景，如今重溫舊讀，深以為然。

周曉光：MALDI誕生30年小記

基質輔助雷射解吸電離（也就是通常所說的MALDI）於1987年首次由Hillenkamp 及Karas提出，如今已經30年。從那時起，通過應用這一「軟電離」技術與飛行時間質譜（MALDI -TOF MS）的結合，成功地實現了為生物大分子提供快速和高度可靠檢測手段的目的，同時也為生命科學領域提供了全新的分析方法。相比其他質譜技術，MALDI-TOF操作簡便，不需要接受分析化學培訓的專業人員就可以使用。特別是近年來在基因分型分析、生物標誌物鑑定、病原體鑑定、質譜成像等應用的發展，越來越被臨床檢測領域所青睞。

近幾年，國內在MALDI-TOF MS儀器的研發與生產快速起步，湧現了一批科研人員和企業，大大推動了MALDI-TOF MS國產化的進程。MALDI-TOF MS將可能成為首個由中國企業掌握最領先核心技術，並引領技術發展的質譜儀品類，這對我國在生物大分子分析研究、臨床分子診斷應用等方面有極大的推動。

我於30年前開始，參與了一系列基於ESI及MALDI質譜產品的研發及研發管理工作，謹藉此技術發表30年之際，對MALDI-TOF質譜技術的發展及其將來做作簡單的回顧與展望。

關於MALDI的起源

MALDI在2002年與另一「軟電離」技術電噴霧電離（ESI）同時得到了諾貝爾獎委員會的關注，田中耕一因雷射解吸電離（LDI）技術的開發，與電噴霧電離的發明人John Fenn由於「開發了用於生物大分子質譜分析的軟解吸電離方法」而分享了2002年諾貝爾化學獎。儘管田中耕一的方法使用了基於雷射的軟解吸電離方法從而獲得諾貝爾化學獎，但他經常被錯誤地認為是MALDI的發明人。其實MALDI（基質輔助雷射解吸電離）是首次由德國University of Münster科學家Hillenkamp 及Karas提出的，它與田中所發現的方法有一些本質上的區別。儘管兩種方法都使用了雷射，但在MALDI中，分析物混入基質中並被基質包圍，基質分子吸收雷射能量並將其中一部分轉移到分析物（如蛋白質、核酸分子）上。而田中的方法則是在甘油中使用金屬納米粒子的懸浮液，分析物位於納米顆粒的表面上。

通過實踐的驗證，Hillenkamp 和Karas所開發的基質輔助雷射解吸的離子化效率更高，成為之後被廣泛採用的技術。但田中是首先發表了可以使用雷射解吸電離來分析和檢測蛋白質類生物大分子，同時提醒了我們只是蛋白質離子化還是不夠的，必須通過改進儀器的其他部分，尤其是探測器，而達到生物大分子分析的目的。

嚴格意義上講，當今被廣泛採用的MALDI-TOF質譜技術實際上是兩個核心技術的組合，即基質輔助雷射解吸電離與飛行時間離子分離技術。基質輔助雷射解吸電離除與飛行時間結合外，同樣可以與其它離子分離手段如四極杆、離子阱等相連接。但脈衝式的雷射解吸電離方式無疑與在飛行時間質譜中同樣採用脈衝式離子提取方式在耦合上有著許多優勢，從而促成了MALDI-TOF這一質譜技術的出現。這一質譜儀器的發展史也是MALDI這一分子電離技術與TOF離子分離技術的相互依賴、相互推進的發展歷程。

脈衝觸發飛行時間的質譜儀設計在MALDI出現之前十幾年就已經出現。在美國Texas A&M University的Macfarlane等通過放射性元素Californium-252轟擊樣本表面，以放射性自然脈衝觸發飛行時間計時的原理設計了等離子體解吸電離（Plasma Desorption Ionization）飛行時間質譜儀，並用來分析較高極性的有機生物分子，成為當時最為成功、被認為最有潛力的蛋白質大分子分析的質譜工具。1984年首款基於這類原理的商業化產品由Bio-Ion Nordic AB生產並銷售，該公司於1989年被Applied Biosystems Inc.收購。但這一技術可謂是曇花一現，很快就被嶄露頭角的雷射解吸技術所取代。

雷射電離（Laser Desorption）被研究得更久，但是直到適當吸收雷射能量的基質被引入前的幾十年中，在生物分子分析中的應用非常有限。Franz Hillenkamp，Michael Karas及其同事在80年代中期發現將丙氨酸與色氨酸混合併用266 nm雷射脈衝照射可以更容易地將其電離，從而推斷色氨酸吸收雷射能量並幫助非吸收能力的丙氨酸電離，因而賦予了基質輔助雷射解吸電離（MALDI）這個術語。當與這種「基質」混合時，分子量高達2843 Da的多肽Melittin同樣可被電離。對更大分子的雷射解吸電離的突破發生在1987年，田中耕一和他的同事使用了將甘油中的30 nm鈷金屬粉末與337nm氮氣雷射器相結合的「超細金屬加液體基質法」用於電離。使用這種基質與雷射的組合，田中完成了對分子量34,472 Da羧肽酶-A蛋白生物分子的電離，證明了雷射波長和基質的適當結合可以使蛋白質電離。隨後，Karas和Hillenkamp使用煙酸基質和266 nm雷射電離了67 kDa的白蛋白（Albumin）。

Karas和Hillenkamp在1988年Bordeaux國際質譜會議上發布了使用靜態電場反射式飛行時間質譜儀結合MALDI電離獲得的β-半乳糖苷酶（分子量116,900）的光譜圖，首次展示了單電荷離子質量大於100,000的質譜圖，標誌著MALDI-TOF MS新時代的來臨。

 

Karas和Hillenkamp在1988年Bordeaux國際質譜會議上發布了使用靜態電場反射式飛行時間質譜儀結合MALDI電離獲得的β-半乳糖苷酶(分子量116,900)的質譜圖

但從上圖中質譜峰寬上可以看出，在初期工作中使用靜態電場反射式飛行時間質譜獲得的蛋白質量分辨能力是相當低的。人們很快就意識到這主要是由於離子在飛行過程中碎裂所致。

MALDI-TOF MS的誕生

第一臺用於大分子分析的實用MALDI-TOF質譜儀是由美國Rockefeller University的Beavis和Chait在Hillenkamp發現MALDI後的幾個月內搭建的。這是一個簡單的線性飛行時間質譜，採用單靜態加速電場，漂移管，和探測器。該儀器的加速電壓高達30kV，飛行長度為2米。線性飛行時間分析儀的一個主要優點在於飛行過程中解離破碎的離子與穩定離子幾乎同時到達離子探測器，從而消減了Hillenkamp等在反射式分析器中觀察到的離子色散，提高了質量分辨能力。Beavis和Chait還對MALDI的基質進行了廣泛的研究，實現了MALDI的進一步的改進。其開發的肉桂酸衍生物基質表明在260 nm和360 nm紫外波段間的任何波長都可以用來雷射解吸蛋白質，使得波長為337 nm的更小型和相對便宜的氮氣雷射器同樣可以應用在MALDI儀器上，取代了笨重昂貴的Nd:YAG雷射器，受到20世紀90年代初商用儀器開發研究人員的青睞，直到至今還被廣泛採用在商業化產品中。

首批商業化MALDI-TOF產品出現於上個世紀90年代初，由Dr. Marvin Vestal創建的Vestec公司（被PerSeptive Biosystems收購後又併入Applied Biosystems Inc公司）及本人當時所在的Finnigan公司在1990年分別開發生產出MALDI-TOF產品。Finnigan開發的LaserMAT飛行時間質譜儀是首款採用氮氣雷射器的線性MALDI-TOF產品，飛行管長度只有0.5米。而Vestec生產的飛行時間質譜儀採用了更長的飛行管，因此性能會好一些。下圖是作者在1991年LaserMAT產品展臺前的留影。

1991年本文作者周曉光在LaserMAT產品展臺前留影

相比於幾乎同時出現的電噴霧電離質譜市場的快速發展及應用推廣，初期MALDI-TOF產品商業化的進程遇到了一些麻煩。這主要是由於TOF儀器性能偏低，特別是TOF的質量分辨能力不足，質量測量精度不高，如上述Finnigan LaserMAT的質量解析度只有一兩百，不能滿足MALDI電離用於生物大分子的檢測需求。但從另外一個角度看，MALDI電離技術的巨大潛力為飛行時間質量分析器提出了更高的要求，大大刺激了為這種電離技術特別定製改進的TOF儀器的發展。

TOF技術的發展

飛行時間（TOF）質譜在上世紀40年代中期首先由University of Pennsylvania的W. E. Stephens提出。當時在美國Bendix Aviation Corporation Research Laboratories工作的Wiley和McClaren於50年代中期完成了第一個實用型飛行時間（TOF）質譜儀的設計，並系統的描述了提高質量分辨能力的方式，首先提出了脈衝加速的時間聚焦概念，並描述了實現聚焦的一般條件。這些條件同樣適用於MALDI以及其他電離技術，為之後的MALDI飛行時間質譜的發展打下了理論基礎。但在之後的很長時間內，這項技術被普遍認為是離子特性基礎研究的一種奢侈品，並沒有被廣泛應用於分析化學及解決實用問題之中。直到上世紀70年起，由於等離子體解吸電離（PD）、二次離子質譜（SIMS），特別是基質輔助雷射解吸電離（MALDI）等脈衝離子源的出現，這項技術才重新引起大家關注。

早期高分辨MALDI-TOF MS的幾項關鍵技術

理想的離子源是應該產生一個狹窄而幾乎平行的離子束，不同質量大小的離子通過電場加速到達檢測器的飛行時間與離子的初始位置和速度無關。而在MALDI解吸電離過程中，被檢分子是被包埋在沉積在作為離子加速器電極的樣品靶板表面上的基質晶體之中的。當雷射脈衝對樣本晶體照射時，產生包括帶電離子在內的解吸物質羽流。普遍認為離子以百米至千米/秒的初始速度分布飛出。如果相同大小的兩個離子以不同的初速度在飛行管中加速，則它們將在不同的時間到達離子探測器，導致峰展寬。正是由於離子間初速度的不同，造成了線性MALDI-TOF解析度降低。因此提高線性MALDI飛行時間解析度的關鍵之一就是在對離子初始速度分布進行再聚焦，以補償離子初始速度的差異。Wiley和McClaren在1953年發表的文章中就已經有了具體的描述，但之後被大多科研人員遺忘了。

MALDI離子源出現後，1994年美國Utah State University的Lennon和Brown報導了在電離雷射脈衝之後採用精確延遲的提取脈衝可以顯著提高MALDI-TOF的分辨能力。Marvin Vestal馬上意識到並將已經報導過的MALDI離子初速度分布與線性式和反射式飛行時間分析儀的聚焦關聯連接起來，花了近一年的時間系統性地建立了TOF分析儀中各組件的理論模型，用以針對MALDI離子源的TOF分析器性能優化。其中最重要的工作之一就是重新發現和整合了延遲離子提取（Delayed Extraction），並將其引入到了MALDI-TOF儀器的設計中。這一技術是通過延遲離子提取電場的施加來改變不同初始速度的離子被加速的持續時間，最終使所有離子都同時到達探測器。這一改進將線性飛行時間的質量分辨能力提高了10倍以上。

 

延遲離子提取與連續離子提取質譜圖對比

另外一種補償MALDI離子生成初始動能差異的改進是通過在線性飛行時間管終端加入離子反射器。反射器（Reflectron）飛行時間的概念最早是由蘇聯科學家Mamyrin於1973年提出，它是由一系列均勻間隔的電極組成，在電極上施加離子飛行方向的反向電場。飛行管中相同m / z離子由於動能和速度的差異將導致進入反射器深度不同。具有較大動能的離子先到達並進入反射器，深入到反射場中飛行路徑比具有較少動能的離子更長，因此與持後離子同時到達檢測器。建立在Marvin的理論研究基礎上，Applied Biosystems公司設計開發產生了Voyager系列產品，首次為蛋白質大分子分析提供了質量分辨能力超過10,000、質量精度高達10 ppm的高分辨MALDI-TOF質譜儀。從90年代中期開始，在市場上使用的商業化MALDI-TOF儀器中有一半以上是基於Marvin的理論設計的。

早期的MALDI-TOF儀器雖然有許多優點，但有一個主要限制：它們只能得到分析物的分子量，但無法測定結構。 因此，這些儀器不能用來確定對蛋白質化學家來說至關重要的蛋白質序列或翻譯後修飾。為了通過MALDI-TOF獲取蛋白、多肽結構信息，20世紀90年代早期德國科學家Kaufmann和Spengler利用亞穩態衰變離子在無電場區域飛行過程中碎裂後再被反射器分離，從而獲得碎片離子質量信息，即所謂的後源衰變（Post Source Decay）技術，進行了多肽測序的工作。這一手段在某種意義上彌補了MALDI-TOF無法獲取多肽結構信息的不足，但畢竟PSD碎片離子與通常的MS/MS碎片離子所包含的分子結構精度還是有很大差距。為了彌補這一缺陷，Marvin Vestal通過完善理論，將其擴展到串聯TOF質譜，成功構建了MALDI-TOF-TOF儀器的設計理論，開發出Applied Biosystems公司的4700蛋白質組分析儀及後來升級版的AB 4800 TOF-TOF 質譜儀。這些儀器至今還在大多數蛋白質組學中心使用。 MALDI-TOF MS和MS-MS系統對包括蛋白質組學，糖組學，細胞信號，結構生物學，細胞器成像和聚合物科學等許多重要研究領域產生了巨大的影響。Marvin也因為在MALDI-TOF，TOF-TOF方面的貢獻於2010年獲得世界質譜界頒發的美國質譜學會傑出貢獻獎。

在MALDI-TOF技術出現的早期，它主要是被應用在蛋白質的鑑定中。質譜蛋白鑑定的一種方法是通過將提取的蛋白質組經過內切酶的作用分割成多肽，然後比對MALDI-TOF MS質譜圖中的多肽峰與從蛋白資料庫所生成的多肽質量匹配程度，達到蛋白鑑定的目的。這種方法通常被譽為肽質量指紋譜分析（Peptide Mass Fingerprinting，PMF）。另外一種鑑定蛋白的方法是通過MALDI TOF-TOF將蛋白內切後的產生的多肽在串聯質譜內轟撞成離子碎片，然後通過蛋白多肽串聯質譜資料庫搜索匹配多肽信息來確定蛋白。

相比蛋白和多肽，核酸的MALDI-TOF分析比較遲後，直到Becker研究小組1993報導了3-羥基吡啶甲酸（3-HPA）可作為良好的基質才有所突破。其中一個爆發點是應用於基因位點的單核苷酸多態性鑑定。1997年Applied Biosystems的Haff 和Smirnov首先建立了利用單鹼基延伸（Single-base Primer Extension）化學與MALDI-TOF相結合的單核苷酸多態性（SNP）鑑定的質譜方法。這一SNP檢測的主要優勢在於可以在一個樣品反應體系中同時檢測多達幾十個SNP位點（如圖所示乳腺癌1號基因的檢測）。 

 

乳腺癌1號基因的SNP檢測質譜圖

2000年Applied Biosystems就已完成了基於這一方法的商業化產品開發工作。但由於商務上的考量，並沒有將這一產品推向市場。而真正出現在市場上基於單鹼基延伸質譜分析的商業化產品是幾年後由Sequenom（現為Agena）公司推出的 MassARRAY產品。隨著多位點SNP基因分型在臨床及精準醫療應用中推廣，以單鹼基延伸化學與MALDI-TOF檢測相結合的檢測手段越來越被重視。

質譜成像技術

在MALDI-TOF技術出現後，美國Vanderbilt University的Richard Caprioli意識到這一分子檢測技術具有二維掃描的特性，自90年代中期開始了利用雷射掃描結合質譜分析的分子成像技術，探索開發一種新的方法來確定生物大分子在組織切片中的分布，特別是對傳統的免疫化學無法進行分析的樣本。他們使用的方法是用基質液滴噴灑冷凍組織切片，並用配備有精細雷射焦點的MALDI-TOF儀器對組織樣品進行掃描。這項技術，不光可以獲取樣品中的分子信息，同時可以在無化學標記的狀態下獲得生物分子在複雜表面的空間分布。這一結合為生物組織學研究人員提供了可以用於組織表面的直接生物分子表徵的化學「顯微鏡」。

小鼠腎臟質譜影像

Richard Caprioli也因在成像質譜（Imaging Mass Spectrometry）上的開拓性工作，於2014年獲得美國質譜學會頒發的傑出貢獻獎。

MALDI自30年前出現至今已經成為分析各種非揮發性分子，包括蛋白質，肽，寡核苷酸，脂質，聚糖和其他具有生物分子的成熟技術。但在常規臨床檢測應用領域中的突破也只是出現在近年的臨床病原體鑑定上。2001年美國University of Maryland的Ryzhov和Fenselau通過質譜分析微生物細胞內豐富的核糖體蛋白質分子指紋，提出了利用MALDI-TOF鑑定病原微生物的可能性。這種質譜分子指紋技術後被驗證比基於微生物實驗室通常使用的各種表型和生物化學測試方法更精確，速度更快。而且也為微需氧菌、厭氧菌、真菌、結核分枝桿菌及病毒等難鑑定、難培養病原體的鑑定彌補了生化鑑定方法的不足，被臨床實驗室逐漸所採納。國外兩家公司布魯克、生物梅裡埃推出的以線性MALDI-TOF儀器為基礎的臨床病原微生物鑑定系統已相繼被美國食品和藥物管理局（FDA）及國內藥監部門批准用於病原體鑑定的臨床應用。

MALDI的局限與改進

基於Vestal在90年代中期建立的MALDI-TOF儀器設計理論上開發的商業化產品出現後至今，該技術從根本上基本沒有改變。但要進一步將此分析方法推向更寬廣的臨床檢測領域，我們還面對著不少挑戰，還需克服限制此質譜儀器被廣泛接受的許多因素，例如儀器的製造成本和操作複雜性高，較差的可靠性，以及速度，全譜靈敏度解析度和質譜光譜重現性不佳等。特別是這些因素造成人們普遍認為MALDI-TOF不是定量的分析手段，在臨床分析應用中的進一步推廣也因此受到影響。

要從應用角度解決質譜定量分析需要從幾個方面著手：樣品前處理，點樣方式和儀器本身的定量分析誤差。雖然在本世紀初Applied Biosystems相繼開發了化學試劑iCAT（Isotope-coded affinity tag）和iTRAQ（Isobaric tags for relative and absolute quantitation）同位素代碼標記定量技術，在一定程度上緩解了定量分析的瓶頸，但儀器本身的局限一直沒有得到解決。我們必需從根本上尋找答案，也就是從離子生成、離子提取傳輸和離子檢測幾個層次入手。

首先，樣本與基質分子形式的結晶層在MALDI靶板上的分布是不均的，因此優質的質譜圖是需要通過尋找結晶層中「甜點」而獲得。而通常此類儀器採用的氮氣雷射器的發射頻率被限制在50Hz左右，所以通常在單位時間內僅有一小部分（通常<1％）樣品分子被雷射照射電離和分析，使每個疊加後的質譜圖中離子強度重現性非常不穩定，誤差會高達30%以上。而新一代的MALDI-TOF（如融智生物的QuanTOF）採用了5000Hz以上的半導體雷射器，結合快速二維移動平臺控制及高速離子探測與數據採集，可以在相同時間內完成幾萬到幾十萬次的雷射照射，電離分析靶點上的大部分樣品，減少了樣品數量變化和分布不均造成的影響。

另外影響質量分析重現性的因素包括在MALDI離子源內的離子提取及加速電場的施加方式。上一代MALDI-TOF設計中，這些電壓是加在靶板上的，造成在整個靶板上電場分布不均，從而使點在靶板不同位置上的離子感應到不同的電場，使得離子飛行時間的波動。而在新一代的儀器設計中（如QuanTOF）採用了靶板接地的專利技術，消除了靶板邊緣電場的波動，進一步提高了質譜光譜的重現性。這一改進使質量檢測的均一性會更好，特別對需要在空間維度上進行掃描的質譜成像應用有更大的意義。

新一代MALDI-TOF的另一改進是在全質量範圍的檢測性能。Wiley和McClaren在50年代就對飛行時間（TOF）質譜設計中無法對不同大小離子在初始空間及速度上同時完成聚焦有了闡述，加上通常MALDI-TOF雷射照射入射角度的不對稱性，使得傳統MALDI-TOF儀器設計中有造成質量偏倚性的許多因素，在不同質量區間的解析度、靈敏度有較大的區別。QuanTOF通過雷射照射光學系統，離子光學系統，延遲離子提取，離子聚焦傳輸及混合離子檢測器的創新設計及全面改進，實現了質譜分析在全質量範圍內的解析度、靈敏度的同步性能提升，提高了質譜定量檢測分析的重現性。下圖展示了對極高分子量蛋白質檢測的能力。

新一代MALDI-TOF檢測極高分子量蛋白的質譜圖

新一代MALDI-TOF的定量分析性能提升可以從全血樣品中血紅蛋白糖化率測定上看出。下圖中所示為3個不同糖化率的血紅蛋白樣本（分別為6%，9%，14%），每個樣本被重複點在靶板上24個不同樣點所獲得的72張質譜光譜圖的疊加。糖化峰三組不同濃度離子強度的重現性高達98%以上。

新一代MALDI-TOF檢測3個不同糖化率的血紅蛋白樣本質譜圖

寬譜定量MALDI-TOF將打開全新應用的大門

創新技術的進一步發展正在推動MALDI-TOF邁向更光明的未來，它將成為一項標準化技術被應用於疾病的病理學，個體化臨床檢測領域。MALDI方法可用於分析任何含有目標分析物的體液，包括血液和血液製品，母乳，腦脊液，淋巴液，唾液，尿液，胃和消化液，眼淚，大便，精液，前列腺液，陰道液，羊水和來源於組織的間質液。特別是新一代MALDI-TOF定量性能的提升將可更快被用於常規臨床檢測使用，除了用於病原體鑑定的用途外，我們將會看到這一技術將會被推廣到：直接從血清，組織提取物和其他體液進行的癌症分型；組織成像；蛋白質修飾分析；小分子藥物（體內）分布；生物標誌物的鑑定和驗證；質譜免疫測定；多肽定量；診斷和治療相關生物標誌物的臨床測定等。

 

作者簡介：

     周曉光 博士中國科學院大學崗位教授、中國科學院北京基因組研究所外國專家及客座教授、中國康復技術轉化及發展促進會精準醫學與腫瘤康復專業委員會副主任委員、中國儀器儀表協會分析儀器分會質譜專業委員會副主任委員，融智生物科技（青島）有限公司董事長/首席技術官。

近30年在高尖端生命科學分析儀器公司及研究機構從事分子檢測儀器產品研發與研發管理工作經驗。利用本人交叉學科的雄厚背景，帶領研發團隊完成了涉及質譜學、生物光電子學、蛋白質組學、基因組學、生物信息學、生物標靶挖掘科研工作及相關分析設備及應用產品的商業化研發工作。

2014- 融智生物科技有限公司：董事長/首席技術官

創建了專業致力於以尖端生物檢測分析技術為核心的國家高新技術企業，從事儀器設備、試劑耗材、應用軟體為一體的生物分子檢測產品的研發、生產、銷售、服務，為個體化醫療、食品安全、疾病防控等各級生物分子檢測需求提供多種一體化檢測解決方案。公司已完成以微流控晶片實驗室技術和新一代寬譜可定量基質輔助雷射解吸電離飛行時間質譜為核心的生物分子檢測產品的開發及產業化。

2011-2016  中國科學院半導體研究所：研究組組長

2011年底加入中國科學院半導體研究所，任研究員、博導、光電片上系統研究組組長，併兼任中國科學院北京基因組研究所客座教授、技術研發中心顧問委員會主任、中科院基因組科學與信息重點實驗室學術委員會委員等職。從事應用於生命科學相關領域的關鍵技術、新型技術、儀器裝備、生化試劑、生物信息分析軟體，及其相應的整體解決方案的研究工作。合作承擔完成了多項科研裝備研製項目，包括「基於微流控迴路晶片」的數位化PCR設備的研發等，填補了國內空白，發表了多篇SCI論文、發明了多項發明專利。

2008-2010  中國科學院北京基因組研究所：外國專家及客座教授

2008年起受邀中國科學院參與領導了中科院北京基因組研究所與中科院半導體研究所共同承擔的中國科學院重大科研裝備研製項目「模塊化DNA分析系統」的工作。提出了模塊化設計的概念並加以實現，並負責控制軟體和數據分析軟體的設計與編寫，組織實施了系統的集成調試工作，提出並實現了CCD成像、微流系統交叉汙染解決方案、數據質量評估方案等。此項目於2011年3月通過中科院專家組評審驗收，完成了具有自主智慧財產權的長度長、高通量DNA測序技術及其系統樣機，在高端生命科學儀器裝備國產化方面取得了突破性驅者Prof. Don Hunt的合作，成功開發了一款以低能碰撞串聯質譜技術進行多肽測序的計算手段，並在美國蛋白質學會年會上利用此技術首次在世界上成功的完成了測試肽測序任務，受到同行們的高度讚揚。

參與了世界首款電噴霧電離-離子阱多級質譜儀（LCQ系列產品）的進展，填補了國內空白。

1995-2008  美國應用生物系統公司（Applied Biosystems, Inc）：資深經理、研發部總監

1995 年加入了美國Applied Biosystems,Inc.公司的當代高解析度時間飛行質譜技術開拓者Dr. Marvin Vestal的團隊，從事高分辨生物時間飛行質譜儀的研發工作。先後參與並領導了多項生物質譜分析技術的研究與產品開發工作。參與領導了在世界最大科學儀器博覽會PITTCON上榮獲年度產品獎的世界首款電噴霧電離-飛行時間質譜儀的研發並負責數據控制及分析系統的設計與實施。參與領導了一系列MALDI-TOF技術及產品的研發工作，如AB Voyager TOF、 AB Proteome Analyzer 4700、 AB Proteome TOF-TOF Analyzer 4800等，負責開發了建立在此類技術上多項應用平臺，如蛋白質組分析系統、組合化學分析系統、基因組單核苷酸多態性分析系統、生物標誌物挖掘分析系統等。

1988-1995  美國賽默飛世爾科技公司（Thermo Fisher Scientific）： 科學家、高級工程師、主管工程師、項目負責人

在美國獲得理學博士學位後，加入美國Thermo Fisher Scientific公司的產品研發部門，從事生物質譜分析設備與分析軟體的研究開發工作。參與了早期電噴霧質譜儀的研發，通過與此技術發明者Prof.John Fenn（2002年獲得諾貝爾化學獎）的團隊合作，發明了解析此類譜圖的新方法，獲得美國專利，成為公司一款全新的分析軟體產品。

參與了利用三重四極杆質譜儀（TSQ系列產品）進行蛋白質/多肽分析技術的開發工作，獨自創建了行業內第一款用來分析此類數據的生物信息分析軟體。通過與此類分析技術先研發工作，負責該項目的數據控制系統的設計及開發，獨自創建了高智能操作控制ITCL系統，為此設備的研發及日後一系列高級運作模式如：數據依賴採集技術、動態排除技術、智能化分析等提供了堅實的基礎與保障。合作發明了獨一無二的離子阱自動增益AGC控制方法並因此獲得美國專利。此項液相色譜-質譜聯用儀及之後的衍生產品已成為在多肽/蛋白質分析領域中的標杆產品，被廣泛應用。