纳米材料辅助负离子激光解吸电离-飞行时间质谱分析小分子研究进展

张晓娜, 牛家华, 卢明华*, 蔡宗苇

(1. 河南大学化学化工学院, 河南 开封 475004;2. 环境与生物分析国家重点实验室, 香港浸会大学化学系, 香港 999077)



微型述评

纳米材料辅助负离子激光解吸电离-飞行时间质谱分析小分子研究进展

张晓娜1, 牛家华1, 卢明华1*, 蔡宗苇2*

(1. 河南大学化学化工学院, 河南 开封 475004;2. 环境与生物分析国家重点实验室, 香港浸会大学化学系, 香港 999077)

基质辅助激光解吸电离-飞行时间质谱(MALDI-TOF MS)作为一种软电离质谱技术,目前已被广泛用于蛋白质、多肽、核酸、聚合物等大分子分析。由于传统有机化合物基质在低相对分子质量(小于700 Da)区域的干扰,该技术在小分子物质分析方面受到很大限制。为克服传统有机化合物基质在低相对分子质量区域的干扰,近年来以纳米材料为代表的无机基质材料备受关注。相对传统有机化合物基质或纳米材料正离子模式,基于纳米材料的负离子激光解吸电离(LDI)有效避免了正离子模式下一种化合物会产生多种加合物的问题,具有图谱简单易于解析、灵敏度高、重现性好等优点。该文综述了近5年来纳米材料负离子LDI-TOF MS技术在小分子分析方面的研究进展,以期拓展该技术在小分子分析方面的应用。

纳米材料;激光解吸电离;飞行时间质谱;小分子;综述

基质辅助激光解吸电离-飞行时间质谱(MALDI-TOF MS)作为一种软电离质谱技术,目前已被广泛用于蛋白质、多肽、核酸、聚合物等大分子分析。由于具有分析速度快、灵敏度高、样品需求量少、样品制备简单和对样品纯度要求不高等优点,该技术已成为现代分析特别是生物分析领域不可或缺的研究工具。传统MALDI-TOF MS中常用的基质是有机小分子化合物(例如2,5-二羟基苯甲酸(DHB)、芥子酸(SA)、α-氰基-4-羟基肉桂酸(CHCA)等),基质与被分析物形成共结晶,通过在分析过程中吸收激光能量再传递给被分析物的形式激发被分析物。由于在低相对分子质量(小于700 Da)区域来自传统基质的干扰以及被分析样品与基质共结晶过程中容易形成“热点”导致分析重现性差等原因,该技术在小分子物质分析领域受到很大限制。为了解决这一问题,寻找新的辅助基质材料已成为突破这一技术的关键,如Wei等[1]提出运用多孔硅作为被分析样品的载体以消除传统有机基质分子的干扰,拓宽了MALDI-TOF MS在小分子分析方面的应用。由于避免了传统有机化合物基质在低相对分子质量区域的干扰,又能有效吸收来自激光的能量辅助小分子电离,近年来以碳纳米材料为代表的无机基质在MALDI-TOF MS分析小分子方面越来越受关注[2-6]。相对于正离子模式下一种被分析物往往产生多种加合物(如氢、钠、钾等加合物),纳米材料辅助负离子激光解吸电离(LDI)通常只产生去质子化离子。因此,该方法不仅图谱简单、易于解析,还具有灵敏度高、重现性好等优点。

1 石墨烯基纳米材料

石墨烯作为一种新型的二维碳纳米材料,具有单原子层厚度、比表面积大、导电和导热性能好等优点,被认为是一种卓越的能量吸附、储存及转移材料。Dong等[7]首先报道了石墨烯纳米材料作为LDI-TOF MS分析小分子的辅助基质。我们课题组[8]随后报道了基于石墨烯的负离子LDI-TOF MS分析低相对分子质量化合物的方法,实现了对寡肽、氨基酸、脂肪酸、核苷及核苷酸等小分子物质的无干扰分析。相对于正离子模式下一种物质往往产生多种加合物,石墨烯辅助负离子LDI模式下通常一种化合物只产生一种离子。以分析寡肽为例,当用传统基质CHCA作为基质时,在低相对分子质量区域干扰非常严重,很难发现目标分子(见图1a)。以石墨烯作为基质在正离子模式下分析时,虽然消除了来自基质的干扰,但由于一种物质可以形成多种加合物,图谱变得非常复杂,如Glu-Val-Phe(Mr393.43)在正离子模式下分别观察到了其一钠加合物[M+Na]+(m/z416.39)、一钾加合物[M+K]+(m/z432.35)、二钠加合物[M+2Na-H]+(m/z438.43)、钠钾加合物[M+Na+K-H]+(m/z454.40)、二钾加合物[M+2K-H]+(m/z470.41)、三钠加合物[M+3Na-2H]+(m/z460.45)以及二钠一钾加合物[M+2Na+K-2H]+(m/z476.43)等(见图1b)。而在我们建立的石墨烯辅助负离子LDI模式下,该化合物只有[M-H]-(m/z392.54)一个去质子离子峰(见图1c)。该方法除了图谱简单、易于解析,还具有灵敏度高、重现性好等优点。

图 1 不同基质辅助激光解吸电离-飞行时间质谱分析5种肽的质谱图[8]Fig. 1 MALDI-TOF MS spectra of a solution containing five peptides by using different matrices[8] a. α-cyano-4-hydroxycinnamic acid (CHCA) as matrix in positive ion mode; b. positive ion laser desorption/ionization (LDI) on graphene flakes; c. negative ion LDI on graphene flakes.

最近我们课题组[9]开发了一种基于磁性石墨烯纳米材料的负离子LDI-TOF MS快速检测PM2.5样本中硝基多环芳烃的方法。该方法中磁性石墨烯纳米材料首先作为吸附剂用于从环境样品中富集目标分析物,然后又直接作为基质材料辅助LDI目标分析物,避免了常规固相萃取的洗脱步骤,实现了PM2.5样本中3种硝基多环芳烃(1-硝基芘、9-硝基蒽和2-硝基芴)的快速灵敏检测,方法的检出限低至pg/μL(S/N=3)数量级。在此基础上,我们[10]进一步研究了基于石墨烯纳米材料的负离子LDI-TOF MS定量分析PM2.5样本中硝基多环芳烃的方法,方法的平均回收率在69.2%～119.4%之间,日内和日间精密度(RSD)分别低于12.3%和20.7%,被分析物1-硝基芘、2-硝基芴、6-硝基联苯和9-硝基蒽的检出限分别为0.74、8.04、2.67和2.31 ng/μL。该方法成功应用于太原雾霾环境PM2.5样本中硝基多环芳烃的检测,1-硝基芘、2-硝基芴、6-硝基联苯和9-硝基蒽的质量浓度分别为0.38～3.04、0.21～0.43、0.19～2.38和9.55～16.52 ng/m3。该技术为环境样品中硝基多环芳烃污染物的检测提供了一种方法支持,具有简单、快速、环境友好等优点。

南京大学朱俊杰教授课题组[11]合成制备了一种氮掺杂石墨烯(N-doped graphene)纳米材料,并对其负离子LDI小分子化合物的性能进行了研究,发现该材料能够在负离子模式下很好地辅助解吸电离氨基酸、脂肪酸、多肽、蛋白质同化雄性类固醇及抗癌药物等小分子物质。复旦大学张祥民教授课题组将石墨烯及氧化石墨烯作为基质辅助LDI传统中草药中的小分子化合物[12]和生物样本中的长链脂肪酸[13]。Liu等[14]研究了基于石墨烯纳米材料LDI-TOF MS分析黄酮类化合物的方法,分别对比了石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯等材料的离子化性能,结果表明氧化石墨烯的离子化效率最高。

2 其他碳纳米材料

石墨相氮化碳(g-C3N4)因其具有独特的电子结构、优异的化学稳定性和光学特性,近年来在催化和分析化学等领域得到广泛的关注。我们课题组[15]通过液相剥离法制得g-C3N4纳米片并将其用作LDI基质。研究表明,g-C3N4可以同时在正、负离子两种质谱电离模式下工作,g-C3N4优良的水相分散性和电子特性使其与传统有机化合物基质、石墨烯基质相比具有更高的灵敏度。利用该基质实现了氨基酸、寡肽、环境污染物(双酚类、硝基多环芳烃)等小分子的LDI-MS分析。通过外标定量,实现了环境污染水中硝基多环芳烃的定量分析,检出限达1 pmol。

我们课题组[16]利用功能化单壁碳纳米角(SWNHs)替代传统有机基质,发展了基于功能化SWNHs的表面辅助激光解吸离子化-飞行时间质谱分析生物小分子的方法。结合SWNHs的可修饰性、适配体的高选择特异性以及负离子模式谱图更加干净等优点,通过ATP适配体对SWNHs功能化,构建了可以同时实现捕获、富集和LDI-TOF MS分析ATP的亲和萃取碳纳米角功能化平台。最近我们课题组[17]合成制备了氮掺杂的碳量子点(N-doped carbon dots),开发了基于该材料的负离子LDI羟基多环芳烃(OH-PAHs)类化合物的方法,实现了环境样品PM2.5样本中多种OH-PAHs的检测,连续3天所收集的PM2.5样本中羟基芘、二羟基葸醌和二羟基苯并[a]芘的质量浓度分别为0.125～0.136、0.039～0.052和0.053～0.072 ng/m3。中国科学院北京化学所聂宗秀研究员课题组[18]研究了碳量子点辅助LDI-TOF MS分析低相对分子质量化合物的方法,并用于实际样品中葡萄糖和尿酸的定量分析。Gedda等[19]报道了基于碳量子点的LDI-TOF MS用于血清样品中消炎药的分析方法。

中国科学院生态环境研究中心江桂斌院士课题组[20]报道了一种基于有序介孔碳材料(ordered mesoporous carbon)和石墨烯的高通量快速扫描复杂样品中低相对分子质量有毒化合物的新方法(流程图见图2),该方案中有序介孔碳材料CMK-8用于排除复杂样品(如人血清、尿样、环境水样)中的生物大分子干扰物和富集小分子有毒物质,石墨烯则用于辅助LDI被分析物,方法的检出限达到ppt (10-12)数量级,相对传统方法具有灵敏度高、重现性好、样品前处理简单等优点。最近,该课题组[21]将有序介孔碳材料CMK-8同时应用于有毒物质的提取和LDI的辅助基质,实现了单滴全血样品中6种全氟化合物的检测。

图 2 扫描低质量有毒化合物的步骤示意图[20]Fig. 2 Scheme showing the procedures for the screening of low-mass toxic compounds[20]

3 其他纳米材料

我们课题组[22]制备了磁性沸石型咪唑骨架结构(Fe3O4@ZIF-8)微球,并研究了其作为富集材料和辅助基质在负离子LDI-TOF MS分析小分子物质中的应用。Fe3O4@ZIF-8纳米材料因具有独特的孔特性和磁效应,是一种非常理想的样品前处理材料,该材料紫外吸收强因而具有良好的电离效率;与传统基质相比,该基质在低相对分子质量(<500 Da)范围内无背景干扰,可用于高灵敏地分析氨基酸、多肽、脂肪酸、激素、双酚A等小分子。我们利用该基质实现了对人血清和尿样中褪黑素的定量分析,此外基于Fe3O4@ZIF-8对组氨酸的亲和作用建立了集富集和电离于一体的LDI-MS分析组氨酸的方法,检出限达0.05 pmol。我们[23]进一步研究了系列沸石型咪唑骨架纳米材料(ZIF-7、ZIF-8、ZIF-90)作为吸附剂和辅助基质材料用于富集和分析多种双酚化合物(双酚A、双酚B、双酚S、双酚F和双酚AF)的可行性,实验表明ZIF-7和ZIF-8是理想的辅助基质材料,通过所建立的LDI-MS方法还实现了一些其他重要环境污染物的检测,如1-硝基芘、3-硝基荧蒽、7-硝基苯[a]蒽、2,6-二氯苯酚、3,5-二溴苯酚和十七氟辛烷磺酸四乙基铵盐等。我们课题组[24]还开发了基于CuFe2O4磁性纳米晶的负离子LDI-TOF MS分析小分子的方法,通过一锅法制备了一系列MFe2O4(M=Co、Ni、Cu、Zn)磁性纳米晶簇,并对其LDI小分子性能进行了研究,实验结果表明该材料可实现氨基酸、碱基、脂肪酸以及短链多肽的高灵敏(检出限达pmol级)、无干扰检测;此外系统探讨和比较了由不同过渡金属组成的MFe2O4基质对质谱信号强弱的影响,结果表明掺杂过渡金属有助于组分的解吸/离子化过程,且组分质谱信号的强弱与基质的紫外吸收光和激光光源波长匹配程度有关。

杨梦瑞等[28]研究了过渡金属氧化物ZnO作为无机基质应用于LDI-TOF MS分析糖、硬脂酸小分子的可行性,并以L-精氨酸为目标分析物,探讨了CuO和NiO两种纳米颗粒直接作为无机基质对L-精氨酸离子化的性能。结果表明,ZnO纳米颗粒作为一种半导体材料具有较强的紫外吸收,可直接作为无机基质,能够避免传统基质带来的干扰,简化质谱图,尤其在负离子模式下能够提高硬脂酸离子化的峰强度。此外,通过比较CuO和NiO纳米颗粒对于L-精氨酸分析检测结果的差异性,初步实现了Cu+对L-精氨酸的选择性检出。随后该课题组[29]又研究了CdTe量子点作为新型无机基质应用于LDI-TOF MS分析全氟辛烷磺酸、全氟癸烷磺酸、全氟己烷磺酸和全氟庚烷磺酸等4种全氟化合物的效果,并与传统有机基质CHCA、1,8-双二甲氨基萘进行了比较。结果表明,CdTe量子点颗粒具有较强紫外吸收,可直接作为无机基质用于以上4种全氟化合物的LDI-TOF MS分析。

4 展望

尽管纳米材料辅助负离子LDI-TOF MS在小分子化合物分析方面已取得了较大进展,但定量分析仍然有一定困难。纳米材料负离子LDI-TOF MS在一定程度上提高了方法的重现性,但仍然不能满足现代分析的要求。因此,开发新的基质材料消除低相对分子质量区域的干扰,提高方法的重现性和稳定性,获得理想的检测灵敏度将是该技术未来的主要发展方向。

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National Natural Science Foundation of China (Nos. 21275020, 21305029, 21477033); Program for Excellent Youth Scholars in Higher Education of Henan Province (No. 2014GGJS-024); Program for Science & Technology Innovation Talents in Universities of Henan Province (No. 17HASTIT003).

Recent advances of nanomaterials assisted negative ion laser desorption/ionization-time-of-flight mass spectrometry in the analysis of small molecules

ZHANG Xiaona1, NIU Jiahua1, LU Minghua1*, CAI Zongwei2*

(1. College of Chemistry and Chemical Engineering, Henan University, Kaifeng 475004, China;2. State Key Laboratory of Environmental and Biological Analysis, Department of Chemistry,Hong Kong Baptist University, Hong Kong 999077, China)

Matrix-assisted laser desorption/ionization-time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS) is a soft ionization technique that has been widely used in the analysis of macromolecules, such as proteins, peptides, nucleic acids and polymers. However, it has difficulty in the analysis of small molecules with relative molecular masses below 700 Da because of the interferences from the matrix. To overcome these drawbacks, interference-free nanomaterials assisted laser desorption/ionization (LDI) has been paid more and more attention. Compared with the multiple peaks of one compound obtained in the positive ion mode, nanomaterials assisted negative ion LDI provides only deprotonated ion peak. In this article, recent advances of nanomaterials assisted negative ion LDI in the analysis of small molecules are reviewed.

nanomaterials; laser desorption/ionization (LDI); time-of-flight mass spectrometry (TOF MS); small molecules; review

10.3724/SP.J.1123.2016.09014

2016-09-05

国家自然科学基金(21275020, 21305029, 21477033);河南省高等学校青年骨干教师资助计划项目(2014GGJS-024);河南省高校科技创新人才支持计划(17HASTIT003).

O658

A

1000-8713(2016)11-1017-05

* 通讯联系人.E-mail:mhlu@henu.edu.cn(卢明华);E-mail:zwcai@hkbu.edu.hk(蔡宗苇).