功能材料用于直接电离质谱快速分析复杂生物样品的研究

发布时间：2020-06-03 00:32

【摘要】：质谱技术具有超高的灵敏度、超快的响应速度和高特异性等优点,已广泛应用于众多研究领域。由于质谱是利用电场和磁场对带电的气相离子进行加速、偏转、分离和检测,因此将样品制备成带电的离子是质谱分析的前提,即样品的离子化。经典的离子化技术由于自身的限制,在实际工作中为了分析复杂基质样品中的某一组分,需要对样品进行一系列的纯化处理,得到去除基质的样品才能实现样品中目标组分的离子化,因此复杂基质样品的高通量分析是质谱研究的一个重要课题。为了实现复杂基质样品的高通量分析而开发的常压质谱技术是质谱学研究的前沿领域之一,它可以在无需样品预处理的前提下,实现复杂基质样品的直接质谱分析,极大地提高了复杂基质样品分析的通量。通过十余年的快速发展,常压质谱技术已取得了令人瞩目的进展,在诸多领域展开了广阔的应用研究。其中,常压质谱技术的核心是常压直接离子化技术,近十年来已经开发出一系列功能多样的常压离子化方法。但是,在实际工作中,常压离子化技术对复杂基质样品直接离子化过程中,特别是分析复杂样品中的痕量目标组分时,因为复杂基质的存在,对常压质谱技术的灵敏度、重复性和定量分析能力会造成比较大的影响。因此,在最小程度影响常压质谱技术分析通量的前提下,仍需要进一步的提高常压质谱技术的分析能力。随着各种功能材料的快速发展,近年来,提出了将新型功能材料与常压直接离子化技术相结合的策略,来进一步提高直接质谱技术的分析能力。一方面,利用功能材料可对复杂基质样品中的痕量目标组分进行快速地吸附富集的优点;另一方,面需要设计合适的离子化源装置,以快速地电离目标分析物,从而实现复杂基质样品中痕量组分组的快速质谱检测。通过功能材料对复杂基质样品中的痕量组分的快速捕获结合常压直接离子化技术的快速离子化,将有助于提高常压质谱技术的检测灵敏度和定量分析能力。本博士研究课题就是旨在开发功能材料与常压质谱技术相结合的方法以实现对复杂基质样品的快速质谱分析。原理上,利用功能材料的选择性吸附功能,针对目标待测组分,使用特异性的功能材料,快速捕获复杂基质中的目标待测组分,迅速地去除基质组分;技术上,设计了简单易用的直接离子化源装置,以完成目标待测物的快速离子化;应用上,本课题研究方法可应用于复杂基质样品中的痕量成分的快速检测,初步探讨了该方法在食品安全及临床研究中的应用。本论文的主要研究工作为:1)磁性分子印迹聚合物用于内部萃取电喷雾电离质谱法快速测定牛奶中的氟喹诺酮类抗生素。建立了一种基于磁性分子印迹聚合物材料(MMIPs)的固相微萃取-内部萃取电喷雾电离质谱技术(MMIP-SPE-iEESI-MS)对末处理的牛奶样品中痕量氟喹诺酮类抗生素(FQs)进行快速地定性和定量分析。实验以牛奶为代表性复杂基质样品,利用简单合成的MMIPs材料对末经任何样品预处理的牛奶中的FQs进行快速地捕获,然后直接以100μL电喷雾溶剂对MMIPs材料上的FQs进行洗脱,在电场的作用下产生电喷雾,去溶剂化后得到质子化的FQs离子,进而获得质谱检测。在优化的实验条件下,对牛奶中三种FQs(即诺氟沙星、依诺沙星、氟罗沙星)进行了定量分析,均获得了满意的分析结果。该方法具有检测极限低(LOD≤0.03μg L~(-1)),速度分析快(单个样本的分析时间≤4 min)的优点。并以国标中的LC-MS方法对MMIP-SPE-iEESI-MS的分析性能进行了验证,测试结果的相对误差在-5.8%到+6.9%之间。2)TiO_2纳米线阵列用于内部萃取电喷雾电离质谱快速检测生物样品中的磷脂及磷酸多肽。通过水热法制备的TiO_2纳米线阵列与内部萃取电喷雾电离质谱技术联用(TiO_2-iEEES-MS),实现了人类全血、血浆和尿样品中磷脂,以及蛋白的酶解液中磷酸肽的选择性地富集和直接质谱分析。该方法对复杂基质样品中的磷脂和磷酸肽具有良好的定性和定量分析能力。此外,利用该方法,对46名卵巢癌患者和46名健康志愿者的血浆和全血样品进行了分析,结合统计学方法正交偏最小二乘判别分析(OPLS-DA),建立了癌症样本和正常样本的识别模型。该方法具有灵敏度和特异性高、样品耗量少、分析速度快(单个样品的分析少于3min)的优点,为各种生物样品中的痕量磷脂和磷酸多肽的研究提供一种新的方法。3)基于磁性TiO_2纳米复合材料的分散式固相微萃取与nanoESI-MS联用快速测定生物样品中的磷脂。建立了基于磁性TiO_2纳米复合材料的分散式固相微萃取(d-SPME)与nanoESI-MS联用的d-SPME-nanoESI-MS技术,实现了小体积生物样品(≤1μL)中的磷脂组分快速检测。该方法利用磁性纳米复合材料(Fe_3O_4@TiO_2)选择性地捕获生物样品(包括人类血浆、细胞)中的磷脂组分,并利用外界磁铁直接在毛细管内部快速地分离出Fe_3O_4@TiO_2材料并转移到少量体积(≤1μL)的洗脱液中,将Fe_3O_4@TiO_2材料上的磷脂洗脱到洗脱液中,进而直接将磷脂洗脱液推入到nanoESI喷针,实现nanoESI-MS检测。在优化的实验条件下,将d-SPME-nanoESI-MS技术初步用于快速检测癌症患者血浆中磷脂组分,实验分别对卵巢癌患者、胰腺癌患者、健康人的血浆样品中的磷脂组分进行了质谱研究。结合OPLS-DA统计学方法,分别建立了卵巢癌和胰腺癌与健康样本的识别模型,并找到对区分正常样本和癌症样本贡献大的磷脂分子。此外,在分析血浆样品的基础上,进一步将该技术用于对单细胞的质谱研究。
【图文】：

1.1 美国 Thermo Fisher Scientific 公司的 Orbitrap Fusion 质谱仪基本结构1.2 经典的离子化方法将样品制备成带电的粒子是质谱分析的前提，因此样品的离子质谱分析的关键步骤。样品的离子化方法众多，不同性质的样品选择不同的离子化方法，选择合适的离子化方式可以说是质谱分重点。在无机质谱或元素质谱中，，为了确定物质的同位素丰度、组成等信息，主要使用的离子化源有电感耦合等离子体（Inducti

1.2 正离子模式下 ESI 离子源主要过程（大气压区）。在高电压细管中的液体前端的液体形成泰勒锥，并发出液滴射流，射流分充满了正离子的小液滴。随着液滴的去溶剂化作用，表面电荷密断增加，直至达到 Rayleigh limit，液滴会发生库仑分裂变生成子电子液滴，新的子代液滴经历去溶剂化，进一步发生库仑裂变2）大气压化学电离（APCI）大气压化学电离（APCI）在结构上类似 ESI，但是，APCI 不喷雾流动液体上施加电压，而是将高电压施加于电晕放电的针
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB34;O657.63

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本文编号：2694008