ACS Nano‖羟基修饰的石墨量子点基质辅助激光解析电离质谱用于生物小分子分析和成像

2023-05-10 14:56:27

本文是2017年发表在ACS Nano上的一篇文章,文章的题目是Hydroxyl-Group-Dominated Graphite Dots Reshape Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry for Small Biomolecular Analysis and ImagingDOI:10.1021/acsnano.7b05328)本文的作者刘坚,苏州大学教授,主要研究领域为微流控生物芯片、纳米探针和疾病早期检测诊断。

基质辅助激光解析电离质谱(MALDI MS)是一种软电离技术,它在生物大分子和聚合物的快速分析中有很大的应用。然而,在将MALDI MS应用于小分子分析时仅有有限的进展。所以提出了一些改进的方法,比如:合成不同类型的有机分子作为替代基质候选物,以抑制其背景噪声(通过设计更高的分子量基质,引入氟化合物,或系统地筛选有机基质衍生物);使用两种基质或一个与添加剂相混合的基质,以减少噪声;优化分析物与基体的摩尔比和激光强度,以提高基质抑制效果;采用MALDI FT-ICR等高分辨质谱技术,即使在M/Z 0.1的差异下,也能区分目标信号与化学噪声。然而,本质上这些方法在性能变化的情况下仍然不是一个广泛的解决方案。常规有机基质的关键问题得到改善,但还是没有解决。事实上,许多广泛使用的有机基质在低于M/Z 700的质量区域就会产生不稳定的背景噪声,干扰小分子分析物的MS信号。另一方面,表面辅助激光解析离子化(SALDI)技术或在硅(DIOS)上的解析/离子化已经发展成具有小分子分析的能力。最大限度地减少分析物的电离,同时通过最小化基质的自分解来维持低背景噪声代表了MALDI基质发展中的一个悖论,这仍然是一个巨大的挑战。

石墨量子点(GDS)是一类尺寸小于10纳米的碳纳米材料,具有结晶度高、水溶性好、化学惰性强、易官能化、生物相容性好等特点。在以往的研究中,作者报道了GD衍生物的强紫外吸收和优良的光化学性质。在本文中,作者证明羟基基团修饰的GDS是一种理想的MALDI基质,用于生物样品中的小分子(及其代谢物)的全面分析、原位成像和实时监测。它们允许高耐盐性,在质量范围内(m/z700)具有极低的背景噪声的小分子的快速检测,超高灵敏度,包括在正离子和负离子模式中。作者从中药提取物和血液样品的混合物中一步快速鉴定目标小分子,而无需进行预分离。GDS基质使小分子(葛根素及其代谢物)在器官组织水平上直接成像。通过揭示正离子模式下的负离子模式或金属离子(Na+/K+)富集和转移的无羰基基团的能量有利解离,进一步解释了羟基修饰的GDS基质的高性能。用于辅助分析物离子化的常规有机基质(CHCADHB等)在低于M/Z 700的质量区域遭受强背景噪声,这阻碍了MALDI MS用于小分子检测。在本文中,作者创造的羟基修饰的石墨量子点(GD)基质克服传统基质的限制,并允许MALDI MS用于快速和高通量分析生物小分子。

总之,作者开发了羟基GDS作为一种理想的MALDI基质,用于生物样品的小分子分析和原位成像。它们突破了传统有机基质在检测分子(M/Z700)时所面临的障碍,表现出极低的背景噪声和超高灵敏度。作者的实验结果和理论计算表明,GDS的性质和表面上的化学基团的种类(例如羟基)对于MALDI MS应用的高性能是至关重要的。另外,蛋白质或聚合物大分子也可以通过GD-4基质离子化,在质谱中,作者观察到在一些典型的情况下这些大分子具有多电荷的相对宽的峰。这一现象很有趣,但还需要进一步研究。同时羟基修饰的GDS具有优良的储存期,在室温下贮存2年多后,它们保持了水溶液中的初始分散性,并在各种小分子的MALDI MS检测中表现出较高的性能。

图一 GD-4的结构和组成。AGD-4的电镜图像;B是高分辨率电镜图像;C是单个GD-4颗粒的SAED图像;DAFM图像;EDLS的粒度分布;FGD-4的拉曼光谱;GGD- 4的石墨烯高石墨性和主要分布在表面上的示意图。

图二 D4辅助MALDI MS鉴别中药提取物中的寡糖及血清或组织中小分子代谢物的分析/成像A是巴戟天提取物在正离子模式下的MALDI质谱;B是低聚糖的串联质谱;C是腹腔注射葛根素30 min后小鼠血清(1μLMALDI质谱(负离子模式)(剂量:500 mg/kg);D是葛根素及其两种代谢物(大豆苷元和二氢大豆苷元)的代谢途径;E是以HE染色连续切片为参照物,在肾脏组织切片上,对其药物及其代谢物的MALDI MS图像进行了图像分析。

图三 负离子模式下Gd-4辅助小分子电离的分析物、能量计算和示意图的几何优化


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