离子液体在基质辅助激光解吸离子化质谱中的应用研究进展_雷洁.pdf

第 51 卷第 2 期2023 年 1 月广 州 化 工Guangzhou Chemical IndustryVol.51 No.2Jan.2023离子液体在基质辅助激光解吸离子化质谱中的应用研究进展雷 洁,刘海丽(江南大学生物工程学院,江苏 无锡 214122)摘 要:基质辅助激光解吸离子化质谱(MALDI-MS)在多种分析物的检测方面发挥着重要作用,广泛应用于医药、化工、食品和生物等多个领域。MALDI-MS 的最大特点是使用基质作为媒介,大部分的传统基质是有机酸。与传统基质比较,离子液体基质有作为基质和溶剂的双重功能,使得样品制备均匀,重现性和灵敏度都有明显提高,弥补了传统基质的不足。离子液体广泛应用于多种物质的定量、定性或复杂混合物的分析等。关键词:基质辅助激光解吸电离质谱;离子液体;有机基质中图分类号:O657.63 文献标志码:A文章编号:1001-9677(2023)02-0039-03 第一作者:雷洁(1987-),女,硕士,助理实验师,负责 MALDI-MS 的维护和测试工作。Application of Ionic Liquids for Matrix-assisted LaserDesorption/Ionization Mass SpectrometryLEI Jie,LIU Hai-li(School of Biotechnology,Jiangnan University,Jiangsu Wuxi 214122,China)Abstract:Matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry(MALDI-MS)plays an important role inthe detection of a variety of analytes,and it is widely used in many fields such as medicine,chemical industry,food andbiology.The main feature of MALDI-MS is the application of matrices as medium,and most of the conventional matricesare organic acids.Compared with the conventional matrices,the ionic liquids matrices had the dual functions of matricesand solvent,which offered homogeneous spots,the reproducibility and sensitivity were significantly improved,and theshortcomings of the conventional matrices were overcomed.Ionic liquids were applied for the quantitative and qualitativeanalysis of various analytes or the analysis of complex mixtures.Key words:matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry;ionic liquids;organic matrices基质辅 助 激 光 解 吸 离 子 化 质 谱(Matrix-assisted laserdesorption/ionization mass spectrometry,MALDI-MS)是以激光激发固态样品产生气态离子的质谱技术,是一种软电离质谱技术,该技术具有分析速度快,灵敏度高,样品制备简单,耐盐等优点。MALDI-MS 近几十年发展迅速,在多种分析物的检测方面发挥着重要作用,如蛋白质、核酸、多肽和聚合物等,如今广泛应用在医药、食品、生物、化工和环境等领域1-3。图 1 传统有机基质Fig.1 Conventional organic matricesMALDI-MS 适用于非挥发性的固态或液态分析物的分析,分析的是基质与被分析物液体混合后的共结晶,分析物与基质必须溶于适当的溶剂中。MALDI 的最大特点就是使用基质作为媒介,目前大部分的基质都是有机酸。常用的传统有机基质见图 1,有 1,5-二羟基苯甲酸(DHB)、-氰基-4-羟基肉桂酸(CHCA)、3,5-二甲氧基-4-羟基肉桂酸(SA)4。一般认为基质的作用是吸收激光,将能量转化为热能传递给被分析物,并提供质子。离子液体(Ionic liquid,IL)是在常温下呈液态,是由有机阳离子和有机阴离子或无机阴离子构成的有机盐。Armstrong等5在 2001 年首次报道了离子液体,并将其作为 MALDI-MS的基质。离子液体基质是常见有机酸基质(如 DHB、CHCA、SA)和有机碱反应形成的有机盐,常用的有机碱见图 2,有三乙胺、正丁胺、N,N-二异丙基乙胺、N,N-二甲基苯胺等。离子液体基质对激光辐射有很高的吸收,并且能够与分析物之间进行质子转移。离子液体作为 MALDI-MS 的基质,有非常多的优点,例如电离效率高,灵敏度高,真空稳定性好,蒸汽压较低,溶解性好,能与样品均匀混合,重复性好,可用作定性和定量分析等。40 广 州 化 工2023 年 1 月图 2 离子液体基质中的有机碱Fig.2 Organic bases of ionic liquid matrices1 离子液体基质在 MALDI-MS 中的应用离子液体基质弥补了传统基质的不足,因此离子液体基质在 MALDI-MS 中的应用非常广泛,可以应用于多种分析物,如脂质、蛋白质、肽、聚合物、碳水化合物和小分子等。1.1 在蛋白质中的应用众所周知,蛋白质的分析对于临床研究、医学诊断和生物技术等都十分重要。MALDI-MS 分析蛋白质,用离子液体作为基质,与传统基质相比较,有更好的灵敏度(低的检测限),更高的信噪比,同时离子液体基质与被分析的蛋白也不会发生加成反应。离子液体基质可以用于正离子或负离子模式,可分析的分子量范围宽至 1000 270000 Da。基于 SA 的离子液体基质广泛用于蛋白分析6,有研究报道 SA 和三乙胺组成的离子液体基质适用于高分子量蛋白质分析,如免疫球蛋白 G7,SA 和三乙胺组成的离子液体还可用于胰岛素和无肌红蛋白的分析研究5。有研究者比较了 CHCA 基质和基于 CHCA 的离子液体基质分别用于牛血清蛋白的分析,后者表现出来更高的灵敏性8。另有研究者报道了基于 SA 和 DHB 的离子液体基质用于糖基化蛋白的分析,糖蛋白对常规基质非常敏感,容易碎片化,相比之下,离子液体基质没有表现出碎片化,提高了重现性9。离子液体基质有作为基质和溶剂的双重功能,其中作为溶剂的功能则可以提高蛋白质分散性。蛋白质的分析通常是从混合物中进行,混合物通常包含不同溶解性能的物质,常规基质分析时,这些物质之间可能相互作用而导致共结晶过程,产生甜点效应,结晶状态不规则,样品分布不均匀。离子液体基质的溶剂化性能提供了很好的均匀性,得到的斑点均匀,有利于蛋白质的分析。由于斑点均匀,离子液体基质可以用于定量研究,而传统基质则不适合用于定量分析。1.2 在碳水化合物和寡核苷酸中的应用MALDI-MS 是解析碳水化合物的有力工具,但是碳水化合物比蛋白质更敏感,离子化能力更弱,且不容易发生解吸电离。碳水化合物中有大量的羟基官能团,羟基和传统基质中的酸性基团之间可能发生脱水。例如硫酸化和唾液酸化的寡糖由于硫酸和唾液酸基团容易发生解离,因此很难被检测。1,1,3,3-四甲基胍和香豆素酸组成的离子液体基质(G3CA)则能有效抑制硫酸化和唾液酸化寡糖的解离,并且离子化效率明显提高,在正离子或负离子模式下都有很高的灵敏度10。碳水化合物的离子化能力不仅比蛋白质差,并且容易断裂产生碎片离子。使用传统基质,如果离子化能力弱的碳水化合物中含有离子化能力强的物质,就很难被检测。相比之下,离子液体基质增强了碳水化合物的离子化能力,改善了混合物中碳水化合物的检测。据报道,CHCA 或阿魏酸和 N,N-二异丙基乙胺组成的离子液体是分析碳水化合物的最佳基质11。寡核苷酸是一类序列较短的核酸分子,寡核苷酸作为 DNA合成的引物,基因探针等,在现代分子生物学研究中有广泛的用途。离子液体基质同样适用于分析寡核苷酸7,12。如 3-羟基吡啶甲酸和 2,5-二羟基苯甲酸组成的离子液体基质用于寡核苷酸分析时,提供了高质量的光谱图,分析物不易碎片化,比传统基质有更高的灵敏度和更好的重复性。1.3 在脂质中的应用脂质是很多疾病的生物标志物,对脂质的的分析在临床研究领域非常重要。脂质的分子量很小,种类繁多,结构复杂,MALDI-MS 具有高灵敏度,并且可以直接检测生物样品提取物,是最具有潜力的脂质分析技术。传统基质在低分子量区域存在干扰,传统基质离子峰抑制了被分析物离子,而无法检测到目标分析物。与传统基质相比,离子液体基质的高电离性,不产生碱性离子的加合物,并减少碎片化等优点,因此离子液体应用于脂质分析,有非常高的灵敏度,离子液体基质作为溶剂和基质的双重功能,可以改善和增强脂质信号。如 CHCA 和三丁胺的离子液体,DHB 或 CHCA 和丁胺的离子液体基质在磷脂和脂质体分析方面都有很好的应用,即使是在复杂的混合物中,都能有很好的灵敏度13-14。1.4 在小分子中的应用MALDI-MS 使用传统基质,在低分子量区域容易产生干扰,抑制目标物的信号,是很难分析小于 1000 Da 的小分子,然而分析研究有机小分子在有机化学、生物代谢和药物等方面都有重要意义,因此 MALDI-MS 用于小分子分析的研究是很有前景的。MALDI-MS 分析小分子时,主要受到离子抑制、与基质加合等影响。离子液体基质在低质量范围(小于 1000 Da)只有很少或者没有干扰峰,没有加合物峰,并且提高目标分析物的电离效率,提高灵敏度,从而实现对小分子的质谱分析。有研究者报道了 N,N-二异丙基乙胺和 CHCA 组成的离子液体可以用于可卡因、咪唑和罂粟碱等 14 种药物的分析,而且有很高的灵敏度15,是一种分析小分子的理想基质。1.5 在聚合物中的应用聚合物的分析对于工业和环境是很重要的,然而聚合物的质谱检测是很有挑战的,因为聚合物分子量大且离子化能力弱,有机酸或激光放射都可能使得聚合物降解碎片化。离子液体基质与传统基质比较,分析聚合物更有优势。离子液体基质产生较少或基本不产生电离降解碎片,可与样品充分地分散混合,质谱检测背景低,可检测完整聚合物的分子离子峰。有研究者报道了 N,N-二异丙基乙胺和 CHCA 的离子液体用于分析生物降解聚合物有很好的灵敏度,在低激光能量时,只观察到很少的聚合物降解16-17。1.6 在病原菌中的应用MALDI-MS 是最近发展起来的用于快速鉴定各种微生物的新技术,该方法简单快速、灵敏、高效、准确且成本低廉。病原菌细胞的分析对生物技术和临床方面都非常重要,MALDI-MS 在感染控制和爆发流行时可发挥快速鉴定病原菌的作用,该技术是流行病学研究的有效工具。细菌的细胞非常复杂,细胞中有数百万个生物分子,而只有几个分子量不同的生物分子是需要被分析的。Abdelhamid 首次报道了 SA 或 DHB 分别和苯胺、二甲基苯胺、二乙胺等有机碱组成的离子液体在细菌分析中的应用18-19,增强了生物分子的信号,改善斑点均匀性,显示离子液体基质在细菌分析中具有很大的潜力,报道指出该方法简单、灵敏、准确和选择性强,适合用于细菌鉴定。2 离子液体基质的制备离子液体基质的制备通常是将传统有机基质和有机碱混第 51 卷第 2 期雷洁,等:离子液体在基质辅助激光解吸离子化质谱中的应用研究进展41 合。有机碱的种类和含量都会影响离子液体基