孔景臨 劉衛(wèi)衛(wèi) 丁俊杰 張 琳 李寶強(qiáng) 秦墨林 陳 創(chuàng) 李海洋

1(防化研究院， 北京 102205) 2(中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所， 大連 116023)

研 究 報(bào) 告

電噴霧離子遷移譜檢測(cè)氨基酸及多肽的研究

孔景臨*1劉衛(wèi)衛(wèi)1丁俊杰1張 琳1李寶強(qiáng)1秦墨林1陳 創(chuàng)2李海洋2

1(防化研究院， 北京 102205)2(中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所， 大連 116023)

建立了氨基酸及多肽的電噴霧離子遷移譜檢測(cè)方法。采用自制的電噴霧離子遷移譜裝置，在室溫條件下以甲醇為溶劑，空氣為漂移氣體，流速為1000 mL/min，電噴液流速為2L/min，測(cè)試了甘氨酸、胱氨酸、組氨酸、精氨酸4種氨基酸及緩激肽片段 (1～7) 和P物質(zhì)2種多肽的離子遷移譜，計(jì)算出上述化合物的約化遷移率。離子遷移譜圖反映出化合物的結(jié)構(gòu)信息，具有指紋譜特征。此裝置在1 min的檢測(cè)時(shí)間內(nèi)對(duì)P物質(zhì)的檢測(cè)靈敏度達(dá)到855 ng/mL。結(jié)果表明，電噴霧離子遷移譜可用于氨基酸及多肽類化合物的現(xiàn)場(chǎng)快速鑒定。

電噴霧; 離子遷移譜; 氨基酸; 多肽; 約化遷移率

2017-06-30收稿；2017-09-08接受

* E-mail: jlkong@sina.com

1 引 言

多肽是一類由氨基酸脫水縮合而成的化合物。自然界中多肽種類繁多，參與了生物體的生長(zhǎng)、發(fā)育、免疫、代謝等多個(gè)環(huán)節(jié)?？咕?、生物調(diào)節(jié)劑以及有毒動(dòng)植物中的多肽毒素等具有顯著的生物活性，是藥物開發(fā)研究關(guān)注的對(duì)象。同時(shí)，某些多肽(如芋螺毒素、槲寄生毒素)因具有在生化恐怖活動(dòng)中被使用的風(fēng)險(xiǎn)而被列入美國(guó)衛(wèi)生與公共福利部選擇劑清單和澳大利亞集團(tuán)核心清單[1]。目前，對(duì)于多肽類化合物的檢測(cè)方法主要有高效液相色譜(HPLC)、毛細(xì)管電泳(CE)、質(zhì)譜(MS)以及一些聯(lián)用技術(shù)，如液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(LC-MS)、毛細(xì)管電泳-質(zhì)譜聯(lián)用(CE-MS)等。這些方法準(zhǔn)確可靠，但都依賴大型實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，不滿足方便部署、響應(yīng)快速、使用便捷的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)要求，對(duì)多肽的現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)是反化學(xué)生物恐怖活動(dòng)中排查各類可疑物質(zhì)亟需的方法。

離子遷移譜(Ion mobility spectrometry, IMS)因能夠在常壓條件下工作，且具有探測(cè)靈敏度高、分析速度快、能耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于小型化等優(yōu)點(diǎn)，成為偵檢化學(xué)戰(zhàn)劑、爆炸物、毒品等的常用分析手段[2]。目前離子遷移譜儀是軍事上部署使用最多的點(diǎn)源化學(xué)檢測(cè)裝備[3]。但現(xiàn)有裝備主要以放射源(如63Ni)為電離源，不僅存在著使用和處置放射性物質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)，檢測(cè)對(duì)象也只限于揮發(fā)性化合物。受生物質(zhì)譜的電噴霧電離源技術(shù)啟發(fā)，20世紀(jì)90年代初，Hill等[4]研究了電噴霧-離子遷移譜(Electrospray ionization-ion mobility spectrometry, ESI-IMS)的儀器設(shè)計(jì)及影響分辨率的因素。與質(zhì)譜相比，除質(zhì)量電荷信息外，IMS還可提供更加豐富的結(jié)構(gòu)信息，能夠分離質(zhì)荷比相同但空間構(gòu)型不同的同分異構(gòu)多肽[5,6]，還可由測(cè)得的遷移率數(shù)據(jù)計(jì)算氣相離子的平均碰撞截面積，推斷氣相離子的可能構(gòu)型和電荷分布。目前, ESI-IMS與MS聯(lián)用成為蛋白質(zhì)組學(xué)以及蛋白質(zhì)和多肽的結(jié)構(gòu)研究的新手段，用于復(fù)雜肽類組分的分離、轉(zhuǎn)譯后修飾等研究[7,8]。

ESI-IMS擴(kuò)大了傳統(tǒng)IMS技術(shù)檢測(cè)對(duì)象的范圍，成為藥物[9,10]、毒素[11]、爆炸物[12]等現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)一些單位使用自制裝置或商品化儀器，進(jìn)行了食品安全、保健品違法添加等方面的研究[13,14]，但這些工作的檢測(cè)對(duì)象均為小分子化合物。本研究在自制ESI-IMS實(shí)驗(yàn)裝置上[15]測(cè)試4種氨基酸和P物質(zhì)、緩激肽片段(Bradykinin fragment(1-7))2種具有重要生理功能的生物調(diào)節(jié)劑的離子遷移譜行為，發(fā)現(xiàn)譜圖與化合物結(jié)構(gòu)的相關(guān)性，具有指紋譜特征。P物質(zhì)是被外軍系統(tǒng)進(jìn)行威脅評(píng)估的生物調(diào)節(jié)劑，具有被濫用為軀體或精神失能劑的潛在威脅[16]。氨基酸是多肽的降解產(chǎn)物，對(duì)氨基酸的檢測(cè)可作為使用多肽的溯源性分析佐證。本方法為多肽的現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)提供了途徑，也為今后發(fā)展此類國(guó)產(chǎn)設(shè)備奠定了基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1試劑

甘氨酸、胱氨酸、組氨酸、精氨酸及緩激肽片段(Bradykinin Fragment (1～7)，BF)均購(gòu)自Sigma公司; 甲醇(色譜純，F(xiàn)luka公司); P物質(zhì)(Substance P， SP)通過Fmoc固相合成的方法制備，購(gòu)自上海吉爾生化公司，經(jīng)Agilent 1120高效液相色譜(HPLC)分析及Bruker ultraflex基質(zhì)輔助激光解吸飛行時(shí)間質(zhì)譜(MALDI-TOF-MS)測(cè)定為純品。

電噴液的配制：準(zhǔn)確稱取4種氨基酸及2種多肽樣品，以甲醇-水(4∶1，V/V)溶解，并配制不同濃度的樣品溶液。Bradykinin Fragment (1～7) 及P物質(zhì)以甲醇溶解，逐級(jí)稀釋為不同濃度的電噴液。

2.2實(shí)驗(yàn)裝置與方法

2.2.1實(shí)驗(yàn)裝置使用本研究組前期工作搭建的ESI-IMS實(shí)驗(yàn)裝置[15]。實(shí)驗(yàn)中電噴液經(jīng)配有注射器的步進(jìn)電機(jī)推出后，高電壓下形成帶電液滴，在去溶劑化腔體中形成離子，離子門脈沖作用下進(jìn)入IMS遷移區(qū)進(jìn)行分離，分離后的離子最終到達(dá)法拉第盤被檢測(cè)。

2.2.2氨基酸及多肽的離子遷移譜測(cè)定離子遷移管內(nèi)氣壓為環(huán)境氣壓，使用Bradbury-Nielsen型離子門，離子門開門時(shí)間設(shè)置為200s，離子門關(guān)門電壓控制為150 V; 遷移管工作溫度0～120℃; 漂氣流速500～2000 mL/min; 遷移區(qū)長(zhǎng)度 8.8 cm; 遷移區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度為368.75 V/cm; 電噴霧電壓3000 V; 噴霧針針尖與對(duì)電極之間的距離在0.5～2.0 cm可調(diào)。電噴液流速控制在2L/min。離子遷移譜圖的掃描時(shí)間為40 ms，平均次數(shù)為16次，單次檢測(cè)時(shí)間小于1 s。正離子檢測(cè)模式，采用Origin 8.0軟件處理數(shù)據(jù)?？紤]現(xiàn)場(chǎng)使用的實(shí)際需要，實(shí)驗(yàn)以空氣為漂氣，遷移管工作溫度為室溫25℃。參照前期工作中優(yōu)化的參數(shù)[14]，設(shè)置漂氣流速為1000 mL/min，噴霧針針尖與對(duì)電極之間的距離為1.0 cm，測(cè)試4種氨基酸和2種多肽的離子遷移譜圖。

2.2.3約化遷移率的計(jì)算在獲得遷移時(shí)間td等參數(shù)的基礎(chǔ)上，可以計(jì)算化合物的離子遷移率。當(dāng)一束離子群進(jìn)入均勻弱電場(chǎng)(E/N2Td)中，通過公式(1)[17]求得離子的約化遷移率K0：

式中，L為遷移區(qū)長(zhǎng)度，即一種離子群從離子?xùn)砰T遷移到收集極這段距離(cm)、td為離子群的遷移時(shí)間(s)、P和T分別為實(shí)驗(yàn)條件下的壓力(mm Hg)及溫度(K)。

圖1 甘氨酸在ESI-IMS中的響應(yīng)Fig.1 Ion mobility spectra of glycine

3 結(jié)果與討論

3.14種氨基酸的離子遷移譜

3.1.1甘氨酸圖1是甘氨酸(Glycine)在自制ESI-IMS裝置上的測(cè)試結(jié)果，其中a，b分別對(duì)應(yīng)50g/mL的甘氨酸溶液、甲醇-水溶劑的離子遷移譜圖。由空白對(duì)照譜線(圖1b)可見，遷移時(shí)間td在7.8～9.7 ms之間的峰簇為甲醇-水溶劑峰，即反應(yīng)離子峰簇(RIP)。譜線a與b相比，溶劑峰強(qiáng)度降低，在10.045 ms處出現(xiàn)離子峰，由甘氨酸分子結(jié)構(gòu)可知，其對(duì)應(yīng)的是氨基被質(zhì)子化的甘氨酸離子。

3.1.2胱氨酸圖2是胱氨酸(Cystine)的測(cè)試結(jié)果，其中a，b，c分別對(duì)應(yīng)100 和150g/mL的胱氨酸溶液及甲醇-水溶劑的離子遷移譜。與圖1相同，圖2中的反應(yīng)峰簇也在td為7.8～9.7 ms之間出現(xiàn)。以譜線c為空白對(duì)照，含有胱氨酸的溶液在td為10.76 ms處出現(xiàn)離子峰，此峰強(qiáng)度與濃度正相關(guān)，濃度高的樣品即譜線b此處的離子峰信號(hào)強(qiáng)。此外，在td為12.20 ms處，胱氨酸溶液出現(xiàn)了微弱的信號(hào)。由胱氨酸分子結(jié)構(gòu)判斷,td為10.76 和12.20 ms的峰分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)氨基均被質(zhì)子化的帶雙電荷的胱氨酸離子和一個(gè)氨基被質(zhì)子化的離子。

3.1.3組氨酸圖3給出了組氨酸(Histidine)的測(cè)試結(jié)果，其中a，b，c分別對(duì)應(yīng)320 和32g/mL的組氨酸溶液及甲醇-水溶劑經(jīng)ESI-IMS測(cè)得的譜線。作為空白對(duì)照的譜線c同樣在遷移時(shí)間td為7.8～9.7 ms之間出現(xiàn)反應(yīng)峰簇。譜線a和b則在td為11.17 ms處出現(xiàn)明顯信號(hào)，緊鄰此峰，td為11.58 ms處還有一個(gè)強(qiáng)度弱的離子峰。根據(jù)組氨酸結(jié)構(gòu)分析,td為11.17和11.58 ms的峰分別對(duì)應(yīng)氨基和含氮的咪唑環(huán)均被質(zhì)子化的帶雙電荷組氨酸離子和僅咪唑環(huán)被質(zhì)子化的單電荷組氨酸離子。比較譜線a和b信號(hào)峰強(qiáng)度可見，td為11.17 ms對(duì)應(yīng)的離子峰與濃度正相關(guān)，濃度高的離子峰信號(hào)強(qiáng)。

圖2 不同濃度胱氨酸在ESI-IMS中的響應(yīng)Fig.2 Ion mobility spectra of different concentrations of cystine

圖3 不同濃度組氨酸在ESI-IMS中的響應(yīng)Fig.3 Ion mobility spectra of different concentrations of histidine

圖4 不同濃度精氨酸在ESI-IMS中的響應(yīng)Fig.4 Ion mobility spectra of different concentrations of arginine

3.1.4精氨酸圖4給出了精氨酸(Arginine)的測(cè)試結(jié)果，其中譜線b、c、d、e和f分別對(duì)應(yīng)100、150、200、250 和350g/mL的精氨酸溶液及甲醇-水溶劑的離子遷移譜。作為空白對(duì)照的譜線a在遷移時(shí)間td為7.8～9.7 ms之間出現(xiàn)反應(yīng)峰簇。對(duì)比可見，精氨酸溶液經(jīng)電噴霧離子化后，在10.92及11.68 ms處出現(xiàn)兩個(gè)離子峰，由其結(jié)構(gòu)可知，這兩個(gè)峰分別對(duì)應(yīng)的是氨基及胍基均被質(zhì)子化的帶雙電荷的精氨酸離子和僅胍基被質(zhì)子化的單電荷離子。由圖4可見，在精氨酸濃度100～350g/mL的范圍內(nèi)增加時(shí)， 這兩個(gè)峰的信號(hào)強(qiáng)度隨之變強(qiáng)。

由圖1～圖4可知，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分子量最小的甘氨酸遷移時(shí)間td最短，隨著氨基酸分子量的逐漸增加和分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，td隨之變長(zhǎng)。在正離子模式下，組氨酸、精氨酸兩種堿性氨基酸因其除含有氨基外，還有堿性的側(cè)鏈R，可以檢測(cè)到兩個(gè)離子峰，而由半胱氨酸縮合而成的胱氨酸含有兩個(gè)氨基，也檢測(cè)到了兩個(gè)峰。由此可見，離子遷移譜反映出化合物的結(jié)構(gòu)信息，而這是定性鑒定的基礎(chǔ)。

3.2兩種多肽的離子遷移譜

圖5 不同濃度BF在ESI-IMS中的響應(yīng)Fig.5 Ion mobility spectra of different concentrations of Bradykinin fragment (1-7) BF

3.2.1Bradykininfragment(1-7)(BF) BF為緩激肽Bradykinin的片段，為其N端的1～7個(gè)氨基酸， 序列為Arg-Pro-Pro-Gly-Phe-Ser-Pro，該7肽化合物的分子量為756.85 Da。圖5是不同濃度BF的離子遷移譜圖。譜線a為不含樣品的空白對(duì)照，譜線b、c、d、e、f和g分別對(duì)應(yīng)濃度為0.8、4、8、40、80和400g/mL的BF溶液的離子遷移譜圖。在正離子檢測(cè)模式下， BF在遷移時(shí)間td為11.94和13.06 ms處有明顯的信號(hào)。由BF的分子中氨基酸組成可知，其N端1位精氨酸殘基的氨基和胍基均可帶上正電荷，相應(yīng)在ESI-IMS譜圖上出現(xiàn)了兩個(gè)譜峰。寡肽BF的骨架剛性，多電荷引起的靜電斥力對(duì)碰撞截面積的影響不大。因遷移時(shí)間與離子帶電荷數(shù)成反比，根據(jù)峰的位置，可知td為11.94 ms的譜峰對(duì)應(yīng)的是帶雙電荷的BF離子，而13.06 ms對(duì)應(yīng)的則是單電荷離子。由圖5可見，雙電荷峰與單電荷峰強(qiáng)度之比隨著BF的濃度降低而增大直至基本保持不變。這是因?yàn)殡妵婌F過程中產(chǎn)生的反應(yīng)離子數(shù)一定，當(dāng)BF的濃度高時(shí)，電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)主要生成單電荷離子，而當(dāng)BF的濃度降低，反應(yīng)離子數(shù)過量時(shí)，單電荷離子會(huì)進(jìn)一步與反應(yīng)離子作用生成雙電荷離子，直至反應(yīng)達(dá)到平衡。根據(jù)40g/mL BF在13.06 ms處離子峰的強(qiáng)度(50 mV)，推測(cè)該物質(zhì)的檢出限(LOD)約為3g/mL， 相當(dāng)于0.004 mmol/L。

圖6 不同濃度P物質(zhì)在ESI-IMS中的響應(yīng)Fig.6 Ion mobility spectra of different concentrations of Substance P

3.2.2P物質(zhì)P物質(zhì)是一種廣泛分布于腦神經(jīng)纖維內(nèi)的神經(jīng)肽，屬于速激肽家族，其氨基酸序列為Arg-Pro-Lys-Pro-Gln -Gln-Phe-Phe-Gly-Leu-Met，分子量1347.63 Da。圖6給出了濃度從ng/mL到g/mL量級(jí)的P物質(zhì)在自制ESI-IMS裝置上的響應(yīng)情況。譜線g為空白對(duì)照， a、b、c、d、e、f譜線分別對(duì)應(yīng)濃度為285、142.5、28.5、2.85、1.425和855 ng/mL的P物質(zhì)甲醇溶液離子遷移譜。在正離子檢測(cè)模式下， P物質(zhì)有2個(gè)信號(hào)峰，對(duì)應(yīng)的遷移時(shí)間td分別為13.37和18.24 ms。經(jīng)電噴霧質(zhì)譜分析, 前者對(duì)應(yīng)的是雙電荷離子峰，后者為單電荷峰。18.24 ms處單電荷峰的強(qiáng)度與P物質(zhì)的濃度呈正相關(guān)，其與13.37 ms處雙電荷峰的強(qiáng)度變化與BF的離子遷移譜行為相似，即當(dāng)P物質(zhì)濃度高時(shí)，離子轉(zhuǎn)移反應(yīng)以生成單電荷產(chǎn)物為主，濃度降低時(shí)，雙電荷產(chǎn)物的量高于單電荷。由圖6可見， P物質(zhì)濃度為855 ng/mL時(shí)，仍可檢出3倍信噪比(S/N)的信號(hào)強(qiáng)度，推測(cè)該物質(zhì)的LOD在855 ng/mL的水平，相當(dāng)于0.63 μmol/L。

綜上可知，不同化合物因其分子量、結(jié)構(gòu)、帶電荷狀態(tài)的差異, 反映在離子遷移譜圖特征的差異，這些具有指紋譜特征的數(shù)據(jù)可用于化合物的定性鑒定。同時(shí)，自制的離子遷移譜實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)不同電荷狀態(tài)的離子具有優(yōu)良的分離能力，這對(duì)于研究生物大分子結(jié)構(gòu)以及開發(fā)國(guó)產(chǎn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備具有重要意義。

3.3氨基酸及多肽的約化遷移率

將測(cè)得的遷移時(shí)間代入式(1)，計(jì)算4種氨基酸和2種多肽約化遷移率，結(jié)果見表1。采用約化遷移率，避免了溫度和壓力對(duì)離子遷移率的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，離子遷移譜圖中譜峰對(duì)應(yīng)的遷移時(shí)間可轉(zhuǎn)化成離子遷移率，它是化合物的特征常數(shù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果求出的約化遷移率與標(biāo)準(zhǔn)離子遷移譜數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)照，可進(jìn)行化合物快速鑒定。

表1 4種氨基酸及2種多肽的約化遷移率

Table 1 Reduced ion mobility of 4 amino acids and 2 polypeptides

化合物Compoud分子量Molecularweight(Da)主要峰的遷移時(shí)間Drifttimeofeachpeak(ms)約化遷移率Reducedmobility(cm2/(Vs))甘氨酸Glycine75．0510．042．17胱氨酸Cystine240．310．762．03組氨酸Histidine155．111．171．96精氨酸Arginine174．211．681．87緩激肽片段Bradykininfragment(1～7)756．8511．94，13．061．83，1．67P物質(zhì)PSubstanceP1347．6313．37，18．241．63，1．20

4 結(jié) 論

離子遷移譜與質(zhì)譜相似，卻沒有昂貴的真空部件，經(jīng)濟(jì)性好; 與HPLC相比，電噴霧離子遷移譜在測(cè)試過程中無有機(jī)溶劑消耗，也無需更換色譜柱，基于待測(cè)物遷移率差異實(shí)現(xiàn)的分離無需方法開發(fā)，適用于現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)領(lǐng)域。本實(shí)驗(yàn)利用自制的電噴霧離子遷移譜裝置研究了6種氨基酸及多肽樣品的離子遷移譜行為。在通常條件下，以空氣為漂移氣體，在十幾毫秒時(shí)間內(nèi)完成待測(cè)物離子的遷移和分離， 1 min內(nèi)即可獲得檢測(cè)結(jié)果，分析速度快。待測(cè)物的遷移時(shí)間與其分子量、分子結(jié)構(gòu)及帶電荷情況有關(guān)，約化遷移率反映的是其固有屬性，獲得的離子遷移譜具有指紋譜特征，這些可用于離子遷移譜數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)，在可疑生物物質(zhì)的快速篩查中發(fā)揮作用。在本研究的基礎(chǔ)上，下一步擬將該裝置發(fā)展為實(shí)用的現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)設(shè)備，并開展混合物檢測(cè)方法研究和創(chuàng)建生物大分子離子遷移譜數(shù)據(jù)庫(kù)的工作。

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DetectionofAminoAcidsandPolypeptidesbyElectrosprayIonization-IonMobilitySpectrometry

KONG Jing-Lin*1, LIU Wei-Wei1, DING Jun-Jie1, ZHANG Lin1, LI Bao-Qiang1, QIN Mo-Lin1, CHEN Chuang2, LI Hai-Yang2
1(InstituteofChemicalDefense,Beijing102205,China)2(DalianInstituteofChemicalPhysicsChineseAcademyofSciences,Dalian116023,China)

The electrospray ionization-ion mobility spectrometric (ESI-IMS) technique has the potential as an analytical separation tool in analyzing polypeptides and amino acids for fast screening unknown samples in anti-chemical and biological terror attacks. A method for detecting several polypeptides and amino acids was developed based on ESI-IMS using air as drift gas at room temperature. The ion mobility of four amino acids and two polypeptides dissolved in methanol was determined on the system at elution rate of 2L/min. The spectra of these compounds had characteristics of finger-printing maps. The limit of detection of this instrument for Substance P could reach 855 ng/mL in 1 min. The results showed that a small, self-contained ESI-IMS instrument with reservoirs of air could be used to quickly detect and accurately identify polypeptides and amino acids.

Electrospray; Ion mobility spectrometry; Amino acid; Polypeptide; Reduced mobility

30 June 2017; accepted 8 September 2017)

10.11895/j.issn.0253-3820.171052