關(guān)鍵詞基質(zhì)輔助激光解吸電離質(zhì)譜；納米碳基質(zhì)；十二烷基硫酸鈉；組織切片；質(zhì)譜成像

基質(zhì)輔助激光解吸電離質(zhì)譜（MALDI-MS）作為一種軟離子化技術(shù)，具有高選擇性、高靈敏度和信號峰易于解析等優(yōu)勢[1]。在MALDI-MS 分析中，基質(zhì)是用于促進分析物脫附和離子化的化合物，理想的基質(zhì)在紫外區(qū)域具有高吸收系數(shù)，能夠高效分離和提取目標(biāo)物質(zhì)，不產(chǎn)生或產(chǎn)生很小的分析物碎片，對檢測結(jié)果的影響極小[2]。因此， MALDI-MS 的優(yōu)異性能在很大程度上取決于基質(zhì)的選擇。然而，傳統(tǒng)的有機基質(zhì)，如2，5-二羥基苯甲酸（DHB）[3]、α-氰基-4-羥基肉桂酸（CHCA）[4]和芥子酸（SA）[5]等的分子量低，易電離，在質(zhì)譜檢測過程中產(chǎn)生的分子和碎片離子峰會抑制低質(zhì)量區(qū)域的分析物信號[6]。因此，無機納米材料被用做MALDI-MS 的基質(zhì)，其中，碳納米材料因具有成本低、紫外吸收強、表面官能團和電子性質(zhì)可調(diào)等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用。Chen 等[7]以碳納米點為基質(zhì)建立了MALDI-MS 方法，對十八烷酸具有極低的檢出限（0.2 fmol），并且在正負(fù)離子兩種模式下均獲得了清晰的鈉和鉀加合物（正離子）以及脫質(zhì)子（負(fù)離子）的MS 峰。Wang 等[8]以蠟燭不完全燃燒產(chǎn)生的碳煙納米顆粒作為MALDI-MS 基質(zhì)，分析葡萄糖、脂肪酸和染料等分子時顯示出較高的靈敏度和重現(xiàn)性。Xu 等[9]將單層氧化石墨烯懸浮液吸附于導(dǎo)電玻璃表面制備預(yù)涂基質(zhì)薄膜，并將大鼠腦組織切片置于預(yù)涂薄膜上開展MALDI-MS 實驗，檢測到60 余種脂質(zhì)和小分子，包括磷脂、環(huán)磷酸腺苷、肌苷和膽固醇等。這種預(yù)涂基質(zhì)法不需要使用基體覆蓋物，可以減少樣品成分?jǐn)U散，提高重復(fù)性，并簡化實驗步驟。

然而，將碳納米材料直接分散于溶劑中通常會出現(xiàn)納米顆粒團聚情況，團聚嚴(yán)重時會使基質(zhì)涂覆不均勻，影響MALDI-MS 實驗的重復(fù)性。表面活性劑常用于輔助納米材料在溶劑中的分散，不僅可以避免溶劑中的納米材料團聚，而且有助于納米材料作為基質(zhì)預(yù)涂在靶板或均勻涂覆在切片上，改善MALDI-MS分析的重復(fù)性。Yazdabadi 等[10]分別以十二烷基硫酸鈉（SDS）和辛基硫酸鈉（SOS）兩種表面活性劑作為基質(zhì)，研究了MALDI-MS 分析不同氨基酸加合Na+的差異。Guo 等[6]將十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）添加到α-氰基-4-羥基肉桂酸（CHCA）中抑制基質(zhì)相關(guān)離子的干擾信號，分析了氨基酸、肽、藥物、環(huán)糊精及其混合物等小分子成分。Grant 等[11]將CTAB 作為CHCA 的基質(zhì)離子抑制劑，分析了高糖能量飲料中的B 族維生素和咖啡因。Kosanam 等[12]在CHCA 和2，5-二羥基苯甲酸（DHB）中添加CTAB 抑制基質(zhì)相關(guān)的背景離子，但測試化合物的信號也會被抑制。Banstola 等[13]在芥子酸中添加3 種表面活性劑（SDS、Triton X100 和Tween 20），考察添加劑對大鼠腦組織中大分子蛋白的峰數(shù)量和峰強度的影響。上述研究中，表面活性劑作為基質(zhì)或者與常規(guī)基質(zhì)復(fù)合，可用于MALDI-MS 分析。

基于上述表面活性劑運用于常規(guī)基質(zhì)的研究，以及表面活性劑在納米顆粒中的作用，本研究選擇納米碳-SDS 復(fù)合基質(zhì)作為預(yù)涂基質(zhì)，用于MALDI-MS 分析。SDS 改善了基質(zhì)溶液穩(wěn)定性，降低了納米碳基質(zhì)的背景干擾峰，增強了目標(biāo)峰離子強度和信噪比，獲得了較好的峰強度重復(fù)性，具有良好的定量分析能力。最后，將納米碳-SDS 復(fù)合預(yù)涂基質(zhì)用于豬腦局部組織中的小分子化合物和脂類成分的質(zhì)譜成像分析。本研究為在MALDI 基質(zhì)中合理使用表面活性劑提供了新思路。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

SolariX 7.0 型傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜（FT-ICR-MS，瑞士Bruker 公司），配備Nd∶ YAG 二極管泵浦固體激光器（波長為355 nm）；ZS90 型Zetasizer Nano 納米粒度電位儀（英國馬爾文儀器有限公司）；Tecnai F20 型場發(fā)射透射電子顯微鏡（荷蘭菲利浦公司）；UV-3900 型紫外可見近紅外分光光度計（日本島津公司）；BS224S 型電子天平（北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司）；PS-100A 型超聲波清洗機（東莞市潔康超聲波設(shè)備有限公司）；HD-180 型噴槍（寧波浩盛氣動機械有限公司）；Milli-Q 純水儀（默克密理博實驗室設(shè)備（上海）有限公司）。

納米碳（99.5%， 30 nm）、Triton X 100 和安息香（上海麥克林生化科技有限公司）；DHB（99%，北京百靈威科技有限公司）；CHCA（99%）、L-苯丙氨酸（99%）、腺苷、SDS、CTAB 和明膠（上海泰坦科技股份有限公司）；1，2-二棕櫚酰-sn-甘油-3-磷酰膽堿（DPPC，美國Avanti Polar Lipids 公司）；膽固醇（上海玻爾化學(xué)試劑有限公司）；環(huán)磷腺苷（上海畢得醫(yī)藥科技有限公司）。包埋劑Tissue-Tek OCT Compound（美國Sakura Finetek 公司）；帆船牌玻璃載玻片（76.2 mm×25.4 mm×1 mm， 上海泰坦科技股份有限公司）。實驗用水為經(jīng)Milli-Q 系統(tǒng)處理的超純水（18.2 MΩ·cm）。新鮮豬腦購自本地超市。

1.2 實驗方法

1.2.1 基質(zhì)溶液和標(biāo)準(zhǔn)品溶液的配制

（1）納米碳-表面活性劑復(fù)合基質(zhì)分別按照質(zhì)量比1∶3、1∶2、1∶1、2∶1、10∶1、16.5∶1 和20∶1 制備納米碳-SDS 復(fù)合基質(zhì)；分別按照CTAB 與Triton X 100 表面活性劑質(zhì)量比為2∶1 和16.5∶1 制備納米碳-表面活性劑復(fù)合基質(zhì)。將5 mg/mL 納米碳與表面活性劑分別按比例分散于水中，超聲振蕩20 min 后，以10000 r/min 磁力攪拌100 min；將混合溶液轉(zhuǎn)移至帶蓋離心管，冷藏，備用。復(fù)合基質(zhì)使用前超聲振蕩20 min，防止納米碳團聚。（2）有機基質(zhì)、純納米碳基質(zhì)和SDS 基質(zhì)的制備將CHCA 溶于乙腈-水（50∶50， V/V）中，配制成10 mg/mL 溶液。將DHB 溶于甲醇-水（50∶50， V/V）中，配制成10 mg/mL 的溶液。將純納米碳直接超聲分散于水中，配制方法與納米碳-表面活性劑復(fù)合基質(zhì)相同，濃度為5 mg/mL。將SDS 溶于水中（SDS 的用量與質(zhì)量比16.5∶1 的納米碳-SDS 復(fù)合基質(zhì)中的SDS 用量相同）。（3）標(biāo)準(zhǔn)品溶液的制備將標(biāo)準(zhǔn)品L-苯丙氨酸、L-酪氨酸、環(huán)磷腺苷和腺苷溶于水，膽固醇和三油酸甘油酯溶于甲醇， DPPC 溶于二氯甲烷，超聲5 min 使其充分溶解，分別配制成1 mg/mL 的溶液。

1.2.2 基質(zhì)噴涂與樣品準(zhǔn)備

納米碳基質(zhì)預(yù)涂移取200 μL 基質(zhì)于噴槍中，噴槍噴嘴垂直于載玻片，距離約10 cm， 流量旋鈕調(diào)至最小值，待溶液噴完后，靜置5 min 晾干，取2 μL 標(biāo)準(zhǔn)品溶液直接點樣于基質(zhì)涂層，用于后續(xù)檢測。

有機基質(zhì)用移液槍移取2 μL CHCA 或DHB 基質(zhì)，點樣在載玻片上，完全干燥后，取2 μL 標(biāo)準(zhǔn)品溶液點樣在基質(zhì)溶液上，用于后續(xù)檢測。

1.2.3 組織切片和MALDI-MS分析參數(shù)

新鮮豬腦切分成小塊，利用明膠溶液（10%， m/V）包埋，于?20 ℃冷凍保存，備用。使用石蠟切片機對冷凍的豬腦局部組織進行切片，切片厚度為15 μm， 固定于覆有預(yù)涂基質(zhì)的載玻片上，在真空干燥器中干燥20 min 后，進行質(zhì)譜分析。

MALDI-MS 儀器參數(shù)：質(zhì)譜測定均采用正離子模式，檢測范圍為m/z 53～1500，飛行時間設(shè)置為0.8 ms， 平均光譜累積35 次，激光能量為75%，選擇“Minimum”模式。質(zhì)譜成像時步長為150 μm。

2 結(jié)果與討論

2.1 基質(zhì)比例和種類的選擇

如圖1A 和1B 所示，在相同質(zhì)譜條件下，使用不同質(zhì)量比（1∶3、1∶2、1∶1、2∶1、10∶1、16.5∶1 和20∶1）的納米碳-SDS 復(fù)合基質(zhì)對腺苷和環(huán)磷腺苷進行MALDI-MS 分析?；赱M+Na]+和[M+K]+峰的信號強度，采用質(zhì)量比為16.5∶1 的納米碳-SDS 復(fù)合基質(zhì)檢測的腺苷和環(huán)磷腺苷信號峰均以[M+Na]+峰為主，其峰值明顯高于其它質(zhì)量比的納米碳-SDS 復(fù)合基質(zhì)。除質(zhì)量比為16.5∶1 的納米碳-SDS 復(fù)合基質(zhì)外，質(zhì)量比為2∶1 的納米碳-SDS 復(fù)合基質(zhì)獲得的峰強度高于其它質(zhì)量比的納米碳-SDS 復(fù)合基質(zhì)。因此，本研究選用質(zhì)量比為2∶1 和16.5∶1 的納米碳-表面活性劑復(fù)合基質(zhì)檢測L-苯丙氨酸、L-酪氨酸、腺苷、環(huán)磷腺苷和膽固醇，采用的表面活性劑包括Triton X 100、SDS 和CTAB，如圖1C、圖1D 和電子版文后支持信息圖S1 所示，采用質(zhì)量比為16.5∶1 的納米碳-SDS 復(fù)合基質(zhì)檢測各標(biāo)準(zhǔn)品時所獲得的峰強度最高。對比發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量比為16.5∶1 的納米碳-SDS 復(fù)合基質(zhì)用于MALDI-MS 分析時產(chǎn)生的背景干擾峰少于質(zhì)量比為2∶1 的納米碳-SDS 復(fù)合基質(zhì)。如圖1E 和1F 所示，在相同質(zhì)譜條件下，基于[M+Na]+和[M+K]+峰表現(xiàn)出的信號強度，使用質(zhì)量比為16.5∶1 的納米碳-SDS 復(fù)合基質(zhì)檢測腺苷和環(huán)磷腺苷的信號強度明顯高于其它納米碳-表面活性劑復(fù)合基質(zhì)和常規(guī)基質(zhì)。具體峰強度和信噪比結(jié)果見電子版文后支持信息表S1和S2。基于此，本研究選用質(zhì)量比為16.5∶1 的納米碳-SDS 復(fù)合基質(zhì)用于后續(xù)實驗。

以SDS 為基質(zhì)，采用MALDI-MS 檢測基質(zhì)背景峰和環(huán)磷腺苷，結(jié)果如圖2A 和2B 所示。其中SDS 濃度與電子版文后支持信息表S2 中的納米碳-SDS 復(fù)合基質(zhì)（16.5∶1）中SDS 的濃度相同，在m/z 311 處出現(xiàn)SDS 較強的[M+Na]+峰，這會影響m/z 300 的分析物的檢測。如圖2C 所示，使用質(zhì)量比為16.5∶1 的納米碳-SDS 復(fù)合基質(zhì)檢測時， m/z 311 處的SDS 基質(zhì)峰強度減弱，對目標(biāo)化合物的干擾也相應(yīng)減小，同時提升了峰強度和信噪比。采用SDS 基質(zhì)檢測L-苯丙氨酸、L-酪氨酸、腺苷和膽固醇驗證了此結(jié)論，結(jié)果如電子版文后支持信息圖S2 和表S3 所示。上述結(jié)果表明，納米碳-SDS 復(fù)合基質(zhì)是性能良好的MALDI-MS 基質(zhì)，其性能優(yōu)于單獨納米碳基質(zhì)或單獨SDS 基質(zhì)。

2.2 基質(zhì)溶液的穩(wěn)定性

在相同的實驗條件下，觀察新制備得到的納米碳-SDS 復(fù)合基質(zhì)溶液和純納米碳基質(zhì)溶液，二者均分散均勻，無團聚情況。放置14 d 后，納米碳-SDS 復(fù)合基質(zhì)溶液仍保持穩(wěn)定均勻的狀態(tài)，而純納米碳基質(zhì)溶液出現(xiàn)分層，底部出現(xiàn)團聚。這表明加入表面活性劑SDS 有助于納米碳分散，可提高其穩(wěn)定性。

2.3 納米碳-SDS 復(fù)合基質(zhì)的表征

納米碳-SDS 復(fù)合基質(zhì)的透射電子顯微鏡（TEM）圖如圖3A 所示。圖3B 為納米碳-SDS 復(fù)合基質(zhì)、納米碳-Triton X 100 復(fù)合基質(zhì)和納米碳-CTAB 復(fù)合基質(zhì)在250～500 nm 處的吸收光譜， 3 種基質(zhì)的最高吸收峰均在325 nm 附近，其中，納米碳-SDS 復(fù)合基質(zhì)的吸收峰最高，在這個范圍內(nèi)的吸收響應(yīng)最好。如圖3C和3D 所示，純納米碳基質(zhì)的Zeta 電位為15.9 mV， 納米碳-SDS 復(fù)合基質(zhì)的Zeta 電位為?28.6 mV。向納米碳顆粒中加入SDS 后， Zeta 電位的絕對值變大，分散性提高，表明納米碳-SDS 復(fù)合基質(zhì)的分散性優(yōu)于純納米碳基質(zhì)。

2.4 MALDI-MS 實驗條件的選擇

選擇膽固醇、三油酸甘油酯、DPPC、硬脂酸和蔗糖5 種標(biāo)準(zhǔn)品，激光能量以10% 的間隔從85% 降低到35%，考察激光能量對峰強度的影響。如圖4A 所示，不同化合物的質(zhì)譜峰強度與激光能量的關(guān)系存在差異，當(dāng)激光能量為75%時， 5 種樣品的響應(yīng)均比較高，因此后續(xù)實驗選擇激光能量為75%。

在激光能量為75%時，選擇上述5 種標(biāo)準(zhǔn)品，掃描次數(shù)以5 次為間隔從20 次增至40 次，考察掃描次數(shù)對質(zhì)譜峰強度的影響。如圖4B 所示，掃描35 次后，各樣品峰強度增加緩慢。綜合考慮質(zhì)譜響應(yīng)和檢測時間，后續(xù)實驗選擇掃描次數(shù)為35 次。

2.5 重復(fù)性考察

在激光能量為75%、掃描次數(shù)35 次的條件下，考察標(biāo)準(zhǔn)品的[M+Na]+峰強度的點內(nèi)和點間重復(fù)性。評價點內(nèi)重復(fù)性時，將一個標(biāo)樣點按“井”字劃分為9 個區(qū)域，每個區(qū)域采集圖譜3 次并取平均值，最后計算9 個區(qū)域的峰強度平均值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）；點間重復(fù)性是同一片預(yù)涂基質(zhì)上分別點樣9 個標(biāo)樣點，每個樣品點采集3 次數(shù)據(jù)并取平均值，計算9 個樣品點的峰強度平均值的RSD。

如圖5A 和5B 所示，采用純納米碳基質(zhì)檢測三油酸甘油酯標(biāo)準(zhǔn)品的峰強度點內(nèi)重復(fù)性（RSD）為6.21%，點間重復(fù)性為13.66%。如圖5C 和5D 所示，采用質(zhì)量比為16.5∶1 的納米碳-SDS 復(fù)合基質(zhì)檢測膽固醇、DPPC 和三油酸甘油酯的點內(nèi)重復(fù)性分別為4.0%、5.0%和3.3%，點間重復(fù)性分別為5.2%、6.7%和5.7%。點內(nèi)和點間重復(fù)性均低于7.0%，表明納米碳-SDS 復(fù)合基質(zhì)用于MALDI-MS 分析具有較好的重復(fù)性。采用不添加SDS 的純納米碳基質(zhì)檢測三油酸甘油酯時，點間重復(fù)性較差，這可能是納米碳團聚導(dǎo)致；加入SDS 后重復(fù)性提高，這是因為SDS 對納米材料的分散作用降低了納米碳團聚。

2.6 峰強度與濃度的線性關(guān)系考察

分別移取2 μL 不同濃度（0.05～1.00 mg/mL）的環(huán)磷腺苷和DPPC 溶液，點樣于覆有納米碳-SDS 復(fù)合基質(zhì)鍍層的載玻片上，測定質(zhì)譜峰強度，考察環(huán)磷腺苷和DPPC 的濃度與峰強度的線性關(guān)系。每個濃度標(biāo)準(zhǔn)樣品的質(zhì)譜峰強度為通過重復(fù)3 次實驗求平均值所得，質(zhì)譜峰強度均以[M+Na]+峰測定， 3 次質(zhì)譜峰強度的標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于3%。如圖6 所示，各標(biāo)準(zhǔn)品濃度與質(zhì)譜峰強度具有較好的線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)R2gt;0.993。按照3.3 倍截距標(biāo)準(zhǔn)差除以斜率估算檢出限[14]，環(huán)磷腺苷和DPPC 的檢出限分別為75 和79 μg/mL。

2.7 對豬腦局部組織的質(zhì)譜成像

將豬腦局部組織固定于覆有納米碳基質(zhì)鍍層的載玻片上，在真空干燥箱中干燥20 min， 進行MALDI-MS分析及質(zhì)譜成像。

利用HMDB（http：//www.HMDB.ca）數(shù)據(jù)庫并參考文獻[5，15]方法對化合物進行初步識別，共識別出97 個質(zhì)譜峰，包括谷氨酰胺（Glutamine）、肌苷（Inosine）、磷脂酰甘油（PG）和磷脂酰絲氨酸（PS）各1 種，固醇類、環(huán)磷脂酸（CPA）、脂酰肉堿（Carnitine）、溶血磷脂類和鞘磷脂（SM）各2 種， 3 種神經(jīng)酰胺（Cer），4 種脂肪酸（FA）， 5 種磷脂酰膽堿（PC）， 6 種甘油二酯（DG）， 9 種己糖神經(jīng)酰胺（HexCer）， 19 種磷脂酸（PA）， 21 種磷脂酰乙醇胺（PE），誤差在±6 ppm（×10–6）以內(nèi)。表1 總結(jié)了識別出的部分化合物成分，全部數(shù)據(jù)見電子版文后支持信息表S4。豬腦中脂質(zhì)含量豐富，本研究中檢出的化合物以脂類為主。

由圖7 中的光學(xué)圖可見，此豬腦組織分為腦白質(zhì)和腦灰質(zhì)兩部分。成像結(jié)果顯示， PA （34∶1）、PA （36∶2）和PE （38∶4）主要集中在腦灰質(zhì)部分，在腦白質(zhì)中含量較少；PA （38∶2）、HexCer （d40∶1 （2OH））和HexCer （d42∶2）在腦白質(zhì)中含量較多，尤其是HexCer （d42∶2 （2OH））、HexCer （d42∶1 （2OH））在腦白質(zhì)中的含量非常豐富。此外， PE （40∶6）在腦白質(zhì)和腦灰質(zhì)中含量都十分豐富，在腦白質(zhì)中更多。上述結(jié)果表明，納米碳-SDS 復(fù)合基質(zhì)可用于質(zhì)譜成像，具備觀察生物成分分布的潛質(zhì)。

3 結(jié)論

相較于常規(guī)基質(zhì)、納米碳-CTAB 復(fù)合基質(zhì)和納米碳-Triton X 100 復(fù)合基質(zhì)，納米碳-SDS 復(fù)合基質(zhì)在檢測氨基酸、環(huán)磷腺苷和膽固醇等小分子化合物以及生物組織成像方面具有獨特優(yōu)勢，如降低背景峰離子、增強目標(biāo)峰強度和提升目標(biāo)峰信噪比。本研究將納米碳-SDS 復(fù)合預(yù)涂基質(zhì)用于豬腦組織切片的MALDI-MS 成像，可以觀察到其腦白質(zhì)和腦灰質(zhì)中的成分分布存在差異。相較于單一納米碳基質(zhì)，表面活性劑SDS 的加入有助于提高基質(zhì)的穩(wěn)定性，減少納米顆粒團聚，因此可以增強測試的重復(fù)性及穩(wěn)定性。結(jié)合預(yù)涂基質(zhì)方法，有助于簡化MALDI-MS 實驗操作，擴大其應(yīng)用范圍。