基于納米材料的表面輔助激光解吸離子化質(zhì)譜探究

基于納米材料的外表輔助激光解吸離子化質(zhì)譜探究1引言MALDI-MS是由Hillenkamp課題組引入的一種軟電離質(zhì)譜技術(shù)，可以快速解吸高分子量物質(zhì)，無(wú)碎片產(chǎn)生或伴有少量碎片，具有卓越的檢測(cè)精度和靈敏度，是一種重要的生物分析工具。其測(cè)試原理是，當(dāng)用一定強(qiáng)度的激光(337nm的N2激光)照射樣品與基質(zhì)形成的共結(jié)晶薄膜時(shí)，基質(zhì)從激光中吸收能量，基質(zhì)-樣品之間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移使得樣品分子發(fā)生解吸電離，根據(jù)樣品的質(zhì)荷比(m/z)的不同來(lái)進(jìn)展檢測(cè)，并測(cè)得樣品分子的分子量。然而，由于該方法所使用的有機(jī)小分子基質(zhì)也發(fā)生電離，其本身的背景信號(hào)對(duì)低分子量分析物會(huì)產(chǎn)生一定的干擾，使其很難應(yīng)用于小分子量化合物(700Da)的分析。其次，MALDI-MS的測(cè)試條件要求比擬高，待測(cè)物需要與基質(zhì)可混溶，并且它們必須共結(jié)晶。因此，存在不均勻且非常復(fù)雜的共結(jié)晶現(xiàn)象，進(jìn)而影響基底外表信號(hào)的重復(fù)性。另外，由于選擇適宜的基質(zhì)及樣品制備過(guò)程的優(yōu)化也是一個(gè)不斷實(shí)驗(yàn)探究，費(fèi)時(shí)費(fèi)事的過(guò)程，因此，促使人們?nèi)ラ_(kāi)展一類防止有機(jī)基質(zhì)干擾的LDI-MS技術(shù)。最近，孔祥蕾等發(fā)表了一篇題為適用小分子化合物MALDI分析的基質(zhì)研究的綜述文章，對(duì)這方面的工作做了全面而系統(tǒng)的介紹，包括無(wú)機(jī)材料、有機(jī)分子、離子液體等作為傳統(tǒng)基質(zhì)的替代品發(fā)揮了能量轉(zhuǎn)移作用，另外還涉及到了基質(zhì)信號(hào)的抑制及小分子分析物的衍生化等。將納米材料應(yīng)用于LDI-MS，促進(jìn)了免有機(jī)基質(zhì)LDI-MS的開(kāi)展。與傳統(tǒng)的基質(zhì)輔助技術(shù)相比，用于LDI-MS的納米材料不會(huì)發(fā)生電離，使得該方法的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到小分子的分析。另外基于納米材料的LDI-MS還具有樣品制備簡(jiǎn)單、高耐鹽性及可以實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)物的定量分析等優(yōu)點(diǎn)。最初將納米材料引入到LDI-MS中的是Tanaka課題組，其使用30nm鈷納米粒子的甘油懸浮液實(shí)現(xiàn)了對(duì)蛋白質(zhì)及聚合物的檢測(cè)。隨后，Sunner課題組使用微米尺寸的石墨顆粒和活性炭的甘油懸濁液對(duì)多肽進(jìn)展質(zhì)譜分析，并提出了基于納米材料的外表輔助激光解吸離子化質(zhì)譜(SALDI-MS)的概念。實(shí)際上，SALDI-MS與MALDI-MS的引入均出于同一時(shí)代，只是當(dāng)時(shí)后者的廣泛應(yīng)用和迅速開(kāi)展致使前者的開(kāi)展受阻。直到后來(lái)Wei課題組提出基于多孔硅(DIOS)的免基質(zhì)LDI-MS，其證實(shí)了納米構(gòu)造外表與激光解吸電離增強(qiáng)的關(guān)系，促使人們探究不同納米材料在激光解吸電離質(zhì)譜中的應(yīng)用。與有機(jī)基質(zhì)所起的作用類似，這些納米材料能吸收激光能量，可以有效的解吸和軟電離待測(cè)物，而只產(chǎn)生很少的碎片。另外，基于納米材料的SALDI-MS有效地抑制了MALDI-MS中兩個(gè)主要問(wèn)題:由于共結(jié)晶薄膜所造成的甜點(diǎn)效應(yīng)會(huì)引起樣品分析時(shí)點(diǎn)與點(diǎn)之間重復(fù)性較差的問(wèn)題，以及在低分子量區(qū)有較高的背景干擾。最近，隨著納米技術(shù)的開(kāi)展，人們選擇了不同組成、形狀、尺寸的納米材料來(lái)進(jìn)展質(zhì)譜方面的應(yīng)用。由于種類繁多，我們根據(jù)材料的材質(zhì)，分四大類(碳納米材料、硅納米材、其他材料的納米粒子及納米雜化多孔材料)對(duì)研究較多的納米材料進(jìn)展了評(píng)述，并詳細(xì)討論了最近十年的研究進(jìn)展。2不同納米材料在SALDI-MS方面的應(yīng)用2.1基于納米碳材料的SALDI-MS分析碳材料可以吸收紫外光，然后將能量傳遞給附近的待測(cè)物以促進(jìn)其解吸電離，并且在低分子量區(qū)域不存在基質(zhì)干擾?；诖?，如今很多碳材料已被應(yīng)用于小分子量物質(zhì)的LDI-MS分析。最早被用于SALDI-MS分析的碳材料是石墨，可以在免有機(jī)基質(zhì)的條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)局部分子的質(zhì)譜分析，如多肽、低聚糖，及合成的聚合物。金剛石是碳材料的另一個(gè)同素異形體，在其外表修飾上一些特殊的官能團(tuán)，如羰基、羥基、醚和酯等，可被用于特異性結(jié)合血清中的肽和蛋白質(zhì)，如與癌癥相關(guān)的生物標(biāo)志物的免有機(jī)基質(zhì)的LDI-MS檢測(cè)。另外，羧基和胺基化的金剛石納米晶體已被成功應(yīng)用于別離、濃縮及純化蛋白質(zhì)和寡核苷酸。納米碳材料單位質(zhì)量的比外表積較大，反響才能強(qiáng)，選擇性好，負(fù)載才能高，有利于進(jìn)步檢測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍。并且大部分的碳基納米材料能對(duì)光有吸收，同時(shí)也是良好的電導(dǎo)體，這對(duì)于有效的能量傳遞和分散是至關(guān)重要的。如今，各種形式的碳納米材料(包括富勒烯、碳納米管及石墨烯)在SALDI-MS方面都得到了廣泛應(yīng)用。鑒于碳材料在該領(lǐng)域的研究較多，這里我們重點(diǎn)對(duì)具有納米構(gòu)造的碳材料，如富勒烯、碳納米管、石墨烯等在這方面的工作做一綜述。另外，一般使用的石墨類碳材料會(huì)在LDI-MS分析過(guò)程中產(chǎn)生碳簇Cn-干擾離子峰，嚴(yán)重限制了對(duì)m/z300的小分子的分析，相比而言，基于上述三類碳納米材料的使用在一定程度上消除了該不利方面。2.1.1基于富勒烯的SALDI-MS分析富勒烯(C60)是由60個(gè)sp2雜化的碳原子通過(guò)20個(gè)六邊形和12個(gè)五邊形連接而成的具有30個(gè)碳碳雙鍵的足球狀直徑約1nm的空心對(duì)稱分子，具有非常高的對(duì)稱性。富勒烯是一個(gè)大共軛體，其化學(xué)和物理性質(zhì)說(shuō)明它是缺電子烯烴而非富電子的芳香體系。由于其獨(dú)特的性質(zhì)，在生物技術(shù)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。Willett課題組通過(guò)預(yù)涂富勒烯薄膜，第一次將C60作為能量吸收分子用于激光解吸電離分析。相比有機(jī)基質(zhì)，富勒烯的構(gòu)造對(duì)于激光光子的吸收更為有效，其光吸收波長(zhǎng)范圍更廣。因此，待測(cè)物解吸過(guò)程所需要的激光強(qiáng)度低于傳統(tǒng)的有機(jī)基質(zhì)。此外，富勒烯與待測(cè)物之間只需很小的摩爾比就獲得較高靈敏度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明，富勒烯/待測(cè)物的摩爾比在低于100∶1的情況下仍足以獲得合理的質(zhì)譜圖，而標(biāo)準(zhǔn)有機(jī)基質(zhì)那么進(jìn)展免有機(jī)基質(zhì)的LDI-MS分析。這些衍生物在紫外范圍內(nèi)具有很強(qiáng)的光吸收，這使得它們適于低分子量化合物的免基質(zhì)分析。此外，由于其疏水性和負(fù)電荷性質(zhì)，可以選擇性富集待測(cè)物如氨基酸、多肽或蛋白質(zhì)，從而進(jìn)步了其檢測(cè)靈敏度。2.1.2基于碳納米管的SALDI-MS分析碳納米管是由sp2和sp3雜化狀態(tài)的碳原子混合組成的一維量子材料，其徑向尺寸為納米量級(jí)(1～50nm)，軸向尺寸為微米量級(jí)(1～20m)。鄒漢法課題組首次報(bào)道使用由電弧放電方法得到的碳納米管進(jìn)展SALDI-MS檢測(cè)。相比MALDIMS，基于碳納米管的SALDI-MS表現(xiàn)出較高的靈敏度，能以較低的激光功率閾值檢測(cè)低至50amol的小分子。Chen等通過(guò)在NaH處理的陽(yáng)極氧化鋁模板上滴加高濃度的檸檬酸鹽緩沖液制備得到的碳納米管實(shí)現(xiàn)了對(duì)多肽和蛋白質(zhì)溶液的質(zhì)譜檢測(cè)。并且檸檬酸鹽緩沖劑作為質(zhì)子源有效抑制了堿金屬離子加合物的產(chǎn)生。該方法對(duì)分子量較小的多肽和細(xì)胞色素c檢測(cè)限可以到達(dá)fmol級(jí)。另外，通過(guò)檸檬酸鹽與待測(cè)物之間的靜電互相作用和疏水作用，碳納米管還可以從含有干擾物質(zhì)的溶液中將待測(cè)物質(zhì)進(jìn)展預(yù)濃縮，起到富集作用，進(jìn)一步增大了該方法的檢出限。與此類似，鄒漢法等使用未功能化的碳納米管可以從混合物中來(lái)選擇性提取小分子，進(jìn)而進(jìn)展SALDI-MS表征。使用碳納米管進(jìn)展SALDI-MS分析存在兩個(gè)缺點(diǎn):首先，碳納米管不能與樣品板共價(jià)結(jié)合，因此會(huì)從樣品板外表飛起污染飛行時(shí)間檢測(cè)器。在點(diǎn)樣前使用聚氨酯粘結(jié)劑固定碳納米管的方法，可以有效地防止碳納米管飛離樣品板的外表。該方法可以實(shí)現(xiàn)溶液中小的多肽和中性碳水化合物(其一般用激光解吸電離方法很難檢測(cè))以及尿樣中的葡萄糖的檢測(cè)。除此之外，固定化可以允許快速點(diǎn)樣技術(shù)如電噴霧樣品沉積，這樣可以不用尋找甜點(diǎn)，也促進(jìn)了源后衰變實(shí)驗(yàn)。其次，碳納米管很難溶解在溶液中，這限制了其在蛋白組學(xué)分析中的使用。為了使得改良的碳納米管可以分析環(huán)境液體，鄒漢法等探究了由硝酸化氧化制備的氧化碳納米管在SALDI-MS中的應(yīng)用。由于氧化碳納米管具有親水性，使得樣品結(jié)晶更均一，激光點(diǎn)到點(diǎn)的重現(xiàn)性得到改善因此可以進(jìn)展定量分析。并且由于氧化外表羥基和羧基存在，其可為待測(cè)物提供質(zhì)子，因此，當(dāng)使用氧化碳納米管進(jìn)展LDI-MS分析時(shí)無(wú)需再添加質(zhì)子源。2.1.3基于石墨烯及氧化石墨烯的SALDI-MS分析石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。2022年，Novoselov課題組使用透明膠帶發(fā)現(xiàn)了石墨烯，并證明其具有良好的電導(dǎo)率。李景虹等首次將石墨烯作為能量轉(zhuǎn)移基質(zhì)用于小分子量化合物的LDI-MS分析，包括多種極性分子，如氨基酸、多胺、抗癌藥物、核苷，以及膽固醇等的非極性化合物。由于石墨烯具有大面積的納米片狀構(gòu)造，可以緊緊吸附樣品目的物，防止在真空條件下從樣品板上脫離，從而防止了污染離子源和真空系統(tǒng)。另外，由于石墨烯具有簡(jiǎn)單的單層構(gòu)造及獨(dú)特的電子性質(zhì)，可以增強(qiáng)石墨烯基質(zhì)層上待測(cè)物的激光解吸電離效率。該方法樣品制備簡(jiǎn)單，無(wú)背景信號(hào)，并且具有較好的重現(xiàn)性和耐鹽性。同時(shí)，利用石墨烯作為吸附劑用于固相提取角鯊烯，可以很大程度上改善其檢出限。蔡宗葦?shù)葓?bào)道了一種將待測(cè)物和石墨烯懸浮液的混合物直接滴加在樣品板上，進(jìn)展負(fù)離子形式下的LDI-TOF-MS直接分析小分子的新方法。實(shí)驗(yàn)說(shuō)明石墨烯可以與待測(cè)物混合得到均一的薄膜，從而防止了共結(jié)晶現(xiàn)象導(dǎo)致的點(diǎn)與點(diǎn)之間重復(fù)性差的問(wèn)題。石墨烯是一種雙面多環(huán)芳烴，其大的離域電子系統(tǒng)還賦予石墨烯的碳環(huán)構(gòu)造具有承載才能高吸附性強(qiáng)的突出優(yōu)點(diǎn)。鑒于石墨烯的獨(dú)特性質(zhì)和其高的化學(xué)穩(wěn)定性，可以將石墨烯作為樣品預(yù)處理過(guò)程中一個(gè)好的吸附劑。為了改善其富集效果，可以在富集過(guò)程中引用磁性粒子來(lái)輔助。Shi等通過(guò)一步水熱反響成功合成了磁性Fe3O4負(fù)載的石墨烯復(fù)合物，將其作為吸附劑應(yīng)用到樣品的預(yù)處理中，并通過(guò)SALDI-TOF-MS來(lái)分析小分子，并有效消除了傳統(tǒng)有機(jī)基質(zhì)所帶來(lái)的干擾。Kawasaki等采用包覆由苯胺官能團(tuán)化的鈷納米粒子(CoC-NH2納米磁體)的石墨烯富集待測(cè)物用于SALDI-MS分析。CoC-NH2納米磁體通過(guò)靜電互相作用及由疏水性的苯基及石墨烯產(chǎn)生的疏水作用，可以實(shí)現(xiàn)稀溶液中全氟化合物的有效富集，直接進(jìn)展SALDIMS分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)五氯酚、雙酚A、含不同鏈長(zhǎng)的氟化物等環(huán)境污染物及一些小分子藥物的高靈敏度檢測(cè)。Gulbakan等通過(guò)化學(xué)方法得到適配體共軛連接的氧化石墨烯，將其作為親合萃取劑在不需要任何基質(zhì)的情況下于血漿樣品中選擇性富集可卡因和腺苷，直接得到信噪比得到極大改善的質(zhì)譜圖。將不同納米材料進(jìn)展合理組合，進(jìn)而發(fā)揮其協(xié)同效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)各類小分子的質(zhì)譜分析。Kim等報(bào)道了一種氧化石墨烯和胺化的多壁碳納米管組裝的雙層激光解吸電離芯片來(lái)探測(cè)小分子和進(jìn)展質(zhì)譜組織成像。氧化石墨烯與多壁碳納米管的結(jié)合，可以有效地增大其外表粗糙度和吸附待測(cè)物的外表積，以此增強(qiáng)激光解吸電離的效率。由于氧化石墨烯/胺化的多壁碳納米管外表帶電荷，使其在水中具有較好的潮濕性，這些性質(zhì)使得氧化石墨烯/胺化的多壁碳納米管雙層構(gòu)造成為理想的激光解吸電離芯片，實(shí)現(xiàn)了對(duì)纖維二糖、亮氨酸腦啡肽、葡萄糖、賴氨酸、甘露醇和苯丙氨酸等的高靈敏度(1nmol)低背景信號(hào)的質(zhì)譜分析。該芯片適宜在磷酸緩沖溶液中對(duì)小分子物質(zhì)的直接檢測(cè)，而無(wú)須任何脫鹽和富集過(guò)程。由于氧化石墨烯、胺化的多壁碳納米管及基底之間所形成的共價(jià)鍵，具有機(jī)械忍受性，使該芯片具有很好的穩(wěn)定性，可以重復(fù)使用，不存在激光輻射誘導(dǎo)對(duì)納米構(gòu)造的破壞，可循環(huán)檢測(cè)分析15次以上。該課題組進(jìn)一步報(bào)道了金納米粒子/氧化石墨烯雜化納米膜用于激光解吸電離質(zhì)譜分析的新方法。一樣實(shí)驗(yàn)條件下，單純氧化石墨烯膜沒(méi)有任何信號(hào)，而雜化膜對(duì)于二糖、小肽、單糖和氨基酸的代表物質(zhì):纖維二糖、亮氨酸腦啡肽、葡萄糖、賴氨酸及苯丙氨酸的檢測(cè)限均到達(dá)100pmol。證明在分析小分子時(shí)金納米粒子的負(fù)載，可以促進(jìn)氧化石墨烯膜有效的激光解吸電離。比照實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，氧化石墨烯膜上存在金納米粒子，并且具有適宜的密度是成功檢測(cè)小分子的關(guān)鍵。而氧化石墨烯的存在可以防止快速加熱和/或通過(guò)其散熱降低金納米的過(guò)度加熱。該基底可以重復(fù)使用10次。2.2基于硅納米材料的SALDI-MS分析1999年，Siuzdak課題組報(bào)道了一種用硅晶片在氫氟酸中電化學(xué)腐蝕得到的多孔硅(DIOS)材料用于免有機(jī)基質(zhì)的LDI-MS分析方法，開(kāi)啟了硅材料在SALDI-MS方面的研究。由于DIOS外表可以捕獲待測(cè)物分子并且有效的吸收紫外激光能量，通過(guò)該方法得到的數(shù)據(jù)信噪比增強(qiáng)并且背景峰最小化。隨后該課題組通過(guò)甲硅烷基化作用進(jìn)一步開(kāi)展了多孔硅芯片，這使得多孔硅外表更加穩(wěn)定并且具有化學(xué)反響外表修飾其他的功能分子，可進(jìn)一步擴(kuò)展其用處。鄒漢法課題組報(bào)道了一種在多孔硅外表修飾牛血清白蛋白的方法，并以此為芯片成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)蛋白質(zhì)(BSA)與藥物分子互相作用的LDI-MS分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)蛋白配體的挑選。2022年，Siuzdak課題組還報(bào)道了一種硅片上附著硅納米線陣列進(jìn)展解吸電離的方法，使用這種材料測(cè)試化合物(緩激肽)檢出限為500fmol，是多孔硅檢測(cè)限的六分之一。相比傳統(tǒng)的MALDI和多孔硅LDI方法，10～40nm的硅納米線陣列只需較低強(qiáng)度的激光，有效降低了背景峰的干擾。之后，該課題組在DIOS的根底上，又報(bào)道了一種解吸離子化效率更好的窗格形硅納米材料，該材料外表聚集了一種含氟的硅烷或硅氧烷聚合物作為引發(fā)劑，受到激光照射時(shí)，引發(fā)劑會(huì)猛烈爆發(fā)，釋放出離子化的分析物，該方法被稱為納米構(gòu)造-引發(fā)劑質(zhì)譜(nanostructure-initiatormassspectrometry，NIMS)。與MALDI中使用的基質(zhì)不同，NIMS中選用的引發(fā)劑對(duì)紫外光沒(méi)有吸收，不會(huì)發(fā)生離子化(防止了化學(xué)噪音的引入)，并且也不會(huì)與待分析物共結(jié)晶(有利于分析物空間分辨率的進(jìn)步)，因此更適用于生物樣品中小分子代謝物的分析及實(shí)現(xiàn)組織成像。Siuzdak課題組利用該材料，報(bào)道了一系列工作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多肽微陣列、單細(xì)胞、血液和血清的直接分析和表征，并能實(shí)現(xiàn)組織切片中代謝物的質(zhì)譜成像。微米尺寸的硅和二氧化硅粒子作為SALDI基質(zhì)也同樣被研究。結(jié)果說(shuō)明硅可以作為基質(zhì)，而二氧化硅那么不可以。鄒漢法等還報(bào)道了硅膠及多孔硅粉用于小分子的LDI-MS分析的應(yīng)用，研究說(shuō)明分析物主要是以分子離子峰的形式被檢測(cè)。眾所周知，當(dāng)材料的尺寸到達(dá)納米級(jí)時(shí)會(huì)表現(xiàn)出一些特殊的性能。Wen等報(bào)道了使用5～50nm的硅納米粒子對(duì)普羅帕酮和維拉帕米藥的LDI-MS分析，研究說(shuō)明，硅納米粒子具有很好的分子選擇性，耐鹽性，可以直接用于檢測(cè)尿液、其他生物流體、組織中的代謝物及環(huán)境中的污染物。Duprec等那么評(píng)估了6種不同形貌和化學(xué)修飾的納米硅外表的激光解吸電離質(zhì)譜性能。對(duì)模擬胰蛋白酶消化的肽液進(jìn)展質(zhì)譜分析，結(jié)果說(shuō)明，相比氣液固生長(zhǎng)技術(shù)合成的硅納米線LDI外表，金屬輔助蝕刻方法合成的納米硅LDI外表是最有效的，其中由兩個(gè)納米構(gòu)造層構(gòu)成的外表提供的LDI-MS性能最好。并且還發(fā)現(xiàn)，有機(jī)涂層(烴和碳氟化合物)的類型顯著影響肽的電離效率。2.3基于其他材料納米粒子的SALDI-MS分析納米粒子(NP)是指顆粒尺寸在1～100nm范圍內(nèi)的超微粒子，由于其處于微觀區(qū)域，具有大的比外表積，從而使其具有許多與同質(zhì)分子不同的物理化學(xué)性質(zhì)，如不同尺寸和形狀的納米粒子表現(xiàn)出顯著不同的光學(xué)性質(zhì)及特殊的磁、電、熱力學(xué)等性能。納米粒子可以作為SALDI-MS的基質(zhì)用于各種生物分子(包括氨基酸類、多肽類、蛋白質(zhì)類)的分析及質(zhì)譜成像，其主要原因在于:(1)具有較大的外表外表，然后通過(guò)離心或磁別離很容易與溶液別離);(4)易于高通量制備均勻樣品，且其本錢(qián)較低。由于納米粒子的材料各不一樣，我們這里只對(duì)研究較多的金屬納米粒子(如Au、Ag、Pt納米粒子)，金屬氧化物納米粒子(如ZnO、TiO2納米粒子)及其他材料的納米粒子(如EuF3納米粒子及CdS、ZnS、HgTe量子點(diǎn))等在SALDI-MS方面的應(yīng)用做一綜述。2.3.1Au納米粒子在SALDI-MS方面的應(yīng)用在所有的納米粒子中，金納米粒子在SALDI-MS中的應(yīng)用研究較多。Russell課題組首次將2、5和10nm三種尺寸的納米金用于SALDI-MS多肽分析，其中2nm的金納米粒子表現(xiàn)出最高的電離效率。相比檸檬酸鈉包覆的金納米粒子，巰基苯胺修飾的金納米粒子的離子化效率增強(qiáng)，離子碎片減少，并增加了待測(cè)物的質(zhì)譜分析范圍。Wu等提出了使用金納米粒子改善SALDI-MS分析點(diǎn)到點(diǎn)重現(xiàn)性的樣品制備方法。相比于2，5-DHB基質(zhì)，該方法即使在高鹽溶液中也能實(shí)現(xiàn)待測(cè)物的定量分析。金納米粒子的尺寸、外表是否有包覆分子、在樣品靶板上的分布及濃度的優(yōu)化也是影響金納米有效進(jìn)展SALDI-MS的重要因素。張煥忠課題組應(yīng)用兩種不同尺寸的金納米粒子(3.5和14nm)作為SALDI-MS分析的探針和基質(zhì)來(lái)分析氨基硫醇。將3.5和14nm的金納米粒子進(jìn)展混合，其中較大的納米粒子選擇性地捕獲氨基硫醇而較小的納米粒子進(jìn)步SALDI-MS的靈敏度，對(duì)三種氨基硫醇(谷胱甘肽，半胱氨酸和胱氨酸)的檢測(cè)限分別可以到達(dá)2，20和44nM。另外，該方法的實(shí)用性也很強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)MCF-7細(xì)胞裂解液中的谷胱甘肽和細(xì)胞質(zhì)中半胱氨酸的有效分析。Su等研究了金納米粒子外表是否有包覆分子及分子的種類對(duì)其離子化效率的影響。相比檸檬酸鈉或陽(yáng)離子外表活性劑包覆的金納米粒子，裸露的金納米粒子可以將中性碳水化合物，如核糖、葡萄糖、纖維二糖和麥芽糖等捕獲到其外表，有效抑制了MALDI-MS對(duì)碳水化合物離子化效率低的問(wèn)題。Amendola等報(bào)道了一種通過(guò)在溶液中激光燒蝕合成得到無(wú)化學(xué)修飾、尺寸具有選擇性的金納米粒子，相比檸檬酸鹽穩(wěn)定的金納米粒子，其在低分子量區(qū)域具有非常低的背景(500Da)。對(duì)于低分子量分析物，如精氨酸、果糖、莠去津、蒽和紫杉醇檢測(cè)性能較好，到達(dá)pmol。結(jié)果說(shuō)明，金納米粒子的外表化學(xué)和尺寸是影響LDI-MS靈敏度及選擇性的關(guān)鍵參數(shù)。另外，使用金納米粒子可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種待測(cè)物的SALDI-MS定量檢測(cè)。Chen等報(bào)道了一種使用N-2-巰丙酰-甘氨酸修飾的金納米粒子作為內(nèi)標(biāo)物定量測(cè)定卡托普利濃度的方法，檢測(cè)限達(dá)1M。在利用LDI-MS作為分析手段進(jìn)展待測(cè)物質(zhì)譜分析的過(guò)程中，除了選擇常用的紫外激光(337nm)作為激發(fā)光源外，研究者還嘗試了其他波長(zhǎng)的激光用于該領(lǐng)域的研究。由可見(jiàn)光引起的外表等離子體激發(fā)稱為部分外表等離子體共振。納米尺寸的金納米粒子在可見(jiàn)激光或部分外表等離子體共振附近吸收帶的照射下，會(huì)造成溫度升高及顆粒大小的變化。因此，人們希望通過(guò)選擇可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的激光，再結(jié)合具有部分外表等離子體共振吸收的金納米粒子進(jìn)展SALDI-MS分析，能有效進(jìn)步待測(cè)物的SALDI效率。Chen等報(bào)道了在Nd:YAG脈沖可見(jiàn)激光(532nm)激發(fā)下，使用金納米棒實(shí)現(xiàn)了生物分子(多肽和碳水化合物)的SALDI-MS分析。Shibamoto等在可見(jiàn)激光(532nm)條件下，結(jié)合基于金納米粒子外表等離子體激發(fā)的電荷互相作用，成功實(shí)現(xiàn)了待測(cè)物的SALDI-MS超靈敏檢測(cè)。金納米棒除了在約520nm處有橫向的部分外表等離子體共振形式吸收帶，在近紅外區(qū)域也出現(xiàn)部分外表等離子體共振吸收帶。進(jìn)一步，研究者又將LDI-MS儀器中激光的波長(zhǎng)從可見(jiàn)光擴(kuò)展到近紅外激光。Russell課題組報(bào)道了使用近紅外范圍的Nd:YAG激光(1064nm)，選擇金納米棒為能量轉(zhuǎn)移基質(zhì)，成功實(shí)現(xiàn)了多種生物分子的SALDI-MS分析。為了研究激光的波長(zhǎng)對(duì)待測(cè)物離子化效率的影響，Gmez等比擬了從紫外、可見(jiàn)到近紅外范圍內(nèi)，在四種不同波長(zhǎng)激光(266，355，532，1064nm)的激發(fā)下，金納米球、納米棒和納米星的SALDI性能。結(jié)果說(shuō)明，相對(duì)于傳統(tǒng)的紫外激光，使用可見(jiàn)及近紅外的激光，并結(jié)合納米材料的外表等離子體共振，有效地進(jìn)步了待測(cè)物的離子化效率?？傮w來(lái)說(shuō)，納米顆粒的等離子體激發(fā)和LDI閾值之間存在親密的相關(guān)性?；诮鸺{米粒子的SALDI-MS除了可對(duì)外表的吸附物進(jìn)展有效的質(zhì)譜分析外，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，還可以作為常規(guī)的分析方法用于一些特定組分的檢測(cè)。最近，Huang課題組報(bào)道了一種基于金納米粒子修飾的混合纖維素酯膜，通過(guò)SALDI-MS檢測(cè)水溶液中砷(Ⅲ)離子的新方法(亞砷酸鹽，AsO2-)。在堿性溶液中，當(dāng)金納米粒子與鉛離子(Pb2+)反響時(shí)，立即在金納米粒子外表形成金-鉛配合物(氧化鉛和氫氧化鉛)。隨后添加AsO2-，這些含鉛物質(zhì)迅速與其反響，在金納米粒子的外表形成PbOAs2O3，(PbO)2As2O3和(PbO)3As2O3。并且在溶液中可以明顯觀察到金納米顆粒發(fā)生聚集(過(guò)程見(jiàn)圖4)。該P(yáng)b2+/AuNPs探針可以在濃度為0.6M的溶液中高選擇性檢測(cè)AsO2-(高于其他陰離子和金屬離子至少100倍)。當(dāng)金納米粒子修飾的混合纖維素酯膜與AsO2-反響時(shí)，[Pb]+的信號(hào)強(qiáng)度增強(qiáng)，相反，[Au]+的信號(hào)強(qiáng)度下降。因此，濃度范圍從10nM～10M，隨著AsO2-增加[Pb]+/[Au]+峰值比增加。在信噪比為3的條件下檢測(cè)限為2.5nM，遠(yuǎn)低于由美國(guó)環(huán)境保護(hù)署對(duì)飲用水中規(guī)定的程度(133nM，約10ppb)。利用上述方法，該課題組還實(shí)現(xiàn)了對(duì)蛋白質(zhì)(凝血酶、血纖維蛋白溶酶)、碘離子及鉛離子的檢測(cè)。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化，使該方法具有靈敏度高、選擇性好、耐鹽性好和高通量的優(yōu)點(diǎn)?；诮鸺{米粒子的SALDI-MS在對(duì)細(xì)胞內(nèi)生物分子的分析方面也發(fā)揮了重要作用。Zhu課題組利用基于金納米粒子SALDI-MS，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)胞內(nèi)組分的多重分析。在金納米粒子外表修飾一系列陽(yáng)離子或中性配體，金納米粒子以胞吞的形式直接進(jìn)入細(xì)胞，可以特異性結(jié)合待分析物，之后對(duì)細(xì)胞進(jìn)展溶解、離心別離，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)待分析物的直接質(zhì)譜分析。另外，通過(guò)改變金納米粒子外表的功能基團(tuán)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞內(nèi)不同組分的提取，并進(jìn)展有效的質(zhì)譜檢測(cè)。2.3.2銀納米粒子在SALDI-MS方面的應(yīng)用另一種在SALDI-MS領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛的金屬納米粒子是銀納米粒子。Chiu等通過(guò)使用在337nm處具有高的吸收系數(shù)(1.2108M-1cm-1)的銀納米粒子(～34nm)為能量轉(zhuǎn)移基質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)孕婦的尿液樣本中三種雌激素，即雌酮(E1)、雌激素(E2)和雌三醇(E3)的測(cè)定。簡(jiǎn)單的預(yù)濃縮后，該方法對(duì)E1、E2和E3的檢測(cè)限分別是2.23，0.23和2.11M。Shrivas課題組報(bào)道了一種基于不同功能基團(tuán)包覆的銀納米粒子SALDI-MS分析含硫藥物及生物硫醇分子的方法，具有無(wú)須進(jìn)展繁瑣的別離、洗滌或淋洗過(guò)程等優(yōu)越性。Wang課題組那么利用金/銀核殼納米粒子實(shí)現(xiàn)了對(duì)人細(xì)胞質(zhì)樣品中多種氨基糖苷類分子的SALDI-MS分析。其中對(duì)巴龍霉素、卡那霉素、新霉素及慶大霉素的檢測(cè)限分別到達(dá)9、130、81及180nM。Xiao等以對(duì)巰基苯胺(4-ATP)為復(fù)原劑，控制銀納米粒子在硅片外表上的沉積速率，得到外表含有4-ATP修飾的銀納米粒子涂層的硅材料，以此為SALDI-MS分析基底，對(duì)四吡啶卟啉的檢測(cè)限到達(dá)fmol級(jí)，對(duì)催產(chǎn)素、聚乙二醇400和2300到達(dá)pmol級(jí)。因?yàn)殂y膠體具有低的反響活性，并且在MALDI板上吹干時(shí)不形成晶體，所得到的質(zhì)譜信號(hào)重現(xiàn)性好，這使它們適宜在細(xì)胞外表定位感興趣的化合物。例如，Cha等用膠體銀通過(guò)質(zhì)譜成像直接對(duì)擬南芥的葉子和花外表的表皮蠟質(zhì)代謝產(chǎn)物進(jìn)展成像。實(shí)現(xiàn)以銀離子加合物的形式對(duì)長(zhǎng)鏈脂肪酸、醇、烷烴及酮等化合物的檢測(cè)。該方法提供了約100m的空間分辨率;它已被應(yīng)用在包括心皮、花瓣、萼片等花的各器官上定位表皮蠟質(zhì)代謝產(chǎn)物。現(xiàn)已應(yīng)用烷基酸和烷基胺改性的銀納米粒子在負(fù)離子形式下進(jìn)展質(zhì)譜成像，以觀察小鼠肝臟和視網(wǎng)膜樣品中的脂肪酸。另外，通過(guò)采用共軛的銀納米粒子質(zhì)譜成像可以觀察到脂肪酸的六種離子圖像，而利用DHB作為基質(zhì)時(shí)那么沒(méi)有檢測(cè)到任何信號(hào)。這種方法對(duì)棕櫚酸提供的檢測(cè)限為50pmol，空間分辨率為10m。2.3.3鉑納米粒子在LDI-MS方面的應(yīng)用與銀或金材料基底相比，鉑材料基底更穩(wěn)固，鉑粒子非常穩(wěn)定，在大氣條件下也不容易氧化。此外，鉑納米粒子是黑色的，因此可以有效的從整個(gè)紫外/可見(jiàn)光譜吸收激光。研究說(shuō)明，鉑納米材料可以用于分析生物小分子，包括肽和磷脂。在這項(xiàng)研究中，在真空條件下利用磁控濺射將鉑薄膜涂覆在硅晶片上。鉑膜的厚度為10～40nm。對(duì)血管緊張素的檢測(cè)限到達(dá)低于fmol程度。在低激光能量和有限樣本量的條件下，使用這種新材料可以獲得低分子量分子的高分辨質(zhì)譜。此外，這種新穎的基底在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)相當(dāng)穩(wěn)定，沒(méi)有甜點(diǎn)的現(xiàn)象，整個(gè)基底外表具有一樣的檢測(cè)靈敏度。更重要的是，電離效率不僅受基底本身性質(zhì)及其形貌的影響，也受制備過(guò)程的影響。盡管合成方法顯著影響材料的形貌及其電離效率，然而在個(gè)別情況下，分析結(jié)果只由基底材料本身性質(zhì)決定。例如，由硼氫化鈉簡(jiǎn)單復(fù)原H2PtCl6得到的Pt基底(粉末構(gòu)造)和由一樣溶液通過(guò)電偶位移得到的Pt基底(自組裝的花瓣構(gòu)造)的外表形態(tài)差異很大，但化合物的LDI的分析性能幾乎是一樣的。Yonezawa等系統(tǒng)研究了沒(méi)有包覆穩(wěn)定劑的金屬(Cu，Ag，Au和Pt)納米粒子用于SALDI-MS分析多肽的可行性。雖然所有金屬納米粒子對(duì)SALDI-MS中的N2激光(337nm)有能量吸收，但是多肽的代表物血管緊張素Ⅰ解吸/電離性能強(qiáng)烈依賴于金屬元素。這些金屬納米粒子之間，Pt納米粒子由于其低的熱導(dǎo)率和高的熔融溫度，在SALDI-MS分析中呈現(xiàn)出最好的性能。此外，Pt在激光輻照條件下穩(wěn)定，并且很少形成金屬簇離子。相反，銀納米粒子和銅納米粒子無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)血管緊張素Ⅰ的SALDI-MS檢測(cè)。另外，Arakawa課題組制備了一種外表沒(méi)有任何包覆分子的鉑納米花，可以用于生物分子的SALDI-MS分析。在相對(duì)較低的激光能量下，基于鉑納米花的SALDI-MS可以實(shí)現(xiàn)對(duì)肽和蛋白質(zhì)非常高的檢測(cè)靈敏度(fmol級(jí))。Chiang等研究了六種不同的納米材料(Au納米粒子、TiO2納米粒子、Se納米粒子、CdTe量子點(diǎn)、Fe3O4納米粒子和Pt納米海綿)用于SALDI-MS分析小分子待測(cè)物、多肽及蛋白的性能。這些納米材料中，Pt納米海綿和Fe3O4納米粒子對(duì)蛋白質(zhì)最有效，其檢測(cè)上限約25kDa。而對(duì)于小分子量的待測(cè)物，Au納米粒子是最有效的。使用金屬納米粒子進(jìn)展SALDI-MS分析肽類待測(cè)物時(shí)存在的問(wèn)題是，即使在過(guò)量的質(zhì)子源三氟乙酸存在下，待測(cè)物也是以堿金屬離子的加合物形式出現(xiàn)，并且峰值強(qiáng)度低。Yao等為了進(jìn)步形成肽的質(zhì)子加合物的檢測(cè)效果，研究了鉑納米粒子沉積硅板的不同基底的SALDI-MS檢測(cè)效率:(1)電沉積Pt(PGDS)，(2)Pt顆粒的懸浮沉積，(3)氧化硅上蒸發(fā)鉑，(4)硅蒸發(fā)鉑。這些基板中，PGDS板得到的肽的質(zhì)譜主要是質(zhì)子加合物。除了鉑沉積，當(dāng)采用鈀電沉積作為SALDI-MS的基板時(shí)，其主要形成分子的Na+和K+加合物形式。紫外激光輻照介導(dǎo)外表使得PGDS中(電子和空穴)電荷有效別離，形成部分正電荷，這對(duì)形成肽的質(zhì)子加合物形式很重要。以PGDS為基底實(shí)現(xiàn)了對(duì)甘氨酸-甘氨酸-酪氨酸-精氨酸、咖啡因、棉子糖和-環(huán)糊精的免基質(zhì)LDI-MS檢測(cè)。該課題組之后又開(kāi)展了一系列鉑納米粒子的合成方法，如無(wú)電偶置換的條件下在刮痕硅基底上合成三維鉑納米花、在二氧化鈦納米管陣列上光化學(xué)沉積鉑納米粒子以及通過(guò)全氟癸基三氯硅烷外表改性的方法合成混有鉑納米粒子的硅板，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)-酪蛋白消化物和各種小分子、肽、膦肽、磷脂、碳水化合物及合成聚合物的SALDI-MS分析。2.3.4金屬氧化物及無(wú)機(jī)鹽納米粒子在LDI-MS方面的應(yīng)用除上述涉及的三種金屬納米粒子外，研究說(shuō)明，一些金屬氧化物及無(wú)機(jī)鹽納米粒子也可用于SALDI-MS分析。Watanabe等使用各向異性的氧化鋅納米粒子進(jìn)展了SALDI-MS分析。氧化鋅有利于源后衰變分析，可以得到磷脂的簡(jiǎn)單質(zhì)譜。另外，還可用于分析合成聚合物:聚乙二醇、聚苯乙烯及聚甲基丙烯酸甲酯，其靈敏性和分子量分布可以到達(dá)以DHB為基質(zhì)時(shí)進(jìn)展MALDI-MS分析的程度。Kailasa等以氧化鎂納米粒子作為一種新的基質(zhì)對(duì)寡糖麥芽七糖、異麥芽酮糖、潘糖、N-乙酰基和-龍膽二糖等寡糖進(jìn)展SALDI-MS分析，測(cè)得的質(zhì)譜無(wú)背景噪聲，在低分子量區(qū)域沒(méi)有碎片離子。相對(duì)于SALDI-MS中常用的其他材料，單晶六角形微盤(pán)EuF3納米顆粒和HgTe量子點(diǎn)也可以作為非常有效的LDI-MS分析基質(zhì)。王志林課題組報(bào)道的單晶六角形微盤(pán)EuF3在負(fù)離子反射形式下分析小肽和氨基酸不存在背景峰。另外EuF3微盤(pán)可以成功分析聚乙二醇，檢測(cè)上限約為35kDa。張煥忠等發(fā)現(xiàn)HgTe納米構(gòu)造是SALDI-MS分析肽和蛋白的有效基質(zhì)，具有相對(duì)較低的金屬離子簇背景信號(hào)、較少的碎片離子、堿金屬離子加合物干擾少和高的質(zhì)譜檢測(cè)范圍(150kDa)等優(yōu)勢(shì)。HgTe納米構(gòu)造對(duì)于血管緊張素與牛血清白蛋白提供的檢測(cè)限分別為200pM和14nM，具有較好的重復(fù)性(RSD25%)。利用該方法還實(shí)現(xiàn)了對(duì)1-抗胰蛋白酶、胰蛋白酶、免疫球蛋白等蛋白與藥物分子復(fù)合物的檢測(cè)。2.4基于納米雜化多孔材料的SALDI-MS分析為發(fā)揮多種材料的協(xié)同作用，將不同組分的納米材料進(jìn)展雜化組裝，得到的納米雜化多孔構(gòu)造被認(rèn)為是SALDI-MS開(kāi)展中非常有前途的一類材料。選擇不同組分的納米材料及不同的雜化組裝方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)雜化多孔構(gòu)造的外表積、孔徑及孔深度的調(diào)節(jié)，進(jìn)而對(duì)SALDI-MS的離子化效率進(jìn)展優(yōu)化，同時(shí)還能對(duì)材料外表進(jìn)展功能化。Okuno等報(bào)道了一系列鉑或金包覆的多孔鋁亞微米構(gòu)造，作為基底實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物大分子的SALDI-MS分析。分析測(cè)試中需要的激光強(qiáng)度與材料外表的多孔度有關(guān)，包括孔密度及孔徑。這種雙重基底可以實(shí)現(xiàn)對(duì)血管緊縮素Ⅰ和維拉帕米的fmol級(jí)檢測(cè)。Jokinen等那么設(shè)計(jì)了三種不同包覆的多孔鈦基底，包覆材料分別是無(wú)定形硅、鋁及氮化硅，進(jìn)而將三種雜化多孔材料用于SALDI-MS分析。研究證明，相對(duì)于高熱導(dǎo)率的納米材料而言，具有低熱導(dǎo)率的質(zhì)譜基底對(duì)分析物有更好的離子化效率。Nitta等報(bào)道了一種以金納米粒子修飾的二氧化鈦納米管陣列作為外表增強(qiáng)拉曼光譜和SALDI-MS雙功能平臺(tái)。該納米構(gòu)造保持了二氧化鈦納米管陣列的多孔構(gòu)造，并交融了金納米粒子的高電離效率，兩種分析方法進(jìn)展結(jié)合，可以用于區(qū)分吡啶類化合物的異構(gòu)體，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩種殺菌劑聚氨基甲酸酯和二硫代氨基甲酸酯的高靈敏度檢測(cè)。石墨烯是已公認(rèn)的LDI效率較高的納米材料，選擇石墨烯并結(jié)合多孔材料得到的納米雜化多孔材料被認(rèn)為對(duì)進(jìn)步LDI的離子化效率非常有利。盡管二氧化硅納米粒子單獨(dú)使用時(shí)不能作為L(zhǎng)DI-MS分析的能量轉(zhuǎn)移體，而選擇具有介孔構(gòu)造的二氧化硅納米粒子時(shí)，那么能為待分析物提供更多的附著位點(diǎn)。Abdelhamid等制備了一種石墨烯包覆介孔二氧化硅納米粒子的雜化材料，作為一種新穎的功能材料，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多糖(如麥芽庚糖、龍膽二糖、異麥芽酮糖、潘糖等)及陽(yáng)離子型外表活性劑(如氯化十六烷基三甲基銨、四甲基氫氧化銨、四丁基氫氧化銨、氯化十六烷吡啶、氯化-1-丁基-3-甲基咪唑、十二烷基硫酸鈉)的SALDI-MS分析。由于該納米材料外表的負(fù)電荷與陽(yáng)離子外表活性劑之間的靜電作用，可以富集稀溶液中的分析物，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)外表活性劑的高靈敏度檢測(cè)。層層組裝是制備納米材料的常用方法，可以將一種或多種納米材料在一定基底上進(jìn)展合理組裝，得到具有新性質(zhì)的納米組裝體。Kawasaki等利用層層組裝法在硅片上設(shè)計(jì)了一種金納米粒子的組裝多孔膜，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多肽及環(huán)境污染物的SALDI-MS分析。研究說(shuō)明，層層組裝多孔膜中納米粒子層數(shù)對(duì)血管緊縮素Ⅰ的離子化效率有非常重要的影響，另外，分析物的峰強(qiáng)度隨著層數(shù)的增加而增加。而且多孔構(gòu)造還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溶液中環(huán)境污染物(芘及二甲基雙十八烷基氯化銨)的富集，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)分析物的高靈敏度檢測(cè)。將具有較好離子化效率的納米材料進(jìn)展組裝，實(shí)現(xiàn)其SALDI-MS活性的最優(yōu)化，Kuo等利用旋涂層層組裝法構(gòu)建了基于石墨烯和金納米粒子的層狀構(gòu)造，將待測(cè)物的溶液滴在該納米雜化構(gòu)造上，可以直接用于SALDI-MS分析，該法成功檢測(cè)了包括氨基酸，碳水化合物及多肽等系列小分子量化合物，并通過(guò)石墨烯和金納米粒子層數(shù)變化對(duì)質(zhì)譜信號(hào)進(jìn)展優(yōu)化，顯著進(jìn)步了分析構(gòu)造的信號(hào)強(qiáng)度，信噪比及重現(xiàn)性。SALDI-MS還可以對(duì)納米雜化多孔材料外表的自組裝單分子層進(jìn)展分析。洪敏等報(bào)道了將導(dǎo)熱性差的二氧化硅納米粒子與導(dǎo)熱性好的金納米粒子進(jìn)展雜化層層組裝，利用SALDI-MS實(shí)現(xiàn)對(duì)納米雜化多孔材料外表的11-五甘醇-1-十一烷硫化物單分子層的免有機(jī)基質(zhì)的LDI-MS分析。同時(shí)該多孔雜化材料還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外表組裝的寡聚核苷酸單分子層的MALDI-MS分析，可以促使金-硫鍵的斷裂，比照研究證明雜化材料的組分及多孔構(gòu)造對(duì)該分析方法起關(guān)鍵作用。大量的研究說(shuō)明，對(duì)于特定的納米材料而言