探索质谱前沿极限:颗粒质谱与成像

2019年10月14日 14:49:17 来源: 分析测试百科
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  分析测试百科网讯 质谱技术的快速发展和应用有目共睹。学物理出身、从事科学研究的质谱学者会做出什么样的选择?数年前在北京质谱年会上,第一次听聂宗秀的报告时就印象深刻,用离子阱质谱测定数百兆分子量的大颗粒的工作让人耳目一新。如果说探索高质量极限的工作还不够引人注意,那么用MALDI测定那些以前不能测定的纳米颗粒,最终对生物组织内的纳米颗粒进行成像的工作,则得到大家的认可,该工作不仅发表在Nature Nanotech.上,而且由杂志社撰文在同期的“新闻视角”中进行了专栏评论,被Chem. Res. Toxicol.选为“研究亮点”,入选2016年Nature Nanotech.杂志10周年专刊。同时,该工作也是中国学者发表的比较有影响的质谱成像工作之一。不久前,分析测试百科网采访了中科院化学所聂宗秀研究员,他详解了自己在探索质谱测定超大分子、小分子两端极限的工作,以及前沿的MALDI质谱成像工作,希望对所有关注质谱及其应用的读者有启发……

中国科学院化学研究所 聂宗秀研究员

探索质谱两极限:生物分子大颗粒质谱和MALDI高通量分析小分子

  聂宗秀研究员首先简介了自己的主要研究工作:用于分析超大分子量颗粒的离子阱质谱;MALDI质谱及质谱成像的研究。

  2005-2007年,在台湾中央研究院原子与分子科学研究所做博士后时,聂宗秀跟随张焕正教授研究分析大分子量颗粒的离子阱质谱。商用质谱测量颗粒的粒径范围一般小于10 nm,无法分析超过10 nm粒径或100万Dalton分子量的颗粒。而分析>10 nm、>100万Dalton的大分子颗粒在生命科学、环境科学和材料科学领域都有重要的应用。在导师指导下,聂宗秀和导师设计了特殊的离子阱质谱,通过对完整颗粒的电离测量,可以研究单个完整的细胞、细菌和病毒。【1】

  在台湾还因为另一个课题接触了MALDI,但发现当时MALDI都是分析蛋白,没办法分析小分子。2007年聂宗秀到普渡大学Graham Cooks教授实验室从事博士后研究,主要工作是搭建一台离子软着陆质谱仪及一些小型化质谱。软着陆质谱仪可使粒子带电后,软软地着陆在一个表面上,离子不会碎裂。2009年聂宗秀到中科院化学所后继续开展颗粒质谱仪和MALDI的研究工作。

  带着以前的疑问,聂宗秀开始对MALDI深入研究。第一个兴趣点是:MALDI显然是高通量的方法,但目前主要用于分析检测蛋白质等大分子,因为在MALDI分析小分子时常存在严重的基质干扰,因此这种高通量的方法无法有效分析小分子,有人甚至说“用高通量的MALDI分析小分子是高射炮打蚊子”。聂宗秀却认为,用MALDI高通量分析小分子大有可为。这是因为,寻找癌症的生物标志物方法有三个层次,首先是寻找变异基因,其次是用蛋白质组学方法。而第三个层次是:蛋白质组学变化后,其小分子代谢物也进一步发生变化,这就是代谢组学的研究层次。代谢物都是小分子,所以课题组想从小分子的角度研究癌症的早期发展和代谢标志物。用MALDI做代谢组学分析时面临的一大难题就是没有合适的小分子基质。聂宗秀课题组2012年发表多篇文章【2,3】,介绍其发现的适合于小分子分析的MALDI新基质。迄今,课题组已发展了十余种小分子新基质,这些成果为第二步研究——高通量质谱成像奠定了工作基础。

质谱成像:无标记多组分 知其然并知其所以然

  首先,聂宗秀为我们普及了一些质谱成像的背景知识。

  1997年,范德堡大学(Vanderbilt University)的Richard Caprioli等首次报道质谱成像的工作。成像的方法很多,应用最广泛的是得过Nobel奖的荧光成像。荧光的优点是灵敏度非常高,但需要标记,通过跟踪标记分子来间接测量目标物。如果标记分子脱落,可能会对结果造成错判或误判。质谱成像最大的优点就是免标记,另一大优点是多组分同时测量,第三个优点是“知其然并知其所以然”,这是其它任何技术都做不到的。每个分子都有一个特异性指标即分子量,质谱在获得成像的同时,测定了成像区域各分子的分子量,并可通过碎片谱MS/MS获得更多丰富的结构信息。

  打个比方来说,照片反映了光的强弱,是光在二维空间的分布;而质谱成像反映了物质的强弱,是物质在二维空间的分布。迄今化学家合成了2300多万种物质,用质谱成像可以区分各种不同物质的分布,这是“知其然并知其所以然”,哪些区域成像强度高,是什么分子造成的,都能分析得清清楚楚。

  自Caprioli第一个报道质谱成像后,成像技术发展很快,包括:MALDI成像、DESI成像、SIMS(二次离子)成像,三种方式各有其优缺点。其中,分辨率最高的是SIMS,空间分辨率可达几十纳米量级,但离子束能量高、离子源太“硬”,较难得到完整的分子离子峰。DESI的好处是可在常压下操作,比较容易实验,但空间分辨率在100μm以上。MALDI正好介于两者之间,分辨率1-10μm。“除了分辨率和离子源性能的考虑,我们想做组织成像,看组织分布MALDI最合适,而且今后在医院临床,我认为组织成像最有前途的也是MALDI技术。”聂宗秀说,“国内有很多优秀学者开展质谱成像研究,取得了非常好的研究结果。总的来说,这三种技术相互配合,离开哪个都不行。”

课题组的MALDI成像工作

   “我们在质谱成像方面开展的研究工作,在我回到中科院化学所之后开始的,“主要是两方面工作,发展新基质,及质谱成像。由于我们有做颗粒质谱的背景,才有用MALDI成像技术分析病毒、细胞、细菌,或更小的颗粒如纳米材料的想法。”

  纳米材料广泛应用于组织工程学、生物等各种领域,这为分析化学工作者提供一个契机。材料学家合成很厉害,但他们迫切需要了解材料在体内的分布和其毒性,就会同分析化学家合作。以前,用质谱研究纳米材料的分布很难。首先,纳米材料的质量范围超出了商用仪器的研究范围;其次体内很多内源性小分子会干扰纳米材料的测定;第三点是生物体内环境很复杂,纳米材料解吸附、电离比较困难。当时课题组参加了万立骏院士的项目就是做质谱成像;购置了布鲁克公司的ultrafleXtreme MALDI TOF/TOF高通量MALDI质谱仪,目标就是做纳米材料的质谱成像。

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实验室的布鲁克ultrafleXtreme MALDI-TOF/TOF质谱仪

  首先,我们发现用激光溅射碳纳米管时,小分子区域中有很多貌似像杂峰的指纹峰,查了很多文献,都认为它们来自于样品杂质,或来自不干净的腔体表面。但进一步研究发现,这些峰重复性很好,非常奇怪,就想把这事搞清楚。我们尝试很多方法进一步净化样品,把腔体也擦得干干净净,但仍有这些峰;因此怀疑它们来源于样品本身。最后通过仔细研究发现,这是m/z 12、24、36、48的一组峰,每个峰间质量数正好差12,是碳的原子量,因此这组峰是碳材料本身的团簇离子质谱峰。我们就巧妙地将高质量数窗口移到低质量窗口,解决了碳纳米材料的探测的问题。

  第二问题是如何解决内源性小分子干扰的问题。我们发现,改变激光波长比如当选择355 nm的紫外激光时没有干扰,这是因为内源性小分子对355 nm激光吸收不多。我们把碳纳米管通过小鼠尾经脉注入其体内后,用355 nm激光进行质谱成像,得到同纯材料非常类似的模式(Pattern)。因此选择合适的激光波长可解决内源性小分子干扰问题,我们成功建立了纳米材料在体内成像的方法。突破了上述几大难点后,以后的定量、研究纳米材料分布、在亚器官的分布就获得了较好的实验的结果。该工作很快被《Nature Nanotechnology》【4】接受。

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小鼠肺组织切片MoS2纳米片的LDI MS成像

  纳米材料可用作药物载体,我们最近用质谱成像技术研究纳米载体药物的释放。我们选择硫化钼纳米材料,观察硫化钼的信号即可得到纳米材料在体内的分布。选择的药物是紫杉醇,观察其信号可得到药物在体内的分布。我们用质谱成像发现了一个有趣的现象:一般人认为肿瘤里面的材料多,但通过质谱成像发现,肿瘤里的材料很少,正常组织中材料多;肿瘤组织里面药物释放多,正常组织药物释放少,与人们想象的结果相反【5】。

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小鼠经24小时静脉注射后肝脏组织中MoS2纳米片的分布及其有效抗癌药物DOX的原位H22肿瘤模型图像

对质谱成像生产厂家的建议

  对当前临床所用MALDI-TOF微生物质谱,聂宗秀认为从质谱技术上来看,这些都是线性模式TOF,可以说是相对比较简单的一种TOF。前一阵子有十几家国内厂家都纷纷推出微生物检测MALDI-TOF,表明技术上并无太高的门槛,聂宗秀表达了自己隐隐的担心:过多厂商蜂拥而上会造成恶性低价竞争,最终影响产品质量。

  目前反射模式的高分辨MALDI-TOF和高分辨MALDI TOF/TOF,尤其是适合高通量质谱成像研究的质谱,还只有少数厂家可以提供。从用户角度,聂宗秀对MALDI质谱成像厂家提出三点建议。首先,TOF为获得超高分辨率,需要很强的电场,除了加很高的电压外,缩小了靶板与地之间的距离,希望在做高分辨时,兼顾质谱分辨率与用户需求,尽可能增加靶板与地的空间距离。其次在做成像时,激光打靶的时间很长,打出的是等离子体,而等离子体慢慢会导电,影响高压的寿命及稳定性而进一步影响质谱的稳定性,希望在技术上加以改进; 第三,现在商用激光器的激光波长都设在355 nm处,希望开发激光波长可调的质谱仪。

课题组研发的质谱技术

  除了使用商品化质谱做应用,聂宗秀课题组也研发了一些产业化前期的质谱。比如便携式颗粒质谱仪【6】,以及采用二次流技术的基质喷雾仪。关于基质喷雾仪,聂老师介绍了其原理。

  基质在组织切片上分布的均匀度、结晶度和晶体颗粒的大小等因素是决定质谱成像质量的关键因素之一。目前,MALDI(基质辅助激光解吸电离)质谱成像研究中常用的基质附着方法是采用商业化、非常昂贵的基质二次流沉积设备来进行,二次流方法使用气流(一次流)产生的小液滴(二次流),液滴大小难于控制、尺寸不均会影响分辨率。进行质谱成像希望的理想情况是:一个分子外面包裹一层薄薄的单分子层的基质,喷雾越均匀,基质层越薄成像效果就越好。课题组使用了一台价格低于5美元的迷你加湿器,采用超声喷雾方法,研发了超声喷雾仪【7】,通过精确控制超声波的频率即可得到均匀大小的颗粒,改变频率可调节颗粒尺寸,频率越高颗粒尺寸越小。该设备提供了更高的灵敏度和更小的基质晶体(直径小于10 μm),可获得10μm空间分辨率的高质量离子图像。事实证明,超声喷雾的方法灵敏度和成像质量都得到大幅提高。课题组用MALDI-MS/MS成像以分离小鼠脑中的两种脂质。

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超声喷雾仪,提升MALDI成像的灵敏度和成像质量

  人物简介:

  聂宗秀,中科院化学所研究员,国家杰出青年基金获得者。以颗粒质谱构建及小分子代谢产物质谱为主要研究方向,针对质谱在颗粒分析存在的关键科学与技术问题,在质谱仪器构建及应用等方面进行了系统探索研究。设计研制了多种颗粒离子化源及电荷探测器,构建了离子阱颗粒质谱装置平台,对微纳尺度颗粒进行了多参数表征;建立了基于指纹质谱的颗粒分析方法,获得了纳米颗粒的生物组织质谱成像,将质谱质量范围拓宽了8个数量级,从分子质谱的10e6 Da至颗粒的10e14 Da;合成和发现了系列MALDI新基质,获得了多种动物模型下的代谢小分子质谱成像。独立工作以来,发表通讯作者论文62篇,其中包括1篇Nature Nanotech.、1篇Science Adv.、17篇Anal. Chem.、6篇Chem. Commu.、2篇Chem. Eur. J. 。发表在Nature Nanotech.上的工作,由杂志社撰文在同期的“新闻视角”中进行了专栏评论,被Chem. Res. Toxicol.选为“研究亮点”,入选2016年Nature Nanotech.杂志10周年专刊。授权中国发明专利21项。

  参考文献

  1. Z. X. Nie, Y.-K去掉链接. Tzeng, H.-C. Chang*, C.-C. Chiu, C.-Y. Chang, C.-M. Chang, and M.-H. Tao, “Microscopy-based mass measurement of a single whole virus in a cylindrical ion trap,” Angew. Chem. Int. Ed. 45, 8131–8134 (2006).

  2. S去掉链接.M. Chen, L. Chen, J.N去掉链接. Wang, J. Hou, Q. He, J.A. Liu, J.Y. Wang, S.X. Xiong, G.Q. Yang and Z.X. Nie* , 2,3,4,5-Tetrakis (3',4'-dihydroxylphenyl) thiophene: A New Matrix for the Selective Analysis of Low Molecular Weight Amines and Direct Determination of Creatinine in Urine by MALDI-TOF MS, Anal. Chem. 84, 10291-10297 (2012).

  3. R. Chen, W.J. Xu, C.Q. Xiong, X.Y. Zhou, S.X. Xiong, Z. X. Nie*, L.Q. Mao, Y. Chen, and H.-C. Chang*, A high-salt-tolerance matrix for facile detection of glucose in rat brain microdialysates by MALDI mass spectrometry, Anal. Chem. 84, 465-469 (2012).

  4. S.M. Chen, C.Q. Xiong, H.H. Liu, Q.Q. Wan, J. Hou, Q. He, A. Badu-Tawiah, and Z.X. Nie*, Mass Spectrometry Imaging Reveals the Sub-organ Distribution of Carbon Nanomaterials, Nature Nanotech. 2015, 10, 176-182.

  5. J.J. Xue, H.H. Liu, S.M. Chen*, C.Q. Xiong*, L.P. Zhan, J. Sun, and Z.X. Nie*,Mass spectrometry imaging of the in situ drug release from nanocarriers, Science Advances, 2018, 4, eaat9039.

  6. X. Huang, J.L. Jiang, Y.M. Zhang, L.P. Zhang, C.Z. Liu, C.Q. Xiong*, and Z.X. Nie*,A miniature particle mass spectrometer, Anal. Chem., 2019, 91, 9393-9397.

  7. X. Huang, L.P. Zhan, J. Sun, J.J. Xue, H.H. Liu, C.X. Xiong, and Z.X. Nie*,Utilizing a Mini-Humidifier To Deposit Matrix for MALDI Imaging, Anal. Chem. 2018, 90, 8309−8313.