- 北京大学刘虎威课题组
刘虎威,博士,北京大学化学与分子工程学院教授,博士生导师。
白玉,博士,北京大学化学与分子工程学院副教授,博士生导师。
该课题组的主要研究兴趣有:色谱(毛细管电泳)-质谱联用技术、药物分析、植物激素分析、脂质组学分析等。
刘虎威课题组在常温常压离子化质谱新方法及其应用研究中取得了一定的进展,他们基于实时直接分析质谱(DART-MS),先后发展了两种新型敞开式离子化质谱技术:等离子体辅助多波长激光解吸附离子化质谱(PAMLDI-MS)和敞开式表面辅助激光解吸附/离子化质谱(SALDI-MS)。
- PAMLDI-MS的原理
离子源PAMLDI利用三波长激光器发射激光对样品进行解吸附, 运用等离子体对解吸附的样品进行离子化, 之后进入MS 进行分析。
三波长激光器可发射紫外(355 nm)、可见(532 nm)、近红外(1064 nm)三波长的激光, 且激光的脉冲频率和能量可调。实验可根据不同的分析对象选择合适的波长。
该技术将激光解吸附和等离子体辅助离子化技术相结合,显著提高了检测灵敏度;将其与简单的薄层色谱(TLC)快速分离联用,通过三维移动平台精确控制TLC 板上被测样品的位置,调节激光的波长、频率和能量,适用于一些小分子混合物的分离检测,且可用于MS 成像研究。
TLC/PAMLDI-MS可以实现更高的空间分辨率
三种染料分子的TLC/PAMLDI-MS及TLC/DART-MS的分析结果(三种染料分子从左至右分别为荧光素、罗丹明B、苏丹III):如左图:
(a)三种染料分子的TCL分离照片
(b)TLC/PAMLDI-MS方法得出的总离子流色谱图
(c)TLC/DART-MS方法得出的总离子流色谱图
多波长激光的使用,增加了化合物解吸附的潜力,拓宽了可分析物的范围
不同物质的激光解吸附情况与波长有密切的关系,这种波长选择性对不同化合物的检测提供了更多的可能性。
左图显示了不同物质对不同波长激光的相对吸收强度。
从左至右依次为:
荧光素、苏丹III、罗丹明B、甲基紫、氯霉素、格列齐特、那格列奈、奎宁。
- PAMLDI-MS的应用
作者成功地将传统的TLC技术与PAMLDI联用,完成了染料分子、药物分子,以及茶叶提取物样品的分离与检测.
在优化的条件下, 方法检测限达到了5 ng/mm2(离子阱质谱)。
左图
(a)为染料分子的TLC分离照片;
(b)三种染料分子的提取离子色谱图;
(c-e)荧光素、罗丹明B、苏丹III的TLC/PAMLDI质谱图。
(f)为药物分子的TLC分离照片;
(g)三种药物分子的提取离子色谱图;
(h-j)奎宁、格列齐特、氯霉素的TLC/PAMLDI质谱图。
【Jialing Zhang, Zhigui Zhou, Jianwang Yang, Wei Zhang, Yu Bai,and Huwei Liu.Anal Chem, 2012, 84(3):1496–1503.】
PAMLDI-MS用于质谱成像分析
黄芩,Radix Scutellariae,唇形科黄芩属,主治上呼吸道感染,肺热咳嗽,肺炎等。
m/z 271.0601: 黄芩素( baicalein);
m/z 285.0757: 汉黄芩素 (Wogonin)
该课题组已经将PAMLDI-MS 成功用于质谱成像分析,获得了60 mm的空间分辨率。对印章、打印材料和中药切片都获得了满意的成像效果。
【Baosheng Feng, Jialing Zhang,Cuilan Chang, Liping Li,Min Li, Xingchuang Xiong, Chengan Guo,Fei Tang,Yu Bai, and Huwei Liu.Anal. Chem. 2014, 86, 4164−4169】
- 上述应用中所涉及到的质谱仪器
仪器:XCT 离子阱质谱、MSD飞行时间质谱 厂家:安捷伦
- ambient SALDI-MS 原理
用铅笔在滤纸表面涂覆石墨, 将此作为样品基底, 采用PAMLDI-MS 装置对小分子化合物进行分析。
结果显示石墨能有效吸收激光能量并将能量转移给被分析物, 从而大大提高了样品的解吸附效率, 使得分析灵敏度进一步提高。
石墨可以通过铅笔简单地涂覆在滤纸或纤维素板,制备方法非常简单, 不同品牌、不同硬度的铅笔、以及涂敷厚度对实验结果几乎无影响。
ambient SALDI-MS解析附和离子化步骤:(一)、被分析物吸附到石墨表面;(二)、石墨吸收光子能量并将其转移给被分析物;(三)、激发态的被分析物释放能量,进入气相;(四)气态的被分析物与等离子体反应,产生分子离子。
(i)等离子体发生器
(ii)激光系统
(iii)质谱仪
(iv)自动3D移动平台
ambient SALDI-MS分析步骤非常简单,没有任何经验的新手也可以操作得很好。整个操作过程只需要用普通的铅笔在纸上画一条线,通过毛细管引入样品,并将纸张固定在3D移动平台上,然后利用ambient SALDI-MS系统进行样品分析,1 min内即可完成样品的分析。
- ambient SALDI-MS的应用
提取离子色谱图:
(a)十四酸;(d)4-氨酰安替比林;
b、c、e、f分别是ambient SALDI-MS在有无石墨基底的条件下(532nm)检测十四酸(b、c)及4-氨酰安替比林(e、f)(离子阱质谱)的谱图。
White Band:无石墨基底(0.1-0.3min)Black Band:有石墨基底(0.3-0.6min)。
虽然检测限没有经过系统的研究,但是一些化合物的检测限已经很低了,如在S/N为 12时可以检出100 pg的蒽酮,表明利用ambient SALDI-MS检测蒽酮的灵敏度可以低至25 pg。
通过51种不同结构化合物的实验发现,石墨加入可以大大改善检测灵敏度,同时也证明了ambient SALDI-MS方法适用于不同种类有机小分子的检测。此外,检测可在室温下完成,避免了一些热不稳定的样品在检测过程中的受热分解现象。
【Jialing Zhang, Ze Li, Chengsen Zhang, Baosheng Feng, Zhigui Zhou, Yu Bai, and Huwei Liu. Anal Chem, 2012,84(7): 3296−3301.】
该课题组还采用石墨和石墨烯作为表明辅助材料进行ambient SALDI-MS分析,取得了较好的效果【Cuilan Chang, Qiaochu Li,Yu Bai*, Dong Han, Gege Xu, Yiping Liao and Huwei Liu, Talanta, 2013, 114: 54-59】。
- 上述应用中所涉及的质谱仪器
仪器:XCT离子阱质谱 厂家:安捷伦
- 色谱技术与DART-MS的结合应用
正相液相色谱(NPLC)在手性分离中应用广泛,但与MS联用时,纯有机溶剂流动相会抑制被分析物的离子化。与DART-MS联用,可以有效解决纯有机溶剂流动相中被分析物离子化效率低的问题。该课题组采用简单的三通接口,实现了NPLC与DART-MS在线联用,可以有效提高纯有机溶剂流动相中被分析物的离子化效率,充分发挥NPLC在手性分离分析中的作用。
图中:1. UV检测器; 2. PEEK连接管; 3. PEEK三通接头; 4. 分流液收集; 5. PEEK连接管; 6. 熔融石英毛细管 (100 μm ID); ( d1=2 mm, d2=10 mm)
【Cuilan Chang, Zhigui Zhou, Youyou Yang, Yehua Han, Yu Bai,Huwei liu, Electrophoresis. 2012, 33(22): 3387-3393】
采用三重同轴套管作为接口,可以实现毛细管电泳(CE)和MART-MS的在线联用(左图)。
这一技术有效解决了传统CE-MS分析中限制不挥发性缓冲盐或/和表面活性剂的使用问题。接口不施加电压,辅助液流用来保证CE流出液流速的稳定,而辅助气流则可加速溶剂的挥发。不挥发性盐(如磷酸盐和硼酸盐)和表明活性剂则不能进入MS。
【Cuilan Chang, Gege Xu, Yu Bai, Chengsen Zhang, Xianjiang Li, Min Li, Yi Liu,Huwei Liu,Anal. Chem., 2013,85(1): 170-176】
该课题组最近采用碳纳米管杂化有机聚合物整体柱对水中残留农药进行管内固相微萃取,然后直接进行DART-MS检测,同时测定了水中六种三嗪类农药,分析速度快,且能满足法规分析要求(左图)。
【Xianjiang Li, Jiawei Xing, Cuilan Chang, Xin Wang, Xiuping Yan, Yu Bai, Huwei Liu, J. Sep. Sci. 2014, 37, 1489–1495】和【Xin Wang, Xianjiang Li, Ze Li, Yiding Zhang, Yu Bai, Huwei Liu, Anal. Chem. 2014, 86, 4739−4747】
此外,采用DART-MS/MS与简单的样品处理相结合,可以实现中药降糖保健品中违规添加的西药的快速筛查【Zhigui Zhou, Jialing Zhang, Wei Zhang, Yu Bai and Huwei Liu, Analyst, 2011,136(12):2613-2618】;经过单液滴LLL微萃取,采用DART-MS/MS可以同时检测果汁中的六种植物激素【Yu Bai, Jialing Zhang, Yu Bai, Huwei Liu, Anal. Bioanal. Chem, 2012, 403: 2307-2314】。