一种直接采样电离分析系统及方法、应用
阅读说明：本技术 一种直接采样电离分析系统及方法、应用 (Direct sampling ionization analysis system and method and application ) 是由 欧阳证 张文鹏 焦斌 于 2021-09-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种直接采样电离分析系统,包括：采样模块,用于接触采集待测样品,采集待测成分；试剂盒模块,用于固定采样模块,洗脱待测成分,获得洗脱溶液；反应模块,用于对洗脱溶液进行高通量的化学反应；进样模块,用于将试剂盒模块固定在质谱仪的进样端,使得进样模块和质谱仪配合进样；采样模块为一端固定有多孔膜的金属探针,多孔膜用于接触采集待测样品。本发明涉及的直接采样电离分析系统,通过用一端固定有多孔膜的金属探针进行采样,操作便捷,且能迅速得到测试结果,适用于现场快速检测、临床快检等应用,满足了快速取样分析的需求,大幅简化质谱分析的样品前处理过程。本发明还提供了一种使用上述系统的一种直接采样电离分析方法。(The invention discloses a direct sampling ionization analysis system, comprising: the sampling module is used for collecting a sample to be detected in a contact manner and collecting components to be detected; the reagent box module is used for fixing the sampling module, eluting the component to be detected and obtaining an elution solution; the reaction module is used for carrying out high-flux chemical reaction on the elution solution; the sample injection module is used for fixing the reagent box module at a sample injection end of the mass spectrometer, so that the sample injection module and the mass spectrometer are matched for sample injection; the sampling module is a metal probe with one end fixed with a porous membrane, and the porous membrane is used for collecting a sample to be detected in a contact manner. The direct sampling ionization analysis system provided by the invention is convenient to operate and can quickly obtain a test result by sampling with the metal probe with one end fixed with the porous membrane, is suitable for the applications of on-site quick detection, clinical quick detection and the like, meets the requirements of quick sampling analysis, and greatly simplifies the sample pretreatment process of mass spectrometry. The invention also provides a direct sampling ionization analysis method using the system.)
技术领域
本发明属于质谱学技术领域，具体涉及一种直接采样电离分析系统及方法、应用。
背景技术
近年来，质谱仪的高灵敏度、高精确度、高通量等特性使其在生物组织、体液、环境样本等复杂混合物的分析中发挥了重要作用。利用质谱仪能够对待测样本中绝大多数的化合物进行检测，从而实现对目标化合物的结构鉴定、体内低含量药物和生物标志物的定量分析等。除毒品、违禁药品等的现场快检外，医疗领域也对快速检测有很大的需求，使用质谱仪检测出的疾病标志物在临床诊断中发挥着越来越多的作用。目前已经有相关的研究表明，与正常人相比，不饱和磷脂的碳碳双键异构体的比例在糖尿病以及乳腺癌等患者中有较大的差异。
然而，传统的样品前处理方式耗时较长，与质谱仪的快速检测能力不匹配，不利于提高检测效率，无法及时给出分析结果。近年来发展的利用金属探针直接取样等方式，吸附的待测物质的量有限，难以检测低含量的目标物，同时其携带的固体分析物质可能堵塞进样通路，为分析造成困扰；而利用固相微萃取的方式进行采样时，采样过程耗时较长，萃取的回收率较低且存在选择性，可能会导致一些关键的化学信息丢失。同时，上述方式无法实现高通量的生物样本采样、反应及分析，不能准确、高效地得到所需的分析结果。因此，有必要开发一种能够与质谱仪联用的新型采样技术，实现微量、定量采样，同时能够保存样本完整的化学信息，以满足质谱仪的快速取样及分析的需求。
发明内容
针对上述现有技术存在的样品取样过程中耗时长、化学信息丢失等的技术问题，本发明的目的在于提供一种直接采样电离分析系统及方法、应用。
为达到上述目的，本发明提出了一种直接采样电离分析系统，包括：采样模块，用于接触待测样品，采集待测成分；试剂盒模块，用于固定采样模块，洗脱待测成分，获得洗脱溶液；反应模块，用于对洗脱溶液进行高通量的化学反应；进样模块，用于将试剂盒模块固定在质谱仪的进样端，使得进样模块和质谱仪配合进样；采样模块为一端固定有多孔膜的金属探针，多孔膜用于接触采集待测样品。
本发明的反应模块对洗脱溶液进行高通量的化学反应，便于后续监测，另外，反应模块可以为多腔室结构，以同时对多个试剂盒中的洗脱溶液进行化学反应。进样模块为能够将试剂盒模块固定在质谱仪的进样端的装置，用于和质谱仪配合进样，以提升分析效率。
进一步地，多孔膜还包括修饰在其上用于改善接触采集条件的化学试剂。
本发明的多孔膜能够将固体组织或生物体液等待测样品中的待测物质采集出来，多孔膜为多孔结构，其多孔结构能够采集较多的待测物质，经后续洗脱得到的洗脱液可用于质谱分析，从而能够检测相应的待测物，完成相应的分析。根据分析的需求，对多孔膜的多孔结构进行化学修饰，以改善采样条件，对待测物进行更好地采样，化学修饰即为在多孔膜的多孔结构上添加其它化学试剂。
进一步地，多孔膜的孔径为0.1-10μm。
进一步地，试剂盒模块上固定有纳喷玻璃管，纳喷玻璃管中盛装有用于洗脱待测成分的洗脱溶剂，金属探针完成采集后插入纳喷玻璃管；对金属探针施加电压后，在纳喷玻璃管的尖端形成电喷雾。
进一步地，金属探针用于固定多孔膜，金属探针的外径为0.2-1mm。
进一步地，进样模块包括单次质谱分析进样装置和序列质谱分析进样装置。
本发明还提供了一种直接采样电离分析方法，包括以下步骤：
(1)将金属探针的多孔膜与待测样品接触，吸取待测成分；
(2)将金属探针置于清洗溶液中，除去粘附的基质成分；
(3)将金属探针插入装有洗脱溶剂的纳喷玻璃管中，静置或晃动洗脱，获得洗脱溶液；
(4)在反应模块中，对洗脱溶液进行高通量的化学反应；
(5)对反应后的洗脱溶液进行质谱分析，得到待测样品中的化学分子信息。
进一步地，待测样品为固体时，多孔膜与待测样品的接触方式为：将多孔膜插入待测样品内部或者使多孔膜在待测样品表面滚动；待测样品为液体时，多孔膜与待测样品的接触方式为将多孔膜插入待测样品内部。
进一步地，使用金属探针进行采样的方式包括直接用金属探针采样以及将金属探针和试剂盒搭配采样。
其中，将金属探针和试剂盒搭配采样的具体使用方法是：首先取出固定有金属探针的一半试剂盒，然后将金属探针的多孔膜与待测样品接触一段时间，再将金属探针推至合适位置，便于后续洗脱、质谱分析等操作，最后将两部分试剂盒拼接，形成完整的试剂盒。
进一步地，直接采样电离分析方法的应用，包括定性分析和定量分析，在定性分析方面，直接采样电离分析方法用于确定元素的组成、磷脂的sn异构体和碳碳双键位置异构体；在定量分析方面，直接采样电离分析方法用于通过在多孔膜上或洗脱溶液中添加内标物实现对待测成分的定量检测。
相对于现有技术，本发明的技术效果为：本发明涉及的直接采样电离分析系统，通过用一端固定有多孔膜的金属探针进行采样，操作便捷，且能迅速得到测试结果，适用于现场快速检测、临床快检等应用，满足了快速取样分析的需求，大幅简化质谱分析的样品前处理过程；另外，高通量的反应与分析方法提升了整体的分析效率。本发明还涉及了一种使用上述系统的一种直接采样电离分析方法，以及直接采样电离分析方法的应用。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明直接采样电离分析系统的整体结构示意图；
图2为本发明直接采样电离分析系统与质谱仪联用的结构示意图；
图3为本发明金属探针的结构示意图；
图4为本发明多孔膜修饰前后的电镜图；
图5为本发明直接采样电离分析方法的操作流程图；
图6为使用金属探针进行采样的方式示意图；
图7为鼠脑组织的正离子模式质谱图；
图8为鼠脑组织的高质量端负离子模式质谱图；
图9为鼠脑组织的低质量端负离子模式质谱图；
图10为使用本发明的提取方法和传统提取方法提取同一鼠脑组织的脂质信号对比图；
图11为鼠脑组织脂肪酸碳碳双键异构体的质谱图；
图12为鼠脑组织脂质sn异构以及碳碳双键异构体的质谱图。
附图标记说明：
采样模块1、试剂盒模块2、反应模块3、进样模块4、质谱仪5、金属探针6、多孔膜7、待测样品8、试剂盒9。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的直接采样电离分析系统及方法。
如图1-图4所示，该直接采样电离分析系统包括：采样模块1，用于接触待测样品8，采集待测成分；试剂盒模块2，用于固定采样模块1，洗脱待测成分，获得洗脱溶液；反应模块3，用于对洗脱溶液进行高通量的化学反应；进样模块4，用于将试剂盒模块2固定在质谱仪5的进样端，使得进样模块4和质谱仪5配合进样；采样模块1为一端固定有多孔膜7的金属探针6，多孔膜7用于接触采集待测样品8。
采用模块为一端固定有多孔膜7的金属探针6，用于直接接触待测样品8，采集待测成分。金属探针6用于固定多孔膜7，金属探针6的外径为0.2-1mm，金属探针6为铂丝或不锈钢丝等金属丝。多孔膜7为固定在金属探针6上的一体化膜材料，多孔膜7的孔径为0.1-10μm，其材质为尼龙、聚醚砜、聚四氟乙烯、混合纤维素或聚丙烯，用于吸附待测样品8。多孔膜7能够将固体组织或生物体液等待测样品8中的待测物质采集出来，多孔膜7为多孔结构，其多孔结构能够采集较多的待测物质，经后续洗脱得到的洗脱液可用于质谱分析，从而能够检测相应的待测物，完成相应的分析。根据分析的需求，对多孔膜7的多孔结构进行化学修饰，以改善采样条件，对待测物进行更好地采样，化学修饰即为在多孔膜7的多孔结构上添加其它化学结构。以聚丙烯膜为例，在聚丙烯膜的多孔结构上修饰上聚多巴胺(PDA)和半胱氨酸(Cys)，如图4所示，图4(a)、图4(c)、图4(e)分别为修饰后聚丙烯膜5000X、500X、50X放大倍数的电镜图，图4(b)、图4(d)、图4(f)分别为修饰前聚丙烯膜5000X、500X、50X放大倍数的电镜图，对比图4(a)和图4(b)可以看出，聚丙烯膜上已经修饰上聚多巴胺和半胱氨酸，如图4(a)虚线框框出的部分所示。另外，从修饰前后的聚丙烯膜的不同放大倍数的电镜图可以看出，聚丙烯膜的孔径均匀，形态良好，适合本发明。
试剂盒模块2适配于采样模块1，用于固定采样模块1，洗脱待测成分，获得洗脱溶液。试剂盒模块2上固定有纳喷玻璃管，纳喷玻璃管中盛装有洗脱溶剂，金属探针6完成采集后插入纳喷玻璃管中，洗脱溶剂对多孔膜7上的待测成分进行洗脱，获得洗脱溶液，洗脱溶液盛装在纳喷玻璃管中。质谱仪5提供电压，电压施加到金属探针6上，使得在纳喷玻璃管尖端形成电喷雾。反应模块3用于对洗脱溶液进行高通量的化学反应。反应模块3可以为多腔室结构，一个腔室可以放置一个试剂盒9，以同时对多个试剂盒9中的洗脱溶液进行化学反应。反应模块3中的化学反应包括光化学反应、过氧化反应和环氧化反应。反应模块3中的化学反应不限于上述反应类型，在实际应用中根据待测样品8的性质及需求可选择是否进行化学反应。进样模块4用于将试剂盒模块2固定在质谱仪5的进样端，使得进样模块4和质谱仪5配合进样，进样模块4包括单次质谱分析进样装置以及序列质谱分析的进样装置。
本发明还提供了一种直接采样电离分析方法，其操作流程图如图5所示，包括以下步骤：
(1)将金属探针6的多孔膜7与待测样品8接触，吸取待测成分；
(2)将金属探针6置于清洗溶液中，除去粘附的基质成分；
(3)将金属探针6插入装有洗脱溶剂的纳喷玻璃管中，静置或晃动洗脱，获得洗脱溶液；
(4)在反应模块3中，对洗脱溶液进行高通量的化学反应；
(5)对反应后的洗脱溶液进行质谱分析，得到待测样品8中的化学分子信息。
其中，待测样品8为固体时，多孔膜7与待测样品8的接触方式为：将多孔膜7插入待测样品8内部或者使多孔膜7在待测样品8表面滚动；待测样品8为液体时，多孔膜7与待测样品8的接触方式为将多孔膜7插入待测样品8内部。如图6所示，使用金属探针6进行采样的方式包括直接用金属探针6采样以及将金属探针6和试剂盒9搭配采样。其中，将金属探针6和试剂盒9搭配采样的具体使用方法是：首先取出固定有金属探针6的一半试剂盒9，然后将金属探针6的多孔膜7与待测样品8接触一段时间，再将金属探针6推至合适位置，便于后续洗脱、质谱分析等操作，最后将两部分试剂盒9拼接，形成完整的试剂盒9。
另外，直接采样电离分析方法的应用，包括定性分析和定量分析，在定性分析方面，直接采样电离分析方法用于确定元素的组成、磷脂的sn异构体和碳碳双键位置异构体；在定量分析方面，直接采样电离分析方法用于通过在多孔膜上或洗脱溶液中添加内标物实现对待测成分的定量检测。具体为在定性检测方面，能够确定元素组成，以及通过光化学衍生化反应或环氧化反应等结合串级质谱分析等方式确定磷脂的sn异构体、碳碳双键位置异构体等结构；在定量检测方面，能够通过在多孔膜上或洗脱溶液中添加内标物质实现对待测物质的绝对定量分析。
使用本发明的方法对样品鼠脑组织进行监测，图7、图8、图9分别为鼠脑组织的正离子模式质谱图、鼠脑组织的高质量端负离子模式质谱图、鼠脑组织的低质量端负离子模式质谱图。从图7中可以得到鼠脑组织脂质的正离子模式谱峰，从图8中可以得到鼠脑组织脂质的负离子模式谱峰，从图9中可以得到鼠脑组织脂肪酸的谱峰。可以证明本方法可以能够有效得到鼠脑组织中的脂质和脂肪酸的信息，本发明的样品前处理系统可以有效提取出脂质，便于进行后续的鉴定与分析。分别统计使用本发明的金属探针6采样方法与传统脂质提取方法所提取的一块匀浆的鼠脑组织中的脂质信号，鼠脑信号的对比图如图10所示，其中，PC为磷脂酰胆碱；PE为磷脂酰乙醇胺；PS为磷脂酰丝氨酸；PG为磷脂酰甘油；PI为磷脂酰肌醇；TAG为甘油三脂；从图10中可以看出两种方法的脂质信号比在1附近，两种方法提取的脂质种类和丰度没有明显差异，且稳定性良好，证明本方法具有普遍适用性。
分别选取鼠脑组织中脂肪酸FA 18:1进行碳碳双键异构体的鉴定，脂质PC 34:1进行sn异构以及碳碳双键异构体的鉴定，鉴定谱图分别如图11和图12所示。在反应模块3对该脂质和脂肪酸进行光化学衍生反应，通过串级质谱分析得到脂质碳碳双键位置信息，从而对脂质进行精细结构解析，从图11和图12中可以看出，FA 18:1具备Δ8(m/z 246.2、m/z248.2)、Δ9(m/z 232.2、m/z 262.2)、Δ11(m/z 204.2、m/z 290.2)三种碳碳双键异构体；而PC 34:1具备两种sn异构体(m/z 380.4、m/z 396.1、m/z 466.2)以及两种碳碳双键异构体(m/z 489.2、m/z 517.2及m/z 578.5、m/z 606.5)，其中，m/z为质荷比，可以证明本方法能够对脂质进行精细结构解析。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
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