多孔磁性固定化金属亲和色谱纳米材料的制备及其在生命分析中的应用

How to separate targeted compounds from complex matrix with high specificity and selectivity is one of the most challengeable task for life analysis. To resolve above questions, solid phase extraction (SPE) showed many merits for sample purification and enrichment. Among which, immobilized metal affinity chromatography (IMAC) has been used widely in life analysis based on the specific interaction between immobilized metal ions/atoms and polar functional groups in protein, lipids and metabolites. Nowadays, the main key and difficult problem remains on how to develop novel materials with high surface specific area, large absorption capacity, good stability and highthrough-out. Combining the advantages of advantages of magnetic separation and IMAC, a set of methods will be developed in this proposal for the preparation IMAC magnetic nano-beads with multi-hollow or surface porous structures. And the as-prepared magnetic beads contains different types of ligands (-NH2, -COOH, or -SH ) and densities of coordinating atoms. The performance of them will be investigated systematically for the enrichment of proteins, metabolites and pesticides in aqueous system. Moreover, they will also be applied into non/micro aqueous system to investigate the feasibility for enriching hydrophobic compounds as the model. Finally, the relative protocols will be developed. Based on above experimental results, the effect of the morphology of the beads, the type of ligand, and the density of coordinating atoms will also be investigated. We hope it can provide novel IMAC materials for high through-out life analysis.

如何将一种或一类目标化合物从复杂体系中高选择和高特异性的分离富集，降低基质效应，提高检测的准确性和可靠性，实现高通量分析是生命科学研究的一个巨大挑战。固定化金属亲和色谱（IMAC）可通过简单地改变固定化金属离子/原子的种类，实现对含有不同极性官能团的蛋白、脂类及代谢物等大、小分子的高选择性和特异性分离。针对发展大比表面积、高柱容量、高稳定性、适用于高通量分析的新型固相萃取材料这一固相萃取研究中的重点和难点问题，本项目拟将传统IMAC材料中引入镂空或表面多孔结构，并赋予其磁响应性，发展多种方法制备具有不同形貌和配位分子的系列多孔磁性IMAC纳米微球，对其富集性能进行评价，针对蛋白质、代谢物、农药等亲水性化合物开发相应操作规程，并考察非水/微水体系中对磷脂等疏水性化合物的富集能力。系统研究不同溶剂体系中形貌、配位基团种类及配体密度等参数对富集能力的影响，为生命分析提供新的手段及理论依据。

如何有效地将目标化合物从复杂体系中高选择、高特异性的分离富集，降低基质效应，提高检测结果的准确性和可靠性是生命分析的一个巨大的挑战。为此，人们基于不同机理发展了多种固相萃取材料（SPEs）。其中固定化金属离子亲和色谱技术（IMAC）因其依靠配位键这一特殊的“软/硬”可调的作用力实现对目标化合物的选择性识别，在生命分析领域中得到了人们的广泛关注。为高效研究IMAC性能的影响因素，本项目首先基于IMAC机理，构建了系列化学修饰电极（CMEs），并成功应用于农残、环境污染物和生物标志物的快速检测。研究表明通过调整配位基团、链长、粒径、形貌等因素并不能从根本上提升SPE的选择性和特异性。与IMAC不同，分子印迹技术（MIT）是依赖于在聚合物制备过程中形成的具有特殊3D结构的孔穴之立体选择性实现模板分子的特异性识别，但其多适用于分子量（MW）小于500的小分子化合物。进一步提高SPE材料对目标分子之选择性和特异性，本课题组提出了将IMAC与分子印迹技术（MIT）相结合这一策略，在协同利用IMAC的配位键和MIT的立体选择性这两种特殊亲和力的同时，还可以赋予孔穴一定的柔性。同时磁分离技术的引入可简化前处理步骤，提高制备和分离效率。采用该策略制备了不同形貌、尺寸的多种SPEs，涵盖小分子（MW < 500），大分子（～1000）药物，多肽。利用该策略所制备的SPEs除具有选择性、特异性、印迹效率高之优点，还对柱容量和传质速率有了很大提升。该策略的顺利实施为高通量分析提供了一种有效手段。同时由于SPEs中金属离子的存在，可有效消除纯有机材料电子传输速率低之缺陷，在提高CMEs选择性和特异性的同时，大幅提升其灵敏度。在本项目的资助下，共制备出4种亲和SPEs，构建了4种CMEs；发表相关科研论文9篇，授权中国发明专利1例，参与会议交流23人次，培养研究生7人。