光子晶体增强激光解吸离子化基底及其在应激生物标志物检测中的应用研究

Surface assisted laser desorption ionization (SALDI) can efficiently soft ionize sample molecules, and decrease the interference of background in low molecule weight range, which is problem for traditional matrix assisted laser desorption ionization. By present, the SALDI substrates were based on the interaction between random nanomaterials and laser. They promoted the desorption and ionization of sample by field enhancement and high heating rate. However, the special arrangements of nanomaterials in up-scale can significantly change the dynamics of interaction between laser and matter. In this project, we will study the enhancement of laser desorption ionization based on the slow light at the stop band edge of photonic crystals. By designing and tailoring the bulk materials, stop band structures and surface characters, we will study the interaction between photonic crystals and laser, tune the absorption, distribution, transformation of laser energy and the production, separation, transfer of charges in the laser desorption ionization. The high coupling of laser energy, substrate materials and sample molecules will be achieved to improve the efficiency of desorption and ionization. At last, high efficiency substrates for mass spectrum will be developed for the detection of stress biomarkers in saliva.

基于纳米材料的表面辅助激光解吸离子化可以有效的软电离样品分子，同时最小化传统基质辅助激光解吸离子化过程中低分子量区的背景干扰。目前发展的表面辅助激光解吸离子化材料主要是利用无组织纳米尺度材料与激光的相互作用产生的场增强、高加热率等以促进样品的解吸附与离子化，然而纳米材料在高一级尺度组织成的特定结构能够非常显著地改变光与纳米材料相互作用的动力学。本研究基于光子晶体的光子禁带特性开展增强激光解吸附与离子化研究，通过对反蛋白石光子晶体的本体材料、禁带结构、表面特性进行裁剪设计，研究它们与激光的相互作用，实现激光能量、基底材料、样品分子之间的高效耦合，提高解吸附与离子化效率，开发出用于质谱检测的高效激光解吸离子化基底，降低激光功率、改善质谱信号质量，并研究其在唾液中应激生物标志物快速检测中的应用。

基于纳米材料的表面辅助激光解吸离子化可以有效的软电离样品分子，同时最小化传统基质辅助激光解吸离子化过程中低分子量区的背景干扰。针对传统表面辅助激光解吸离子化材料的局限，本研究围绕光子晶体的光子禁带特性开展增强激光解吸附与离子化研究，系统探讨了光子晶体基底对激光解吸离子化的作用效果，提出了利用反蛋白石结构光子晶体的慢光子效应及其特殊的有序多孔结构促进激光解吸和电离的新策略。具体开展的研究内容包括：制备了以钨钛氧化物、碳、氧化钛等为基材的反蛋白石结构光子晶体；研究了光子禁带位置、激光波长、本体材料掺杂等因素对解吸离子化的作用效果，验证了光子晶体的慢光效应能够增强解吸离子化效率；实现了以光子晶体膜为基质方便快捷地检测血清中与慢性温和不可预知应激模型相关的生物标志物，并初步探索了光子晶体增强基底在质谱成像中的应用。此外，针对基于增强基底的单细胞分析，开发了常压开放式激光增强解吸质谱检测系统搭建。结合光子晶体的结构色特性，发展了基于光子晶体编码微球的特异性细胞捕获及蛋白质组学分析方法。本项目发展的增强基底更适用于样本的直接分析，相比于传统利用有机基质的方法，可以避免制样过程中有机基质结晶不均带来的各种干扰。在后续研究中，通过发展在玻片上的大面积均匀基底制备工艺，有望实际应用于传统MALDI-MS方法的部分替代。