用于小分子分析的MALDI新基质的设计、合成及其应用研究

Matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI) is a high efficient "soft" ionization technique, and MALDI mass spectrometry (MS) has developed into an dispensable tool in analytical biochemistry. Despite the wide applications of MALDI MS in proteomics, genomics, metabolomics, MS imaging and other fields, the applications in low molecular weight compounds analysis have been extremely limited because of the strong background interference of the conventional matrixes in low mass range (m/z < 500). To explore the applications of the high throughput MALDI MS in bioactive low molecular weight molecules detection, metabolomics analysis, small molecules MS imaging, and other important fields, we intend to design and synthesize new MALDI matrixes which has low background interference and high sensitivity with the help of Br?nsted-Lowry acid-base theory. The designed and synthesized new matrixes can be employed to determine the alkaline and other low molecular weight compounds. Meanwhile, we intend to conduct the MALDI-TOF MS imaging of low molecular weight compounds in animal tissue slices of different parts (e.g. brain, liver) under different physiological and pathological conditions (e.g. induced tumor, gene knockout) using synthesized and developed matrixes. This research can monitor the space distribution and concentration change of low molecular weight compounds and is helpful for revealing the important roles of these small molecules.

基质辅助激光解吸电离（MALDI）是一种高效的"软"电离质谱技术，基于该技术的MALDI质谱在已经成为生物分析化学中不可或缺的工具之一。但是由于传统的MALDI基质在低分子量范围内（m/z < 500）会产生大量的碎片离子，严重干扰小分子物质的测定。因此，限制了MALDI质谱这种高通量、高灵敏的质谱分析方法在生物活性小分子检测、代谢组学分析、小分子质谱成像等许多重要领域的应用。本课题拟采用布朗斯特-劳里酸碱理论，利用有机合成手段，来设计、合成在低分子量区具有较低背景信号、检测灵敏的有机基质，来进行碱性小分子等生物活性小分子的MALDI质谱检测。同时，利用开发出的及现有的基质，通过MALDI-TOF质谱成像技术，对不同生理病理条件下（如诱导肿瘤、基因敲除等）、不同部位（如鼠脑、肝等）的动物组织切片进行质谱成像分析，从而对小分子进行空间分布和浓度变化的监测，以揭示小分子在这些过程中的重要作用。

基质辅助激光解吸电离（MALDI）是一种高效的“软”电离质谱技术，基于该技术的MALDI质谱在已经成为生物分析化学中不可或缺的工具之一。但是由于传统的MALDI基质在低分子量范围内（m/z < 500）会产生大量的碎片离子，严重干扰小分子物质的测定。因此，限制了MALDI质谱这种高通量、高灵敏的质谱分析方法在生物活性小分子检测、代谢组学分析、小分子质谱成像等许多重要领域的应用。本课题拟采用布朗斯特-劳里酸碱理论，利用有机合成手段，来设计、合成在低分子量区具有较低背景信号、检测灵敏的有机基质，来进行生物活性小分子或代谢物的MALDI质谱检测。同时，利MALDI-TOF质谱成像技术，对动物组织切片进行质谱成像分析，从而对内源性或外源性物质进行空间分布和浓度变化的监测，以揭示这些物质在不同生理过程中重要作用。项目执行过程中,取得如下成果:（1）根据布朗斯特-劳里酸碱理论，设计合成了一种适用于胺类小分子分析的MALDI新基质2,3,4,5-四(3’,4’-二羟基苯基)噻吩。与传统基质相比，该基质在低分子量范围内（< 500 Da）无背景干扰，可以高灵敏地分析氨基酸、维生素、苯胺类等各种碱性胺类小分子。该基质有望在生物组织质谱成像和代谢组学研究中得到广泛应用（Anal. Chem. 2012, 84, 10291-10297）。（2）通过研究我们发现具有高效的吸光性能碳量子点可以用作新型MALDI基质，而其在低质量范围内较低的背景信号不会干扰小分子的分析。进一步的研究发现，该碳量子点基质可以同时在正负离子两种质谱模式下工作，而且碳纳米点优良的水溶性使其与其它碳材料基质相比具有更高的灵敏度。应用该基质，实现了内源性小分子的MALDI质谱分析，并实现了血清中葡萄糖和尿样中尿酸的定量分析，具有潜在的临床应用价值（Anal. Chem. 2013, 85, 6646−6652.）。（3）研究发现并利用碳纳米材料在紫外激光解吸电离过程中产生的固有碳负离子簇（C2-C10）指纹信号，该质谱信号几乎不受任何生物分子的背景信号干扰。结合飞行时间质谱，同时实现了小鼠体内碳纳米材料的亚器官质谱成像和定量分析。相关结果发表在近期的《自然－纳米技术》（Nature Nanotech. 2015, 10, 176）杂志上