面向小分子检测的MALDI MS基质研究进展

doi:10.7503/cjcu20240285

摘要/Abstract

摘要：

低分子量化合物的分析与鉴定对于追踪药物分布和探究生物体内不同的代谢途径至关重要. 基质辅助激光解吸电离质谱(MALDI MS)在生物分子分析方面发挥着重要作用, 但是传统的有机基质自身电离产生的碎片信号会对小分子检测造成干扰, 且基质与样品结晶的不均匀性也严重影响信号的重复性和成像的空间分辨率. 为了克服这些问题, 研究者们开发了一系列适用于小分子检测的基质. 本文介绍了用于小分子检测的MALDI MS基质开发的研究进展, 主要包括去质子化基质、改性商业化基质、高分子量有机基质、反应性基质和纳米材料基质, 并对新型的MALDI MS基质的适用范围与应用领域进行了总结和展望.

关键词: 基质辅助激光解吸电离, 质谱成像, 小分子检测

Abstract:

The analysis of small molecules is of great interest to profile the distribution of small pharmaceutical drugs rapidly， or to trace and understand metabolic pathways. Matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry（MALDI MS） plays a central role in the analysis of biological molecules. However， its application for analysis of low molecular weight compounds is restricted by conventional organic matrices interferences in the low m/z region. In addition， inhomogeneity of matrix and sample crystals also impedes the detection repeatability and imaging spatial resolution. Several strategies regarding matrices preparation and functionalization have been investigated to overcome this problem. This review gives an overview on the rational design strategies used to develop matrix systems for the analysis of small molecules， focusing on the exploration of deprotonating matrices， modified conventional matrices， high molecular weight organic matrices， reactive matrices， and nanomaterial-based matrices. In final， the design and application of the new matrices for mass spectrometry analysis of small molecules are summarized and prospected.

Key words: Matrix-assisted laser desorption ionization, Mass spectrometry imaging, Analysis of small molecule

中图分类号:

O657.63

TrendMD:

续红妹, 王梁臣, 闵乾昊. 面向小分子检测的MALDI MS基质研究进展. 高等学校化学学报, 2024, 45(11): 20240285.

XU Hongmei, WANG Liangchen, MIN Qianhao. Advances in MALDI MS Matrices for the Detection of Small Molecules. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(11): 20240285.

图/表 6

Fig.1 Molecular structures of some deprotonating matrices

Fig.3 Combination of DHBH and DHB for profiling of N⁃glycans(A)[56] and PAPAN as reactive matrix for analysis of glycans(B)[57]（A） Copyright 2019， American Chemical Society；（B） Copyright 2019， American Chemical Society.

Fig.6 AuNPs⁃facilitated LDI MS imaging of metabolites(A)[77], N⁃doped graphene⁃based LDI MS detection of small molecules(B)[88] and HGQDs for LDI MS detection and imaging of small biomolecules(C)[89]（A） Copyright 2018， American Chemical Society；（B） Copyright 2014， American Chemical Society；（C） Copyright 2022， American Chemical Society.

参考文献 89

1	Karas M.， Hillenkamp F.， Anal. Chem.， 1988， 60（20）， 2299—2301
2	Krüger R.， Pfenninger A.， Fournier I.， Glückmann M.， Karas M.， Anal. Chem.， 2001， 73（24）， 5812—5821
3	Chui H. X.， Chan M.， Hernandez D.， Chong P.， McCorrister S.， Robinson A.， Walker M.， Peterson L.， Ratnam S.， Haldane D.， Bekal S.， Wylie J.， Chui L.， Westmacott G.， Xu B. L.， Drebot M.， Nadon C.， Knox J. D.， Wang G.， Cheng K.， J. Clin. Microbiol.， 2015， 53（8）， 2480—2485
4	Xu H. M.， Liu M.， Huang X. D.， Min Q. H.， Zhu J. J.， Anal. Chem.， 2018， 90（16）， 9859—9867
5	Bergman N.， Shevchenko D.， Bergquist J.， Anal. Bioanal. Chem.， 2014， 406（1）， 49—61
6	Kiss A.， Hopfgartner G.， Methods， 2016， 104， 142—153
7	Qiao Z.， Lissel F.， Chem.⁃Asian J.， 2021， 16（8）， 868—878
8	Soltzberg L. J.， Patel P.， Rapid Commun. Mass Spectrom.， 2004， 18（13）， 1455—1458
9	Brombacher S.， Owen S. J.， Volmer D. A.， Anal. Bioanal. Chem.， 2003， 376（6）， 773—779
10	Leopold J.， Popkova Y.， Engel K. M.， Schiller J.， Biomolecules， 2018， 8（4）， 173
11	Sunner J.， Dratz E.， Chen Y. C.， Anal. Chem.， 1995， 67（23）， 4335—4342
12	Xu H. M.， Zhang Z. Z.， Wang Y. H.， Lu W. F.， Min Q. H.， Analyst， 2021， 146（19）， 5779—5799
13	Wei J.， Buriak J. M.， Siuzdak G.， Nature， 1999， 399（6733）， 243—246
14	Cheng Y. H.， Zhang Y.， Chau S. L.， Lai S. K. M.， Tang H. W.， Ng K. M.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2016， 8（43）， 29668—29675
15	Sikora K. N.， Hardie J. M.， Castellanos-García L. J.， Liu Y.， Reinhardt B. M.， Farkas M. E.， Rotello V. M.， Vachet R. W.， Anal. Chem.， 2020， 92（2）， 2011—2018
16	Chen J. Y.， Li Y. Z.， Jiang Y. M.， Mao L. C.， Lai M.， Jiang L. X.， Liu H. H.， Nie Z. X.， Adv. Funct. Mater.， 2021， 31（52）， 2106743
17	Vermillion⁃Salsbury R. L.， Hercules D. M.， Rapid Commun. Mass Spectrom.， 2002， 16（16）， 1575—1581
18	Teearu A.， Vahur S.， Rodima T.， Herodes K.， Bonrath W.， Netscher T.， Tshepelevitsh S.， Trummal A.， Lõkov M.， Leito I.， J. Mass Spectrom.， 2017， 52（9）， 603—617
19	Shroff R.， Muck A.， Svatoš A.， Rapid Commun. Mass Spectrom.， 2007， 21（20）， 3295—3300
20	Amantonico A.， Oh J. Y.， Sobek J.， Heinemann M.， Zenobi R.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2008， 47（29）， 5382—5385
21	Fülöp A.， Porada M. B.， Marsching C.， Blott H.， Meyer B.， Tambe S.， Sandhoff R.， Junker H. D.， Hopf C.， Anal. Chem.， 2013， 85（19）， 9156—9163
22	Lorkiewicz P.， Yappert M. C.， J. Mass Spectrom.， 2009， 44（1）， 137—143
23	Wang X. D.， Han J.， Pan J. X.， Borchers C. H.， Anal. Chem.， 2014， 86（1）， 638—646
24	Wang J. N.， Wang C. Y.， Han X. L.， Anal. Chim. Acta， 2018， 1000， 155—162
25	Juhasz P.， Costello C. E.， J. Am. Soc. Mass Spectrom.， 1992， 3（8）， 785—796
26	Liu H. H.， Chen R.， Wang J. Y.， Chen S. M.， Xiong C. Q.， Wang J. N.， Hou J.， He Q.， Zhang N.， Nie Z. X.， Mao L.Q.， Anal. Chem.， 2014， 86（20）， 10114—10121
27	Li B.， Sun R. Y.， Gordon A.， Ge J. Y.， Zhang Y.， Li P.， Yang H.， Anal. Chem.， 2019， 91（13）， 8221—8228
28	Tang W. W.， Gordon A.， Wang F.， Chen Y. W.， Li B.， Anal. Chem.， 2021， 93（26）， 9083—9093
29	Chen Y. W.， Hu D. J.， Zhao L. S.， Tang W. W.， Li B.， Anal. Chim. Acta， 2022， 1192， 339337
30	Ling L.， Li Y.， Wang S.， Guo L. M.， Xiao C. S.， Chen X. S.， Guo X. H.， J. Am. Soc. Mass Spectrom.， 2018， 29（4）， 704—710
31	Krivosheina M. S.， Borisov R. S.， Zhilyaev D. I.， Matveeva M. D.， Zaikin V. G.， Rapid Commun. Mass Spectrom.， 2021， 35（1）， e8954
32	Calvano C. D.， Zambonin C. G.， Palmisano F.， Rapid Commun. Mass Spectrom.， 2011， 25（12）， 1757—1764
33	Cao D.， Wang Z. D.， Han C. G.， Cui L.， Hu M.， Wu J. J.， Liu Y. X.， Cai Y. Q.， Wang H. L.， Kang Y. H.， Talanta， 2011， 85（1）， A345—352
34	Weißflog J.， Svatoš A.， RSC Adv.， 2016， 6（79）， 75073—75081
35	Abdelhamid H. N.， TrAC， 2016， 77， 122—138
36	Li Y. L.， Gross M. L.， J. Am. Soc. Mass Spectrom.， 2004， 15（12）， 1833—1837
37	Meriaux C.， Franck J.， Wisztorski M.， Salzet M.， Fournier I.， J. Proteomics， 2010， 73， 1204—1218
38	Ostermann K. M.， Luf A.， Lutsch N. M.， Dieplinger R.， Mechtler T. P.， Metz T. F.， Schmid R.， Kasper D. C.， Clin. Chim. Acta， 2014， 433， 254—258
39	Porta T.， Grivet C.， Knochenmuss R.， Varesio E.， Hopfgartner G.， J. Mass Spectrom.， 2011， 46（2）， 144—152
40	Yonezawa T.， Asano T.， Fujino T.， Nishihara H.， Chem. Phys.， 2013， 419， 17—22
41	Lin Y. S.， Chen Y. C.， Anal. Chem.， 2002， 74（22）， 5793—5798
42	Kim Y. K.， Landis R.， Vachet R. W.， Rotello V. M.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2018， 10（42）， 36361—36368
43	Ayorinde F. O.， Hambright P.， Porter T. N.， Keith Q. L.， Rapid Commun.Mass Spectrom.， 1999， 13（24）， 2474—2479
44	Ayorinde F. O.， Garvin K.， Saeed K.， Rapid Commun. Mass Spectrom.， 2000， 14（7）， 608—615
45	Ayorinde F. O.， Bezabeh D. Z.， Delves I. G.， Rapid Commun. Mass Spectrom.， 2003， 17（15）， 1735—1742
46	van Kampen J. J. A.， Luider T. M.， Ruttink P. J. A.， Burgers P. C.， J. Mass Spectrom.， 2009， 44（11）， 1556—1564
47	Chen Y. T.， Ling Y. C.， J. Mass Spectrom.， 2002， 37（7）， 716—730
48	Zhang S.， Liu J. A.， Chen Y.， Xiong S. X.， Wang G. H.， Chen J.， Yang G. Q.， J. Am. Soc. Mass Spectrom.， 2010， 21（1）， 154—160
49	Woldegiorgis A.， Kieseritzky F. V.， Dahlstedt E.， Hellberg J.， Brinck T.， Roeraade J.， Rapid Commun. Mass Spectrom.， 2004， 18（8）， 841—852
50	Castellanos⁃García L. J.， Agudelo B. C.， Rosales H. F.， Cely M.， Ochoa⁃Puentes C.， Blanco⁃Tirado C.， Sierra C. A.， Combariza M. Y.， J. Am. Soc. Mass Spectrom.， 2017， 2（12）， 2548—2560
51	Horatz K.， Giampà M.， Karpov Y.， Sahre K.， Bednarz H.， Kiriy A.， Voit B.， Niehaus K.， Hadjichristidis N.， Michels D. L.， Lissel F.， J. Am. Chem. Soc.， 2018， 140（36）， 11416—11423
52	Cobice D. F.， Livingstone D. E. W.， Mackay C. L.， Goodwin R. J. A.， Smith L. B.， Walker B. R.， Andrew R.， Anal. Chem.， 2016， 88（21）， 10362—10367
53	Teuber K.， Fedorova M.， Hoffmann R.， Schiller J.， Anal. Lett.， 2012， 45（9）， 968—976
54	Shigeri Y.， Yasuda A.， Sakai M.， Ikeda S.， Arakawa R.， Sato H.， Kinumi T.， Eur. J. Mass Spectrom.， 2015， 21（2）， 79—90
55	Flinders B.， Morrell J.， Marshall P. S.， Ranshaw L. E.， Clench M. R.， Anal. Bioanal. Chem.， 2015， 407（8）， 2085—2094
56	Zhao X. Y.， Guo C.， Huang Y.， Huang L. L.， Ma G.， Liu Y. Q.， He Q.， Wang H. W.， Chen K. S.， Pan Y. J.， Anal. Chem.， 2019， 91（14）， 9251—9258
57	Ling L.， Xiao C. S.， Ma Y.， Jiang L. Y.， Wang S.， Guo L. M.， Jiang S. M.， Guo X. H.， Anal. Chem.， 2019， 91（14）， 8801—8807
58	Ling L.， Jiang L. Y.， Chen Q. R.， Zhao B.， Li Y. Y.， Guo X. H.， Food Chem.， 2021， 340， 128208
59	Rohmer M.， Meyer B.， Mank M.， Stahl B.， Bahr U.， Karas M.， Anal. Chem.， 2010， 8（9）， 3719—3726
60	Mugo S. M.， Bottaro C. S.， Rapid Commun.Mass Spectrom.， 2008， 22（8）， 1087—1093
61	Shariatgorji M.， Nilsson A.， Källback P.， Karlsson O.， Zhang X.， Svenningsson P.， Andrén P. E.， J. Am. Soc. Mass Spectrom.， 2015， 26（6）， 934—939
62	Shariatgorji R.， Nilsson A.， Strittmatter N.， Vallianatou T.， Zhang X.， Svenningsson P.， Goodwin R. J. A.， Andrén P. E.， J. Am. Soc. Mass Spectrom.， 2020， 31（12）， 2553—2557
63	Shariatgorji M.， Nilsson A.， Fridjonsdottir E.， Vallianatou T.， Källback P.， Katan L.， Sävmarker J.， Mantas I.， Zhang X. Q.， Bezard E.， Svenningsson P.， Odell L. R.， Andrén P. E.， Nat. Methods， 2019， 16（10）， 1021—1028
64	Wang Y.， Tong Q.， Ma S. R.， Zhao Z. X.， Pan L. B.， Cong L.， Han P.， Peng R.， Yu H.， Lin Y.， Gao T. L.， Shou J. W.， Li X. Y.， Zhang X. F.， Zhang Z. W.， Fu J.， Wen B. Y.， Yu J. B.， Cao X. T.， Jiang J. D.， Signal Transduction Targeted Ther.， 2021， 6（1）， 77
65	Manier M. L.， Spraggins J. M.， Reyzer M. L.， Norris J. L.， Caprioli R. M.， J. Mass Spectrom.， 2014， 49（8）， 665—673
66	Zaikin V. G.， Borisov R. S.， Polovkov N. Y.， Slyundina M. S.， Eur. J. Mass Spectrom.， 2015， 21（3）， 403—411
67	Kaya I.， Brülls S. M.， Dunevall J.， Jennische E.， Lange S.， Mårtensson J.， Ewing A. G.， Malmberg P.， Fletcher J. S.， Anal. Chem.， 2018， 90（22）， 13580—13590
68	Wäldchen F.， Spengler B.， Heiles S.， J. Am. Chem. Soc.， 2019， 141（30）， 11816—11820
69	Wäldchen F.， Mohr F.， Wagner A. H.， Heiles S.， Anal. Chem.， 2020， 92（20）， 14130—14138
70	Huang L.， Wan J. J.， Wei X.， Liu Y.， Huang J. Y.， Sun X. M.， Zhang R.， Gurav D. D.， Vedarethinam V.， Li Y.， Chen R. P.， Qian K.， Nat. Commun.， 2017， 8（1）， 220
71	Nasser Abdelhamid H.， Wu B. S.， Wu H. F.， Talanta， 2014， 126， 27—37
72	Kailasa S. K.， Wu H. F.， Anal. Bioanal. Chem.， 2010， 396（3）， 1115—1125
73	Walker B. N.， Razunguzwa T.， Powell M.， Knochenmuss R.， Vertes A.， Angew. Chem.， Int. Ed.， 2009， 48（9）， 1669—1672
74	Walker B. N.， Antonakos C.， Retterer S. T.， Vertes A.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2013， 52（13）， 3650—3653
75	Korte A. R.， Stopka S. A.， Morris N.， Razunguzwa T.， Vertes A.， Anal. Chem.， 2016， 88（18）， 8989—8996
76	Chen X. M.， Wang T.， Lin L. M.， Wo F. J.， Liu Y. Q.， Liang X.， Ye H.， Wu J. M.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2018， 10（17）， 14389—14398
77	Palermo A.， Forsberg E. M.， Warth B.， Aisporna A. E.， Billing， E.， Kuang E.， Benton H. P.， Berry D.， Siuzdak G.， ACS Nano， 2018， 12（7）， 6938—6948
78	Wu Q.， Chu J. L.， Rubakhin S. S.， Gillette M. U.， Sweedler J. V.， Chem. Sci.， 2017， 8（5）， 3926—3938
79	Wang X. N.， Li B.， Anal. Chem.， 2022， 94（2）， 952—959
80	Wang X. N.， Tang W.， Gordon A.， Wang H. Y.， Xu L.， Li P.， Li B.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2020， 12（38）， 42567—42575
81	Shih Y. H.， Chien C. H.， Singco B.， Hsu C. L.， Lin C. H.， Huang H. Y.， Chem. Commun.， 2013， 49（43）， 4929—4931
82	Chen L. F.， Ou J. J.， Wang H. W.， Liu Z. S.， Ye M. L.， Zou H. F.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2016， 8（31）， 20292—20300
83	Shih Y. H.， Fu C. P.， Liu W. L.， Lin C. H.， Huang H. Y.， Ma S. Q.， Small， 2016， 12（15）， 2057—2066
84	Yang X. Q.， Lin Z.， Yan X. P.， Cai Z. W.， RSC Adv.， 2016， 6（28）， 23790—23793
85	Liu H. L.， Chang Y. J.， Fan T.， Gu Z. Y.， Chem. Commun.， 2016， 52（88）， 12984—12987
86	Wang J.， Cheng M. T.， Zhang Z.， Guo L. Q.， Liu Q.， Jiang G. B.， Chem. Commun.， 2015， 51（22）， 4619—4622
87	Huang X.， Liu Q.， Huang X. Y.， Nie Z.， Ruan T.， Du Y. G.， Jiang G. B.， Anal. Chem.， 2017， 89（2）， 1307—1314
88	Min Q. H.， Zhang X. X.， Chen X. Q.， Li S. Y.， Zhu J. J.， Anal. Chem.， 2014， 8（18）， 9122—9130
89	Jin Z. H.， Liu， M.， Huang X. D.， Zhang X. M.， Qu Z. X.， Zhu J. J.， Min Q. H.， Anal. Chem.， 2022， 94（21）， 7609—7618

[1]	曹婷, 舒伟康, 万晶晶. 等离子体复合材料辅助小分子代谢物的质谱半定量分析及鉴定[J]. 高等学校化学学报, 2024, 45(11): 20240325.
[2]	窦树珍, 王中舜, 吕男. 硅纳米结构对表面辅助激光解吸/电离质谱检测性能的提高[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(4): 1156.
[3]	王晓群, 黄光明. 三氟乙酸增强的解吸电喷雾电离质谱成像用于脂质空间分布研究[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(12): 2673.
[4]	王培培, 于广利, 焦广玲, 赵峡, 李静, 柴文刚. 基于MALDI-TOF质谱技术分析人宫颈癌 HeLa细胞N-糖链结构轮廓[J]. 高等学校化学学报, 2012, 33(06): 1233.
[5]	梁峰, 石莹, 张萱, 刘忠英, 刘志强. 电离辐射诱导T淋巴细胞的差异蛋白质组学研究[J]. 高等学校化学学报, 2010, 31(6): 1143.
[6]	刘琳琳, 席景会, 连杰, 唐心龙, 安少利, 孙立文, 张炬红, 许鹏, 潘怡欧, 李善玉. 拟南芥和甜菜夜蛾相互作用的差异蛋白分析[J]. 高等学校化学学报, 2009, 30(9): 1767.
[7]	周新文, 严钦, 周珮, 杨芃原. 磺基异硫氰酸苯酯化学辅助方法对新蛋白质进行从头测序[J]. 高等学校化学学报, 2009, 30(4): 706.
[8]	路显锋,刘志强,邢俊鹏,刘淑莹 . 利用MALDI-TOF质谱技术研究MPEG-b-PCL两嵌段共聚物的嵌段长度及嵌段分布[J]. 高等学校化学学报, 2008, 29(6): 1267.
[9]	黎根,刘宁,刘志强,刘淑莹 . β₂-微球蛋白连续表位的免疫亲和质谱研究[J]. 高等学校化学学报, 2007, 28(1): 92.
[10]	石磊, 王勇, 刘志强, 刘淑莹. 提高MALDI-MS测量溶菌酶分子量灵敏度的研究[J]. 高等学校化学学报, 2002, 23(12): 2247.
[11]	熊少祥, 陈文章, 蒲丹, 辛斌, 王光辉. 激光解吸电离质谱新型液相基质研究[J]. 高等学校化学学报, 2002, 23(10): 1868.
[12]	熊少祥, 辛斌, 王光辉, 刘国诠. 基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱研究(Ⅰ)──杯芳烃化合物[J]. 高等学校化学学报, 2000, 21(4): 522.
[13]	佘益民, 季怡萍, 何毓璠, 刘淑莹. MALDI质谱检测蛋白质与富勒醇的非共价复合物[J]. 高等学校化学学报, 1998, 19(11): 1735.