CN106807942A - 一种核壳结构纳米基质及其制备与应用 - Google Patents

一种核壳结构纳米基质及其制备与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种核壳结构纳米基质,该核壳结构纳米基质为SiO2@Pt核壳结构，该核壳结构纳米基质为纳米球形颗粒，纳米球形颗粒的直径小于1μm，颗粒粒度均一，该纳米球形颗粒具有粗糙表面。本发明还公开了该核壳结构纳米基质的制备方法以及其在质谱分析尤其是在生物样品的质谱分析中的应用。该核壳结构纳米基质能有效排除传统有机基质的背景噪声干扰，大大提升小分子物质的解析离子化效果。使用该基质进行质谱分析，可以实现特异性检测指定类别分子，排除其他分子干扰并具有一定的耐盐性，适用于生物体液体系的检测。本发明作为一种快速高效的检测手段，其所带来的极少的样品消耗，有利于生物样品库的微型化，值得推广和应用。

Description

一种核壳结构纳米基质及其制备与应用
技术领域
本发明涉及质谱检测领域，尤其涉及一种核壳结构纳米基质的制备及其在质谱分析中的应用。
背景技术
基质辅助激光解析电离质谱(MALDI-MS)是近年来发展起来的一种高效率高精度的生物检测手段，并成功应用于基因组、蛋白组、代谢组甚至是临床医学的诊断，主要通过对样品离子的质荷比(m/z)的分析而实现对样品进行精准定性和定量。MALDI-MS采用的是基质辅助激光解吸电离技术，即激光照射在由被测样品和基质形成的共同结晶上，从而使得被测样品电离。在这中间基质起到吸收激光能量并将其传递给被测样品的作用，因此基质需要在特定波长范围的激光条件下有很好的能量吸收能力。根据被分析物质子化和去质子化能力不同，MALDI-MS主要分为正离子模式和负离子模式。其准确度高达0.1％～0.01％，远远高于目前常规应用的生化、高效凝胶色谱等技术。由于基质的存在，MALDI技术中激光吸收条件与被分析物m/z条件完全独立，因此MALDI可测的物质m/z范围非常广，上可达到10000Da，这为蛋白质的检测提供了新的途径和便利。综上，MALDI-MS具有可检测的分子量范围大，扫描速度快，分辨率、灵敏度高，仪器结构简单等显著优点，发展意义显著。
现有比较成熟的基质主要为一次性有机基质，例如：CHCA(肉桂酸)、DHB(2，5-二羟基苯甲酸)和SA(芥子酸)。然而有机基质普遍存在问题，因为有机基质在低质荷比(m/z<1000Da)段会产生大量不可复制的碎片，其干扰不可去除，这对质谱分析带来了很大的局限。此外，对于简单的标准样品体系，MALDI-MS的检测限尚可达到10-15～10-18，但在如脑脊液、血清等生物样品中，还含有大量蛋白质、盐类等干扰物，极大影响了待测样品离子化效率。
在此基础上，科学家开始探索无机纳米材料作为MALDI的固体基质或作为有机基质的增强材料。其中有一些无机纳米材料已被证明有作为基质的潜能，比如金纳米颗粒，碳纳米管，石墨烯，二氧化硅等。尽管新型基质的研究已渐成热点，但目前尚没有一种基质能够集制备过程简单、尺寸均一、分散性好、背景噪声小、增强效果好、可用于精准定量等优点于一身。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种核壳结构纳米基质，并将其应用于质谱分析，特别是低质量范围段。
本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种核壳结构纳米基质，该核壳结构纳米基质为SiO2@Pt核壳结构，为纳米球形颗粒，该纳米球形颗粒的直径小于1μm，颗粒粒度均一，该纳米球形颗粒具有粗糙表面。粗糙的表面、稳定的结构、较大的表面积对于增强小分子解析离子化效果有非常重要的作用。
进一步地，该纳米球形颗粒的直径范围为150nm～600nm。
进一步地，该核壳结构的核由二氧化硅纳米小球构成，二氧化硅纳米小球的颗粒直径范围为100nm～500nm。
进一步地，该核壳结构的壳由铂纳米小球组成，该铂纳米小球的直径不大于50nm，优选地，其直径为5nm～10nm，且该铂纳米小球形成粗糙表面。
本发明还提供了一种核壳结构纳米基质的制备方法，包括以下步骤：
第一步：以乙醇为溶剂，加入氨水2～5毫升搅拌5～30分钟后，加入正硅酸乙酯1～5毫升持续搅拌反应6～8小时，制备尺寸均一的二氧化硅小球；
第二步：将第一步得到的二氧化硅小球以水和乙醇为混合溶剂加入3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)加热搅拌反应1小时，以形成SiO2-NH2纳米颗粒；
第三步：将第二步形成的SiO2-NH2纳米颗粒用去离子水分散，在溶液中加入氯金酸和氢氧化钠，在75℃下搅拌反应10分钟，以得到二氧化硅金种纳米粒子；
第四步：将氯铂酸和碳酸钾以一定比例混合，并在遮光条件下搅拌12小时，得到生长溶液；
第五步：将第三步得到的二氧化硅金种纳米粒子以去离子水为溶剂超声分散，并和第四步得到的生长溶液混合，加入还原剂硼氢化钠，常温搅拌1小时，得到SiO2@Pt核壳结构纳米颗粒；
第六步：将SiO2@Pt核壳结构纳米颗粒重悬在去离子水中，作为基质使用。
本发明还提供了上述核壳结构纳米基质在质谱分析中的应用，包括以下步骤：
第一步：仪器与试剂的准备：激光解析电离质谱仪，只有信噪比大于10的质谱信号用于分析；采用脉冲电场延时提取及反射的工作方式，正离子模式进行检测；
第二步：根据上述方法制备SiO2@Pt核壳结构纳米基质；
第三步：制备待分析样品，此处的“制备”，是指样品的常规制备，例如将葡萄糖粉末配制成葡萄糖溶液，将氨基酸粉末配制成氨基酸溶液等，无须对样品进行任何预处理，例如血清、脑脊液等生物样品，得到材料后可直接用于分析；
第四步：将SiO2@Pt核壳结构纳米基质与待分析样品复合，在靶板上点样，进行质谱分析。此处的“复合”，有三种情况：其一、在干燥的待分析样品上滴加SiO2@Pt核壳结构纳米基质的混悬液，干燥；其二、在干燥的SiO2@Pt核壳结构纳米基质上滴加待分析样品的溶液，干燥；其三、将待分析样品的溶液与SiO2@Pt核壳结构纳米基质的混悬液混合，干燥。
进一步地，在上述质谱分析的应用中，须使用洁净的靶板，靶板依次用甲酸、无水乙醇、去离子水超声清洗共1.5小时。
进一步地，将SiO2@Pt核壳结构纳米基质在去离子水中超声震荡分散，当待分析样品干燥后，在待分析样品表面滴加SiO2@Pt核壳结构纳米基质的混悬液，待分析样品与SiO2@Pt核壳结构纳米基质形成二次重结晶。
进一步地，本发明还提供了上述核壳结构纳米基质在生物样品的质谱分析中的应用。
进一步地，上述生物样品包括血清、脑脊液、氨基酸或糖类。
本发明的优点在于：
灵敏度提高：有效排除有机基质的背景噪声干扰，实现对小分子物质的精准识别。
耐盐性、耐蛋白性良好：有效去除复杂的血清、人脑脊液等体系中含量较高的盐类、蛋白大分子等的影响。
操作简便：实验中无需对样品进行任何预处理，操作便捷，提供了高效、简便的检测方法。
上述核壳结构纳米基质能有效排除传统有机基质的背景噪声干扰，大大提升小分子物质的解析离子化效果。使用该基质进行质谱分析，可以实现特异性检测指定类别分子，排除其他分子干扰并具有一定的耐盐性，适用于生物体液体系的检测。本发明作为一种快速高效的检测手段，其所带来的极少的样品消耗，有利于生物样品库的微型化，值得推广和应用。
以下将结合附图对本发明作进一步说明，以充分说明本发明的目的、技术特征和技术效果。
附图说明
图1是本发明较优实施例中制备得到的SiO2@Pt核壳结构纳米颗粒的TEM表征图片；
图2是以本发明较优实施例中制备得到的SiO2@Pt核壳结构纳米颗粒为基质检测葡萄糖标准品得到的质谱图；
图3是以本发明较优实施例中制备得到的SiO2@Pt核壳结构纳米颗粒为基质检测精氨酸标准品得到的质谱图；
图4是以CHCA为基质检测小分子标准品得到的质谱图，用于对比；
图5是以本发明较优实施例中制备得到的SiO2@Pt核壳结构纳米颗粒为基质检测脑脊液成分的质谱图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行进一步描述。
SiO2@Pt核壳结构纳米基质的制备方法，包括以下步骤：
第一步：以乙醇为溶剂，加入氨水2～5毫升搅拌5～30分钟后，加入正硅酸乙酯1～5毫升持续搅拌反应6～8小时，制备尺寸均一的二氧化硅小球；
第二步：将第一步得到的二氧化硅小球用乙醇超声分散，以水和乙醇为混合溶剂加入3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)在95℃下搅拌反应1小时，以形成SiO2-NH2纳米颗粒；
第三步：将第二步形成的SiO2-NH2纳米颗粒用去离子水分散，在溶液中加入氯金酸和氢氧化钠，在75℃下搅拌反应10分钟，并慢速搅拌退火12小时，以得到二氧化硅金种纳米粒子；
第四步：将氯铂酸和碳酸钾以1:50～1:300的比例混合，并在遮光条件下搅拌12小时，得到生长溶液；
第五步：将第三步得到的纳米粒子以去离子水为溶剂超声分散，并和第四步得到的生长溶液混合，加入还原剂硼氢化钠，常温搅拌1小时，得到SiO2@Pt核壳结构纳米基质。
表征所用的仪器：
产物的尺寸和形貌表征在JEOL JEM-2100F透射电镜(TEM)，JEOLJEM-2100F高分辨透射电镜(HRTEM)以及Hitachi S-4800扫描电镜(SEM)上完成。
表征结果为：
SiO2@Pt核壳结构纳米颗粒的粒度均一，平均直径约为150nm。高分辨扫描电镜结果显示颗粒表面粗糙不光滑。透射电镜结果表明表面的粗糙由直径约为5-10nm的纳米小球组成，如图1所示。
实施例1检测葡萄糖标准品
利用SiO2@Pt核壳结构纳米基质对小分子标准品进行基质辅助激光解析电离飞行时间质谱检测的步骤如下：
(1)仪器与试剂的准备：激光解析电离质谱仪(MALDI)，只有信噪比大于10的质谱信号用于分析。采用AB SCIEX TOF/TOFTM 5800质谱仪，Nd:YAG激光器，波长为355nm。采用脉冲电场延时提取及反射的工作方式，正离子模式进行检测。采用DataExplorer观察、处理、分析数据，只有信噪比大于10的质谱信号用于分析；
(2)按照上述方法制备SiO2@Pt核壳结构纳米颗粒；
(3)依次用甲酸、无水乙醇、去离子水超声清洗MALDI靶板共1.5小时，干燥；
(4)将SiO2@Pt核壳结构纳米颗粒与葡萄糖等体积比复合，具体来说，SiO2@Pt核壳结构纳米颗粒在去离子水中超声震荡分散，当点在靶板上的葡萄糖溶液干燥后，在其表面滴加基质混悬液，葡萄糖与基质形成二次重结晶；
(5)样品干燥后，用于激光解析离子化质谱分析。
质谱分析结果如图2所示。
实施例2检测精氨酸标准品
(1)仪器与试剂的准备：激光解析电离质谱仪(MALDI)，只有信噪比大于10的质谱信号用于分析。采用AB SCIEX TOF/TOFTM 5800质谱仪，Nd:YAG激光器，波长为355nm。采用脉冲电场延时提取及反射的工作方式，正离子模式进行检测。采用DataExplorer观察、处理、分析数据，只有信噪比大于10的质谱信号用于分析；
(2)按照上述方法制备SiO2@Pt核壳结构纳米颗粒；
(3)依次用甲酸、无水乙醇、去离子水超声清洗MALDI靶板共1.5小时，干燥；
(3)将SiO2@Pt核壳结构纳米颗粒与精氨酸等体积比复合，具体来说，SiO2@Pt核壳结构纳米颗粒在去离子水中超声震荡分散后点在靶板上，干燥后，在其表面滴加精氨酸溶液，精氨酸与基质形成二次重结晶；
(5)样品干燥后，用于激光解析离子化质谱分析。
质谱分析结果如图3所示。
实施例3检测脑脊液样品
(1)仪器与试剂的准备：激光解析电离质谱仪(MALDI)，只有信噪比大于10的质谱信号用于分析。采用AB SCIEX TOF/TOFTM 5800质谱仪，Nd:YAG激光器，波长为355nm。采用脉冲电场延时提取及反射的工作方式，正离子模式进行检测。采用DataExplorer观察、处理、分析数据，只有信噪比大于10的质谱信号用于分析；
(2)按照上述方法制备SiO2@Pt核壳结构纳米颗粒；
(3)制备脑脊液样品；
(4)依次用甲酸、无水乙醇、去离子水超声清洗MALDI靶板共1.5小时，干燥；
(5)将SiO2@Pt核壳结构纳米颗粒与脑脊液样品混合后，点在靶板上；
(6)样品干燥后，用于激光解析离子化质谱分析。
质谱分析结果如图5所示。
实施例4检测血清样品
(1)仪器与试剂的准备：激光解析电离质谱仪(MALDI)，只有信噪比大于10的质谱信号用于分析。采用AB SCIEX TOF/TOFTM 5800质谱仪，Nd:YAG激光器，波长为355nm。采用脉冲电场延时提取及反射的工作方式，正离子模式进行检测。采用DataExplorer观察、处理、分析数据，只有信噪比大于10的质谱信号用于分析；
(2)按照上述方法制备SiO2@Pt核壳结构纳米颗粒；
(3)制备血清样品；
(4)依次用甲酸、无水乙醇、去离子水超声清洗MALDI靶板共1.5小时，干燥；
(5)将SiO2@Pt核壳结构纳米颗粒与血清样品混合后，点在靶板上；
(6)样品干燥后，用于激光解析离子化质谱分析。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种核壳结构纳米基质,其特征在于，所述核壳结构纳米基质为SiO2@Pt核壳结构，所述核壳结构纳米基质为纳米球形颗粒，所述纳米球形颗粒的直径小于1μm，颗粒粒度均一，所述纳米球形颗粒具有粗糙表面。
2.根据权利要求1所述的一种核壳结构纳米基质,其特征在于，所述纳米球形颗粒的直径范围为150nm～600nm。
3.根据权利要求1所述的一种核壳结构纳米基质，其特征在于，所述核壳结构的核由二氧化硅纳米小球构成，所述二氧化硅纳米小球的颗粒直径范围为100nm～500nm。
4.根据权利要求1所述的一种核壳结构纳米基质，其特征在于，所述核壳结构的壳由铂纳米小球组成，所述铂纳米小球的直径不大于50nm，且所述铂纳米小球形成粗糙表面。
5.根据权利要求1所述的一种核壳结构纳米基质的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
第一步：以乙醇为溶剂，加入氨水2～5毫升搅拌5～30分钟后，加入正硅酸乙酯1～5毫升持续搅拌反应6～8小时，制备尺寸均一的二氧化硅小球；
第二步：将第一步得到的所述二氧化硅小球以水和乙醇为混合溶剂加入3-氨丙基三乙氧基硅烷加热搅拌反应1小时，以形成SiO2-NH2纳米颗粒；
第三步：将第二步形成的所述SiO2-NH2纳米颗粒用去离子水分散，在溶液中加入氯金酸和氢氧化钠，在75℃下搅拌反应10分钟，以得到二氧化硅金种纳米粒子；
第四步：将氯铂酸和碳酸钾混合，并在遮光条件下搅拌12小时，得到生长溶液；
第五步：将第三步得到的所述二氧化硅金种纳米粒子以去离子水为溶剂超声分散，并和第四步得到的所述生长溶液混合，加入还原剂硼氢化钠，常温搅拌1小时，得到SiO2@Pt核壳结构纳米颗粒；
第六步：将所述SiO2@Pt核壳结构纳米颗粒重悬在去离子水中，作为基质使用。
6.根据权利要求1所述的一种核壳结构纳米基质在质谱分析中的应用，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：仪器与试剂的准备：激光解析电离质谱仪，只有信噪比大于10的质谱信号用于分析；采用脉冲电场延时提取及反射的工作方式，正离子模式进行检测；
第二步：根据权利要求5所述的方法制备SiO2@Pt核壳结构纳米基质；
第三步：制备待分析样品；
第四步：将所述SiO2@Pt核壳结构纳米基质与所述待分析样品复合，在靶板上点样，进行质谱分析。
7.根据权利要求6所述的一种核壳结构纳米基质在质谱分析中的应用，其特征在于，须使用洁净的靶板，所述靶板依次用甲酸、无水乙醇、去离子水超声清洗共1.5小时。
8.根据权利要求6所述的一种核壳结构纳米基质在质谱分析中的应用，其特征在于，所述第四步中，将所述SiO2@Pt核壳结构纳米基质在去离子水中超声震荡分散，当所述待分析样品干燥后，在所述待分析样品表面滴加所述SiO2@Pt核壳结构纳米基质的混悬液，所述待分析样品与所述SiO2@Pt核壳结构纳米基质形成二次重结晶。
9.根据权利要求1所述的一种核壳结构纳米基质在生物样品的质谱分析中的应用。
10.根据权利要求9所述的一种核壳结构纳米基质在生物样品的质谱分析中的应用，其特征在于，所述生物样品包括血清、脑脊液、氨基酸或糖类。
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