CN107966491A - 一种基于多孔薄膜的表面辅助激光解吸离子化质谱衬底 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多孔薄膜的表面辅助激光解吸离子化质谱衬底，该衬底包括底部的纳米材料衬底和顶部的光吸收层。其中，纳米材料衬底为多孔氧化物薄板，光吸收层为亚波长厚度的多孔金属层；多孔氧化物薄板的孔径小于激发用的紫外激光器的波长，多孔氧化物薄板的孔壁厚度小于孔径。本发明的质谱衬底在脉冲激光的辐射下，其表面瞬间形成高温，并将能量有效转移至被分析物上，导致较高的解吸离子化效率，同时该技术所形成的碎片少，可达到对生化分子高效的“软离子化”。此外，由于该衬底无需加入任何有机基质材料，它在低质量区域不会产生背景干扰峰，从而可以实现低分子量物质的高效检测。
Description
技术领域
本发明属于分析化学领域，具体涉及一种基于多孔薄膜的表面辅助激光解吸离子化质谱衬底。
背景技术
基质辅助激光解吸离子化(Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization,MALDI)是一类重要的大分子离子化技术。这一技术与质谱(Mass Spectrometer,MS)联用，构成了生化分析领域的重要检测技术。在MALDI技术中，普遍使用有机小分子作为基质吸收激光能量实现生物大分子的“软离子化”。然而，由于有机小分子的引入，使得测出的质谱在低质量区域存在着高背景噪声。为了解决这个问题，研究者发展了表面辅助激光解吸离子化(Surface-Assisted Laser Desorption/Ionization,SALDI)技术。它利用纳米颗粒或纳米结构代替传统的有机基质吸收辐射的激光能量，并将能量转移到待分析物中以实现离子化的目的。相比于MALDI-MS，SALDI-MS具有在低质量区域的背景噪声很低、分析物碎片少和高耐盐性等优点，为此目前SALDI-MS已成为一项重要的小分子分析技术。
SALDI技术涉及多重物理化学过程，其性能受到多种因素的影响，如(1)激光辐射导致的温度升高，(2)纳米结构的表面积大小，(3)导电性，(4)激光诱导表面熔融/重组，(5)化学效应，如溶剂分子的捕获能力和表面官能团。为此找到一种对光、热和表面积等多因素同时能够达到优化效果，且价格便宜、易于大面积制备的SALDI衬底变得非常的重要。目前用于SALDI的基质有多种，可分为多孔硅结构、纳米颗粒材料、碳基纳米材料以及氧化物材料等。这些结构具备大的表面积，具有较强的紫外吸收能力，但这些结构对SALDI的热学性能以及光热性能并没有专门的优化。迄今为止，结合多孔宽带光吸收薄膜与多孔低热容绝热材料作为衬底用于SALDI-MS分析的研究在文献中没有任何记录。
发明内容
本发明的目的在于利用绝热吸光的纳米材料实现高效的光热效应，从而达到生化分子的高效光解吸与离子化。并利用基质材料中无需小分子的特性，降低低质量区域的背景。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于多孔薄膜的表面辅助激光解吸离子化质谱衬底，该衬底包括底部的纳米材料衬底和顶部的光吸收层，所述纳米材料衬底为多孔氧化物薄板，所述光吸收层为亚波长厚度的多孔金属层；所述多孔氧化物薄板的孔径小于激发用的紫外激光器的波长，所述多孔氧化物薄板的孔壁厚度小于孔径。
进一步地，所述多孔氧化物薄板的孔径为5～300纳米，其孔壁的厚度为1～100纳米。
进一步地，所述多孔氧化物薄板的厚度为0.1～1000微米，长和宽为0.1～10厘米。
进一步地，所述多孔氧化物薄板的纳米孔穿透或不穿透整个薄板，纳米孔的形状为规则的或者不规则的，纳米孔的排列是周期性的或非周期性的。
进一步地，所述多孔氧化物薄板的孔隙与固体部分的体积比大于50％。
进一步地，所述多孔金属层的材料为金、银或铝。
进一步地，所述多孔金属层的厚度为10～100纳米。
本发明提供了一种基于多孔薄膜的表面辅助激光解吸离子化质谱衬底，与传统的有机基质辅助激光解吸离子化相比具有的有益效果是：
(1)本发明中的衬底结构具有极好的光热性能，可高效的将光能转移给有机分子，实现高离子化效率。
(2)本发明的纳米结构衬底制备工艺简单成熟，制备成本低，可以大面积的生产。
(3)本发明的纳米结构衬底具有较好的耐盐性和重现性。
(4)本发明的纳米结构衬底是一种多孔结构，表面积大，可以很好的吸附待分析物。
(5)本发明的纳米结构衬底代替传统MALDI中的基质，无需加入任何有机基质材料，在低分子量区间不会产生背景干扰峰，信噪比高，可以实现小分子的高效检测，可广泛用于化学和生物医药检测领域，推动了激光解吸离子化质谱分析技术的发展。
附图说明
图1是本发明基于多孔薄膜的表面辅助激光解吸离子化质谱衬底示意图，其中1-纳米多孔薄板，2-表面沉积的金属膜。圆孔的轴方向为z方向。
图2是本发明基于多孔薄膜的表面辅助激光解吸离子化质谱衬底的解吸离子化原理示意图，其中3-纳米结构衬底，4-待分析物，5-离子化的待分析物，6-辐射激光。
图3是本发明实施例基于多孔薄膜的表面辅助激光解吸离子化质谱衬底的扫描电子显微镜照片，其中(a)上表面细节放大；(b)侧壁细节放大。
图4是本发明实施例基于多孔薄膜的表面辅助激光解吸离子化质谱衬底的吸收光谱。
图5是本发明实施例基于多孔薄膜的表面辅助激光解吸离子化质谱衬底的实测生物分子质谱图，其中(a)是40-70纳米孔径Au/AAO作为SALDI衬底的质谱图；(b)是200-300纳米孔径Au/AAO作为SALDI衬底的质谱图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明的一种基于多孔薄膜的表面辅助激光解吸离子化质谱衬底，具有一个超薄(亚波长厚度)的光吸收层，以及具有低热容低热导率的纳米材料衬底。顶部超薄光吸收层为多孔金属镀膜层，底部纳米材料衬底为氧化物构成的多孔薄板，其孔径在5～300纳米间(小于激发用紫外激光器波长)，厚度为0.1～1000微米，长和宽为0.1～10厘米。薄板的孔壁厚度要小于孔径(1～100纳米)。该质谱衬底在脉冲激光的辐射下，可将光能快速转化为热能，并将能量转移给待测样品，使其解吸附并离子化。这种免基质的解吸离子化方法对于大分子破坏较少，可作为高效的“软离子化”工具，同时在低质量区域不会产生背景干扰峰，从而可以进一步进行小分子的质谱分析。
本发明的多孔薄板的纳米孔可以为穿透或不穿透整个薄板。纳米孔的形状可以是规则的或者不规则的，并且在微米尺度上的密度是一致的。纳米孔的排列可以是周期性的或非周期性的。多孔薄板的孔隙与固体部分体积比大于50％，其热容与热导率远小于相应的固体块材的对应参数。
多孔金属镀膜层的材料为金、银、铝等。薄膜沉积技术可以是电子束蒸发沉积，旋转涂覆技术，离子溅射薄膜沉积技术，原子层薄膜沉积技术，自组装技术等。金属膜的厚度为10～100纳米。
利用上述衬底实现解吸离子化—质谱分析的方法包括如下步骤：
(1)将纳米结构衬底粘在质谱仪配套的钢板上，配制的待分析物溶液滴在纳米结构上，等待一段时间，使待分析物溶液晾干；
(2)钢板推入质谱仪中，激光辐射，纳米结构衬底吸收激光能量并传递给待分析物，使待分析物发生解吸离子化，生成带电粒子，进入质谱分析仪。
本发明的质谱衬底对激发激光具有较高的吸收率(>50％)，与较小的反射、透射与散射。
实施例：
本实施例的基于多孔薄膜的表面辅助激光解吸离子化质谱衬底是在多孔阳极氧化铝薄板AAO表面沉积了一层金膜(Au/AAO)。AAO的孔径可控，根据制备过程中参数的改变可在10纳米至300纳米的范围内精确调控。在本例中，AAO的纳米孔穿透整个薄板，纳米孔的形状是不规则的非周期性结构，但在微米尺度上的密度是一致的。该AAO厚度为50微米，长和宽均为2.5厘米，这些几何参数可根据需要调整。该类衬底中孔壁非常的薄，为此衬底中大部分体积内为空气。例如对于200纳米孔径的AAO模板孔壁约为20纳米，孔隙与固体部分体积比为91％，这使得该衬底的热容和热导率都远小于普通块体材料。
沉积的金属膜材料为金，薄膜沉积技术是电子束蒸发沉积，在实施过程中金属膜的厚度为40纳米，同时金颗粒在AAO薄板的侧壁上也有沉积(如图1和图3)。
本实施例的基于多孔薄膜的表面辅助激光解吸离子化质谱衬底实现解吸离子化—质谱分析的具体方法(如图2)：
(1)将纳米结构衬底Au/AAO粘在质谱仪配套的钢板上，配制的待分析物neurotensin溶液滴在Au/AAO上，等待一段时间，使待分析物溶液晾干；
(2)钢板推入质谱仪中，波长355纳米的ND:YAG激光辐射，Au/AAO吸收激光能量并传递给neurotensin，使neurotensin发生解吸离子化，生成带电粒子，进入质谱分析仪SCIEX，4800Plus MALDI TOF/TOF Analyzer。
本实施例的基于多孔薄膜的表面辅助激光解吸离子化质谱衬底的吸收光谱如图4。在300-900纳米波段，光吸收率大于60％；大于350nm波段，吸收率更是高达90％。
本实施例的基于多孔薄膜的表面辅助激光解吸离子化质谱衬底测得的neurotensin分子的质谱图如图5。其中(a)图是40-70纳米孔径Au/AAO作为SALDI衬底的质谱图，Neurotensin分子量为1672。1337峰表明有分子碎片产生；1772峰是氧化铝和neurotensin分子的质量和，表明衬底被破坏。(b)图是200-300纳米孔径Au/AAO作为SALDI衬底的质谱图。1669峰与neurotensin分子量相差不大，信噪比也很高。从上述结果表明：200-300纳米孔径Au/AAO是优越的SALDI-MS衬底。
本发明的衬底和现有技术相比：Jing Wei等人用多孔硅结构所测的des-arg-bradykinin的质谱，见文章J.Wei,J.M.Buriak,G.Siuzdak,Nature 399,243(1999)的Figure 4，其中a和b是直接使用的多孔硅衬底，可以看出，其背景信号高于本发明图5(b)。John A.McLean等人将金纳米颗粒应用于质谱，见文章J.A.McLean,K.A.Stumpo,andD.H.Russell,J.Am.Chem.Soc.,2005,127,5304.中的Figure 2，其中(A)，(B)和(C)图的颗粒直径分别为2nm，5nm和10nm，每种颗粒又分别在正负两种模式下所测RPKPQQFFGLM-NH2的质谱，可以看出，其质谱会有很多金颗粒离子的干扰，背景信号也是高于本发明图5(b)。
Claims (7)
1.一种基于多孔薄膜的表面辅助激光解吸离子化质谱衬底，其特征在于，该衬底包括底部的纳米材料衬底和顶部的光吸收层，所述纳米材料衬底为多孔氧化物薄板，所述光吸收层为亚波长厚度的多孔金属层；所述多孔氧化物薄板的孔径小于激发用的紫外激光器的波长，所述多孔氧化物薄板的孔壁厚度小于孔径。
2.根据权利要求1所述的一种基于多孔薄膜的表面辅助激光解吸离子化质谱衬底，其特征在于，所述多孔氧化物薄板的孔径为5～300纳米，其孔壁的厚度为1～100纳米。
3.根据权利要求1所述的一种基于多孔薄膜的表面辅助激光解吸离子化质谱衬底，其特征在于，所述多孔氧化物薄板的厚度为0.1～1000微米，长和宽为0.1～10厘米。
4.根据权利要求1所述的一种基于多孔薄膜的表面辅助激光解吸离子化质谱衬底，其特征在于，所述多孔氧化物薄板的纳米孔穿透或不穿透整个薄板，纳米孔的形状为规则的或者不规则的，纳米孔的排列是周期性的或非周期性的。
5.根据权利要求1所述的一种基于多孔薄膜的表面辅助激光解吸离子化质谱衬底，其特征在于，所述多孔氧化物薄板的孔隙与固体部分的体积比大于50％。
6.根据权利要求1所述的一种基于多孔薄膜的表面辅助激光解吸离子化质谱衬底，其特征在于，所述多孔金属层的材料为金、银或铝。
7.根据权利要求1所述的一种基于多孔薄膜的表面辅助激光解吸离子化质谱衬底，其特征在于，所述多孔金属层的厚度为10～100纳米。
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Cited By (1)
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| CN112505143A (zh) * | 2020-11-09 | 2021-03-16 | 南京大学 | 一种测量宏观界面间相互作用的装置及其方法 |
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