CN109884212A

CN109884212A - 基于化学衍生化与hplc-ms的不饱和脂肪酸定量方法

Info

Publication number: CN109884212A
Application number: CN201910238742.0A
Authority: CN
Inventors: 蒋宇扬; 高丹; 宋超; 李上富
Original assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Current assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2019-06-14

Abstract

本发明公开了一种基于化学衍生化与HPLC‑MS的不饱和脂肪酸定量方法1)以直接质谱分析确定脂肪酸的标准优化锥电压和碰撞能量电压；2)以不饱和脂肪酸A作为内标，将内标和标准品脂肪酸进行碳碳双键环氧化，并通过HPLC‑ESI‑MS方法进行检测，建立标准品脂肪酸与内标的标准曲线；3)将待测脂肪酸进行碳碳双键环氧化；4)将环氧化的待测脂肪酸以内标法，通过HPLC‑ESI‑MS方法进行检测，检测待测脂肪酸的含量，并在步骤1)所得的标准曲线上进行回归，得到待测脂肪酸的含量。本发明对脂肪酸的异构体进行准确的定量检测，并且简化了定量的流程，提高了定量检测的准确性。

Description

基于化学衍生化与HPLC-MS的不饱和脂肪酸定量方法

技术领域

本发明涉及液质联用技术领域，特别是涉及一种用于利用脂肪酸环氧化衍生物来进行定性定量检测的液质联用方法。

背景技术

脂肪酸是中性脂肪、磷脂和糖脂的主要成分。在有充足氧供给的情况下，脂肪酸可氧化分解为CO₂和H₂O，并释放大量能量，因此脂肪酸是机体主要能量来源之一¹。脂肪酸在人体中通常以酯化形式存在，作为中性脂、磷脂和糖脂等脂质的组分。酯化脂肪酸在磷脂酶的作用下水解得到游离脂肪酸(free fatty acids，FFA)，游离脂肪酸为非酯化的脂肪酸，是类脂代谢物的重要组成部分。一方面，外源性的脂肪通过血浆转运，以游离脂肪酸的形式进入脂肪细胞，再合成脂肪储存，同时机体内的内源性脂肪主要在肝脏中合成，也通过血浆转运而进入脂肪细胞储存；另一方面，储存的脂肪不断降解，以游离脂肪酸的形式进入各组织被氧化利用，使脂肪代谢处于动态平衡。研究表明，游离脂肪酸与糖、脂代谢异常²及其他心血管病，如肥胖、高血压、高胰岛素血症、Ⅱ型糖尿病等关系密切^3-4。

同时，由于结构的差别，脂肪酸的种类繁多，不同结构的脂肪酸在生物体的生命活动中起到的意义也不尽相同⁵。短链脂肪酸由于易挥发，所以在生物体中以及食物中积累的含量较少，其最大的功能是提供能量，如丁酸(C₄H₈O₂)，其还有调节免疫应答和炎症反应，同时具有抑制肿瘤生长，促进细胞分化和凋亡的作用⁶。长链脂肪酸则是生物体中累积的脂肪酸的主要组成成分，碳链长短不同，其性质也有差异⁷，研究中发现膳食中月桂酸(C₁₂H₂₄O₂)和肉豆蔻酸(C₁₄H₂₈O₂)可以增加血清中胆固醇含量，棕榈酸(C₁₆H₃₂O₂)则能降低血清中胆固醇的含量⁸。同时由于饱和脂肪酸以及不同饱和度的不饱和脂肪酸在生物体中承担的生命意义也有所不同^9-10，关于多不饱和脂肪酸ω-6PUFA和ω-3PUFA的研究表明，多不饱和脂肪酸对脑、视网膜和神经组织发育有影响。此外，ω-3PUFA对肿瘤有较好的抑制作用。Spencer等¹¹的研究表明，ω-3PUFA能够抑制肿瘤新生血管的形成，其作用机制可能与血管内皮生长因子有关。而ω-6PUFA却会促进癌细胞的转运，促进癌症的增殖¹²。因此，研究ω-3PUFA与ω-6PUFA在人体组织中的比例关系，对癌症的研究具有极其重要的意义。

自第一台质谱仪被研发出以后，质谱技术经过百年的发展在不断完善，现在质谱检测技术已经发展成为了较完整的体系，覆盖多种分析物的检测，以及广阔的应用领域。在当今的研究中，脂质组学、蛋白质组学等生命科学领域都是研究的热点，而随着质谱技术快速发展且其具有灵敏度高，样品用量少，分析速度快，分离和鉴定可以同时进行等优点，已广泛的被应用于化学、生物学、药学等生命科学相关领域。质谱技术的发展在很大程度上推动了脂质组学的发展，尤其是软电离质谱为脂质组学的研究提供了强有力的技术支持。在软电离的条件下脂肪酸分子可以在不发生断裂的情况下，根据脂质在正负离子模式下带电的特点来对不同类的脂质进行分析，也可以对脂肪酸进行二级质谱分析，根据碎片信息得到脂肪酸的结构信息。常用于脂肪酸定性和定量分析的软电离质谱技术有电喷雾电离(electrospray ionization，ESI)¹³和基质辅助激光解吸电离(matrix-assisted laserdesorption ionization，MALDI)¹⁴。在Ma等^15-17的研究中，Paternò-Büchi反应(P-B反应)也被用于对不饱和脂肪酸中的双键的快速化学衍生化。在紫外灯照射下，衍生试剂丙酮与脂质分子的碳碳双键发生P-B反应生成四元氧杂环丁烷结构^15-16，MS检测到与丙酮的加成产物M+58的分子离子峰，对其进行MS/MS分析。在碰撞诱导解离条件下四元环结构裂解，生成一对分子量相差26Da的特征离子峰，通过该特征碎片峰的归属即可鉴定双键位置。该法成功实现了脂肪酸和磷脂的双键位置快速鉴定，衍生反应速度快，并可实现在线反应。然而，由于异构/同量异位干扰以及副反应的限制，该方法的光谱复杂度较高，因此在分析上受到影响。而利用直接质谱进样法分析衍生化后脂肪酸双键位置来区分脂肪酸异构体也普遍存在很多问题，当处理复杂的混合样品时，过多的脂肪酸种类导致碎片峰十分复杂，其衍生化后产物的一级质谱中同分子量产物峰的出现也极大的干扰了对应脂肪酸的结构分析。因此引入样品前处理的方法对脂质样品进行分离是必要的。

液相色谱(LC)通常与质谱联用进行检测，是一种常用的脂质分析方法。脂质样品可以先经过液相色谱分离，然后对各梯度分离出的组分进行收集再进一步使用质谱分析，这样可以减少不同种类脂质之间的相互干扰。Orellana-Coca等人¹⁸利用高效液相色谱(HPLC)和蒸发光散射检测(ELSD)开发了更快速和描述性的物质分析程序。

而传统的脂肪酸环氧化方法未能使脂肪酸进行充分的环氧化，环氧化后产物变得较为复杂，影响了液质联用检测技术的应用。^15-16,19-21酮作为催化剂在过硫酸盐的作用下对脂肪酸的环氧化被证明是十分有效的，而带有六元环结构的酮催化剂可以实现对脂肪酸的充分环氧化，效率显著^22-25。

综上所述，利用液质联用的检测手段以及与其相匹配的脂肪酸环氧化方法来对脂肪酸进行定性定量检测可以克服直接质谱进样检测中的图谱复杂、分析难度大、定量不准确等缺点，并且易于异构体分析以及准确定量的特点可以应用于临床血浆样本的研究，对比正常与患癌血浆样本来探究脂肪酸双键位置异构对于人体健康，以及探究脂肪酸在肿瘤形成和发展过程中的作用具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于化学衍生化与液相色谱质谱联用的脂肪酸双键定位及定量方法。

本发明的另一目的在于提供上述方法在分析生理和病理样本(肿瘤)中，寻找脂肪酸种类以及含量差异。

本发明一个方面提供了一种高效液相-质谱联用的不饱和脂肪酸定量检测方法，其包括以下步骤：

1)以直接质谱分析确定脂肪酸的标准优化锥电压和碰撞能量电压；

2)以不饱和脂肪酸A作为内标，将内标和标准品脂肪酸进行碳碳双键环氧化，并通过HPLC-ESI-MS方法进行检测，建立标准品脂肪酸与内标的标准曲线；

3)将待测脂肪酸进行碳碳双键环氧化；

4)将环氧化的待测脂肪酸以内标法，通过HPLC-ESI-MS方法进行检测，检测待测脂肪酸的含量，并在步骤1)所得的标准曲线上进行回归，得到待测脂肪酸的含量。

在本发明的技术方案中，不饱和脂肪酸A选自人体血浆中不存在或者含量极少的不饱和脂肪酸，优选为十七烯酸，其在人血浆中的浓度可忽略不计，不影响其他不饱和脂肪酸的定性定量检测，因此可以作为人体血浆不饱和脂肪酸检测中的内标。

在本发明的技术方案中，步骤2)中，标准曲线通过以下方法获得：

2-1)在不同浓度的标准品脂肪酸中分别加入内标；

2-2)将步骤2-1)所得混合物分别进行碳碳双键环氧化；

2-3)以高效液相-质谱联用检测，保持内标浓度不变，根据不同油酸浓度下检测其环氧化产物和内标的环氧化产物的强度比建立标准曲线。

在本发明的技术方案中，步骤2)中，标准曲线中标准品的浓度为4-6个不同梯度浓度，浓度范围根据不同种类的不饱和脂肪酸的实际浓度有所变化，以油酸为例，其标准曲线中油酸标准品的浓度范围为10-1000μM。

在本发明的技术方案中，所述的碳碳双键环氧化方法为以单过硫酸氢钾复合盐(Oxone)作为氧化剂，四氢噻喃-4酮1，1-二氧化物作为催化剂进行环氧化反应。

优选地，步骤3)为在脂肪酸的有机溶剂中加入过硫酸氢钾和四氢噻喃-4-酮1,1-二氧化物，同时加入EDTA二钠盐溶液，并将pH调节到7-8；在40-80℃下反应至完全，以有机溶剂萃取后干燥有机层，得到环氧化产物。

在本发明的技术方案中，利用Masslynx V4.1软件(Waters)进行检测信号的积分计算以及控制检测中的质谱和液相条件。

在本发明的技术方案中，所述的待测脂肪酸来自血液样本，并通过以下方法处理获得，

4-1)将血浆样品中加入甲醇和缓冲液稀释，然后加入甲酸酸化；

4-2)加入乙酸乙酯震荡并离心，取上清液并以乙酸乙酯震荡后离心，取上清液吹干即得待测脂肪酸。

本发明另一个方面提供了一种检测生物样本中不饱和脂肪酸精确定量检测方法，其包括从生物样本中提取不饱和脂肪酸的步骤，并通过本发明的方法检测不饱和脂肪酸含量。

一种基于化学衍生化与液相色谱质谱联用的脂肪酸双键定位及定量方法。该方法主要包括脂肪酸的环氧化衍生方法、脂肪酸的定性检测方法和环氧化产物的液质联用定量检测方法。其中，脂肪酸的环氧化方法主要利用单过硫酸氢钾复合盐(Oxone)和四氢噻喃-4酮1，1-二氧化物对脂肪酸进行氧化，并利用EDTA和碳酸氢钠溶液对反应体系调节pH。脂肪酸的定性检测方法主要利用脂肪酸环氧化产物在二级质谱检测中电压的作用下会发生环氧环的断裂并产生含有双键位置信息的碎片离子，被质谱检测到，双键位置以及脂肪酸异构体的分析可以通过不同位置的双键产生的碎片离子的分子量不同来进行鉴定。脂肪酸的定量检测方法主要利用HPLC-MS检测方法中的多级反应检测模式，对脂肪酸环氧化产物的母离子和主要碎片离子同时进行监测并获得定量，脂肪酸的绝对定量则需要和内标(FA17：1)一同进行环氧化，并利用对应的脂肪酸标准品和内标建立起的标准曲线来进行准确定量。

所述方法中的单过硫酸氢钾复合盐(Oxone)和四氢噻喃-4酮1，1-二氧化物是过量的，能够对脂肪酸的全部双键进行环氧化，且无中间产物的产生。

所述方法中反应体系是碱性的，利用EDTA和碳酸氢钠溶液将反应体系的pH调节至7-8.

所述方法中环氧化后的产物利用乙酸乙酯进行萃取，并利用氮吹仪将产物吹干，保存在4℃，干燥的环境中。

所述方法中在HPLC-MS定量检测进样前，需要将衍生化后的产物加入150μL ACN：H₂O＝1：1溶液进行复溶，在15000r/min的条件下离心10min，将上清液置入内置管中进样检测。

所述方法中使用Masslynx V4.1软件(Waters)收集和分析数据。

在本发明的技术方案中，所述的不饱和脂肪酸选自包含4至28个碳原子，且具有至少一个双键的脂肪酸，优选为油酸及油酸异构体(FA 18:1(9Z)，FA 18:1(11Z))，亚油酸(FA18:2(9Z,12Z))，亚麻酸(FA 18:3(9Z,12Z,15Z))，以及花生四烯酸(FA 20:4(5Z,8Z,11Z,14Z))。

本发明方法在分析生理和病理血浆样本中的脂肪酸的应用，其操作步骤如下：首先对血浆中的脂肪酸进行提取，利用甲酸进行酸化，并利用乙酸乙酯进行萃取，在氮吹仪下将萃取物吹干后，复溶加入内标后进行脂肪酸的环氧化反应，将环氧化产物利用乙酸乙酯萃取，并在氮吹仪下吹干后，复溶进样，进行HPLC-MS的检测，将检测信号与各脂肪酸标准品和内标建立起的标准曲线进行比较，计算得出各脂肪酸的绝对含量。

与现有的技术相比，本发明脂肪酸定性定量的优点在于：一般来说，利用直接质谱进样法分析衍生化后脂肪酸双键位置来区分脂肪酸异构体存在很多问题，当处理复杂的混合样品时，过多的脂肪酸种类导致碎片峰十分复杂，其衍生化后产物的一级质谱中同分子量产物峰的出现也极大的干扰了对应脂肪酸的结构分析，并且定量手段复杂，缺乏准确性。

基于此，本发明首先采用特别的高产率的环化方法进行环化，以获得产品单一的环化产物，避免了现有技术中常用的环化方法对于同一种多不饱和脂肪酸产生多种环化产物的问题。其次，本发明采用HPLC-ESI-MS联用的方法，不同脂肪酸在HPLC中的保留时间不同，在进样前实现脂肪酸的分离，使得质谱检测的结果得到较大的改善，可以同时检测出更多的种类的脂肪酸异构体。同时，采用四氢噻喃-4酮1,1-二氧化物参作为催化剂对脂肪酸双键进行全部的环氧化，也提升了该方法对低丰度脂肪酸的检测效果。对多不饱和脂肪酸中所有双键进行氧化也保证了衍生化后产物种类的单一性，有利于之后的液质联用的分析，并且利用加入内标的方法能够对脂肪酸进行相对准确的定量。

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附图说明

图1为实施例1的脂肪酸检测的环氧化机理图；

图2为实施例2的脂肪酸环氧化反应质谱检测图；

图3为实施例2的脂肪酸(油酸)与内标的标准曲线图谱。

图4为本发明的流程示意图。

具体实施方式

实施例1本发明提取血浆中脂肪酸样品的方法

将冻存的人体血浆溶液，在4℃下解冻，取500μL血浆样品，加入1500μL甲醇，750μLPBS缓冲液(pH＝7.4)，加入69μL 1M的甲酸酸化，振荡后混合均匀，静置15min。加入2.5ml乙酸乙酯，振荡均匀后在4℃，3000g的条件下离心5min，取上清液；将离心沉淀加入2.5ml乙酸乙酯，充分震荡后重复离心操作。将离心后的上清液利用氮吹仪将乙酸乙酯吹干，加入500μL乙腈复溶待用。

实施例2本发明脂肪酸环氧化的方法

本发明中脂肪酸碳碳双键的氧化依靠单过硫酸氢钾复合盐(Oxone)作为氧化剂，四氢噻喃-4酮1，1-二氧化物作为催化剂，该方法具有反应速度快，反应产率高等优点。反应原理如图1所示。

具体操作步骤：环氧化反应在1.5mL塑料小瓶中操作。取200μL脂肪酸乙腈溶液，然后向溶液中加入75μL的500mM过硫酸氢钾以提供氧气用于环氧化反应，再向溶液中加入50μL的100mM四氢噻喃-4-酮1,1-二氧化物以促进环氧化反应作为催化剂。同时，将75μL的400μM EDTA二钠盐溶液和100μL的1M碳酸氢钠溶液加入到反应体系中。整个反应体系在60℃下进行5分钟。环氧化产物用500μL乙酸乙酯萃取两次。然后，合并有机层并在真空干燥箱下干燥。由图二可知，经环氧化反应后，样品脂肪酸——油酸(FA 18：1 9Z)几乎被完全环氧化，环氧化的效率超过99％。

实施例3本发明液质联用定量检测脂肪酸的方法

对于脂肪酸绝对定量，本发明中使用100μM十七烯酸(FA 17：1 10Z)作为内标(IS)。在处理样品之前需要建立脂肪酸和内标的标准曲线，以及针对每个FA标准优化锥电压和碰撞能量电压。以油酸为例，首先进行直接质谱分析，优化该脂肪酸的锥电压和碰撞能量电压，随后分别在50,100,200,500和1000μM的油酸溶液中加入100μM十七烷酸作为反应物。在环氧化反应后，比较油酸的环氧化产物(m/z 297)和IS的产物(m/z 283)的强度以计算强度比(I₂₉₇/I₂₈₃)。在多反应监测(MRM)模式下，我们可以基于母离子和主要碎片离子对来区分这些脂肪酸，从而获得油酸和内标之间良好的线性曲线。图三显示，按照实施例2的环氧化方法和实施例3的多级反应检测方法得到的油酸和内标之间的标准曲线具有良好的线性关系。同时，我们对多种不饱和脂肪酸标品均建立了与内标之间的标准曲线：FA18:19Z-IS(y＝0.01054x+0.26143,R2＝0.99161)；FA18:111Z-IS(y＝0.01688x+0.00034,R2＝0.9929)；FA18:2 9Z,11Z-IS(y＝0.01633x+0.1793,R2＝0.99484)；FA18:3α-IS(y＝0.00385x+0.00244,R2＝0.99683)；FA 20：4-IS(y＝0.00172x+0.00289，R2＝0.99821)在标准脂肪酸和IS之间建立标准曲线之后，通过遵循实例一中从血浆提取脂肪酸方案，并在实例二进行脂肪酸环氧化之后，将有机相在氮气下干燥，然后重构成一定体积的溶剂(乙腈/水，50/50，v/v)，其浓度为血浆的0.4倍，并将100μM内标掺入到从人血浆中提取的FA中。通过HPLC-MS检测和定量脂肪酸样品：在配备Alliance HPLC Waters 2695(Waters，Milford，MA，USA)和Quattro Premier XE质谱仪(Waters)的液质联用系统上进行FA分析。将复溶好的样品注入反相HPLC柱(Waters X Bridge BEH C18,50mm×2.1mm)中，并以150μL/min的流速用HPLC溶剂B(100％乙腈)的线性梯度洗脱。洗脱条件：t＝0，A＝90％，B＝10％；t＝0.5分钟，A＝90％，B＝10％；t＝8.0分钟，A＝30％，B＝70％；t＝13分钟，A＝30％，B＝70％；t＝28分钟，A＝25％，B＝75％；t＝30分钟，A＝25％，B＝75％；t＝32分钟，A＝90％，B＝10％；t＝40分钟，A＝90％，B＝10％。柱温设定在30℃，进样量为10μL。采用多级反应监测(MRM)模式，使用Masslynx V4.1软件(Waters)收集和分析数据。

上表显示了，经实施例3的方法进行正常和患癌的人血浆分别进行脂肪酸定量检测后，能够得到多种脂肪酸的定量结果，脂肪酸的定量建立在能够利用相关标品建立标准曲线的基础上其中，脂肪酸FA 18:1(9Z)浓度检测的结果范围为147-464μM，FA 18:1(11Z)的浓度范围为9.7-36μM；FA 18:2的浓度范围为66-204μM；FA 18:3(9Z,12Z,15Z)的浓度范围为3.9-17.5μM；FA 20:4(5Z,8Z,11Z,14Z)的浓度范围为1.48-8.5μM。

Claims

1.一种高效液相-质谱联用的不饱和脂肪酸定量检测方法，其包括以下步骤：

3)将待测脂肪酸进行碳碳双键环氧化；

2.根据权利要求1所述的不饱和脂肪酸定量检测方法，其特征在于，所述的碳碳双键环氧化方法为以单过硫酸氢钾复合盐(Oxone)作为氧化剂，四氢噻喃-4酮1，1-二氧化物作为催化剂进行环氧化反应。

3.根据权利要求1-2任一项所述的不饱和脂肪酸定量检测方法，步骤3)为在脂肪酸的有机溶剂中加入过硫酸氢钾和四氢噻喃-4-酮1,1-二氧化物，同时加入EDTA二钠盐溶液，并将pH调节到7-8；在40-80℃下反应至完全，以有机溶剂萃取后干燥有机层，得到环氧化产物。

4.根据权利要求1-3任一项所述的不饱和脂肪酸定量检测方法，其特征在于，步骤2)中，标准曲线通过以下方法获得：

2-1)在不同浓度的标准品脂肪酸中分别加入内标；

2-2)将步骤2-1)所得混合物分别进行碳碳双键环氧化；

5.根据权利要求1-4任一项所述的不饱和脂肪酸定量检测方法，步骤2)中，标准曲线中标准品的浓度为4-6个梯度浓度。

6.根据权利要求1-5任一项所述的不饱和脂肪酸定量检测方法，其特征在于，所述的待测脂肪酸来自血液样本，并通过以下方法处理获得，

a)将血浆样品中加入甲醇和缓冲液稀释，然后加入甲酸酸化；

b)加入乙酸乙酯震荡并离心，取上清液并以乙酸乙酯震荡后离心，取上清液吹干即得待测脂肪酸。

7.根据权利要求1-6任一项所述的不饱和脂肪酸定量检测方法，其特征在于，不饱和脂肪酸A选自人体血浆中不存在或者含量极少的不饱和脂肪酸，优选为十七烯酸。

8.一种检测生物样本中不饱和脂肪酸精确定量检测方法，其包括从生物样本中提取不饱和脂肪酸的步骤，并通过权利要求1-7任一项所述的检测方法，检测不饱和脂肪酸含量。